Глава 2. Основы биологии и биохимии

Все процессы, протекающие в живых организмах, являются следствием сложнейшего комплекса множества взаимозависимых химических реакций. В указанных процессах принимают участие белки, нуклеиновые кислоты и разнообразные вспомогательные факторы.

В 1674 году А. Левенгук впервые рассмотрел под микроскопом некоторые клетки жи­вотных организмов. С усовершенствованием микроскопа и техники микроскопирования появлялись все новые сведения о клетках жи­вотных и растений, на основе которых немецкий ботаник М. Шлейден сделал важный вывод о клеточной организации растений, а зоолог Т. Шванн в 1839 г.. вывел важнейшее положение теоретической биологии: клетка является элементарной единицей строения и развития всех растительных и жи­вотных организмов В дальнейшем были сформулированы ос­новные положения клеточной теории:

- клетка представляет собой основу структурной и функциональной организации растений и животных;

- клетки растений и животных сходны по строению и развиваются аналогично (путем деления исходной клетки);

- клетки у всех организмов имеют мембранное строение;

- ядро клетки представляет ее главный регуляторный органоид;

- клеточное строение живых организмов — свиде­тельство единства их происхождения.

Открытие клетки и создание клеточной теории помогло объяснить ос­новные закономерности живой природы с материалисти­ческих позиций.

Строение клетки

Клетки, образующие ткани животных и растений, зна­чительно различаясь по форме, размерам и внутренне­му строению, обнаруживают сходство в главных чертах процессов жизнедеятельности, обмена веществ, в раздражимости, росте, развитии, спо­собности к изменчивости.

Клетки всех типов содержат два основных компонента, тесно связанных между собой, — цитоплазму и ядро. Ядро отделено от цитоплазмы пористой мембраной и содержит ядерный сок, хроматин и ядрышко. Полу­жидкая цитоплазма заполняет всю клетку и пронизана многочисленными канальцами. Снаружи она покрыта цитоплазматической мембраной.

Растительные и животные клетки, обладая общ­ностью строения, сходны и по химическому составу. Это свидетельствует о материальном единстве и общности происхождения растительного и животного мира.

В клетках обнаружено около 90 элементов периодиче­ской системы Д. И. Менделеева. Больше всего в них кис­лорода — 70%, углерода — 18, водорода — 10, азота — до 3%. Десятые доли процента составляет содержание желе­за, калия, серы, фосфора, хлора, магния, натрия; еще меньше — цинка, меди, йода, фтора, брома, никеля, сере­бра, молибдена и др.

Роль химических элементов в клетке велика: Азот и сера входят в состав белков, фосфор - в ДНК и РНК, магний - в со­став многих ферментов и молекулу хлорофилла, медь - компонент многих окислительных ферментов, цинк - гор­мона поджелудочной железы, железо - молекулы гемогло­бина и т.д.

Белки. Из всех органических веществ в клетке веду­щая роль принадлежит белкам. Белки — это полимеры, их составными единицами (мономерами) являются ами­нокислоты. На долю белков в клетке приходится 50 — 80% сухой массы. Молекулярная масса белков колеблется в широких пределах: от десятков тысяч (у белка яйца - яичного альбу­мина она составляет 36000), до миллионов, как, например, у сократительного белка мышц актомиозина (1 500 000).

Последовательность аминокислот в полипептидной цепи определяет первичную структуру молекулы белка, от которой в свою очередь зависят последующие уровни пространственной организации и биологические свойства белка, а взаимодействие цепей – надмолекулярные прстранственные структуры – вторичные, третичные и четвертичные, видоизменяющиеся и разрушающиеся под влиянием термических, химических и других фак­торов.

Биологическая роль белков в клетке и во всех жиз­ненных процессах очень велика. На первом месте стоит их каталитическая функция. Поскольку многие внутри­клеточные вещества в химическом отношении инертны и их концентрация в клетке незначительна, реакции в клетках должны бы протекать очень медленно. Одна­ко благодаря присутствию в клетке биокатализаторов ре­акции проходят исключительно быстро. Все биокатализа­торы (они называются ферментами или энзимами) — ве­щества белковой природы. Каждую химическую реакцию обусловливает свой биокатализатор. Всевозможных реак­ций в цитоплазме клетки осуществляется очень много, столь же много и биокатализаторов, контролирующих ход этих реакций.

Нуклеиновые кислоты— это высокомолекулярные ор­ганические соедине-ния, имеющие первостепенное биоло­гическое значение. Впервые они были обнаружены в ядре клеток (в конце XIX в.), отсюда и получили соответ­ствующее название (нуклеус — ядро). Нуклеиновые кис­лоты хранят и передают наследственную информацию.

Существует два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Основное местоположение ДНК — ядро клетки. ДНК об­наружена также в некоторых органоидах (пластиды, ми­тохондрии, центриоли). РНК встречаются в ядрышках, в рибосомах и цитоплазме клеток.

И рибо- (РНК), и дезоксирибонуклеиновые (ДНК) образованы из различ-ного числа мономерных звеньев - нуклеотидов, состоящих из углеводного компонента – 2-дезокси-Dрибозы в различной последовательности. НК характеризуются различным числом звеньев: от нескольких десятков (транспортная РНК) до миллионов (геном человека).

Молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных друг возле друга нитей. Ее мономерами служат нуклеотиды. Каждый нуклеотид — химическое соедине­ние, состоящее из трех веществ: азотистого основания,

Рибоза

дезоксирибоза

пятиатомного сахара дезоксирибозы (у ДНК) или рибозы (у РНК) и остатка фосфор­ной кислоты

Существуют четыре вида азотистых основа­ний : аденин (А), тимин (Т),

гуанин (Г) и цитозин (Ц):

Аденин Тимин Гуанин Цитозин

Азотистые основания в молекуле ДНК соединены ме­жду собой неодинаковым количеством водородных свя­зей. Способность к избирательно­му взаимодействию аденина с тимином, а гуанина с цитозином, основанная на особенностях расположения в пространстве атомов этих молекул, называется комплементарностъю (дополнительностью). В полинуклеотидной цепочке соседние нуклеотиды связаны между собой через сахар (дезоксирибозу) и остаток фосфорной кислоты. В молекуле ДНК последовательно соединены многие ты­сячи нуклеотидов. Молекулярная масса этого соединения достигает десятков и сотен миллионов.

ДНК называют веществом наследственности. Биоло­гическая наследственная информация зашифрована (зако­дирована) в молекулах ДНК с помощью химического ко­да. В клетках всех живых существ один и тот же код. В его основе лежит последовательность соединения в ни­тях ДНК четырех азотистых оснований: А, Т, Г, Ц.

Клетка обладает необходимым механизмом само­удвоения (ауторепродукции) генетического кода. Процесс самоудвоения идет поэтапно: вначале с помощью фер­ментов разрываются водородные связи между азотисты­ми основаниями. В результате этого одна нить ДНК от­ходит от другой, затем каждая из них синтезирует новую путем присоединения комплементарных нуклеотидов, на­ходящихся в цитоплазме. Поскольку каждое из основа­ний в нуклеотидах может присоединить другое основание только комплементарное себе, то воспроизводится точ­ная копия «материнской» молекулы ДНК (редупликация) (рис. 3.1). Ины­ми словами, каждая нить ДНК служит матрицей, а ее удвоение называется матричным синтезом. Матричный синтез напоминает отливку на матрице, например, типографского шрифта, при котором затвердев­шая отливка должна быть точной копией исходной формы. Поэтому в живых клетках в результате удвоения новые молекулы ДНК имеют ту же структуру, что и пер­воначальные: одна нить была исходной, а вторая собра­на заново.

Рис. 3.1 Первая стадия редупликации

Так как новые молекулы ДНК имеют ту же структу­ру, что и исходные, в дочерних клетках сохраняется та же наследственная информация. Однако в случае переста­новки или замены нуклеотидов на другие либо полного их выпадения в любом участке ДНК возникшее искаже­ние будет в точности скопировано в дочерних молекулах ДНК. В этом и заключается молекулярный механизм из­менчивости: любое искажение наследственной информа­ции на участке ДНК в процессе самокопирования будет передаваться от клетки к клетке, из поколения в поколе­ние.

Другое важное свойство молекул ДНК — способность синтезировать на отдельных участках разъединенных ни­тей рибонуклеиновые кислоты. Для этого исполь­зуются ферменты (РНК-полимераза) и требуются затраты энергии. ДНК пе­редает на нить РНК свой порядок чередования нуклеотидов по принципу матричного синтеза. Этот процесс называется тран­скрипцией.

РНК-однонитевая молекула, она значительно короче ДНК. Каждый нуклеотид в ней состоит из пятиатомного сахара рибозы, остатков фосфорной кис­лоты и азотистого осно­вания. Их здесь также че­тыре: аденин, гуанин, гуанин, цитозин, но вместо тимина присутствует близкий ему по строению урацил (У), комплементарный аденину. На РНК-матрице происходит синтез белков – этот процесс называется трансляцией.

Деление клетки

Клетки многоклеточного орга­низма чрезвычайно разнообразны по форме. Так же раз­нообразны они и по выполняемым функциям. В соответ­ствии со специализацией клетки имеют разную продол­жительность жизни. Например, нервные и мышечные клетки после завершения эмбрионального периода разви­тия перестают делиться и функционируют на протяжении всей жизни организма. Клетки же других тканей — кост­ного мозга, эпидермиса, эпителия тонкого кишечника — в процессе выполнения своей функции быстро погибают и замещаются новыми в результате непрерывного кле­точного размножения.

Деление клеток лежит в ос­нове развития и роста организмов, их размножения, а также обеспечивает самообновление тканей на протя­жении жизни организма и восстановление их целостности после повреждения.

Наиболее широко распространенная форма воспроиз­ведения клеток у живых организмов — непрямое деление, или митоз. Для митоза характерны сложные преобразо­вания ядра клетки, сопровождающиеся формированием специфи-ческих структур — хромосом. Совокупность процес­сов, происходящих в период подготовки клетки к деле­нию, а также на протяжении самого митоза, называется митотическим циклом. Цикл включает синтез РНК и белков, затем синтез ДНК, продолжительность которого в разных клетках неодинакова и колеблется от нескольких минут у бакте­рий до 6—12 ч в клетках млекопитающих, затем собственно деление клетки. Все дочерние клетки, образо­вавшиеся в результате митоза, содержат одинаковый набор хромосом и одни и те же гены. Следовательно, митоз — это способ деления клеток, заключающийся в точном распределении генетического материала между дочерними клетками.В результате митоза обе дочерние клетки получают диплоидный (парный) набор хромосом.

Митоз тормозится высокой температурой, высокими дозами ионизирующей радиации, действием расти­тельных ядов.