Зеркальная асимметрия природы.
«Жизнь, каковой она предстает перед нами,
является функцией асимметрии Вселенной
и следствий этого факта».
Луи Пастер
Напомним несколько определений:
1. Свойство объекта не совпадать со своим зеркальным отображением называется хиральностью.
2. Понятие правого и левого объектов (резьба болтов, рука человека).
Объекты, совпадающие со своим зеркальным отображением, называют зеркально симметричными, или ахиральными.
Подчеркнем, что не только предметы, но и процессы, например химические реакции, могут проявлять зеркальную асимметрию.
Наш обычный опыт говорит, что человек обладает структурной хиральностью: сердце у него находится слева, а печень – справа. Кроме того, у человека имеется и функциональная хиральность: люди делятся на правшей и левшей.
Но оказывается, что и молекулы обладают хиральностью.
Впервые внимание на этот факт обратил Луи Пастер (1848). Например, оказалось, что существует два типа кристаллов соли винной кислоты, каждый из которых является зеркальным отображением другого. Если приготовить растворы из этих кристаллов, то оказывается, что один из растворов вращает плоскость поляризации света по часовой стрелке, а другой – в обратном направлении. Пастер предположил, что существует два вида молекул соли – так называемые «правые» и «левые» изомеры.
Пастер обнаружил, что живые организмы не обладают зеркальной симметрией: в них преобладают либо правые (D- Dextro), либо левые (L- Levo) молекулы-изомеры.
|
|
|
Действительно, напомним, что белки состоят из 20 аминокислот, и для всех этих аминокислот (за исключением глицина) существуют L- и D- изомеры. Однако белки построены исключительно из L- аминокислот (за исключением специальных пептидов).
(Не надо думать, что изомеры очень трудно различить. Например, лимонен обладает изомерами и различие можно определить по запаху: один из изомеров пахнет лимоном, другой – апельсином).
В нуклеиновых кислотах присутствует только правый изомер сахара и поэтому, как правило, ДНК и РНК образуют правую спираль.
Надо отметить, что существование изомеров не очень ожидаемо. Действительно, все химические реакции по существу являются результатом электромагнитных взаимодействий атомов. Для электромагнитных сил характерна симметрия (электромагнитные силы сохраняют четность), поэтому на первый взгляд можно ожидать, что в природе должно быть равные количества L- и D- изомеров.
В то же время мы понимаем, что Вселенная является несимметричной на всех уровнях – от субатомного до макроскопического. Каковы причины этого явления?
Вспомним, что во Вселенной действует всего четыре вида сил (взаимодействий):
|
|
|
1. Гравитационные - сохраняют четность
2. Электромагнитные (отвечают за обычные химические реакции) - сохраняют четность;
3. Сильные ядерные (удерживают части ядра вместе с помощью глюонов) - сохраняют четность;
4. Слабые ядерные - не сохраняют четность (примером может служить испускание b-лучей при радиоактивном распаде, при котором число левых электронов намного превосходит число правых).
v Теоретические расчеты показывают, что и молекулы должны становиться ахиральными из-за учета асимметричных сил, действующих на атомном уровне: L- аминокислоты должны количественно превосходить D- аминокислоты в соотношении 1:1017. Такое бесконечно малое различие объясняет, почему в лабораторных условиях оптические L- и D-изомеры получают практически в равных количествах.
Ранее мы отмечали различные уровни организации окружающего мира, начиная с уровня элементарных частиц. Уже первый уровень зеркально асимметричен, и асимметричность элементарных частиц приводит к тому, что все атомы тоже становятся ахиральными.
Рассмотрим теперь вопрос о том, почему в живой природе ахиральность проявляется в столь существенном масштабе. На каком этапе химической эволюции от неживого к живому появилась и закрепилась хиральная «частота» биомолекул.
|
|
|
Зеркально симметричные химические реакции могут приводить к образованию неравных количеств L- и D- аминокислот благодаря явлению, которое называют спонтанным нарушением симметрии.
Спонтанное нарушение симметрии – это механизм, в результате которого система «спонтанно», самопроизвольно, переходит из симметричного состояния в асимметричное.
Этот рисунок показывает, что при наличии автокаталитических реакций может происходить синтез изомеров только какого-то одного типа.
Таким образом, была предложена модель, описывающая асимметрию живых организмов. В этой модели предполагалось, что каждый вид способен к самовоспроизведению и что присутствие одного из них уменьшает скорость роста популяции другого. Иными словами, происходит «межвидовая борьба» за существование.
Рассматривалось 4 различных варианта.
· Первая клетка образуется сразу из L-аминокислот (маловероятный вариант), и затем она побеждает в борьбе.
· Первая клетка образуется с небольшим избытком L-аминокислот и затем происходит эволюционный отбор
· Первые клетки образуются одновременно с избытком L- и D- аминокислот, а затем идет межвидовая борьба
|
|
|
· Спонтанное нарушение симметрии приводит сразу к тому, что выживают во всех местах только L-аминокислоты
Очевидно, что ключевые вопросы о происхождении гомохиральности жизни остаются без ответа, равно как и вопросы о происхождении зеркальной асимметрии на макроскопическом уровне.
Подведем некоторые итоги. Моделирование добиологической эволюции:
1. Случайная самоорганизация хаоса с возникновением необратимой эволюции практически нереализуема.
2. Системы должны быть открытыми, находиться в состояниях, далеких от равновесных, чтобы была возможность осуществления самоорганизации.
3. Самоорганизация и отбор сложных органических макромолекул возможны, если абиогенная (химическая) молекулярная система характеризуется метаболизмом, самовоспроизведением и мутабельностью.
(Метаболизм означает, что система открыта и в ней происходят полимеризация и распад полимеров. Метаболизм осуществляется за счет притока вещества, обладающего избыточной свободной энергией (в частности, это нуклеозидтрифосфаты, например, АТФ).
Самовоспроизведение - матричное копирование полимера - означает автокаталитический процесс.
Мутагенез - необходим для создания новой информации.)
4. Молекулярная система определенное время способна существовать в стационарном состоянии (условие сохранения постоянной организации или условие постоянных потоков). Эти условия определяются условиями окружающей среды.
5. Такая система может быть названа “дарвиновской”, поскольку происходит отбор и самосовершенствование. “Выживают” молекулы, обладающие наибольшей селективной ценностью (быстрее других реплицируются и эффективнее используют поступающие в систему вещества и энергию). Такие молекулы называются “главными копиями”. Очередной шаг в развитии наступает в результате мутаций, приводящих к созданию новых “главных копий”.
6. Химическая эволюция развивалась в локальных системах (каоцерватах, микросферах, порах глинистых материалов), которые образовали химические микрореакторы. В ходе конкуренции этих микрореакторов возникал “молекулярный язык”, приводящий к созданию генетического кода.
Генетическая информация
Генетическая информация - программа свойств организма, получаемая от предков и заложенная в наследственных структурах в виде генетического кода. Генетическая информация определяет морфологическое строение, рост, развитие, обмен веществ, психический склад, предрасположенность к заболеваниям и генетические пороки организма.
Современная биология утверждает, что одна из главных черт жизни — это самовоспроизводимость. Самовоспроизводимость — это способность живого организма к размножению, рождению и выращиванию себе подобных.
Как известно, генетическая (наследственная) информация записана в цепи молекулы ДНК в виде последовательности более простых молекул — нуклеотидных остатков, содержащих одно из четырех оснований: аденин (А), гуанин (G) — пуриновые основания, цитозин (С) и тимин (Т) — пиримидиновые основания.
Таким образом, нам необходимо вспомнить, что мы знаем о молекуле ДНК.
Структура молекулы ДНК была изучена в 1953 г. Дж.Уотсоном и Ф.Криком. Они установили, что молекула ДНК состоит из двух цепей, образующих двойную спираль, которая закручена вправо (по часовой стрелке). К полимерному остову спиральной цепи ДНК (состоит из чередующихся остатков фосфата и сахара дезоксирибозы) «прикреплены» нуклеотидные остатки. Водородные связи возникают между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи. Эти основания составляют комплементарные пары (от лат. complementum - дополнение). Образование водородных связей между комплементарными парами оснований обусловлено их пространственным соответствием. Пиримидиновое основание комплементарно пуриновому основанию. Водородные связи между другими парами оснований не позволяют им разместиться в структуре двойной спирали.
Цепи ДНК - комплементарны, т.е. имеется взаимное соответствие между их нуклеотидами, которые образуют уотсон-криковские пары Г-Ц и А-Т. Сами же цепи в двойной спирали антипараллельны.
Рис.1. Схематический вид молекулы ДНК
На рис.2 показана часть расшифрованной структуры молекулы ДНК.
Итак, напомним, что в основе самовоспроизводства лежит способность молекулы ДНК к удвоению, которое называется репликацией ДНК.
Репликация ДНК основана на принципе комплементарности, что хорошо иллюстрируется схемой, приведенной на рис.3.
Рис.3. Удвоение молекулы ДНК.
В живой клетке удвоение происходит потому, что две спиральные цепи расходятся, а потом каждая цепь служит матрицей, на которой с помощью особых ферментов собирается подобная ей новая спиральная цепь ДНК. В результате вместо одной ДНК образуются две, неотличимые по строению от родительской молекулы ДНК (рис.4).
Рис.4. Репликация ДНК
В результате создаются две двойные спирали ДНК (дочерние молекулы), каждая из которых имеет одну нить, полученную из материнской молекулы, и одну нить, синтезированную по комплементарному принципу.
Теперь обсудим, как происходит передача информации в клетке. Напомним, что у часток молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка, называется геном. Реализация генетической информации происходит в процессе синтеза белковых молекул с помощью трех РНК: информационной (иРНК), транспортной (тРНК) и рибосомальной (рРНК). Процесс передачи информации идет двумя путями: - по каналу прямой связи (ДНК - РНК – белок); и по каналу обратной связи (среда - белок – ДНК).
Синтез белка происходит в рибосомах клетки. К ним из ядра поступает информационная (или матричная) РНК (иРНК), которая может проникать через порог ядерной мембраны. Что же такое иРНК?
иРНК это:
а) одноцепочечная молекула, комплементарная одной нити ДНК;
б) копия ДНК
в) копия не всей молекулы ДНК, а лишь ее части (по длине). Эта часть соответствует одному или группе рядом лежащих генов
г) молекула, образованная под действием специального фермента – РНК-полимеразы, которая, продвигаясь по нити ДНК, ведет синтез иРНК; данный процесс называется транскрипцией.
Как определяется длина части ДНК, с которой снимается копия в виде иРНК? В начале этой части и в ее конце находятся специфические последовательности нуклеотидов, которые может "узнавать" РНК-полимераза и таким образом "определять" участок считывания.
Весь процесс репликации, осуществляемый разными белками-ферментами, очень согласован, поэтому часто употребляют термин - работа «репликационной машины». Репликация идет с очень высокой точностью. ДНК млекопитающего состоит из 3 млрд. пар нуклеотидов, а в процессе воспроизведения допускается не более 3 ошибок.
При этом надо помнить, что синтез идет с большой скоростью - от 50 до 500 нуклеотидов/сек, поэтому в клетке существуют специальные корректирующие механизмы: ДНК-полимеразы дважды проверяют соответствие нуклеотидов исходной матрице.
Итак, в процессе синтеза белка иРНК, пройдя через ядерную мембрану, поступает в цитоплазму к рибосомам, где осуществляется:
а) расшифровка генетической информации,
б) синтез из аминокислот биополимерной макромолекулы белка.
Аминокислоты доставляются к рибосомам с помощью транспортных РНК (тРНК). В клетке имеется столько аминокислот, сколько типов кодонов, шифрующих аминокислоты.
Генетический код
Генетическая информация заключена в последовательности нуклеотидов. Это значит, что строго определенная последовательность нуклеотидов соответствует определенной аминокислоте, а определенный порядок расположения и количество аминокислот соответствует, в свою очередь, определенной структуре белка.
Таким образом, иРНК несет генетическую информацию в виде генетического кода, который с помощью четырех символов (четыре нуклеотида А, Г, Ц, У)задает любую из 20 аминокислот.
Свойства генетического кода:
а). Код триплетен
Каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательностью 3-х нуклеотидов. Эта последовательность называется кодоном.
б). Код вырожден.
Каждая аминокислота кодируется более, чем одним кодоном (от 2 до 6 кодонов на одну аминокислоту).
в). Код однозначен.
Каждый кодон соответствует только одной аминокислоте.
г). Генетический код универсален, т.е. един для всех живых организмов планеты.
Таким образом, ген представляет собой чередование «слов из трех букв» - кодонов, образованных из четырехбуквенного алфавита.
Необходимо особо подчеркнуть универсальность генетического кода – с его помощью закодирована вся информация и о простейшем одноклеточном организме, и о человеке. Но в первом случае можно было обойтись и более простым кодом, а во-втором – лучше было бы использовать более совершенный (сложный) код. Поэтому единство генетического кода служит очень весомым аргументом в пользу единого эволюционного пути всего живого на Земле.
Программа «Геном человека»
Международная программа «Геном человека» посвящена решению проблемы картирования генов человека. Число генов в составе ДНК человека около 50—60 тысяч, что составляет только 3% общей длины ДНК; роль остальных 97% пока неясна.
В каждой клетке человека содержится 46 молекул ДНК, которые распределены в 23 парах хромосом. Хромосомы — это структуры, по которым распределена полная молекула ДНК. Суммарная длина всех 46 молекул ДНК в одной клетке человека равна около 2 метров. Полная же длина всех молекул ДНК в теле взрослого человека, состоящего из 5х1013 клеток, составляет 1011 км, что в тысячу раз превышает расстояние от Солнца до Земли.
К настоящему времени практически полностью расшифрована полная последовательность ДНК человека.
Главная задача исследований — изучить вариации ДНК в разных органах и клетках отдельных индивидуумов и выявить генетические различия между ними. Анализ таких различий позволит построить индивидуальные генные портреты людей, что даст возможность лучше лечить болезни. Кроме того, такой анализ позволит выявить различия между популяциями и выявить географические районы повышенного риска поражения генома людей.
Таким образом, благодаря геномным исследованиям стало ясно, что в ходе эволюции жизни на Земле сначала выделились представители архей, имеющих клетки без ядер, а позже — эукариот (состоящих из клеток с ядрами), включая человека.
Геномными исследованиями было выявлено также совпадение нуклеотидных последовательностей у неродственных видов. Это дает основания предположить, что в процессе эволюции происходил перенос генов от одного вида к другому. Например, оказалось, что геномы человека и мыши весьма близки — их нуклеотидные последовательности совпадают более чем на 90%.
Генетическая инженерия
"Генетическая или генная инженерия" - создание новых генетических структур и создание организмов с новыми наследственными свойствами. C помощью биохимических и генетических методик происходит изменение хромосомного материала – основного наследственного вещества клеток. Биоинженеры изолируют те или иные участки ДНК, соединяют их в новых комбинациях и переносят из одной клетки в другую. В результате удается осуществить такие изменения генома, которые естественным путем вряд ли могли бы возникнуть.
Генная инженерия принципиально отличается от классической селекции по следующим пунктам:
1) Можно (нельзя) скрещивать неродственные виды;
2) Можно (нельзя) извне управлять процессом рекомбинации в организме (постоянство своего генетического состава организм очень надежно охраняет);
3) Можно (нельзя) предугадать, какое получится потомство.
Ученым было необходимо разработать методику введения гена в клетку. Причём нужно было научиться не просто вводить ген в цитоплазму, а встраивать его в собственную молекулу ДНК клетки, так, чтобы новая информация могла быть «прочитана» биосинтетическим аппаратом клетки, вырабатывающим белки, а также воспроизводящим гены при делении клетки.
Новый ген (или его фрагмент) должен очень точно располагаться в ДНК с соблюдением ряда условий, для того чтобы клетка действительно начала синтезировать новые ферменты. Надо было также обойти сопротивляемость клетки-хозяина: как правило, все изменения генетического аппарата воспринимаются клеткой как «ошибки информации» и исправляются специальными механизмами.
(Однако в природе наблюдаются случаи, когда чужеродная ДНК (вируса или бактериофага) включается в генетический аппарат клетки и с помощью её обменных механизмов начинает синтезировать «свой» белок. Учёные исследовали особенности внедрения чужеродной ДНК и использовали как принцип введения генетического материала в клетку.)
Важное открытие – обнаружение в бактериальных клетках помимо главной ее хромосомы, внехромосомных кольцевых молекул ДНК - плазмид. Плазмиды можно извлечь из одной клетки и перенести в другую. Плазмиды можно разрезать, фрагменты сращивать друг с другом, а затем такие комбинированные плазмиды вводить в клетки.
Поскольку плазмидная ДНК представляет собой замкнутую кольцевую молекулу, кольцо нужно сперва разорвать таким образом, чтобы свободные концы были в химическом отношении реакционноспособными, пригодными для последующего соединения. Достичь этого удается либо простым механическим путем (например, сильным встряхиванием), либо с помощью различных ферментов, называемых нуклеазами (рестриктазами). Затем фрагменты ДНК соединяют с помощью лигаз – ферментов, исправляющих повреждения в ДНК и сшивающих (склеивающих) концы ее разорванных нитей.
Рестриктазы-ферменты - способны расщеплять ДНК в строго определенном месте с образованием «липких» концов у образуемых фрагментов. Иными словами, с помощью рестриктаз ген можно разрезать на кусочки — нуклеотиды, а затем с помощью лигаз такие кусочки можно «склеивать», соединять в иной комбинации, конструируя новый ген.
Дата добавления: 2016-01-05; просмотров: 26; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!