Молекулярно-генетический уровень биологических структур
Одно из главных событий в истории биологии XX в. "выход" экспериментальной физико-химической биологии на изучение молекулярного уровня живой природы. В результате исследований на молекулярно-генетическом уровне произошло не только слияние отдельных биологических дисциплин в единый "фронт наук", но и тесное сближение биологии со смежными ей физикой и химией. А это означает, что проблемы, считавшиеся прежде типично биологическими, стали, по существу, проблемами всего естествознания. На страницы научной литературы хлынул мощный поток фактического материала, оценить который как принадлежащий какой-либо конкретной науке практически невозможно.
Каковы же те главные проблемы, которые стали объектом исследований на молекулярно-генетическом уровне? И каковы наиболее важные результаты их изучения к настоящему времени?
Проблем этих три, и мы назовем их в той последовательности, которая отражает динамику жизни как особого феномена Природы:
1) происхождение жизни;
2) молекулярно-генетический подход к изучению эволюции;
3) молекулярные основы генетической репродукции и процессов обмена веществ.
Для всех трех проблем характерен главный момент: они перестали быть чисто биологическими, став проблемами всего естествознания.
Молекулярно-генетический подход
Ученые-экспериментаторы пытались, конкретно выяснить, от каких именно структур зависят специфические свойства живых организмов, и поэтому продолжали исследовать их на уровне не только клетки, но также и клеточных структур.
|
|
|
Каковы же эти структуры? В связи со сложным составом клетки ограничимся лишь рассмотрением следующих основных ее компонентов:
- ядро с хроматином и ядрышком;
- клеточная (плазматическая) мембрана;
- клеточная оболочка;
- цитоплазма с органоидами;
- рибосомы;
- хромосомы;
- нуклеиновые кислоты (молекулы ДНК, РНК):
а) ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота:
б) РНК - рибонуклеиновая кислота.
ЯДРО- обязательная часть клетки у многих одноклеточных и всех многоклеточных организмов. По наличию или отсутствию в клетках оформленного ядра все организмы делят соответственно на эукариот и прокариот. Основные отличия заключаются в степени обособления генетического материала (ДНК) от цитоплазмы и в образовании у эукариот сложных ДНК-содержащих структур хромосом. Путем реализации заключенной в генах наследственной информации ядро управляет белковыми синтезами, физиологическими и морфологическими процессами и клетке. Функции ядра осуществляются в тесном взаимодействии с цитоплазмой. Ядро впервые наблюдал Я. Пуркине (1825 г.) в яйцеклетке курицы, в растительных клетках ядро описал Р. Броун (1831-1833 гг.), в животных - Т.Шванн (1838-1839гг).
|
|
|
ЯДРЫШКО - плотное тельце внутри ядра большинства клеток эукариот.
КЛЕТОЧНАЯ (ПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ) МЕМБРАНА - у клеток животного происхождения обеспечивает обмен веществ с внешней средой.
КЛЕТОЧНАЯ ОБОЛОЧКА - обеспечивает обмен веществ с внешней средой у растительных клеток.
ЦИТОПЛАЗМА- обязательная часть плетки, заключенная между плазматической мембраной и ядром; высокоупорядоченная многофазная коллоидная система с находящимися в ней органоидами. Цитоплазма пронизана микротрубочками и другими органоидами. В ней осуществляются все процессы клеточного метаболизма, кроме синтеза нуклеиновых кислот, происходящего в ядре. Через плазматическую мембрану осуществляется обмен веществ между цитоплазмой и внешней средой, через ядерную оболочку - ядерно-цитоплазматический обмен.
РИБОСОМЫ- органоиды клетки, осуществляющие биосинтез белка. Рибосома представляет собой частицу сложной формы диаметром около 20 нм. Это именно те структуры, в которых аминокислоты соединяются в белки.
ХРОМОСОМЫ - это органоиды клеточного ядра, являющиеся носителями генов и определяющие наследственные свойства клеток и организмов. Способны к самовоспроизведению, обладают структурной и функциональной индивидуальностью и сохраняют ее в ряду поколений. Термин "хромосома" предложен В. Вальдейером (1888 г). Основу хромосомы составляет одна непрерывная молекула ДНК (в хромосоме около 99% ДНК клетки), связанная с белками в нуклеопротеид. Строением молекулы ДНК, ее генетическим кодом обеспечивается запись наследственной информации в хромосоме, белки (в хромосоме высших растений и животных их содержится до 655) принимают участие в сложной упаковке ДНК в хромосому и регуляции ее способности к синтезу РНК - транскрипции.
|
|
|
ДНК (ДИЗОКСИРИБОНУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ) - нуклеиновые кислоты, содержащие в качестве углеводного компонента дезоксирибозу. Присутствуют в клетках любого организма, а также входят в состав многих вирусов. ДНК имеет макро молекулярную структуру, как правило, состоит из 2-х цепочек. Первичная структура молекулы ДНК строго индивидуальна и специфична для каждой природной молекулы и представляет кодовую форму записи биологической информации (генетический код).
РНК (РИБОНУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ) - нуклеиновые кислоты, содержащие в качестве углеводного компонента рибозу. Присутствуют в клетках любого организма, а также входят в состав многих вирусов. РНК имеет макромолекулярную структуру, как правило, состоит из одной цепочки, участвует в реализации генетической информации.
|
|
|
На соответствующих участках ДНК осуществляется биосинтез РНК (транскрипция), - это первый этап реализации генетической информации в живых клетках. Первичная структура молекулы РНК строго индивидуальна и специфична для каждой природной молекулы и представляет кодовую форму записи биологической информации (генетический код).
ГЕН - наследственный фактор живого, функционально неделимая единица наследственной информация. По химическому составу гены относятся к нуклеиновым кислотам (ДНК и РНК). Совокупность генов данного организма составляют его генотип. По сути, ген - эго определенная часть макромолекулы ДНК (РНК). Различают гены регуляторные и структурные. Главная функция генов - синтез белков, кодирование их специфической -структуры. Для кодирования одной аминокислоты требуется сочетание из 3х нуклеотидов ДНК.
Итак, отдельные участки молекулы ДНК-гены и РНК-гены заведуют наследственными свойствами организма. Цвет волос и глаз, форма листа, стебля, группа крови и другие признаки, характеризующие индивидуальные отличия организмов, определяются генами.
В цитоплазме, в ее сложной сети каналов и полостей образуются молекулы белков.
Еще недавно считалось, что они построены из 20 аминокислот, которые соединены длинными полипептидными связями, или цепями. В настоящее время уже известны 22 аминокислоты.
Хотя в состав белков человеческого организма входят все открытые аминокислоты, но совершенно обязательны для него только 9 из них. Остальные, по-видимому, вырабатываются самим организмом.
Долгое время в связи с изучением синтеза органических веществ внимание ученых было сосредоточено на исследовании той части клеточной структуры, которая образована из белков. Многим тогда казалось, что именно белки составляют фундаментальную основу жизни, и поэтому пытались свести свойства живых систем к свойствам и структуре белков. По-видимому, именно опираясь на это, Фридрих Энгельс (1520-1895 гг) выдвинул свое известное определение жизни как способа существования белковых тел, которое продолжали некритически повторять в нашей литературе, несмотря на глубокие исследования, выяснившие, что ни сам белок. ни его составные элементы не представляют ничего уникального в химическом отношении.
В связи с этим дальнейшие исследования были направлены на изучение механизмов воспроизводства и наследственности в надежде обнаружить в них то специфическое, что отличает живое от неживого. Наиболее важным открытием на этом пути было выделение из состава ядра клетки богатого фосфором вещества, обладающего свойствами кислоты н названного впоследствии нуклеиновой кислотой. В дальнейшем удалось выявить углеводный компонент этих кислот, в одном из которых оказалась дезоксирибоза, а в другом - рибоза.
Потребовалось, однако, почти сто лет, прежде чем была расшифрована роль нуклеиновых кислот в хранении и передаче наследственности, участии в синтезе белка и обмене веществ.
Не вдаваясь в детали и специальную терминологию, кратко рассмотрим эти важнейшие для биологии и естествознания вопросы.
Роль ДНК в хранении и передаче наследственности была выяснена после того, как в 1944 г, американским микробиологам удалось доказать, что выделенная из пневмококков свободная ДНК обладает свойством передавать генетическую информацию. До этого существовали либо косвенные, либо не совсем надежные свидетельства этого факта. В 1953 г. Джеймсом Уотсоном (род. в 1928 г.} и Фрэнсисом Криком (род. в 1916 г.) была предложена и экспериментально подтверждена гипотеза о строении молекулы ДНК как материальною носителя информации,
В 1960-е годы французскими учеными Франсуа Жакобом (род. в 1920 г) и Жаком Моно (1910-1976 ) была решена одна из важнейших проблем генной активности, раскрывающая фундаментальную особенность функционирования живой природы на молекулярном уровне. Они доказали, что по своей функциональной активности все гены разделяются на "регуляторные", кодирующие структуру регуляторного белка, и "структурные гены", кодирующие синтез метаболитов, в тон числе ферментов.
Переход на молекулярный уровень исследования во многом изменил представления о механизме изменчивости. Согласно доминирующей точке зрения, основным источником изменений и последующего отбора являются мутации, возникающие на молекулярно-генетическом уровне.
Однако кроме переноса свойств от одного организма к другому, существуют и другие механизмы изменчивости, важнейшим из которых являются "генетические рекомбинации". В одних случаях, называемых "классическими", они не приводят к увеличению генетической информации, что наблюдается главным образом у высших организмов. В других, "неклассических" случаях рекомбинация сопровождается увеличением информации генома клетки. При этом фрагменты хромосомы клетки-донора могут включаться в хромосому клетки-реципиента, а могут оставаться в латентном, скрытом, состоянии, но под влиянием внешних факторов они становятся активными и поэтому могут соединиться с клеткой-реципиентом.
Дальнейшее исследование "неклассических" форм генетических рекомбинаций привело к открытию целого ряда переносимых, или "мигрирующих", генетических элементов. Важнейшими из них являются автономные генетические элементы, названные плазмидами (внехромасомные факторы наследственности, генетические элементы способные стабильно существовать в клетке в автономном, не связанном с хромосомами, состоянии), которые служат активными переносчиками генетической информации. На основе этих результатов некоторыми учеными высказано предположение, что "мигрирующие" генетические элементы вызывают более существенные изменения в геномах клеток, чем мутации.
Все это не могло не поставить вопроса о том, работает ли естественный отбор на молекулярно-генетическом уровне? Появление "теории нейтральных мутаций" еще больше обострило ситуацию, поскольку она доказывает, что изменения в функциях аппарата, синтезирующего белок, являются результатом нейтральных, случайных мутаций, не оказывающих влияния на эволюцию. Хотя такой вывод и не является общепризнанным, но хорошо известно, что действие естественного отбора проявляется на уровне фенотипа, т.е. живого, целостного организма, а это связано уже с более высоким уровнем исследования.
Следует отметить, что научное значение в проблеме строения живого в большей степени достоверно за счет успехов, достигнутых новой наукой молекулярной биологией. Можно сказать, что примерно в середине XX века произошла научная революция в биологии, вторая в - этом веке, после научной революции в физике, и, благодаря ей, биология выбилась в лидеры "соревнования" между науками.
Во второй половине XX века были выяснены вещественный состав, структура клетки и процессы, происходящие в ней. "Клетка - это своего рода этом в биологии. Точно так же, как разные химические соединения сложены из атомов, так и живые организмы состоят из огромных скоплений клеток. Из работ физиков мы знаем, что все атомы очень похожи друг на друга: в центре каждого атома находится массивное, положительно заряженное ядро, а вокруг него вращается облако электронов - это как бы солнечная система в миниатюре! Клетки, подобно атомам, также очень сходны друг с другом. Каждая клетка содержит в середине плотное образование, названное ядром, которое плавает в "полужидкой" цитоплазме. Все вместе заключено в клеточную мембрану".
Основное вещество клетки - белки, молекулы которых обычно содержат несколько сот аминокислот и похожи на бусы или браслеты с брелоками, состоящими из главной и боковой цепей. У всех живых видов имеются свои особые белки, определяемые генетическим аппаратом. Собственно, клетка и нужна для аппарата воспроизводства, который находится в ее ядре. Без клетки генетический аппарат не мог бы существовать.
Если же случится так, что в клетку попадут вредные для организма бактерии и другие инородные тела, то с ними вступает в бой иммунная система - блуждающие клетки, которые у низших животных играют роль пищеварительных органов, а у высших животных, в том числе у человека, их значение заключается именно в защите специфического строения данного организма (теория иммунитета разработана русским ученым И.И. Мечниковым).
Попадающие а организм белки расщепляются на аминокислоты, которые затем используются им для построения собственных белков. Нуклеиновые кислоты создают ферменты, управляющие реакциями. Например, для одного процесса брожения нужна дюжина ферментов, каждый из которых управляет одной реакцией и действует только на строго определенный вид молекул. Все ферменты – белки. Фермент похож на дирижера, который играет всегда со своим оркестром. В каждой клетке несколько тысяч "дирижеров-ферментов".
В качестве примера процессов, проходящих в клетках и тканях организма, рассмотрим роль гемоглобина - глобулярного белка красных кровяных клеток эритроцитов, цепи которого свернуты в сферу. Присутствием гемоглобина обусловлен красный цвет крови. Функция этого белка состоит в том, чтобы переносить кислород из легких к тканям. Гемоглобин обладает замечательной способностью связывать молекулярный кислород. Точнее говоря, одна молекула гемоглобина может связать одновременно четыре молекулы кислорода. В легких, где давление кислорода выше, происходит присоединение молекул кислорода к гемоглобину. Гемоглобин доставляет их к тканям, но там давление ниже, и кислород освобождается. Далее происходит диффузия кислорода внутрь клеток. В клетке молекулы кислорода встречаются с другим белком - миоглобином. Миоглобин - это как бы младший брат гемоглобина, его молекула в четыре раза меньше и способна связать не четыре, я только одну молекулу кислорода. Миоглобин тоже красный; им объясняется красный цвет мяса. Молекулы кислорода переходят от гемоглобина к миоглобину, где и хранится до тех пор, пока не потребуется клетке.
Молекулярная биология, изучающая биологические процессы на молекулярном уровне, один из наиболее ярких примеров конвергенции двух наук - физики и биологии.
В заключение краткого анализа истории становления молекулярной биологии отметим, что генетическая теория как одна из ее основ продолжает развиваться по мере увеличения разрешающей способности генетического исследования. Это подтверждают следующие факты:
1) в 60-х гг. XX в американский исследователь С. Бензер доказал, что наименьшими мутирующими элементами гена являются отдельные пары нуклеотидов ДНК. Таким образом, ген делим и не является единицей мутации н рекомбинации;
2) все труднее становится находить в молекулах ДНК границы того, что обозначают понятиями "ген" и "гены" (как наследственные задатки, части генотипа) в связи с трудностями локализации и сочетания соответствующих нуклеотидов;
3) растет число открываемых генетических единиц. Наряду со структурными и регуляторными генами обнаружены участки повторяющихся нуклеотидных последовательностей, функции которых неизвестны, мобильные гены;
4) расшифровка генетического кода (1961 г);
5) открытие особых бактериальных ферментов - эндонуклеаз, высо-коспецифически узнающих и точно разрезающих двойную спираль ДНК в местах со строго определенной последовательностью нуклеотидов (1968г.);
6) разработка на этой основе биотехнологии клонирования, то есть размножения целых генов или их функционально активных фрагментов вне организма - в бактериальных, дрожжевых и других клеточных системах (1977 г.);
7) открытие полимеразной цепной реакции (ПЦР), позволяющей без всякого клонирования нарабатывать в течение нескольких часов препаративные количества (миллионы копий) фрагментов ДНК и целых генов (1983 г.);
8) успехи реализации Международной научной программы геном человека (начата в 1990 г).
Итак, открытие в XX в. структуры функционирования генетического аппарата клетки в развитии биологии сыграло такую же роль, как и открытие атомного ядра в физике. Если открытие ядра позволило человеку овладеть практически неисчерпаемыми запасами энергии, то открытие генов дало возможность людям вмешиваться в свойства живой клетки, управлять механизмами наследственности, практически решать задачи клонирования (копирования) живых организмов. Однако следует отметить, что сам по себе структурный подход при всем своем значении не может дать полного представления о сущности живого. Поэтому он должен быть дополнен диалектическим подходом, рассмотрением возникновения и развития живого.
Литература
1. Автономов, Ю.Г. Размышления об эволюции материи / Ю.Г. Автономов. - М., 1976.
2. Бернал, Д. Возникновение жизни / Д. Бернал. - М., 1969.
3. Биотэтика: проблемы, трудности, перспективы (Материалы "круглого стола") // Вопросы философии. - 1992. - № 10.
4. Вернадский, В.И. Начало и вечность жизни / В.И. Вернадский. - М., 1989.
5. Вич, Р. Модели моральной медицины в эпоху революционных изменений / Р. Вич // Вопросы философии. - 1994. - № 3.
6. Григорьев, А.Б. противоречие биологической формы движения материи / А.Б. Григорьев // Философские науки. - 1990. - № 6.
7. Грядовой, Д.И. Концепции современного естествознания. Структурный курс / Д.И. Грядовой. - М., - 2000.
8. Дубинин, Н.П. Актуальные проблемы современной биологии / Н.П. Дубинин // Вопросы философии. - 1978. - № 7.
9. Единство научного знания. - М., 1988.
10. Иванюшкин, А.Я. Биоэтика и психиатрия / А.Я. Иванюшкин // Вопросы философии. - 1994. - № 3.
11. Каганова, З.В. Проблемы философских оснований биологии / З.В. Каганова. -М., 1979.
12. Карпинская, Р.С. Биология и мировоззрение / Р.С. Карпинская. - М., 1980.
13. Карпинская, Р.С. Биология, идеалы научности и судьбы человечества / Р.С. Карпинская // Вопросы философии. - 1992. - № 11.
14. Костюк, Н.Т. О сущности жизни / Н.Т. Костюк. - М., 1985.
15. Кузнецов, В.И. Естествознание / И.И. Кузнецов и др. - М., 1996.
16. Кушиев, Н.К. К вопросу о механизмах эволюции / Н.К. Кушиев // Философские науки. - 1989. - № 4.
17. Кушиев, Н.К. К эволюции представлений о сущности гена / Н.К. Кушиев // Философские науки. - 1989. - № 4.
18. Медников, Б.М. Аксиомы биологии / Б.М. Медников. - М., 1982.
19. Новиков, И.Д. Эволюция Вселенной / И.Д. Новиков. - М.,1979.
20. Огурцов, А.П. Этика жизни или биоэнергетика: аксиологические альтернативы / А.П. Огурцов // Вопросы философии. - 1994. - № 3.
21. Опарин, А.И. Материя, жизнь, интеллект / А.И. Опарин. - М., - 1977.
22. Основы естественно-научных знании для юристов. -М., 1999.
23. Пастуший, С.А. Генетика как объект философского анализа / С.А. Пастуший. - М., 1981.
24. Пригожин, И. Порядок из хаоса / И. Пригожин, И. Стенгерс. - М., 1986.
25. Рузавин, Г.И. Концепции современного естествознания / Г.И. Рузавин. - М., 1997.
26. Серебровская, К.Б. Сущность жизни: история поиска / Серебровская. - М., 1994.
27. Философские вопросы естествознания. - М., 1985.
28. Югай, Г.А. Общая теория жизни / Г.А. Югай. - М., 1985.
29. Яблоков, А.В. Актуальные проблемы эволюционной жизни / А.В. Яблоков. - М., 1966.
Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 418; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!