Глава 12 происхождение жизни. возникновение трансляции, репликации, метаболизма и мембран: биологический, геохимический и космологический подходы

Содержание:

Независимо от того, сколько морфологического разнообразия мы, живые существа, представляем, все мы объединены под одной крышей: нашей основной функциональной единицей является клетка. Если у живого существа есть клетка, на которой основана вся его морфологическая структура, она известна как одноклеточная (случай простейших или бактерий), тогда как те из нас, у кого их несколько (от нескольких сотен до сотен миллиардов), являются многоклеточными существами.

Таким образом, каждый организм начинается с клетки, и поэтому некоторые молекулярные объекты, такие как вирусы, не считаются строго «живыми» с биологической точки зрения. В свою очередь, исследования показали, что каждая клетка содержит колоссальные 42 миллиона белковых молекул. Поэтому неудивительно, что, по оценкам, 50% веса сухих живых тканей состоят исключительно из белков.

Почему мы предоставляем все эти, казалось бы, несвязанные данные? Сегодня мы приходим, чтобы разгадать секрет жизни: генетический код. Каким бы загадочным оно ни казалось на первый взгляд, мы заверяем вас, что вы сразу поймете эту концепцию. Речь идет о клетках, белках и ДНК. Останься, чтобы узнать.

Статья по теме: «Различия между ДНК и РНК»

Содержание:

В Клеточная теория это теория, согласно которой все живые существа состоят из клеток. Она была предложена Маттиасом Шлейденом, Теодором Шванном и Рудольфом Вирховым между 1838 и 1859 годами и считается ключевой теорией, положившей начало клеточной биологии.

Появление этой теории окончательно опровергло аристотелевскую концепцию, согласно которой жизнь могла возникнуть путем спонтанного зарождения из инертной или неживой материи. Эта идея поддерживалась в научном мире на протяжении многих столетий.

Сегодня не безумие думать, что такие разные организмы, как животные, растения и бактерии, например, состоят из эквивалентных основных единиц, таких как клетки, но сотни лет назад эти идеи казались немного надуманными.

С помощью простого наблюдения под микроскопом листьев растения, кожи земноводных, волос млекопитающих или колонии бактерий можно быстро утверждать, что все они состоят из базовой единицы с аналогичной организацией и составом. ; клетка.

Эукариотические одноклеточные организмы разных видов и клетки сложных тканей животных, таких как мозг или мышцы, например, радикально различаются как по структуре, так и по функциям, но, несмотря на это, все они имеют окружающую их мембрану, цитозоль, который в нем находятся ядро ​​и органеллы, обладающие определенными функциональными возможностями.

Хотя эта теория была создана тремя основными авторами, теория клетки возникла благодаря обширным знаниям, наблюдениям и предыдущим вкладам разных авторов, которые предоставили кусочки головоломки, которые Шлейден, Шванн и Вирхов позже сложат вместе, а другие уточнят позже.

Генетическая информация

Население Земли составляет более 7,6 млрд.человек, но найти одинаковых людей просто невозможно. Каждый человек обладает уникальными особенностями, которые сформировались в процессе его развития.  У любого организма есть свой генотип, состоящий из определенного набора генов, которые определяют свойства организма или признаки.Все эти факторы являются решающими при формировании и развитии живых существ.

Носителем генетической информации считаются нуклеиновые кислоты. Подробно мы с ними знакомились в  5 уроке «Химический состав клетки».

На молекуле ДНК осуществляется хранение генетической информации, которая записана на ней в виде последовательности нуклеотидов.

Определенный участок ДНК, который выполняет функцию хранения генетической информации,получил название ген.

Информация о синтезе определенного вида белков записана на ДНК в виде сообщений, закодированных последовательностью нуклеотидов. Такие зашифрованные сообщения получили название генетического кода организма.

Генетический код разных организмов обладает рядом общих свойств. Остановимся подробнее на каждом из них.

1. Триплетность – каждая аминокислота кодируется сочетанием из трех расположенных нуклеотидов, получивших название кодон или триплет. Соответственно, единицей генетического кода будет триплет.

Мы уже знаем, что генетическая информация организма записана на молекуле ДНК посредством сочетания четырех нуклеотидов – аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т). Нетрудно посчитать, что число возможных комбинаций из четырех нуклеотидов по три составит 64, этого сочетания вполне достаточно для кодирования 20 аминокислот, входящих в состав белка. Вспомнить строение белка вам поможет  урок 5 «Химический состав клетки». В настоящее время установлены кодоны для всех известных аминокислот и составлена таблица генетического кода. В следующем пункте остановимся подробнее на правилах пользования данной таблицы и решении задач по расшифровке генетического кода.

2. Код является множественным, или «вырожденным», в таком случае одна и та же аминокислота способна шифроваться несколькими триплетами. Избыточность генетического кода имеет значение для повышения надежности передачи генетической информации.

Специфичность генетического кода заключается в том, что каждый триплет шифрует только одну аминокислоту.

4. Код считается неперекрывающимся, при этом один и тот же нуклеотид не способен содержаться в составе двух рядом расположенных триплетов.

5. В генетическом коде отсутствуют запятые, то есть если произойдет выпадение одного нуклеотида, его место займет ближайший нуклеотид из соседнего кодона, благодаря чему изменится весь порядок считывания. Данный сбой приводит к появлению различных мутаций на генном уровне. Однако, молекула ДНК весьма длинная и складывается из миллионов нуклеотидных пар, поэтому генетическая информация о структуре белка должна быть разграничена. И действительно, существуют триплеты-инициаторы синтеза белковой молекулы и триплеты, которые прекращают синтез белка. Данные кодоны служат своеобразными знаками препинания генетического кода.

6. Нуклеотидный код является единым для всех живых организмов, в этом проявляется его универсальность.  Это свойство кода считается убедительным доказательством общности происхождения живой природы.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что такое генетической информации.

Генетической информации присущи определенные свойства:

Ссылки

1. Альбертс, Б., Брэй, Д., Хопкин, К., Джонсон, А. Д., Льюис, Дж., Рафф, М.,… и Уолтер, П. (2013). Основная клеточная биология. Наука о гирляндах.
2. Маццарелло, П. (1999). Объединяющая концепция: история клеточной теории. Природа клеточной биологии, 1(1), E13.
3. Nabors, M. W. (2004). Введение в ботанику (№ 580 N117i). Пирсон.
4. Рибатти, Д. (2018). Историческая справка о клеточной теории. Экспериментальные исследования клеток, 364(1), 1-4.
5. Соломон, Э. П., Берг, Л. Р., и Мартин, Д. У. (2011). Биология (9-е изд.). Брукс / Коул, Cengage Learning: США.
6. Вильянуэва, Дж. Р. (1970). Живая клетка.
7. Уилли, Дж. М., Шервуд, Л., и Вулвертон, К. Дж. (2008). Микробиология Прескотта, Харли и Кляйна. McGraw-Hill Высшее образование.

«Совершенно новое население»

Исследование ДНК древних европейцев, проведённое международной группой генетиков и археологов, стало самым крупным трудом подобного рода за последние десятилетия. Учёные провели подробный анализ 400 скелетов людей, живших на территории современной Европы 3—6 тыс. лет назад.

По результатам исследования выяснилось, что около 4500 лет назад Великобританию буквально накрыла волна иммигрантов из центральной Европы — носителей так называемой культуры колоколовидных кубков.

Также по теме

«Мир не управляется никем»: каким теориям происхождения жизни можно верить

Согласно теории панспермии, жизнь на Землю была занесена из космического пространства. Можно ли доверять этой гипотезе, какие ещё…

Своё название эта археологическая культура получила по форме популярной среди её представителей керамики — кубков в виде перевёрнутого колокола. Именно эти изделия в большом количестве археологи находили на местах древних поселений.

Ранее считалось, что древние европейцы, жившие 4—5 тысяч лет назад, почти не перемещались, но теперь эта теория, похоже, опровергнута. Учёные заявили, что спустя несколько столетий после наплыва мигрантов на Британские острова там почти не осталось носителей «истинно британского» генома — в 90% образцов его фактически полностью вытеснили чужеродные гены. А значит, среди современных жителей Соединённого Королевства практически не осталось «чистокровных» наследников коренных народов островов — тех, кто строил Стоунхендж во времена неолита.

«Результаты убедительно доказывают, что миграция представителей культуры колоколовидных кубков в Великобританию была более масштабной и интенсивной, чем кто-либо мог предположить ранее. Фактически, после этого периода в Британии появилось совершенно новое население. Мы до сих пор не знаем, что вызвало такой стремительный генетический «переворот». По нашей информации, эта иммиграция не была вторжением, то есть не носила насильственный характер», — говорит один из авторов исследования Ян Армит из Университета Брэдфорда.

Учёный предполагает, что к сокращению численности коренного населения могли привести некоторые экологические катаклизмы либо новые вирусы, которые, вполне вероятно, завезли мигранты.

Также по теме

По живому: учёные впервые отредактировали геном в теле человека

Учёные калифорнийской детской больницы впервые отредактировали геном в теле человека. Операция была сделана 44-летнему Брайану…

«Эта работа существенно уточняет предыдущие данные. В Европе вообще не осталось ни одной чистокровной нации в принципе. Теория о том, что британцы — потомки кочевников из степей Восточной Европы, существовала и раньше. Сначала они расселились по Центральной Европе, а затем их потомки добрались и до Британских островов и вытеснили фермеров эпохи неолита. Правда, речь шла немного о других цифрах», — рассказал в интервью RT доцент кафедры антропологии биологического факультета МГУ Станислав Дробышевский.

21.

Лучшая утренняя гимнастика — это секс.
Британским ученым, в частности сексологам Королевского университета Белфаста, удалось доказать, что утренний секс является полезнее утренней зарядки. В процессе секса идет укрепление мышц рук, укрепляется грудная клетка, таз и ягодицы, а также улучшается кровообращение и восстанавливается правильное дыхание. Кроме того, секс дает явный профилактический эффект, в частности значительно уменьшается риск сердечно-сосудистых заболеваний, утренний секс способен бороться с артритом и мигренью, сжечь более трехсот калорий за один раз, что, в свою очередь, снижает риск заболевания диабетом.

25.

Найден способ уменьшать похмелье.
Ученые нашли способ уменьшать похмелье после употребления спиртных напитков — для этого следует насыщать их кислородом. Как сообщают британские СМИ, данное открытие сделали ученые из Национального университета Чхуннам в южнокорейском городе Тэчжоне.
Известно, что кислород участвует в химическом процессе в организме человека, в ходе которого потребленный алкоголь распадается на воду и углекислый газ. Ученые взяли одинаковые порции одного и того же алкогольного напитка, в разной степени насытили их кислородом и дали выпить добровольцам-участникам опыта. Через некоторое время ученые расспросили испытуемых об их ощущениях и замерили содержание алкоголя в их крови. Оказалось, что лучше себя чувствовали и имели меньше спирта в крови те, у кого в напитке было выше содержание кислорода.

Руководитель эксперимента, профессор Кван Ир Квон заявил, что после приема насыщенного кислородом спиртного напитка содержание алкоголя в плазме крови уменьшается быстрее, чем после напитка с обычным содержанием кислорода. Ученые, правда, не уточнили, какой именно напиток они использовали при эксперименте и как влияет кислород на его вкус.

Интересности
27 апреля, 2015
21 689 просмотров

19.

Мужчин и женщин будят разные звуки.
Многие матери, уставшие беспрестанно вставать по ночам и успокаивать плачущего ребенка, начинают ненавидеть своих мужей, мирно спящих рядом и, кажется, совершенно не слышащих пронзительного младенческого рева. Эта ненависть, как доказали британские ученые, в большинстве случаев абсолютно беспочвенна. Оказывается, природа настроила наш организм на восприятие совершенно определенных звуков во сне, поэтому мужчины действительно не слышат плача своих крохотных отпрысков.
Для представительниц слабого пола детские рыдания самый раздражающий звук из тех, которые способны пробудить от любого, даже самого крепкого сна. Для мужчин он и в первую десятку не входит. Наиболее эффективные “будильники” для сильного пола это автомобильная сигнализация, завывания ветра и гудящая над ухом муха или комар.

Колоссальные половые различия в восприятии звуков во время сна были выявлены при проведении эксперимента с замерами уровня мозговой деятельности. Осуществлялся он просто: погруженным в сон испытуемым “проигрывали” разные шумы, параллельно снимая энцефалограмму. Выяснилось, что любая женщина остро реагирует на детский плач и просыпается, даже если она сама не является матерью. При этом природа предусмотрела и компенсаторный механизм: представительницы прекрасного пола гораздо быстрее засыпают после внезапных ночных “побудок”. А вот мужчины, разбуженные каким-то посторонним звуком, потом долго не могут заснуть, вертятся в кровати и мучаются.

Транскрипция

Почему белки считываются с РНК, а не напрямую с ДНК? Ответ кроется в процессе, контролирующем работу генов, — транскрипции. В 1961 году Франсуа Жакоб и Жак Моно пришли к такому выводу в результате изучения лактозного оперона (комплекса из трех генов, отвечающего за переваривание лактозы) кишечной палочки Е. coli. Французские молекулярные биологи доказали, что гены управляются последовательностью ДНК, стоящей перед опероном, — своеобразным переключателем, который срабатывает в зависимости от концентрации в клетке определенных сахаров, например лактозы. Поскольку гены расположены в ДНК, а белки производятся в цитоплазме клетки, Жакоб и Моно предположили, что инструкции по производству белков переносятся молекулой-посредником — рибонуклеиновой кислотой (РНК). РНК обычно состоит из одной цепочки нуклеотидов и содержит урацил (У) вместо тимина (Т), но в смысле переноса генетической информации РНК и ДНК идентичны.

Транскрипция — считывание генов и копирование их в молекулу РНК — напоминает репликацию ДНК. Двойная спираль разрывается одним из внутриклеточных механизмов — например, ферментом РНК-полимеразой, — после чего последовательность оснований копируется только с одной цепочки на информационную (матричную) РНК (мРНК). В клетках эукариот молекулы мРНК затем выходят из ядра и несут генетическую информацию рибосомам.

9.

Черника защищает от старческого слабоумия.
Британские ученые установили, что ежедневное употребление черники или молочно-черничного коктейля повышает концентрацию внимания и предотвращает развитие старческого слабоумия. Для исследований ученые пригласили 40 добровольцев в возрасте от 18 до 30 лет. Испытуемые каждое утро выпивали по стакану молочного коктейля с черникой и соблюдали установленную медиками диету. Днем они делали несколько физических упражнений, во время которых осуществлялся контроль уровня концентрации внимания. Через несколько недель ягоды были исключены из рациона питания добровольцев. В итоге уровень концентрации внимания участников эксперимента после двух часов выполнения упражнений снижался на 15-20 процентов.

Как кодируются аминокислоты нуклеотидами

1) Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) — это полимеры, состоящие из нуклеотидов. В каждый нуклеотид может входить одно из четырех азотистых оснований: аденин (А, еn: A), гуанин (Г, G), цитозин (Ц, en: C), тимин (T, en: Т). В случае РНК тимин заменяется на урацил (У, U).

При рассмотрении генетического кода принимают во внимание только азотистые основания. Тогда цепочку ДНК можно представить в виде их линейной последовательности

Например:

…AAATGAACTTCA…

Комплиментарный данному коду участок иРНК будет таким:

…UUUACUUGAAGU…

2) Белки (полипептиды) — это полимеры, состоящие из аминокислот. В живых организмах для построения полипептидов используется 20 аминокислот (еще несколько очень редко). Для их обозначения тоже можно использовать одну букву (хотя чаще используют три — сокращение от названия аминокислоты).

Аминокислоты в полипептиде соединены между собой пептидной связью также линейно. Например, пусть имеется участок белка со следующей последовательностью аминокислот (каждая аминокислота обозначается одной буквой):

…MLFRSRWIMVPQHE…

3) Если стоит задача закодировать каждую аминокислоту с помощью нуклеотидов, то она сводится к тому, как с помощью 4 букв закодировать 20 букв. Это можно сделать, сопоставляя буквам 20-ти буквенного алфавита слова, составленные из нескольких букв 4-х буквенного алфавита.

Если одну аминокислоту кодировать одним нуклеотидом, то можно закодировать только четыре аминокислоты.

Если каждой аминокислоте сопоставлять два подряд идущих в цепи РНК нуклеотида, то можно закодировать шестнадцать аминокислот. Действительно, если имеется четыре буквы (A, U, G, C), то количество их разных парных комбинаций будет 16: (AU, UA), (AG, GA), (AC, CA), (UG, GU), (UC, CU), (GC, CG), (AA, UU, GG, CC). Это значит, что таким кодом (двухбуквенным словом) можно закодировать только 16 разных аминокислот: каждой будет соответствовать свое слово (два подряд идущих нуклеотида).

Из математики формула, позволяющая определить количество комбинаций, выглядит так: ab = n. Здесь n — количество разных комбинаций, a — количество букв алфавита (или основание системы счисления), b — количество букв в слове (или разрядов в числе). Если подставить в эту формулу 4-х буквенный алфавит и слова, состоящие из двух букв, то получим 42 = 16.

Если в качестве кодового слова каждой аминокислоты использовать три подряд идущих нуклеотида, то можно закодировать 43 = 64 разных аминокислот, так как 64 разных комбинации можно составить из четырех букв, взятых по три (например, AUG, GAA, CAU, GGU и т. д.). Это уже больше, чем достаточно для кодирования 20 аминокислот.

Именно трехбуквенный код используется в генетическом коде. Три подряд идущих нуклеотида, кодирующих одну аминокислоту, называются триплетом (или кодоном).

Каждой аминокислоте сопоставляется определенный триплет нуклеотидов. Кроме того, поскольку комбинаций триплетов с избытком перекрывают количество аминокислот, то многие аминокислоты кодируются несколькими триплетами.

Три триплета не кодируют ни одну из аминокислот (UAA, UAG, UGA). Они обозначают конец трансляции и называются стоп-кодонами (или нонсенс-кодонами).

Триплет AUG кодирует не только аминокислоту метионин, но и инициирует трансляцию (играет роль старт-кодона).

Ниже приведены таблицы соответствия аминокислот триплетам нуклеоитидов. По первой таблице удобно определять по заданному триплету соответствующую ему аминокислоту. По второй — по заданной аминокислоте соответствующие ей триплеты.

Рассмотрим пример реализации генетического кода. Пусть имеется иРНК со следующим содержанием:

AUGGAUUCUACCUGGUUAUUGAAAAAUCAGUAG

Разобьем последовательность нуклеотидов на триплеты:

AUG-GAU-UCU-ACC-UGG-UUA-UUG-AAA-AAU-CAG-UAG

Сопоставим каждому триплету кодируемую им аминокислоту полипептида:

Метионин — Аспаргиновая кислота — Серин — Треонин — Триптофан — Лейцин — Лейцин — Лизин — Аспарагин — Глутамин

Последний триплет является стоп-кодоном.

Что такое генетический код

Генетический, или биологический, код является одним из универсальных свойств живой природы, доказывающим единство ее происхождения. Генетический код — это способ кодирования последовательности аминокислот полипептида с помощью последовательности нуклеотидов нуклеиновой кислоты (информационной РНК или комплиментарного ей участка ДНК, на котором синтезируется иРНК).

Встречаются другие определения. Генетический код — это соответствие каждой аминокислоте (входящей в состав белков живого) определенной последовательности трех нуклеотидов. Генетический код — это зависимость между основаниями нуклеиновых кислот и аминокислотами белка.

В научной литературе под генетическим кодом не понимают последовательность нуклеотидов в ДНК у какого-либо организма, определяющую его индивидуальность. Неверно считать, что у одного организма или вида код один, а у другого — другой. Генетический код — это то, как кодируются аминокислоты нуклеотидами (т. е. принцип, механизм); он универсален для всего живого, одинаков для всех организмов. Поэтому некорректно говорить, например, «Генетический код человека» или «Генетический код организма», что нередко используется в околонаучной литературе и фильмах. В данных случаях обычно имеется в виду геном человека, организма и др.

Разнообразие живых организмов и особенностей их жизнедеятельности обусловлено в первую очередь разнообразием белков. Специфическое строение белка определяется порядком и количеством различных аминокислот, входящих в его состав. Последовательность аминокислот пептида зашифрована в ДНК с помощью биологического кода. С точки зрения разнообразия набора мономеров, ДНК более примитивная молекула, чем пептид. ДНК представляет собой различные варианты чередования всего четырех нуклеотидов. Это долгое время мешало исследователям рассматривать ДНК как материал наследственности.

Теория биогенеза

Некоторые ученые скептически относились к гипотезе спонтанного зарождения, особенно в более поздний период. В 1858 году ученый по имени Рудольф Вирхов выдвинул контргипотезу, утверждая, что жизнь может возникнуть только из жизни. Однако у него не было никаких экспериментов, подтверждающих это. В 1861 году Луи Пастер решил эту проблему, поставив свои собственные эксперименты для проверки гипотезы биогенеза. Его эксперименты были успешными, поэтому биогенез сейчас является твердой теорией, а не просто гипотезой.

Эксперименты Пастера были разработаны, чтобы доказать, что микроорганизмы живут в воздухе и могут загрязнять пищу и жидкости, но сам воздух не является первоначальным источником этих микробов. Они не просто появляются. Сначала он сварил говяжий бульон в нескольких разных емкостях. В то время люди уже знали, что жар убивает микроскопические организмы, и эксперименты Пастера подтвердили это.

После того, как бульон закипел, Пастер немедленно запечатал некоторые емкости, но оставил другие открытыми для охлаждения. В закрытых контейнерах микробы не развивались, но в открытых они появлялись. На другом этапе этого эксперимента Пастер разработал специальную колбу с S-образным отверстием, которое предотвращало попадание микробов, даже если оно было открыто для воздуха. Горлышко колбы было резко изогнутым, очень похоже на шею лебедя. Эта извилистая конструкция улавливала микробы в изгибе, так что они не могли добраться до говяжьего бульона, хотя воздух мог проникнуть внутрь.

Эксперимент Луи Пастера по проверке спонтанного зарождения и биогенеза. Изображение: Thebiologyprimer / Wikimedia Commons

Вместе эти эксперименты опровергли спонтанное зарождение и подтвердили теорию биогенеза. Работа Луи Пастера стала значительным вкладом в научное сообщество, а биогенез — выдающейся теорией в области микробиологии.

Митохондрия

Откуда клетка берёт энергию для того, чтобы управлять работой рибосом, а также для множества других функций, необходимых для её работы? Ответом на этот вопрос являются митохондрии — органеллы, производящие энергию внутри клетки. Митохондрия представляет собой продолговатую структуру с гладкой внешней поверхностью. Внутри митохондрии расположены извилистые складки, называемые кристы, которые увеличивают внутреннюю площадь поверхности

Эта площадь поверхности чрезвычайно важна, потому что именно она является основой для образования аденозинтрифосфата (АТФ) — основного источника энергии для клетки (см. «Митохондрия», 2003). Как эволюционная теория объясняет эту невероятную взаимозависимость органелл клетки? Как они «научились» взаимодействовать? Нельзя ответит на эти вопросы просто предположением о постепенных изменениях в течении времени.

Подведение итогов

Давайте рассмотрим то, что мы узнали. Биогенез — это теория, согласно которой живые существа могут происходить только из других себе подобных живых существ. Она была разработана в 1858 году Рудольфом Вирховым в качестве контргипотезы против спонтанного зарождения. До Вирхова было широко распространено мнение, что микроорганизмы просто появляются в результате спонтанного зарождения. Помните, что микроорганизмы — это живые существа, которые слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом. Фактически, спонтанное зарождение было доминирующей гипотезой в течение 200 лет между открытием Антонио ван Левенгука и экспериментами, проведенными Луи Пастером. В 1861 году Пастер провел эксперименты в поддержку теории биогенеза.

Мне нравится1Не нравится