Структура информационной системы клетки

Обычно мы отличаем живой субъект от неживого объекта тем, что в первом происходят различные процессы, причём повторяемые, предсказуемые, т.е. закономерные, без видимого воздействия извне. Если на какой-нибудь скамейке рядом лежат свернувшаяся калачиком серая кошка и примерно таких же размеров булыжник, то совершенно ясно, что булыжник сдвинется с места только, если его кто-нибудь или что-нибудь сдвинет, в то время как кошка начнёт двигаться без всякой внешней причины. На самом деле внешняя причина движения кошки есть, точнее была. Например, кошка пошла, чтобы поесть, или размять мышцы, или пообщаться с другими представителями животного мира. К этому её побуждает информация, записанная в генетической или рефлекторной памяти много лет (или месяцев) назад, либо в её собственном организме, либо в организмах её предков.

Люди научились искусственно создавать устройства, которые совершают сложные движения или процессы без видимой причины извне. Такие устройства именуются автоматами, или управляемыми. Их структура описана в пятой главе. Покажем, что и живые организмы (биологические системы) функционируют по тем же правилам, что и неживые искусственные автоматы. Иными словами, рассмотрим, как протекают информационные процессы в этих системах. Начнём с клетки - базового устройства (“атома”, “кирпичика”) любого живого организма.

Основными химическими веществами, образующими живой организм, являются полимеры аминокислот (пептидов), именуемые белками, и нуклеотидов, именуемые рибонуклеиновыми и дезоксирибонуклеиновыми кислотами(РНК и ДНК). Из них белки формируют тело организма и катализируют протекающие в нём химические реакции (исполнительный орган), а РНК и ДНК – служат органом управления (ДНК – память, эталонный орган, РНК вместе с приданными ей молекулами белка – процессор, т.е. орган, передающий информацию от ДНК к белкам и тем самым реализующий записанный в ДНК порядок).

Начнем с описания устройства молекулы белка.

Формула аминокислоты следующая [16]:

(Н)NH - HC – CO(OH), (5.6)

R

где R – радикал (группа атомов), которым одна аминокислота отличается от другой. Всего известно несколько десятков аминокислот, отличающихся друг от друга радикалами (остатками). Однако в живых организмах любого вида используется всего 20 аминокислот. Как видим, аминокислота представляет собой сложную молекулу – с одной стороны (в формуле 5.6 – слева) это кислота, с другой стороны (в формуле 5.6 - справа) – основание. Поэтому при столкновении двух молекул аминокислот с любыми радикалами происходит реакция нейтрализации с выделением молекулы воды и одновременно образования полимера. Полимеризация аминокислот осуществляется пептидной связью – CO - NH – с выделением молекул воды Н₂О. Например, трипептид имеет вид:

NH₂ - CH - CO - NH - CH - CO - NH - CH - COOH. (5.7)

R₁R₂ R₃

Пептидная цепь может содержать до 100 и более аминокислотных остатков. Радикалы R₁, R₂... образуют 20 -буквенный текст, которым один белок отличается от другого. Эти остатки условно обозначаются [17]:

Ала (аланин), Арг (аргинин), Асн (аспарангин), Асп (аспарангиновая кислота), Вал (валин), Гис (гистидин), Гли (глицин), Глн (глутамин), Глу (глутаминовая кислота), Иле (изолейтин), Лей (лейцин), Лиз (лизин), Мет (метионин), Про (пролин), Сер (серин), Тир (тирозин), Тре (треонин), Три (триптофан), Фен (фенилаланин), Цис (цистеин).

Пептидная цепь сворачивается в спиралевидный клубок (глобулу) – рисунок 5.4.Образование глобул в водных растворах объясняется тем, что часть радикалов R₁,R₂,...,R_k носит гидрофобный характер, т.е. не растворимо в воде, и молекулы последней отталкивают ее – так, как это делается с маслом, бензином, нефтью. Другая часть радикалов наоборот гидрофильная – как сахар, спирт. Поскольку эти радикалы связаны с основной цепью белка прочной ковалентной связью, эта цепь деформируется. При этом гидрофильные радикалы оказываются снаружи клубка, а гидрофобные - внутри. Но на этом формирование структуры белка не заканчивается. Между некоторыми парами, оказавшимися рядом в результате свертывания аминокислотных узлов, возникает еще одна связь – Ван-дер-Ваальса(например, S - S, если радикалы содержат серу (рисунок 5.4,б)).

Гидрофильные мономеры, находящиеся снаружи глобулы, притягивают к себе

Рисунок 5.4.Пространственная конфигурация молекулы белка: а – компьютерная модель и вид в микроскопе; б – химическая формула-конфигурация

молекулы воды. Водный раствор переплетенных между собой молекул белка и притянутых к ним молекул воды называется гель. Это желеобразное тело, в основном состоящее из воды, которая, однако, не в состоянии "вылиться" из него.

Белки играют в организме двойную роль: конструктивную и каталитическую. В результате первой образуется оболочка клетки, основной гель - цитоплазма, основная масса ядра и другие узлы клетки. Второй вид белков, именуемых ферментами, являются катализаторами, инициирующими те или иные химические реакции. Эти реакции, во-первых, расщепляют попадающие извне в клетку продукты на простейшие аминокислоты и нуклеотиды или синтезируют их из неорганических веществ, во-вторых, образуют заданные наследственной программой полимерные соединения, в-третьих, осуществляют передачу информации и энергии от одних элементов клетки к другим с помощью эндоплазматической сети. Кроме этих основных функций белки служат в качестве дополнительных источников энергии, а у сложных многоклеточных животных – в качестве формирователей веществ внутренней секреции.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) представляет собой двойную полимерную цепочку - рисунок 5.5, свернутую в правовинтовую спираль.

Рисунок 5.5 Участок молекулы ДНК

Каждый узел цепочки состоит из органического мономерного вещества – нуклеотида. Каждый нуклеотид содержит три части – центральную – сахар пентоза - дезоксирибоза, и две боковые – остаток фосфорной кислоты и азотистое основание:

(5.8)

Азотистых оснований четыре:

(5.9)

В соответствии с типом азотистого основания нуклеотид именуется аденозинмонофосфат (А), гуанозинмонофосфат (Г),тимидинмонофосфат (Т) и цитидинмонофосфат (Ц). Первые два относятся к пуриновому, а последние два к пиримидиновому классу.

Сокращенно они обозначаются соответственно:

(5.10)

Между собой вдоль цепочки нуклеотиды соединены прочными ковалентными связями, осуществляемыми посредством соединения остатка фосфорной кислоты одного нуклеотида и пентозы другого (рисунок 5.6).

Обе цепи объединяются в одну двойную (комплементарную) посредством ионного соединения пуриновых и пиримидиновых азотистых оснований: А с Т,Г с Ц.

Диаметр спирали ДНК - 2 •10^{-9 м, а расстояние между соседними узлами -} 3,4 • 10^{-10 м. Полный оборот спираль делает через 10 пар. Длина молекулы ДНК колеблется в зависимости от сложности организма в пределах от нескольких тысяч узлов у простейших (например, прокариотов) до нескольких миллиардов у высокоорганизованных.}

Так, число пар нуклеотидов в ДНК бактерий – 2000, у млекопитающих – 3.2 миллиарда, у птиц – 1.2 миллиарда, у лягушек – 6.2 миллиарда [39].

Рисунок 5.6

Схема формирования полимерной цепочки нуклеотидов: а – кова- лентная связь нуклеотидов между собой; б – условная схема

Молекулы ДНК многоклеточных организмов навиты на катушки, образованные особыми белками гистонами. На каждой катушке намотано два витка нити ДНК. Переходя от катушки к катушке, ДНК образует «ожерелье». Элементы этого ожерелья – двухвитковые катушки – именуются нуклеосомами. В свою очередь, это ожерелье свито в двойную спираль и уложено в белковую упаковку – хромосому. Располагаются хромосомы в ядре.

ДНК содержит в себе всю информацию о данном организме, закодированную в виде последовательности нуклеотидов в узлах цепочки.

Для того, чтобы представить себе, какой объём информации записан в ДНК, произведём такой несложный расчёт. Как будет показано ниже, каждая тройка нуклеотидов соответствует одной “букве” генетического текста. Реально только одна десятая часть молекулы ДНК высших организмов несёт в себе содержательную информацию об организме. А это значит, что одна молекула ДНК высших животных соответствует тексту из 100 000 000 000 букв. Это примерно 50 томов такого размера, как у “Большой Советской энциклопедии”. Если учесть, что у человека 23 пары молекул ДНК, то получается, что его наследственная информация “записана” в нескольких десятках полных комплектов “Большой Советской энциклопедии”.

Третье вещество, которое обязательно входит в состав клетки живого организма, это рибонуклеиновая кислота или сокращенно РНК. Молекулы РНК сходны по строению с молекулой ДНК. Только они представляют собой не двойную цепочку, а одинарную, образованную также из четырёх типов нуклеотидов. Нуклеотиды РНК напоминают таковые для ДНК, только в пентозе у них к правому нижнему атому углерода вместо атома водорода H присоединена гидроксильная группа OH. Кроме того, вместо остатка тимин используется остаток уридин, отличающийся тем, что группа CH₃ заменена на группу СН. Поэтому в пиридиновый класс у РНК входит вместо нуклеотида Т нуклеотид У – уридинмонофосфат. Нуклеотид У является напарником нуклеотида А так же, как и Т в ДНК.

Рибонуклеиновая кислота выполняет в клетке три функции. Эти функции РНК именуются информационными или матричными, соответственно иРНК или мРНК. Первая из них – считывание (или транскрипция) с определенного участка ДНК записанной на нем информации. Вторая функция – формирование в соответствии со списанным с ДНК кодом соответствующего белка. Эту функцию выполняет так называемая рибосомная РНК (рРНК). Третья функция – доставка к месту производства белков (к рибосоме) отдельных аминокислотных остатков, находящихся в свободном состоянии в цитоплазме. Эта функция осуществляется так называемой транспортной РНК (тРНК).

Если проводить аналогию между клеткой и компьютером, то ДНК играет роль "жёсткого диска" и записанных в нём в виде "файлов" алгоритмов жизнедеятельности организма, а РНК вместе с приданными молекулами белка – "процессора".

“Станком с программным управлением”, на котором РНК изготавливают по заданному ДНК "чертежу" все детали клетки, является рибосома.

Кроме перечисленных выше веществ в состав клетки входят еще ряд веществ, среди которых следует назвать адезинтрифосфат (АТФ) и адезиндифосфат (АДФ). Под воздействием белков-ферментов они периодически "заряжаются" (АДФ, присоединяя одну фосфатную группу, превращается в АТФ) и "разряжаются" (АТФ расщепляется на АДФ и фосфатную группу). Процесс разрядки сопровождается выделением энергии, поддерживающим жизненные процессы в клетке. Дело в том, что химические реакции полимеризации белков и нуклеиновых кислот являются эндотермическими и, следовательно, нуждаются в притоке тепловой энергии. АТФ и АДФ входят в состав особых телец, находящихся в цитоплазме клетки и именуемых митохондриями. Интересно, что митохондрии имеют свои собственные ДНК и РНК, значительно меньших размеров, чем у самой клетки. По сути дела, митохондрия – это отдельный организм, встроенный в клетку. Его задача – генерировать энергию для жизнедеятельности клетки (как батарейки некоторых бытовых приборов).

Остальные вещества, входящие в состав клетки – липиды, сахариды, вода – выполняют вспомогательные функции защиты клетки, накопления энергии и обмена веществ.

В конце параграфа сообщим, что в человеческом организме на 80 кг веса

7 кг белков, 150 г – ДНК, примерно столько же РНК и АТФ.

---

Дата добавления: 2015-08-27