Шпаргалка "Молекулярная биология"

Происхождение жизни  из древнего мира РНК 

 

11. Теория биопоэза.

Современная теория возникновения  жизни на Земле, называемая теорией  биопоэза, была сформулирована в 1947 г. английским ученым Дж. Берналом.

В настоящее время, в процессе становления жизни условно выделяют четыре этапа Левитин М. Г. Указ. соч. С. 242.:

1. Синтез низкомолекулярных  органических соединений (биологических  мономеров) из газов первичной  атмосферы.

2. Образование биологических  полимеров.

3. Формирование фазообособленных  систем органических веществ,  отделенных от внешней среды  мембранами (протобионтов).

4. Возникновение простейших  клеток, обладающих свойствами живого, в том числе репродуктивным  аппаратом, обеспечивающим передачу  дочерним клеткам свойств клеток родительских.

Первые три этапа относят  к периоду химической эволюции, а  с четвертого начинается эволюция биологическая.

Рассмотрим более подробно процессы, в результате которых на Земле могла возникнуть жизнь. Согласно современным представлениям, Земля  сформировалась около 4,6 млрд. лет назад. Температура ее поверхности была очень высокой (4000-8000 °С) и по мере остывания планеты и действия гравитационных сил происходило  образование земной коры из соединений различных элементов.

Процессы дегазации привели  к созданию атмосферы, обогащенной, возможно, азотом, аммиаком, парами воды, углекислым и угарным газами. Такая  атмосфера была, по-видимому, восстановительной, о чем свидетельствует наличие  в самых древних горных породах  Земли металлов в восстановленной  форме, таких как, например, двухвалентное  железо. Важно отметить при этом, что в атмосфере имелись атомы  водорода, углерода, кислорода и  азота, составляющие 99% атомов, входящих в мягкие ткани любого живого организма.

Однако чтобы атомы  превратились в сложные молекулы, простых столкновений их было недостаточно. Нужна была дополнительная энергия, которая имелась на Земле как  результат вулканической деятельности, электрических грозовых разрядов, радиоактивности, ультрафиолетового излучения Солнца.

Отсутствие свободного кислорода  было, вероятно, необходимым условием для возникновения жизни. Если бы свободный кислород присутствовал  на Земле в добиотический период, то, с одной стороны, он окислял  бы синтезирующиеся органические вещества, а с другой -- образуя озоновый слой в верхних горизонтах атмосферы, поглощал бы высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение Солнца. В рассматриваемый период возникновения жизни, длившийся примерно 1000 млн. лет, ультрафиолет был,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вероятно, основным источником энергии для синтеза органических веществ.

Из водорода, азота и  соединений углерода при наличии  свободной энергии на Земле должны были возникать сначала простые  молекулы (аммиак, метан и подобные простые соединения). В дальнейшем эти несложные молекулы в первичном  океане могли вступать в реакции  между собой и с другими  веществами, образуя новые соединения.

В 1953 году американский исследователь  С. Миллер в ряде экспериментов моделировал  условия, существовавшие на Земле приблизительно 4 млрд. лет назад.

Пропуская электрические  разряды через смесь аммиака, метана, водорода и паров воды, он получил ряд аминокислот, альдегидов, молочную, уксусную и другие органические кислоты. Американский биохимик С. Поннаперума  добился образования нуклеотидов  и АТФ. В ходе таких и аналогичных  им реакций воды первичного океана могли насыщаться различными веществами, образуя так называемый «первичный бульон» Левитин М. Г. Указ. соч. С. 243 - 244..

Второй этап состоял в  дальнейших превращениях органических веществ и образовании абиогенным путем более сложных органических соединений, в том числе и биологических  полимеров.

Американский химик С. Фоке составлял смеси аминокислот, подвергал их нагреву и получал протеиноподобные вещества. На первобытной Земле синтез белка мог проходить на поверхности земной коры. В небольших углублениях в застывающей лаве возникали водоемы, содержащие растворенные в воде малые молекулы, в том числе и аминокислоты.

Когда вода испарялась или  выплескивалась на горячие камни, аминокислоты вступали в реакцию, образуя протеноиды. Затем дожди смывали протеноиды в воду. Если некоторые из этих протеноидов  обладали каталитической активностью, то мог начаться синтез полимеров, т. е. белковоподобных молекул.

Третий этап характеризовался выделением в первичном «питательном бульоне» особых коацерватных капель, представляющих собой группы полимерных соединений. Было показано в ряде опытов, что образование коацерватных суспензий, или микросфер, типично для многих биологических полимеров в растворе. Коацерватные капли обладают некоторыми свойствами, характерными и для живой  протоплазмы, как, например, избирательно адсорбировать вещества из окружающего  раствора и за счет этого «расти», увеличивать свои размеры.

Благодаря тому, что концентрация веществ в коацерватных каплях была в десятки раз больше, чем в  окружающем растворе, возможность взаимодействия между отдельными молекулами значительно  возрастала.

Известно, что молекулы многих веществ, в частности полипептидов и жиров, состоят из частей, обладающих разным отношением к воде. Гидрофильные части 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

молекул, расположенные на границе между коацерватами и  раствором, поворачиваются в сторону  раствора, где содержание воды больше. Гидрофобные части ориентируются  внутрь коацерватов, где концентрация воды меньше. В результате поверхность коа-церватов приобретает определенную структуру и в связи с этим свойство пропускать в определенном направлении одни вещества и не пропускать другие. Благодаря этому свойству концентрация некоторых веществ внутри коацерватов еще больше возрастает, концентрация других уменьшается, и реакции между компонентами коацерватов приобретают определенную направленность. Коацерватные капли становятся системами, обособленными от среды. Возникают протоклетки, или протобионты.

Важным этапом химической эволюции явилось образование мембранной структуры. Параллельно с появлением мембраны шло упорядочение и усовершенствование метаболизма. В дальнейшем усложнении обмена веществ в таких системах существенную роль должны были играть катализаторы.

Одним из основных признаков  живого является способность к репликации, т. е. созданию копий, не отличаемых от материнских молекул. Таким свойством  обладают нуклеиновые кислоты, которые  в отличие от белков способны к  репликации. В коацерватах мог  образовываться протеноид, способный катализировать полимеризацию нуклеотидов с образованием коротких цепочек РНК. Эти цепочки могли выполнять роль как примитивного гена, так и информационной РНК. В этом процессе не участвовали еще ни ДНК, ни рибосомы, ни транспортные РНК, ни ферменты белкового синтеза. Все они появились позже.

Уже на стадии формирования протобионтов имел место, вероятно, естественный отбор, т. е. сохранение одних форм и  элиминация (гибель) других. Так прогрессивные  изменения в структуре протобионтов закреплялись благодаря отбору.

Появление структур, способных  к самовоспроизведению, репликации, изменчивости определяет, по-видимому, четвертый этап становления жизни.

Итак, в позднем архее (приблизительно 3,5 млрд. лет назад) на дне небольших водоемов или  мелководных, теплых и богатых питательными веществами морей возникли первые примитивные  живые организмы, которые по типу питания были гетеротрофами, т. е. питались готовыми органическими веществами, синтезированными в ходе химической эволюции. Способом обмена веществ  им служило, вероятно, брожение -- процесс ферментативного превращения органических веществ, в котором акцепторами электронов служат другие органические вещества.

Часть энергии, выделяемой в  этих процессах, запасается в виде АТФ. Возможно, некоторые организмы для  жизненных процессов использовали и энергию окислительно-восстановительных  реакций, т. е. были хемосинтетиками.

Со временем происходило  уменьшение запасов свободной органики в окружающей среде, и 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

преимущество получили организмы, способные синтезировать органические соединения из неорганических. Таким путем, вероятно, около 2 млрд. лет назад возникли первые фототрофные организмы типа цианобактерий, способные использовать световую энергию для синтеза органических соединений из СО и НО, выделяя при этом свободный кислород.

Переход к автотрофному питанию  имел большое значение для эволюции жизни на Земле не только с точки  зрения создания запасов органического  вещества, но и для насыщения атмосферы  кислородом. При этом атмосфера стала  приобретать окислительный характер.

Появление озонового экрана защитило первичные организмы от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей и положило конец абиогенному (небиологическому) синтезу органических веществ.

 

12. Доказательства генетической роли нуклеиновых кислот.

1928г.  Опыты Фредерика Гриффита.

Гриффит работал  с пневмококками - бактериями, вызывающими  пневмонию. Он брал два штамма пневмококков: капсульный и бескапсульный. Капсульный - патогенный (вирулентный), при инфицировании таким штаммом мыши погибают, бескапсульный - непатогенный. При введении мышам смеси убитых нагреванием (и, следовательно, потерявших вирулентность) капсульных пневмококков и живых бескапсульных невирулентных бактерий, животные погибали в результате размножения капсульных вирулентных форм. Обнаруженное явление Гриффит интерпретировал как трансформацию.

Определение: Трансформация - это приобретение одним организмом некоторых признаков другого  организма за счет захвата части  его генетической информации.

В 1944г. этот эксперимент был  повторен Освальдом Эйвери, Колином  Мак-Леодом и Маклином Мак-Карти  в варианте смешивания бескапсульных  пневмококков с взятыми от капсульных белками, полисахаридами или ДНК. В результате этого эксперимента была выявлена природа трансформирующего фактора. Трансформирующим фактором оказалась ДНК.

Заражение мышей смесью невирулентного штамма пневмококка и инактиктивированного

вирулентного штамма приводит к гибели мышей (Гриффитс, 1928)

Вместо инактивированного  вирулентного штамма с тем же эффектом может быть

использован препарат очищенной  ДНК из этого штамма (Эйвери, 1944)

1952 г.  Эксперимент Альфреда Херши и  Марты Чейз.

 

13. Хронология  открытий, подготовивших создание  Уотсоном и Криком модели двойной  спирали ДНК.

1868г. Обнаружен нуклеин. Современное название - хроматин. Фридрих Мишер

1889г. Нуклеин разделен на нуклеиновую кислоту и белок. Появился термин "нуклеиновая кислота". Рихард Альтман

1900г. Все азотистые основания были описаны химиками.

1909г. В нуклеиновых кислотах обнаружены фосфорная кислота и рибоза. Левин

1930г. Найдена дезоксирибоза. Левин

1938г. Рентгеноструктурный анализ показал, что расстояние между нуклеотидами в ДНК 3,4 Å. При этом азотистые основания уложены стопками. Уильям Астбюри, Флорин Белл

1947г. С помощью прямого и обратного титрования установлено, что в ДНК есть водородные связи между группами N-H и C=O. Гулланд

1953г. С помощью кислотного гидролиза ДНК с последующей хроматографией и количественным анализом установлены закономерности: А/Т=1; Г/Ц=1; (Г+Ц)/(А+Т)=К - коэффициент специфичности, постоянен для каждого вида. Эрвин Чаргафф

 

14. Принципы строения ДНК.

1.Нерегулярность. 

Существует регулярный сахарофосфатный  остов, к которому присоединены азотистые  основания. Их чередование нерегулярно.

2.Антипараллельность.

ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, ориентированных антипараллельно. 3`-конец одной расположен напротив 5`- конца другой.

3.Комплементарность(дополнительность).

Каждому азотистому основанию  одной цепи соответствует строго определенное азотистое основание  другой цепи. Соответствие задается химией. Пурин и пиримидин в паре образуют водородные связи. В паре A-Т две  водородные связи, в паре Г-Ц - три.

4.Наличие регулярной вторичной  структуры.

Две комплементарные, антипараллельно  расположенные полинуклеотидные цепи образуют правые спирали с общей  осью.

 

 

 

Фаги (бактериофаги) - это  вирусы, размножающиеся в бактериях.

E. сoli - кишечная палочка  (эубактерия).Суть опыта: фаги, у которых белковая оболочка была мечена радиоактивной серой (S35), а ДНК - радиоактивным фосфором (Р32), инкубировали с бактериями. Затем бактерии отмывали. В смывных водах не обнаруживали Р32, а в бактериях - S35 Следовательно, внутрь попала только ДНК. Через несколько минут из бактерии выходили десятки полноценных фагов, содержащих и белковую оболочку, и ДНК.