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]:
Пептидная цепь сворачивается в спиралевидный клубок (глобулу) – рисунок 5.4 .Образование глобул в водных растворах объясняется тем, что часть радикалов R1,R2,...,Rk 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 CH3заменена 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.