Тцц – аргинин, цца, ццг, ццт, ццц – глицин.

Организмы используют кодоны, кодирующие одну аминокислоту, с неодинаковой частотой. Например, у человека из шести кодонов, соответствующих аргинину, чаще всего используются ТЦТ и ТЦЦ, а у E.coli триплет ТЦТ используется очень редко, и при его трансляции часто происходят ошибки. Это необходимо учитывать при встраивании генов одного организма в другие организмы.

В настоящее время известны 16 вариантов генетического кода, отличающихся от стандартного. Существуют организмы (к ним относятся, например, многие виды гриба Candida), у которых кодон ДНК ГАЦ кодирует не лейцин, а серин. Многие виды одноклеточных морских зеленых водорослей Acetabularia (их клетки достигают длины 5 см) воспринимают стандартные стоп-кодоны ДНК АТЦ и АТТ как аминокислоту глицин. Стандартный стоп-кодон АЦТ иногда интерпретируется организмами как 21-я аминокислота селеноцистеин. Аналогично канонический стоп-кодон АТЦ может транслироваться в 22-ю аминокислоту пирролизин. В клеточных митохондриях пекарских дрожжей четыре из шести кодонов, обычно кодирующих лейцин, транслируются в треонин.

Существование альтернативных кодов свидетельствует о том, что на ранних этапах биологической эволюции могло быть множество генетических кодов, отличающихся чувствительностью к ошибкам при синтезе белков. Организмы, для которых последствия таких ошибок были минимальными, имели больше шансов выжить в конкурентной борьбе за существование. Поэтому, вероятнее всего, стандартный генетический код сформировался в процессе эволюции путем естественного отбора.

Возможно, белки древних организмов строились не из 20 аминокислот, а из меньшего их количества. Сложные аминокислоты, скорее всего, образовались позднее путем биохимических изменений более простых. Поэтому в процессе дальнейшей эволюции канонического генетического кода могут появиться новые аминокислоты.

Но каким же образом канонический код минимизирует катастрофические последствия ошибок при синтезе белков? Как правило, его кодоны, соответствующие одной аминокислоте или аминокислотам со сходным сродством к воде (способностью растворяться в ней или стремлением избегать водного окружения), отличаются только одним, третьим нуклеотидом. Белок приобретает разную пространственную конфигурацию в зависимости от того, где и в каком количестве в нем находятся гидрофобные (не способные смачиваться водой) аминокислоты, располагающиеся преимущественно в его внутренних областях. Гидрофильные (способные смачиваться водой) аминокислоты в основном находятся во внешних оболочках белковой глобулы. Ошибки в кодировании аминокислот чаще всего связаны с изменениями третьего нуклеотида в кодовом триплете. Поэтому они или не влияют на свойства синтезируемого белка или изменяют их незначительно, что очень важно для выживания организмов в природе.

Однонуклеотидные замены в кодонах являются незначительными мутациями, и они чаще обеспечивают преимущества для организма, чем сильные мутации, которые могут привести к потере его жизнеспособности. Поэтому стандартный генетический код, сводя к минимуму последствия мутаций, способствует появлению в организме более совершенных белков и тем самым может ускорять биологическую эволюцию.

В настоящее время ученые исследуют, как мог сформироваться генетический код, как установилось взаимодействие между РНК и аминокислотами, как расширялся белковый алфавит, почему одни аминокислоты кодируются несколькими кодонами, а другие – только одним, и многие другие вопросы, касающиеся взаимосвязи белков с нуклеиновыми кислотами в живых организмах.

Углеводы в клетках выполняют энергетическую (окисление 1г глюкозы дает 17.1 кДж энергии), структурную и сигнальную функции.

Функции жиров в клетках живых организмов: 1) структурная (жиры участвуют в образовании мембран клеток и многих биологически важных соединений, например, гормонов, витаминов, пигментов); 2) энергетическая (при сгорании 1г жира выделяется 38.9 кДж энергии, жиры обеспечивают 25÷30% всей энергии, необходимой организму); 3) резервная (жиры служат запасным источником питания); 4) терморегуляционная (жиры плохо проводят тепло и поэтому предохраняют живые организмы в районах с низкой температурой); 5) защитная (жиры предохраняют органы и ткани от ударов, сотрясений и т.д.).

Особым нуклеотидом в клетке является АТФ (аденозинтрифосфорная кислота). Ее молекулы обеспечивают энергией все виды клеточных процессов: биосинтез, механическую работу, перенос веществ через клеточную мембрану и т.д. Молекула АТФ состоит из остатка азотистого основания аденина, рибозы и трех остатков фосфорной кислоты. Отщепление одного остатка фосфорной кислоты сопровождается выделением энергии, равной 419 кДж/моль. Связь между остатками фосфорной кислоты в молекуле АТФ называется макроэргической. Синтез АТФ осуществляется в клеточных митохондриях и хлоропластах.

Накопление энергии в макроэргических связях АТФ осуществляется в процессе энергетического обмена. Энергетический обмен подразделяется на три этапа, которые осуществляются при участии специальных ферментов в различных участках клеток и организма.

Первый этап (подготовительный) протекает (у животных в органах пищеварения) под действием ферментов, расщепляющих молекулы ди- и полисахаридов, жиров, белков, нуклеиновых кислот на более мелкие молекулы глюкозы, глицерина и жирных кислот, аминокислот, нуклеотидов. При этом выделяется небольшое количество энергии, рассеивающейся в виде тепла.

Второй этап (бескислородный, или неполного окисления) называется также анаэробным дыханием, брожением или гликолизом. В результате этого процесса в цитоплазме клеток под действием ферментов гликолиза происходит расщепление глюкозы и образование двух молекул АТФ, в макроэргических связях которых запасается 40% энергии (остальная часть рассеивается в виде теплоты).

Третий этап (стадия кислородного расщепления, или аэробное дыхание) осуществляется в клеточных митохондриях под действием многих ферментов. В результате кислородного расщепления глюкоза полностью окисляется до углекислого газа и воды, способствуя образованию 38 молекул АТФ.

Основную роль в обеспечении клетки энергией играет кислородное расщепление органических веществ. При недостатке кислорода или полном его отсутствии происходит бескислородное расщепление, благодаря которому живые организмы могут короткое время обходиться без кислорода.

В клетках зеленых растений под действием солнечного света осуществляется химический процесс превращения воды и углекислого газа в сахар, крахмал и древесину, сопровождающийся выделением кислорода и называемый фотосинтезом:

 

Хлорофилл

H₂O + CO₂ + 8hע → O₂ + CH₂O,

 

где СН₂О – строительный блок многих органических соединений (например, глюкоза С₆Н₁₂О₆ составлена из 6 таких блоков), 8hע – энергия 8 квантов красного света с длиной волны около 700 нм и суммарной энергией 14.4 эВ. Около 5 эВ запасается в виде энергии химических связей в СН₂О, остальная энергия идет на разрыв двух связей между водородом и кислородом в молекуле воды и на отрыв атома кислорода от молекулы углекислого газа. Молекулы хлорофилла поглощают солнечный свет и являются источником энергии для процесса фотосинтеза.

Когда мы пьем чай, то молекулы кислорода, захваченные гемоглобином, в присутствии ферментов соединяются с молекулами глюкозы в обратном процессе, освобождая при этом энергию солнечного луча, запасенную хлорофиллом, которая, в конечном итоге, сохраняет нашу жизнь.

Сущность фотосинтеза установлена в ХIX веке. В настоящее время изучение фотосинтеза продолжается. Фотосинтез возник на Земле в процессе эволюции растений. Простейшие сине-зеленые водоросли начали перерабатывать углекислый газ в кислород, содержание которого в земной атмосфере постепенно достигло современного значения (21% от общего объема). Над планетой образовался озоновый слой (О₃), который охраняет все живое от губительного ультрафиолетового излучения Солнца; жизнь под его защитой вышла из океанов на сушу; появились животные и человек, которые возвращают растениям углекислый газ.

За час в ясный солнечный день один квадратный метр листьев усваивает 6÷8 г (3÷4 л) углекислого газа из воздуха и выделяет такой же объем кислорода. Человек потребляет около 500 л кислорода в сутки (продукция трех взрослых деревьев) и такой же объем углекислого газа возвращает растениям. Весь углекислый газ атмосферы проходит через растения за 300 лет, а весь атмосферный кислород через животных – за 2000 лет. Красный свет, используемый в процессе фотосинтеза, составляет 2% от общего потока излучения Солнца.

В результате фотосинтеза на Земле ежегодно образуется 150 млрд. тонн органического вещества и выделяется примерно 200 млрд. тонн свободного кислорода. Фотосинтез не только обеспечивает и поддерживает современный состав атмосферы Земли, необходимый для жизни, но и препятствует увеличению концентрации углекислого газа в атмосфере, предотвращая перегрев планеты из-за парникового эффекта.

Хемосинтез – это процесс образования некоторыми не содержащими хлорофилла бактериями органических веществ из углекислого газа за счет энергии, полученной при окислении неорганических соединений (аммиака, водорода, соединений серы и т.д.). Хемосинтез открыт русским биологом С.Н.Виноградским (1856–1953) в 1887 г.

Жизнедеятельность всех организмов возможна только при наличии в них энергии. По способу получения энергии все клетки и организмы подразделяются на две группы: автотрофы и гетеротрофы.

Гетеротрофы не способны сами синтезировать органические соединения из неорганических; органические вещества поступают в такие организмы с пищей из окружающей среды. К гетеротрофам относятся все животные, грибы, большинство бактерий, растения и водоросли, не содержащие хлорофилла.

Автотрофы – это организмы, питающиеся (т.е. получающие энергию) за счет неорганических соединений, из которых они синтезируют органические вещества. К ним относятся некоторые бактерии и все зеленые растения.

Развитие жизни на Земле. Остатки более древних форм жизни находят в более глубоких слоях Земли, в слоях ближе к поверхности обнаружены более поздние формы вымерших организмов. По ископаемым остаткам можно сделать вывод о направлениях и темпах эволюции на определенном этапе развития жизни.

Считается, что первыми живыми организмами на Земле были безъядерные (прокариотные) клетки бактерий и сине-зеленых водорослей. Древнейшие окаменелые останки одноклеточных безъядерных организмов имеют возраст более 3.5 млрд. лет.

Около 2.5 млрд. лет назад, по оценкам ученых, возникло половое размножение. Приблизительно 2 млрд. лет назад примитивные сине-зеленые водоросли стали перерабатывать в процессе фотосинтеза углекислый газ в кислород, насыщая им атмосферу, в которой стал формироваться озоновый слой, способствующий выходу жизни из воды на сушу. Такие водоросли сохранились до настоящего времени в виде окаменелостей, которые называют строматолитами.

Первые эукариотные (ядерные) клетки возникли на Земле примерно 1.7–1.9 млрд. лет назад.

Первые многоклеточные организмы, по данным современной науки, появились приблизительно 1.4 млрд. лет назад. Главное их отличие от одноклеточных организмов – разделение функций между клетками.

Более 1 млрд. лет назад содержание кислорода в атмосфере достигло 1% (по объему), и организмы начали переходить от процессов бескислородного расщепления пищи (брожения) к дыханию (кислородному расщеплению пищи). Этот момент в истории биосферы Земли называют точкой Пастера.

Примерно 400–450 млн. лет назад вначале растения, а затем и животные вышли на сушу. Около 200 млн. лет назад на Земле появились первые млекопитающие. Их предками были звероящеры, которые вымерли 140 млн. лет назад. 65 млн. лет назад, после массовой гибели динозавров, причиной которой считается глобальное похолодание из-за столкновения Земли с крупным астероидом и из-за усилившейся вулканической активности, началась эпоха млекопитающих. Около 55 млн. лет назад появились первые приматы, эволюция которых привела к появлению обезьян и людей.

Для биологической эволюции характерна неравномерность: длительные периоды времени, в течение которых большинство видов практически не изменялось, чередовались в истории биосферы Земли с периодами интенсивного развития и появления новых видов. Вероятнее всего это связано с чередованием эпох равновесия климата и эпох быстрых климатических изменений.

Вымирание видов, родов, семейств, отрядов происходит из-за невозможности более древних живых существ конкурировать с более приспособленными. При этом освобождается место для более развитых организмов. Из-за массового вымирания динозавров крысоподобные небольшие млекопитающие смогли выбраться из своих нор, в которых они прятались от различных завров, медленно совершенствуя теплорегуляцию, нервную систему и мозг, и начали быстро развиваться.

Массовые вымирания различных видов, родов, семейств и отрядов ученые связывают прежде всего с глобальными климатическими изменениями на Земле. Эпохой вымирания принято считать наше время. Вначале были уничтожены мамонты в Европе и Азии, мастодонты и гигантские ленивцы в Южной Америке, затем в ХVIII веке исчезла морская корова и т.д. Причина таких вымираний – деятельность человека.

В настоящее время расшифровка нуклеотидных и аминокислотных последовательностей позволяет изучать процессы биологической эволюции и ее скорость на молекулярном уровне. Развитие генных технологий дает возможность управлять наследственностью живых организмов в лабораторных условиях путем изменения генов. Так появляются растения и животные с новыми признаками, не запрограммированными природой. С помощью технологий клонирования ученые научились создавать копии животных и растений. Успешные опыты по клонированию животных, в результате которых рождаются организмы, имеющие мать, но не имеющие отца, показывают, что в настоящее время теоретически женские особи могут размножаться и без помощи мужских. Мужским же организмам для продолжения рода путем клонирования не обойтись без женских.

Таким образом, сейчас человек получил возможность вмешиваться в биологическую эволюцию. Нужно это или не нужно, хорошо это или плохо – покажет время.