Совместный бакалавриат ВШЭ и РЭШ

Введение в науки о жизни

© А. В. Марков, 2011

Курс лекций

Это конспекты лекций, которые я делал для себя. Материал не был специально подготовлен для публикации. Поэтому он не является совершенно самодостаточным. Многие вещи, которые я говорил на лекциях, не отражены в конспектах. О них читатель сможет только догадываться по слайдам. С другой стороны, многие пространные фрагменты текста, выложенные здесь, в действительно не были сказаны на лекциях из-за нехватки времени, или были сказаны в сокращенном виде.

Разрешается использование материалов в некоммерческих целях (например, для подготовки предподавателями собственных учебных курсов) с обязательной ссылкой на источник.

Часть 1. Введение. Повторение "азов". Мутации, изменчивость (лекции 1-4)

Зачем экономистам биология?

На сайте «Совместного бакалавриата» сказано, что «Общие курсы по выбору предназначены для того, чтобы студент получил широкое образование... Такая широта необходима как для общего развития индивида, так и для его профессионального развития – современная экономическая наука и практика соприкасается практически с любой сферой деятельности»

Широкое образование и общее развитие.

Биология в последние полвека развивается быстрее всех прочих естественных наук. Новые открытия, сделанные биологами за это время, привели к довольно радикальному пересмотру картины мира. В современном мире человек, ничего не смыслящий в биологии, вряд ли может считаться образованным, грамотным и развитым. Такой человек будет дезориентирован во многих важнейших вопросах, в том числе и связанных с экономикой. Мир, в котором мы живем, глубоко биологичен. И мы сами, люди, конечно, тоже в значительной мере представляем собой биологические объекты. Причем к нашему поведению и психике это тоже относится.

Пример. "Генно-модифицированные продукты опасны, потому что в них есть гены". В чем ошибка?

Это был пример очень простой проблемы. Способность разобраться с такими проблемами входит в набор обязательных знаний, которыми должен обладать каждый человек. Я даже не говорю «каждый культурный человек», или «каждый образованный человек». Просто каждый человек.

Но есть и огромное количество более сложных проблем, которые требуют более глубокого понимания биологии и биологических аспектов человеческой природы. Например, встречается вот такая точка зрения: «Генетика поведения, нейробиология, нейропсихология – опасны для общества, потому что ставят под сомнение свободу воли и моральную ответственность. Если наши поступки определяются не свободным выбором, а генами и строением мозга, то получается, что никто ни в чем не виноват, никого нельзя наказывать и т.д.» Кто согласен с этим рассуждением? (это неверное суждение, но для того, чтобы его компетентно оспорить, нужно хорошо понимать, что же на самом деле следует из достижений генетики поведения и нейропсихологии, и в чем состоят эти достижения). Я надеюсь, что этот курс поможет вам, помимо прочего, справляться и с такими ребусами. Мы должны научиться формировать грамотные суждения по широкому кругу актуальных вопросов.

Парадокс: С одной стороны - стремительное развитие биологии, ее растущая роль в жизни общества, в том числе экономической жизни. С другой – глубокая биологическая безграмотность людей, включая и те слои населения, которые принимают активное участие в политической и экономической жизни, и даже тех, кто должен принимать разного рода стратегические решения. Эту ситуацию необходимо переломить, хотя бы из соображений заботы о будущем человечества.

Я упомянул о растущей роли биологии, биологических наук в жизни общества. Мне этот тезис представляется настолько самоочевидным, что вроде бы и не нуждается в пояснениях. Но я все таки перечислю ряд областей, в которых биология играет ключевую роль.

Это, конечно, медицина, фармакология, борьба с постоянно появляющимися новыми патогенными вирусами и бактериями. То, что происходит на этом фронте – это хорошо известный биологам процесс, который называется «эволюционная гонка вооружений». Человечество ввязалось в нескончаемую гонку вооружений со своими паразитами. Если мы остановимся, нас сожрут – снова будет средняя продолжительность жизни 30 лет и детская смертность 70%. Медицина не имеет права не развиваться, иначе паразиты победят в гонке.

Это экология, включая проблемы климатических изменений, влияние человеческой деятельности на окружающую среду, проблема сохранения биоразнообразия – мы должны понимать, а надо ли нам вообще беспокоиться о сохранении каких-то редких видов, нужны ли они нам и если да, то зачем и в каком количестве?

Это различные биотехнологии, без которых нам не удастся решить проблемы, связанные с продолжающимся ростом населения земли. Население земли, как вы знаете, растет и будет расти еще какое-то время.

Необходимо наращивать производство продуктов питания, которое как минимум не должно отставать от роста населения. Без биотехнологий, без тех же самых генетически модифицированных продуктов мы просто не сможем выколотить из этой планеты достаточное количество продовольствия. 2007 – 114,3 млн га под ГМО (9% всей с/х продукции), 2009 – 134 млн. га. (на планете всего культивируемой земли немногим более 1700 млн. га).

-----------------------------------------

Человек был, есть и останется существом в первую очередь биологическим. Даже самые высшие формы нашего мышления и поведения, включая и экономическое поведение, во многом зависят от генов, от биологически обусловленных свойств нашего мозга. Поэтому для полного и всестороннего понимания человеческого поведения, мышления, эмоций, поступков и их мотиваций необходима биологическая грамотность.

Многие из вас, по-видимому, будут слушать курс психологии. Это логично и правильно, а в рамках нашего биологического курса будет тема «происхождение и эволюция человека», где мы подойдем к тайнам человеческой психики с биологической стороны, познакомимся с такой интереснейшей наукой, как эволюционная психология.

Но, пожалуй, все-таки главная причина, по которой имеет смысл студентам экономического ВУЗа познакомиться с основами современной биологии, состоит в том, что это поможет вам приобщиться к тому стилю и способу мышления, который характерен для естественных наук. Cовременная биология – это не ворох разрозненных фактов, которые нужно просто заучивать. Фактов, конечно, очень много, но вы увидите, что в них есть своя логика, и есть хорошие работающие теории и математические модели. Мы увидим, что, как ни странно, многие биологические модели сходны с моделями, разработанными в рамках общественных наук. И знание биологических моделей и той логики, которая лежит в основе развития живой природы, как мне кажется, должно помочь вам более глубоко и объемно представить себе многие процессы, происходящие в человеческом обществе.

Знакомясь с биологическими теориями, мы будем даже пользоваться, как это делают все биологи, множеством экономических терминов, таких как конкуренция, кооперация, себестоимость, cost и benefit, цена и выгода... В экономике бывают спады, подъемы, кризисы, стагнации и т.д., в развитии биологических систем тоже все это бывает, и называется теми же словами. И эти терминологические пересечения далеко не случайны. Между экономическими законами и законами живой природы есть множество параллелей.

Не случаен, например, тот факт, что Дарвин, разрабатывая свою теорию естественного отбора, во многом опирался на идеи социологов и экономистов, таких как Томас Мальтус и Адам Смит.

Кто умеет читать по английски?

Даже такое явление как реклама тоже есть в живой природе, и очень гармонично вписывается в ее логическую структуру. Кто знает, что изображено на этом слайде?

(эти птички сооружают удивительные постройки из прутиков и веточек и украшают их разноцветными ягодами, камешками, жуками... Постройки не используются в качестве гнезд, не выполняют никаких утилитарных функций. Птицы возводят их исключительно в рекламных целях. Что они рекламируют, почему и зачем – об этом я сейчас не буду рассказывать, но в рамках курса мы с этим разберемся)

На этом позвольте закончить вступление и перейти к делу. Я не такой мастер рекламы, как эти птички, поэтому развивать дальше мысль о пользе биологической грамотности для экономистов я не буду. Программа у нас очень насыщенная, время ограничено, и я надеюсь, что все недосказанное сейчас мы постепенно поймем по мере знакомства с материалом.

Повторение «азов» из школьной программы

Нам предстоит обсудить множество интересных тем. Но сначала необходимо повторить кое-какие азы. В принципе они входят в школьную программу, но мы должны освежить их в памяти, потому что если вы не будете четко представлять себе эти основы, у нас с вами просто не будет общего языка, на котором можно разговаривать. Некий минимум фактов нужно твердо усвоить.

Если я буду подробно пересказывать все эти основы на лекциях, мы ничего не успеем. Поэтому я надеюсь, что основную часть работы по вспоминанию школьной программы вы проделаете самостоятельно. Здесь перечислены 30 базовых понятий, которые вам нужно знать по молекулярным и клеточным основам жизни. Для начала этого хватит. Список есть в интернете по указанному адресу. Я попрошу вас сделать следующее. Завести толстую тетрадь, и в ней первые 30 листочков отвести для этих 30 терминов, по листочку на каждый термин. Это будет что-то вроде вашего личного словарика или маленькой энциклопедии. И в качестве домашнего задания вы будете постепенно этот словарик заполнять. Все это есть в ваших учебниках, причем там все изложено намного более подробно, чем нам потребуется. Задание состоит в том, чтобы по каждому термину ознакомиться с имеющейся в учебниках информацией и кратко ее резюмировать в словарике. Можно пользоваться интернетом. Копипейстинг будет караться. Пишите своими словами, предварительно поняв то, что собираетесь написать. От полстранички до одного листа на термин. В какие-то моменты я буду эти словарики у вас брать на проверку.

На слайде выделены жирным шрифтом и подчеркнуты 10 терминов, которые составят ваше первое домашнее задание.

На этом слайде показан пример заполнения странички в словарике. Чтобы вы поняли, какой примерно уровень требуется. Только самые основные, общие сведения, без деталей. Это первый термин из списка – аминокислоты. Нас, конечно, интересуют в первую очередь аминокислоты, входящие в состав белков. Учить наизусть формулы всех 20 аминокислот, конечно, не надо. Но в общих чертах представлять себе, какие бывают радикалы у аминокислот – надо.

Таким образом, с домашним заданием мы разобрались.

-----------------------------------------------

На лекциях, пока мы повторяем азы, я буду в основном заниматься расставлением акцентов, то есть объяснять, что важно а что не очень, а также объяснять некоторые моменты, требующие глубокого понимания, а не просто запоминания.

Что изображено на этой фотографии?

Небольшая историческая справка. Четыре ключевых события в развитии биологии:

1859 – Теория эволюции путем естественного отбора.
1900-е – 1910-е годы – Классическая генетика, хромосомная теория наследственности.
1930-е годы – Удалось понять, как первое согласуется со вторым. Генетическая теория эволюции.
1950-е – 1960-е годы – Открытие материальной природы наследственности и изменчивости (структура ДНК, репликация, транскрипция, трансляция, генетический код, мутации).

Мы почти не будем, за редкими исключениями, касаться вопросов истории науки. Но в некоторых случаях все-таки важно представлять себе некую историческую канву.

Нас сейчас интересует четвертый этап, когда были заложены основы современной молекулярной биологии. Чтобы понять, почему такой шум был поднят вокруг открытия Уотсона и Крика, нам нужен исторический контекст. Согласно легенде, Крик на радостях сказал «Мы открыли главную тайну жизни». Что он имел в виду?

Уже была генетика. Уже было известно, что наслественная информация дискретна, что она состоит из неких дискретных единиц - «генов», которые находятся в хромосомах. В состав хромосом входят белки и ДНК. Сначала думали, что наследственная информация хранится в белках. Потому что ДНК казалась слишком «однообразной молекулой». Но потом экспериментально удалось показать, что все-таки наследственная информация хранится в ДНК. Это выяснили при помощи экспериментов с мечеными молекулами ДНК и белков.

Оставалось два величайших вопроса:

1) Каким способом, на каком «языке» записана наследственная информация в молекуле ДНК?

2) Каким образом удается клетке осуществлять копирование этой информации перед каждым делением? Здесь важно понимать, что в основе жизни может лежать далеко не всякая длинная молекула, не всякий полимер, в котором что-то закодировано. Это должна быть молекула, способная к самокопированию. Это должна быть молекула, содержащая в самой себе инструкции по созданию копий самой себя. Говоря химическим языком, это должна быть молекула, способная катализировать синтез собственных точных копий. Без этого живые существа просто не смогут размножаться. Наследственная информация должна копироваться, тиражироваться, чтобы ее можно было передавать от родителей потомкам.

Ответ на первый вопрос в общем уже напрашивался. Было известно, что ДНК – это некая длинная молекула, некий полимер, состоящий из нуклеотидов четырех типов. Их, как вы, наверное, знаете, обозначают буквами А, Г, Т, Ц. Каким-то образом наследственная информация закодирована в последовательности нуклеотидов, записана этим четырехбуквенным алфавитом.

Самым загадочным представлялся второй вопрос, вопрос о том, каким образом эта наследственная информация ухитряется удвоиться перед каждым клеточным делением, каким образом копируется этот текст, написанный четырехбуквенным алфавитом?

Принципиальный момент здесь в том, что, как уже было известно в то время генетикам, мутации (случайно возникающие изменения в наследственной информации) тоже копируются и наследуются. Это значит, что система копирования ДНК не зависит от того, какая именно наследственная информация в ней записана. Это универсальная система копирования. Это не некий штамп, который штампует одинаковые тексты. Скорее это нечто вроде ксерокса, который размножает любой текст независимо от его содержания. Если в тексте случайно возникнет изменение, то копии, снимаемые с этого измененного текста, тоже будут содержать в себе это изменение.

Именно это свойство живого и называется «наследственностью». Наследственность – это не синоним размножения. Может быть размножение и без наследственности. (пример с огнем). Важнейшее свойство жизни, называемое наследственностью, состоит в том, что при размножении потомству передаются индивидуальные особенности родителей, а не только их «общая идея» или «общевидовые характеристики».

Очевидно, молекула ДНК должна обладать совершенно удивительным, необычным свойством – она должна быть способна к размножению, к самокопированию, к производству точных копий самой себя, причем нужно, чтобы все нуклеотиды у копии стояли в такой же последовательности, как и в оригинале. Если возникает мутация, то копии с мутантной молекулы ДНК должны тоже содержать эту мутацию. Только молекула, обладающая такой способностью, способностью к самокопированию, к репликации, может лежать в основе жизни. Белки таким свойством не обладают.

Посмотрим, что же установили Уотсон и Крик. (рассказать по слайду – фосфатно-рибозный «скелет», азотистые основания. Вопрос к залу: кто-нибудь может опознать нуклеотиды?). Самое главное, что открыли Уотсон и Крик – это принцип специфического спаривания нуклеотидов, или принцип комплементарности. А всегда соединяется с Т, Г всегда соединяется с Ц.

Одно из двух самых скромных высказываний в истории биологии.

Кто догадался, как заканчивалась эта фраза? (ответ: "a possible copying mechanism for the genetic material")

Таким образом, главное открытие состояло в том, что молекула ДНК оказалась устроена таким образом, что ее очень легко скопировать. Для этого достаточно расплести двойную спираль на две нити и к каждой из нитей достроить вторую нить в соответствии с принципом комплементарности (специфического спаривания). Фактически это означает, что молекула ДНК кодирует сама себя. Точнее, каждая из нитей двойной спирали кодирует вторую нить, определяет ее строение. ДНК кодирует также и многое другое – все строение организма в конечном счете, но в первую очередь она кодирует сама себя. Она способна сама контролировать производство собственных копий. Механизм копирования – репликации – ДНК заложен непосредственно в ее стуктуру.

-----------------------------------------

Рибонуклеотиды. Отличие ДНК от РНК. РНК отличается только присутствием ОН-группы у 2-го углеродного атома рибозы (ну и еще урацил вместо тимина). За счет этого вроде бы небольшого различия РНК обладает большей гибкостью, способностью сворачиваться в сложные трехмерные структуры и, как следствие, выполнять активную работу, подобно белкам. Зато и устойчивость у нее ниже. ДНК, напротив, молекула пассивная, инертная и устойчивая. Она идеально подходит для длительного хранения наследственной информации. РНК годится для кратковременного хранения и для выполнения активных действий, связанных с обработкой этой информации.

АТФ – энергетическая «разменная монета». Рассказать, как присоединяются (фосфатами активированного нуклеотида к 3’ присоединенного ранее)

----------------------------------------

Ведущая нить и запаздывающая нить. Праймаза синтезирует РНК-праймеры.

Мутации и отбор

Мутации – ошибки репликации. Неизбежность мутаций. Одна из причин, по которой невозможно полностью избавиться от мутаций – "экономическая" (повышать до бесконечности уровень точности репликации - слишком "дорого"). К этому нужно добавить, что, скорее всего, полная остановка мутагенеза и не была бы поддержана отбором, даже если в результате мутации вдруг возникла бы абсолютно безошибочная и при этом "дешевая" система репликации и репарации (репарация – исправление ошибок в ДНК).

Для подтверждения этого тезиса рассмотрим один весьма поучительный пример – исследование, проведенное итальянскими и американскими биологами в 2006 году. Исследование проводилось на вирусах полиомелита. Большинство вирусов, вызывающих болезни человека, — РНК-содержащие. Их наследственный материал хранится в форме РНК (а не ДНК, как у всех высших форм жизни). Среди немногочисленных белков, закодированных в геноме таких вирусов, присутствует фермент РНК-полимераза, синтезирующий новые копии вирусной РНК.

Популяции РНК-содержащих вирусов неоднородны: они состоят из целого набора генетически различающихся линий. Процесс удвоения (репликации) вирусной РНК происходит с большим числом ошибок (мутаций), благодаря чему могут быстро возникать новые варианты вируса. У полиовируса на каждый акт репликации приходится в среднем 1,9 мутаций. При этом, конечно, появляется много нежизнеспособных вариантов, однако эти потери оправданы, поскольку высокая скорость мутирования помогает вирусам приспосабливаться к меняющимся условиям, в том числе к деятельности иммунной системы хозяина, новым лекарствам, переходам от одного хозяина к другому и из ткани в ткань.

Авторы обсуждаемой работы предположили, что дело здесь не ограничивается поиском оптимального для данной ситуации варианта генома. Возможно, возникающие вариации вирусов могут помогать друг другу за счет разделения функций. Например, в одной линии может возникнуть мутация, повышающая скорость репликации вирусной РНК, в другой линии — другая мутация, повышающая, например, эффективность самосборки белковых молекул в вирусную оболочку — капсид. Поскольку обе линии живут и размножаются в одной и той же хозяйской клетке, они могут пользоваться «достижениями» друг друга: эффективная РНК-полимераза первой линии будет размножать и геномы второй, а более эффективные капсидные белки второй линии будут «упаковывать» и РНК первой. Не исключено, кстати, что совместить обе эти мутации в одном и том же геноме просто невозможно. Вирусный геном очень мал, и у него не так уж много степеней свободы (вариантов мутаций, совместимых с жизнью).

Возможность экспериментальной проверки гипотезы о взаимопомощи среди вирусов появилась благодаря тому, что удалось обнаружить и выделить мутантную форму полиовируса со «сверхточной» РНК-полимеразой, совершающей очень мало ошибок при копировании РНК. Эта мутация (состоящая в замене глицина серином в 64-ой позиции РНК-полимеразы) возникла и закрепилась в ходе адаптации вируса к препарату рибавирину, резко повышающему (за пределы допустимого) скорость мутирования вирусов. В отсутствии рибавирина такие вирусы мутируют с аномально низкой частотой (0,3 мутации на геном вместо положенных 1,9).

Первым делом ученые проверили, действительно ли скорость мутирования важна для приспособляемости вирусов. Это подтвердилось: вирусы-мутанты с замедленным мутагенезом приспосабливались к неблагоприятным условиям (лекарствам) гораздо медленнее своих «диких» собратьев. Кроме того, эти мутанты оказались неспособны проникать в спинной и головной мозг зараженных мышей, как это делают нормальные полиовирусы. Однако искусственное увеличение темпа мутагенеза (при помощи вышеупомянутого рибавирина) привело к тому, что жизнеспособность вирусов полностью восстановилась.

Более того, удалось показать, что общая «эффективность» популяции вирусов зависит не от наличия в ней какой-то одной особо удачной линии, а от кооперативного взаимодействия нескольких разных линий, обладателей разных мутаций, которые помогают друг другу. Например, оказалось, что вирусы, сами по себе не способные проникать в мозг, успешно проникают туда в компании с некоторыми другими вирусами, носителями других мутаций. Следовательно, одни линии вирусов помогают другим преодолеть гематоэнцефалический барьер.

Этот эксперименты подтвердил гипотезу о взаимовыгодной кооперации между разнообразными мутантами, составляющими вирусную популяцию.

Поучительность этого исследования для нас состоит в том, что оно позволяет обосновать следующие два положения:

1) Некоторые организмы потенциально вполне способны в ходе эволюции выработать более точную систему репликации и уменьшить темп мутагенеза,

2) Однако они этого не делают (отбор не поддерживает такие изменения), потому что низкий темп мутагенеза снижает жизнеспособность всего сообщества организмов, находящихся в кооперативных отношениях друг с другом.

----------------------------------------------------

Так или иначе, мутагенез с той или иной скоростью идет постоянно, при каждой репликации и между актами репликации тоже. Это то, с чем всем живым существам приходится считаться. Это одно из обстоятельств, к которым они обязаны приспосабливаться. Для любой популяции живых организмов всегда существует риск погибнуть под грузом вредных мутаций (потому что вредные мутации возникают намного чаще, чем полезные). Кто не может защититься от этой опасности, тот погибает.

Главная защита, впрочем, дана всем живым существам изначально и присутствует «по умолчанию». Эта защита – естественный отбор. Те организмы, у которых в ДНК много вредных мутаций, погибают первыми и не передают свои гены потомству. Такой отбор называют «очищающим» или «негативным». Он отбраковывает носителей вредных мутаций и тем самым очищает генофонд. А еще бывает «позитивный» отбор, он поддерживает полезные мутации.

В тезисной форме:

Мутации неизбежны.
Вредные мутации, как правило, возникают намного чаще, чем полезные.
Поэтому любая популяция находится под угрозой генетического вырождения.
Главная защита от этой угрозы – естественный отбор.
Отбор, отбраковывающий вредные мутации, называется очищающим или отрицательным (негативным).
Отбор, поддерживающий полезные мутации, называется положительным (позитивным).

Судьба популяции во многом зависит от того, насколько часто возникают мутации, то есть от скорости мутагенеза, и от того, насколько быстро очищающий отбор отбраковывает вредные мутации. Если вредные мутации возникают быстрее, чем очищающий отбор успевает их отбраковывать, происходит вырождение, и в конце концов популяция погибает. Если популяция все же существует и не вымирает, то это значит, что эффективность отбора, действующего на эту популяцию, достаточно высока, чтобы компенсировать мутагенез.

Мы обязательно вернемся к этой теме; пока же достаточно этих общих очевидных положений.

-----------------------------------------

Белки

Белки (протеи́ны, полипепти́ды) — высокомолекулярные органические вещества, состоящие из соединённых в цепочку аминокислот. Белки – главные «рабочие лошадки». ДНК хранит и передает из поколения в поколение наследственную информацию, а белки выполняют почти всю «работу», необходимую для выживания, роста и размножения организма.

Функции белков. Обратите внимание на разнообразие этих функций. Белки могут все.

1) Каталитическая (ферменты) – пожалуй, главная. Эффективный катализ чуть ли не любых реакций. Если мы научимся...

2) Структурная (цитоскелет, коллаген, кератин…)

4) Рецепторная. Одно из потрясающих свойств белков – способность распознавать практически любые вещества и избирательно связываться с ними. Отчасти этим свойством обладают и молекулы РНК.

3) Защитная (антитела…). Тесно связана с рецепторной.

4) Регуляторная. а) протеинкиназы: взаимная активация. б) регуляторы транскрипции (транскрипционные факторы). Эта функция основана на способности белков распознавать участки молекул ДНК или РНК с определенной последовательностью нуклеотидов. Молекулы РНК справляются с этим еще лучше (на основе принципа комплементарности), поэтому часто белки-регуляторы образуют комплексы с маленькими молекулами РНК (рибонуклеопротеины).

5) Сигнальная (белковые гормоны, белки- регуляторы развития…). Для каждого сигнального вещества есть свой рецептор – тоже белок.

6) Транспортная (трансмембранные каналы, переносчики, гемоглобин…)

7) Моторная (двигательная)

Остальные базовые сведения о белках, надеюсь, вы получили в процессе работы над домашним заданием. Первичная структура – последовательность аминокислот.

«Белковая вселенная»

Количество возможных белков – невообразимо велико. Пептидов длиной в 20 аминокислот существует 20²⁰≈10²⁶. Нормальный белок состоит из нескольких сотен аминокислот. 200 аминокислот – это считается небольшой белок. Таких белков существует примерно 10²⁶⁰. По сравнению с этим числом число элементарных частиц во вселенной – неизмеримо ничтожно. Громадная «белковая вселенная», многомерное пространство всех возможных аминокислотных последовательностей.

Это значит, что «найти» в этом пространстве какую-то одну конкретную аминокислотную последовательность методом случайного поиска – абсолютно нереально. Это неизмеримо труднее, чем найти во вселенной, двигаясь наугад, какой-то один конкретный электрон.

Данное обстоятельство иногда используется креационистами – людьми, которые отрицают эволюцию – в качестве аргумента против естественного происхождения всего живого. Они утверждают, что, поскольку вероятность случайно наткнуться на нужный белок методом слепого поиска неизмеримо мала, следовательно, жизнь была преднамеренно сотворена Богом.

В этом рассуждении 2 ошибки.

Первая ошибка: Не нужно искать конкретную последовательность, потому что одну и ту же функцию может успешно выполнять огромное множество разных белковых молекул.
Вторая ошибка: Эволюция - не случайный поиск. Случайны только мутации, однако отбор – направленный процесс, представляющий собой прямую противоположность слепому случаю.

Мы должны оба этих положения разобрать в деталях и очень хорошо понять.

На этом слайде – изображение нашей физической вселенной, но давайте представим, что эта белковая вселенная, пространство всех возможных белков.

Можно представить себе области белковой вселенной, где находятся полезные функциональные белки, в виде светящихся точек, островков, или облаков.

ДЕМОНСТРАЦИЯ ПРОГРАММЫ Positive_selection.mdb «Отбор может найти любую точку в белковой вселенной». Показать:

1) что существует оптимальная скорость мутирования, при которой отбор создает «идеальную» последовательность быстрее всего.

2) Если она выше оптимума, отбор не может добраться до «идеальной» последовательности. Результат: хаотические блуждания на некотором удалении от «идеала» (нет неуклонного удаления, но нет и приближения). Если она ниже оптимума, достижение «идеала» занимает больше времени.

Уроки модели:

В отличие от алгоритма случайных блужданий, алгоритм «мутации + отбор» (или «избирательное размножение удачных вариаций») позволяет найти любую точку в «белковой вселенной»
Необходимое условие: поиск должен начинаться из такой области «вселенной», в которой уже чувствуется «притяжение» данного оптимума приспособленности (т.е. функция, для выполнения которой лучше всего подходит данная «идеальная» последовательность, должна хоть чуть-чуть выполняться всеми белками, находящимися в этой области). В пределах этой области приближение к «идеалу» поддерживается отбором, удаление – карается.
Существует оптимальная скорость мутирования.
Если скорость мутирования выше оптимума, эволюционирующая последовательность будет блуждать на некотором (примерно постоянном) расстоянии от «идеала». Расстояние зависит от баланса (соотношения) темпов мутирования и эффективности отбора.
Если скорость мутирования ниже оптимума, эволюционирующая последовательность достигнет «идеала», но ей потребуется на это больше времени.

Итак, мы поняли, что алгоритм «мутации + отбор» - очень мощный. Осталось выяснить, выполняется ли условие, отмеченное на слайде.

Белковая Вселенная. Напомню: мы представляем себе функциональные белки в виде светлых точек, бессмысленные, нефункциональные последовательности – в виде черных. Насколько точно нужно подобрать аминокислотную последовательность белка, чтобы белок пусть плохо, но все-таки справился с той или иной полезной функцией? Иначе говоря, насколько часто в гигантском пространстве белковой вселенной встречаются белки, способные выполнять какие-то полезные (для живых организмов) функции, и насколько велики облака света, соответствующие разным функциям?

Если бы «островки функциональности» встречались очень редко и были бы очень маленькими и изолированными, если бы они были отделены друг от друга бескрайними темными пространствами, то жизнь на белковой основе, скорее всего, оказалась бы невозможной.

Однако реальная белковая вселенная не такова.

Есть два серьезных аргумента в пользу того, что в «белковой вселенной» очень много света и светлые отровки велики и не изолированны друг от друга.

1) Аргумент первый: синтез случайных коротких пептидов (по неск. дестяков аминокислот) – практически все основные функциональные группы, соответствующие так называемым «надсемействам» белков. В том числе - все базовые типы каталитической активности. Эффективность этих «микроферментов» мала, но это уже не важно: механизм естественного отбора прекрасно умеет постепенно доводить до совершенства любую существующую функцию.

2) Аргумент второй: практически все известные функциональные белки допускают оргомную вариабельность своей аминокислотной последовательности. Иными словами, чтобы хорошо выполнять какую-то функцию, белку не нужно иметь какую-то строго определенную последовательность аминокислот. Мы можем в этом убедиться, сравнив белки с одинаковой функцией, взятые у разных организмов.

Рассказать про ГЕНБАНК и БЛАСТ. Цитохром С. Человек и бык, человек и растение, человек и бактерия

Вывод: чтобы быть функциональным, рабочим цитохромом С, белку вовсе не обязательно иметь какую-то строго определенную аминокислотную последовательность. Достаточно иметь некий небольшой и довольно расплывчатый аминокислотный «мотив», определяющий структуру активного центра. В пределах сверхгромадной белковой вселенной существует меньшая, но все равно громадная область, соответствующая функциональным цитохромам С.

Пересадки: Может быть, эти разные цитохромы С приспособлены к своим организмам, к своему молекулярному окружению? Отчасти – да, но многочисленные опыты по пересадкам показывают, что этим можно объяснить лишь небольшую часть вариабельности. Как правило, пересаженные белки нормально работают в других организмах.

Пример 1: PAX6 (мышиный ген пересадили в мушиный эмбрион, и он сработал: вызвал развитие глаза).

Пример 2: Антифризы пересадили из рыб в помидоры.

Таким образом, аминокислотную последовательность белка можно менять в очень широких пределах, не нарушая его функции. Это означает, что белки толерантны к мутациям. Многие мутации, меняющие белок, не вредят его функциональности (или вредят лишь слабо).

В этом проявляется одно из важнейших свойств биологических систем: помехоустойчивость, способность противостоять всевозможным помехам.

Существует два главных типа помех, с которыми живым существам приходится сталкиваться постоянно. Это, во-первых, помехи внутренние – мутации, во-вторых, помехи внешние – изменения среды. Ни того, ни другого невозможно избежать.

Неустойчивые системы обязательно будут отсеиваться отбором. Рост помехоустойчивости живых систем – одно из абсолютно неизбежных следствий естественного отбора.

Важно, что, повысив устойчивость к какому-то одному типу помех, мы, как правило, автоматически повышаем устойчивость и к другим видам помех. Простейший пример: плотные кожные покровы защищают от высыхания, делая организм устойчивым к перепадам влажности. Но они одновременно защищают и от паразитов и патогенных микробов, проникающих через покровы, и от физических повреждений. Что касается белков, то про них, например, известно что устойчивость к мутациям тесно связана с устойчивостью к перепадам температур. Для белка «устойчивость» - это прежде всего устойчивость его пространственной конфигурации (того, как цепочка аминокислот сворачивается в рабочую трехмерную структуру). Если эта структура устойчива к мутациям, то она, скорее всего, будет устойчива и к перепадам температуры, и наоборот. Таким образом. вырабатывая частное приспособление для защиты от каких-то одних помех, живая система, как правило, автоматически приобретает более универсальную защиту от более широкого круга помех.

------------------------------------------------

Изменчивость

В связи с помехоустойчивостью уместно обсудить еще одно важнейшее свойство живых систем – изменчивость. Очень важная логическая связка: от помехоустойчивости к изменчивости, от изменчивости – к эволюционной пластичности, к способности организмов приспосабливаться к новым условиям.

Изменчивость - основополагающее свойство живых систем. За редкими исключениями, все живые организмы – разные, в том числе генетически, по своим наследственным свойствам (об этом важно помнить, потому что без этого не понять, как все устроено в жизни. Этого обычно не понимают по психологическим причинам).
Основной источник изменчивости – мутации, не отсеиваемые немедленно отбором, то есть нейтральные или слабовредные (слабополезные встречаются намного реже).
Изменчивость логически тесно связана с помехоустойчивостью. Благодаря помехоустойчивости многие мутации не приносят большого вреда, то есть являются нейтральными. Отбор их не отсеивает, и они могут накапливаться. Помехоустойчивость способствует накоплению нейтральной изменчивости, в том числе так называемой «скрытой» изменчивости. То есть изменчивости, которая в данных условиях не влияет на приспособленность, но если условия изменятся, эта изменчивость может оказаться важной для выживания и размножения.
Выход из строя специальных механизмов поддержания помехоустойчивости может привести к взрывообразному росту видимой изменчивости.
Накопленная изменчивость делает организмы «эволюционно пластичными», то есть способными быстро приспосабливаться к новым условиям.

Нужно пояснить пункт о «механизмах» поддержания устойчивости.

Под действием отбора развиваются специальные адаптации (приспособления) для повышения помехоустойчивости. Мы рассмотрим два примера таких адаптаций – регуляторные контуры с отрицательной обратной связью и белки-шапероны.

Это пример регуляторного контура с отрицательной обратной связью.

ШАПЕРОНЫ. У всех живых организмов есть особые белки – шапероны, функция которых состоит в том, что они помогают другим белковым молекулам принять «правильную» трехмерную конфигурацию. Трехмерная структура белков может быть нарушена из-за мутаций в генах, кодирующих эти белки, или, например, из-за перегрева (теплового шока). Шапероны одинаково эффективно справляются с обоими видами помех: и с мутационными, и с температурными. Ведь результат у них один и тот же: неправильная трехмерная конфигурация белковых молекул.

Как шапероны опознают не свернутые или неправильно свернутые белковые молекулы? Они опознают их, в частности, по торчащим наружу гидрофобным участкам. У большинства правильно «упакованных» белков гидрофобные участки находятся внутри глобулы. Это основной принцип их сворачивания. Но если из-за мутации или перегрева белок не смог сам свернуться в правильную глобулу, шапероны узнают их по торчащим гидрофобным участкам. Шаперон присоединяется к таким белковым молекулам и сжимает их, как тисками, используя для этого энергию АТФ. Во многих случаях это приводит к тому, что даже мутантный белок, не способный самостоятельно принять нужную конфигурацию, в итоге оказывается свернутым правильно и может выполнять свою функцию. Таким образом, нормально работающие шапероны не дают проявиться многим потенциально вредным (а иногда и потенциально полезным) мутациям других белков.

Существование шаперонов не дает многим мутациям проявится, и такие мутации накапливаются, формируя запас «скрытой изменчивости».

У животных и растений один из главных шаперонов называется Hsp-90 (от heat shock protein). Установлено, что мутации, нарушающие работу Hsp90, приводят к дестабилизации развития у животных и растений, что проявляется в многочисленных аномалиях и уродствах. В основном эти аномалии представляют собой проявления «скрытой изменчивости», то есть мутаций, которые уже существовали в данной популяции, но не проявлялись, пока Hsp90 работал нормально. Благодаря нормальной работе Hsp90 эти мутации не подпадали под действие отбора и могли спокойно накапливаться.

---------------------------------------------------

Еще один пример исследования, в котором было продемонстрировано дейстиве механизмов устойчивости к мутациям. Шведские генетики в 2005 году создали генно-модифицированных бактерий – сальмонелл, у которых скорость мутагенеза можно было искусственно увеличить, просто добавляя в среду совершенно безвредное вещество – сахар арабинозу.

Кстати, как это можно сделать? – вставить в геном бактерии ген склонной к ошибкам ДНК-полимеразы и присоединить к нему энхансер, регуляторную последовательность, чувствительную к какому-то веществу, например, арабинозе.

После этого следили за накоплением мутаций в геномах этих бактерий и за тем, как эти мутации сказываются на приспособленности. Приспособленность у бактерий обычно определяют просто по скорости размножения. Вредных мутаций всегда возникает больше, чем полезных, поэтому бесконтрольное накопление мутаций у бактерий с повышенной скоростью мутагенеза должно вести к снижению приспособленности. Поначалу так оно и было: первые несколько десятков мутаций вели к быстрому снижению приспособленности. Но потом произошла удивительная вещь: мутации продолжали накапливаться, а вот снижение приспособленности очень резко замедлилось. Как будто вновь возникающие мутации вдруг перестали быть вредными. В чем дело? Оказалось, что бактерия, отягощенная большим количеством вредных мутаций, в какой-то момент начинает производить в большом количестве... ВОПРОС К ЗАЛУ: догадайтесь, что начинает бактерия производить в больших количествах, когда груз вредных мутаций становится значительным?

- белки-шапероны. Шапероны помогают мутантным белкам правильно свернуться и тем самым компенсируют, сглаживают вредный эффект многих мутаций. Бактерии начинают вырабатывать много шаперонов, и дальнейшее накопление потенциально вредных мутаций перестает приводить к такому быстрому снижению приспособленности, как вначале. Это пример экспериментальной демонстрации роли шаперонов в повышении устойчивости организма к мутациям.

-------------------------------------------------

Повторение тезисов по помехоустойчивости и изменчивости

Живые существа в целом и отдельные их блоки (подсистемы), как правило, обладают высокой «помехоустойчивостью». Это значит, что многие случайные «помехи» (внутренние — мутации, или внешние — колебания условий среды) тем или иным способом компенсируются и не приводят к снижению приспособленности, то есть не вредят организму. Естественный отбор поддерживает развитие адаптаций (приспособлений), повышающих устойчивость организма к «помехам», в частности, к потенциально вредным мутациям.

Помехоустойчивость ведет к тому, что в популяции свободно накапливаются мутации, которые до поры до времени не оказывают заметного влияния на приспособленность (остаются «нейтральными») или даже вовсе не проявляются в фенотипе, то есть в строении организма. Но если какой-то из механизмов, обеспечивающих помехоустойчивость, выйдет из строя, вся эта накопленная скрытая изменчивость может внезапно «выйти наружу», и тогда в популяции произойдет всплеск видимой (явной) изменчивости.

Скрытая изменчивость может играть важную роль в эволюции, помогая популяциям приспосабливаться к новым условиям. Некоторые мутации, бывшие нейтральными в прежних условиях, могут оказаться полезными при изменении среды. Чем больше таких мутаций накопилось в генофонде популяции, тем больше шансов, что хоть какие-то из них «пригодятся» в новых условиях.

Таким образом, отбор, «пытаясь» сделать организмы устойчивыми, делает их пластичными.

------------------------------------------------

Домашнее задание: Доделать словарь из 30 слов; сегодня мы разберем вкратце те термины, которые еще не разбирали на лекциях. Глава 7 «Управляемые мутации» из кн. «Рождение сложности».

Эксперимент, подтверждающий положительное влияние скрытой изменчивости на скорость приспособления к новым условиям.

Работа проведена швейцарскими биохимиками в 2011 году. Они выбрали в качестве подопытного объекта не настоящие живые организмы, а квазиживую систему — популяцию размножающихся рибозимов (молекул РНК с каталитическими свойствами).

Авторы использовали хорошо изученный рибозим Azo, который есть у одной бактерии. Этот рибозим умеет разрезать в определенном месте «субстрат» — короткую молекулу РНК с определенной последовательностью нуклеотидов, причем «обрезки» остаются прикрепленными к рибозиму. По этим прикрепленным обрезкам можно отличить рибозим, успешно выполнивший свою функцию, от рибозима-неудачника. Это позволяет осуществлять искусственный отбор рибозимов, благополучно разрезавших молекулу субстрата.

Авторы размножили исходный рибозим и создали две подопытные популяции (A и B). Эти популяции «жили» и размножались в течение 10 поколений. В каждом поколении проводился отбор на способность разрезать субстрат (короткую молекулу РНК). Те рибозимы, которым это удалось, отбирались и размножались при помощи особой технологии, которая называется полимеразная цепная реакция. Рибозимы при этом мутировали, точность размножения была нарочна сделана не очень высокой. Скорость мутирования составляла в среднем одну мутацию на «особь» на поколение.

Исследователи ожидали, что за 10 поколений такой жизни популяции приобретут значительный запас скрытой изменчивости. Рибозимы будут мутировать, вредные мутации отсеются отбором, а нейтральные накопятся. Известно, что исходный рибозим Azo справляется со своей функцией в очень широком спектре условий (например, он выдерживает нагревание до 80°C). Это говорит о высокой «помехоустойчивости» рибозима и позволяет надеяться, что к мутациям он окажется так же толерантен, как и к скачкам температуры.

Надежды оправдались: обе популяции за 10 поколений накопили изрядное количество мутаций. Исходных, немутантных, молекул «дикого типа» почти не осталось. Большинство особей отличались от исходного рибозима тремя-шестью мутациями.

Приспособленность популяций A и B (то есть их усредненная каталитическая активность) за 10 поколений практически не изменилась. Они не стали справляться со своей функцией лучше, чем исходный рибозим Azo. По-видимому, Azo уже был максимально оптимизирован для выполнения этой функции, и поэтому за 10 поколений эволюционирующим популяциям так и не удалось «найти» такую мутацию, которая бы сделала разрезание субстрата еще более эффективным. Ни одна из возникших мутаций не оказалась полезной и не была поддержана движущим отбором. Таким образом, в течение 10 поколений действовал только очищающий отбор, который отбраковывал «вредные» мутации, а нейтральные игнорировал, пассивно позволяя им накапливаться.

Теперь можно было проверить самое главное: поможет ли накопленная скрытая изменчивость приспособиться к новым условиям. «Новые условия» состояли в том, что исследователи заменили субстрат. Вместо стандартного олигонуклеотида (маленькой молекулы РНК) они предложили рибозимам его производное, в котором один из остатков фосфорной кислоты (расположенный как раз в том месте, где рибозим должен разрезать цепочку РНК) был заменен на фосфоротиоат. «Дикий» рибозим Azo справляется с таким субстратом, но с очень большим трудом (с низкой эффективностью).

После смены субстрата эволюционный эксперимент продолжался еще 8 поколений, но теперь в нём участвовали уже не две, а три популяции. К прошедшим 10 поколений искусственной эволюции линиям A и B добавилась третья, контрольная линия, состоящая из рибозимов «дикого типа» (WT) и не имеющая запаса скрытой изменчивости.

Все три популяции за 8 поколений в той или иной степени «приспособились» к новому субстрату, то есть стали разрезать его эффективнее, чем вначале. Однако популяции A и B приспосабливались быстрее и достигли в итоге большей эффективности, чем линия WT (см. рисунок).

Далее, авторы обнаружили, что в популяции A наибольшей численности достиг рибозим-мутант с семью точечными мутациями. В популяции B победителем эволюционного соревнования оказался другой мутант, у которого обнаружились четыре точечные мутации. Все мутации у двух «чемпионов» оказались разными.

Один из двух удачных мутантов действительно разрезает новый субстрат с очень высокой эффективностью. Что же касается второго удачного мутанта, то в чистом виде он, к удивлению ученых, вообще не смог справиться с новым субстратом. Оказалось, что это своеобразный рибозим-«прихлебатель»: он прекрасно режет новый субстрат только в присутствии других рибозимов (например, исходного). Это значит, что другие рибозимы каким-то образом помогают ему свернуться в правильную трехмерную конфигурацию. Подобные ситуации ранее уже были зарегистрированы в экспериментах с рибозимами. Заметьте, здесь мы столкнулись с интересными взаимоотношениями, в которые вступают друг с другом эволюционирующие живые системы. Это происходит само собой, и из этого потом рождаются сложнейшие системы отношений – от паразитизма до взаимовыгодного сотрудничества, общественного образа жизни и так далее.

Что касается линии WT, то в ней за 8 поколений так и не появились высокоэффективные мутанты, сравнимые с теми, которые появились в линиях А и B.

Авторы также выяснили, каким образом накопленная скрытая изменчивость помогла популяции B произвести удачливого мутанта (с четырьмя точечными мутациями). Оказалось, что после 10 поколений очищающего отбора в популяции B уже были рибозимы с одной, двумя и даже тремя мутациями из четырех, составляющих новый удачный генотип. Эти мутации по отдельности не дают никакого преимущества ни в старых, ни в новых условиях. Для эффективного разрезания нового субстрата нужны все четыре мутации вместе. Понятно, что наличие у некоторых рибозимов в популяции B отдельных мутаций из этого комплекса резко повысило вероятность возникновения удачного генотипа.

Исследование наглядно продемонстрировало потенциальную полезность скрытой изменчивости для быстрой адаптации к новым условиям. Чтобы скрытая изменчивость могла накопиться, эволюционирующие организмы должны быть помехоустойчивыми. Если бы исходный рибозим не обладал этим свойством, подавляющее большинство мутаций были бы для него в нормальных условиях вредными. Очищающий отбор безжалостно бы их отсеивал, и при смене условий в популяции не оказалось бы особей, «преадаптированных» к новому субстрату.

----------------------------------------------------

Помехоустойчивость на уровне генома: зачем нужны «ненужные гены»?

Рассмотрим это на примере избыточности генома. На удивление часто обнаруживается, что тот или иной ген как будто ни для чего и не нужен: его удаление не приводит ни к каким видимым последствиям и нисколько не снижает жизнеспособность организма. Почему так?

Вероятно, эти гены зачем-то всё же нужны, но не в тепличных условиях научной лаборатории, а в природе, где живым организмам приходится иметь дело с бесконечно разнообразными, переменчивыми и малопредсказуемыми факторами среды. Чем постояннее и предсказуемее условия обитания, тем сильнее может упроститься генетическая «программа» поведения клетки (или многоклеточного организма). Именно этим объясняют, например, радикальное сокращение геномов у внутриклеточных симбиотических бактерий. Условия, в которых живут лабораторные организмы, обычно предельно стандартизированы (стандартные среды, корма, клетки, освещенность и т. д.), что делает их существование — с эволюционной точки зрения — мало отличающимся от жизни внутриклеточных паразитов.

Рассмотрим исследование, в котором эти соображения получили прямое подтверждение. Исследование проведено генетиками из США и Канады в 2008 году. Авторы изучали «ненужные гены» классического лабораторного объекта — гриба Saccharomyces cerevisiae (это всем известные дрожжи). У дрожжей 6000 генов, но жизненно необходимыми являются только 1000. Примерно 4000 генов можно удалить или отключить без всякого снижения жизнеспособности. Еще около 1000 генов можно удалить со снижением жизнеспособности, но не смертельным. Остальные 4000 генов вообще непонятно, зачем нужны.

Но нужно подчеркнуть: речь идет о жизнеспособности в стандартных лабораторных средах, насыщенных всеми необходимыми веществами.

Авторы использовали коллекции дрожжей-мутантов, где каждый штамм содержит одну делецию (один удаленный ген).

Каждый из подопытных штаммов тестировался в разнообразных нестандартных условиях. В среду добавляли всевозможные химические вещества, в том числе лекарства, подавляющие рост микроорганизмов, или удаляли из среды какие-нибудь важные компоненты (например, аминокислоты или витамины).

Ученые проделали поистине титаническую работу: общее количество выполненных тестов превысило 6 миллионов! В каждом из тестов рост дрожжей в нестандартной среде сравнивался с ростом того же штамма в «обычных» лабораторных условиях.

Оказалось, что подавляющее большинство «ненужных» генов оказываются полезными (то есть повышают жизнеспособность дрожжей) хотя бы в одной из протестированных сред. Только 205 генов (3% от общего числа) так и не раскрыли своего секрета: среди испробованных вариантов условий не нашлось такого, в котором наличие этих генов оказалось бы полезным. Значительная часть генов, как выяснилось, повышает устойчивость дрожжей к воздействию различных ядов, в том числе всевозможных лекарств, применяемых для борьбы с патогенными микроорганизмами.

Любопытная ситуация сложилась с транскрипционными факторами (ТФ) — белками, регулирующими активность генов в зависимости от тех или иных внешних факторов или сигналов. В геноме дрожжей имеется около 160 генов ТФ, однако лишь 5 из них являются жизненно необходимыми при росте в стандартных «идеальных» условиях. Практически все ТФ оказались полезными в тех или иных нестандартных условиях, а 16 из них вошли в число многофункциональных «защитников», повышающих устойчивость дрожжей сразу ко многим отравляющим веществам. Транкрипционные факторы составляют основу системы реагирования клетки на внешние стимулы — вместе с другими сигнальными и регуляторными белками их можно уподобить органам чувств и нервной системе многоклеточных животных. Чем меньше транскрипционных факторов, тем «глупее» клетка. Вполне естественно, что в идеальных тепличных условиях сложные системы реагирования становятся ненужными — на этом принципе основана и быстрая редукция генов ТФ у внутриклеточных симбиотических бактерий, и закономерное уменьшение размеров мозга и снижение умственных способностей у домашних животных по сравнению с их дикими предками.

Исследование, таким образом, полностью подтвердило теоретические ожидания, основанные на принципе: «если ген существует, значит он зачем-то нужен». Число якобы «ненужных» генов в геноме дрожжей теперь сократилось с 66% до 3%, да и эти оставшиеся гены с неизвестной функцией, скорее всего, тоже для чего-нибудь нужны дрожжам в естественных условиях. Те же из них, которые действительно стали ненужными, могут находиться в той или иной стадии деградации. Авторы отмечают, что более трети из этих 205 генов, по-видимому, уже не функционируют, то есть не экспрессируются.

-----------------------------------------

Завершение повторения азов

Генетический код.

Аминокислотные последовательности белков записаны в ДНК при помощи генетического кода. Генетическим кодом называют только это и больше ничего! Генетический код – это именно код, при помощи которого в последовательности нуклеотидов кодируются аминокислоты. Не надо называть «генетическим кодом» все остальное, как это часто делают люди, не знающие биологии.

Код: 1) явно неслучаен, 2) почти максимально помехоустойчив! (устойчив к мутациям). Возможно, это результат отбора на устойчивость (из многих альтернативных вариантов «победил» самый устойчивый).

Старт-кодон – 1) метионин 2) не путать с промотором.

Гликолиз.

один из самых широко распространенных метаболических путей, при помощи которого клетки получают энергию (=синтезируют АТФ). Ферментативное расщепление глюкозы без использования кислорода или других окислителей. Суть процесса: множество ферментов долго «мучают» молекулу глюкозы, тратя АТФ, чтобы ее «активировать». Все это для того, чтобы сконструировать такую молекулу, к которой удается «даром» (без затраты АТФ) присобачить фосфат. Затем уже, расщепляя эту молекулу, другие фекрменты синтезируют АТФ. И в итоге АТФ синтезируется больше, чем было затрачено.

Такие процессы, как гликолиз, в которых без кислорода расщепляется органика и синтезируется АТФ, называют общим термином «брожение». Организмы, которые за счет таких процессов в основном живут, называют «бродильщиками».

Это пример метаболического пути, каковых в живой клетке очень много.

Промотор. Последовательность нуклеотидов перед кодирующей частью гена. К ней прикрепляется РНК-полимераза. В промоторе находятся также сайты связывания некоторых ключевых транскрипционных факторов (ТФ), т.е. регуляторов транскрипции. Без промотора ген не будет транскрибироваться («считываться», «работать», «экспрессироваться»).

Энхансер. Регуляторная последовательность нуклеотидов где-нибудь в окрестностях гена (или в интроне). Служит для прикрепления дополнительных ТФ – регуляторов транскрипции.

Экзоны, Интроны, Сплайсинг.

Большинство генов эукариот имеют внутри своей белок-кодирующей части некодирующие вставки – интроны. Экзонами называются куски кодирующей части гена, разделенные интронами. В ходе транскрипции «считывается» все вместе: и экзоны, и интроны. Получается «незрелая матричная РНК». Затем в ходе сплайсинга из незрелой матричной РНК интроны вырезаются, и получается «зрелая матричная РНК», с которой уже можно синтезировать белок. Иногда вместе с интронами удаляются и некоторые экзоны, разные в разных случаях. За счет этого на основе одного гена может быть синтезировано несколько разных зрелых мРНК (с разными наборами экзонов) и, соответственно, будет синтезировано несколько разных белков. Это явление называют «альтернативным сплайсингом».

Транскрипция (= «считывание» гена, «экспрессия»)

Синтез мРНК (незрелой) на матрице ДНК. Фермент ДНК-зависимая РНК-полимераза. Расплетает и синтезирует. От того, какие ТФ присоединятся или не присоединятся к энхансерам (и к промотору) зависит, с какой вероятностью (частотой) будет транскрибироваться ген (=с какой интенсивностью он будет работать или «экспрессироваться).

Трансляция.

Синтез белка на основе инструкций, записанных в зрелой мРНК. Ключевую роль в трансляции играют тРНК и рибосомы. тРНК – пример молекул РНК, выполняющих активную работу. Антикодон.

Рибосомы сделаны из РНК и белков, причем РНК – основной компонент, а белки – вспомогательный.

Мембрана.

Все клетки (и многие внутриклеточные структуры) окружены мембраной. Мембрана состоит из двух слоев молекул липидов, гидрофобными хвостами внутрь. Полупроницаемость. В мембране «заякорены» разнообразные белки, в том числе – рецепторы. Рецепторы – белки, узнающие (избирательно связывающиеся с ) определенными молекулами (лигандами). У каждого рецептора – свой лиганд (или набор похожих лигандов). Связавшись с лигандом, рецептор меняет свою конфигурацию, что ведет в конечном счете к каким-то изменениям других молекул – к передаче сигнала.

Хромосомы.

Молекулы ДНК в клетке соединены с множеством разных белков. Эти комплексы (молекула ДНК + связанные с ней белки) и есть хромосомы. У прокариот – 1 кольцевая хромосома. У эукариот – несколько линейных хромосом.

У большинства животных и растений в каждой клетке двойной набор хромосом, т.е. каждая хромосома представлена двумя экземплярами. Один получен от одного из двух родителей, другой – от другого. Клетки с двойным набором хромосом называют диплоидными, с одинарным – гаплоидными.

Здесь показан хромосомный набор человека. Кто это – мужчина или женщина?

Митоз

Особый способ деления, характерный для эукариотических клеток. Перед митозом каждая хромосома подвергается удвоению (ДНК реплицируется) и представляет собой комплекс из двух идентичных «сестринских хроматид». Смысл митоза в том, чтобы в каждую из двух дочерних клеток попало ровно по одной хроматиде от каждой хромосомы. В итоге дочерние клетки получают полностью весь хромосомный набор, который был у родительской клетки.

Мейоз

Особый способ деления эукариотических клеток, в ходе которого из одной диплоидной клетки получаются 4 гаплоидных. Дочерние клетки, таким образом, получают от родительской клетки не все ее хромосомы, а половину – по одной хромосоме из каждой пары. Например, в клетках человека 46 хромосом (23 пары). В результате мейоза получаются гаплоидные клетки, в каждой из которых только 23 хромосомы (по одной из каждой пары).

В начале мейоза хромосомы соединяются попарно, и хромосомы в каждой паре обмениваются гомологичными участками (кроссинговер). Затем пары разделяются и расходятся по дочерним клеткам. В результате каждая дочерняя клетка получает только одну хромосому из каждой пары.

Второе деление мейоза – это по сути дела обычный митоз. Митоз гаплоидной клетки.

Кроссинговер.

Обмен участками между парными хромосомами.

Жизненный цикл эукариот.

Отличительной чертой большинства эукариот является чередование диплоидных и гаплоидных фаз в жизненном цикле. Если где-то в цикле есть мейоз, обязательно должно быть и оплодотворение: одно без другого невозможно.

Прокариоты.

Все живые организмы делятся на прокариот и эукариот. Это самое главное подразделение. Ключевые признаки прокариот:

Маленькие клетки, маленькие геномы
Кольцевая хромосома (обычно одна, реже несколько)
Нет: ядра, митохондрий, пластид, других окруженных мембраной внутриклеточных структур, фагоцитоза, вообще подвижности самой клетки (хотя могут двигаться при помощи жгутиков, пилей и направленного выделения слизи – реактивно), настоящего цитоскелета (хотя есть некоторые его элементы), митоза, мейоза, чередования диплоидной и гаплоидной фаз (прокариоты, упрощенно говоря, гаплоидные). Почти нет интронов, сплайсинга.
Огромное разнообразие способов получения энергии
Огромная биохимическая вариабельность вообще
Нет настоящего полового процесса (оплодотворения – слияния клеток), но есть другие, более примитивные способы обмена генами между организмами: конъюгация, трансдукция, трансформация.

Эукариоты.

Их отличия от прокариот понятны из описания прокариот. Все эукариоты являются либо аэробными гетеротрофами (животные, грибы), либо фотоавтотрофами (растения). Эукариотическая клетка возникла из сообщества нескольких разных прокариот. Цитоплазма у всех – «бродильщик», анаэробный гетеротроф. Митохондрии – аэробные гетеротрофы. Пластиды – фотоавтотрофы. Характерной особенностью эукариот является наличие полового процесса (оплодотворения, слияния клеток) и мейоза, чередование диплоидной и гаплоидной фаз.

Митохондрии

Потомки симбиотических бактерий. Имеют свою кольцевую хромосому (мтДНК), свои рибосомы, самостоятельно размножаются делением, как бактерии. Функция – дыхание, или окислительное фосфорилирование (кислородное окисление органики, в ходе которого синтезируется много АТФ). Энергетические станции эукариотической клетки.

Окислительное фосфорилирование.

Происходит в митохондриях. Сначала органические молекулы, поступающие из цитоплазмы (пируват, конечный продукт гликолиза) расщепляются в цикле Кребса с выделением CO₂. При этом синтезируется NADH – энергетически ценное вещество, универсальный переносчик электронов и протонов.

Этот NADH затем отправляется в электронно-транспортную цепь, расположенную на внутренней мембране митохондрии. Он отдает электрон и протон белкам Э-Т Ц. Электрон передается от белка к белку, постепенно отдавая энергию, которая используется для откачивания протонов из матрикса митохондрии в межмембранное пространство. Так создается электрохимический градиент: протоны скапливаются снаружи. Электрон в конце концов забирается кислородом, который служит финальным окислителем в этой последовательности окислительно-восстановительных реакций. АТФ-синтаза затем использует электрохимический градиент для синтеза АТФ (протоны впускаются обратно в матрикс митохондрии, а выделяющаяся при этом энергия идет на синтез АТФ).

Окислительное фосфорилирование – более громоздкий и долгий процесс, чем гликолиз, но гораздо более эффективный (получается гораздо больше АТФ).

Хлоропласты

Произошли от симбиотических цианобактерий. Функция – фотосинтез (оксигенный). Имеют собственную кольцевую хромосому, свои рибосомы, самостоятельно размножаются делением, как бактерии. Органы фотосинтеза растений. Кроме цианолбактерий и их потомков – хлоропластов никто не умеет осуществлять кислородный фотосинтез.

Фотосинтез (оксигенный)

Электронно-транспортная цепь, расположенная на внутренней мембране хлоропласта (= на мембранах тилакоидов). Похожа на Э-Т Ц окислительного фосфорилирования, только электрон идет в обратную сторону. При окислительном фосфорилировании электрон движется в «естественную» сторону, «вниз», постепенно отдавая энергию и в конце концов попадает на молекулу кислорода, которая превращается в воду. При фотосинтезе электрон время от времени (дважды) «подскакивает вверх» за счет энергии солнечного света, а между этими подскоками идет «вниз», отдавая энергию. Эта энергия используется сначала для создания электрохимического градиента, а потом для синтеза АТФ – так же, как при окислительном фосфорилировании.

Электрон изначально берется у воды, и в результате образуется кислород. Отдается электрон в конечном счете веществу NADP (близкое к NAD), которое в результате превращается в «энергетически ценное» вещество NADPH, переносчик протонов и электронов.

Это – световая фаза фотосинтеза. Ее результат – синтез АТФ и NADPH, энергетически ценных молекул, которые затем (в темновой фазе) используются для фиксации CO₂.

Цикл Кальвина – возможно, самый главный биохимический путь из всех. Это тот способ, при помощи которого живые существа производят органические вещества из неорганического углекислого газа. Присоединить к себе молекулу углекислого газа в состоянии только одно органическое вещество – рибулозодифосфат. Это пятиуглеродный сахар, производное рибозы. Присоединив молекулу CO₂, эта молекула из пятиуглеродной превращается в две трехуглеродные молекулы (3-фосфоглицерат). Они потом используются для 1) пополнения запасов рибулозодифосфата, 2) синтеза всех остальных органических веществ, которые нужны клетке. У архей рибулозодифосфат производится из рибонуклеотидов.

Следующий раздел

Проблемы Эволюции

Главные вопросы

Доказательства Эволюции