Молекулярна биология - произход и свойства на живота

МОЛЕКУЛЯРНА БИОЛОГИЯ
Д-р Цветослав КойнарскиDVM, MSc, PhD
ЛЕКЦИЯНАТЕМА:
ПРОИЗХОДИСВОЙСТВАНАЖИВОТА

ПРОИЗХОД НА ЖИВОТА
Независимо от цялото ни познание относно
необятния организмов свят, съществуват
основно две обяснения за началото на
живота.
1.Според едното се приема наличието на
жива сила (vis vialis), която е изградила
всичко познато на нашата планета. По-
голямата част от познатите религии се
базират именно на тази хипотеза, като се
приема, че както живата така и неживата
част от нашето обкръжение е създадена
именно от тази сила.
2.Вторият подход е базиран на научни
доказателства и хипотези, като при него
се твърди, че зараждането на живота е
вследствие на взаимодействието на
различни молекули повреме и в първите
минути след Първичният взрив създал
познатата ни галактика.

Биологична хипотеза
Според повечето автори зараждането на организмовият свят е
преминало през три основни етапа:
1. Химична еволюция –Изследванията на Опарин и Ралдейн допускат
възможността, че космическите лъчения са причинили взаимодействия
на наличните прости химични съединения О2, СО2, метан, етан,
матални йони и много други. В резултат на тези взаимодействия са се
образували първите прости органични съединения като аминокиселини,
азотни бази, прости въглехидрати.
2. В последствие тези органични молекули по мистичен до момента
начин придобили възможността да се самовъзпроизвеждат, което дало
началото на живота.
3. Биологична еволюция –самовъзпроизвеждащите се сложни
органични съединения, постепенно сформирали първата клетка, а в
последствие и огромното разнообразие на познатият ни организмов
свят.

Най-сложен остава въпросът за възникването на първата клетка.
Според хипотезата на Опарин полипептидите налични в първичният
бульон са се групирали под формата на капка, която авторът
нарича коацерват. Според автора коацерватите са притежавали
способността да приемат различни молекули от заобикалящата
ги среда. За по-лесното им представяне бихме могли да
оприличим описаните структури като капка от познатото ни
слънчогледово олио поставена в съд с вода. В последствие
коацерватите придобили липидна обвивка, близка до познатата ни
клетъчна мембрана. Възникването на първообраза на клетъчната
мембрана е едно от най-важните събития, защото само така е
възможно предаването на полезните функции и промени да се
подложат на естествен отбор и да се запазят за следващите
поколения. Въпреки, че дава известна яснота, тази хипотеза не
дава отговор на основният въпрос, а именно
самовъзпроизвеждането на коацерватите, тъй като нито липидите
нито полипептидите могат да служат за матрица.
ПЪРВАТА КЛЕТКА

ЩО Е КЛЕТКА?

•Прокариоти–поради липсата на ясно обособено ядро , те се наричат
доядрени. Към тази група се отнасят същинските бактерии,
актиномицетите и синьозелените водорасли. Отличителна черта на
прокариотната клетка са нейните относително малки размери. Отделят
се от външната среда посредством цитоплазматична мембрана, чиито
основни функции са свързани с избирателната пропускливост на
различни вещества. Наследствената информация при първаците е
концентрирана в една кръгова молекула ДНК наречена нуклеоид .
Допълнително при повечето бактерии се наблюдава и втора кръгова ДНК
молекула с екзогенен произход –плазмид. Характерно за плазмидите е
носителството на един или няколко гена, придаващи устойчивост на
бактерията към определени антибиотици. Така бактериите живеят в
симбиоза с плазмидите. Клетъчното делене при бактериите се извършва
посредством просто делене, при което се получават две дъщерни клетки,
идентични с майчината.
•Еукариоти–при тях в цитоплазмата се наблюдава ясно обособено ядро,
в което е концентрирана наследствената информация на клетката. Към
тази група принадлежат едноклетъчните организми първаци и всички
многоклетъчни организми. Характерно за еукариотните клетки са техните
относително големи размери –около 10 пъти по-големи и до 1000 пъти
по-обемниот прокариотната клетка.
ВИДОВЕ КЛЕТКИ

ВИДОВЕ КЛЕТКИ

КОМПОНЕНТИ НА КЛЕТКАТА
Клетъчнатамембранаограждаклеткатаидаванейнатасамостоятелност.Тя
притежаваизбирателнапропускливостзавеществатаотоколнатасреда,което
позволяванаклеткатадаприемасамовеществатакоитосаинужниидаизхвърля
отпаднитепродуктиотжизненатасидейност.Прирастениятасъществуваи
допълнителнаструктура–клетъчнастена,коятоизпълняваукрепващафункция.
Цитоплазматасъставяосновнатачастотголеминатанаклетката.Внеясе
разполагат,кактоядрототакаиклетъчнитеорганели.Основнитесъставниелементи
нацитоплазматасавода(85%),белтъчини(до10%)идругивещества(липиди,
въглехидрати,макроимикроелементи,солиидр–до5%).

Клетъчнотоядробихмемоглидаоприличимнасвоеобразенкоманденцентърна
клетката.Внегосесъхранявацялатанаследственаинформация,разположенавърху
ДНКмолекули.Ядротоесъставенооттриглавникомпонента–ядренаобвивка
(двойно-мембранна),ядренсокихроматин.Двойнатаядренамембранаобособява
ядротоотцитоплазмата,катонаместасесъбираиобразувапори.Хроматинъте
съставенотнуклеопротеиднинишкисъставениотДНК,РНК,хистоновии
нехистоновибелтъчини,полизахаридиидр.Вядротоможедаима1илиповече
малкиядърца,отговорнизасинтезатанарибозомнатаРНКихистоновите
белтъчини.Вядротосеизвършватжизненоважнитезаклеткатапроцесина
съхраняванеипрезаписваненагенетичнатаинформация-репликацияи
транскрипциянагените.
КОМПОНЕНТИ НА КЛЕТКАТА

Немембранни клетъчни
органели
Рибозоми
Цитоцентър
Реснички
Камшичета и включения

Едно мембранни клетъчни органели
•Ендоплазмената мрежа е изградена от тръбовидни цистерни,
ограничени с единична мембрана и мембранни мехурчета свързани
с тях. Тя бива зърнеста и гладка. Зърнестата ендоплазмена мрежа от
външната страна е покрита с рибозоми, които са свързани в полизома
(1 молекула информационна РНК, на която по дължината са
разположени няколко на брой рибозоми синтезиращи съответния
белтък). В нея се синтезират белтъци, които се подготвят за "износ" от
клетката. Зърнестата ендоплазмена мрежа е много добре развита в
клетките, чиито функции са свързани с отделянето на големи
количества белтък или собствени белтъчни нужди. Гладката
ендоплазмена мрежа не е покрита с рибозоми.В нея се синтезират
главно липиди и хормони.

•Лизозомитеса цитоплазмен органел-малко мехурче, което е
ограничено чрез мембрана от цитозола. В тях се съдържат много
и хидролитични ензими, които катализират разграждането на
белтъците, въглехидратите и нуклеиновите киселини. Тези
мембранни мехурчета са с диаметър около 0,2 -0,5 микрометра.
Едно мембранни клетъчни органели

Едно мембранни клетъчни органели
•Комплексът на Голджи е съставен от няколко сплеснати цистерни,
събрани в пачка, и много различни по големина мехучета. Той играе
централна роля в секрецията на клетката. Апаратът на Голджи образува
секреторни мехурчета, които внасят и изнасят вещества и съединение във
и от клетката. В тези мехурчета се извършва пиноцитозата и фагоцитозата,
които представляват смилане на чужди тела.

•Пероксизомитеса кръгли едномембранни органели. В тях се
разгражда вредния за клетката водороден пероксид (Н2О2).
Едно мембранни клетъчни органели

•Вакуолитеса големи органели, в които се складират резервни
вещества или се съдържат багрила, освен това те отговарят за
тургорното налягане в клетката. Локализирани са в растителната
клетка.
Едно мембранни клетъчни органели

Двумембранни клетъчни органели
•Хлоропластитеса кръгли тела. Вътрешното пространство е
оградено от двете мембрани и се нарича строма. В нея има 3 -ти
вид мембрани -тилакоидни, които образуват грани,
представляващи система от вдлъбнати тилакоидни мембрани,
образуващи празнини помежду си. В хлоропластите се извършва
фотодишането на клетката –фотосинтезата.

Двумембранни клетъчни органели
•Митохондриитеса енергийните станции на клетката. Имат външна
и вътрешна мембрана. Вътрешната е силно нагъната и образува
кристи. Вътрешното пространство се нарича матрикс. В
митохондриите се синтезира аденосинтрифосфат (АТФ),
макроергично съединение в което се съхранява енергията получена
от метаболитното окисление на веществата в клетката.

HOW CELLS WORK?!?

ВЕЩЕСТВА В КЛЕТКАТА
Белтъци
Белтъчините са важни макромолекули,
изградени посредством
поликондензирането на различни
аминокиселини. Те са основната
градивна единица, както при
клетъчните, така и при не клетъчните
форми на живота. Характеризират се
със сложна пространствена структура
и притежават огромно разнообразие
от биологични функции. В биохимичен
смисъл, протеините са линейни
полимери, съставени от
последователното подреждане на до
20 различни α–аминокиселини.

ВЕЩЕСТВА В КЛЕТКАТА
Белтъци
Аминокиселини
•Аминокиселините са изградени от молекули въглерод, свързан с
аминогрупа, карбоксилна група и странична верига, специфична за
всяка аминокиселина. Изключение от тази обща спецификация прави
единствено аминокиселината пролин, при която в N аминогрупата се
съдържа пръстен. Триизмерната структура, химичната реактивност и
биологичната функция на един белтък се определят от комбинацията
на наличните странични вериги на аминокиселините, които го
изграждат. Отделните аминокиселини се свързват последователно в
полипептидни вериги, чрез изграждане на пептидни връзки по между
си. При разглеждането на една полипептидна верига можем да
установим два края на –карбоксилен край (СООН) и аминокрай (NH).

ВЕЩЕСТВА В КЛЕТКАТА
Белтъци
Аминокиселини
алфа-аминокиселини
Аминокиселините откриващи се в живите клетки се означават като алфа (α)
аминокиселини, тъй като при тях карбоксилната и аминогрупата са
разделени от един въглероден атом. Ако двете групи са разделени от два или
повече въглеродни атома, аминокиселините се означават като бета (β), гама
(γ) и т.н.
С изключение на глицина, всички останали протеиногенни α -аминокиселини
са хирални съединения и притежават два енантиомера -L и D форма.
Биологична активност притежават само L формите на аминокиселините. В
метаболитно отношение аминокиселините се разделят на три групи в
зависимост от това дали се синтезират в организма или трябва да се доставят
от вън:
заменими
незаменими
условнозаменими
За разлика от микроорганизмите и растенията, които синтезират всички
необходими аминокиселини, животиснките клетки синтезират само някои от
тях, а останалите се набавят посредством храната. Условнозаменимите
аминокиселини са незаменими за новородените, бременните, както и
индивидите с отклонения в обмяната на веществата, при всички останали тези
аминокиселини са заменими.

ВЕЩЕСТВА В КЛЕТКАТА
Белтъци
Аминокиселини
алфа-аминокиселини
Видове аминокиселини
Неутрални аминокиселини с неполярен остатък:

Неутрални аминокиселини със слабо полярен остатък:
ВЕЩЕСТВА В КЛЕТКАТА
Белтъци
Аминокиселини
алфа-аминокиселини
Видове аминокиселини

Аминокиселини с ациденостатък:
ВЕЩЕСТВА В КЛЕТКАТА
Белтъци
Аминокиселини
алфа-аминокиселини
Видове аминокиселини

Аминокиселини с основен остатък:
ВЕЩЕСТВА В КЛЕТКАТА
Белтъци
Аминокиселини
алфа-аминокиселини
Видове аминокиселини