Влияние пчел на генотип своего потомства
В некоторых книгах содержится утверждение, что пчелы могут путем изменений в диете направленно изменять генотип своего потомства. В качестве довода приводится факт, что в маточном молочке содержатся ДНК и РНК. Как, по-Вашему, убедительный ли это аргумент?
Обращаем внимание, что, скорее всего, вопрос касается не генетики пчел, а убедительности представленного довода. Итак, анализу подлежит в первую очередь само утверждение, взятое из ряда популярных книг 50–60-х годов.
В чем же состоит утверждение? Известно, что превращение личинки в особь определенной касты зависит от корма, на котором растет личинка. Похоже, что в корме содержатся вещества, от которых зависит, пойдет ли развитие личинки в сторону матки или в сторону рабочей пчелы.
Прежде всего заметим, что разница между маткой и рабочей пчелой не связана с направленной перестройкой генотипа. Такую разницу можно объяснить тем, что генотипы у матки и рабочей пчелы одинаковы, только в них по-разному работают одни и те же гены. В ходе индивидуального развития какие-либо гены могут функционировать у будущей рабочей пчелы, но «молчать» у будущей матки и наоборот. Но переключение генов зависит от гормонального воздействия, а это последнее — от диеты. Наследственные изменения генотипа тут ни при чем — иначе матка рожала бы только маток, но не рабочих пчел.
Строение ферментов
Активный центр фермента представлен обычно лишь несколькими аминокислотами (до 10–20). Не кажется ли расточительным иметь ферменты размерами во многие сотни аминокислот?
На обыденном языке можно сформулировать тот же вопрос так: «Почему ферменты такие большие?» Строго говоря, ферменты не такие уж большие. Примем во внимание, что трехмерная укладка белка может быть вписана в геометрическое тело с линейными размерами, примерно равными кубическому корню из числа аминокислот. Иными словами, белок длиной в 1000 аминокислот (молекулярный вес 120 000 — не очень маленький белок!) может быть представлен как кубик с ребром длиной в 10 аминокислот.
В то же время линейные размеры субстрата могут быть во много раз больше. При этом аминокислоты в активном центре должны не просто находиться рядом, а образовывать сложный рельеф из выступов и впадин, располагаться на определенном расстоянии и в определенной ориентации.
Более того, в ходе реакции эти расстояния и эта ориентация специальным образом меняются. Например, ДНК-полимераза — фермент, с помощью которого происходит репликация. У него есть два участка, узнающих нуклеотиды. Один из этих участков связывается с нуклеотидом в составе той цепи, которая служит матрицей. Другой участок связывает свободный нуклеотид из окружающего раствора, чтобы присоединить его к концу растущей цепи.
Первичная структура белка
Известно много случаев сходства первичной структуры (последовательности аминокислот) белков у разных организмов. Предложите различные объяснения этому факту.
Сходство двух молекул может наблюдаться на большом протяжении (десятки аминокислот) или только на небольших участках. Разберем различные случаи сходства в первом смысле.
Долгое время считалось, что вероятность независимого возникновения в ходе эволюции двух одинаковых длинных последовательностей аминокислот очень невелика. Поэтому, если две последовательности длиной во много десятков или сотен аминокислот каждая очень похожи, то предполагалось, что у них был общий предок. С этих позиций можно предложить, например, следующие объяснения сходства.
Существуют белки, которые похожи у всех организмов (или, в частности, у всех эукариот) Это, вероятно, связано с тем, что такие белки выполняют очень важные функции, хорошо к этому приспособлены и мутации в генах этих белков летальны. Так, очень похожи гистоны (белки, входящие в хромосомы эукариот), цитохромы С (белки, необходимые для дыхания бактерий и митохондрий), ряд белков аппарата трансляции. Сходство белков двух организмов можно объяснить и тем, что они относительно близки по систематическому положению (например, оба относятся к насекомым); тогда общий предок этих насекомых содержал предковый ген этого белка. Это примеры гомологического сходства, то есть сходства на основе родства.
Протеазы
В живой природе широко распространены протеазы — ферменты, расщепляющие белок. Известны случаи, когда клеткам необходимо защищаться от действия этих ферментрв. Как они это делают?
Первый пример — эпителиальная ткань желудка. Клетки этой ткани выделяют протеазы в просвет желудка, где происходит переваривание белковой пищи. Здесь стоят две проблемы: защитить от действия протеаз содержимое клетки, в которой протеазы образуются, и защитить стенку желудка от уже вышедших из клетки протеаз.
Секреция, то есть выделение белков из клеток, происходит особым образом. В клетках протеаза желудка — пепсин синтезируется в виде более длинных молекул-предшественниц. Эти молекулы не могут работать из-за того, что у них есть лишний участок из нескольких аминокислот. Но этот же участок играет роль в переносе всей молекулы через плазматическую мембрану — из клетки в полость желудка. Только там добавочный участок отрезается специальным или уже готовым ферментом, «обрезанным» трипсином. Теперь протеаза активна, но через мембрану проходить не может.
Слизистая оболочка, выстилающая стенку желудка, построена из углеводов. Слой углеводов прикрывает все мембранные белки. Протеазы не действуют на углеводы, и, таким образом, стенка желудка защищена от переваривания.
Гликоген
Почему глюкоза запасается в организме животных в виде полимера — гликогена, а не в мономерной форме?
Проникновение растворителя через мембрану, проницаемую для него, но непроницаемую для растворенного вещества, называется осмосом. Осмос и является одной из причин того, что глюкоза в клетке не хранится в виде крепкого раствора. Ведь если в клетке будет много молекул глюкозы, то соответственно уменьшится концентрация воды. Снаружи клетки много воды, мембрана клетки проницаема для воды. Следовательно, когда вода станет поступать внутрь клетки, она может разбухнуть и лопнуть.
Если же много молекул глюкозы будет превращено в полимерную цепь, то в клетке будет хоть и гигантская, но одна молекула. Величина осмотического давления зависит от соотношения концентрации воды по разные стороны мембраны. Одна молекула гликогена не повлияет на это соотношение. Расчет показывает, что если превратить в глюкозу весь гликоген, который накоплен в организме, то ее концентрация во всем теле повысится в 25 раз, а если такой крепкий раствор глюкозы будет, подобно гликогену, сосредоточен в мышцах и печени, то концентрация глюкозы в клетках этих органов станет в десятки раз выше, чем максимально переносимая.
Существует и другая причина, по которой в клетке не может быть очень уж много глюкозы. В обмене веществ клеток глюкоза играет центральную роль. Высокая концентрация глюкозы — сигнал для запуска работы разных ферментов, как работающих с самой глюкозой, так и необходимых для обмена жиров, белков и даже для генетических процессов. Высокая концентрация глюкозы привела бы клетку в бессмысленно активное состояние (напомним, что речь идет о ситуации, когда глюкозу надо хранить, а не тратить). Таким образом, для нормального функционирования организма необходимо, чтобы концентрация глюкозы поддерживалась на не очень высоком, но постоянном уровне. Запас глюкозы, сохраняемой в форме гликогена, позволяет быстро убирать излишки или восполнять недостачу глюкозы. В этом еще одна функция гликогена.
Газообразные вещества
Какие газообразные вещества используются живыми существами и в каких целях?
Заметим, что в зависимости от условий (температуры и давления) самые разнообразные вещества могут находиться в газообразном состоянии. Живые организмы сталкиваются в первую очередь с газами, входящими в состав воздуха. Это азот, кислород, углекислый газ и инертные газы, пары воды. Кроме того, в среде обитания живых организмов могут оказаться также метан, аммиак, сероводород, сернистый газ.
Воздух и сходные с ним по составу газы используются многими водными животными и растениями для повышения плавучести. Воздушные пузыри есть, например, у свободно плавающих гидроидных: сифонофор, рыб, фукусовых водорослей. Существует возможность регулировать среднюю плотность тела, изменяя объем воздушных пузырей (газ сжимать легче, чем жидкость). У фукусов воздушные пузыри еще и расправляют слоевище, то есть выполняют скелетную функцию. Всем известный паук-серебрянка использует воздух как строительный материал для своего гнезда. Иногда воздух участвует в формировании особых структур, таких как пена, в которой некоторые мухи откладывают яйца. Такая пена выполняет теплоизолирующую функцию благодаря плохой теплопроводности газов. Воздух выступает как теплоизолятор и у покрытых перьями или шерстью теплокровных животных. Колебания воздуха приводят в движение органы приема (барабанная перепонка) и подачи звуков (голосовые связки, гортань).
Многие из перечисленных выше газов вступают в биохимические реакции, но при этом они бывают растворены в цитоплазме клетки. Источником энергии для различных видов бактерий являются процессы окисления водорода, азота, метана, аммиака, сероводорода. Метан, углекислый газ, аммиак используются в процессах биосинтеза, а кислород служит окислителем при дыхании и других процессах.
Химический состав тела человека
Из каких химических элементов состоит организм человека?
Большинство молекул организма человека состоят в основном из углерода, кислорода, водорода и азота. Важным компонентом нуклеиновых кислот и других молекул является фосфат; в ионизированной форме он широко представлен в организме человека. Ключевую роль в многочисленных биологических процессах играет кальций; этот вопрос находится в центре внимания многих современных исследований. Химические элементы входящие в состав живого организма подразделяют на макроэлементы (содержание больше 0,01 %) и микроэлементы (содержание менее 0,001 %). Примерный элементный состав организма человека представлен в таблице:
| Элемент | % |
| Углерод | 50 |
| Кислород | 20 |
| Водород | 10 |
| Азот | 8,5 |
| Кальций | 4 |
| Фосфор | 2,5 |
| Калий | 1 |
| Сера | 0,8 |
| Натрий | 0,4 |
| Хлор | 0,4 |
| Магний | 0,1 |
| Железо | 0,01 |
| Марганец | 0,001 |
| Йод | 0,00005 |
Биохимия
Что изучает биохимия?
Биохимия занимается изучением химических процессов живых организмов. Как самостоятельная наука сформировалась более 100 лет назад, но наиболее значительных успехов в изучении биохимических процессов достигла в последние 40 лет. Сегодня в центре внимания биохимии лежат вопросы понимания влияния биологических молекул на процессы происходящих в живых клетках, что в свою очередь относится к общему пониманию процессов происходящих в организмах.
Состав клеточной стенки
Из какого вещества состоит стенка клетки?
В состав клеточной стенки у растений входит целлюлоза (клетчатка), компоненты матрикса (гемицеллюлоза, пектин, белки), инкрустирующие компоненты (лигнин, суберин) и вещества, откладывающиеся на поверхности оболочки (кутин и воск). У грибов в клеточной стенке содержится хитин. Оболочка клетки животных, гораздо тоньше клеточной стенки растений, и состоит из разнообразных полисахаридов и белков.
Участники передачи гормонального сигнала
Перечислите участников передачи гормонального сигнала для адреналина.
Биосинтез адреналина осуществляется главным образом хромаффинными клетками мозгового вещества надпочечников из аминокислоты тирозина. Синтезируемый адреналин высвобождается запускающим управляющим сигналом, в роли которого выступает ацетилхолин, выделяющийся в синапсах холинергическими нейронами, управляющими функциями хромаффинных клеток. Попав в кровь, адреналин, с ее потоком, транспортируется к месту действия. На мембране клетки-мишени адреналин взаимодействует с адренергическими рецепторами (как с альфа-, так и с бета-), образуя комплекс «гормон-рецептор», который в свою очередь, возбуждает систему белков, управляющих активностью фермента аденилатциклазы, расположенной на внутренней поверхности мембраны. Активированная аденилциклаза катализирует образование циклического аденозинмонофосфата из аденозинтрифосфата. Циклический аденозинмонофосфат влияет на метаболические реакции в клетке, обусловливая возникновение ряда специфических эффектов, характер которых зависит от типа адренергического рецептора.
