Підручник з Біології і екології (рівень стандарту). 11 клас. Андерсон - Нова програма

§ 3. Адаптації на молекулярному рівні організації живого

Назвіть складники молекулярного рівня організації живого.

У підтриманні гомеостазу біологічних систем вищого рівня беруть участь механізми гомеостазу біосистем нижчого рівня. Тому для розуміння функціонування біологічних систем різних рівнів необхідно спочатку ознайомитися із механізмами адаптацій на молекулярному та клітинному рівнях організації живого.

Механізми адаптацій на молекулярному рівні організації живого. Насамперед збереження ефективності функціонування біологічних систем за зміни умов існування забезпечується підтримкою гомеостазу на молекулярному рівні. Можна виокремити три головні напрями розвитку таких процесів (рис. 7).

Одним з напрямів є збереження структурної цілісності і функціональної активності макромолекул (нуклеїнових кислот, ферментів, структурних і скорочувальних білків) і надмолекулярних комплексів (хроматину, рибосом, мембран).

Наведемо декілька прикладів. Репарація ДНК зумовлює відновлення структури цієї молекули в разі ушкоджень, спричинених дією негативних чинників (іонізувальне випромінювання, отрути тощо) або ж спонтанних помилок (наприклад, під час реплікації).

Спеціалізовані білкові комплекси, які називають протеасомами, контролюють стан важливих внутрішньоклітинних білків і руйнують старі або ушкоджені. Руйнування старих або ушкоджених клітинних структур також здійснюється за допомогою травних ферментів, які містяться в лізосомах. Зазначений процес називають аутофагією.

Рис. 7. Напрями адаптації на молекулярному рівні організації живого

Проаналізуйте твердження: «Адаптації на молекулярному рівні взаємопов'язані з функціонуванням клітини». Підтвердьте або спростуйте його.

Неправильне перетікання перелічених процесів може бути причиною виникнення мутацій або призводити до розвитку захворювань.

Не менш важливим є забезпечення клітин організмів сполуками, необхідними для синтезу власних макромолекул і для отримання енергії. У разі надходження надлишкових енергетичних сполук, вони можуть перетворюватися на резервні речовини (пригадайте відомі вам резервні вуглеводи рослинних і тваринних клітин). У випадку додаткової потреби в енергії резервні речовини розщеплюються. Усередині клітин підтримується відносно стала концентрація таких сполук. Наприклад, за фізіологічних умов кількість АТФ коливається не більше, ніж на 10%.

По-третє, існують численні адаптації, скеровані на регуляцію обміну речовин, що адекватно підлаштовує функціонування клітин до змін у навколишньому середовищі. Багатьом біохімічним реакціям притаманна здатність до саморегуляції. Зокрема, рівень активності ферментів часто визначається концентрацією продуктів реакції. Зазвичай вони гальмують роботу ферменту: внаслідок накопичення продуктів реакції швидкість реакції знижується, а отже утворення цих речовин припиняється. У такий спосіб унеможливлюється надмірне накопичення утворюваних сполук. Деякі реакції гліколізу інтенсифікуються внаслідок збільшення концентрації АМФ, що є наслідком розщеплення молекул АТФ і зниження енергетичних запасів клітини. Збільшення швидкості гліколізу супроводжується збільшенням кількості синтезованих молекул АТФ, відтак енергетичний баланс відновлюється. Відомі й інші способи регуляції ферментативних реакцій (рис. 8).

Рис. 8. Залежність швидкості реакції від концентрації субстрату

Проаналізуйте твердження щодо характеристики графіка.

І. Швидкість реакції постійно зростає.

ІІ. За певної концентрації субстрату швидкість реакції починає зменшуватися.

Чи є поміж них правильні?

А правильне лише перше

Б правильне лише друге

В обидва правильні

Г немає правильних

Функціонування деяких ферментів залежить від наявності додаткових речовин небілкової природи - коферментів. Ними можуть бути, зокрема, похідні вітамінів. Іншим шляхом регуляції роботи ферментів є приєднання до них певних сполук, наприклад залишку ортофосфатної кислоти. Таку реакцію називають фосфорилюванням. Унаслідок неї неактивний фермент стає активним і починає виконувати свою функцію. Фосфорилювання може спричиняти й протилежний ефект - змінений білок переходить з активного стану в неактивний. Такі зміни можуть відбуватися всередині клітин унаслідок дії на них різноманітних подразників - гормонів, медіаторів тощо. Деякі речовини можуть блокувати активний центр ферменту - це призводить до порушення його функціонування. Таким чином, зміна активності ферменту є одним зі способів регуляції функціонування клітин на молекулярному рівні.

Синтез і накопичення певних сполук може бути безпосереднім адаптаційним чинником. Наприклад, збільшення концентрації розчинених сполук у воді знижує температуру її замерзання, що забезпечує функціонування макромолекул за низької температури. Так, у клітинах рослин для витримування низьких температур накопичуються вуглеводи й олії, а в клітинах членистоногих - гліцерол.

Перелічені три напрями адаптацій не є взаємовиключними, деякі реакції гомеостазу можуть включати елементи кількох з них.

Генетичне підґрунтя формування адаптацій. Часто зміни функціонування макромолекул пов'язані з регуляцією активності генів, з механізмами якої ви познайомилися раніше. Для прикладу розглянемо споживання кишковою паличкою вуглеводів (рис. 9). Звичайним джерелом енергії для неї є молекули глюкози. Проте за її нестачі бактерія здатна розщеплювати інший вуглевод - лактозу. Це забезпечується певними ферментами, які кодуються відповідними генами. Поруч із ними в молекулі ДНК розташовані дві важливі регуляторні ділянки: промотор та оператор. Промотор є місцем зв'язування РНК-полімерази, яка здійснює транскрипцію. Проте контакту РНК-полімерази із молекулою ДНК може перешкоджати білок-репресор, який зв'язується із оператором. Важливою особливістю роботи цієї системи є те, що наявність у цитоплазмі лактози призводить до від'єднання репресора від молекули ДНК. Тоді РНК-полімераза отримує доступ до промотора та ініціює транскрипцію. У результаті в клітині синтезуються ферменти, необхідні для розщеплення лактози. Адаптаційний сенс описаного механізму у тому, що за відсутності лактози ці гени неактивні, а клітина економить ресурси на синтезі відповідних (непотрібних) білків.

Рис. 9. Зміни активності генів під час адаптації до зміни складу поживного середовища

1 - РНК-полімераза, 2 - репресор, 3 - промотор, 4 - оператор, 5 - лактоза, 6-8 - гени, що кодують ферменти розщеплення лактози

Підготуйте повідомлення (презентацію) щодо механізмів регуляції експресії генів, використовуючи наукову літературу, інтернет-джерела, підручник з біології для 10 класу.

Зміни у функціонуванні генетичного апарату супроводжують не лише індивідуальні пристосування організмів до умов існування, а й еволюційні процеси. Сучасна біологія має потужні інструменти для аналізу змін, що відбувалися з генотипами різних організмів в процесі історичного розвитку. В організмів різних груп було знайдено гени, що мають подібну структуру, а їхні білкові продукти виконують схожі функції. У процесі еволюції гени можуть набувати змін унаслідок мутацій, а ті, що забезпечують кращу пристосованість організмів, закріплюються в генофонді популяцій. Деякі гени можуть подвоюватися з подальшою дивергенцією будови та функцій. Таке збільшення кількості генів створює додатковий матеріал для природного добору. Інші ж можуть втрачати свою функцію, перетворюючись на неробочі псевдогени. Яскравим прикладом є еволюція рецепторів у зоровій і слуховій сенсорних системах в наземних хребетних (рис. 10).

Отже, молекулярні механізми адаптацій мають важливе значення у пристосуванні організмів.

Рис. 10. Порівняння кількості генів, що кодують нюхові та зорові рецептори, у рептилій - предків ссавців (а), гризунів (б) та людиноподібних мавп (в).

Нюхові близько 300

Зорові 4

Нюхові 1600

Зорові 2

Нюхові 813 (з яких 433 псевдогени)

Зорові 3

Схарактеризуйте динаміку змін кількості зазначених рецепторів при виникненні ранніх ссавців і людиноподібних мавп. Пригадайте спосіб життя зображених ссавців. Поясніть адаптивне значення змін кількості нюхових та зорових рецепторів.

  • 1. Назвіть напрями формування адаптацій на молекулярному рівні організації живого.
  • 2. Схарактеризуйте механізми адаптацій на цьому рівні.
  • 3. Наведіть приклади адаптацій організму на молекулярному рівні.
  • 4. Обґрунтуйте значення адаптацій на молекулярному рівні для існування живого.