Расчетно-графическая работа по «Концепциям современного естествознания»

Мономеры, составляющие каждую из цепей ДНК, представляют собой сложные органические соединения, включающие в себя азотистые основания: аденин(А) или тимин(Т) или цитозин(Ц) или гуанин(Г), пятиатомный сахар-пентозу-дезоксирибозу,по имени которой и получила название сама ДНК, а так же остаток фосфорной кислоты. Эти соединения носят название нуклеотидов. 

Генетический код – свойственный всем живым  организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов. 

В ДНК используется четыре нуклеотида – аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T), которые в русскоязычной литературе обозначаются буквами А, Г, Ц и Т. Эти буквы составляют алфавит генетического кода. В РНК используются те же нуклеотиды, за исключением тимина, который заменён похожим нуклеотидом – урацилом, который обозначается буквой U (У в русскоязычной литературе). В молекулах ДНК и РНК нуклеотиды выстраиваются в цепочки и, таким образом, получаются последовательности генетических букв.

Генетический  код .

Для построения белков в природе используется 20 различных аминокислот. Каждый белок представляет собой цепочку или несколько цепочек аминокислот в строго определённой последовательности. Эта последовательность определяет строение белка, а следовательно все его биологические свойства. Набор аминокислот также универсален почти для всех живых организмов. 

Реализация  генетической информации в живых  клетках (то есть синтез белка, кодируемого  геном) осуществляется при помощи двух матричных процессов: транскрипции (то есть синтеза мРНК на матрице  ДНК) и трансляции генетического кода в аминокислотную последовательность (синтез полипептидной цепи на мРНК). Для кодирования 20 аминокислот, а также сигнала «стоп», означающего конец белковой последовательности, достаточно трёх последовательных нуклеотидов. Набор из трёх нуклеотидов называется триплетом. Принятые сокращения, соответствующие аминокислотам и кодонам, изображены на рисунке. 

 

Свойства  генетического кода.

Благодаря процессу транскрипции в клетке осуществляется передача информации от ДНК к белку: ДНК - и-РНК - белок. Генетическая информация, содержащаяся в ДНК и в и-РНК, заключена в последовательности расположения нуклеотидов в молекулах. Каким же образом происходит перевод информации с "языка" нуклеотидов на "язык" аминокислот? Такой перевод осуществляется с помощью генетического кода. Код, или шифр,- это система символов для перевода одной формы информации в другую. Генетический код - это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью последовательности расположения нуклеотидов в информационной РНК. Насколько важна именно последовательность расположения одних и тех же элементов (четырех нуклеотидов в РНК) для понимания и сохранения смысла информации, можно убедиться на простом примере: переставив буквы в слове код, мы получим слово с иным значением - док. Какими же свойствами обладает генетический код?  

1. Код триплетен. В состав РНК  входят 4 нуклеотида: А, Г, Ц, У.  Если бы мы пытались обозначить  одну аминокислоту одним нуклеотидом,  то 16 из 20 аминокислот остались бы  не зашифрованы. Двухбуквенный код позволил бы зашифровать 16 аминокислот (из четырех нуклеотидов можно составить 16 различных комбинаций, в каждой из которых имеется два нуклеотида). Природа создала трехбуквенный, или триплетный, код. Это означает, что каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательностью трех нуклеотидов, называемых триплетом или кодоном. Из 4 нуклеотидов можно создать 64 различные комбинации по 3 нуклеотида в каждой (4*4*4=64). Этого с избытком хватает для кодирования 20 аминокислот и, казалось бы, 44 кодона являются лишними. Однако это не так.  

2. Код вырожден. Это означает, что каждая аминокислота шфруется более чем одним кодоном (от двух до шести). Исключение составляют аминокислоты метионин и триптофан,  каждая из которых кодируется только одним триплетом. (Это видно из таблицы генетического кода .) Тот факт, что метионин кодируется одним триплетом АУТ, имеет особый смысл, который вам станет понятен позже ( 16 ).

3. Код однозначен. Каждый кодон шифрует только одну аминокислоту. У всех здоровых людей в гене, несущем информацию о бета-цепи гемоглобина , триплет ГАА или ГАГ, I стоящий на шестом месте, кодирует глутаминовую кислоту. У больных серповидноклеточной анемией второй нуклеотид в этом триплете заменен на У. Как видно из таблицы, триплеты ГУА или ГУГ, которые в этом случае образуются, кодируют аминокислоту валин. К чему приводит такая замена, вы уже знаете из раздела о ДНК .  

4. Между генами имеются "знаки препинания". В печатном тексте в конце каждой фразы стоит точка. Несколько связанных по смыслу фраз составляют абзац. На языке генетической информации таким абзацем являются оперон и комплементарная ему и-РНК. Каждый ген в опероне кодирует одну полипептидную цепочку - фразу. Так как в ряде случаев по матрице и-РНК последовательно создается несколько разных полипептидных цепей, они должны быть отделены друг от друга. Для этого в генетическом коде существуют три специальные триплета - УАА, УАГ, УГА, каждый из которых обозначает прекращения синтеза одной полипептидной цепи. Таким образом, эти триплеты выполняют функцию знаков препинания. Они находятся в конце каждого гена. Внутри гена нет "знаков препинания". Поскольку генетический код подобен языку, разберем это свойство на примере такой составленной из триплетов фразы: жил был кот тих был сер мил мне тот кот. Смысл написанного понятен, несмотря на отсутствие "знаков препинания. Если же мы уберем в первом слове одну букву (один нуклеотид в гене), но читать будем также тройками букв, то получится бессмыслица: илб ылк отт ихб ылс ерм илм нет отк от Нарушение смысла возникает и при выпадении одного или двух нуклеотидов из гена. Белок, который будет считываться с такого испорченного гена, не будет иметь ничего общего с тем белком, который кодировался нормальным геном.  

6. Код универсален. Генетический код един для всех живущих на Земле существ. У бактерий и грибов, пшеницы и хлопка, рыб и червей, лягушки и человека одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты.  

Заключение

Генетика - сравнительно молодая наука.  Но передней  стоят очень серьезные для человека проблемы.  Так генетика очень важна для решения многих медицинских вопросов,  связанных прежде всего с различными наследственными болезнями нервной системы (эпилепсия,  шизофрения), эндокринной системы (кретинизм), крови (гемофилия, некоторые анемии), а также существованием целого ряда тяжелых дефектов в строении человека: короткопалость, мышечная атрофия и другие. С помощью новейших цитологических методов, цитогенетических в частности,  производят широкие исследования генетических причин различного рода заболеваний,  благодаря чему существует новый раздел медицины - медицинская цитогенетика.

Разделы генетики,  связанные  с изучением действия мутагенов  на клетку (такие как радиационная генетика),  имеют прямое отношение к профилактической медицине.

Особую роль генетика стала  играть в  фармацевтической  промышленности  с развитием генетики микроорганизмов и генной инженерии. Несомненно, многое остается неизученным,  например, процесс возникновения мутаций или причины появления злокачественных опухолей. Именно своей важностью для решения многих проблем человека вызвана острая необходимость в дальнейшем развитии генетика. Тем более  что каждый человек ответственен за наследственное благополучие своих детей,  при этом важным фактором является его биологическое образование, так как знания в области аномалии, физиологии, генетики предостерегут человека от совершения ошибок.

Вопросы по тексту

1. Что представляет собой Генетика?
2. Что изучает Генетика?
3. Что означает геном?
4. Кем был предложен термин «геном»?
5. Что означает ген?
6. Что означает Генетический код?
7. Назовите свойства генетического кода?

 

Задание 4 (9). Энтропия открытой системы. Теорема Пригожина.

План

 

Введение

Энтропия открытой системы. Теорема Пригожина

Заключение

Вопросы по тексту

Введение

Открытые системы, термодинамические системы, которые обмениваются с окружающей средой веществом (а также энергией и импульсом). К наиболее важному типу О. с. относятся химические системы, в которых непрерывно протекают химические реакции, происходит поступление реагирующих веществ извне, а продукты реакций отводятся. Биологические системы, живые организмы можно также рассматривать как открытые химические системы. Такой подход к живым организмам позволяет исследовать процессы их развития и жизнедеятельности на основе законов термодинамики неравновесных процессов, физической и химической кинетики.

Энтропия открытой системы.

Применение второго закона к биологическим системам в его  классической формулировке приводит, как кажется на первый взгляд, к парадоксальному выводу, что процессы жизнедеятельности идут с нарушением принципов термодинамики.

Наиболее простыми являются свойства О. с. вблизи состояния термодинамического равновесия. Если отклонение О. с. от термодинамического равновесия мало и её состояние изменяется медленно, то неравновесное состояние можно охарактеризовать теми же параметрами, что и равновесное: температурой, химическими потенциалами компонентов системы и др. (но не с постоянными для всей системы значениями, а с зависящими от координат и времени). Степень неупорядоченности таких О. с., как и систем в равновесном состоянии, характеризуется энтропией . Энтропия О. с. в неравновесном (локально-равновесном) состоянии определяется, в силу аддитивности энтропии, как сумма значений энтропии отдельных малых элементов системы, находящихся в локальном равновесии.        

 Отклонения термодинамических  параметров от их равновесных  значений (термодинамические силы) вызывают в системе потоки энергии и вещества. Происходящие процессы переноса приводят к росту энтропии системы. Приращение энтропии системы в единицу времени называют производством энтропии.

   В самом деле, усложнение  и увеличение упорядоченности  организмов в период их роста сопровождаются кажущимся уменьшением, а не увеличением энтропии, как должно было бы следовать из второго закона.

   Однако увеличение  энтропии в необратимых самопроизвольных  процессах происходит в изолированных системах, а биологические системы являются открытыми. Проблема поэтому заключается в том, чтобы, во-первых, понять, как связано изменение энтропии с параметрами процессов в открытой системе, а во-вторых, выяснить, можно ли предсказать общее направление необратимых процессов в открытой системе по изменению её энтропии. Главная трудность в решении этой проблемы состоит в том, что мы должны учитывать изменение всех термодинамических величин во времени непосредственно в ходе процессов в открытой системе. Постулат И.Р. Пригожина состоит в том, что общее изменение энтропии dS открытой системы может происходить независимо либо за счёт процессов обмена с внешней средой (d_еS ), либо вследствие внутренних необратимых процессов (d_іS ):

                                       dS = d_еS + d_іS.                                         (4)

   Во всех реальных  случаях diS > 0, и только если внутренние процессы идут обратимо и равновесно, то diS = 0. Для изолированных систем deS = 0, и мы приходим к классической формулировке второго закона:

dS = d_іS = 0.

  В клеточном метаболизме  всегда можно выделить такие  две группы процессов. Например, поступление извне глюкозы, выделение  наружу продуктов ее окисления (d_еS) и окисление глюкозы в процессах дыхания (d_іS).

    В фотосинтезе  приток свободной энергии света  приводит к уменьшению энтропии клетки d_еS < 0, а процессы дыхания, диссимиляции в клетке увеличивают ее энтропию d_іS > 0. В зависимости от соотношения скоростей изменения d_еS и d_іS общая энтропия dS открытой системы может либо увеличиваться, либо уменьшаться со временем.

   Если единственной  причиной необратимости и увеличения  энтропии системы являются её  внутренние процессы, то они ведут  к уменьшению её термодинамического  потенциала. В этом случае

                                                d_iS/dt=1/T^.(dG/dt)_T.p ,                                  (5)

где G - полный термодинамический потенциал (или энергия Гиббса G = U + PV - TS ).

   Можно показать, что  скорость возникновения положительной  энтропии внутри открытой химической системы зависит от химического сродства А и скорости реакции u:

                                                    d_iS= 1/T^. Au˃0.                                       (6)

Химическое сродство А  определяется разностью химических потенциалов реагентов реакции, то есть её движущей силой.

   Выражение (6) имеет  простой смысл. Оно показывает, что скорость образования в  системе положительной энтропии  в ходе необратимого химического процесса прямо пропорциональна его движущей силе A и скорости u. Очевидно, что величина d_iS/dt является, вообще говоря, переменной, поскольку в ходе химической реакции все время изменяются переменные концентрации реагирующих веществ, а следовательно, и зависящие от них величины А и u.

Теорема Пригожина

Мы уже видели, что в  стационарном состоянии в открытой системе 

dS/dt=d_eS/dt +d_iS/dt=0,

причём каждый из членов d_eS/dt и d_iS/dt отличен от нуля. Возникает вопрос, можно ли по характеру изменений величины d_iS/dt во времени предсказать установление в открытой системе стационарного состояния. Ответ на этот вопрос даёт теорема Пригожина, согласно которой в стационарном состоянии положительная функция d_iS/dt принимает минимальное положительное значение. Следовательно, по мере приближения к стационарному состоянию скорость образования энтропии внутри открытой системы монотонно уменьшается, постепенно приближаясь к своему минимальному положительному значению. В этом состоит критерий направленности необратимых процессов в открытых системах, находящихся вблизи равновесия, где справедливы соотношения Онзагера.