WWW.KNIGI.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |

«Введение Бактерия как пример клетки, способной к сложному поведению Клетка представляет собой довольно сложное образование, способное как к индивидуальному ...»

-- [ Страница 1 ] --

Введение в количественную биологию

Васильев Алексей Артёмович при участии Окштейна Игоря Леонидовича

(семинары в рамках лекционно-семинарского курса «Основы биологии»)

часть 1 (осенний семестр)

Введение

Бактерия как пример клетки, способной к сложному поведению

Клетка представляет собой довольно сложное образование, способное как к

индивидуальному воспроизводству, так и к жизнедеятельности в составе многоклеточного организма.

Пример отдельной клетки, способной к сложному поведению – это подвижная бактерия, способная находить источник пищи.

Как ориентир с точки зрения потребностей и возможностей количественного описания на молекулярном уровне можно рассматривать поведение бактерий. Интересно обсудить алгоритм движения бактерий по статье Громова и возможности анализа (теоретической реконструкции) этого алгоритма.

Приложение. Статья Б.В. Громова «Поведение бактерий». СОЖ, №6, 1997, с. 28–32.

Движение бактерии (например, кишечной палочки) происходит за счет работы жгутиков.

Жгутик закручен против часовой стрелки. Поэтому при вращении каждого жгутика против часовой стрелки все жгутики свиваются (образуется единая спираль) и тогда движение происходит по прямой. При вращении по часовой стрелке жгутики развиваются, и тогда происходит вращение всей бактерии случайным образом с потерей ориентации.

Известно, что бактерия реализует алгоритм с чередованием случайной переориентации и движения по прямой. При этом расстояние, проходимое при одном броске, регулируется в зависимости от концентрации пищи (20–80 мкм, чем больше пищи, тем короче бросок).

В результате она оказывается способна находить источник пищи быстрее, чем при случайном блуждании.

Реально это так, хотя алгоритм нужно анализировать, чтобы понять его работоспособность и наличие решений, которые в нем использованы и увеличивают эффективность поиска пищи.

Естественно, интересны решения, которые могли бы увеличить эффективность, но почему-то не использованы.

Практическая реализация бактерией любого алгоритма требует получения информации из внешней среды, ее превращения (для чего используется информация в геноме). Для реализации описываемого алгоритма необходимы точные измерения концентрации (бактерия способна различать 1000 градаций концентрации) и память (очевидно эффективно сравнение результатов измерения концентрации пищевых молекул до броска и после него). Кроме того, нужны управляющие решения и их реализация в биохимическом исполнении. Для механического движения и осуществления других функций необходимо энергетическое снабжение... Есть и другие проблемы в связи с бактериальным движением такого рода.

Иными словами для осуществления процессов нормальной жизнедеятельности клетки нужна реализация многочисленных потребностей разного рода, с использованием возможностей молекулярного конструктора (т.е. возможностей, которые есть при конструировании на молекулярном уровне).

Другая сторона обсуждения наблюдаемых проявлений жизнедеятельности – это обсуждение причин наблюдаемого выбора из возможного набора решений. В частности, в связи с конкретным механизмом движения бактерии можно сформулировать многие важные вопросы, на которые было бы интересно получить ответы.

Чем определена характерная длина броска и диапазон его изменения? Почему характерная скорость составляет 30 мкм/с? Кишечная палочка тратит на работу жгутика 0,1% расходуемой ею энергии. Почему именно такова мощность одного жгутика? Можно ли обосновать число жгутиков (их у кишечной палочки 6-7)? Каково потребление энергии для движения и как оно соотносится с другими затратами? Известно, что подвижные бактерии имеют характерный размер около 1 мкм, можно ли его обосновать? Как от размера бактерии зависит успешность стратегии поиска пищи?

Ничто не мешает взять и еще шире. В самом общем смысле клетка состоит из вполне определенных структур, размеры и свойства которых определяют ее возможности, это все можно обсуждать с количественной точки зрения.

Жизнедеятельность можно рассматривать не обязательно как воспроизводство на молекулярном уровне + разные варианты редукции (актуальный аспект – предбиологическая эволюция? ;жизнедеятельность вирусов) Систематически применяемый подход можно представить как дерево рассуждений: на некотором уровне фиксируем организацию как заданную, и пытаемся объяснить наблюдаемые количественные характеристики, на следующем уровне – пытаемся объяснить эту организацию как целесообразную, на следующем уровне – пытаемся понять общие принципы жизнедеятельности в привязке к физической реальности и т.д.

В этой связи полезно ввести некоторые определения. Обсуждение связей между величинами в рамках заданной организации и определяющих ее характеристик (как биологических постоянных по аналогии с физическими константами) – это количественная биология. Задача обоснования заданной организации с наиболее общих позиций (по аналогии с теоретической физикой при описании физической реальности) – это теоретическая биология.

Этим подходам предшествует понимание того или иного механизма в целом – функциональная биология. А получение и использование традиционных фактологических описаний – это описательная биология.

Можно сформулировать еще несколько типов задач в терминах перечисленных наук.

Например, можно попробовать понять, какой должна быть экономическая стратегия (распределение и последовательность затрат на исполнение различных жизненных функций) одноклеточного организма (в зависимости от положения в систематике микроорганизмов и способа питания), учитывая необходимость воспроизводства. Она отличается у организмов разных размерных классов и можно обосновать наблюдаемые варианты выбора как целесообразные.



Другая задача – в каком количественном соотношении в процессах жизнедеятельности необходимо присутствие и участие различных классов молекул и составленных из них структур. Насколько универсальными они могут и должны быть – третья задача.

Для решения задач такого рода нужны широкие знания не только в разных областях биологии, но и физики, химии, математики, техники, экономики и т.д.

Конкретно, наблюдаемые процессы необходимо представлять и описывать в терминах теории управления, молекулярной физики, химической кинетики и т.д. Для описания движения в вязкой среде также нужны различные подходы – физические, экономические, биоинженерные.

Нужны также статистические расчеты (выход на статистическую физику и теорию вероятностей), численные расчеты (вычислительная математика и умение программировать) и анализ алгоритмов, подход к описанию движения клетки как сложной структуры (где важна клеточная мускулатура, энергетика, возможности управления движением и т.д.) Не менее важные аспекты – молекулярные датчики, усиление, распознавание различных сигналов и ситуаций (оценка рациональной чувствительности – с учетом возможных флуктуаций концентрации), экономический анализ поведения (количественное выражение возможностей и целесообразности в связи с ними). Интересны также проблемы кодирования информации и взаимодействия генов (на примере относительно короткого генома: связь генов и свойств отдельных структур, набор минимально необходимых генов и т.п.)

СТРУКТУРА БИОЛОГИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛ. СВЯЗЬ С ДИФФУЗИЕЙ

Функциональные возможности клеток (индивидуально либо в составе организма) следуют из физико-химических ограничений в связи с наблюдаемыми структурами. Основа жизнедеятельности – функционирование биологических макромолекул (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов) и агрегатов молекул (липидных мембран, рибосом и других макромолекулярных комплексов).

Рассмотрим структуры важнейших биологических макромолекул и агрегатов молекул, их свойства и связанные с ними ограничения в количественном выражении.

Ограничения начинаются с химического состава, определяемого химическими формулами. Для компактного описания структуры органических молекул используют графические и структурные формулы, представление в виде последовательности остатков мономеров (для гетерополимеров белков и нуклеиновых кислот), а также разделение на одноуглеродные фрагменты (ОУФ – см. [Мушкамбаров ]) и т.д.

Геометрическую форму молекулы в растворе определяет пространственная конфигурация зарядов на ее поверхности. Для выполнения функций многих молекул необходима устойчивость пространственной структуры (например, таким свойством должен обладать реакционный центр фермента). Структура многих молекул термодинамически устойчива.

Практически эта стабильность обеспечена за счет слабых связей. Тогда молекулу можно разделить на домены, выделяя в том числе и нестабильные фрагменты (например, «хвосты»

фосфолипидов при «жидком» состоянии мембраны).

Белки – полимеры, состоящие из остатков аминокислот. Каждая аминокислота состоит из стандартной части молекулы (она одинакова у 19 из 20 аминокислот), и радикала (вариабельной части, она у различных аминокислот разная). Две аминокислоты (только формально: в клетке это всегда делается с помощью рибосомы) можно соединить друг с другом реакцией дегидратации: образуется пептидная связь Приложение (пептидная связь, рис., Макеев, с. 24, там же пространственная ориентация L/D – изомеры аминокислот) Два конца получившегося димера отличаются друг от друга по строению и свойствам и называются N- и C-концы. Далее и к одному, и к другому концу можно присоединить новые аминокислоты, но в любом случае вся цепочка будет иметь с одной стороны N-конец, а с другой стороны C-конец. Такая нить из аминокислот называется первичной структурой белка. Соответственно, простейший способ описания структуры белка – это последовательность его аминокислотных остатков.

Молекулярная масса аминокислотного остатка в середине молекулы меньше молекулярной массы аминокислоты на молекулярную массу воды и она также уменьшается для N– и С– концевых остатков (на 17 и 1 у.е. соответственно).

Принята конвенция, по которой при описании структуры белка последовательность остатков пишется, начиная с N-конца, причем аминокислотные остатки обозначают (см. там же) тремя буквами (позволяет легко восстановить полное название), см. пример в задаче ниже, или одной (для максимальной краткости).

Изучение первичной структуры белков в простейших случаях иллюстрируют две задачи I.5 и I.2 из списка, составленного А.В. Макеевым Определяется первичная аминокислотная последовательность полипептида, состоящего из 21 а.о. Его амино- и карбоксиконцевые остатки были идентифицированы как лизин и аспарагин соответственно. Частичное расщепление полипептида тремя разными способами и последующее определение последовательности а.о. в получившихся фрагментах дало следующие результаты:

1-е расщепление 2-е расщепление 3-е расщепление Arg-Lys-Leu-Trp-Lys Ile-Arg-Ile Leu-Trp Phe-Cys-Leu-Gly Val-Asp-Asn Lys-Val-Asp-Asn-Ile Ile-Arg-Ile-Pro Lys-Tyr-Leu Leu-Gly-Arg-Lys Выпишите последовательность а.о. в полипептиде.

Комментарии:

определения: белок (больше 30 а.о.), полипептид (если короче /но больше 10 а.о., иначе дипептид, трипептид и т.д.) по сути, решается экспериментальная проблема: как анализировать сложную молекулу, которая в пространстве образует структуру с внутренними связями, недоступными для сложная задача, но она решена подход: можно разрезать на короткие фрагменты разными способами, а затем сравнить получаемые наборы Ответ: Lys-Tyr-Leu-Phe-Cys-Leu-Gly-Arg-Lys-Leu-Trp-Lys-ValAsp-Asn-Ile-Arg-Ile-Pro-Cys-Asn.

Белок, состоящий из 125 аминокислотных остатков, содержит аланин (13.41 вес.%), валин (24.92 вес.%), глицин (13.32 вес.%), пролин (6. вес.%), серин (14.07 вес.%), лейцин (21.49 вес.%) и неизвестную аминокислоту. Известно также, что N-концевым а.о. является аланин, а Сконцевым - лейцин, и что содержание пролина в белке - 7 молей/моль.



Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |
 



Похожие работы:

«А. Г. ЕМЕЛЬЯНОВ ОСНОВЫ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ Учебник Для студентов учреждений высшего профессионального образования, обучающихся по направлениям Экология и природопользование, География, Землеустройство и кадастры 8 е издание, стереотипное УДК 91(075.8) ББК 20.18я73 Е60 Р е ц е н з е н т ы: чл. кор. РАН, проф. К. Н. Дьяконов (зав. кафедрой физической географии и ландшафтоведения МГУ им. М. В. Ломоносова); д р геогр. наук, проф. Б. И. Кочуров (вед. науч. сотр. Института географии РАН) Емельянов А....»

«РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ПО БИОЛОГИИ 5-9 классы Пояснительная записка Рабочая программа по биологии для основной школы составлена на основе Примерной программы по биологии 5-9 классы, программы основного общего образования по биологии 5-9 классы (автор В.В. Пасечник, В.В. Латюшин, Г.Г. Швецов), Фундаментального ядра содержания общего образования и Требований к результатам основного общего образования, представленных в федеральном государственном образовательном стандарте общего образования второго...»

«Соловьва Анна Юрьевна ИЗУЧЕНИЕ АККУМУЛЯЦИИ СЕЛЕНА И ВЛИЯНИЯ ЕГО НА НАКОПЛЕНИЕ ПЕРВИЧНЫХ И ВТОРИЧНЫХ МЕТАБОЛИТОВ В ЛЕКАРСТВЕННОМ И ЭФИРНО-МАСЛИЧНОМ СЫРЬЕ 06.01. 06 – луговодство и лекарственные, эфирно-масличные культуры Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук Научный руководитель доктор сельскохозяйственных наук, доцент Е.Л.МАЛАНКИНА Москва – 2014 2 Список сокращений БАВ - биологически активные вещества ЭМ - эфирное масло СФ - спектрофотометр ГФ 11 -...»

«Доклад Состояние и охрана окружающей среды Липецкой области в 2011 году Липецк – 2012 УДК -502.1 ББК – 20.1 (2Р-4Ли) Д 63 Состояние и охрана окружающей среды Липецкой области в 2011 году. Доклад. – Липецк, 2012 – 264 стр. В докладе дан анализ современного состояния окружающей среды и природопользования на территории области и в муниципальных образованиях, влияния экологических факторов среды обитания на здоровье человека. Помимо этого в данном издании приведены основные направления деятельности...»

«О КНИГЕ УРОВНИ ОХРАНЫ ЖИВОЙ ПРИРОДЫ А.В. ЯБЛОКОВА И С.А.ОСТРОУМОВА И.Ю. Чернов, Е.А. Криксунов ON THE BOOK LEVELS OF LIVING NATURE CONSERVATION AUTHORED BY A.V.YABLOKOV AND S.A.OSTROUMOV I.Yu. Chernov, E.A. Kriksunov Moscow State University, Russian Academy of Sciences Рассматриваемая книга [Уровни охраны живой природы. М.: Наука, 1985. 176 с., ил. Библиогр.: с.169-172 [соавторы книги: членкорр. РАН А.В. Яблоков, доктор биологических наук С.А. Остроумов.]; отв. редактор академик Н. Г. Хрущев....»

«Доронина А.Ю. НОВЫЕ ДАННЫЕ К УТОЧНЕНИЮ ГРАНИЦ АРЕАЛОВ НЕКОТОРЫХ ВИДОВ СОСУДИСТЫХ РАСТЕНИЙ, НАЙДЕННЫХ В 2008 Г. НА ВОСТОКЕ ЛЕНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ (ПОДПОРОЖСКИЙ И ТИХВИНСКИЙ РАЙОНЫ, ПРИРОДНЫЙ ПАРК ВЕПССКИЙ ЛЕС) В ходе работ 2008 г. в природном парке Вепсский лес, обнаружено большое число новых местонахождений редких видов сосудистых растений, в том числе находящихся на границах ареалов. Фактический материал, касающийся местонахождений этих видов, в дальнейшем может служить основой для уточнения...»

«ДЕМОГРАФИЯ: РУССКИЙ ПРОРЫВ Независимое исследование 2006 год ББК 66.1 Б33 Башлачев Вениамин Анатольевич Демография: русский прорыв. Независимое исследование. Серия Национальная безопасность. Выпуск 4. – М.: Белые альвы. 2006, - 192с.: илл. ISBN 5-7619-0251-6 Эта книга для тех, кто хочет понять: куда мы, русские идем?. что разрушает демографическое благополучие?. Автор отказался от искусственности официальной демографии. Русская жизнеспособность исследована на основе системного анализа. Показаны...»

«ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРИУРАЛЬЯ Материалы Х летней студенческой школы (1-12 августа 2012г.) Пермь 2012 1 MINISTRY OF EDUCATION AND SCIENCE OF THE RUSSIAN FEDERATION Federal State-Funded Educational Institution of Higher Vocational Education PERM STATE NATIONAL RESEARCH UNIVERSITY ITALIAN-RUSSIAN INSTITUTE FOR ECOLOGICAL EDUCATION AND RESEARCH Department of Biocenology and Nature Protection PSNRU GEOENVIRONMANTAL PROBLEMS OF PRIURALYE Results of International Summer School 2012 (1-12 August...»

«1 2 Содержание 1. Пояснительная записка. 3 2. Требования к уровню подготовки учащихся. 5 3. Календарно-тематическое планирование. 6 4. Содержание программы учебного курса.9 5. Формы и средства контроля.17 6. Перечень учебно-методических средств обучения.18 3 Пояснительная записка Рабочая программа составлена на основе авторской учебной программы под редакцией проф. И.Н.Пономарёвой; Природоведение. Биология. Экология: 5-11 классы: программы. – М.: Вентана-Граф, 2008 и Рекомендаций по...»






 
© 2013 www.knigi.konflib.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.