uzluga.ru
добавить свой файл
1


Лекции 10 и 11 (А. П. Перевозчиков) Свойства макромолекул и макромолекулярных систем, проявляющиеся в ходе реализации программ развития и в эволюции

  • Аксиоматика и закономерности

  • организации и эволюции макромолекулярных систем живых организмов


Last universal Common Ancestor, (LUA or LUCA, the cenancestor or "number one" (на сленге)

  • Как полагают этот наиболее общий предок всех живущих на Земле организмов уже существовал 3,5 -3,8 миллиардов лет назад.

  • D-глюкоза как источник энергии, АТФ, гликолиз. Процессы репликации ДНК, транскрипции и трансляции РНК (рРНК. тРНК) были такие же, как описано у современных организмов. Клетки были окружены мембраной с билипидным слоем.



Carl Woese et al., 1990 – Филогенетическое дерево жизни (кладограмма на основании ДНК-посл. малой рибосомной РНК)



Царства живых организмов



Newman, Bhat 2009 предложили модель, согласно которой организм создаётся из комбинации простых модулей (сообществ клеток), характеризующихся по главному динамичному свойству (DPM)





Newman, Bhat 2009: “Pattern language for development and morphological evolution”

  • Мы предполагаем, что механизмы развития современных животных могут быть поняты в терминах языка паттернирования форм многоклеточных. Элементами этого языка являются преобразования физического умолчания недифференцированных агрегатов клеток: топологически жестких, геометрически сферических, и пространственно обнообразных форм. Главные преобразования (трансформации):

  • 1) образование стабильной смеси клеток, пребывающих в более чем одном биохимическом состоянии,

  • 2) стабильное образование отчётливых клеточных слоёв, 3)образование внутренних полостей,

  • 4) удлинение клеточной массы (пример - конвергентное удлинение),

  • 5) создание неоднородных паттернов клеточных типов и

  • 6) образование дисперсных субпопуляций клеток без дезинтеграции организма.



Newman, Bhat 2009: “Pattern language for development and morphological evolution”

  • Сравнительные анатомы долгое время считали, что тела животных представляют собой книги , написанные на одном морфологическом языке. Недавно, молекулярные эволюционисты открыли, что Metazoa могут быть описаны с учётом общего эмбрионально-генетического словаря. Оба взгляда происходят, по нашему мнению, от молчаливого принятия единообразного языка паттернирования развития животных. Грамматика этого языка появилась внезапно более 500 млн. лет назад, когда группы белков и сигнальных путей одноклеточных начали действовать в мезомасштабе, заставляя работать физические законы для создания программируемых событий и определённого окружения для нужд конструирования многоклеточных организмов.



Аксиоматическое представление о макромолекулах на Земле

  • Биохимическая универсальность

  • Подразумевает единство на молекулярном уровне структурно-функциональных элементов, составляющих живые системы от архей до высших животных и растений (С. Фокс и К. Дозе,1975).



Биохимическая универсальность: виды биомолекул, составляющих живые системы, имеют сходные структуры у всех организмов















Пример эволюционного происхождения мультифункциональных белков

  • Эволюция структуры фермента - синтазы жирных кислот





Жирные кислоты входят в состав фосфолипидов, триглицеридов и сфинголипидов



Ферментные активности комплекса синтазы жирынех кислот эволюционируют в один мультидоменный белок (от микроорганизмов к позвоночным)











Полимеризация (дупликация) и полиморфизм (дивергенция) на морфогенетическом уровне (принцип полимеризации и олигомеризации беспозвоночных В. А. Догеля) и на генетическом (дупликация генов с последующей дивергенцией обоснована С. Оно)



Эволюционные древа животных, построенные на основании молекулярно-генетических (слева) и морфологических (справа) критериев



Модулярность органогенеза



Цикличность функционирования макромолекулярных систем

  • Создаются по принципу отрицательной обратной связи в цепочках (каскадах) регуляции



  • Молекулярные основы мышления и памяти



  • Нейроны пытаются понять сами себя!



  • Нейропластичность (часто трактуемая как пластичность мозга или пластичность его коры) отражает изменения,происходящие в ходе развития (организации) структур мозга и выявляемые при изучении в постнатальном периоде.

  • Удивительное следствие нейропластичности заключается в то, что район мозга, отвечающий за выполнение какой-то функции может менять свое расположение (перемещаться) при повреждение места его прежней локализации, что подтверждает важность головного мозга как регулятора сохранения целостности всего индивида



Различные формы обучения и памяти. Декларативная, или эксплицитная память может быть определена как семантическая (словесная), или автобиографическая (память об эпизодах), за неё ответственен гиппокамп. Недекларативная, или имплицитная память, представленная в виде отдельных групп бессознательно запоминающихся парадигм, за которые отвечают определенные районы мозга.



  • Считается, что кратковременная память определяется только в виде функциональных изменений в уже существующих в клетках сигнальных цепочках, опосредуемых их более тонкой настройкой.

  • Судьба кратковременных изменений двояка: они либо затухают (стираются), или забываются полностью (забывчивость), либо многократно усиливаются (переписываются в долговременную память в ходе процесса, именуемого консолидацией памяти.



Молекулярные факторы, принимающие участие в реализации механизмов памяти (в случае долговременной памяти задействована экспрессия ряда генов)





Механизмы консолидации, забывания и вспоминания:

  • Механизмы консолидации, забывания и вспоминания:



Нейропластичность опровергает положение о том, что разные виды мозговых функций закреплены за отдельными его районами



  • Концепция нейропластичности изменяет наши представления об организации и деятельности головного мозга, которые до сих пор определялись как эволюционно устоявшиеся под действием факторов внешней среды. Десятилетиями вырабатывался взгляд, что более низшие слои переднего мозга и неокортекс формировали в развитии устойчивые структуры, тогда как районы связанные с памятью, такие как гиппокамп, его важные районы (dentate gyrus), где нейроны продолжают формироваться у взрослого организма, остаются очень пластичными (лабильными).

  • Исследователи показали, что ocular dominance columns в низшей неокортикальной зрительной области V1 остаются в целом неизменными по окончании критического периода в развитии, а вот в области, отвечающая за языковые навыки нейронные(сенсорные) цепочки формируются после достижения критических периодов развития. Изменения во внешней среде могут , таким образом, менять поведенческие характеристики и характеристики сознания, модифицируя связи между новыми нейронами в гиппокампе.



  • Десятилетия исследований показывают, что существенные изменения в более низких слоях неокортекса могут основательно менять модели нейрональной активности в ответ на внешние воздействия. В соответствии с теорией нейропластичности, такие процессы как мышление, обучение и поведение изменяют не только функциональное устройство мозга (сверху донизу), но и ,возможно, его физическую организацию

  • Критический анализ устоявшихся представлений о неизменности взаимоотношений между районами неокортекса и его функциями приводит к тому, что нейропластичность - необходимое свойство и что отмеченные выше процессы могут захватывать анатомически разные районы коры и другие участки головного мозга позвоночных.



  • Все макромолекулярные взаимодействия (включая развитие, нейропластичность, рассмотренные на индивидуальных жизненных отрезках и эволюционно) реализуются в соответствии с общими основными принципами



  • Эти принципы касаются клеточного метаболизма, пролиферации, дифференцировки и трансдифференцировки, состояния стресса, апоптоза, миграции клеток, межклеточных контактов и обмена сигналами.



Основные принципы

  • Можно сказать, что биомакромолекулы образуют специфические системы, простые и достаточно сложные комплексы или модули (которые могут быть специфичны для каждой ткани) сохраняющиеся и совершенствующиеся в эволюции.

  • Развитие и эволюция многоклеточных организмов (животных) происходят в соответствии с одними и теми же основными принципами организации и взаимодействия макромолекулярных систем:



Основные принципы организации макромолекулярных систем:

  • Биохимическая yниверсальность означает существование и использование для создания форм и структур организмов одних и тех же классов макромолекул

  • Узнавание (recognition) клеток клеткам, белка белками или нуклеиновыми кислотами (НК), узнавание между НК – все эти процессы отвечают за избирательность взаимодействий между макромолекулярными системами (ММС), за межклеточные контакты , за ферментативные и иммунные реакции.



Основные принципы работы макромолекулярных систем: (продолжение):

  • 3. Полимеризация (Polymerization) (за счет матричных свойств), воспроизведение макромолекул и ММС и увеличение их количества. Вместе со способностью узнавания макромолекулами друг друга объясняет такие свойства как: образование нуклеопротеидных и межбелковых комплексов, сборку вирусных капсид, сборку биомембран, процессы репликации, транскрипции, трансляции.

  • Полифункциональность (Multifuctionality) ММ и ММС наделяет одни и стркутуры разными свойствами и обеспечивает таким образом высокую интегративность многокомпонентны систем, комплексов, структур. Полифункциональность первичная и вторичная

  • Функциональный полиморфизм (Functional dispersion) объясняет происхождение путём небольших модификаций дисперсии функции сходных видов молекул (избыточно полимеризованных молекул), что обеспечивает адаптивную изменчивость систем, даёт гарантию (страховку) их надежности и интегративности.



Основные принципы работы макромолекулярных систем: (продолжение):

  • 6. Макромолекулярные системы могут в том числе представлять собой функциональные (сигнальные) цепочки способные стабильно функционировать (за счёт положительной обратной связи) или осциллировать (за счёт отрицательной обратной связи), обеспечивая периодичность процессов (молекулярные часы, клеточные циклы и т.п.) Последнее свойство может быть базой для создания нейральных цепочек и сетей



Основные принципы организации и существования биомакромолекулярных систем

  • Биохимическая универсальность

  • Узнавание

  • Полимеризация

  • Мультфункциональность (с ограничениями)

  • Функциональная дисперсия (полиморфизм)



Выводимые (операционные) свойства макромолекул, вытекающие из реализации основных принципов работы макромолекулярных систем.

  • Ремоделирование систем,

  • Иерархичность

  • Модулярность

  • Коопция

  • Цикличность

  • Канализация

  • Cпециализация и интеграция



Основные принципы дают возможность построить языковые модели для ММС

  • Сигнальные цепочки могут соответствовать деятельности хорошо-известных логических функций (конъюнкция, дизъюнкция, импликация и т.п.).

  • С другой стороны, вероятностное описание работы этих логических моделей позволяет описать функционирование макромолекулярных систем как языковых структур*



ПЕРСПЕКТИВЫ

  • СВЕДЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНО-БИОЛОГИЧЕСКОГО И МОРФОЛОГИЧЕСКОГО ПОДХОДОВ К ОПИСАНИЮ ПРОЦЕССОВ РАЗВИТИЯ МНОГОКЛЕТОЧНЫХ ОРГАНИЗМОВ (ЖИВОТНЫХ) НА ОДНОМ ЯЗЫКЕ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ЗЕМНОГО РАЗНООБРАЗИЯ И ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИХ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ