close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

1545 bondarenko a. p. prigoda a. s gmo noviy ekologicheskiy faktor

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки Республики Казахстан
Павлодарский государственный университет
им. С. Торайгырова
ГМО – НОВЫЙ
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКТОР
Учебно-методическое пособие
для студентов естественных специальностей
Павлодар
Кереку
2011
УДК 504.75:577.021(07)
ББК 28.04я7
Г 34
Рекомендовано к изданию учебно-методическим советом
факультета химических технологий и естествознания
Павлодарского государственного университета
им. С. Торайгырова
Рецензенты:
У. Х. Альмишев – доктор сельскохозяйственных наук,
профессор, заведующий кафедрой агротехнологии;
Н. Е. Тарасовская – доктор биологических наук, доцент
Инновационного евразийского университета.
Составители: Бондаренко А. П., Пригода А. С.
Г 34 ГМО – новый экологический фактор : учебно – методическое
пособие для студентов естественных специальностей / сост. :
А. П. Бондаренко, А. С. Пригода – Павлодар : Кереку, 2011. –
163 с.
Учебно-методическое пособие предназначено для студентов
естественных специальностей, а также полезно для преподавателей
при подготовке к занятиям. В пособии показана реализация
информации участка генома в организм и проведен анализ возможных
последствий в различных областях деятельности человека.
УДК 504.75:577.021(07)
ББК 28.04я7
 Бондаренко А. П., Пригода А. С. 2012
 ПГУ им С. Торайгырова, 2012
За достоверность материалов, грамматические и орфографические ошибки
ответственность несут авторы и составители
2
Введение
Проблемы, которые мы относим к «экологическим» последние
десятилетия постоянно находятся в центре внимания общества в
самых различных областях его деятельности. Это связано с тем, что не
только дальнейшее развитие, но и само существование человечества
невозможно в среде жизни, не отвечающей экологическим
особенностям человека как биологического вида.
Многие исследователи, изучающие становление человечества,
отмечают недостаточность мер, им принимаемых в области охраны
окружающей среды и, более того, в неэффективности этих мер, в
связи с тем, что вектор прилагаемых усилий не соответствует
направлению действующих угроз. Более того, значительную часть
проблем, относимых к «экологическим», а по сути дела –
природоохранным, невозможно решить, оставаясь в плоскости
действия экологических наук.
Многие технологии современного мира, изменяются столь
быстро, что знания, полученные за период учебы, становятся не
актуальными. Такие изменения происходят в первую очередь в
областях информационных технологий, генной инженерии и
некоторым другим. К сожалению, любая технология может быть
использована не только во благо, но и во вред человечеству. Эта
опасность не результат самих технологий – эта опасность – в способе
их применения человечеством. По-видимому это заставило лауреатов
Нобелевской премии
Фрэнсиса Крика и Мориса Уилкинса –
участников расшифровки структуры ДНК – приостановить работу над
разработкой трансгенной модификации.
Речь идет не о том, чтобы отказаться от того или иного
достижения технологии – речь идет о том, чтобы не оказаться
погребенным этой технологией – тому в развитии «прогресса»
слишком много печальных историй. Предложение законодательно
запретить ГМО равносильно предложению о законодательном запрете
кухонных ножей или автомобилей, на основании статистических
данных, показывающих высокий уровень смертности, который они
обуславливают.
В восприятии мира, окружающего нас мы используем два
способа рецепции: эмоциональный, действующий в режиме
двоичного кода и позволяющий реагировать быстро без значительных
затрат энергии, и рациональный (логический), требующий
значительных энергетических расходов. Во многих случаях оправдан
3
и достаточен первый механизм ответа, но слишком част соблазн
использовать его во всех случаях.
Для того, чтобы составить собственное мнение о возможности
применения ГМО в производстве продуктов питания необходимо
иметь представление о некоторых свойствах живого: биологии клетки,
биохимии, генетики и некоторых других. Основы такого понимания
изложены
частях данного пособия. Также показана история
развития генной инженерии, которая и привела к появлению
продуктов питания из генетически модифицированных организмов.
В конечном счете, проблема не в трансгенной инженерии,
проблема находится в иной плоскости. История знает немало
открытий и изобретений, которые сулили блага человечеству, но
благодаря способу применения, давших совсем не ожидаемый эффект.
Это всем известные антибиотики, спасшие множество жизней. Однако
бесконтрольность их применение, обращение в распространенный и
доступный товар привели к необходимости увеличивать дозы
лекарств или производить все новые и новые формы. Аналогичная
ситуация сложилась и с пестицидами. Стремление полностью
уничтожить нежелательные формы жизни привели к гонке
химических
корпораций,
производящих
ядохимикаты
с
изменчивостью и приспособлением живых организмов. Нетрудно
предугадать результат этой гонки. В выигрыше будут корпорации,
которые никогда не смогут уничтожить стремления к жизни.
Проигравшим окажется человечество. Бесконтрольное использование
ГМ-организмов – это один из этапов этой бестолковой гонки, к тому
же отягощенный дополнительными угрозами человечеству.
Речь не идет об отказе от новой и перспективной технологии –
речь идет о том, что в погоне за прибылью, сиюминутной выгоде
группы людей, человечество может, в очередной раз ввязаться в
гонку, в которой победить невозможно, поскольку невозможно
обогнать самого себя. Необходимо подумать о свойствах джина до
того, как он вышел из бутылки, ловить эфемерную субстанцию –
утомительное занятие.
Анализ реализации программы генома показывает значении
веществ белковой природы в непосредственном или опосредованном
исполнении информации, прописанной в ДНК. Одна из возможных
проблем заключается в том, что существует опасность
разбалансировки естественных внутренних систем защиты организма.
Это связано с тем, что производство веществ не нужных организму
или проступающих в достаточных количествах, переходит в
неактивное состояние. И поскольку человек по природе склонен к
4
излишествам, он способен переложить все регулирующие функции на
вещества извне. Подобные проблемы будут возникать как при
наличии умысла, в использовании ГМО в качестве биологического
оружия, так и без такого умысла.
Отношение к ГМО как во всем мире, так и у жителей
Павлодара негативно, оно формируется преимущественно средствами
массовой информации, однако уровень осведомленности среди
жителей Павлодарской области незначителен. Несмотря на
имеющееся школьное образование, которого достаточно, чтобы
понимать основы механизма действия ГМО, большинство
опрошенных не имеют об этом никакого представления. В данном
пособии предпринята попытка изложения механизма клетки,
реализующего генные модификации, понимание которых позволит
осознано решать вопрос личного отношения к продуктам,
произведенным из ТМ организмов и собственным экономическим
участием голосовать за применение или неиспользование ГМ
технологий.
5
1 Биологическая общность живого вещества Земли
Все живые организмы имеют единство химического состава,
что, прежде всего, проявляется в преобладающем участии небольшого
количества химических атомов в основной массе живого - 98%
приходится на углерод, водород, кислород и азот, и в хиральности
некоторых типов органических молекул, в первую очередь
аминокислот и сахаров. Для живых организмов характерен общий
план строения, они существуют благодаря поступлению в них энергии
из окружающей среды, осуществляют обмен веществ со средой
жизни; приспособлены к определенным условиям внешней среды и
могут адаптироваться при их изменении; они развиваются,
размножаются, обладают наследственностью и изменчивостью.
Интуитивно мы с легкостью отличим «живую собаку от
мертвого льва», однако словесное определение живого достаточно
сложно. Не придя к единому универсальному определению, жизнь
характеризуют комплексом свойств и признаков, совокупность
которых позволяет провести границу, отделяет живое от не живого –
рисунок 1.
Рисунок 1 – Свойства (признаки) живого
В последние годы, или даже десятилетия стало, пожалуй,
правилом в определении жизни, ее свойств, апеллировать к
термодинамике, теории информации и другим наукам, однако при
6
этом мы или подменяем биологию науками, терминами, понятиями
которыми биологи, как правило, не владеют или уходим в области,
находящиеся за пределами классических биологических наук. Так в
объяснении признаков живого для подготовки ЕГЭ в блоге репетитора
ЕГЭ по биологии (biorepetitor-ufa.ru), глубокомысленно отмечается,
что существует краткое, но довольно емкое определение жизни как
“островков упорядоченности в океане беспорядка”, что говорит о
высокой образности, но далеко от понимания сущности вопроса.
Однако говоря об упорядоченности, мы должны заметить, что
упорядоченность, как выделенность, аспект информационного – это
ограничение, и, таким образом, вместо интуитивно ясного понимания
живого и неживого, попадаем в бесконечный лабиринт определений.
Понимая это, В. Вернадский, будучи по специальности геологом, не
стал вдаваться в дебри дефиниций, но назвал живые организмы
Биосферы – «живым веществом». Несколько в стороне, но достаточно
важным в этой области, является подход И. Пригожина,
рассматривающего живые системы, как системы энергетические,
требующие постоянного притока энергии извне, для поддержания
неустойчивого
равновесия.
Таким
образом,
способность
преобразовывать энергию, информацию и, как следствие этого –
химическое вещество являются общими свойствами живого.
Пожалуй, любой из признаков, свойств живого, взятый по
отдельности может быть обнаружен и в системах, не относимым нами
к живым, и лишь их совокупность позволяет отличить живое от
неживого. Но даже при учете всей совокупности признаков имеются
объекты, которые находятся на границе живого и неживого, их, с
полным основанием, можно отнести к тому или иному классу вещей.
Это вирусы и риккетсии. Обладая способностью к размножению,
передаче наследственной информации и ее использовании в создании
специфических молекул они по праву относятся к классу живого.
Однако такая деятельность может осуществляться лишь в живых
клетках, в которых ДНК вируса или риккетсии захватывает
управление биохимической активностью и благодаря энергии и
веществу клетки хозяина строит собственный организм. В
зависимости от уровня экологических отношений клетка-хозяин
может погибнуть или продолжает функционировать, выполнив
«миссию размножения».
Рассмотрим некоторые, группы живых организмов, имеющих
значение при оценке экологической роли генетической модификации
организмов, используемых в качестве источников пищевых
продуктов.
7
Вирусы
Вирусы (от лат. virus - яд), фильтрующиеся вирусы,
ультравирусы - возбудители инфекционных болезней растений,
животных и человека, размножающиеся только в живых клетках. В
отличие от бактерий, вирусы не удаётся культивировать на обычных
питательных средах. Для экспериментальных и медицинских целей их
культивируют в животных и растительных организмах, куриных
эмбрионах и в культурах тканей и клеток. Вирусы вызывают многие
заболевания: оспу, корь, грипп, полиомиелит, чуму рогатого скота и
птиц, бешенство, ряд заболеваний рыб и земноводных, желтуху
шелкопряда, мозаичную болезнь табака, многие заболевания грибов и
сине-зелёных водорослей. Обширный отряд вирусов, поражающих
бактерии, составляют бактериофаги. На рисунке 2 показано
схематическое изображение части вируса.
Рисунок 2 − Вирус табачной мозаики - ВТМ. Схематическое
изображение части вируса
Вирусы малы, на рисунке 3 для сравнения даны массы, а на
рисунке 4 - размеры эритроцита, бактерии, вирусов и некоторых
молекул. В
зависимости от применяемых методов и условий
исследования разные авторы получали величины, отклоняющиеся от
приводимых, однако порядок величин во всех случаях сохраняется.
Химический состав разных вирусов неодинаков. Одни содержат
липиды; среди них есть организмы с ДНК (оспы, герпеса), с РНК
(гриппа, птичьей чумы). У других вирусов липиды отсутствуют. В
этой группе также есть организмы с ДНК (аденовирусы, большинство
бактериофагов, вирус желтухи шелкопряда) и с РНК (полиомиелита,
ящура). Кроме липидов, белка и нуклеиновой кислоты, в организме
8
вирусов встречаются в небольшом количестве полиамины (путресцин,
спермидин), иногда витамины (витамин B2, фолиевая кислота), а
также ряд металлов; в некоторых представителях содержатся
соединения белка с полисахаридами.
О происхождении вирусов имеются различные предположения.
Некоторые считают, что они могут спонтанно зарождаться в
организме хозяина под влиянием неблагоприятных условий. Но это
мнение опровергается следами длительной эволюции, (их
приспособление к циркуляции в природе), а также отсутствием
переходных форм между вирусами и органоидами клетки. Другие
исследователи полагают, что вирусы - потомки простейших форм
жизни, однако и это предположение маловероятно, так как
выраженный паразитический характер вирусов предполагает
существование более высокоорганизованных существ, в которых они
могли бы жить и размножаться. Поэтому наиболее вероятно их
возникновение от свободно живущих более сложно организованных
форм, и простота вирусов вторична, она - результат приспособления к
паразитическому образу жизни.
10000000000
100000000
М а с с а
1000000
10000
100
и
ош
+
н ип
б
ел
ок
Бе
г
ло
ем
к ог
ге
м
ло
оц
би
иа
на
л
ни
ри
г
ны
ци
ак
в
ус
В
ир
ад
A
па
8
са
пе
ер
г
ны
ци
В
ир
ус
К
в
иш
ак
еч
Э
на
ри
я тр
па
оц
ло
ит
0 ,0 1
чк
а
.
1
О бъ е к т
и с с л е д ов ан и й
Масса дана в 106 атомных масс водорода
Рисунок 3 − Массы эритроцита, бактерии, вирусов и
некоторых молекул
9
1000
ш и р и н у (н м )
Д иам етр ил и дл ина, ум нож енная на
10000
100
10
1
Э р и т р о ц и т .
К и ш е ч н а я п а л о ч ка
В и р ус в а кц и н ы
В и р ус в а кц и н ы
Белок
б е л о к ге м о гл о б и н а
ге р п е с а гр и и п п а ге м о ц и а н и н + A 8
лошади
О б ъ е к т
и с с л е д о в а н и я
Рисунок 4 − Размеры эритроцита, бактерии, вирусов и
некоторых молекул
Микроорганизмы
Микроорганизмы,
микробы
обширная
группа
преимущественно одноклеточных живых существ, которые
различимы только под микроскопом и организованных проще, чем
растения и животные. К микроорганизмам относят бактерии,
микоплазмы, актиномицеты, дрожжи, микроскопические грибы и
водоросли (иногда к микроорганизмам причисляют простейших и
вирусы). Часто, говоря о микроорганизмах, имеют в виду бактерии,
остальные организмы или включают в эту группу, или упоминают,
как нечто малосущественное. Таким образом, и до настоящего
времени нет общепринятой систематики.
В данное время нет единства во взглядах на общую систему
живого мира. Согласно одной из точек зрения попытки уложить все
существующее разнообразие организмов в жесткую схему
нецелесообразны, поскольку любые искусственные разграничения
нарушают естественные связи между организмами. Следствие этого тенденция наименьшего дробления органического мира, признание
целесообразности выделения только двух царств: Plantae (растения) и
Animalia (животные). Эта точка зрения акцентирует внимание на
чертах сходства, соединяющих различные типы организмов, и на
существовании переходов от одной группы организмов к другой в
процессе эволюции.
10
Микроорганизмы широко распространены в природе. Их общая
масса на планете примерно в 25 раз превышает массу всех животных.
Встречаются они повсеместно, кроме кратеров вулканов и эпицентра
ядерного взрыва. В одном кубическом метре воздуха содержится от
нескольких микробных клеток до десятков тысяч. В зависимости от
степени загрязнения число бактерий в 1 см3 воды колеблется от
десятков и сотен до величин, превышающих миллион.
Данные о различии в строении клеток микроорганизмов,
входящих в группу Protista, начали накапливаться с конца XIX в, Это
повлекло за собой деление группы на высшие и низшие протисты. К
высшим протистам стали относить микроскопических животных
(простейших), микроскопические водоросли (кроме сине-зеленых) и
микроскопические грибы (плесени, дрожжи), к низшим - все бактерии
и сине-зеленые водоросли (последние чаще называют теперь
цианобактериями). Деление на высшие и низшие протисты
происходило в соответствии с двумя выявленными типами клеточной
организации - эукариотной и прокариотной. Высшие протисты имеют
эукариотное строение клеток, т. е. являются эукариотами, низшие прокариотное.
В соответствии с противоположным представлением разделение
всех живых форм на крупные таксоны (царства) наиболее полно
отражает существующее многообразие типов жизни, подчеркивая эту
сторону живого мира. Согласно первой точке зрения все
микроорганизмы рассматриваются как примитивные растения или
животные и соответственно входят в состав царств Plantae или
Animalia. Согласно второй - микроорганизмы могут претендовать на
уникальное место в иерархии живых форм, что впервые понял Э.
Геккель. Дальнейшее изучение геккелевских "первосуществ" выявило
неоднородность этой группы. Тогда же стало ясно, что понятие
"микроорганизм" не имеет таксономического смысла. Оно объединяет
организмы по признаку их малых (как правило, видимых только с
помощью соответствующих приборов) размеров и связанных с этим
специфических методов изучения.
Микроорганизмы делят на прокариоты у которых имеется
примитивное ядро, содержащее одну хромосому, они не имеют
оболочки и делятся перетяжкой, в цитоплазме отсутствуют
митохондрии, большинство форм лишено хроматофоров, и эукариоты,
которые сходны с клетками высших растений и животных - ядро
содержит набор хромосом, имеет оболочку; у многих нормальный
половой цикл, клетки их содержат эндоплазматическую сеть и
митохондрии, у фотосинтетиков - хлоропласты. К микроорганизмам -
11
прокариотам относят бактерии, микоплазмы, актиномицеты,
синезелёные водоросли, к эукариотам - дрожжи, микроскопические
грибы и водоросли.
Большинство микроорганизмов имеют одну клетку. Однако
многие плесневые грибы имеют многоклеточный мицелий. Как
правило, у микроорганизмов нет хлорофилла, но пурпурные и
зелёные фотоавтотрофные бактерии, как и микроскопические
водоросли,
содержат
фотосинтетические
пигменты
бактериохлорофиллы и хлорофилл. Бактерии размножаются
делением, дрожжи и микобактерии - почкованием, плесневые грибы делением клеток и образованием конидий и спор.
Микроорганизмы включают в себя представителей самых
разнообразных организмов, различающихся по происхождению,
строению, морфологии, способу питания и другим важнейшим
характеристикам. Систематика микроорганизмов чрезвычайно
сложна.
Многие
микроорганизмы
имеют
одинаковые
морфологические признаки и различные физиологические свойства.
Родственные связи между представителями мельчайших организмов
часто неясны, эволюция многих групп неизвестна.
Разные исследователи предлагают различные систематики,
однако единой классификации пока не существует. На рисунке 5
приведены основные систематические группы микроорганизмов.
Микроорганизмы
микробы
Бактерии
(Bacteriae)
микробы
Актиномицеты
(Actinomicetes),
стрептомицеты, лучистые
грибки
Грибы (Fungi или
Mycetes)
Микоплазмы
(Mycoplasmatales)
Дрожжи,
сахаромицеты
(Saccharomycetales)
Водоросли (Algae)
Простейшие
(Protozoa)
Вирусы (Virus)
фильтрующиеся
вирусы ультравирусы
Рисунок 5 – Основные группы микроорганизмов
12
Как
показывает
название,
объекты,
относимые
к
микроорганизмам, были выделены по признаку их малых размеров.
Если принять за критерий границу видимости невооруженным глазом,
равную 70-80 мкм, то все объекты, которые лежат за пределами этой
границы, можно отнести к микроорганизмам. Мир микроорганизмов это преимущественно мир одноклеточных форм. Диапазон размеров
микроорганизмов велик – таблица 1.
Величина самых крупных представителей микромира, лежащих
на границе видимости невооруженным глазом, приблизительно 100
мкм (некоторые диатомовые водоросли, высшие протисты). На
порядок ниже размеры одноклеточных зеленых водорослей и клеток
дрожжей, еще ниже размеры, характерные для большинства бактерий.
В среднем линейные размеры бактерий лежат в пределах 0,5–3 мкм.
В то же время клетки нитчатой серобактерии Beggiatoa alba
имеют диаметр до 50 мкм; Achromatium oxaliferum, считающийся
одним из крупных бактериальных организмов, имеет в длину 15-100
мкм при поперечнике примерно 5-33 мкм, а длина клетки спирохеты
может быть до 250 мкм.
Самые мелкие из известных прокариотных клеток микоплазмы. Описаны представители с диаметром клеток 0,1–0,15
мкм. Поскольку молекулы всех соединений имеют определенные
физические размеры, то, исходя из объема клетки с диаметром 0, 15
мкм, легко подсчитать. что в ней может содержаться порядка 1200
молекул белка и осуществляться около 100 ферментативных реакций.
Минимальное число ферментов, нуклеиновых кислот и других
макромолекулярных
компонентов,
необходимых
для
самовоспроизведения
теоретической
"минимальной
клетки",
составляет, по проведенной оценке, около 50. Это то, что необходимо
для поддержания клеточной структуры и обеспечения клеточного
метаболизма. Таким образом, в группе микоплазм достигнут размер
клеток, близкий к теоретическому пределу клеточного уровня
организации жизни. Мельчайшие микоплазменные клетки равны или
даже меньше частиц другой группы микроскопических организмов вирусов.
Если бактериальные клетки обычно можно увидеть в световой
микроскоп, то вирусы, размеры большинства которых находятся в
диапазоне 16–200 нм, лежат за пределами его разрешающей
способности. Впервые наблюдать вирусы и выяснить их структуру
удалось после изобретения электронного микроскопа.
13
Таблица 1 – Размеры различных объектов
Объект
Мелкие
Обычные
Крупные
Одноклеточные эукариоты
Некоторые диатомовые водоросли и
высшие протисты
Зеленая водоросль Chlorella
Клетка дрожжей Saccharomyces
Прокариотные организмы
Achromatium oxaliferum
Beggiatoa alba
Cristispira pectinis
Macromonas mobilis
Thiovulum majus
Spirochaeta plicatilis
Bacillus subtilis
Escherichia coli
Staphylococcus aureus
Thiobacillus thioparus
Rickettsia prowazeki
Mycoplasma mycoides
Bdellovibrio bacteriororus
Haemobarfonella muris
Wolbachia melophagi
Линейные
размеры, мкм*
100
2-10
6-10
5-33х15-100
2-10х1-50
1,5х36-72
6-14х10-30
5-25
0,2-0,7х80-250
0,7-0,8x2-3
0,3-1х1-6
0,5-1,0
0,5х1-3
0,3-0,6x0,8-2
0,1х0,25
0,3x1,2
0,1x0,3-0,7
0,3х0,6
По своим размерам вирусы занимают место между самыми
мелкими бактериальными клетками и самыми крупными
органическими молекулами. Размер частиц вируса-сателлита (18 нм) и
величина крупной молекулы глобулярного белка (13 нм) близки.
Таким образом, если раньше между известными биологам
организмами и неживыми молекулами химиков существовала
пропасть, то теперь этой пропасти нет: она заполнена вирусами.
Бактерии
Бактерии произошли от различных в систематическом
отношении организмов, актиномицеты родственны грибам, некоторые
нитчатые бактерии близки к синезелёным водорослям, спирохеты - к
простейшим и т.д. Все микроорганизмы также делят на патогенные
(болезнетворные) и непатогенные. Возбудители большинства
14
инфекционных заболеваний - бактерии, значительно реже - дрожжи,
плесневые грибы и актиномицеты.
В процессе эволюции микробы адаптировались к самым
различным
экологическим
условиям.
Известны
бактерии,
размножающиеся при 65-75 °С, психрофильные микроорганизмы,
растущие при минус 6°С, галофильные микроорганизмы,
размножающиеся в среде, содержащей до 25 % NaCl, бактерии,
которые обитают в воде, охлаждающей атомные реакторы, и
переносят облучение в 3-4 х 106 Р, осмофильные дрожжи, живущие в
мёде и варенье, ацидофильные бактерии, размножающиеся в кислых
средах при pH 1,0, баротолерантные бактерии, выдерживающие
давление в несколько сот атм. Необычайная устойчивость
микроорганизмов к различным факторам внешней среды позволяет им
занимать крайние границы биосферы: их обнаруживают в грунте
океана на глубине 11 км, на поверхности ледников и снега в Арктике,
Антарктике и высоко в горах, в почве пустынь, в атмосфере на высоте
20 км и т.д.
Бактерии - большая группа (тип) микроскопических,
преимущественно
одноклеточных
организмов,
обладающих
клеточной стенкой, содержащих дезоксирибонуклеиновую кислоту
(ДНК), имеющих примитивное ядро, лишённое видимых хромосом и
оболочки, не содержащих, как правило, хлорофилла и пластид,
размножающихся поперечным делением (реже перетяжкой или
почкованием).
Подавляющее число видов бактерий имеет палочковидную
форму. Однако к бактериям относят также микроорганизмы, имеющие
шаровидную, нитевидную или извитую форму. Они разнообразны по
своей физиологии, биохимически очень активны и распространены в
почве, воде, грунте водоёмов и встречаются практически во всех
элементах биосферы. Бактерии не представляют единой группы,
различно так же их происхождение. Некоторые (например, нитчатые,
азотобактер и др. близки к синезелёным водорослям,
другие
родственны лучистым грибкам – актиномицетам, спирохеты и
некоторые другие бактерии имеют сходство с одноклеточными
животными – простейшими.
Систематика и морфология бактерий
Систематическое положение бактерий определяют их
размерами, морфологией клеток, характеру роста чистой культуры на
разных питательных средах, форме, цвету и поверхности колоний,
вырастающих на плотных средах. Устанавливают также характер
разжижения желатины, способность их свёртывать молоко,
15
сбраживать различные углеводы, восстанавливать нитраты,
образовывать аммиак, сероводород и индол при разложении белков
и т.п. После того, как бактерии выделены и получена характеристика
культуры, определяют её систематическое положение.
Бактерии подразделяют на три класса. Первый класс - Eubacteria
- объединяет бактерий, имеющих плотную клеточную стенку и не
образующих плодовых тел. В этом классе различают следующие
порядки:
1) Eubacteriales - одноклеточные кокки, неветвящиеся палочки и
спирально извитые формы; к этому порядку относятся все
неспороносные и спороносные бактерии, фотосинтезирующие
бактерии, спирохеты и др.;
2) Trichobacteriales - многоклеточные нитчатые бактерии с
поперечными перегородками;
3) Ferribacteriales - одноклеточные не нитчатые автотрофные
железобактерии;
4) Thiobacteriales - одноклеточные автотрофные серобактерии.
Второй класс - Myxobacteria - объединяет бактерии с тонкой
клеточной стенкой и реактивным характером движения, образующие
микроцисты и плодовые тела различной формы.
К третьему классу - Hyphomicrobiales - относят клетки, дающие
длинные нити, на концах которых образуются почки; отделившиеся
почки подвижны.
Диаметр шаровидных бактерий обычно равен 1-2 мкм, ширина
палочковидных форм колеблется от 0,4 до 0,8 мкм, длина равна 2-5
мкм. Реже встречаются крупные бактерии. Так, серобактерия
Thiophysa macrophysa имеет 20 мкм в диаметре, нити других
серобактерий (Beggiatoa) видны невооружённым глазом. Есть также
очень мелкие бактерии, например Bdellovibrio, паразитирующие на
бактериях обычных размеров. Некоторые бактерии, например
возбудители плевропневмонии рогатого скота, столь мелки, что
невидимы в оптический микроскоп.
Шаровидные бактерии называются кокками, если же они
располагаются попарно, - диплококками. Если кокки размножаются
поперечным делением и после деления остаются соединёнными,
образуя цепочки, то их называют стрептококками. При делении
клеток в трёх взаимно перпендикулярных направлениях образуются
пакеты клеток, типичные для сарцин. При делении кокков в
различных плоскостях возникают скопления клеток в виде грозди
винограда, что характерно для стафилококков.
16
Палочковидные бактерии, образующие споры, называются
бациллами. Палочковидные формы могут иметь «обрубленные» или
выпуклые концы и располагаются отдельно или, реже, в виде цепочки.
Бактерии, образующие длинные нити, - нитчатые бактерии, обитают
преимущественно в воде. Бактерии, имеющие форму запятой вибрионы, извитые формы с грубыми спиральными завитками, с
несколькими равномерными тонкими завитками - спирохеты.
Все бактерии имеют клеточную стенку. Она отчётливо видна
при помещении в раствор поваренной соли; при этом содержимое
клетки сжимается и отстаёт от стенки - наступает плазмолиз –
рисунок 5. У некоторых бактерий клеточная стенка окружена
слизистой капсулой, присутствие которой может быть установлено
при их помещении в раствор туши. При большом увеличении с
помощью электронного микроскопа видно, что клеточная стенка
состоит из нескольких слоев (обычно трёх). В её состав входят
мураминовая кислота, аминокислоты, липиды, глюкозамин и другие
соединения. Химический состав клеточной стенки у разных
систематических групп, а также у бактерий, окрашивающихся и не
окрашивающихся по Грамму, различен.
Большую роль в обмене веществ играет цитоплазматическая
мембрана, находящаяся под клеточной стенкой. В мембране,
сосредоточены многочисленные ферментные системы бактериальной
клетки. В цитоплазме имеются рибосомы, в состав которых входит
РНК. Содержание нуклеиновых кислот у бактерий колеблется от 10 до
22% при разном отношении РНК/ДНК. С помощью электронной
микроскопии установлено присутствие в бактериальной клетке нитей
ДНК, образующих ядро, лишённое оболочки, которое называют
нуклеоидом.
Строение ядра бактерий неодинаково. Так, у более сложно
организованных организмов (Myxobacteriales, Hyphomycrobiales), ядра
легко могут быть обнаружены при микроскопии окрашенных
препаратов в оптическом микроскопе. У многих бактерий цитоплазма
уплотнена на концах клеток и образует окрашивающиеся полярные
зёрна.
Клетки бактерий содержат запасные вещества: жировые
включения, зёрна гликогена, метахроматина, а также вакуоли,
содержащие жидкость или газ. В отличие от грибов, бактерии не
содержат митохондрий, что свидетельствует об их более
примитивном строении. Многие бактерии подвижны, такие формы
имеют длинные жгутики, состоящие из сократительного белка.
17
Благодаря волнообразным и спиральным движениям жгутиков клетка
перемещается.
У миксобактерий, которые также подвижны, жгутиков нет, и
они передвигаются в результате набухания в окружающей среде
слизи, выделяемой клетками (реактивный способ движения).
Миксобактерии (Myxobacteria) (от греч. myха - слизь и бактерии) аэробные бактерии палочковидной формы (0,5*3 - 15 мкм);
большинство видов, в отличие от истинных бактерий (Eubacteriales),
имеет ядро, легко окрашиваемое основными красителями без
предварительного гидролиза клеток соляной кислотой. Размножаются
перетяжкой или поперечным делением. Плоские слизистые колонии
миксобактерий могут перемещаться по плотной поверхности. В
старых культурах их клетки превращаются в округлые формы микроцисты, скапливающиеся в плодовые тела рисунок - 6 (до 0,5-1,5
мм) разной формы и окрашенные в жёлтый, оранжевый, зелёный или
другой цвет. Миксобактерии обитают в почве, навозе, растительных
остатках, участвуют в их аэробном разрушении.
Физиология и жизненный цикл бактерий
После деления каждая из двух дочерних бактериальных клеток
начинает расти и достигает размеров материнского организма. Это
рост отдельной клетки. Размножение клеток, составляющих
популяцию, приводит к увеличению общего числа клеток. В этом
случае говорят о росте культуры. При росте культуры в жидкой
питательной среде последняя становится мутной; чем больше клеток в
культуре, тем она мутнее. Об интенсивности роста судят на основании
подсчёта клеток в 1 мл культуры с помощью микроскопа или
определяют с помощью нефелометра степень мутности питательной
среды.
Определяя количество клеток в разные периоды роста культуры,
можно получить кривую роста, отражающую несколько фаз: вначале
клетки не размножаются, затем начинают делиться, причём скорость
размножения всё время возрастает; далее наступает фаза, для которой
характерна постоянная скорость деления клеток; затем эта скорость
уменьшается и наступает отмирание клеток. Для получения
максимального количества клеток бактерии выращивают в условиях
проточной культуры (обычно в ферментерах); при этом из сосуда, в
котором они размножаются, вытекает определенный объём культуры;
одновременно в сосуд добавляется в таком же количестве свежая
стерильная питательная среда.
При размножении микроорганизмов не в проточных, а в
стационарных условиях происходит изменение питательной среды и
18
накопление в ней продуктов жизнедеятельности, вследствие чего
меняются и их физиологические особенности. Так, молодые клетки
Clostridium acetobutylicum не способны образовывать ацетон; это
свойство они приобретают в более старой культуре. Если
спороносные бактерии выращивать в условиях проточной культуры,
они будут делиться, но не будут давать спор. При выращивании
бактерий на плотных питательных средах они образуют скопления
клеток разных размеров, формы, цвета, называемые колониями.
Изменение морфологии клеток бактерий во времени даёт
представление об их жизненном цикле. Многие аэробные и
анаэробные бактерии образуют овальные или круглые блестящие
споры. Такие виды называются спороносными бактериями (или
бациллами). Если споры крупные и располагаются в центре клетки, то
палочка приобретает веретенообразную форму у других видов спора
располагается на конце палочки, и тогда она приобретает форму
булавы или барабанной палочки.
В дальнейшем остатки вегетативной клетки разрушаются, и
спора становится свободной. В каждой клетке образуется только одна
спора и, следовательно, спорообразование нельзя рассматривать как
размножение. Споры бактерий очень устойчивы к действию высокой
температуры и ядовитых веществ. Попав в благоприятную
питательную среду, споры прорастают и из них выходят молодые
палочковидные вегетативные клетки.
Питание бактерий
В состав бактериальных клеток входят те же биогенные
элементы и микроэлементы, что и в состав клеток высших растений и
животных. Это С, N, О, Н, S, Р, К, Mg, Ca, Cl, Fe и многие другие.
Помимо белка, углеводов и жиров, они содержат также РНК и
большое количество ДНК. Все эти метаболиты могут быть
синтезированы только из веществ, содержащихся в окружающей
среде.
Как правило, через полупроницаемую клеточную стенку и
цитоплазматическую мембрану внутрь клетки проходят только
растворимые вещества. Под действием гидролитических ферментов,
поступающих из бактериальных клеток наружу, происходит
разложение более сложных веществ (например, крахмала, целлюлозы)
с образованием растворимых продуктов (например, моносахаров),
усваиваемых клеткой.
В качестве источника азота бактерии могут усваивать белки,
аминокислоты, аммонийные соли, нитраты. Разные виды способны
утилизировать различные источники азота. Ранее считали, что
19
некоторые патогенные (болезнетворные) и молочнокислые бактерии
могут развиваться лишь в питательных средах с белками. В
дальнейшем выяснилось, что источником азота для таких организмов
могут служить аммонийные соли.
Существует много видов бактерий из разных систематических
групп, которые способны усваивать не только азот тех или иных
азотсодержащих веществ, но и фиксировать молекулярный азот
атмосферы. К таким азотфиксирующим микроорганизмам относятся
азотобактерии, микобактерии, пурпурные фотосинтезирующие
бактерии, а также клубеньковые бактерии.
Источниками минерального питания для бактерий служат
фосфор, сера, хлор, калий, натрий, кальций, железо, многие виды
нуждаются также в микроэлементах (Mo, Мn, Сu, В, V и многих
других). Для размножения бактерий необходимы также факторы роста
микроорганизмов, к которым относятся витамины группы В, биотин,
пантотеновая кислота, фолиевая кислота. Бактерии, способные
синтезировать эти вещества, называются ауксоавтотрофами. К ним
относятся псевдомоносы и многие другие неспороносные бактерии.
При выращивании бактерий, не способных к синтезу факторов роста,
их добавляют в питательную среду. Такие организмы называются
ауксогетеротрофами, к ним относятся, например, различные
молочнокислые бактерии.
Источниками углерода для бактерий могут служить углеводы,
спирты, органические кислоты, лигнин, хитин, углеводороды, жиры и
многие другие органические вещества. Способность усваивать
углерод из тех или иных источников у разных видов бактерий
варьирует, и этим пользуются для целей систематики. Бактерии,
усваивающие углерод органических соединений, называются
гетеротрофными. Бактерии, усваивающие углерод углекислого газа
атмосферы, называются автотрофными. Виды, использующие для
фиксации углекислоты энергию солнечных лучей, называют
фотоавтотрофами.
Группа бактерий, получающих энергию в результате окисления
таких неорганических веществ, как аммиак, нитриты, сера, водород,
способных усваивать углекислоту за счёт энергии, освобождающейся
при
окислении
неорганических
соединений,
называют
хемоавтотрофами, а сам процесс ассимиляции двуокиси углерода,
открытый С. Н. Виноградским, - хемосинтезом.
Экология бактерий
Бактерии относятся к космополитам. Одни и те же виды
бактерий можно найти на всех материках, почти повсеместно.
20
Количество их в почве, воде и других средах определяют прямым
подсчётом клеток в окрашенном препарате либо посевом на разные
питательные среды. В 1 г почвы содержатся сотни тысяч или
миллионы бактерий; в 1 мл воды - десятки или сотни клеток. Большое
влияние на бактериальную микрофлору оказывают экологические
условия. Так, окультуренные почвы не только содержат больше
бактерий, чем, например, почвы пустынь, но и различаются по
видовому составу микрофлоры.
Полагают, что современной микробиологии известно не более
десятой части бактерий, существующих в природе. Применение
методов капиллярной и электронной микроскопии препаратов почвы
позволяют обнаруживать множество новых видов. Развиваясь в самых
разных экологических условиях, бактерии в процессе эволюции
приспособились к ним. Так возникли термофильные бактерии,
обитающие в воде горячих источников, в разогревающихся кучах
торфа или навоза, психрофильные формы, живущие при низкой
температуре в воде полярных морей, галофильные бактерии,
способные размножаться в среде, содержащей до 20% поваренной
соли, ацидофильные и алкалофильные бактерии, растущие в очень
кислой или сильно щелочной среде, и другие.
Широкое распространение в природе определенных источников
углерода или азота привело в ходе эволюции к физиологической
конвергенции, то есть появлению у представителей различных
систематических групп бактерий способности усваивать биогенный
элемент из одного источника. Так, бактерии, фиксирующие
атмосферный азот, принадлежат к различным классам, порядкам и
семействам. Способностью утилизировать целлюлозу обладают
многие бактерии, далёкие в систематическом отношении. Между
разными видами
бактерий, с одной стороны, и другими
микроорганизмами, растениями или животными - с другой, могут
существовать как антагонистические, так и симбиотические
отношения. Некоторые бактерии образуют пигменты, антибиотики
или органические кислоты, угнетающие жизнедеятельность других
бактерий, грибов, водорослей, одноклеточных и некоторых клеток
многоклеточных животных. Бактериальные вирусы - бактериофаги проникают внутрь бактерий и, размножаясь в них, вызывают гибель и
лизис микроорганизмов.
При симбиотических - основанных на взаимной пользе,
отношениях один вид бактерий может потреблять продукты
жизнедеятельности другого вида, накопление которых в
культуральной жидкости тормозит рост последнего. В свою очередь
21
симбионт может выделять в среду добавочные факторы роста,
необходимые другому виду. Бактерии, обитающие в кишечнике
животных или человека и питающиеся за счёт содержимого
кишечника, образуют ферменты, необходимые для пищеварения, а
также ряд веществ, крайне важных для жизни хозяина (незаменимые
аминокислоты, различные витамины и другие важные для
жизнедеятельности вещества).
Так же велика роль микроорганизмов, в том числе бактерий, в
круговороте азота. Животные, питаясь растениями, синтезируют
белок и другие азотсодержащие продукты своего тела за счёт белка
растений. При минерализации животного и растительного белка
гнилостные бактерии образуют аммиак, который окисляется
нитрифицирующими бактериями в нитриты и затем в нитраты. Как
аммонийные соли, так и нитраты служат источником азотистого
питания для высших растений, синтезирующих при этом белки своего
тела.
Минерализующая
способность
бактерий
обеспечивает
круговорот и других биогенных элементов. Разрушая органические
соединения фосфора, они обогащают минеральными соединениями
фосфора водоёмы и почву. Под влиянием бактерий происходит
минерализация и органических соединений серы. Серные бактерии
могут окислять сероводород, серу или некоторые её соединения до
серной кислоты, другие способны восстанавливать сульфаты с
образованием сероводорода.
Микоплазмы
Микоплазмы
(Mycoplasmatales)
очень
мелкие
микроорганизмы, отличающиеся от истинных бактерий (Eubacteriae)
отсутствием клеточной стенки. Микоплазмы – грамотрицательны и,
как правило, неподвижны, не образуют спор, способны проходить
через бактериальные фильтры. В жидких питательных средах имеют
кокковидную, дисковидную, нитевидную и другие формы, на плотных
средах дают мелкие колонии с тёмным центром. Размножаются путём
деления нитей на кокковидные клетки. По ряду морфологических и
физиологических признаков сходны с L-формами бактерий.
К микоплазмам относят микробы, которые ранее назывались
плевропневмониеподобными организмами (PPLO - формы); они
вызывают у крупного рогатого скота плевропневмонию, а у птиц –
респираторный микоплазмоз. Микоплазмы встречаются также у
человека при заболеваниях ревматического и артрического характера,
инфекциях молочных желёз и дыхательных путей; известны
сапрофитные формы, обитающие на слизистой оболочке рта, в воде
22
пресных водоёмов, сточных водах, навозе и участвующие в
круговороте веществ в природе.
Актиномицеты
Актиномицеты (Actinomicetes), стрептомицеты, лучистые
грибки - группа микроорганизмов, соединяющая в себе черты
бактерий и грибов. Для актиномицетов характерно нитевидное или
палочковидное и кокковидное строение и наличие боковых выростов;
все они окрашиваются по Грамму. К актиномицетам относятся:
- собственно актиномицеты (род Actinomyces), образующие
споры на спороносцах, формирующиеся в виде длинных цепочек
путём сегментации или фрагментации спороносцев;
- проактиномицеты (Proactinomyces) с хорошо развитым
мицелием, распадающимся на палочки и кокки; микобактерии
(Mycobacterium) с типичным ветвлением мицелия в виде
палочковидных
клеток,
размножающихся
делением
(перешнуровыванием);
- микококки (Mycococcus) в виде округлых неправильно
очерченных клеток (часто с боковыми выростами - почками),
размножающихся перешнуровыванием и почкованием;
- микромоноспоры (Micromonospora) - группа, объединяющая 4
рода (Micromonospora, Microbispora, Micropolyspora и Actinobifida);
- формы со сложными органами плодоношения - спорангиями
со спорами внутри (Streptosporangium, Actinosporangium);
- формы, образующие споры со жгутиками (Actinoplanes,
Dermatophilus).
Актиномицеты широко распространены в почвах, в иле
водоёмов, в воздухе и на растительных остатках. Среди
актиномицетов
имеются
патогенные
формы,
вызывающие
актиномикоз, туберкулёз (Mycobacterium tuberculosis), дифтерию
(Corynebacterium diphtheriae); некоторые виды микобактерии
поражают растения; проактиномицеты образуют клубеньки на корнях
ольхи и других растений, способствуя их росту. Большинство
актиномицетов. питается белковыми или небелковыми органическими
веществами, но среди них есть и автотрофы, а также формы, для
которых источником углерода могут служить воски, смолы,
парафины, нефть.
Источником азота для актиномицетов служат нитраты,
аммонийные соли, мочевина, аминокислоты и др. Живут они в самых
разных условиях: в аэробных и анаэробных, при температурах 5-7 и
45-70°C. Представители актиномицетов участвуют в разнообразных
почвенных процессах (аммонификации, разложении клетчатки,
23
синтезе и разложении перегноя). Многие актиномицеты продуцируют
антибиотики, витамины, пигменты, аминокислоты и другие
биологически активные вещества.
Дрожжи
Дрожжи, сахаромицеты (Saccharomycetales) – порядок
одноклеточных грибов класса сумчатых грибов. Размножаются, как
правило, почкованием. Клетки дрожжей обычно овальные или
яйцевидные, длиной 8-10 мкм, шириной 2-7 мкм. Половой процесс у
дрожжей заключается в том, что обычно 2 внешне одинаковые, реже
различные, клетки сближаются и копулируют, при этом сливается их
содержимое и затем развивается сумка (аск), в которой формируются
так называемые аскоспоры. К дрожжам нередко относят
одноклеточные грибы, размножающиеся почкованием, но не
образующие аскоспор; их следует называть дрожжеподобными
грибами и относить к несовершенным грибам.
Дрожжи широко распространены в природе, особенно там, где
имеются сахаристые вещества (ягоды, фрукты, нектар цветов,
молочные продукты и другие органические вещества). В связи со
способностью дрожжей производить спиртовое брожение сахаров их
используют в хлебопечении, виноделии, пивоварении, спиртовом и
глицериновом производстве, в молочной промышленности, для
получения эргостерина (провитамин D2), нуклеиновых кислот.
Дрожжи содержат высококачественный белок, углеводы, богаты
витаминами группы В. Жидкие пивные дрожжи улучшают секрецию
желудочных и поджелудочной желёз, усиливают всасывание пищевых
веществ в кишечнике, повышают сопротивляемость организма к
инфекциям. Их назначают при анемиях, сахарном диабете,
фурункулёзе, язвенной болезни, невралгиях, а также при
необходимости повысить содержание белков в пищевом рационе.
Среди дрожжей и дрожжеподобных грибов встречаются и патогенные
формы, вызывающие у человека и животных заболевания бластомикозы и кандидамикозы.
Грибы
Грибы (Fungi или Mycetes) - обособленная группа (отдел)
низших растений, лишённых хлорофилла. Для своего развития грибы
нуждаются в готовом органическом веществе, поэтому их относят к
гетеротрофным организмам. Они обычно поселяются на растениях,
животных или их остатках. В зависимости от питательного субстрата
(живого или мёртвого) грибы подразделяются на паразитов и
сапрофитов, включающих съедобные и ядовитые для человека и
животных. Известно свыше 100 тысяч видов грибов.
24
У большинства грибов, за исключением некоторых форм
внутриклеточных паразитов, вегетативное тело в виде мицелия
(грибницы), то есть состоит из тонких ветвящихся нитей, или гиф,
растущих своими концами и распространяющихся на поверхности или
внутри питательного субстрата. Развивающаяся грибница часто имеет
вид нежного, пушистого или паутинистого налёта, тонких плёнок или
ватообразных скоплений; может изменяться в зависимости от условий
развития.
У грибов различают вегетативное и репродуктивное (как
бесполое, так и половое) размножение. Стадия полового размножения
называется совершенной, или высшей, а бесполого репродуктивного
размножения
- несовершенной. Вегетативное размножение
осуществляется обрывками или частицами мицелия, шнуров и
ризоморф, а также склероциями. Эти частицы расселяются
различными путями и, попав в благоприятную среду, могут дать
начало развитию новой грибницы.
Более специализированный способ этого типа размножения разъединение грибницы на отдельные клетки (споры) - оидии, геммы
и хламидоспоры. Оидии - округлые или удлинённые клетки,
покрытые тонкой оболочкой, неспособные долго сохраняться, геммы
имеют более толстую, как правило, окрашенную оболочку и способны
к длительному сохранению, хламидоспоры возникают путём
обособления и уплотнения отдельных участков гифы, которые при
этом
покрываются
толстой
тёмноокрашенной
оболочкой.
Разновидностью вегетативного размножения является почкование,
свойственное дрожжам.
Продолжительность жизни грибов в природе невелика.
Мицелий развивается в течение нескольких суток, затем наступает
спорообразование, после чего рост мицелия прекращается и он
отмирает. Существуют виды, обладающие многолетним мицелием.
Это патогенные и паразитические грибы из групп трутовиков и
ржавчинных, а также сапрофиты. Помимо многолетних мицелиев,
грибы сохраняются при помощи склероциев и различных покоящихся
спор. У многих видов споры, в сухом состоянии, сохраняют свою
жизнеспособность десятки лет.
Для своего развития грибам необходим свободный кислород,
все они относятся к числу аэробных организмов, но некоторые, в
частности дрожжи, могут довольствоваться малым количеством
кислорода. Многие виды грибов вызывают различные типы брожения,
в том числе: спиртовое и лимоннокислое.
25
Оптимальный рост у большинства грибов наблюдается при
температуре 20-25°C, у некоторых он может осуществляться при
температуре в пределах от 2 до 40°C. Большинство грибов
предпочитают кислые субстраты, некоторые хорошо развиваются на
нейтральных и слабощелочных. Свет не является необходимым
фактором развития мицелия, более того прямые солнечные лучи, как
правило, оказывают неблагоприятное воздействие на их рост и
спороношение.
Широко распространено предположение о происхождении
грибов из водорослей, с которыми они наиболее сходны. Однако ряд
ботаников считает, что водоросли и грибы имели лишь общих
предков из группы жгутиковых. Нет единства мнений и по вопросу о
том, имеют грибы одного общего предка, или произошли от разных
групп.
Классификация грибов
I класс. Низшие грибы, или фикомицеты (Phycomycetes).
Мицелий неклеточный или с небольшим количеством перегородок, у
наиболее примитивных в виде голого комочка протоплазмы амёбоида или в виде одной клетки с ризоидами.
II класс. Сумчатые грибы, или аскомицеты (Ascomycetes).
Мицелий многоклеточный, гаплоидный, на нём развиваются
конидиальные спороношения. Характерно образование сумок с
аскоспорами - основных органов размножения.
III
класс.
Базидиомицеты
(Basidiomycetes).
Мицелий
многоклеточный, как правило, дикариотический; конидиальные
(гаплоидные) стадии редки. Характерно образование базидий,
несущих на стеригмах базидиоспоры. Включает подавляющее
большинство употребляемых человеком в пищу, а также ядовитых
грибов и многих паразитов злаков и других культурных и диких
растений.
IV класс. Несовершенные грибы (Deuteromycetes, или Fungi
imperfecti). Мицелий многоклеточный, размножение только бесполое конидиями. Полового размножения не имеют (не образуют ни сумок,
ни базидий). Один из порядков этих грибов (Mycelia sterilia)
характеризуется полным отсутствием каких-либо спор.
Водоросли
Водоросли (Algae) - группа низших, автотрофных, обычно
водных, растений; содержат хлорофилл и другие пигменты и
вырабатывают органические вещества в процессе фотосинтеза.
Цветков и семян у водорослей нет, а споры, как правило, лишены
твёрдой оболочки. Тело (слоевище, или таллом) по своему строению
26
проще, чем у мхов, папоротников и других наземных растений; часто
отсутствует дифференциация клеток на ткани; у самых примитивных (синезелёных) клетки лишены оформленных ядер и хроматофоров; у
части водорослей в клетках содержится несколько ядер. Выделяются
водоросли неклеточного строения (ботридиум, сифоновые).
Хроматофоры у водорослей бывают пластинчатые, звездчатые,
лентовидные, сетчатые, мелкие дисковидные (последние характерны
для некоторых высших представителей). У многих имеются плотные
образования - пиреноиды и пиреноидообразные тельца.
Клеточные оболочки состоят из целлюлозы, пектиновых
веществ, кремнийорганических соединений (диатомовые), альгина и
фуцина (бурые). Запасные вещества представлены крахмалом,
гликогеном, полисахаридами, реже маслом. Насчитывается около 30
тысяч видов водорослей.
На основании различий в наборе пигментов, особенностей
морфологии и биохимии (состав клеточных оболочек, запасные
вещества) различают 10 типов (отделов) водорослей:
- синезелёные (Cyanophyta);
- золотистые (Chrysophyta);
- пиррофитовые (Pyrrophyta);
- диатомовые (Bacillariophyta);
- разножгутиковые, или жёлтозелёные (Xanthophyta);
- эвгленовые (Euglenophyta);
- зелёные (Chlorophyta);
- харовые (Charophyta);
- бурые (Phaeophyta);
- красные (Rhodophyta).
Все типы водорослей эволюционировали в основном
независимо. Размеры водорослей колеблются от долей микрона
(кокколитофориды и некоторые диатомовые) до 40 м (макроцистис).
Многие водоросли – одноклеточные организмы; среди них есть
подвижные, совершающие скользящие движения (диатомовые,
десмидиевые, синезелёные), механизм передвижения которых
окончательно не выяснен, и снабженные жгутиками, во многом
подобные простейшим - жгутиковым, но отличающиеся от них
наличием хлорофилла и хроматофоров. Они могут утрачивать
хлорофилл (в темноте), становиться бесцветными и существовать за
счёт поглощения органических веществ, растворённых в воде.
Некоторые виды одноклеточных водорослей способны, подобно
простейшим, захватывать органические частицы (пиррофитовые).
27
Одноклеточные водоросли часто при помощи слизи или
выростов объединяются в колонии. Среди многоклеточных
водорослей наряду с крупными есть микроскопические; наиболее
просто организованные из них имеют вид разветвленных нитей,
состоящих из одного ряда клеток; другие имеют слоевища:
корковидные, шнуровидные, шаровидные, пластинчатые или
кустистые с «листьями», снабженными жилками (саргассум).
У части синезелёных, зелёных и красных водорослей в
слоевище откладываются соединения кальция, и оно становится
твёрдым. Водоросли лишены корней и поглощают нужные им
вещества из воды всей поверхностью. Крупные донные водоросли
имеют органы прикрепления - подошву (уплощённое расширение в
основании) или ризоиды (разветвленные выросты). У некоторых
водорослей побеги стелются по дну и дают новые слоевища.
Размножение водорослей - вегетативное, бесполое и половое.
Многие одноклеточные водоросли размножаются делением на две
части. У водорослей наблюдаются все формы полового процесса:
изогамия, гетерогамия, оогамия и конъюгация (слияние протопластов
двух вегетативных клеток). Образующаяся в результате полового
процесса зигота делится сразу или после периода покоя.
Одновременно в ней может происходить мейоз.
У примитивных водорослей одна и та же особь даёт гаметы или
споры в зависимости от внешних условий. У других функции
бесполого и полового размножения выполняют разные особи
(спорофиты и гаметофиты); они могут произрастать одновременно в
одинаковых условиях; одновременно, но в разных местообитаниях; в
одних и тех же местообитаниях, но в разные сезоны. У ряда
водорослей происходит строгое чередование гаметофита и спорофита,
которое принято называть «чередованием поколений».
Мелкие свободноплавающие водоросли входят в состав
планктона и, развиваясь в больших количествах, вызывают
«цветение» (окрашивание) воды. Бентосные прикрепляются ко дну
водоёма или к другим водорослям. Некоторые водоросли внедряются
в раковины и известняк (сверлящие); встречаются среди них и
ведущие паразитический образ жизни. Микроскопические водоросли
вызывают красное или жёлтое «окрашивание» снега высоко в горах и
в полярных районах. Некоторые из них вступают в симбиотические
отношения с грибами (лишайники) и животными.
Около 80% всех органических веществ, ежегодно создающихся
на земле, приходится на долю водорослей и других водных растений.
Водоросли прямо или косвенно служат источником пищи для всех
28
водных животных. Известны горные породы (диатомиты, горючие
сланцы,
часть
известняков),
возникшие
в
результате
жизнедеятельности водорослей в прошлые геологические эпохи.
Простейшие
Простейшие (Protozoa) - тип одноклеточных животных из
группы эукариотов. Они отличаются от всех других эукариотов,
относимых к многоклеточным, тем, что их организм состоит из одной
клетки.
Почти
все
представители
простейших
имеют
микроскопические размеры, но различны по уровню морфофизиологической дифференцировки.
Амёбы устроены относительно просто – не имеют
дифференцированных органоидов захвата пищи, движения,
сокращения, инфузории же обладают сложной организацией – имеют
поверхностные пелликулярные структуры, опорные и сократительные
фибриллы, органоиды движения - реснички и их производные,
специальные органоиды захвата пищи,
защиты и другие
функциональные структуры.
Всем
простейшим
присущи
типичная
клеточная
ультраструктура и комплекс органоидов общего назначения:
митохондрии, эндоплазматическая сеть, элементы аппарата Гольджи,
рибосомы, лизосомы. Ядро окружено типичной двухмембранной
оболочкой с порами, содержит кариоплазму, хромосомы (в
интерфазном ядре они обычно находятся в деспирализованном
состоянии) и нуклеоли.
Известно около 30 тысяч видов простейших. Число же
существующих в природе видов, вероятно, в несколько раз больше,
так как из-за микроскопических размеров и технических трудностей
они недостаточно исследованы. Ежегодно описываются сотни новых
видов.
Простейших делят на 5 классов: саркодовые (амеба),
жгутиковые, споровики, инфузории, книдоспоридии. Имеется
несколько прогрессивных филогенетических линий, ведущих к
образованию крупных таксонов - фораминифер, радиолярий,
инфузорий, у которых морфофизиологическая дифференцировка
наиболее сложная. Для прогрессивной эволюции этих организмов
характерна
полимеризация
органоидов,
высокий
уровень
полиплоидии, дифференцировка ядер на генеративные и
вегетативные. Для многих простейших характерны циклы развития,
выражающиеся в закономерном чередовании бесполого и полового
размножения.
29
Простейшие широко распространены в природе и занимают
существенное место в цепях питания во многих биоценозах и
биосфере в целом. Многие из них (жгутиковые, радиолярии,
инфузории) входят в состав морского планктона, где нередко, быстро
размножаясь, достигают огромного количества. Они служат важным
звеном в питании морского зоопланктона, особенно веслоногих
ракообразных. Многие (фораминиферы, инфузории) входят и в состав
морского бентоса, обитающего от литорали до самых больших
глубин. Описана фауна инфузорий, населяющих поверхностные слои
морских песков. Простейшие входят в состав пресноводного
планктона и бентоса. Видовой состав простейших пресных вод
служит показателем степени их сапробности, то есть загрязнённости
органическими веществами.
Многие простейшие перешли к паразитическому образу жизни,
а два класса - споровики и книдоспоридии - полностью состоят из
паразитов. Большое значение имеют паразиты человека, домашних и
промысловых млекопитающих, а также птиц и рыб. Морские
простейшие – радиолярии и особенно фораминиферы – играли
важную роль в формировании осадочных пород. Многие известняки,
меловые отложения и другие осадочные породы, формировавшиеся на
дне морских водоёмов в различные геологические периоды, целиком
или частично образованы скелетами (известковыми или кремнёвыми)
ископаемых представителей простейших. В связи с этим
микропалеонтологический
анализ
используется
при
геологоразведочных работах, главным образом в разведке на нефть.
Питание микроорганизмов
Многие
процессы биосинтеза и энергетического обмена
(транспорт электронов, цикл трикарбоновых кислот, синтез
нуклеиновых кислот, белка) протекают у микроорганизмов так же, как
и в клетках высших растений и животных. В основе роста, развития,
размножения как высших, так и низших форм жизни лежат единые
процессы. Наряду с этим микробиоте присущи специфические
ферментные системы и биохимические реакции, не наблюдаемые у
других существ. На этом основана способность микробов разлагать
целлюлозу, лигнин, хитин, углеводороды нефти, кератин, воск и
другие органические вещества.
Разнообразны пути получения энергии микроорганизмами.
Хемоавтотрофы получают её за счёт окисления разных
неорганических веществ, фотоавтотрофные бактерии используют
энергию света в той части спектра, которая недоступна высшим
растениям. Некоторые представители микробиоты способны
30
усваивать молекулярный азот, синтезировать белок за счёт самых
различных
источников
углерода,
вырабатывать
множество
биологически активных веществ (антибиотики, ферменты, витамины,
стимуляторы роста, токсины). Применение микроорганизмов в
сельскохозяйственной практике и промышленности основано на этих
специфических особенностях их обмена веществ.
Автотрофные организмы (от авто... и греческого trophē - пища),
аутотрофные организмы, автотрофы - организмы синтезирующие из
неорганических веществ необходимые для жизни органические
вещества. Их роль в природе огромна, так как они создают все
органические вещества, которые не могут синтезировать человек и
почти все животные.
К автотрофам относятся высшие растения (кроме паразитных и
сапрофитных), водоросли и некоторые бактерии. Высшие растения и
водоросли, содержащие хлорофилл, являются фотосинтетиками; они
синтезируют органическое вещество из простых соединений углекислого газа и воды - за счёт солнечной энергии. Автотрофные
бактерии - хемосинтетики - синтезируют органическое вещество из
минеральных соединений за счёт энергии некоторых химических
реакций. Например, почвенные бактерии Nitrosomonas и Nitrobacter
окисляют аммиак до солей азотистой и азотной кислот и используют
освобождающуюся энергию на построение тела; железобактерии
используют энергию окисления закисных форм железа; серобактерии
окисляют сероводород до солей серной кислоты (одни виды
серобактерий бесцветны и являются типичными хемосинтетиками,
другие, например пурпурные серобактерии, окрашены и способны к
фоторедукции, то есть фотосинтезу, при котором источником
водорода для восстановления углекислого газа служит не вода, а
сероводород).
Многоклеточные
Животные и растительные организмы, тело которых состоит из
многих специализированных клеток, объединенных в ткани и органы
относят к многоклеточным. Многоклеточность не является
систематической характеристикой, более того, сложно очертить
границу между многоклеточностью и существованием одноклеточных
в колониях, в некоторых колониях, например, могут происходить
процессы дифференциации клеток. Для данного пособия важно
показать наличие огромного количества организмов, обладающих
разнообразием и практической замкнутостью генетического
материала. Такое разнообразие создавалось эволюционным путем в
течение всего времени существования живого вещества. На рисунке 6
31
приведено эволюционные взаимоотношения живых организмов,
охватывающих пять царств по классификации Маргелиса и Шварца.
Рисунок 6 - Эволюционные взаимоотношения живых
организмов, охватывающих пять царств по классификации
Маргелиса и Шварца. (По Тейлор Д, Грин Н, Стаут У.)
32
Важно также отметить специфику автотрофов как в отношении
биогеохимических особенностей среды обитания, так и в создании
определенных специфических веществ органической природы. Кроме
того, при построении трофических цепей (цепей питания), часто
отмечают специфичность и устойчивость таких экологических
структур, что можно отметить и на примере питания человека. Люди
разных этносов, живущие иногда в сходных условиях жизни могут
придерживаться значительно различающихся типов питания,
включающих разные группы организмов при использовании в пищу.
2 Живая клетка
Живое вещество Земли представлено в виде до клеточных
(возможно неклеточных) организмов, и организмов, состоящих из
одной или многих клеток. Клеточные организмы, в свою очередь
подразделяют на безъядерные, вернее – до ядерные (прокариоты) и
клетки, обладающие ядром. Исходя из этого живые организмы часто
разделяют на следующие группы: вирусы и риккетсии, которые или
не приобрели, или утратили минимальный набор элементов,
необходимых для проявления всех свойств, присущих живому,
прокариоты и эукариоты – рисунок 7.
Все известные нам виды, независимо от их сложности обладают
способностью к размножению – передаче генетической информации
потомству. Прокариоты и эукариоты могут вести активный способ
существования, используя для этого энергию солнечных фотонов или
энергию химических соединений органической, а некоторые неорганической природы. Структура клеток постоянно обновляется,
для этого используется информация ДНК или РНК и энергия,
поставляемая специфическими веществами, по своей природе
аналогичными веществам – носителям информации клетки. Далее мы
рассматриваем клетки эукариотов, так как ограничены рамками
поставленной задачи и границами пособия, однако нужно иметь
ввиду, что основа жизнедеятельности всех типов клеток тождествен,
как в организации потоков информации, так и потоков энергии и
вещества. Кроме того, клетки эукариотов разнообразнее по размеру и
структуре, нежели безъядерные клетки. Только в организме человека
имеются, по крайней мере, 200 различных типов клеток. Поэтому на
схемах структура клетки представляется, обычно, в предельно
упрощенном виде.
33
Рисунок 7 - Сравнение свойств организмов различной степени
организации
Строение клетки
Говоря о клетке, мы должны отметить, в первую очередь, ее
отграниченность от внешнего, для клетки, мира – рисунок 8. Граница
клетки состоит из двухслойной мембраны, состоящей из липидов и
белков (липопротеидной). Эта граничная оболочка носит различное
название (плазмалемма, клеточная мембрана) - по сути это
поверхностная, периферическая структура, окружающая протоплазму
растительных и животных клеток. Внешняя поверхность
плазматической мембраны покрыта рыхлым волокнистым слоем
вещества толщиной 3-4 нм - гликокаликсом. Он состоит из
ветвящихся полисахаридных цепей мембранных белков, между
которыми могут располагаться выделенные клеткой гликолипиды и
34
протеогликаны. Тут же обнаруживаются некоторые клеточные
гидролитические ферменты, участвующие во внеклеточном
расщеплении веществ (внеклеточное пищеварение, например, в
эпителии кишечника). Кортикальный слой цитоплазмы, толщиной 0,10,5 мкм, не содержит рибосом и мембранных структур, но богат
актиновыми микрофиламентами. Мембрана также служит границей,
обеспечивающей поступление необходимых ресурсов, и удаление
отходов жизнедеятельности. Она ограничивает цитоплазму, которая
образует ряд специфических структур.
Рисунок 8 - Липопротеидная мембрана, отделяющая цитоплазму
от внешней среды
Клеточная мембрана выполняет функции:
- защиты;
- рецепции (восприятие сигналов внешней среды);
- транспорта, при этом осуществляется как пассивный, так и
активный транспорт самых различных веществ от ионов до
макромолекул.
35
В растительных клетках мембрана усилена внешней клеточной
оболочкой, придавая им дополнительную прочность. Функция
мембраны, как и любой другой границы разнообразна. В первую
очередь защита от проникновения нежелательных элементов, а вовторых – обеспечение клетки необходимым для жизни ресурсом. Это
не столько механический барьер, но и, структура обеспечивающая
свободный двусторонний поток в клетку и из нее низко- и
высокомолекулярных веществ. Более того, плазмалемма различает
химические вещества и регулирует их избирательный транспорт
внутрь клетки и из клетки во внеклеточную среду. Некоторые
вещества проходят через мембрану пассивно, без затрат энергии, для
других веществ, как ионов, так и более сложной природы, существуют
специализированные механизмы транспортировки с использованием
энергии АТФ. Как и другие мембраны клетки, она возникает и
обновляется за счет синтетической активности эндоплазматического
ретикулума и имеет сходное с ними строение.
Энергия в клетке
Благодаря энергии, в любом организме, и в отдельно взятой
клетке
постоянно
протекают
метаболические
процессы,
обеспечивающие жизнь. В зависимости от способа питания клетки,
энергия преобразуется в форму, приемлемую для использования
клеткой в пластидах (фототрофы) или митохондриях (гетеротрофы). В
пластидах энергия фотонов преобразуется в химическую энергию
связей органических веществ, в первую очередь сахаров, в клетках
животных образование АТФ происходит за счет энергии уже готовых
органических веществ. Пластиды и митохондрии относятся к
двухслойным органеллам. На рисунке 9 показано различие в структур
органелл клетки в зависимости от способа питания.
Окраска, форма и размеры пластид разнообразны. Различают
хлоропласты, хромопласты и лейкопласты. Хлоропласты имеют
зеленый цвет, обусловленный присутствием основного пигмента хлорофилла. Хлоропласты содержат также вспомогательные
пигменты - каротиноиды (оранжевого цвета). По форме хлоропласты это овальные линзовидные тельца размером (5-10) х (2-4) мкм. В
одной клетке листа может находиться 15-20 и более хлоропластов, а у
некоторых водорослей - лишь 1 -2 гигантских хлоропласта
(хроматофора) различной формы. Хлоропласты ограничены двумя
мембранами - наружной и внутренней
36
a)
b)
a) – митохондрии в клетке гетеротрофного типа питания, b) –
пластиды и митохондрии в автотрофной (растительной) клетке
Рисунок 9 –
Органеллы,
энергетические превращения в клетке
обеспечивающие
основные
Митохондрии содержат вещества, энергию химических связей
которых они могут преобразовывать, в форму, доступную для
использования клеткой. Количество, размеры и расположение
митохондрий зависит от функции клетки, ее потребности в энергии.
Митохондрии содержат собственную ДНК, которая составляет около
2% ДНК клетки. Некоторые ученые полагают, что митохондрии в
клетке – это пример симбиотического существования организмов,
существовавших ранее независимо.
Рибосомы клетки
В рибосомах – рисунок 10, образуются клеточные белки, они
присутствуют во всех клетках и могут свободно располагаться в
цитоплазме. Диаметр рибосом оценивается в 20 нм, а количество
значительно у всех видов клеток, в бактериальной клетке содержится
порядка 10 тысяч рибосом, в эукариотических клетках их во много раз
больше. Синтез белка связан с процессом транскрипции –
переписывания информации, хранящейся в ДНК.
37
Рисунок 10 – Рибосома клетки. Показана ее связь с
эндоплазматическим
ретикулумом.
Митохондрия
–
справа,
обеспечивает энергией процессы синтеза. Пропорции не соблюдены
Каждая рибосома состоит из двух субчастиц, как это можно
видеть на рисунке 11. Из-за мелких размеров рибосомы при
дифференциальном центрифугировании седиментируют последними
среди всех других органелл: рибосомную фракцию можно получить
лишь после центрифугирования при 100 000 в течение 1-2 ч. Опыты
по седиментации выявили существование двух главных типов
рибосом, которые были названы 70S - и 80S-рибосомами. 70Sрибосомы обнаруживаются у прокариот, а несколько более крупные
80S-рибосомы - в цитоплазме зукариотических клеток. в хлоропластах
и митохондриях содержатся 70S -рибосомы, что указывает на какое-то
родство этих эукариотических органелл с прокариотами.
Рибосомы состоят из примерно равных (по массе) количеств РНК и
белка. Входящая в их состав РНК, называемая рибосомной РНК
(рРНК), синтезируется в ядрышке. Распределение в рибосоме
белковых молекул и молекул РНК показано на рисунке 11. Вместе те
и другие молекулы образуют сложную трехмерную структуру.
38
Во время синтеза белка на рибосомах аминокислоты
последовательно
соединяются
друг
с
другом,
формируя
полипептидную цепь. Рибосома служит местом связывания для
молекул, участвующих в синтезе, т. е. таким местом, где эти молекулы
могут занять по отношению друг к другу совершенно определенное
положение. В синтезе участвуют: матричная РНК (мРНК), несущая
генетические инструкции от клеточного ядра, транспортная РНК
(тРНК), доставляющая к рибосоме требуемые аминокислоты, и
растущая полипептидная цепь. Кроме того, в этом процессе участвуют
факторы инициации, элонгации и терминации цепи. Весь процесс в
целом настолько сложен, что без рибосомы он не мог бы идти
эффективно (или не шел бы вовсе).
Рисунок 11 – Строение 70S-рибосомы. В субчастицах 80S –
рибосом больше белка и в больших субчастицах содержится не по
две, а по три молекулы РНК. (По Тейлор Д, Грин Н, Стаут У.)
Эндоплазматический ретикулум
Важным открытием, сделанным с помощью электронного
микроскопа - было обнаружение сложной системы мембран,
пронизывающей цитоплазму всех эукариотических клеток. Эта сеть
мембран, получившая название эцдоплазматический ретикулум (ЭР),
хорошо развита в клетке, но лежит за пределами разрешающей
способности светового микроскопа. Нередко мембраны усеяны
мелкими частицами. которые были названы рибосомами.
На ультратонких срезах ЭР имеет вид множества парных
параллельных линий (мембран), располагающихся в цитоплазме –
39
рисунок 12. Однако иногда срез проходит так, что мы получаем
возможность посмотреть как бы сквозь поверхность этих мембран, и
тогда можно видеть. что в трех измерениях ЭР имеет не трубчатое, а
пластинчатое строение. Модель трехмерной структуры ЭР изображена
на рисунке 12. Видно, что ЭР состоит из уплощенных мембранных
мешочков, называемых цистернами. Цистерны ЭР могут быть
покрыты рибосомами, и тогда он называется шероховатым или
гранулярным ЭР; если рибосомы отсутствуют, то его называют
гладким или агранулярным ЭР (строение ближе к трубчатому).
Функции шероховатого ЭР связаны с транспортом белков,
синтезируемых рибосомами на его поверхности.
Рисунок 12 – Трехмерная модель
ретикулума. (По Тейлор Д, Грин Н, Стаут У.)
эндоплазматического
Более подробно белковый синтез описан дальше. растущая
белковая молекула, т. е. цепь из аминокислот (полипептидная цепь),
остается присоединенной к рибосоме до тех пор, пока не завершится
синтез. После этого в мембране ЭР образуется канал, по которому
вновь образованный белок переходит в цистерны ЭР.
В эукариотических клетках отчетливо видны две популяции
рибосом - свободные рибосомы и рибосомы, присоединенные к ЭР.
Строение тех и других идентично, но часть рибосом связана с ЭР
через белки, которые они синтезируют. Такие белки обычно
выполняют роль в секреции специализированных органов. Примером
белка, синтезируемого свободными рибосомами, может служить
40
гемоглобин, образующийся в молодых эритроцитах. в процессе
синтеза белка рибосома перемещается вдоль нитевидной молекулы
мРНК. Процесс идет более эффективно, когда вдоль мРНК
перемещается не одна рибосома, а одновременно много рибосом,
напоминающих в этом случае бусины на нитке. Такие цепи рибосом
называются полирибосомами или полисомами. На ЭР полисомы
обнаруживаются в виде характерных завитков.
Аппарат Гольджи
Аппарат Гольджи был обнаружен Камилло Гольджи благодаря
особой технике окрашивания. Однако подробно исследовать ее
удалось только с помощью электронного микроскопа. Аппарат
Гольджи – рисунок 13, взятый на биологическом сайте интернет,
содержится почти во всех эукариотических клетках и представляет
собой стопку уплощенных мембранных мешочков, так называемых
цистерн, и связанную с ними систему пузырьков, называемых
пузырьками Гольджи.
Рисунок 13 – Аппарат Гольджи в соотношении с другими
структурами клетки, ответственными за синтез белка. (Пропорции не
соблюдены)
41
Трехмерную структуру аппарата Гольджи трудно выявить при
изучении ультратонких срезов, однако предполагают, что вокруг
центральной стопки формируется сложная система взаимосвязанных
трубочек. На одном конце стопки постоянно образуются новые
цистерны пугем слияния пузырьков, отпочковывающихся от
агранулярного ЭР. Эта «наружная», или формирующаяся сторона
стопки выпуклая, тогда как другая, «внутренняя», где завершается
созревание и где цистерны вновь распадаются на пузырьки, имеет
вогнутую форму. Стопка состоит из многих цистерн, которые
постепенно перемещаются от наружной стороны к внутренней.
Функцию аппарата Гольджи составляют транспорт веществ и
химическая модификация поступающих в него клеточных продуктов.
Функция эта особенно важна в секреторных клетках, хорошим
примером которых могут служить ацинарные клетки поджелудочной
железы. Эти клетки секретируют пищеварительные ферменты
панкреотического сока в выводной проток железы.
Лизосомы
Лизосомы (от лиз и греч. soma - тело), структуры в клетках
животных и растительных организмов, содержащие ферменты,
способные расщеплять (т. е лизировать - отсюда и название) белки,
полисахариды, пептиды, нуклеиновые кислоты – рисунок 14. К
лизосомам относят структуры, похожие на пузырьки размером 0,1-0,4
мкм, ограниченных одиночной мембраной (толщиной около 7 нм), с
разнородным содержимым внутри. Они образуются за счет
активности эндоплазматического ретикулюма и аппарата Гольджи и в
этом отношении напоминают секреторные вакуоли.
Основная их роль - участие в процессах внутриклеточного
расщепления как экзогенных, так и эндогенных биологических
макромолекул. Характерной чертой лизосом является то, что они
содержат около 40 гидролитических ферментов: протеиназы,
нуклеазы, фосфатазы, гликозидазы и др., оптимум действия которых
осуществляется при рН 5. В лизосомах кислое значение среды
создается благодаря наличию в их мембранах системы активного
транспорта катионов водорода (протонов), потребляющей энергию
АТФ.
Кроме того, в мембраны лизосом встроены белки-переносчики
для транспорта из лизосомы в цитоплазму продуктов гидролиза:
мономеров расщепленных молекул - аминокислот, сахаров,
нуклеотидов, липидов. Чтобы не переварить самих себя, мембранные
42
элементы лизосом защищены олигосахаридами, препятствующими
гидролазам взаимодействовать с ними.
Рисунок 14 – Лизосома в клетке. Образование лизосом связано с
внутренними мембранными структурами. (Пропорции не соблюдены)
Среди различных по морфологии лизосомных частиц выделяют
четыре типа:
- первичные лизосомы;
- вторичные лизосомы;
- аутофагосомы;
- остаточные тельца.
Первичные лизосомы
Обычно это мелкие мембранные пузырьки диаметром около 100
нм с бесструктурным содержимым, содержащим активную кислую
фосфатазу - маркерный фермент для лизосом. Показано, что
ферменты лизосом синтезируются, как обычно, в гранулярном
ретикулюме, а упаковываются в мембранные пузырьки в аппарате
43
Гольджи. Весь путь образования первичных лизосом очень сходен с
образованием
секреторных
гранул,
например,
в
клетках
поджелудочной железы.
Вторичные лизосомы
Фагоцитарные или пиноцитозные вакуоли, сливаясь с
первичными лизосомами, образуют вторичные лизосомы. Начинается
процесс расщепления поглощенных клеткой субстратов под
действием гидролаз, содержавшихся в первичной лизосоме.
Биогенные вещества расщепляются до мономеров, которые
транспортируются через мембрану лизосомы в цитоплазму, где они
реутилизируются, включаются в различные синтетические и
обменные процессы. Разнообразие величины и структуры клеточных
лизосом связано в первую очередь с разнообразием вторичных
лизосом - продуктов слияния эндоцитозных вакуолей с первичными
лизосомами.
Остаточные тельца
Расщепление биогенных макромолекул внутри лизосом может
идти не до конца. В этом случае в полости лизосомы накапливаются
не переваренные продукты, и вторичная лизосома становится
остаточным тельцем (телолизосомой). Их содержимое уплотняется и
перестраивается. Часто в остаточных тельцах наблюдается вторичная
структуризация не переваренных липидов, которые образуют
сложные слоистые структуры. Там же откладываются пигментные
вещества.
Аутолизосомы
По морфологии аутолизосомы (аутофагосомы) относят ко
вторичным лизосомам, но внутри этих частиц встречаются фрагменты
или даже целые цитоплазматические структуры, такие как
митохондрии, пластиды, рибосомы, элементы ретикулюма и т. д.
Предполагается, что процесс аутофагоцитоза связан с отбором и
уничтожением измененных, «сломанных» клеточных компонентов.
Процессы, в которых участвуют лизосомы приведены на схеме –
рисунок 15, взятой из богато иллюстрированной книге Д. Тейлора с
соавторами. К лизосомам относят большую группу внутриклеточных
элементов, объединенных сходными функциями. В частности, в
растительных клетках роль лизосом могут играть крупные
центральные вакуоли.
Таким образом, заключенные в лизосомах ферменты
синтезируются на гранулярном эндоплазматическом ретикулуме и
транспортируется к аппарату Гольджи, где модифицируются и в
44
пузырьках, отпочковавшихся от аппарата Гольджи происходит
дальнейшая дифференциация с образованием лизосом.
Рисунок 15 – Процессы, в которых участвуют лизосомы (По
Тейлор Д, Грин Н, Стаут У.)
Ядро
Ядро – самая крупная органелла клетки, с диаметром – около 10
мкм, в которой содержится вещество – носитель наследственных
признаков и свойств организма. Ядро отделено от остальной клетки
внутренней и внешней ядерной мембраной. Как показано на рисунке –
16 ядро часто содержит ядрышко (иногда несколько). Во время
деления клеток происходит преобразование структуры ядра, хроматин
организуется в хромосомы – еще более плотно организованные
молекулы ДНК.
В состав наследственного вещества входят ДНК и небольшое
количество РНК. Между делениями клетки большая часть ДНК в ядре
находится в виде гетерохроматина – плотно упакованной ДНК,
ассоциированной с РНК и белками. Это состояние можно сравнить с
архивацией документа или программы операционной системой. ДНК
упакованную не так плотно называют эухроматином, здесь
происходит процесс транскрипции ДНК в РНК. Почти все РНК клетки
синтезируются в ядре. В этом процессе, называемом транскрипцией,
используется хранящаяся в ДНК (DNA) информация.
45
Рисунок - 16 Ядро в клетке, показано наличие ядрышка
Синтез рибосомной РНК [рРНК (rRNA)] происходит в
ядрышках, в то время как матричные (информационные) и
транспортные РНК [мРНК и тРНК (mRNA и tRNA)] синтезируются в
эухроматине.
Репликация - катализируемый ферментами процесс удвоения
ДНК - также локализована в ядре. Нуклеотидные блоки, необходимые
для репликации и транскрипции в ядре, должны поступать из
цитоплазмы. Их включение в РНК приводит к образованию
первичных продуктов, которые последовательно модифицируются
путем расщепления, удаления частей молекулы и включения
дополнительных нуклеотидов (созревание РНК). Наконец, мРНК и
тРНК, образовавшиеся в ядре, транспортируются в цитоплазму для
участия в биосинтезе белков (трансляции).
46
Белки не синтезируются в ядре, и поэтому все ядерные белки
должны быть импортированы из цитоплазмы. Это, например,
гистоновые и негистоновые белки, связанные в хроматине с ДНК,
полимеразы, гормональные рецепторы, факторы транскрипции и
рибосомные белки. Рибосомные белки, находясь еще в ядрышке,
начинают ассоциировать с рРНК, образуя рибосомные субчастицы.
Транскрибируемые последовательности ДНК, т. е. участки ДНК,
которые кодируют определенные белки, называются генами.
Установлено, что геном млекопитающих содержит по крайней мере
50000 индивидуальных генов, которые вместе составляют менее 20%
суммарной
ДНК
генома.
Функция
«избыточных»
последовательностей ДНК до конца не установлена.
Несколько подробнее, процессы, связанные с использованием
информации, записанной в ядерных структурах клетки и синтезом
белков будут рассмотрены ниже.
Из приведенного выше следует, что клетка представляет собой
сложную систему, которая способна выполнять разнообразные
функции благодаря энергии, поступаемой извне. Клетка состоит из
цитоплазмы и ядра, а снаружи покрыта мембраной, через которую
происходит обмен веществ между клетками. Цитоплазма – вязкое
полужидкое вещество, включающее в себя органоиды, выполняющие
разные функции. Митохондрии выделяют энергию, сеть канальцев –
это «дорога», которая обеспечивает обмен веществ между
органоидами в клетке, рибосомы – место образования белков,
клеточный центр используется клеткой при делении, ядро содержит
хроматин. В ядре клетки также выделяют ядрышко. На рисунке 17 показаны основные элементы клетки, на левой части рисунка
изображена схема «животной» клетки, - справа – «растительной»
клетки.
Как видно из рисунка – основные отличия животной и
растительной клетки заключаются в наличии у растительных клеток клеточной стенки, пластид и вакуолей. Существуют и другие
различия, рассмотрение которых выходит за пределы данного
пособия.
Клетка – сложная система, состоящая из относительно
независимых единиц – органелл (органоидов). Органеллы постоянные внутриклеточные структуры, имеющие определенное
строение и выполняющие соответствующие функции. Их часто
разделяют на две группы: мембранные и немембранные – рисунок 18.
47
1 – ядро с хроматином и ядрышком; 2 – плазматическая
мембрана; 3 – клеточная стенка; 4 – плазмодесма; 5 – гранулярный
эндоплазматический ретикулум; 6 – гладкий ретикулум; 7 –
пиноцитозная вакуоль; 8 – аппарат Гольджи; 9 – лизосома; 10 –
жировые включения в гладком ретикулуме; 11 – центриоль и
микротрубочка центросферы; 12 – митохондрии; 13 – полирибосомы
гиалоплазмы; 14 – центральная вакуоль; 15 - хлоропласт
Рисунок 17 - Схема животной (слева) и растительной (справа)
клетки (по Ченцов Ю.С.)
48
Рисунок 18 – Мембраны в органеллах клетки
Мембранные органеллы представлены двумя модификациями:
- однослойные;
- двухслойные.
К немембранным органеллам принадлежат рибосомы и
клеточный центр, постоянно присутствующие в клетке. К
однослойным мембранам относятся органеллы вакуолярной системы,
эндоплазматический ретикулум, комплекс Гольджи, лизосомы,
вакуоли растительных и грибных клеток, пульсирующие вакуоли и др.
Двухслойными компонентами являются пластиды, митохондрии и
клеточное ядро. Выраженность элементов цитоскелета (постоянного
компонента клетки) может значительно меняться в течение
клеточного цикла - от полного исчезновения одного компонента
(например, цитоплазматических трубочек во время деления клетки) до
появления новых структур (веретена деления).
Общим свойством мембранных органелл является то, что все
они построены из липопротеидных пленок (биологических мембран),
замыкающихся сами на себя так, что образуются замкнутые полости,
или отсеки. Внутреннее содержимое этих отсеков всегда отличается
от гиалоплазмы – основной плазмы клетки. Для обозначения таких
49
отсеков иногда используется тяжеловатый в произношении термин –
компартамент.
Химический состав клетки
Клетки организма человека состоят из разнообразных
химических соединений неорганической и органической природы. К
неорганическим веществам клетки относятся вода и соли. Вода
составляет до 80% массы клетки. Она растворяет вещества,
участвующие в химических реакциях: переносит питательные
вещества, выводит из клетки отработанные и вредные соединения.
Минеральные соли – хлорид натрия, хлорид калия и другие – играют
важную роль в распределении воды между клетками и межклеточным
веществом. Отдельные химические элементы, такие, как кислород,
водород, азот, сера, железо, магний, цинк, йод, фосфор, участвуют в
создании жизненно важных органических соединений.
Органические соединения образуют до 20-30% массы каждой
клетки. Среди органических соединений наибольшее значение имеют
углеводы, жиры, белки и нуклеиновые кислоты. Углеводы состоят из
углерода, водорода и кислорода. К углеводам относятся глюкоза,
животный крахмал – гликоген. Многие углеводы хорошо растворимы
в воде и являются основным источником энергии для осуществления
всех жизненных процессов. При распаде 1 г углеводов освобождается
17,2 кДж энергии.
Липиды образованы теми же химическими элементами, что и
углеводы. Они обладают свойством гидрофобности и нерастворимы в
воде и входят в состав клеточных мембран. Жиры также служат
запасным источником энергии в организме. При полном расщеплении
1 г жира освобождается 39,1 кДж энергии.
Белки – самые сложные из встречающихся в природе
органических веществ, хотя и состоят из относительно небольшого
количества химических элементов – углерод, водород, кислород, азот,
сера. Белки служат основным строительным материалом. Они
участвуют в формировании мембран клетки, ядра, цитоплазмы,
органоидов. Многие белки выполняют роль катализаторов
химических реакций, являясь высокоспецифичными ферментами.
Белки имеют разнообразное строение. Только в одной клетке
насчитывается до 1000 разных белков. Информация о
последовательном расположении аминокислот в белках записана в
ДНК, и через систему информационной передачи в рибосомах
производится сборка белков, необходимых клетке в определенный
период ее жизнедеятельности.
50
Нуклеиновые кислоты образуются в клеточном ядре. С этим
связано их название (от лат. «нуклеус» – ядро). Они состоят из
углерода, водорода и фосфора. Нуклеиновые кислоты бывают двух
типов – дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК).
ДНК находится в основном в хромосомах клеток и определяет состав
белков клетки а также передачу наследственных признаков и свойств
от родителей к потомству. Функции РНК связаны с образованием
характерных для этой клетки белков.
Жизнедеятельность
В клетке происходит биосинтез (создание сложных
органических соединений), обмен веществ между клеткой и
окружающей средой, в результате которого состав клетки постоянно
обновляется: одни вещества в них образуются, другие разрушаются.
Клетка также способна реагировать на внешние и внутренние
воздействия - раздражители называется раздражимостью. Одним из
важнейших видов жизнедеятельности клетки является ее способность
к размножению. В результате размножения появляются новые
организмы, которые развиваются, растут, обновляются.
3 Биохимия клетки
При всем разнообразии органических молекул участвующих в
биохимических процессах клетки выделяют четыре основных типа
молекул:
- углеводы (сахара);
- липиды (жиры);
- белки;
- нуклеиновые кислоты.
Вопрос о том, какие из групп веществ жизни более важны, не
имеет смысла, поскольку в данных условиях ее развития необходимы
и достаточны все перечисленные группы макромолекул.
Жизнедеятельность
клетки
часто
рассматривают
как
регулируемые потоки энергии, вещества и информации, причем
специалисты разных областей знаний наполняет эти потоки своим
содержимым. Структуры и функции клетки могут быть рассмотрены,
как биохимические превращения вещества обеспеченные энергией
солнечных квантов или энергией химических связей и управляемые
информацией, созданной в процессе эволюции.
Выше
отмечалась роль органоидов клетки в различных
жизненных функциях, с этим связано и неравномерное распределение
молекул. Так к ядру, преимущественно, приурочены нуклеиновые
51
кислоты, митохондриям и пластидам – макроэргические соединения,
рибосомам – вновь образуемые пептиды и белки. Не вдаваясь, порой в
существенные различия, выделим основные элементы сходства
основных биохимических групп макромолекул живого. При желании
более подробно рассмотреть особенности углеводов можно
воспользоваться прекрасными книгами по биохимии, приведенными в
списке литературы.
3.1 Углеводы (сахара)
Углеводы - обширная группа природных органических
соединений, химическая структура которых отвечает общей формуле
Cm(H2O)n (т. е. углерод - вода, что и определило название). Различают
моно-, олиго- и полисахариды, а также сложные углеводы гликопротеиды, гликолипиды, гликозиды и др. Функции углеводов
можно разделить на следующие основные группы:
- хранение и перенос химической энергии и атомов углерода при окислении 1 г углеводов выделяется около 4 ккал энергии,
которая используется в различных процессах метаболизма, а атомы
углерода необходимы организму для биосинтеза не только самих
углеводов, но и белков, нуклеиновых кислот, липидов;
- структурная роль углеводов, которые являются важными
компонентами стенок бактериальных и растительных клеток, а также
оболочек клеток животных, они помимо опорной функции выполняют
одновременно и многие другие;
- являются антигенными детерминантами клеток и многих
соединений, т. е. наличие углеводных меток на поверхности клеток
или макромолекул позволяет организму отличать свои клетки и
макромолекулы от чужих;
- углеводные компоненты на поверхности белка часто
обеспечивают защиту последнего от разрушающего действия внешней
среды или ферментов;
- углеводные компоненты клеточных стенок и оболочек служат
также рецепторами для специфического связывания различных
регуляторов метаболизма, таких, как гормоны и токсины, а также
медиаторов при передаче нервных импульсов;
- другие функции: предохраняют кровь от свертывания, а у
некоторых рыб
от замерзания; обусловливают слизистую
консистенцию веществ, которые покрывают эпителиальные ткани
дыхательных и пищеварительных путей, а также выполняют роль
смазки в суставах и других местах; являются антибиотиками,
52
различными физиологически активными веществами; витамин С
также относится к углеводам.
Классификация углеводов связана с их делением на простые и
сложные сахара. Простые сахара - это моносахариды и их
производные, сложные сахара - олигосахариды и полисахариды
вместе с производными. Моносахариды - альдозы и кетозы, молекулы
которых содержат от З до 7 атомов углерода. Иногда к ним относят
также альдозы и кетозы с 8 и 9 атомами углерода, называемыми
высшими сахарами.
Олигосахариды
можно
рассматривать
как
результат
поликонденсации 2-10 молекул моносахаридов или их производных.
ГIолисахариды (гликаны) - это результат поликонденсации большого
числа молекул моносахаридов или их производных. Среди них
различают гомополисахариды, состоящие из остатков одного
моносахарида, и гетерополисахариды, у которых чередуются остатки
разных моносахаридов, обычно не более четырех.
Альдозы и кетозы
Моносахариды важны как источник энергии, а также как
строительные блоки для синтеза более крупных молекул. В молекулах
моносахаридов ко всем атомам углерода, за исключением одного,
присоединены гидроксильные группы. Этот один атом углерода
входит в состав либо альдегидной группы, либо кетогруппы. В первом
случае моносахарид называется альдозой, а во втором - кетозой.
Таким образом, любой моносахарид представляет собой либо альдозу,
либо кетозу. Простейшими моносахаридами являются две триозы:
глицеральдегид и дигидроксиацетон – рисунок 19.
Глицеральдегид
содержит
альдегидную
группу,
а
дигидроксиацетон - кетогруппу. Альдозы (например, рибоза и
глюкоза) встречаются чаще, чем кетозы (например, рибулоза и
фруктоза). Еще раз обратим внимание на тот факт, что даже эти,
достаточно простые молекулы, не изменяя своей общей химической
формулы, могут образовывать различающиеся в биохимическом
отношении стереоизомеры, играющие важную роль в живом
веществе.
Моносахариды классифицируют по числу углеродных атомов в
молекуле:
- содержащие 3 атома – триозы;
- содержащие 4 атома – тетрозы;
- 5 атомов – пентозы;
- 6 атомов углерода – гексозы.
53
Рисунок 19 – Строение глицеральдегида и дигидроксиацетона.
Альдегидная группа всегда находится на конце углеродной цепи
Основные функции моносахаридов:
- триозы С3Н6О3, например глицеральдегид, дигидроксиацетон.
Играют роль промежуточных продуктов в процессе дыхания,
фотосинтезе (темновые реакции) и в других процессах углеводного
обмена;
– пентозы С5Н10О5, например рибоза, дезоксирибоза, рибулоза.
Участвуют в синтезе нуклеиновых кислот; рибоза входит в состав
РНК, дезоксирибоза - в состав ДНК Участвуют в синтезе некоторых
коферментов, например рибоза - в синтезе НАД и НАДФ. Участвуют
в синтезе АТФ (рибоза).
– гексозы C6H12O6, например глюкоза, фруктоза, галактоза
служат источником энергии, высвобождаемой при окислении в
процессе дыхания; глюкоза - обычный дыхательный субстрат и
наиболее распространенный моносахарид Участвуют в синтезе
дисахаридов - две моносахаридные единицы, связываясь друг с
другом, образуют дисахарид.
Значение в биохимии сахаров определяется двумя основными
факторами – количеством углеродных атомов в молекуле и
пространственной конфигурацией вещества (оптической активностью,
хиральностью). Пентозы имеют эмпирическую формулу C5H11O5, а
гексозы – C6H12O6. Среди гексоз ведущее место занимают глюкоза и
фруктоза. На рисунке 20 приведена формула глюкозы в виде
«открытой цепи» и в виде циклической структуры. Открытая цепь
может быть прямолинейной цепочкой, но углы связей между атомами
54
углерода допускают у пентоз и гексоз образование стабильных
циклических структур. В водном растворе эти три формы существуют
в равновесии в следующем отношении: 0,02% - открытая цепь; 36% α -глюоза и 64% - β-глюкоза.
Рисунок 20 – Структура открытой цепи и двух циклических
форм молекулы глюкозы - α- и β- глюкозы
У гексоз типа глюкозы первый атом углерода соединяется с
кислородом при пятом углеродном атоме, что приводит к
образованию шестичленного кольца. Обратите внимание на то, что
атом кислорода включается в кольцо, а шестой углеродный атом
оказывается вне кольца. У пентоз первый атом углерода соединяется с
55
кислородом при четвертом углеродном атоме, в результате чего
образуется пятичленное кольцо. Циклические структуры пентоз и
гексоз - обычные их формы; в каждый данный момент лишь
небольшая часть молекул существует в виде открытой цепи. В состав
дисахаридов и полисахаридов также входят циклические формы
моносахаридов.
Другим важным моносахаридом гексозой, является фруктоза. Ее
молекулярная формула одинакова с формулой глюкоз. Отличие
состоит в том, что кислород образует двойную связь не с первым
атомом углерода, как это показано на рисунке 20 – у глюкозы, но со
вторым атомом углерода, образуя кетонную группу. В связи с этим в
некоторых условиях поведение глюкозы указывает на наличие в ней
альдегидной группы, она ведет себя, как слабый восстановитель, а у
фруктозы проявляются свойства кетогруппы.
Дисахариды образуются в результате реакции конденсации
между двумя моносахаридами, обычно гексозами. Реакция
конденсации происходит с образованием воды – рисунок 21.
Рисунок 21 – Реакция объединения двух моносахаров в
дисахарид происходит с образованием воды
Связь между моносахаридами, возникающая в результате
реакции конденсации, называется гликозидной связью. Обычно она
образуется между 1-м и 4-м углеродными атомами соседних
моносахаридных единиц (1,4-гликозидная связь). Этот процесс может
повторяться бессчетное число раз, в результате чего и возникают
очень большие молекулы полисахаридов. После того как
моносахаридные единицы соединятся друг с другом, их называют
остатками. Таким образом, мальтоза состоит из двух остатков
глюкозы. Среди дисахаридов наиболее распространены мальтоза,
лактоза и сахароза:
Мальтоза = Глюкоза + Глюкоза
Лактоза = Глюкоза + Галактоза
Сахароза = Глюкоза + Фруктоза
К сахарам обычно относят и моно- и дисахариды, имеющие
сладкий вкус. Процесс объединения дисахаридов может продолжаться
56
с образованием полисахаридов. Схема этого процесса, показана на
рисунке 22.
Рисунок
22 – Образование дисахарида (мальтозы) и
полисахарида (крахмала) из α-глюкозы. (По Тейлор Д. с соавторами)
Мальтоза (солодовый сахар) образуется из крахмала при его
переваривании под действием ферментов, называемых амилазами.
Это обычно происходит в пищеварительном тракте животных или в
прорастающих семенах. Последний процесс используется, в
частности, в пивоварении, где источником крахмала служит ячмень.
Сначала стимулируют прорастание ячменя, результатом чего является
превращение крахмала в мальтозу (этот этап носит название
«осолаживание»). Далее из мальтозы в процессе дрожжевого
брожения образуется спирт. На этом этапе мальтоза расщепляется до
глюкозы под действием фермента мальтазы - процесс, который
протекает также при переваривании углеводов в организме животных.
Лактоза, или молочный сахар, содержится только в молоке и
служит важным источником энергии для детенышей млекопитающих.
Она переваривается медленно и потому способна обеспечивать
постоянный стабильный приток энергии.
Сахароза, или тростниковый сахар - самый распространенный в
природе полисахарид. Чаше всего она встречается в растениях, где в
57
больших количествах транспортируется по флоэме. Сахароза
особенно пригодна для этого, так как благодаря ее высокой
растворимости она может транспортироваться в виде весьма
концентрированных растворов. В химическом отношении сахароза
довольно инертна, т. е. при перемещении из одного места в другое она
практически не вовлекается в метаболизм. По этой же причине
сахароза иногда откладывается в качестве запасного питательного
вещества. Промышленным способом сахарозу получают из сахарного
тростника или сахарной свеклы; именно она и есть тот самый «сахар»,
который мы обычно употребляем в качестве подсластителя.
Среди полисахаридов важную роль играют такие вещества, как
крахмал, гликоген, целлюлоза – играющие энергетического резерва и
строительного материала.
Углеводы - первичные продукты фотосинтеза и основные
исходные продукты биосинтеза других веществ в растениях. Они
составляют существенную часть пищевого рациона человека и многих
животных. Подвергаясь окислительным превращениям, обеспечивают
все живые клетки энергией (глюкоза и ее запасные формы - крахмал,
гликоген). Входят в состав клеточных оболочек и других структур,
участвуют в защитных реакциях организма (иммунитет).
Применяются в пищевой (глюкоза, крахмал, пектиновые вещества),
текстильной и бумажной (целлюлоза), микробиологической
(получение спиртов, кислот и других веществ сбраживанием
углеводов) и других отраслях промышленности. Используются в
медицине (гепарин, сердечные гликозиды, некоторые антибиотики).
3.2 Липиды (жиры)
Липиды (от греч. lipos - жир) обширная группа природных
органических соединений, включающая жиры и жироподобные
вещества. Молекулы простых липидов состоят из спирта и жирных
кислот, сложных - из спирта, высокомолекулярных жирных кислот и
других компонентов. Важная составная часть многих липидов –
жирные кислоты – рисунок 23. Углеводородная часть молекулы
определяет многие свойства молекул, в том числе и гидрофобные
свойства. Все связи между атомами углерода в молекуле стеариновой
кислоты – одинарные. В некоторых жирных кислотах имеется одна
или несколько двойных связей —С=С—, такие жирные кислоты
называются ненасыщенными. В отличие от насыщенных жирных
кислот они имеют более низкую температуру плавления. С этим
связано более высокое содержание ненасыщенных жирных кислот в
клетках пойкилотермных животных.
58
Рисунок 23 – Строение жирной кислоты. На рисунке
представлена стеариновая кислота – С17Н35СООН, в разных формах
изображения
Они содержатся во всех живых клетках. Липиды - один из
основных
компонентов биологических
мембран.
Образуют
энергетический резерв организма, участвуют в передаче нервного
импульса, в создании водоотталкивающих и термоизоляционных
покровов и др. К липидам относят некоторые жирорастворимые
вещества, в молекулы которых не входят жирные кислоты, напр.,
терпены, стерины. Многие липиды - продукты питания, используются
в промышленности и медицине.
Хорошо растворимы в органических растворителях, таких, как
метанол, ацетон, хлороформ и бензол. В то же время эти вещества
нерастворимы или слабо растворимы в воде. Слабая растворимость
связана с недостаточным содержанием в молекулах липидов атомов с
поляризующейся электронной оболочкой, таких, как О, N, S или P.
Липиды подразделяют на омыляемые и неомыляемые.
Омыляемые липиды
Структурные компоненты омыляемых липидов связаны
сложноэфирной связью. Эти липиды легко гидролизуются в воде под
действием щелочей или ферментов. Омыляемые липиды включают
три группы веществ: сложные эфиры, фосфолипиды и гликолипиды.
В группу сложных эфиров входят нейтральные жиры (глицерин+три
жирные кислоты), воски (жирный спирт+жирная кислота) и эфиры
стеринов (стерин+жирная кислота). Группа фосфолипидов включает
фосфатидовые кислоты (глицерин+две жирные кислоты+фосфатная
59
группа), фосфатиды (глицерин+две жирные кислоты+фосфатная
группа+спирт)
и
сфинголипиды
(сфингозин+жирная
кислота+фосфатная группа+спирт). К группе гликолипидов относятся
цереброзиды (сфингозин+жирная кислота+один углеводный остаток)
и ганглиозиды (сфингозин+жирная кислота+несколько углеводных
остатков, в том числе нейраминовая кислота).
Неомыляемые липиды
Группа
неомыляемых
липидов
включает
предельные
углеводороды и каротиноиды, а также спирты. В первую очередь это
спирты с длинной алифатической цепью, циклические стерины
(например, холестерин) и стероиды (эстрадиол, тестостерон и др.).
Важнейшую группу липидов образуют жирные кислоты. К этой
группе относятся также эйкозаноиды, которые можно рассматривать
как производные жирных кислот.
Образование липидов
Большая часть липидов являются триглицеридами, в состав
которых входит спирт глицерол – рисунок 24.
Рисунок 24 – Образование триглицерида из глицерола и трех
жирных кислот (R1,
R2, R3 – могут быть различными или
одинаковыми) реакция конденсации с выделением воды
Биологические функции липидов
Биологические функции липидов связаны с основами
существования жизни. Выделяют следующие функции:
- источник энергии. Липиды - наиболее важный из всех
питательных веществ источник энергии. В количественном
отношении липиды - основной энергетический резерв организма. В
основном жир содержится в клетках в виде жировых капель, которые
служат метаболическим «топливом». Липиды окисляются в
митохондриях до воды и диоксида углерода с одновременным
образованием большого количества АТФ (ATP);
60
- структурные блоки. Как уже отмечалось - липиды принимают
участие в образовании клеточных мембран. Типичными мембранными
липидами являются фосфолипиды, гликолипиды и холестерин;
- изолирующий материал. Жировые отложения в подкожной
ткани и вокруг различных органов обладают высокими
теплоизолирующими свойствами. Как основной компонент клеточных
мембран липиды изолируют клетку от окружающей среды и за счет
гидрофобных свойств обеспечивают формирование мембранных
потенциалов;
- другие функции липидов. Некоторые липиды выполняют в
организме специальные функции Стероиды, эйкозаноиды и некоторые
метаболиты фосфолипидов выполняют сигнальные функции. Они
служат в качестве гормонов, медиаторов и вторичных переносчиков
(мессенджеров), Отдельные липиды выполняют роль «якоря»,
удерживающего на мембране белки и другие соединения. Некоторые
липиды являются кофакторами, принимающими участие в
ферментативных реакциях, например, в свертывании крови или в
трансмембранном переносе электронов. Светочувствительный
каротиноид ретиналь играет центральную роль в процессе
зрительного восприятия. Поскольку некоторые липиды не
синтезируются в организме человека, они должны поступать с пищей
в виде незаменимых жирных кислот и жирорастворимых витаминов.
3.3 Белки
В любом живом организме содержатся тысячи белков,
выполняющих разнообразные функции. Функции, выполняемые
белками, распределяются примерно следующим образом:
- структурообразующие функции. Структурные белки отвечают
за поддержание формы и стабильности клеток и тканей. В качестве
примера структурного белка можно привести коллаген фибриллярный белок, составляющий основу соединительной ткани
животных (сухожилие, кость, хрящ) и обеспечивающий ее прочность.
К структурным белкам можно отнести также гистоны, функцией
которых является организация укладки ДНК в хроматине.
Структурные единицы хроматина, нуклеосомы, состоят из
октамерного комплекса гистонов, на который навита молекула ДНК
(DNA);
- транспортные функции. Наиболее известным транспортным
белком является гемоглобин эритроцитов, ответственный за перенос
кислорода и диоксида углерода между легкими и тканями. В плазме
крови содержатся множество других белков, выполняющих
61
транспортные функции. Так, преальбумин переносит гормоны
щитовидной железы - тироксин и трииодтиронин. Ионные каналы и
другие интегральные мембранные белки осуществляют транспорт
ионов и метаболитов через биологические мембраны;
- защитные функции. Иммунная система защищает организм от
возбудителей болезней и чужеродных веществ. В качестве ключевого
компонента этой системы здесь представлен иммуноглобулин G,
который на эритроцитах образует комплекс с мембранными
гликолипидами;
- регуляторные функции. В биохимических сигнальных цепях
белки осуществляют функции сигнальных веществ (гормонов) и
гормональных рецепторов. Например комплекс гормона роста
соматотропина с соответствующим рецептором. При этом
экстрацеллюлярные домены двух молекул рецептора связывают одну
молекулу гормона. Связывание с рецептором активирует
цитоплазматические домены комплекса и тем самым обеспечивает
дальнейшую передачу сигнала. В регуляции обмена веществ и
процессов дифференцировки принимают решающее участие ДНКассоцированиые белки (факторы транскрипции). Особенно детально
изучено строение и функции белков-активаторов катаболизма и
других бактериальных факторов транскрипции;
- катализ. Среди 2000 известных белков наиболее
многочисленную группу составляют ферменты;
- двигательные функции. Взаимодействие актина с миозином
ответственно за мышечное сокращение и другие формы
биологической подвижности. Гексамер миозина длиной 150 нм - один
из наиболее крупных белков. Нитевидный актин (F-актин) образуется
путем
полимеризации
относительно
небольших
молекул
глобулярного актина (G-актин). Процессом сокращения управляют
ассоциированный с F-актином тропомиозин и другие регуляторные
белки;
- запасные функции. В растениях содержатся запасные белки,
являющиеся ценными пищевыми веществами. В организмах
животных мышечные белки служат резервными питательными
веществами, которые мобилизуются при крайней необходимости.
В количественном отношении белки образуют самую важную
группу макромолекул. В организме человека массой 70 кг содержится
примерно 10 кг белка, причем большая его часть локализована в
мышцах. По сравнению с белками доля других азотсодержащих
веществ в организме незначительна. Поэтому баланс азота в
62
организме определяется метаболизмом белков, который регулируется
несколькими гормонами, прежде всего тестостероном и кортизолом
Аминокиcлоты
В молекуле аминокислоты к центральному атому углерода (αуглероду) – рисунок 25 – всегда присоединена одна кислотная группа
—СООН (карбоксильная группа), одна основная —NH2
(аминогруппа) и один атом водорода.
Рисунок 25 – Строение аминокислоты
Группа R – различна, в простейшей аминокислоте - глицине –
это атом водорода, у аланина - —СН3, у глутаминовой кислоты он
несет еще одну карбоксильную группу – рисунок 26, гистидин и
аргинин несут еще дополнительные азотистые группы.
Рисунок 26 – Различные группы R в некоторых аминокислотах
63
Также в состав аминокислот может входить сера. Считается, что
последовательность аминокислот в белке кодируется триплетами в
структуре ДНК. Кроме того, аминокислоты подразделяются на 2
группы, в одной из них аминокислоты, которые организм человека
может производить самостоятельно, в другой – незаменимые, те, что
должны поступать с пищей, т.к. в организме человека нет механизма
их сборки.
В живых организмах аминокислоты выполняют разнообразные
функции, в том числе, они:
- стpуктуpные элeменты пeптидов и белков. В состав белков
входят 20 протеиногенных аминокислот, которые кодиpyютcя
генетичеcким кодом и постоянно oбнapyживaютcя в белкax.
Некоторые из них пoдвеpгaютcя посттрансляционной модификации,
т.е.
мoгyт
быть
фocфopилиpовaны,
aцилиpoваны
или
гидpoксилирoваны;
- структурные элeмeнты дpyгих природных соeдинeний.
Аминoкиcлoты и их производные входят в cocтaв коферментов,
желчных кислот, антибиотиков;
- пepeнoсчики сигналов. Некоторые из aминoкиcлoт являются
нейромедиаторами или предшественниками нейромедиаторов,
медиаторов или гормонов;
- метаболиты. Аминoкиcлоты - важнейшие, а некоторые из них
жизненно важные компоненты питания. Некоторые aминoкиcлoты
принимают участие в обмене веществ, нaпpимep, cлyжaт донорами
азота. Непротеиногенные aминoкиcлoты oбpaзyютcя в качестве
прoмeжyточныx продуктов при биоcинтeзе и деградации
протеиногенных аминокислот или в цикле мочевины.
Стeрeoхимия аминокислот
Природные аминокислоты являютcя 2-аминокарбоновыми
кислотами (или α-аминокислотами, в отличие от β-аминокислот,
такиx, как β-аланин и тaypин). У α-aминoкиcлoт при атоме C-2 (Cα)
имеются четыре различных зaмecтитeля: каpбокcильнaя группа,
аминогруппа, вoдopoдный атом и бокoвaя цепь R, как это показано на
рисунках 25 и 26. Таким образом, вcе α-аминокислоты, кpoмe
глицина, имеют асимметрический (хиральный) α-углеродный атом и
cущeствуют в виде двух энантиомеров (L- и D-aминoкиcлoт).
Пpотeиногенныe аминoкиcлoты oтноcятcя к L-ряду. D-Аминoкиcлоты
вcтpeчaютcя в бaктepиях, например в сocтaвe муреинов, и в
пептидных антибиотиках.
64
Синтез пептидов
Главными структурными единицами белков и пептидов
являются остатки аминокислот, связанные карбоксамидной пептидной
связью между α-карбоксильной и α-аминогруппой. В клетках пептиды
и белки синтезируются в процессе трансляции на рибосомах. При
химическом синтезе пептидов следует помнить, что целевой продукт
образуется с высоким выходом лишь при условии, что
функциональные группы, не участвующие в реакции, заблокированы
защитными группировками. В противном случае наряду с целевым
дипептидом могут образовываться и дипептиды со всевозможными
сочетаниями участвующих в процессе аминокислот.
Кроме того, необходимо активировать карбоксильную группу,
что облегчает нуклеофильное присоединение по аминогруппе. В
настоящее время пептиды с определенной аминокислотной
последовательностью получают с помощью автоматических
пептидных синтезаторов. Как всякая карбоксиамидная связь,
пептидная связь стабилизирована за счет мезомерии (резонансно
стабилизирована) и поэтому является практически плоской
(планарной). Вращение вокруг связи C—N требует больших затрат
энергии и, следовательно, затруднено.
Пептидная цепь имеет одно направление и два разных конца N-конец, несущий свободную аминогруппу первой аминокислоты, и
С-конец, несущий карбоксильную группу последней аминокислоты. В
белках и пептидах аминокислотные остатки связаны в цепочку
последовательно. Для того чтобы назвать конкретный пептид,
достаточно перечислить (начиная с N-конца) последовательность
входящих в его состав аминокислотных остатков в трехбуквенном или
однобуквенном коде.
Конформация полипептидной цепи
Каждый аминокислотный остаток, за исключением концевых,
принимает участие в образовании двух пептидных связей (с
предыдущим и последующим фрагментами). Поскольку вращение
вокруг связи C—N затруднено, повороты возможны только вокруг
связей N—Cα и Cα—C. Такие повороты измеряются двугранными
углами φ и ψ. Угол φ характеризует поворот вокруг связи N—Cα, а
следовательно, положение предшествующей пептидной связи; угол ψ
характеризует поворот вокруг связи Сα—С, т. е. положение
последующей связи. Для каждого конкретного аминокислотного
остатка ввиду стерических ограничений разрешены только
определенные комбинации углов вращения φ и ψ.
65
Биосинтез белка
Биосинтез белка - сложный многостадийный процесс синтеза
полипептидной цепи из аминокислотных остатков, происходящий на
рибосомах клеток живых организмов с участием молекул мРНК и
тРНК – рисунок 27. Процессы, связанные с информационными
обменами в ядре будут рассмотрены дальше.
Биосинтез белка разделяют на стадии транскрипции,
процессинга и трансляции. Во время транскрипции происходит
считывание генетической информации, зашифрованной в молекулах
ДНК, и запись этой информации в молекулы иРНК. В ходе ряда
последовательных стадий процессинга из иРНК удаляются некоторые
фрагменты, ненужные в последующих стадиях, и происходит
редактирование
нуклеотидных
последовательностей.
После
транспортировки кода из ядра к рибосомам происходит собственно
синтез белковых молекул, путем присоединения отдельных
аминокислотных остатков к растущей полипептидной цепи.
Рисунок 27 – Общая схема передачи информации, хранящейся
в ДНК
66
Между транскрипцией и трансляцией молекула мРНК
претерпевает
ряд
последовательных
изменений,
которые
обеспечивают созревание функционирующей матрицы для синтеза
полипептидной цепочки.
Трансляция заключается в синтезе полипептидной цепи в
соответствии с информацией, закодированной в матричной РНК.
Аминокислотная последовательность выстраивается при помощи
транспортных РНК (тРНК), которые образуют с аминокислотами
комплексы - аминоацил-тРНК. Каждой аминокислоте соответствует
своя тРНК, имеющая соответствуюищий антикодон, «подходящий» к
кодону мРНК. Во время трансляции рибосома движется вдоль мРНК,
по мере этого наращивается полипептидная цепь. Энергией биосинтез
белка обеспечивается за счет АТФ.
Готовая белковая молекула затем отщепляется от рибосомы и
транспортируется в нужное место клетки. Для достижения своего
активного состояния некоторые белки требуют дополнительной
посттрансляционной модификации.
В отличие от ДНК или РНК, составленных всего из 4
стандартных азотистых оснований, белки включают 20 стандартных
аминокислотных остатков. Это приводит к тому, что число
возможных взаимодействий пар остатков (как соседствующих, так и
удаленных) оказывается более чем на порядок больше, чем для пар
азотистых оснований. А в пространстве могут взаимодействовать
одновременно не 2, а более остатков, в результате чего число
возможных взаимодействующих единиц на много порядков больше.
Важным является то, что весь остов транслированной пептидной цепи
является прочным, поскольку все его элементы, включая и пептидную
связь, объединены сильными химическими (ковалентными) связями.
Многообразие структурных форм белков и пептидов лежит в
основе многообразия и их биологических функций. Это многообразие
обусловливает и то, что единой и строгой классификации веществ
пептидной природы не существует, и пока есть сомнения в том, что
такую классификацию в ближайшее время можно будет создать.
Функции белков чрезвычайно многообразны. Каждый данный
белок как вещество с определенным химическим строением
выполняет одну узкоспециализированную функцию и лишь в
нескольких отдельных случаях – несколько взаимосвязанных.
Например, гормон мозгового слоя надпочечников адреналин,
поступая в кровь, повышает потребление кислорода и артериальное
давление, содержание сахара в крови, стимулирует обмен веществ, а
67
также является медиатором нервной системы у холоднокровных
животных.
Транскрипция и созревание РНК
Транскрипция
осуществляется
ДНК-зависимыми
РНКполимеразами. Они действуют подобно ДНК-полимеразам, за
исключением того, что включают во вновь синтезируемую цепь РНК
(RNA) рибонуклеотиды вместо дезоксирибонуклеотидов и не
нуждаются в праймерах. Эти РНК служат предшественниками
функциональных РНК, которые образуются в процессе созревания
РНК.
3.4 Нуклеиновые кислоты
Hyклеиновые кислоты играют основную роль в сохранении и
реализации генетической информации. Различают два типа
нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновые кислоты [ДНК
(DNA)], которые обеспечивают сохранение информации, и
рибонуклеиновые кислоты [PHK (RNA)], принимающие участие в
процессах генной экспрессии и биосинтеза белка. Нуклеиновые
кислоты построены из нуклеотидных звеньев, которые в свою очередь
состоят из азотистого основания, углеводного остатка и фосфатной
группы. ДНК и РНК различаются по типу углеводного остатка и
структуре оснований.
Азотистые основания
Азотистые основания – рисунок 28 - это ароматические
гетероциклические соединения, производные пиримидина или
пурина. Пять соединений этого класса являются основными
структурными компонентами нуклеиновых кислот общими для всей
живой материи.
Пуриновые основания аденин (Ade) и гуанин (Guа), а также
пиримидиновое основание цитозин (Cyt), входят в состав ДНК и РНК.
В состав ДНК входит также тимин (Thy), 5-метил-производное
урацила. Основание урацил (Ura) входит только в состав РНК. В ДНК
высших организмов в небольшом количестве присутствует 5метилцитозин. Производные азотистых оснований присутствуют в
тРНК и в других типах РНК.
Нуклеозиды, нуклеотиды
Соединения азотистых оснований с рибозой или 2дезоксирибозой носят название нуклеозиды – рисунок 29. Так,
например, аденин и рибоза образуют нуклеозид аденозин (1,
сокращенно А). Соответствующие производные других азотистых
68
оснований носят названия гуанозин (G), уридин (U), тимидин (T) и
цитидин (С).
Рисунок 28 – Азотистые основания
Рисунок 29 – Нуклеозиды – соединения азотистых осований с
рибозой или дезоксирибозой
69
Если углеводный остаток представлен 2-дезоксирибозой
образуется дезоксинуклеозид, например 2'-дезоксиаденозин. В клетке
5'-ОН-группа углеводного остатка нуклеозида этерифицирована
фосфорной
кислотой.
Соответствующее
производное
2'дезокситимидина (dT), звено ДНК, называется 2'-дезокситимидин-5'монофосфат (dTMP). Если 5'-фосфатный остаток соединяется с
другими нуклеозидфосфатными остатками. получаются нуклеозиддии нуклеозидтрифосфаты, например АДФ и АТФ - важнейшие
коферменты энергообмена. Все нуклеозидфосфаты объединяют под
общим названием нуклеотиды – рисунок 30.
Рисунок 30 – Нуклеотиды (фосфорные эфиры нуклеозидов),
соединения нуклеозидов с одним или несколькими фосфатными
остатками
(фосфат).
На
рисунке
молекула
АМФ
аденозинмонофосфата
На рисунке представлена формула АМФ аденозинмонофосфата,
имеющего одну фосфатную группу. Аденозиндифосфат (АДФ) –
имеет 2 фосфатные группы, а АТФ (аденозинтрифосфат) –
соответственно 3 фосфатные группы. В нуклеозидах и нуклеотидах
пентоза находится в фуранозной форме. Углеводный остаток и
азотистое основание связаны N-гликозидной связью между С-1'
углеводного звена и N-9 пуринового или соответственно N-1
70
пиримидинового цикла. Гликозидная связь находится в βконфигурации.
Олигонуклеотиды, полинуклеотиды
Остатки фосфорной кислоты могут связываться за счет
образования фосфоангидридной связи. Следовательно, два нуклеотида
могут быть связаны через фосфатные группировки с образованием
соответствующего динуклеотида. К этой группе соединений относятся
коферменты [HAДФ+(NADP+)] и KoA (CoA), а также флавин
[ФАД(FAD)].
Если фосфатная группа одного нуклеотида взаимодействует с З'ОН-группой другого нукпеотида, образуется динуклеотид с
фосфодиэфирной связью. Такой динуклеотид несет на 5'-конце
свободную фосфатную группу, а на 3'-конце свободную ОН-группу.
Поэтому можно за счет образования еще одной фосфодиэфирной
связи присоединить новый мононуклеотид. Таким путем образуются
олигонуклеотиды и, наконец, полинуклеотиды.
Полинуклеотиды, составленные из рибонуклеотидных звеньев,
называются
рибонуклеиновыми
кислотами
(РНК),
из
дезоксирибонуклеотидных мономеров - дезоксирибонуклеиновыми
кислотами (ДНК). При обозначении полинуклеотидов указывают
сокращенные названия нуклеозидных звеньев в направлении 5'→3',
т.е. слева направо. Иногда в название включают фосфатную группу.
4
История
и
методы
модифицированных организмов
создания
генетически
В англоязычной литературе общеупотребительным является
термин
Genetically
Modified
Organism
генетически
модифицированный организм. Однако, в русскоязычной литературе
можно встретить ГМО в значении «Генетически модифицированный
организм» и «Генетически модифицированный объект». По всей
видимости, в последнем случае имела место попытка объединить все
генетически модифицированные структуры в одну группу
генетически модифицированных объектов. Для обозначения любого
организма, претерпевшего изменение ДНК методами генной
инженерии, принято определение - генетически модифицированный
организм. Другой термин, имеющий менее широкое применение,
употребляется в качестве синонима ГМО – трансгенный организм.
Трансгенный организм - живой организм, полученный путём
переноса одного или группы генов (трансгенов) из другого организма
при помощи методов генной инженерии. Целью переноса является
71
выработка у трансгенного организма несвойственного ему белка,
который несёт какую-либо полезную функцию, например выработка
лекарственных веществ, повышение пищевой ценности или вкусовых
качеств
продуктов
питания,
повышение
устойчивости
сельскохозяйственных животных и растений к неблагоприятным
условиям среды или устойчивость к вредителям, сорнякам и
болезням, научно-исследовательская ценность.
Трансгенный
организм – это разновидность генетически модифицированных
организмов, полученных методом переноса генов.
Созданию
генетически
модифицированного
организма
предшествовали десятилетия развития биотехнологии. «Нет
химического соединения более важного, чем ДНК». Эти слова
принадлежат Джеймсу Уотсону – получившему в 1962 году вместе с
Ф. Криком и М. Уилкинсом Нобелевскую премию по физиологии и
медицине за установление молекулярной структуры ДНК и за
определение ее роли в передаче информации в живой материи.
Гораздо ранее, в 1868 году врач и химик Фридрих Мишер выделил из
ядер лейкоцитов вещество, которое он назвал нуклеином. К 20-ым
годам прошлого века стало известно, что «нуклеин» есть ничто иное
как дезоксирибонуклеиновая кислота, построенная из нуклеотидов.
Нуклеотиды в свою очередь состоят из азотистого основания, остатка
фосфорной кислоты и пятиуглеродного сахара (дезоксирибоза). Дж.
Уотсон и Ф. Крик предположили, что на пути между геном (ДНК) и
его продуктом (белком) находится посредник и-РНК. В ходе
последующих экспериментов их гипотеза подтвердилась. Ученые
сумели не только выяснить структуру генетического аппарата, но и
разгадать «код» природы последовательности нуклеотидов,
ответственные за синтез конкретных аминокислот.
Важнейшее свойство генетического кода, открытие которого,
возможно и зародило идею о создании модифицированных
организмов, - его универсальность. Один и тот же шифр используется
для записи аминокислотного состава ферментов, ответственных за
различные признаки очень далеких организмов – от эукариот до
лишенных истинного ядра бактерий и вовсе бесклеточных вирусов и
бактериофагов. Именно благодаря этому свойству информация,
зашифрованная в гене одного организма, может быть правильно
прочитана в другом.
Последовавшие за этим открытием попытки искусственного
синтеза генов ученым Г. Корана оказались провальными. Первый из
созданных путем химического синтеза ген состоял из 77 пар
нуклеотидов и нормально работать в клетке не мог. Оказалось, что
72
помимо структурной части в любом гене имеются регуляторные
элементы. Важнейший из регуляторных элементов – промотор,
участок, состоящий из нескольких десятков пар нуклеотидов. Именно
он распознается ферментом РНК-полимеразой, обеспечивающей
синтез мРНК по матрице гена. Промоторы прокариот и эукариот
различаются по особенностям строения.
Интересное явление, замеченное В. Арбером, и детально
изученное другими учеными, заключается в способности
бактериальных клеток с помощью специальных ферментов
(рестриктаз) разрезать на отрезки ДНК фагов. Эти ферменты
распознают в ДНК очень короткие, но строго специфичные для
каждой рестриктазы участки длиной в 4-6 пар нуклеотидов и
разрезают обе цепи ДНК. Стороны оборванных цепочек ДНК имеют
свойство присоединять к себе комплементарные основания, за
которое их традиционно называют «липкие концы». Это важное
открытие стало еще одним шагом на пути создания ГМО.
Формальной датой рождения генной инженерии считают 1972
год. В этот год группа исследователей во главе с Полом Бергом
сообщила о создании in vitro первой рекомбинантной молекулы ДНК.
Она состояла из фрагмента ДНК бактериофага лямбда кишечной
палочки, группы генов самой этой бактерии, ответственных за
сбраживание сахара галактозы, и полной ДНК вируса SV 40. При
создании своего необычного гибрида Берг использовал рестриктазу,
открытую незадолго до этого в одном из штаммов кишечной палочки
Гербертом Бойером. Бойер показал, что эта рестриктаза, названная
EcoRI, всегда разрезает обе цепи ДНК точно в одной и той же
последовательности оснований. С помощью этой же EcoRI получили
фрагменты из ДНК других организмов, и они имели подходящие друг
к другу «липкие концы». Скрепить сцепленные этими концами
фрагменты позволил другой фермент – ДНК-лигаза. Он соединяет
между собой сахарофосфатные остовы фрагментов с образованием
полной структуры двойной спирали ДНК.
С. Коэн, Г. Бойер и Д. Хелински развили идеи П. Берга. В их
работах появился новый и очень важный элемент всех последующих
генноинженерных работ – вектор. Вектор – это молекула ДНК,
способная самостоятельно реплицироваться в клетках различных
организмов и обеспечивать размножение и работу встроенного в нее
искусственно какого-либо гена, не имеющего обычно собственных
регуляторных элементов, т.е. вектор – это устройство для доставки
чужеродных генов в различные организмы. Первым реципиентом для
рекомбинантных ДНК стали бактерии, а первыми векторами, с
73
помощью которых эти рекомбинантные молекулы доставлялись в
бактериальные клетки – плазмиды.
В 1952 году исследователь Джошуа Ледерберг применил термин
«плазмиды» для обозначения генетических элементов бактерий,
находящихся в цитоплазме и несущественных для жизни клеткихозяина. Главное свойство плазмид состоит в их способности
автономно, независимо от хромосомы, реплицироваться в клетке. Это
означает, что хромосома и плазмида могут соседствовать в бактериях
рисунок 31. К 1961-му году выяснилось, что плазмида представляет
собой замкнутую в кольцо плотно закрученную молекулу ДНК. В
плазмиде может размещаться до сотни генов.
Рисунок 31 – Плазмида в клетке бактерии
Признаки, которыми плазмиды наделяют клетку чрезвычайно
многообразны. Некоторые плазмиды несут гены, кодирующие синтез
бактериоцинов – веществ, позволяющих одним бактериям победить
других в борьбе за существование. Другие отвечают за патогенность
бактерий, их способность вызывать различные заболевания 102у
человека, животных и растений. Третьи, и это наиболее
многочисленная группа плазмид, защищают клетку от различных
неблагоприятных воздействий извне. Клетки, содержащие такие
плазмиды, намного успешнее противостоят губительному действию
74
антибиотиков, радиации, солей различных металлов, чем
бесплазмидные.
Плазмиды оказались совершенными векторными молекулами:
они способны к автономной репликации, обладают генами
устойчивости, позволяющими легко обнаружить плазмиды в клетке,
способностью внедряться в хромосому, а значит, стабильно
переносить в нее введенные гены. Рассматривая в качестве примера
плазмиду pSC101 можно выделить такие ее функциональные
свойства:

она является самостоятельно размножающейся единицей;

несет только один участок расщепления рестриктазой
EcoRI и превращается под действием этого фермента из кольцевой в
линейную, концы которой могут соединяться между собой или с
фрагментами другой ДНК, полученными под действием той же
рестриктазы;

несет ген устойчивости к антибиотику тетрациклину, а
значит, легко обнаруживается в бактериях, выращенных на среде с
этим антибиотиком.
Все эти свойства и были использованы С. Коэном и его
коллегами для создания первых рекомбинантных ДНК, которые были
функционально активными, то есть могли стабильно существовать в
клетке и наделять ее новыми признаками. Объектом первых опытов
по генной инженерии была избрана наиболее изученная и часто
используемая в лабораториях кишечная палочка (E. coli).
Для того, чтобы мембрана бактерии стала проницаемой для
молекул ДНК ее обработали раствором кальция
и подвергли
температурному шоку. Так была получена бактерия, содержащая в
себе ген устойчивости к тетрациклину уже описанной плазмиды и
полученный из плазмиды E. coli ген устойчивости к канамицину.
Плазмида созданная исследователями размножалась в клеточной
цитоплазме независимо от хромосомы и кодировала устойчивость к
антибиотикам. Этот опыт ознаменовал появление первой
функционально активной рекомбинантной ДНК.
Уже в ранних работах ученых-генетиков оформились основные
элементы техники молекулярного клонирования, то есть
избирательного накопления молекул созданной рекомбинантной ДНК:

выделение гена;

«сшивание» его с вектором;

доставка гибридной структуры в реципиентный организм,
где она сможет размножаться и наследоваться в потомстве.
75
Более
детально
современную
технологию
создания
рекомбинантных ДНК описывают следующие элементы:
1) расщепление исходных ДНК рестрицирующими нуклеазами,
что существенно ускоряет выделение и манипуляции с различными
генами;
2) секвенирование всех нуклеотидов в очищенном фрагменте
ДНК, что позволяет определить точные границы гена и
аминокислотную последовательность, кодируемую им;
3)
гибридизация
нуклеиновых
кислот
(связывание
комплементарных цепей нуклеиновых кислот), позволяющая
выявлять специфические последовательности РНК или ДНК с
большой точностью и чувствительностью на основании их
способности связывать комплементарные последовательности
нуклеиновых кислот;
4) клонирование ДНК: интересующий исследователя ДНКфрагмент вводят в самореплицирующийся генетический элемент
(плазмиду или вирус), который используют для трансформации
бактерий. Бактериальная клетка после трансформации воспроизводит
этот фрагмент во многих миллионах идентичных копий;
5)
генетическая
инженерия,
посредством
которой
последовательности
ДНК
изменяют
с
целью
создания
модифицированных версий генов, которые затем вновь внедряют в
клетки или организмы.
В середине 70-х годов ученые экспериментировали с
различными конструкциями ДНК. Создавались рекомбинантные ДНК,
в которых плазмиду-вектор объединяли с ДНК яйцеклеток лягушек,
морского ежа, митохондрий мыши. Затем эти гибриды вводили в
клетки кишечной палочки E. coli. Чужеродная ДНК размножалась в
бактериях, как их собственная, и с нее списывалась РНК.
В круг векторов стали включать и другие плазмиды. Так, начали
использовать плазмиду ColE1, кодирующую синтез бактерицидного
вещества – колицина. В отличие от pSC101 эта плазмида очень
активно размножается в Е. coli, а значит, способна интенсивно
размножать и включенные в нее чужеродные гены. Д. Хелински
включил в плазмиду ColE1 группу генов из хромосомы Е.coli,
ответственных за синтез аминокислоты триптофана. Когда в клетки
Е.coli ввели эту гибридную ДНК, они стали вырабатывать столько
ферментов, участвующих в биосинтезе этой аминокислоты, что их
количество составило почти четверть всего клеточного белка. Это
были первые результаты, показавшие, что с помощью генной
76
инженерии бактерии можно сделать фабриками нужных человеку
аминокислот.
Помимо плазмид, в качестве векторов стали использовать и
фаги, особенно производные одного из фагов Е.coli, называемого
фагом лямбда. ДНК этого фага сравнительно невелика, гены его
хорошо изучены, а размножается в клетках бактерий этот фаг очень
интенсивно. Оказалось, что фаг лямбда может потерять до 25
процентов своей ДНК, не утратив при этом способности формировать
зрелые фаговые частицы и разрушать бактериальные клетки. Это
свойство ДНК фага лямбда и привлекает ученых. Позже были созданы
космиды – особый тип векторов, сочетающих в себе свойства
плазмиды и фага лямбда. В космидах можно клонировать еще более
крупные, до 40 тысяч пар нуклеотидов длиной, фрагменты ДНК.
С развитием генной инженерии разнообразится арсенал ее
методов. Следующий этап развития генетической инженерии связан с
агробактерией Agrobacterium tumefaciens. Открытие и изучение
свойств этой бактерии явилось еще одним шагом на пути создания
ГМО. Agrobacterium tumefaciens название переводится как «полевая
бактерия, вызывающая рак». Интерес к этой бактерии был вызван ее
способностью вызывать образование у растений так называемых
галлов - онкообразований. Несколько десятков лет понадобилось для
того, чтобы в середине 70-ых годов сделать вывод о природе
образования галлов и роли бактерий.
Бактериальные клетки содержат крупных размеров плазмиду и
обладают специальными генами, локализованными в хромосоме,
которые обеспечивают перенос плазмиды в клетку растения. Попав в
растительную клетку, специальная часть бактериальной плазмиды
внедряется в клеточную ДНК. Там чужеродные гены встраиваются в
геном и нарушают баланс фитогормонов в трансформированных
растительных клетках, а это, в свою очередь, определяет
формирование опухоли. При этом опухоли, вызываемые бактериями,
становятся продуцентами опинов, которые никто не может
потреблять, кроме этих бактерий. Можно сделать вывод, что
взаимоотношения агробактерий с растениями - это особый вид
паразитизма.
Тогда исследователи апробировали перенос нужных им генов в
ДНК растений с помощью агробактерий. Плазмида агробактерии
переносит в растительную клетку только участок своей ДНК, который
называют Т-район (от англ. Transferrred). Чтобы обеспечить такой
перенос в плазмиде интенсивно работают гены Vir. Белки, которые
они кодируют, выходят из бактерий и действуют на растительную
77
клетку, способствуя включению Т-района в растительный геном.
Когда включение гена в растительный геном происходит, образуется
Т-ДНК. Значит, можно вставить в Т-район необходимую комбинацию
генов из другого организма и таким образом придать растениям новые
свойства.
Используя данные исследований плазмид и данные о свойствах
агробактерии, ученые приступили к созданию первого генетически
модифицированного растения. Однако, как оказалось, плазмиды
агробактерий слишком велики, и вставить в них какой-либо ген с
помощью рестриктаз напрямую не удается – трудно подобрать
фермент, который смог бы разрезать плазмидное кольцо так, чтобы
образовалась одна линейная молекула, а не множество кусков.
Обычные векторы, применяемые в генной инженерии бактерий
в 40-50 раз меньше, чем плазмиды агробактерий. На основе этой и
ряда других небольших плазмид стали создавать так называемые
промежуточные векторы. Гены, которые хотят перенести в растения,
встраивают в эти векторы в клетках Е.coli, а затем гибридные ДНК
переносят в агробактерии, а уже из них – в растения. Сами по себе
промежуточные векторы переноситься не могут, поэтому было
решено включать в них участок Т-района, который умеет внедряться в
геном растения, а уже в него включать желаемый ген. В результате
такой операции вектор и плазмида получили возможность «опознать»
друг друга – оба несли одинаковые последовательности ДНК. В
пределах этой последовательности произошла интеграция плазмиды
агробактерии и вектора в одну гибридную молекулу - коинтеграт.
Дальнейшие исследования показали, что для заражения и
трансформации не нужна целая плазмида, а достаточны только
пограничные области Т-ДНК и один участок Vir, ответственный за
вирулентность. Причем эти два участка ДНК не обязательно должны
находиться в одной и той же плазмиде. Если клетки агробактерий
содержат плазмиду с сегментом vir и другую плазмиду с Т-ДНК, эти
бактерии могут трансформировать клетки растений. При этом Т-ДНК
с любыми встроенными в нее генами интегрирует с геномом растения.
Для осуществления экспрессии чужеродных генов, нужен
специфический промотор из Т-ДНК. Показано, что он функционирует
в клетках растений и может быть легко соединен с кодирующей
последовательностью чужеродного гена в плазмидах агробактерии.
Другое преимущество данного промотора заключается в том, что он
функционирует в каллусах и в большинстве органов растений.
Эффективность трансформации с помощью модифицированной Т-
78
ДНК агробактерий превосходит на сегодняшний день все другие
способы переноса генов в растение.
О механизмах, с помощью которых агробактерия переносит ТДНК в ядра растений, известно очень мало: Т-сегменты ДНК
встраиваются в разные, по-видимому случайные, точки хромосом
хозяина, но при этом они никогда не интегрируют с ДНК
митохондрий и хлоропластов.
Для введения сконструированных плазмид в растительную
клетку может быть использовано несколько методов. Наиболее
простой из них природный способ - это инокуляция
сконструированных штаммов в поврежденные (пораненные) области
растения.
Другой метод состоит в трансформации протопластов путем
кокультивирования их с агробактериями. Методика кокультивации
может рассматриваться как индукция опухолей в искусственных
условиях:
вирулентные
агробактерии
временно
совместно
культивируются с протопластами. Если агробактерии добавляются к
свежевыделенным или однодневным протопластам, не наблюдается
ни присоединения бактерий, ни трансформации. Существенным
условием для трансформации является наличие вновь образуемых
клеточных стенок у 3-дневных протопластов. Это подтверждается
применением ингибиторов образования клеточной стенки, которые
ингибируют
и
присоединение
бактерий.
После
периода
кокультивации (более суток), в течение которого наступает агрегация
протопластов с бактериями, свободные бактерии удаляются
повторным отмыванием. Далее растительные клетки культивируются
на среде с добавлением гормонов, а через 3-4 недели небольшие
колонии высеваются на безгормональную среду. На этой среде
выживают только колонии трансформированных клеток.
Так были получены трансформированные растения-регенеранты
табака и петунии. Этот метод дает возможность существенно
расширить круг хозяев агробактерий, включая виды семейства
злаковых. Эффективность кокультивирования может быть повышена
применением индукторов слияния клеток (кальций и др.).
Трансформация протопластов может быть проведена также
кокультивированием их непосредственно с плазмидами. Очень низкая
эффективность включения Т-ДНК в протопласты, наблюдавшаяся в
первых экспериментах, была затем увеличена благодаря химической
стимуляции. Из трансформированных клеток были получены
трансгенные растения. Преимуществом этого метода является то, что
отпадает необходимость в промежуточных векторах.
79
Еще один метод доставки трансформированной ДНК в геном
растения – генная пушка. Генная пушка была сконструирована как
воздушный пистолет, стреляющий частицами вольфрама. Частицы
покрывали репортерными генами, и модифицировали клетки лука.
Экспрессия гена-репортера в тканях лука свидетельствовала об
успешной трансформации. На основе вышеперечисленных методов
ученые создают ГМ-растения с новыми свойствами.
Алгоритм генной модификации бактерий обычно подразделяют
на пять этапов – рисунок – 32. На схеме изображен общий ход этапов,
однако могут повторяться неоднократно. Например, в вектор может
встраиваться группа генов для получения определенных признаков,
свойств модифицированного организма.
Рисунок 32 – Алгоритм генной модификации бактерий
Выделение нужного исследователю гена (его копии) – возможно
наиболее сложная часть этого процесса. Так в геноме человека
насчитывают порядка 3*109 нуклеотидов и более 3*104 генов.
Типичный ген имеет несколько тысяч пар нуклеотидов, что
обуславливает высокую сложность поиска конкретных генов,
отвечающих за то или иное свойство. Чтобы получить нужный ген
или сделать его копию обычно используют три метода:
- получение копии гена на матрице его мРНК с помощью
обратной транскриптазы;
- синтез искусственного гена;
- использование рестриктаз, разрезающих ДНК и поиск
фрагментов, содержащих нужный ген.
80
Методику генной инженерии можно показать на примере
использования обратной транскриптазы. Несмотря на то, что в
диплоидной клетке есть только две копии каждого гена (одна - в
хромосоме, которая получена от матери, другая - в хромосоме,
полученной от отца), активно функционирующий ген обычно
образует тысячи комплементарных молекул мРНК. Чаше всего
известно, в каких клетках данный ген активен. Например, ген,
кодирующий инсулин, активен в β-клетках поджелудочной железы.
Ретровирусы содержат фермент, который может синтезировать на
молекуле РНК комплементарную копию ДНК.
Получение ДНК на матрице РНК - это процесс, который
противоположен нормальной транскрипции, когда РНК синтезируется
на матрице ДНК, поэтому фермент назвали обратной транскриптазой.
Он стал ценным инструментом генной инженерии (Сами ретровирусы
используют этот фермент для того, чтобы превратить собственный
геном, состоящий из РНК, в ДНК, которая способна инфицировать
новые клетки) Если известно, в каких клетках активен интересующий
нас ген, выделить из этих клеток мРНК относительно несложно. Когда
эта задача выполнена, мРНК с помощью обратной транскриптазы
превращают в дНК-копию нужного гена рисунок 33. Полученную
таким способом ДНК называют комплементарной ДНК, или кДНК,
независимо от того, является она одноцепочечной или
двухцепочечной.
Второй этап алгоритма генной модификации чаще всего
осуществляется и использованием в качестве векторов плазмидной
ДНК. Кольцевые молекулы плазмидной ДНК у бактерий гораздо
меньше, чем основная хромосомная ДНК, поэтому рни легко
отделяются друг от друга. Для этого бактериальные клетки разрушают
и центрифугируют, в результате более плотная хромосомная ДНК
оказывается в осадке, а плазмидная ДНК остается в жидкой фазе.
Метод встраивания донорной ДНК в вектор зависит от способа
получения гена или его копии.
В некоторых случаях в качестве векторов используются фаги,
которые могут переносить большие фрагменты ДНК, нежели
плазмиды. При этом часть ДНК фага заменяют на ДНК, которую
нужно клонировать – рисунок 34. эта часть генома не нужна для
репликации ДНК фага в бактериальной клетке поэтому клонирование
не нарушается.
81
Рисунок 33 – Схема процедуры клонирования генов (по Тэйлор
Д. с соавторами.)
Следующий, третий этап – введение вектора в клетку хозяина
заключается во внедрении плазмидного или фагового вектора в
бактериальную клетку, в которой он может размножаться,
82
воспроизводя себя и чужеродную донорную ДНК, которую он
содержит. Как правило, для этой цели используют обычного
обитателя кишечника человека – кишечную палочку – E.coli. с одной
стороны ее генетика достаточно изученная. А с другой – она быстро
растет: - время удвоения около 30 минут. Плазмидный вектор вводят
изменяя проницаемость мембраны клетки, а фаговые векторы –
инфицированием бактерий, растущих на специальных средах.
Рисунок 34 – Включение ДНК в вектор фага (по Тэйлор Д.
с соавторами.)
Клонирование рекомбинантной ДНК – четвертый этап
описываемого процесса. Бактериальные клетки E.coli, содержащие
плазмиды обычно высевают на питательный агар в чашки Петри,
83
через некоторое время в них образуются видимые колонии.
Независимо от способа переноса участков ДНК, их копирование идет
очень быстро в соответствии с логарифмической кривой роста. Перед
дальнейшим клонированием необходимо провести отбор генетически
измененных бактерий. Не вдаваясь в подробности, заметим, что в
среде культуры бактерий окажутся как видоизмененный генетически
материал, так и клетки, не претерпевшие изменений. Эти проблемы
решают используя некоторые приемы генетики и селекции
микроорганизмов.
Несмотря на высокую сложность задачи и небольшой выход
необходимого продукта отработаны приемы выделения организмов с
трансформированной ДНК, после чего следует относительно простой
процесс клонирования организмов с измененным геномом.
4.1 Постулируемые цели создания и использования ГМО
Мы вынуждены ввести определение «постулируемые цели»,
поскольку история науки и история человечества показывают, что
благие намерения очень редко соответствуют получаемым
результатам даже при отсутствии злого умысла. Иногда те цели,
которые объявляются при проведении проекта соответствуют
действительным целям авторов, иногда являются рекламным ходом, а
иногда и дезинформацией. Более того, если мы знаем действительную
цель проекта, - это вовсе не означает, того факта, что реализована
будет именно она. Неумолимый ход вещей природы требует
объективизации этой цели, для ее достижения. В противном случае
достигнутая цель окажется совершенно иной.
А. Шевченко рассматривая этико-религиозные и философские
проблемы производства и использования ГМО как источников
питания отмечает, что при беспристрастном анализе обнаруживаются
различия в целях создания, производства и использования
трансгенных источников питания (ГМИП). Так, целью создания
растительных ГМИП (к ГМИП в настоящее время относят три группы
живых организмов – растения, животные, микроорганизмы) является
«улучшение вида», - получение видов, устойчивых к гербицидам,
насекомым, вирусам. Разумеется, использование пестицидов,
гербицидов и удобрений удорожают
сельскохозяйственное
производство, которое, будучи регулируемым законами рынка, как раз
должно предусматривать снижение экономических затрат (на
топливо, реагенты, а также за счет экономии труда) и повышением
валового выхода продовольственного сырья. Однако цель создания
ГМИП состоит не столько в том, чтобы расширить пространство
84
научных возможностей (как это было на заре генной инженерии,
сколько в улучшении вида для увеличения его продаж.
Мичуринская
селекция,
ставившая целью
улучшение
потребительских свойств (органолептических, а не производственных:
изменение цвета или вкуса яблока не означало автоматического роста
продаж в силу различия предпочтений потребителей) под лозунгом
«взять все от природы», кажется вполне невинной затеей в сравнении
с трасгенными технологиями. Anderson и Jackson (2004) в своем
расчете в области политэкономии генетически модифицированных
продуктов, убедительно показали, что США является страной
наиболее экономически заинтересованной в том, чтобы США, Канада
и Аргентина оставались крупнейшими производителями трансгенных
источников питания, а страны ЕС не накладывали бы мораторий на
потребление и производство ГМИП, и\или не увеличивали бы
посевных площадей с трасгенными культурами.
Технология ГМИП в истории науки - это беспрецедентное
намерение,
уже
не
ученых,
но
фондовых
бирж,
сельскохозяйственных корпораций и промышленных холдингов,
которые пытаются заставить двигаться микроэволюцию и
генетический материал по законам рынка. Только будет ли
генетический материал двигаться по законам рынка, который
устанавливает собственную шкалу нравственных ценностей,
имеющих мало общего с Евангельской проповедью?
В этой связи, продолжает А. Шевченко, обращает на себя
внимание тот факт, что отличие аргументов сторонников и
противников ГМИП – это отличия производителей и потребителей.
Последние ставят закономерные вопросы:
1) об изменении пищевой ценности, об аллергическом,
токсическом действии, об онкогенезе сопряженном с трасгенными
изменениями;
2) о незаданных эффектах выражения генов, - то есть о
незапланированных
морфологических,
биохимических
и
физиологических реакция живого организма на генетическую
модификацию;
3) об отдаленных последствиях для микроэволюции (например,
обсуждается возможность встраивания генетического материала в
микробиоценоз кишечника).
Среди аргументов сторонников производства и потребления
ГМИП: необходимость решения проблемы голода и проблемы
токсического воздействия химикатов, применяемых в сельском
хозяйстве. Как известно, около миллиарда человек на Земле голодают,
85
из них 50% дети. Однако причинами голода и недоедания, помимо
медленного роста урожайности, являются и другие факторы:
ухудшение качества окружающей
среды, рост численности
народонаселения, неравномерное распределение доходов в обществе,
особенности сельскохозяйственного производства в странах «третьего
мира» (которые производят то, что выгодно экспортировать, а не то,
что необходимо для внутреннего потребления). Поэтому, попытка
увеличить урожайность, в том числе и трансгенными культурами,
является не единственным способом выхода из продовольственного
кризиса. Другими типами реакции на него являются:
1) увеличение посевных площадей;
2) выравнивание распределения национального дохода среди
населения;
3) изменение структуры потребления в обществе (ограничение
потребления в «обществах изобилия» и ограничение роста населения
в развивающихся странах).
Бесспорна и проблема вреда сельскохозяйственных химикатов.
Исследования, проводившиеся еще в 80-х годах 20 века, установили,
что использование пестицидов приводят ежегодно к возникновению
20 тыс. новых случаев рака в мире. В странах «третьего мира»
ежегодно умирает около 10 тыс. человек и заболевает около 400 тыс.
человек занятых в сельском хозяйстве от отравлений, связанных с
пестицидами. Разумеется, использование химикатов не должно
создавать опасности для здоровья людей или качества окружающей
среды. Однако, трансгенные сельскохозяйственные культуры с их не
изученными до конца медико-биологическими и экологическим
последствиями применения, тем более ГМ культуры, устойчивые к
пестицидам,
не
являются
единственным
путем
решения
токсикологической проблемы сельскохозяйственного производства.
Таким
образом,
выявляется
аксиологическое
различие
производителей и потребителей ГМИП, нуждающееся в правовом и
этическом регулировании.
Генная инженерия эукариотов
Эукариотические организмы можно изменять с помощью
генной инженерии так же, как и бактерии. Организмы, которые
генетически перестроены с использованием методов генной
инженерии, принято называть трансгенными. Создатели новых
технологий декларируя возможности и переспективы трансгенного
подхода в сельскохозяственном производстве и медицине, отмечают,
что получение трансгенных организмов представляет собой
альтернативу традиционным методам селекции животных и растений.
86
Это новое перспективное направление сельского хозяйства.
Улучшение сортов растений или пород животных традиционными
методами - длительный процесс, который во многом основан на
вероятностных событиях, происходящих при кроссинговере в мейозе
и при случайной сегрегации хромосом в ходе полового размножения.
Например, для того чтобы создать новый сорт злаков, требуется 7-1 2
лет. Генная инженерия дает возможность добавлять в организм новые
гены, «конструировать» растения и животных с нужными человеку
свойствами. Трансгенные растения и животные, подобно бактериям в
ферментерах, могут стать «живыми фабриками» по производству
полезных продуктов, и не только пищевых. Важнейшая цель
сельского хозяйства - увеличить производство пищевых продуктов в
развивающихся странах. Есть надежда, что новые технологии помогут
миллионам людей справиться с голодом. Однако использование
трансгенных растений и животных влечет за собой ряд этических и
экологических проблем которые будут рассмотрены дальше.
Ниже перечислены некоторые ключевые задачи селекции
сельскохозяйственных растений и животных, которые предлагается
решить альтернативным путем, создавая трансгенные организмы:
1) повышение продуктивности;
2) улучшение качества продукта (например, растительного
масла, жира и белка);
3) повышение устойчивости к вредителям и болезням - гены
устойчивости можно переносить из одних видов в другие;
4) повышение устойчивости к стрессовым воздействиям
внешней среды, таким как засуха, холод, жара, скученность (для
животных); закисленность, засоленность, заболоченность почв (для
растений). Гены, контролирующие стрессовые ответы, можно
выделять и переносить из одного организма в другой;
5) повышение скорости роста, т. е. времени от рождения (или
посадки) до зрелости; ареал распространения некоторых
сельскохозяйственных культур можно, по-видимому, расширить за
счет уменьшения времени их роста;
6) повышение устойчивости к гербицидам.
Применение ГМО культур в микробиологической
промышленности
Технология производства микробной биомассы как источника
пищевых белков была разработана в начале 1960-х годов. Ряд
европейских компаний обратили внимание на возможность
выращивания микробов на таком субстрате, как углеводороды, для
получения т.н. белка одноклеточных организмов (БОО).
87
Технологическим триумфом было получение продукта,
добавляемого в корм скоту и состоящего из высушенной микробной
биомассы, выросшей на метаноле. Процесс шел в непрерывном
режиме в ферментере с рабочим объемом 1,5 млн. л. Однако в связи с
ростом цен на нефть и продукты ее переработки этот проект стал
экономически невыгодным, уступив место производству соевой и
рыбной муки.
Более перспективным оказался другой процесс – получение
грибной биомассы и грибного белка микопротеина с использованием
в качестве субстрата углеводов. Еще более успешным оказалось
получение ферментов с помощью микроорганизмов, особенно после
применения технологии рекомбинантных ДНК, которая позволяет
синтезировать ферменты животных в клетках микроорганизмов.
Ферменты, полученные таким путем, используются главным образом
в пищевой промышленности и смежных областях. Синтез ферментов
в клетках контролируется генетически, и поэтому имеющиеся
промышленные микроорганизмы-продуценты были получены в
результате направленного изменения генетики микроорганизмов
дикого типа.
Первым
рекомбинантным
белком,
полученным
в
промышленных масштабах, был человеческий гормон роста. Для
лечения гемофилии используют один из белков системы свертывания
крови, а именно фактор VIII. До того как были разработаны методы
получения этого белка с помощью генной инженерии, его выделяли из
крови человека; применение такого препарата было сопряжено с
риском заражения вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ).
Долгое время сахарный диабет успешно лечили с помощью
инсулина животных. Однако
специалисты полагали, что
рекомбинантный продукт будет создавать меньше иммунологических
проблем, если его удастся получать в чистом виде, без примесей
других пептидов, вырабатываемых поджелудочной железой. Кроме
того, ожидалось, что число больных диабетом будет со временем
увеличиваться в связи с такими факторами, как изменения в характере
питания, улучшение медицинской помощи беременным, страдающим
диабетом (и как следствие – повышение частоты генетической
предрасположенности к диабету), и, наконец, ожидаемое увеличение
продолжительности
жизни
больных
диабетом.
Первый
рекомбинантный инсулин поступил в продажу в 1982, а к концу
1980-х годов он практически вытеснил инсулин животных.
88
Многие другие белки синтезируются в организме человека в
очень небольших количествах, и единственный способ получать их в
масштабах, достаточных для использования в клинике, – технология
рекомбинантных ДНК. К таким белкам относятся интерферон и
эритропоэтин.
Эритропоэтин
совместно
с
миелоидным
колониестимулирующим фактором регулирует процесс образования
клеток крови у человека. Эритропоэтин используется для лечения
анемии, связанной с почечной недостаточностью, и может найти
применение как средство, способствующее повышению уровня
тромбоцитов, при химиотерапии раковых заболеваний.
Использование
ГМО
культур
для
оптимизации
производства в сельском хозяйстве
В 1997 году в Китае начали выращивать трансгенный
хлопчатник, в геном которого был вставлен ген почвенной бактерии
Bacillus thuringiensis. Белок Cry1Ac, кодируемый этим геном, токсичен
только для гусениц некоторых бабочек и безвреден для всех
остальных животных включая человека. Нововведение позволило не
только повысить урожаи хлопка, но и резко сократить использование
химических ядов, что, разумеется, сильно улучшило экологическую
обстановку в сельскохозяйственных районах Китая. Помимо прочего,
стали расти популяции «полезных» насекомых,
которые
контролируют численность вредителей. Популяции «вредных»
бабочек, живущих в основном на хлопчатнике, таких как хлопковая
моль Pectinophora gossypiella, заметно сократились.
Как
показало
исследование
Китайской
академии
сельскохозяйственных наук, сразу же после начала культивирования
трансгенного хлопчатника в 1997 году началось быстрое снижение
численности совки. Самый главный результат состоит в том, что
численность вредителя стала сокращаться не только на хлопковых
полях, но и в посевах всех прочих сельскохозяйственных культур жертв вредителя.
В 1996 году Монсанто выпустила на рынок генетически
изменённую сою с новым признаком Roundup Ready. Раунда́п - это
торговая марка гербицида под названием глифосат, который был
изобретён и выпущен на рынок Монсанто в 70-х годах. Roundup
Ready-растения
содержат
полную
копию
гена
энолпирувилшикиматфосфат-синтетаз из почвенной бактерии
Agrobacterium sp. strain CP4, перенесённую в геном сои при помощи
генной пушки, что делает их устойчивыми к гербициду глифосату,
применяемому во всём мире для борьбы с сорными растениями.
89
В настоящее время (на 2007 г.) ГМ соя выращивается на 92 %
всех посевных площадей США, засеянных этой культурой.
Привлекательность ГМ сои для фермеров состоит в первую очередь в
том, что её легче и дешевле выращивать, так как можно намного
эффективнее бороться с сорняками. Ген устойчивости к гербициду
позволяет обрабатывать растения после прорастания вплоть до стадии
цветения. Это позволяет фермерам сократить общее количество
обработок различными гербицидами и таким образом существенно
экономить время и деньги. Это привело к быстрому распространению
трансгенной сои во всём мире.
Использование ГМО в фармакологии
Использование генетически модифицированных организмов в
медицинских целях впечатляет. Согласно мнению ведущих
биотехнологов,
растения являются удобной, безопасной и
экономически выгодной альтернативой для продукции различных
белков, вакцин и антител по сравнению с системами экспрессии на
основе микроорганизмов, культур животных клеток или трансгенных
животных. За последние 20 лет множество ценных белков было
получено из генетически модифицированных растений. Это белки
человеческой сыворотки, регуляторы роста, антитела, вакцины,
промышленные ферменты, биополимеры и реагенты для
молекулярной биологии. Растительные системы имеют перспективы
успешного использования для производства рекомбинантных белков в
промышленном масштабе.
Создание растений с улучшенными лечебно-диетическими
свойствами
В настоящее время не вызывает сомнений, что многие
продукты, потребляемые с фруктами, овощами и злаками, могут
проявлять фармакологические эффекты и блокировать развитие
сердечно-сосудистых, раковых и других заболеваний. К таким
природным соединениям растений относятся сульфорафан из
брокколи, резвератрол из винограда, генистеин из сои,
эпигаллокатехин-3-галлат из зеленого чая.
Ранее было практически невозможно с помощью селекции
создать растения с повышенным содержанием витаминов. Однако с
развитием биохимии растений стало более ясным, какие
метаболические пути являются наиболее важными для биосинтеза
витаминов. Например, для синтеза β-каротина (провитамина А) в
растениях необходима фитоен-синтетаза. Этот фермент участвует в
конденсации двух молекул геранил-геранил дифосфата.
90
Ген фитоен-синтетазы из нарцисса был введен в рис. Благодаря
этому в эндоспермии риса синтезируется фитоен-ситетаза. Таким
образом, получен «золотой рис», который может помочь 2 млрд.
человек, страдающих от дефицита витамина А, для которых рис –
основная пища. Получены трансгенные растения рапса (канолы),
экспрессирующие ген фитоен-синтетазы, в семенах которых
значительно повысилось содержание каротиноидов. Показана
экспрессия этого же фермента в клубнях картофеля, что приводило к
повышенному синтезу каротиноидов и лютеина.
Недавно получены трансгенные растения земляники с
повышенным синтезом L-аскорбиновой кислоты. Эти растения
отличались суперэкспрессией гена НАДФ-зависимой Д-галактуронатредуктазы (GalUR). Созданы растения сои с повышенным в пять раз
содержанием витамина Е в семенах. Получены растения арабидопсиса
с повышенным содержанием фолатов за счет экспрессии в них
бактериального гена ГТФ-циклогидролазы-1 (EcGCH).
Трансгенные растения как продуценты ценных белков
Первым
фармацевтически
значимым
белком,
экспрессированным в растениях табака и подсолнечника в 1986 г.,
явился человеческий гормон роста. С тех пор множество других
ценных белков были синтезированы в самых различных растениях.
Среди разнообразия рекомбинантных белков, продуцируемых
растениями есть белки, используемые в молекулярно-биологических
исследованиях (авидин ), молочные белки, используемые в качестве
пищевых добавок (казеин) и белки-полимеры для медицинских и
промышленных целей (коллаген и эластин). Ценные биологически
активные пептиды можно получать, встраивая их в состав запасных
белков семян. Так, последовательность ДНК, кодирующая
пентапептидный нейрогормон животных лейэнкефалин была встроена
в ген 2S альбумина запасного белка семян Arabidopsis thaliana.
Экспрессия этого гена в трансформированных растениях рапса и
арабидопсиса позволила получить их семена с высоким содержанием
рекомбинантного белка. Целевой пептид легко выделялся из
рекомбинантного
белка
с
помощью
специфического
протеолитического расщепления.
Примеры фармацевтически ценных белков, синтезируемых
трансгенными растениями, приведены в таблице 2. Многие из этих
белков представляют собой продукты крови человека, такие как
человеческий сывороточный альбумин (годовое производство более
500 тонн), цитокины и другие сигнальные молекулы.
91
Таблица
2 – Фармацевтически ценные белки, синтезируемые
трансгенными растениями
Белок
Соматотропин
Энкефалины
Область применения
Гормон роста
Передозировка
наркотических веществ
Человеческий сывороточный
Цирроз печени, ожоги,
альбумин
хирургия
Эпидермальный фактор роста Стимуляция роста клеток
кожи и роговицы
α-Трихосантин
Терапия СПИДа
α-Интерферон
Гепатиты В и С,
опоясывающий лишай,
вирусные бородавки
β-Интерферон
То же
γ-Интерферон
Хронический
грануломатоз,
лейшманиоз, лепра
Интерлейкины IL-2, IL-4, IL-10, Лейшманиоз, адъюванты
IL-12, IL-18
Эритропоэтин
Анемия
Гирудин
Ингибитор тромбина
Глюкоцереброзидаза
Болезнь Гоше
α,β-Гемоглобин
Заменитель крови
β-Казеин
Пищевая добавка
Авидин, стрептавидин
Биотин-связывающие
белки
Гранулоцит-макрофагАнтираковая терапия
колониестимулирующий
фактор
α,β-Лактальбумин
Пищевая добавка
Апротинин
Ингибитор трипсина при
трансплантации
α1-Антитрипсин
Ингибитор протеаз,
заболевания печени
Коллаген
Заживление ран
Лактоферрин
Бактериальные инфекции
Кальмодулин
Активатор белков
TNF-α
Фактор некроза опухолей
Трипсин
Расщепление белков
Рицин В
адъювант
Лизоцим
Инфекционные
заболевания
Эластин
Восстановление
повреждённых
сухожилий, стенок
сосудов
92
Растение
Табак, подсолнечник
Табак
Табак, картофель
Табак
Nicotiana bethamiana
Рис, турнепс,
картофель
Табак
Табак
Табак, картофель
Табак
Рапс
Табак
Табак
Картофель
Картофель, томаты,
кукуруза
Табак
Табак, кукуруза
Кукуруза
Рис
Табак
Картофель
Табак
Картофель
Кукуруза
Табак
Рис
Табак, картофель
До недавнего времени большинство белков экспрессировали в
трансгенном табаке и экстрагировали из листьев. В основном, эти
белки синтезировались на низком уровне, обычно менее 0,1% от
растворимого белка клеток. В последние годы стали использовать
другие системы трансформации и экспрессии, позволяющие
нарабатывать белки в больших количествах. Более высокие уровни
экспрессии получены в различных растениях с помощью обычной
агробактериальной трансформации. Так гирудин, слитый с олеозином
(белком из масляных телец), в семенах трансгенной канолы
экспрессировался на уровне 0,3%.
Некоторые белки, синтезируемые трансгенными растениями,
уже производятся западными компаниями или будут выпущены на
рынок в ближайшие 5 лет. Например, авидин, трипсин и βглюкуронидаза, выделяемые из трансгенной кукурузы, производятся
американской фирмой Sigma-Aldrich . В скором времени должны быть
подготовлены к промышленному производству коллаген, липаза,
лактоферрин, лизоцим, синтезируемые трансгенными растениями.
Следует отметить перспективность получения модифицированных
растений, экспрессирующих новые формы антимикробных пептидов.
Синтез антимикробных пептидов в трансгенных растениях
Несмотря на то, что для антимикробных пептидов характерно
довольно
высокие
действующие
концентрации
и низкая
селективность, они обладают некоторыми преимуществами:
способность быстро убивать клетки-мишени, широкий спектр
действия, активность в отношении штаммов, резистентных к другим
антибиотикам, а также относительная трудность в развитии
устойчивости. Поскольку некоторые антимикробные пептиды
обладают цитотоксическим эффектом (действуют на эукариотические
клетки), наиболее эффективно они могут быть использованы при
лечении заболеваний наружных покровов, слизистых - без введения
в кровь пациента. На сегодняшний день такие пептиды активно
используются для создания новых лекарственных препаратов.
Наиболее успешным примером, является циклический пептидный
антибиотик рамопланин, который уже находится на стадии
клинических испытаний для лечения инфекционных заболеваний
дыхательных путей. Также показано, что ингаляции смеси,
содержащей антимикробные пептиды, являются эффективными
в терапии туберкулеза.
93
Все это позволяет рассматривать описанные выше молекулы
в качестве основы для создания эффективных лекарств, особенно
на фоне снижения потенциала обычных антибиотиков.
Синтез рекомбинантных антител в трансгенных растениях
В 1989 г. Хиаттом с соавторами впервые достигнута экспрессия
антител в растениях табака. Таким образом, было показано, что
растения могут собирать сложные функциональные гликопротеины,
состоящие из нескольких субъединиц. Типичные антитела
представляют собой тетрамеры из двух идентичных тяжелых и двух
легких цепей, однако есть более сложные формы, например
секреторные антитела, представляющие собой димеры обычных
антител и включающие две дополнительные полипептидные цепи.
Если у животных для сборки таких антител нужны два типа клеток, то
у растений эта сборка антител проходит в одной клетке. Для этого
получено четыре различных типа трансгенных растений,
синтезирующих отдельные цепи иммуноглобулинов. Скрещивание
между этими трансформантами дало потомство, способное к сборке
антител в одной клетке. Такие антитела обладали иммуногенностью,
они накапливались в клетках в количестве до 1,3% от суммарного
растворимого белка. Кроме полноразмерных иммуноглобулинов в
растениях успешно синтезированы разные их производные. Данные о
синтезе некоторых антител трансгенными растениями приведены в
таблице 3.
Антитела, полученные в растениях, могут быть одними из
первых
фармакологических
белков,
нарабатываемых
в
промышленных масштабах. Во многих исследованиях антитела
получают в семенах злаковых и бобовых растений, что дает
преимущество при их долговременном хранении при обычной
температуре без потери активности. В семенах ячменя содержание
диагностических антител достигало 150 мг/г веса семян. Из многих
бобовых только горох и соя используются в настоящее время в
качестве продуцентов рекомбинантных белков. Хотя соя дает
сравнительно небольшой урожай по сравнению с кукурузой и рисом,
содержание белка в семенах сои очень высокое – свыше 40%.
Описан синтез человеческих антител к вирусу генитального
герпеса в листьях и семенах сои. Горох дает такой же урожай, как и
соя и содержание белка в его семенах такое же, однако цена его
выращивания на 50% выше. В горохе были экспрессированы
одноцепочечные антитела. Одни из таких антител против ракового
антигена синтезировались на низком уровне под контролем
семяспецифичного легуминового А-промотора. Другие антитела
94
экспрессировались под семенным промотором USP и их синтез
достигал 2% от общего белка семян. Семяспецифичный промотор
фасоли был использован для экспрессии одноцепочечных антител в
Arabidopsis thaliana. По сравнению с промотором 35S РНК вируса
мозаики цветной капусты (CaMV 35S), экспрессия под контролем
которого составила до 1% от растворимого белка, промотор фасоли
arc5-I дал выход антител до 36% от растворимого белка в семенах
арабидопсиса, причем антитела сохраняли антиген-связывающую
активность и аффинность.
Таблица 3 – Синтез различных антител трансгенными растениями
Применение
Онкология (рак кишечника,
легких, опухоли
эпителиального
происхождения
Антиген
Раковоэмбриональный
антиген человека
Нейтрализация вируса
бешенства
ИФА-диагностика
Тип антител
Мышиночеловеческие
химерные антитела
IgG1 (cT84.66), scFv
T84.66, T84.66/G68
scFvT84.66
Растение
табак
пшеница
рис
табак
Белок вируса
бешенства
Антитела против
человеческого
IgG
Предотвращение зубного
Поверхностный
кариеса
антиген
стрептококка
SAI/II
Терапия рака толстой кишки Поверхностный
антиген
Лечение герпеса типа 2
Белок вируса
герпеса HSV-2
Моноклональные
антитела mAb SO57
C5-1 IgG
Болезни сердца,
митохондриальные
нарушения, миопатии,
ревматизм и другие болезни,
связанные с повышенным
или уменьшенным уровнем
креатинкиназы
Лечение B-клеточной
лимфомы
Иммуноаффинная очистка
рекомбинантного HBsAg
арабидопсис
арабидопсис
табак
MAK33 scFv
табак
MAK33 Fab-фрагмент арабидопсис
Креатинкиназа
человека
Guy’s 13 IgG
IgA/G
sIgA/G
табак
CO-17 A IgG
Nicotiana
benthamiana
рис, соя
IgG, IgA, DigA
или sIgA IgG1 Fab и
F(ab′)2
MAK33 IgG1
Fab-фрагмент
Поверхностный Ig 38C13 scFv
опухоли
Поверхностный
scFv
антиген вируса
гепатита В
(HBsAg)
95
люцерна
Nicotiana
benthamiana
табак
Синтез субъединичных вакцин в трансгенных растениях
Впервые структурная идентичность и иммуногенность антигена,
синтезированного в растениях, была подтверждена в 1992 г., когда
были получены трансгенные растения табака, экспрессирующие
поверхностный антиген вируса гепатита В (HBsAg). В дальнейшем
теми же исследователями был показан иммунный ответ у мышей,
вакцинированных антигеном, выделенным из листьев табака. Кроме
того, получены растения картофеля и суспензионные культуры табака
и сои, где антиген экспрессировался на уровне до 1700 мкг/г сухого
веса. Показано, что HBs-антиген, синтезируемый растениями
картофеля, вызывал у мышей более сильный иммунный ответ, чем
продуцируемый дрожжами. Проведены испытания вакцины на основе
трансгенного картофеля на добровольцах и показана ее
иммуногенность при оральном введении.
Получены растения табака, экспрессирующие рекомбинантный
ген поверхностного антигена вируса гепатита В (HBsAg) под
контролем одинарного и двойного промоторов 35S РНК вируса
мозаики цветной капусты. Использование двойного промотора 35S
увеличило синтез антигена до 0.05% от суммарного растворимого
белка. Получены также трансгенные растения картофеля,
экспрессирующие ген поверхностного антигена вируса гепатита В
(HBsAg) под контролем этого же промотора и промотора гена
пататина клубней картофеля. Содержание HBs-антигена в клубнях
картофеля достигало более 1 мкг/г массы клубня и было
максимальным в растениях, экспрессирующих ген НВsАg под
контролем двойного промотора CaMV 35SS. Проведена очистка и
аналитическая гельфильтрация HBs-антигена из трансгенных
растений, показавшая, что продукт экспрессии гена HBsAg образует
мультимерные формы и в агрегации HBs-мономеров в иммуногенные
мультимеры участвует не менее 70-80 молекул мономеров.
К настоящему времени имеются публикации по синтезу более
50 различных человеческих и животных антигенов в трансгенных
растениях. Некоторые данные по этим растениям приведены в
таблице 4.
Также интенсивно разрабатывается концепция «съедобных
вакцин» на основе трансгенных растений, чьи плоды, листья и семена
годятся в пищу. В случае успеха отпадает потребность в
дорогостоящей очистке антигенов, которая необходима при создании
вакцин для парентерального введения . Различные субъединичные
вакцины экспрессированы в растениях и для многих из них показана
иммуногенность при оральном введении людям и животным.
96
Таблица 4 – Данные по синтезу антигенов (РБ – растворимый белок;
СВ – сырой вес)
Белок
Растение
Поверхностный антиген оболочки вируса
табак
гепатита В (HBsAg)
картофель
люпин
cалат
физалис
бананы
Эпитоп HVR1 вируса гепатита С, слитый с CTB
табак
Белок HEV-E2 вируса гепатита Е
томаты
В-субъединица термолабильного токсина LT-B
табак
из энтеротоксичного штамма E.coli
картофель
кукуруза
В-субъединица холерного токсина СT-B
картофель
табак
томат
Белок капсида вируса гастроэнтерита человека
табак
Norwalk (NVCP)
картофель
Гликопротеин вируса бешенства
томат
Антиген DRg24 вируса бешенства
табак, шпинат
Гликопротеин S вируса гастроэнтерита свиней
арабидопсис
(TGEV)
табак
кукуруза
Антиген сибиреязвенной палочки
табак
G-белок вируса RSV
табак
F-белок вируса RSV
томат
Гликопротеин В цитомегаловируса человека
табак
Гемагглютинин вируса кори (MV-H)
морковь, табак
Белки вируса папилломы человека (L1)
Nicotiana benthamiana
картофель
Столбнячный токсин TetC
табак
Белок VP1 вируса ящура
арабидопсис,
люцерна, картофель
S1-белок коронавируса атипичной пневмонии
табак, томаты
Капсидный белок p24 вируса HIV-1
табак
Белок Tat вируса HIV-1
картофель
шпинат
Белок оболочки вируса HIV-1 (gp41)
Nicotiana benthamiana
Туберкулезный антиген ESAT-6, слитый с LTB
арабидопсис
97
Антигены,
экспрессируемые
в
растениях,
защищены
растительными клеточными стенками от протеолиза при прохождении
пищеварительного тракта и могут быть легко доставлены к клеткам
слизистой оболочки кишечника, ответственным за мукозную систему
иммунитета.
Две вакцины, синтезируемые в растениях картофеля уже
прошли стадию клинических испытаний – это субъединица В
термолабильного токсина (LT-B) энтеротоксигенного штамма E.coli
(ETEC) и капсидный белок вируса Норфолк (NVCP). Эти антигены,
выделенные из двух важных кишечных патогенов, могут быть
идеальными съедобными вакцинами, поскольку оба имеют
мультимерную структуру и устойчивы к перевариванию в кишечнике
человека. Каждый из этих белков накапливался в больших
количествах в клубнях картофеля и правильно собирался в
олигомеры. Клинические испытания рекомбинантной вакцины LT-B
показали, что поедание добровольцами сырых клубней картофеля,
содержащих 0.3-10 мг LT-B, приводило к образованию мукозных и
системных антител с высокими титрами. Значительный прогресс
достигнут в использовании семян кукурузы для экспрессии съедобных
вакцин. Субъединица LT-B экспрессировалась в семенах на уровне до
0.1% от сырого веса и обладала иммуногенными и защитными
свойствами при поедании мышами. Ассоциация с крахмалом
облегчает очистку антигена из зерен кукурузы, и кроме того
обеспечивает термостабильность антигена и его устойчивость к
протеолитической деградации при попадании в желудочно-кишечный
тракт. Последнее обстоятельство важно при оральном введении
антигена. На основе семян кукурузы создана вакцина, защищающая
свиней от вирусного гастроэнтерита.
Биотехнология растений для фармакологии делает свои первые
успешные практические шаги. Уже сейчас проявляется тенденция ее
разделения на несколько специализированных направлений. Первое
направление связано с созданием полевых растений, продуцирующих
в крупном масштабе целевые биологически активные вещества.
Однако такое крупномасштабное производство потребует неизмеримо
меньше посевных площадей по сравнению с десятками миллионов
гектаров, отводимых под сельскохозяйственные трансгенные
растения. Так, при продуцировании картофелем вакциногенного
целевого белка на уровне 0.5% от общего белка клетки, выходе
очищенной субстанции на уровне 20% и суммарной дозе вакцины на
уровне 100 мкг для взрослого человека, потребуется 10-15 га посевной
98
площади при урожайности 0.5 т/га для вакцинирования 100 млн.
человек. Такие растения могут быть лишены генов устойчивости к
гербицидам, фитопатогенам и вредителям, вызывающим риск их
передачи другим растениям. Следует также отметить, что
экономические затраты на культивирование этих растений будут
минимальными.
Второе направление связано с развитием выращивания культур
трансгенных клеток и тканей растений, синтезирующих ценные
биологически активные соединения. Эта технология создает условия
стандартизации процесса культивирования, необходимые в случаях
биосинтеза определенных биологически активных соединений и
удовлетворяет международным производственным стандартам GMP.
Промежуточное направление связано с использованием методов
вирусной
инфекции
целых
растений,
культивируемых
в
изолированных условиях, а также агроинфильтрации .
В настоящее время описано получение многих видов
трансгенных растений, синтезирующих белки, ценные для
фармакологии и медицины. Эти виды включают как лабораторные
модельные растения (табак, арабидопсис), так и традиционные
сельскохозяйственные культуры: злаковые (рис, пшеница, кукуруза) и
плодово-овощные
культуры
(томаты,
бананы,
картофель).
Эффективность экспрессии определенных белков под контролем
различных регуляторно-промоторных элементов может зависеть от
выбора
конкретного растения-продуцента.
По-видимому,
в
ближайшем
будущем
будут
разработаны
различные
специализированные системы продукции белков фармацевтического
назначения: «растение (орган, ткань) – ген целевого белка –
регуляторные элементы генетической экспрессии». Для биосинтеза
низкомолекулярных биологически активных веществ выбор растенийпродуцентов будет определяться присутствием и количественным
содержанием конкретных вторичных метаболитов – субстратов для
проведения целевой энзиматической реакции. Выбор растенияпродуцента биологически активных веществ фармацевтического
назначения будет определяться и такими требованиями как
экономичность, затраты на культивирование растений и их хранение,
легкость выделения из них целевых белков.
Таким образом, можно с уверенностью заключить, что
трансгенные растения имеют все перспективы стать экономически
выгодными системами для получения разнообразных биологически
активных веществ для фармакологии.
99
Трансгенные
растения
в
фитовосстановлении
нефтезагрязненных участков
Фитовосстановление предполагает использование растений для
очищения загрязненных участков окружающей среды. В 40-ых годах
прошлого века стало известно о способности растений
преобразовывать пестициды. Растения обладают специальными
механизмами обезвреживания химических соединений с помощью
энзимов. Эти механизмы выработались в ходе борьбы растений
против действия чужеродных химических соединений, выделяемых
растениями-конкурентами, микробами и насекомыми.
Однако, обезвреживание вредных
и ядовитых веществ
растениями – процесс долгий и ведет к накоплению в самом растении
химических соединений, которые могут снова попасть в окружающую
среду. Каталитических энзимов растений недостаточно для полной
минерализации органических молекул, которые и накапливаются в
виде токсичных метаболитов.
Среди первых экспериментов можно назвать ГМ-табак, в
который
был встроен ген, ответственный за выработку
металлотионенина у дрожжей для увеличения устойчивости к
кадмию, находящемуся в почве.
Генетическая инженерия выработала новый вид тополей,
способных в огромных количествах обезвреживать яды, не
накапливая их. Как во многих случаях генетической трансформации
растений, используется так называемый «естественный инженергенетик», патоген Agrobacterium tumefaciens, который и послужил
вектором для переноса требуемого гена в растение. Такой способ
считается чрезвычайно сложным.
Известно, что цитохром Р450-зависимые монооксигеназы
катализируют расщепление различных веществ с участием донора
электрона НАДФН и молекулярного кислорода. В 2000 году Доти
описал
развитие
трансгенного
табака,
экспрессирующего
человеческий цитохром Р450 и способный перерабатывать
трихлорэтилен (наиболее распространенный токсикант в Северной
Америке) в сотни раз быстрее, чем исходное растение. Позже была
проведена интродукция цитохрома кролика в трансгенную структуру,
формируемую почвенными бактериями на корнях инфицированных
ими растений («волосатый корень»). Такое растение способно
быстрее перерабатывать трихлорэтилен. Та же группа ученых описала
трансформацию гибридного тополя (Populus tremula x Populus alba),
способного экспрессировать человеческий цитохром Р450 2Е1.
100
Такие деревья обладают усовершенствованным метаболизмом в
отношении пяти летучих токсикантов: трихлорэтилен, винил хлорид
(конечный продукт биоразложения трихлорэтилена), тетрахлорид
углерода
(распространенный
растворитель),
хлороформ
(сопутствующий продукт очищения воды хлорированием) и бензол
(канцероген). Они способны очищать не только почву, но и воздух от
летучих соединений в несколько раз эффективнее, чем это делают
немодифицированные растения.
5 Методика исследования и анализа данных. Составление
прогноза
Для выявления возможных последствий использования ГМО
необходимо составить прогноз. Можно выделить следующие этапы
составления прогноза:

сбор данных из разных источников, критический отбор
информации;

анализ данных с использованием статистических методов;

составление прогноза на основании результатов анализа.
Сложность методов контроля многочисленных возможных
последствий широкого использования трансгенных организмов
хорошо известна. Так, в Германии проверка на безвредность ГМрастений, животных и микроорганизмов продолжается от 5 до б лет. В
то же время, реальная ценность многих оценок (аналогичных
испытаниям пестицидов) остается весьма сомнительной. Обусловлено
это несовершенством методов определения безопасности (риска)
использования ГМ-растений из-за слабой пока научной базы
экологических, медико-биологических и токсиколого-гигиенических
оценок последствий широкого распространения трансгенных
растений и, в частности, Bt-защищенных культур. В этой связи
практически невозможно пока доказать как полную безопасность
использования трансгенных растений, так и a priori спрогнозировать
возможные негативные последствия их производства.
Противоречивые оценки последствий ГМ-продукции связаны не
только с их возможным влиянием на здоровье и окружающую среду,
но и неоднозначным отношением к этому вопросу людей по
нравственным и религиозным соображениям. А это, в свою очередь,
предполагает широкое привлечение всего массива соответствующих
знаний, в том числе обоснованных «общих соображений» и «здравого
смысла». Для этого, однако, необходимо выйти за пределы медикогигиенических проблем использования ГМО, включив эволюционные,
101
социально-экономические и морально-этические критерии оценок.
Недопустимо, во всяком случае, чтобы интересы межнациональных
корпораций были выше интересов всего общества, а население
бедных стран служило в качестве дешевого испытательного полигона
для ГМ-продукции. Исторический опыт развития цивилизации
свидетельствует о том, что когда достижения науки используют,
главным образом, с позиций политической и экономической
целесообразности, преграда, отделяющая добро от зла, действительно
оказывается хрупкой и ненадежной.
5.1 Методика исследования и анализа данных
Анализ документов – один из широко применяемых и
эффективных
методов
сбора
первичной
информации. Цель
исследования заключается в поиске индикаторов, указывающих на
наличие в документе темы, значимой для анализа, и раскрывающих
содержание текстовой информации. Для раскрытия задачи данной
дипломной работы потребовалось сопоставление различных статей с
целью выявления соответствия.
Отбор источников информации зависит от программы
исследования, при этом могут применяться методы конкретного или
случайного отбора. Различают следующие виды данного метода:
внешний анализ документов, при котором изучаются обстоятельства
возникновения документов, их исторический и социальный контекст
и внутренний анализ, в ходе которого, собственно, изучается
содержание документа, всего того, о чем свидетельствует текст
источника, и тех объективных процессов и явлений, о которых
сообщает документ. В ходе исследования были использованы книги и
научные статьи по генетике, экономике, статистике и сельскому
хозяйству. Кроме того, использовались данные интервьюирования
авторитетных ученых-исследователей Казахстана.
Опрос – метод сбора социально-психологической информации,
который предусматривает устное или письменное обращение
исследователя к определенной совокупности людей (респондентов) с
вопросами, содержание которых представляет изучаемую проблему
на уровне эмпирических индикаторов; регистрацию и статистическую
обработку полученных ответов, их теоретическую интерпретацию.
Основными видами опроса, в зависимости от письменной или устной
формы общения с респондентами, являются анкетирование и
интервью. В их основе лежит совокупность вопросов, которые
предлагаются респондентам, и ответы на которые и составляют
массив первичных данных.
102
Вопросы респондентам задаются посредством анкеты или
опросного листа. Интервьюирование лежит в основе наиболее
конкретной передачи не только фактической информации, которую
излагает объект, но также и в передаче его отношения к
обсуждаемому вопросу.
Исследуя природу, общество, экономику, необходимо считаться
со взаимосвязью наблюдаемых процессов и явлений. При этом
полнота описания так или иначе определяется количественными
характеристиками причинно-следственных связей между ними.
Оценка наиболее существенных из них, а также воздействия одних
факторов на другие является одной из основных задач анализа.
Формы проявления взаимосвязей весьма разнообразны. В
качестве двух самых общих их видов выделяют функциональную
(полную) и корреляционную (неполную) связи. Достаточно часто
функциональная связь проявляется в физике, химии. В экономике
примером может служить прямо пропорциональная зависимость
между производительностью труда и увеличением производства
продукции. Корреляционная связь (которую также называют
неполной, или статистической) проявляется в среднем, для массовых
наблюдений, когда заданным значениям зависимой переменной
соответствует некоторый ряд вероятных значений независимой
переменной. Объяснение тому – сложность взаимосвязей между
анализируемыми факторами, на взаимодействие которых влияют
неучтенные случайные величины.
Рассмотрим для примера связь между урожайностью и
количеством внесенных удобрений. Очевидно, что последние
участвуют в формировании урожая. Но для каждого конкретного
поля, участка одно и то же количество внесенных удобрений вызовет
разный прирост урожайности, так как во взаимодействии находится
еще целый ряд факторов (погода, качество почвы, обработка и
внесение минеральных удобрений и так далее), которые и формируют
конечный результат. Однако в среднем такая связь наблюдается –
увеличение массы внесенных удобрений ведет к росту урожайности.
По направлению связи бывают прямыми, когда зависимая
переменная растет с увеличением факторного признака, и обратными,
при которых рост последнего сопровождается уменьшением функции.
Такие связи также можно назвать соответственно положительными и
отрицательными. Относительно своей аналитической формы связи
бывают линейными и нелинейными. В первом случае между
признаками в среднем проявляются линейные соотношения.
103
Нелинейная взаимосвязь выражается нелинейной функцией, а
переменные связаны между собой в среднем нелинейно.
Указанные выше классификационные признаки наиболее часто
встречаются в статистическом анализе. Но кроме перечисленных
различают также непосредственные, косвенные и ложные связи.
Собственно, суть каждой из них очевидна из названия. В первом
случае факторы взаимодействуют между собой непосредственно. Для
косвенной связи характерно участие какой-то третьей переменной,
которая опосредует связь между изучаемыми признаками. Ложная
связь – это связь, установленная формально и, как правило,
подтвержденная только количественными оценками. Она не имеет
под собой качественной основы или же бессмысленна. По силе
различаются слабые и сильные связи. Эта формальная характеристика
выражается конкретными величинами и интерпретируется в
соответствии с общепринятыми критериями силы связи для
конкретных показателей.
Задачи собственно корреляционного анализа сводятся к
измерению тесноты связи между варьирующими признаками,
определению неизвестных причинных связей и оценке факторов
оказывающих наибольшее влияние на результативный признак.
Задачи регрессионного анализа лежат в сфере установления формы
зависимости, определения функции регрессии, использования
уравнения для оценки неизвестных значении зависимой переменной.
5.2 Составление прогноза
Когда определены главные показатели и установлена
взаимосвязь между ними, можно говорить о составлении прогноза.
Прогноз – это научная модель будущего события или явления. В
данной дипломной работе предпринята попытка анализа
существующих тенденций взаимосвязи использования ГМО и
ответных реакций природных и антропогенных системи составления
прогноза на основании этого анализа.
Прогноз — обоснованное суждение о возможном состоянии
объекта в будущем или альтернативных путях и сроках достижения
этих состояний.
Пример прогноза в контексте темы: В настоящее время площадь
под трансгенными растениями составляет 40 млн. га. Наиболее
активно их возделывают в США, Китае, Австралии и ряде других
стран, в частности, в настоящее время в США на долю генномодифицированной свеклы приходится 95% этой культуры. Если
освоение земель для возделывания ГМ-культур будет продолжаться
104
заданными темпами, то можно сделать прогноз: к 2050 году площади
под
растениями,
содержащими
генно-модифицированные
компоненты, возрастут примерно до 200 - 250 млн га.
Наиболее важными критериями для успешного прогноза
являются: полнота и достоверность информации, точность анализа
взаимосвязей между показателями.
6 ГМО как экологический фактор
В процессе эволюции происходит обособление видов, в том
числе и обособление биохимическое. В процессе жизнедеятельности
особей одного вида складывается определенный тип метаболизма,
обеспечивающий ему (виду) экологические преимущества в его
жизненной среде. Изменение жизненной среды влечет за собой и
метаболические трансформации, обеспечивающие способность к
наилучшему использованию ресурсов и выживание вида.
Генетические модификации приводят к изменению метаболизма
организмов, производству веществ неспецифичных для них и
требующих дополнительного расхода вещества и энергии, при этом
получаемое экологическое преимущество (в конечном счете –
способность к распространению) целиком зависит от антропического
участия.
6.1 Значение веществ растительной и животной природы
для функционирования организма человека
В настоящее время классифицировано порядка 500 000 видов
растений, однако употребляется в пищу не более 10 % из них.
Человеком одомашнено свыше 200 видов растений, относящихся
более чем к 100 ботаническим родам. Их широкий таксономический
спектр отражает разнообразие мест, где они были одомашнены.
Основные продовольственные растения, используемые в культуре в
настоящее время были одомашнены в странах юго-западной Азии. В
настоящее время это территории Ирака, Ирана, Иордании, Израиля и
Палестины. Вероятно, древним земледельцам было известны
преимущества вегетативного размножения (клонирования) и
близкородственного скрещивания (инбридинга). Примеры растений,
репродуцируемых клонированием: картофель, фруктовые деревья.
Почти все питательные вещества получаемые людьми с пищей в этих
странах поступали от высоко углеводных злаков с довольно высоким
содержанием белка (пшеница, ячмень). Тем не менее, белки злаков не
полностью сбалансированы по аминокислотному составу (низкое
105
содержание лизина и метионина). Эти злаки древние земледельцы
дополнили бобовыми растениями - горох, чечевица, вика.
Самоопылитель лён имеет семена богатые жиром, что дополнило
пищевую триаду ранних земледельцев (жиры, белки, углеводы).
Ранние земледельцы составили набор одомашненных растений,
которые удовлетворяют основным потребностям человека в пище и
сегодня. В дальнейшем имело место постепенное распространение
культурных растений из очага их возникновения в новые районы. В
итоге, одни и те же растения стали пищевыми для населения всего
мира. Часть культурных растений прошли одомашнивание в странах
Юго-Восточной Азии. Сюда относятся такие самоопылители как
хлопок, рис, сорго, арахис.
Помимо «полезных» для человека растений существуют и такие
растения, которые могут нанести серьезный вред. Такие растения
признаны ядовитыми.
Ядовитые растения - растения,
вырабатывающие и накапливающие в процессе жизнедеятельности
яды. В мировой флоре известно более 10 тыс. видов ядовитых
растений, главным образом в тропиках и субтропиках, много их и в
странах умеренного и холодного климатов. Ядовитые растения
встречаются среди грибов, хвощей, плаунов, папоротников,
голосеменных и покрытосеменных растений. В странах умеренного
климата наиболее широко они представлены в семействе лютиковых,
маковых, молочайных, ластовневых, кутровых, паслёновых,
норичниковых, ароидных. Многие растительные яды в небольших
дозах - ценные лечебные средства (морфин, стрихнин, атропин,
физостигмин и др.).
Основные действующие вещества ядовитых растений –
алкалоиды (азотсодержащие органические соединения, помимо
углерода, водорода и азота в молекулы могут входить атомы серы,
реже - хлора, брома или фосфора), гликозиды (в том числе сапонины),
эфирные масла, органические кислоты и др.
Они содержатся обычно во всех частях растений, но часто в
неодинаковых количествах, и при общей токсичности всего растения
одни части бывают более ядовиты, чем другие. Например, у веха
ядовитого, видов аконита, чемерицы особенно ядовито корневище, у
картофеля - цветки, болиголова - плоды, у софоры, куколя, гелиотропа
- семена, у наперстянки - листья. Некоторые растительные яды
накапливаются и образуются только в одном органе растения
(например, гликозид амигдалин - в семенах горького миндаля, вишни,
сливы). Бывает, что некоторые части ядовитых растений неядовиты
106
(например, клубни картофеля, кровелька семян тисса, семена мака
снотворного).
Таким образом, человек в процессе своей эволюции испытал на
себе все полезные и губительные свойства растений. Задолго до
изобретения всех биологических наук человек сумел выделить
растения, содержащие необходимые организму аминокислоты. И не
только выделить, но одомашнить, культивировать и повышать их
полезные свойства.
6.2 Вещества пептидной природы
Съеденная пища подвергается механической и химической
переработке в организме человека и животных. Белки в желудке под
действием фермента пепсина и в тонком кишечнике под влиянием
других энзимов (ферментов) расщепляются до аминокислот. Из
кишечника они всасываются в кровь и поступают в ткани и клетки.
Здесь же из аминокислот при участии нуклеиновых кислот синтезируются белки, специфичные для каждого вида животного.
Следовательно, именно здесь, в клетках и тканях, происходит
ассимиляция поступивших питательных веществ.
Животные способны из углеводов синтезировать жиры а из
жиров - углеводы. Следовательно, эти компоненты пищи в известной
мере взаимозаменяемы. Иначе обстоит дело с белками. Далеко не все
аминокислоты могут синтезироваться животными из углеводов и
жиров. Это объясняется отсутствием у гетеротрофных организмов
ряда ферментов.
В связи с этим аминокислоты по их роли и питании делят на дне
группы: незаменимые и заменимые. К незаменимым относятся те
аминокислоты, которые не могут быть синтезированы в организме
животных и человека из других соединений, поступающих с пищей,
поэтому они обязательно должны входить в определенном количестве
в пищу и только при этом условии организм способен создавать свои
собственные белки. Для человека незаменимыми являются 8
аминокислот: триптофан, лизин, метионин, валин, лейцин, изолейцин,
фенилаланин и треонин. Без перечисленных аминокислот наступает
белковое голодание, приводящее к тяжелым расстройствам
жизнедеятельности и даже гибели организма.
К жизненно необходимым органическим веществам, которые
обычно
не
способны
синтезировать
определенные
виды
гетеротрофных, а иногда и аутотрофные организмы, относятся
витамины.
107
Вся совокупность обмена веществ в организме (дыхание,
пищеварение, выделение) обеспечивается деятельностью ферментов,
которые являются белками. Все двигательные функции организма
обеспечиваются взаимодействием сократительных белков - актина и
миозина. Поступающий с пищей из внешней среды белок служит
пластической и энергетической целям. Пластическое значение белка
состоит в восполнении и новообразовании различных структурных
компонентов клетки. Энергетическое значение заключается в
обеспечении организма энергией, образующейся при расщеплении
белков.
В тканях постоянно протекают процессы распада белка с
последующим выделением из организма неиспользованных продуктов
белкового обмена и наряду с этим - синтез белков. Таким образом,
белки организма находятся в динамическом состоянии: из-за
непрерывного процесса их разрушения и образования происходит
обновление белков, скорость которого неодинакова для различных
тканей. С наибольшей скоростью обновляются белки печени,
слизистой оболочки кишечника, а также других внутренних органов и
плазмы крови. Медленнее обновляются белки, входящие в состав
клеток мозга, сердца, половых желез и еще медленнее - белки мышц,
кожи и особенно опорных тканей (сухожилий, костей и хрящей).
Олигопептидами (или часто для краткости – пептидами)
называют
сравнительно
короткие
аминокислотные
последовательности, а полипептидами (белками) – длинные.
Ферменты
Гетеротрофы усваивают только растворенные вещества.
Сложные органические соединения - белки, углеводы, жиры предварительно расщепляются ферментами.
У разных организмов в процессе эволюции вырабатывались
определенные комплексы ферментов, различных в зависимости от тех
условий, к которым приспособился тот или иной вид. Паразитические
и гнилостные бактерии приобрели способность растворять белки;
бактерии, обитающие на разлагающихся растительных веществах,
расщепляют целлюлозу; молочнокислые бактерии усваивают лактозу,
а бактерии, обитающие в нефти,- углеводороды и т. д. Поступившие в
бактериальную клетку вещества под действием соответствующих
ферментов переводятся в белки и другие органические вещества,
характерные для данного вида. В этом существо процесса
ассимиляции.
Многочисленные биохимические реакции в живых организмах
протекают в мягких условиях при температурах, близких к 40С, и
108
значениях рН близких к нейтральным. В этих условиях скорости
протекания большинства реакций ничтожно малы, поэтому для их
приемлемого осуществления ферменты просто необходимы.
Как правило, ферменты – это либо белки, либо комплексы
белков с каким-либо кофактором – ионом металла или специальной
органической молекулой. Ферменты обладают высокой, иногда
уникальной, избирательностью действия. Например, ферменты,
катализирующие присоединение -аминокислот к соответствующим
т-РНК в процессе биосинтеза белка, катализируют присоединение
только определенных аминокислот.
Транспортные белки
Внутрь клетки должны поступать многочисленные вещества,
обеспечивающие ее строительным материалом и энергией. В то же
время все биологические мембраны построены по единому принципу
– двойной слой липидов, в который погружены различные белки,
причем гидрофильные участки макромолекул сосредоточены на
поверхности мембран, а гидрофобные “хвосты” – в толще мембраны.
Такая структура непроницаема для таких важных компонентов, как
сахара, аминокислоты, ионы щелочных металлов. Их проникновение
внутрь клетки осуществляется с помощью специальных транспортных
белков, вмонтированных в мембрану клеток. Например, у бактерий
имеется специальный белок, обеспечивающий перенос через
наружную мембрану молочного сахара – лактозы. Лактоза по
международной номенклатуре обозначается -галаткозид, поэтому
транспортный белок называют -галактозидпермеазой.
Важным примером транспорта веществ через биологические
мембраны против градиента концентрации является калиевонатриевый насос. Молекулярная основа его была открыта недавно, это
оказался фермент, расщепляющий АТФ, – натрий-калий зависимая
АТФ-аза. Насос действует по принципу открывающихся и
закрывающихся каналов. Связывание молекул “канального” белка с
ионом натрия приводит к нарушению системы водородных связей, в
результате чего меняется его конформация.
У многоклеточных организмов существует система транспорта
веществ от одних органов к другим. В первую очередь это
гемоглобин. Кроме того, в плазме крови постоянно находится
транспортный белок – сывороточный альбумин. Этот белок обладает
уникальной способностью образовывать прочные комплексы с
жирными кислотами, образующимися при переваривании жиров, с
некоторыми
гидрофобными
аминокислотами
(например,
с
триптофаном), со стероидными гормонами, а также со многими
109
лекарственными препаратами, такими, как аспирин, сульфаниламиды,
некоторые пенициллины. В качестве еще одного распространенного
примера
белка-переносчика
можно
привести
трансферрин
(обеспечивает перенос ионов железа) и церуплазмин (переносчик
ионов меди).
Белки-рецепторы, иммуноглобулин, структурные белки
Большое значение, в особенности для функционирования
многоклеточных
организмов,
имеют
белки-рецепторы,
вмонтированные в плазматическую мембрану клеток и служащие для
восприятия и преобразования различных сигналов, поступающих в
клетку, как от окружающей среды, так и от других клеток. В качестве
наиболее исследованных можно привести рецепторы ацетилхолина,
находящиеся на мембране клеток в ряде межнейронных контактов, в
том числе в коре головного мозга, и у нервно-мышечных соединений.
Эти белки специфично взаимодействуют с ацетилхолином
и
отвечают на это передачей сигнала внутрь клетки. После получения и
преобразования сигнала нейромедиатор должен быть удален, чтобы
клетка подготовилась к восприятию следующего сигнала. Для этого
служит
специальный
фермент
–
ацетилхолинэстераза,
катализирующая гидролиз ацетилхолина до ацетата и холина.
Многие гормоны не проникают внутрь клеток-мишеней, а
связываются со специфическими рецепторами на поверхности этих
клеток. Такое связывание является сигналом, запускающим в клетке
физиологические процессы. Примером является действие гормона
инсулина в аденилатциклазной системе. Рецептор к инсулину
представляет собой гликопротеид, пронизывающий плазмалемму. При
связывании гормона с рецепторной частью этого сложного белка в
нем происходит активация каталитической внутренней части,
представляющей фермент аденилатциклазу.
Иммунная система обладает способностью отвечать на
появление чужеродных частиц выработкой огромного числа
лимфоцитов, способных специфически повреждать именно эти
частицы, которыми могут быть чужеродные клетки, например
патогенные бактерии, раковые клетки, надмолекулярные частицы,
такие как вирусы, макромолекулы, включая чужеродные белки. Одна
из групп лимфоцитов – В-лимфоциты, вырабатывает особые белки,
выделяемые в кровеносную систему, которые распознают
чужеродные частицы. Эти белки называются иммуноглобулины.
Чужеродные вещества, вызывающие иммунный ответ называют
антигенами, а соответствующие к ним иммуноглобулины –
антителами. Если в роли антигена выступает большая молекула,
110
например, молекула белка, то антитело опознает не всю молекулу, а ее
определенный участок, называемый антигенной детерминантой.
Наряду
с
белками,
выполняющими
тонкие
высокоспециализированные функции, существуют белки, имеющие в
основном структурное значение. Они обеспечивают механическую
прочность и другие механические свойства отдельных тканей живых
организмов. В первую очередь это коллаген - основной белковый
компонент внеклеточного матрикса соединительной ткани. У
млекопитающих коллаген составляет до 25% общей массы белков.
Коллаген синтезируется в фибробластах - основных клетках
соединительной ткани.
В эластичных тканях - коже, стенках кровеносных сосудов,
легких - помимо коллагена внеклеточный матрикс содержит белок
эластин, способный довольно в широких пределах растягиваться и
возвращаться в исходное состояние.
Мышечное сокращение является процессом, в ходе которого
происходит превращение химической энергии, запасенной в виде
макроэргических пирофосфатных связей в молекулах АТФ, в
механическую работу. Непосредственными участниками процесса
сокращения являются два белка - актин и миозин.
Миозин представляет собой белок необычного строения,
состоящий из длинной нитевидной части (хвост) и двух глобулярных
головок.
Актин является глобулярным белком, однако он обладает
способностью к полимеризации, образуя длинную структуру,
называемую F-актином. В такой форме актин способен
взаимодействовать с головкой миозина, причем важной чертой этого
процесса является зависимость от присутствия АТФ. При достаточно
высокой концентрации АТФ комплекс, образованный актином и
миозином, разрушается. После того как под действием миозиновой
АТФазы (фермент) произойдет гидролиз АТФ, комплекс снова
восстанавливается. Этот процесс легко наблюдать в растворе,
содержащем оба белка. В отсутствии АТФ в результате образования
высокомолекулярного комплекса раствор становится вязким. При
добавлении АТФ вязкость резко понижается в результате разрушения
комплекса, а затем начинает постепенно восстанавливаться по мере
гидролиза АТФ. Эти взаимодействия играют важную роль в процессе
мышечного сокращения.
111
Пептиды
В отличие от белков пептиды имеют более разнородный
аминокислотный состав, в частности, довольно часто включают
аминокислоты D-ряда.
Основные функции пептидов:

регуляторная
(рилизинг-факторы
или
либерины,
нейромедиаторы);

гормональная (окситоцин, вазопрессин, брадикинин,
гастрин);

антибиотическая (грамицидин А, В, С, S; актиномицин D);

антиоксидантная (глутатион);

регуляторы митоза (факторы роста);

функция витаминов (фолиевая кислота);

пептидные алкалоиды (эрготамин);

токсическая (фаллоидин, аманитин).
Пептиды участвуют чуть ли не во всех физиологических
процессах. В пищеварительной системе многих организмов
сосуществуют пептиды противоположного действия – вызывающие
чувство голода (гастрины) и сытости (холецистокинины). Многие
олигопептиды участвуют во вкусовом восприятии. Одни из них на
вкус горькие, а другие – сладкие. Есть и такие, сладость которых в
тысячи раз больше, чем у обычного сахара.
Гормоны человека
Гормоны человека имеют разную химическую природу,
некоторые из них представляют собой пептиды.
Тиреокальцитонин гормон,
вырабатываемый
у
млекопитающих и у человека парафолликулярными клетками
щитовидной железой, паращитовидной железой и вилочковой
железой. У многих животных, например, рыб, аналогичный по
функциям гормон производится не в щитовидной железе (хотя она
есть у всех позвоночных животных), а в ултимобранхиальных тельцах
и потому называется просто кальцитонином.
Тиреокальцитонин принимает участие в регуляции фосфорнокальциевого обмена в организме, а также баланса активности
остеокластов
и
остеобластов,
функциональный
антагонист
паратгормона. Тиреокальцитонин понижает содержание кальция и
фосфата в плазме крови за счёт усиления захвата кальция и фосфата
остеобластами.
Он
также
стимулирует
размножение
и
функциональную
активность
остеобластов.
Одновременно
тиреокальцитонин тормозит размножение и функциональную
112
активность остеокластов и процессы резорбции кости. По химической
природе тиреокальцетонин является полипептидным гормоном.
Предсердный натрийуретический пептид, известный как
предсердный
натрийуретический
фактор,
предсердный
натрийуретический гормон или атриопептин - пептидный гормон,
секретируемый кардиомиоцитами, служит для расширения сосудов.
Этот пептид вовлечен в регуляцию водно-электролитного обмена и
метаболизма жировой ткани. Он синтезируется в мышечных клетках
предсердий в ответ на повышение кровяного давления. Предсердный
натрийуретический пептид снижает объем воды и концентрацию
натрия в сосудистом русле. Кортикотропин контролирует синтез и
секрецию гормонов коры надпочечников. В основном кортикотропин
влияет на синтез и секрецию глюкокортикоидов - кортизола,
кортизона,
кортикостерона.
Попутно
повышается
синтез
надпочечниками прогестерона, андрогенов и эстрогенов. Это может
иметь как хронический, так и кратковременный характер.
Холецистокини́н (ранее также имел название панкреозимин) нейропептидный гормон, вырабатываемый I-клетками слизистой
оболочки двенадцатиперстной кишки и проксимальным отделом
тощей кишки. Холецистокинин выступает медиатором в
разнообразных процессах, происходящих в организме, в том числе, в
пищеварении. Кроме того, холецистокинин выступает регулятором
поведенческих физиологических актов. Обладает свойствами
антидепрессантов. Имеет отношение к эмоциям страха и патогенезу
шизофрении. Влияет на пищевое поведение человека, вызывая
чувство сытости и контролируя аппетит.
Низкомолекулярные формы холецистокинина инакивируются
при первом проходе через печень, в то время как
крупномолекулярный холецистокинин попадает из печени в
системный кровоток. Концентрация холецистокинина в крови
здорового человека 5-800 нг/л. По кровотоку холецистокинин может
попадать через почки в мочу, сохраняя при этом биологическую
активность (урохолецистокинин).
Эритропоэтин- один из гормонов почек. По химическому
строению является гликопротеином. Эритропоэтин - физиологический
стимулятор эритропоэза. Он активирует митоз и созревание
эритроцитов из клеток-предшественников эритроцитарного ряда.
Секреция эритропоэтина почками усиливается при кровопотере,
различных анемических состояниях (железо-, фолат- и B12дефицитных анемиях, анемиях, связанных с поражениями костного
113
мозга и др.), при ишемии почек (например, при травматическом
шоке), при гипоксических состояниях.
Гастрин - гормон, производимый G-клетками желудка,
расположенными в основном в антральном отделе желудка, а также
D-клетками поджелудочной железы. Гастрин связывается со
специфическими гастриновыми рецепторами в желудке. Рецепторы к
гастрину являются метаботропными, их эффекты реализуются через
повышение активности гормончувствительной аденилатциклазы.
Результатом усиления аденилатциклазной активности в париетальных
клетках желудка является увеличение секреции желудочного сока, в
особенности соляной кислоты. Гастрин также увеличивает секрецию
пепсина главными клетками желудка, что, вместе с повышением
кислотности желудочного сока, обеспечивающим оптимальный pH
для действия пепсина, способствует оптимальному перевариванию
пищи в желудке.
Грелин - недавно открытый пептидный гормон, обладающий
свойствами
гонадотропин-рилизинг
гормона
и
другими
метаболическими и эндокринными функциями. У зародышей грелин
производится легкими и стимулирует их рост. На моделях животных
видно, что грелин может поступать в гиппокамп из кровотока,
изменяя соединения нейронов, и таким образом усиливая восприятие
информации и память.
Глюкагон - гормон альфа-клеток островков Лангерганса
поджелудочной железы. Механизм действия глюкагона обусловлен
его связыванием со специфическими глюкагоновыми рецепторами
клеток печени. Это приводит к повышению опосредованной G-белком
активности аденилатциклазы и увеличению образования цАМФ.
Результатом является усиление катаболизма депонированного в
печени гликогена (гликогенолиза). Глюкагон также активирует
глюконеогенез, липолиз и кетогенез в печени.
Гонадотропные гормоны, или гонадотропины - подкласс
тропных гормонов передней доли гипофиза и плаценты,
физиологической функцией которых является регуляция работы
половых желёз.
В настоящее время к гонадотропинам относят два гормона
передней доли гипофиза: фолликулостимулирующий гормон (ФСГ) и
лютеинизирующий гормон (ЛГ), а также особый гормон плаценты хорионический гонадотропин.
Инсулин - гормон пептидной природы, образуется в бетаклетках островков Лангерганса поджелудочной железы. Оказывает
многогранное влияние на обмен практически во всех тканях.
114
Основное действие инсулина заключается в снижении концентрации
глюкозы в крови.
Секретин - пептидный гормон, вырабатываемый S-клетками
слизистой оболочки тонкой кишки и участвующий в регуляции
секреторной деятельности поджелудочной железы.
Релаксин
гормон
млекопитающих
и
человека,
вырабатываемый яичниками и плацентой. При беременности этот
гормон вызывает расслабление связок лонного сочленения тазовых
костей, благодаря чему происходит расширение таза, что
способствует нормальному протеканию родов.
Можно сделать вывод о колоссальном значении гормонов
пептидной природы в функционировании всех систем органов
человека.
Ф. Энгельсу принадлежит емкая формулировка: жизнь есть
способ существования белковых тел. Действительно, вещества
пептидной природы являются едва ли не самой функциональной
группой веществ. Они регулируют, катализируют и управляют
процессами, протекающими в организме человека.
6.3 Активные вещества растений, действующие на организм
человека
Исходя из последовательности и количества углеродных атомов,
которые обуславливают фармакологическое действие, стероидные
гормоны делят на четыре группы: C18 - стероиды, к которым относят
эстрогенные гормоны (эстрадиол, эстрон, эстриол); C19 - стероиды,
которые
представляют
собой
андрогены
(тестостерон,
метилтестостерон); C21 - стероиды, к которым принадлежат
гестагенные
гормоны
(прогестерон),
и
кортикостероиды
(кортикостерон, кортизол, альдостерон). Стероидные гормоны имеют
широкий спектр физиологических аспектов фармакологического
действия. В организме нет тканей, которые небыли бы
чувствительными к тому или иному стероидному гормону.
Стероиды вещества
животного
или
растительного
происхождения, обладающие высокой биологической активностью.
Стероиды
образуются
в
природе
из
изопреноидных
предшественников. Особенностью строения стероидов является
наличие конденсированной тетрациклической системы гонана
(прежнее название - стеран). Ядро гонана в стероидах может быть
насыщенным или частично ненасыщенным, содержать алкильные и
некоторые функциональные группы - гидроксильные, карбонильные
или карбоксильную.
115
К стероидам относятся также сердечные гликозиды - вещества
растительного происхождения (из наперстянки, строфанта, ландыша),
регулирующие сердечную деятельность. Гликозиды - органические
соединения, молекулы которых состоят из двух частей: углеводного
(пиранозидного или фуранозидного) остатка и неуглеводного
фрагмента. Например, соланин - ядовитый гликоалкалоид (гликозид),
который вырабатывается в растениях семейства паслёновых.
Наибольшее содержание соланина наблюдается в ягодах паслёна
чёрного (Solanum nigrum) и во всех частях паслёна сладко-горького
(Solanum dulcamara). В корнеплодах употребляемого в пищу
картофеля содержится до 0,05 % соланина (в проросших,
позеленевших
корнеплодах
уровень
соланина
значительно
повышается).
Растения, содержащие гликозиды, привлекали к себе внимание
ещё со времён глубокой древности. Так, египтяне и римляне
применяли морской лук (Scilla maritima) для возбуждения сердечной
деятельности. Препараты из семян и коры строфанта (Strophantus
hispidus) использовались не только для возбуждения сердечной
деятельности, но и для отравления стрел. Применение наперстянки
(Digitalis purpurea) для лечения водянки было известно уже в 1785
году, когда В. Уитеринг впервые внедрил ее в практическую
медицину.
Сапонины – самые распространенные гликозиды. Один из
стероидных сапогенинов - диосгенин, выделенный из корневищ
диоскореи, является главным источником сырья для получения
важных для практической медицины стероидных гормональных
препаратов. Потребность (мировая) в диосгенине на сегодня
составляет сотни тонн в год, что заставляет интенсивно заниматься
поисками новых источников стероидного растительного сырья.
Примером тритерпеновых сапонинов являются сапонины солодкового
корня.
Сапонинам
свойственна
исключительно
многообразная
фармакологическая активность. Например, сапонины календулы и
астрагала обладают противоаритмическим и седативным действием,
гвоздики - обезболивающим и противовоспалительным, синюхи противогрибковым,
каштана
кардиотоническим
и
капилляроукрепляющим, женьшеня
- общеукрепляющим и
возбуждающим, почечного чая - мочегонным, истода, синюхи и
первоцвета - отхаркивающим действием, у стероидных сапонинов
обнаружена противоопухолевая, антиоксидантная, бактерицидная и
фунгицидная активность. Ряд стероидных сапонинов служит
116
исходным сырьем для синтеза гормональных препаратов, широко
применяемых при нарушении холестеринового обмена.
Кроме медицины, сапонины широко используются в пищевой
промышленности при изготовлении пива, кваса, лимонадов и других
шипучих напитков, халвы, а в текстильном производстве - для мытья
шерстяных и шелковых тканей, поскольку в отличие от мыла они не
обладают щелочной реакцией. Сапонины применяются для
изготовления порошков, входящих в состав огнетушителей, а в
растениеводстве - для стимулирования прорастания семян и усиления
роста клеток.
Среди растений, вырабатывающих стероиды:

ландыш. Основные действующие вещества, содержащиеся
в
ландыше кардиотонические
гликозиды
(карденолиды),
производные строфантидина, строфантидола. Главные из них конваллотоксин, конваллозид, конваллотоксол. То есть, этот
безобидны и очаровательный цветок, так часто воспетый в песнях и
стихах является сильнейшим кардиостимулятором, усиливающим
работу сердца;

неперстянка. Содержащиеся в листьях гликозиды
регулируют деятельность сердца, усиливают мочеотделение и
уменьшают отёки. Любое самостоятельное использование растения
строжайше запрещено. Все виды — ядовитые растения, содержат
сложные глюкозиды (главным образом в листьях), оказывающие
сильное действие на сердце;

дигиталис и дигитоксин (глюкозиды наперстянки)
представляют собой сильнейшие сердечно-сосудистые яды,
обладающие, кроме того, местным раздражающим действием.
Симптомы применения: сердечный приступ (в тяжелых случаях остановка сердца), тошнота, рвота, боль в животе, диарея, головная
боль, медленный нерегулярный пульс (падение пульса), одышка,
головокружение, цианоз, иногда также дрожь, конвульсии, делирий и
галлюцинации. Минимальной смертельной дозой наперстянки
является доза 2,25 г;

строфант (лат. Strophanthus) - род растений семейства
Кутровые (Apocynaceae), произрастающих в Тропической Африке,
Юго-Восточной и Южной Азии. В семенах строфанта Комбе общее
количество гликозидов может достигать 8-10%. Препараты строфанта
превосходят все другие сердечные средства по быстроте и силе
действия.
Алкалоиды
это
в
основном
азотсодержащие
гетероциклические
соединения,
обладающие
сильной
и
117
специфической физиологической активностью. В растениях
алкалоиды находятся в клеточном соке в форме солей широко
распространенных в растительном мире органических кислот:
яблочной, лимонной, щавелевой. В некоторых растениях алкалоиды
связаны специфическими органическими кислотами, характерными
для определенного семейства, рода или даже вида. Наиболее богаты
алкалоидами растения семейства пасленовых и маковых.
Некоторые алкалоидоносные растения сильно ядовиты (аконит,
белладонна, белена, болиголов, дурман, живокость). Вместе с тем,
алкалоиды этих растений, взятые в небольших дозах, часто служат
лекарствами, поэтому почти все ядовитые растения употребляются в
лечебных целях. Алкалоиды классифицируют в основном по
характеру входящих в их состав гетероциклов
Алкалоиды обладают самой разнообразной фармакологической
активностью. Так, лобелин и цитизин (из лобелии и термопсиса
соответственно) оказывают стимулирующее действие на дыхательный
центр:

атропин (рацемат гиосциамина) из красавки и
платифиллин из крестовника обладают спазмолитическим действием;

берберин из барбариса обладает желчегонным действием;

винбластин и винкристин - наиболее ценные алкалоиды из
катарантуса розового - обладают противоопухолевой активностью;

гиндарин
из
стефании
гладкой
оказывает
транквилизирующий эффект и имеет седативные (успокаивающие) и
гипотензивные свойства;

морфин и кодеин - алкалоиды мака - обладают
болеутоляющим и противокашлевым действием соответственно;

пахикарпин из софоры толстоплодной повышает тонус и
усиливает сокращение матки. Этот алкалоид применяется для
стимуляции родовой деятельности;

резерпин из раувольфии змеиной снижает кровяное
давление и оказывает седативное действие;

сангвинарин и хелеритрин - алкалоиды чистотела
большого - характеризуются антимикробной активностью и
оказывают фунгистатическое и бактерицидное действие.
6.4 Анализ возможности влияния ГМО на организм
человека
В
настоящее
время
генная
инженерия
технически
несовершенна. Каков бы ни был способ переноса генов в растения с
целью получения ГМО, стабильность закрепления переданного гена
118
мало предсказуема. Специальные исследования показали, что место
встраивания трансформированной ДНК у разных клеток не
совпадает: встройка может происходить в различные участки одной и
той же хромосомы, а может и в разные. Как правило, в процессе
создания новой ГМ-культуры производят строгий отбор клеток с
запланированными свойствами. Однако, вероятность ошибки
необходимо учесть при составлении прогноза влияния ГМО на
организм человека и окружающую среду.
Изменение жизненно важных функций организма человека
Как уже было отмечено, растения могут собирать сложные
функциональные протеины и гликопротеины, состоящие из
нескольких субъединиц. Гликопротеинами являются все антитела,
интерфероны, компоненты комплемента, белки плазмы крови, молока,
рецепторные белки и др. Гликопротеины являются важным
структурным компонентом клеточных мембран животных и
растительных организмов.
Имеющиеся в арсенале исследователей методы идентификации
генетически модифицированных растений основаны на выявлении
химических соединений, синтезирующихся в их клетках в ответ на
введение чужеродных генов. Это в первую очередь трансгенная ДНК
и новый экспрессированный белок, а также другие химические
соединения: высокомолекулярные жирные кислоты, витамины,
сахара. Изменения в химическом составе пищевых продуктов,
полученных из ГМ-сырья, позволяют выявить химические методы
исследований, такие как хроматография, спектрофотометрия и ряд
других. Так, изучение генетически модифицированных линий сои G
94-1, G 94-19, G 168 показало изменение их жирнокислотного состава.
В частности, было выявлено значительное увеличение содержания
олеиновой кислоты - до 83,6% по сравнению с традиционными
аналогами - 23,15% . Применение метода газовой хроматографии
позволило выявить данную генетическую модификацию даже в
рафинированном соевом масле, не содержащем ДНК и белок.
Вещества, синтезируемые трансгенными растениями безусловно
способны влиять на организм человека, будь то вакцинирование с
помощью продуктов питания или вакцины на основе ГМ-сырья,
прямое употребление антител, использование антимикробных
пептидов, синтезированных гормонов, стероидов, белков и
аминокислот растительного происхождения. Спектр действия этих
веществ охватывает практически каждый жизненно важный процесс в
организме человека.
119
Риски, связанные с производством биотехнологической
продукции, начали обсуждаться в научной литературе с 1983 г. К
середине 80-х г. в развитых странах вырабатывается государственная
политика по биотехнологии. Так, например, в США контроль за
использованием ГМО находится в юрисдикции трех агентств,
американского Агентства по охране окружающей среды,
американского Министерства сельского хозяйства, и американского
Управления по санитарному надзору за качеством пищевых
продуктов и медикаментов. Существует так же координационный
комитет, осуществляющий согласованную работу всех трех ведомств
по данному вопросу. Цели, задачи и законы, регламентирующие
деятельность этого комитета, были опубликованы в 1986 г.
Практические оценки влияния ГМО на организм при их пищевом потреблении появилсь недавно. Первые широкоизвестные работы по
пищевым рискам ГМО принадлежат А. Пуштаи, работавшему в
Исследовательском Институте Рауэтт, Великобритания и стали
предметом дискуссии 1999-2000 гг.
Однако возможность формирования выраженного иммунного
ответа на трансгенный белок, являющийся аллергеном и
потребляемый в составе растительного продукта, были известны и
ранее. Например, за три года до начала этой дискуссии, Х. С. Мэйсон
с соавт, показали высокий иммунный ответ у мышей на трансгенный
картофель, модифицированный капсидным вирусным белком.
Поскольку работа была посвященна модели оральной иммунизации
животных белками, продуцируемыми в трансгенных системах,
результаты этой и подобных работ остались незамеченными для
диетологов и аллергологов. Тем не менее, работы, посвященные
механизмам иммунного ответа человека на лектины, в частности
хлебного дерева и сои, связывающихся с иммуноглобулином lgA1 и
приводящим к слипанию эритроцитов, были хорошо известны.
Отдельные исследования на животных свидетельствуют о
серьезных рисках для здоровья, связанных с ГМ продуктами питания,
включая бесплодие, иммунную дисрегуляцию, ускоренное старение,
дисрегуляцию генов, связанных с синтезом холестерина,
инсулиновым регулированием,
клеточной
сигнализацией
и
формированием белков, а также изменения печени, почек, селезенки и
желудочно-кишечного тракта.
Для борьбы с основным вредителем картофеля - колорадским
жуком, в один из вариантов ГМ-картофеля включен ген ландыша,
кодирующий выработку лектина. Лектины - белки и гликопротеины,
обладающие способностью высокоспецифично связывать остатки
120
углеводов на поверхности клеток, в частности, вызывая их
агглютинацию. Функции растительных лектинов до конца еще не
изучены. Поскольку их много в семенах растений, предполагают, что
они участвуют в прорастании семени. Как и у животных, одной из
функций лектинов считается их связывание на поверхности клеток
паразитов. Кроме углеводов лектины могут связывать некоторые
другие вещества, например, аденин, ауксины, индолуксусную
кислоту, которые считаются фитогормонами. Интерес к лектинам
сильно возрос после открытия того факта, что некоторые из них
агглютинируют эритроциты лишь определенных видов животных и
групп крови человека.
Токсичность лектинов может быть причиной расстройства
пищеварения в результате поедания растительной пищи, содержащей
большое их количество, например, соевых бобов, в которых
содержится соевый агглютинин. Он способен нарушить пищеварение
в тонком кишечнике, связываясь на поверхности клеток кишечного
эпителия. Тепловая обработка обычно понижает токсичность
лектинов, но некоторые из них устойчивы к нагреванию. Лектины
могут также вызывать повышенное выделение слизи в кишечнике, что
сказывается на усваивании пищи.
Согласно исследованиям лектин Galanthus nivalis не
агглютинирует эритроциты крови человека. Однако, исследования
ГМ-картофеля на предмет опасности для здоровья человека многие
ученные признают недостаточными, как по времени так и по
содержанию.
А. Пуштаи показал, что ГМ-картофель, измененный участком
генома подснежника, ответственного за производство лектина - на
гистологическом уровне влияет на состояние слизистой оболочки
кишечника, частичную атрофию печени и изменение тимуса, и на
физиологическом - на относительный вес внутренних органов крыс,
содержащихся 9 месяцев на соответствующей диете, по сравнению с
контрольными, питавшимися нетрансформированным картофелем. На
страницах «BINAS News» опубликована полемика 1999 года, как
критика и опровержение результатов А. Пуштаи, так и позиция
сторонников его точки зрения. Тогда-же Е. Дришш и Т. Бег-Хансен
публикуют меморандум, поддержавший А.Пуштаи и основанный на
экспертной оценке его результатов группой из 20-ти (помимо авторов
меморандума) ученых. Собственно, результаты Пуштаи были
представлены в научной прессе после проведения экспериментов и
подтверждения заявленных результатов сотрудником Абердинского
Университета, С. В. Ивеном. Позднее появляются работы,
121
проведенные на культурах клеток крови человека и колоректальной
карциномы, подтверждающие результаты А. Пуштаи, начинают
разрабатываться методики, посвященные оценке пищевых рисков,
связанных с действием потенциальных аллергенов. В обзорах по
применению ГМО, авторы, в том числе и первоначально
критиковавшие А. Пуштаи, указывают на необходимость строгой
оценки пищевых и экологических рисков.
Показательна история с сортом кукурузы StarLink®, скандал
вокруг которой разгорелся в 2000-2001 гг. Эта кукуруза,
трансформированная белком-токсином Bacillus thuringiensisСrу9С,
был разрешен американским Агентством по охране окружающей
среды к использованию с ограничениями, как кормовая культура в
1998 г. Ограничение в использовании было вызвано результатами
тестирования белка Сrу9С на устойчивость к перевариванию
пепсином и к нагреванию, показавшими устойчивость выше
минимально допустимой.
В результате неконтролируемого переопыления с пищевыми
сортами, урожай из гибридных растений был использован для
получения пищевых продуктов. В 2000 г, фирма «Авентис»
предоставила
материалы,
подтверждающие
возможность
использования сорта StarLink® в пищевых целях. Данные
экспериментов
по
оценке
токсичности
и
аллергенности
модифицированного продукта всего на 10 крысах, якобы
свидетельствовали о его безопасности. В пользу своей точки зрения
«Авентис» указывала на 30-летний опыт применения белка Сгу9С в
США в качестве инсектицида, и отсутствие данных в научной
литературе по токсичному и аллергенному действию белка Сгу9С. Ряд
публикаций, посвященных оценке аллергенности и других возможных
воздействий на организм подопытных животных белками Сгу9С и
родственного ему CrylAb, показали отсутствие патогенного действия
данных белков в составе ГМО.
Тем не менее, существующие данные по аллергенности
токсинов В. thuhngiensis заставили провести дополнительные
исследования аллергенности Сгу_белков. Были получены данные,
свидетельствующие о выработке антител и, соответственно,
формировании аллергичной реакции на белок Сгу1Ас, и ограниченности методов определения иммунных реакций, в частности
теста
ELISA,
не
способного
оценивать
аллергенность
гликозилированных
эпитопов
белков.
Гликозилирование
_
особенность многих аллергенов пищи, и описываемый случай
122
показывает недостаточность отдельных тестов и необходимости
особенно тщательного контроля продуктов питания.
Гены, ответственные за экспрессию высокотоксичного белка
были выделены из специфического фрагмента почвенной бактерии,
называемой тюрингская бацилла, Bacillus thuringiensis (Bt), и
встроены в генотип картофеля разных сортов. Вырабатываемый ГМкартофелем белок является протоксином, то есть ему необходима
предварительная активация, он практически нерастворим в воде
(растворяется лишь в среднем кишечнике чувствительных видов
насекомых при рН около 9.5). После растворения в кишечнике
подвергается расщеплению протеазами с образованием активного
токсина. Активный токсин прикрепляется к мембранам эпителия
среднего кишечника насекомых, вызывая уравнивание концентраций
ионов снаружи и внутри клеток, что приводит к нарушению работы
пищеварительной системы личинки, постепенно вызывая голодную
смерть. Понижения рН кишечника личинок необходимо B.
thuringiensis для создания благоприятных условий для своего развития
и размножения в теле хозяина.
Согласно исследованиям этот токсин является безопасным для
всех позвоночных (включая человека) и большинства насекомых,
проявляя высокую специфичность по отношению к насекомомухозяину.
Вследствие неполноты знаний о динамике и взаимодействии
сложных соединений в организме человека под действием различных
факторов
естественной
природы
возникает
опасность
непредсказуемых реакций. Например, преоновый белок входит в
состав нервных и лимфатических тканей, слизистых оболочек и
чувствителен к вырабатываемым живым организмом ферментам,
способным его расщеплять. Однако под воздействием некоторых
факторов этот вид белка меняет свою структуру и не переваривается
ферментами - это приводит к катастрофическим последствиям для
организма человека, в том числе к потере сна.
Описан случай, когда общественность США была шокирована
известием, что на убранном поле сои, предназначенной для
использования в пищевой промышленности, были обнаружены следы
ГМ-кукурузы компании ProdiGen, которая была засеяна годом ранее.
Внедренный в кукурузу ген вырабатывал вещество для борьбы с
желудочно-кишечной инфекцией у поросят. Было обнаружено, что
урожай сои был отправлен на элеватор, куда уже свезли свой урожай
несколько хозяйств; в итоге решением министерства урожай был
уничтожен. В упомянутом случае удалось предотвратить попадание в
123
пищу вещества,
не
предназначенного
человеку.
Однако,
регулирование вопросов оборота ГМ-продукции очевидно требует
гораздо больше энергетических и денежных затрат, чем можно было
предположить.
Не стоит забывать, что мощное воздействие, которое способны
оказывать вещества, экспрессируемые в растениях, может быть
использовано в зависимости от поставленной цели. Например, синтез
в каком-либо растении стероида, подавляющего фолликуляцию у
женщин или выработку тестостерона у мужчин может привести к
бесплодию пары. Представим, что недостаточный контроль за
содержанием ГМ-сырья в импортируемых продуктах питания
приведет к массовому употреблению небезопасных для генеративной
системы продуктов. Это приведет к демографическому спаду, а
значит, может стать ни много ни мало - оружием геноцида по
отношению к определенному социальному слою или стране в целом.
Отравление токсическими метаболитами
Определение генетического кода устойчивости бактерий к
гербицидам позволяет переносить гены устойчивости в растения и
решать проблему регулирования уровня засоренности посевов
сахарной свеклы, кукурузы, сои, рапса и других культур с помощью
гербицидов сплошного действия. Рассмотрим Roundup-Readyрастения,
которые
содержат
полную
копию
гена
энолпирувилшикиматфосфат-синтетазы из почвенной бактерии
Agrobacterium sp. strain CP4, перенесённую в геном. Эта форма
фермента является толерантной к гербициду глифосату.
Токсическое действие глифосата на растения обусловлено тем,
что этот гербицид является конкурентным ингибитором фермента
растений 5-еноилпирувил-шикимат-3-фосфат синтазу. Этот фермент
является компонентом ферментной системы шикиматного пути
биосинтеза бензароматических соединений (содержащих бензольные
кольца) и осуществляет одну из стадий превращения шикимата в
хоризмат - предшественник трёх ароматических протеиногенных
аминокислот
(фенилаланина,
тирозина
и
триптофана),
парааминобензоата,
терпеноидных
хинонов
(убихинона,
пластохинона, филлохинона), ряда других важных метаболитов
(фенолов, ароматических кислот, токоферолов, алкалоидов,
фитогормонов и др). Поэтому при попадании глифосата на растение
он проникает в клетки, блокирует синтез ряда необходимых
соединений, и растение погибает. Важно отметить, что животные
получают перечисленные аминокислоты и прочие компоненты с
пищей и потому эволюцией освобождены от необходимости их
124
биосинтеза. Иными словами животные не имеют ферментной системы
шикиматного пути, в том числе они не имеют 5-еноилпирувилшикимат-3-фосфат синтазы. Бактериальный вариант этого фермента
обнаруживается в растениях, грибах и микроорганизмов.
При условии соблюдения рекомендуемого режима обработки
трансгенной сои гербицидом содержание глифосата в конечном
продукте не должно превышать 20 частей на миллион, или 0.002%.
Глифосат относится к мало токсичным гербицидам, что
подтверждается его высокой полулетальной дозой LD50 = 5600 мг/кг
веса при внутреннем употреблении в экспериментах на крысах.
Однако, следует помнить, что никто не может заставить фермеров
соблюдать
режим
обработки
ГМ-культур
гербицидом.
Проконтролировать этот процесс представляется невозможным.
Генетически модифицированная соя устойчива к действию гербицида,
однако она способна накапливать его метаболиты.
Суммарная доза раундапа может достигать 15 л/га (благодаря
постепенно приобретаемой устойчивости сорных растений гербициды
семейства раундап могут вноситься через каждые 1-1,5 месяца),
поэтому в целом расход гербицидов в США увеличился на 30% за
период с 1990 по 2000 годы. Известно также, что в случае позднего
(июль-сентябрь) применения раундапа на посевах сои в семенах сои
наблюдается повышенное остаточное количество раундапа и его
продуктов распада.
В ходе независимых исследований влияния четырех различных
гербицидов на основе глифосата на различные типы клеток человека
установлено, что такие гербициды оказывают эффект даже в
концентрациях значительно ниже рекомендованных. В числе
эффектов
–
торможение
активности
митохондриальной
сукцинатдегидрогеназы при воздействии в течение 24 часов, некроз
вследствие освобождения цитозоладенилаткиназы, апоптоз.
Вывод о том,что глифосат является почти безопасным вряд ли
можно назвать научным. С точки зрения здравого смысла существует
необходимость проведения системных долговременных наблюдений,
результаты которых будут доступны каждому человеку.
Неконтролируемые
изменения
модифицированных
организмов
Представления о геноме как о линейной последовательности
«полезных» и «бесполезных» участков, где за каждым геном
закреплена строго определенная функция и где взаимодействия генов
строго определены, работают в очень ограниченном количестве
случаев. По всей видимости, живая клетка представляет собой не
125
столько
понятную,
упорядоченную
и
иерархизированную
«операционную систему», сколько «экосистему» генов, где процессы
управления нелинейны. Поэтому к утверждениям о том, что
внедрение чужеродного гена имеет абсолютно предсказуемые
последствия, стоит относиться осторожно - по крайней мере, на
современном этапе развития молекулярной биологии. Инцидент,
происшедший с L-триптофаном, который был получен в результате
генетически
трансформированных
бактерий,
иллюстрирует
серьезность возможного нарушения предсказуемого действия генов в
модифицированных организмах. Эта основная аминокислота, которую
можно встретить в большом количестве в природе и в нашей
традиционной гастрономии, сегодня используется в качестве добавки
к некоторым продуктам питания. Она также используется при
бессоннице и депрессии. В США в конце 1980-ых годов
фармацевтический триптофан японской фирмы Showa Denko, вызвал
синдром ацидофильной миалгии у полутора тысяч человек, из 37
случаев оказались летальными.
Было установлено, что помимо триптофана в препарате
находилось высокотоксичное вещество. Несмотря на тщательное
исследование
эпидемиологического
процесса
и
примерное
установление происхождения токсического продукта (препарата),
повлиявшего на изменение обмена веществ (бистриптофан
аминоацеталдегид), все же не удалось окончательно выяснить
причину его появления. Однако зависимость данного инцидента от
производства аминокислот по генетически измененным технологиям
вполне очевидна. В зависимости от условий модификации и развития
организмов свойства ГМ бактерий могут меняться. Нельзя отрицать
вероятность того, что организмы станут вырабатывать неожиданные
вещества, токсичные для человека.
Главной проблемой при культивировании растений являются
фитопатогены. Болезни растений приводят к потере примерно 30-50
биллионов долларов ежегодно. Пестициды, как известно, – не лучшее
решение проблемы фитопатогенов, ведь пестициды токсичны для
человека и приносят вред окружающей среде. Решением проблемы
фитопатогенов могут стать трансгенные растения экспрессирующие
антимикробные пептиды. Кроме того были получены и трансгенные
рыбы, которые оверпродуцировали антимикробные пептиды. Эти
рыбы обладали повышенной устойчивостью к инфекциям.
Кроме того, разрабатываются специальные фармакологические
препараты, позволяющие лечить различные заболевания с помощью
антимикробных пептидов, полученных из модифицированных
126
организмов.
Производство
модифицированных
растений,
экспрессирующих новые формы антимикробных пептидов также таит
в себе опасность. Антимикробные пептиды – это короткие молекулы
длиной от 12 до 50 аминокислот, способные убивать клетки
микроорганизмов. Однако, возможна ли настолько точная
специализация антимикробных пептидов, которая позволит
уничтожать только вредные бактерии? Ведь в организме человека
обитает не меньше трех сотен различных микроорганизмов,
необходимых для нормальной жизнедеятельности. И «вредность» или
«полезность» некоторых из них еще не изучена. Слишком
легкомысленно надеяться на фармакологические препараты, которые
справятся с болезнью без каких-либо усилий со стороны нашего
иммунитета. Мы можем столкнуться с полной разбалансировкой
регулирующих систем внутри нашего организма. Ведь если какая-то
система становится ненужной организму, он избавляется от нее.
Кроме того, живо представляется как человек, по природе склонный к
излишествам, переложил все регулирующие функции на вещества
извне. В таком случае, произойдет деградация
Устойчивость к действиям антибиотиков
Многие ГМ культуры содержат ген устойчивости к
антибиотикам (включая канамицин, неомицин, ампициллин,
стрептомицин и спектиномицин) в качестве «генов-маркеров» для
установления факта успешности процесса генетической модификации.
Если целевая клетка после проведенной модификации выдерживает
действие соответствующего антибиотика, значит, цель достигнута, и
ген успешно внедрен.
Гены устойчивости к антибиотикам являются маркерами, не
имеют никакого функционального значения для растения и могли бы
быть удалены на дальнейших стадиях процесса генетической
модификации, однако это отсрочило бы коммерческое внедрение ГМ
культур. Некоторые медицинские организации, и среди них Британская Медицинская Ассоциация, призвали к запрету на
использование маркерных генов устойчивости к антибиотикам.
В некоторых научных журналах выдвигалось предположение о
возможном горизонтальном переносе генов от ГМ-растений к
микроорганизмам, населяющим почву, а также кишечник животных и
человека. Если эти гены будут перенесены в геном болезнетворных
микроорганизмов, то терапия данным антибиотиком окажется
слабоэффективной или неэффективной. Теоретические модели и
эксперименты показывают, что перенос ДНК из ГМР в
микроорганизмы случается, если вообще имеет место, с очень
127
маленькой вероятностью. Если бы это на самом деле происходило так
быстро и просто, как считают оппоненты генной инженерии растений,
то за миллионы лет эволюции гены всех организмов совершенно
перемешались бы. В действительности же на сегодняшний день
известно всего несколько случаев горизонтального переноса из
растений в бактерии, и самый последний имел место более 10 млн лет
назад.
Таким образом, вероятность приобретения микроорганизмами
устойчивости к антибиотиками посредством горизонтального
переноса настолько мала, что вряд ли представляет угрозу для
здоровья человека.
6.5 Анализ возможного воздействия на естественные и
искусственные природные системы
Как правило, токсичным или аллергеным действием обладают
трансгенные белки, обеспечивающие устойчивость растенийреципиентов к поражению различными видами насекомых,
грибковым
и
бактериальным
заболеваниям.
Устойчивость
обеспечивается
действием
белков,
обладающих
набором
специфических свойств. Среди них:
- ферментативная активность к наиболее главным компонентам
клеточной стенки целевых организмов (например, хитиназы для
насекомых и грибов);
- лектиновая активность (лектины и арселины), опосредующая
связывание с определенными рецепторам и мембранными
гликопротеинами и реакции гликозилирования и приводящая к
слипанию клеток желудочно-кишечного тракта и нарушению работы
пищеварительных ферментов насекомых – вредителей;
- ингибирование рибосомальных белков (RIPs-белки),
приводящее к нарушению синтеза новых белков клетками,
контактирущими с RIPs;
- ингибирование функций пищеварительных протеаз и амилаз
организмов являющихся целью воздействия;
- формирование сквозных каналов в клеточной мембране (Cryпротоксины Bacillus thuringiensis, активизирующиеся после
протеолитического расщепления), приводящее к лизису атакованных
данными полипептидами клеток;
- проникновение в виде фрагментов исходного белка через
стенки кишечника и связывание с ганглиозидами клеточных мембран
(растительные протоксины: уреазы и канатоксины), что приводит к
экзоцитозу клеток различных типов, разрушению кровяных пластинок
128
и сопровождается гибелью организма, являющегося целью
воздействия.
Нарушение межвидовых взаимосвязей и заполнение
экологической ниши
Растения и живые организмы сообщаются посредством
сложных и неоднозначных связей. Существует немало примеров
нарушения этих связей человеком. В США для подавления грибковых
заболеваний сои использовали фунгицид беномил. Все шло неплохо,
пока не заметили, что резко усилилась численность гусениц одной из
вредных бабочек. Оказалось, что в природе этих гусениц уничтожал
гриб, паразитирующий на сое. В Шри Ланке с помощью химически
синтезированного инсектицида уничтожали жука-точильщика,
питающегося стеблями чайных листов. Ввиду сокращения популяции
жука резко возросла численность одного из видов гусениц. После
проведения мероприятий по борьбе с гусеницами появились клещи.
Так, уничтожение одних вредителей зачастую обнаруживает в
природе неожиданные взаимосвязи.
В 1997 году в Китае начали выращивать трансгенный
хлопчатник, в геном которого был вставлен ген бактерии Bacillus
thuringiensis. Белок Cry1Ac, кодируемый этим геном, токсичен только
для гусениц некоторых бабочек и, по-видимому, безвреден для всех
остальных животных включая человека. Сразу же после начала
культивирования трансгенного хлопчатника в 1997 году началось
быстрое снижение численности полевой совки. Правда, в последнее
время на хлопковых полях расплодились другие вредители - клопыслепняки (семейство Miridae). Причиной их бурного размножения
стало
уменьшение
количества
используемых
химических
инсектицидов.
Следующий пример можно отнести к побочным эффектам
выращивания
ГМ-культур.
Методы,
используемые
при
культивировании устойчивых к гербицидам сортов, ведут к снижению
количества насекомых и зрелых семян сорняков. Это, в свою очередь,
может приводить к уменьшению популяций птиц, питающихся
насекомыми и семенами. Таким образом, возможно резкое падение
численности некоторых видов, которое повлечет за собой уменьшение
численности вида-хищника. Что, в свою очередь, может повлечь
трудно прогнозируемые изменения видового разнообразия региона, а
возможно и всего биоразнообразия в целом.
Существует еще один аспект, могущий оказать влияние на
равновесие экосистемы. Этот аспект – свойство живого организма
приспосабливаться к новым условиям существования. В данном
129
случае имеется в виду идиоадаптация. Это частное приспособление
организмов к определённому образу жизни в конкретных условиях
внешней среды. Это свойство может быть условием для
возникновения двух вероятных последствий. Первое – организмы, на
которые воздействуют пестицидами, в конечном итоге могут
приспособиться к ним. И тогда понадобится создание все новых
трансгенных организмов, толерантных к другим гербицидам. Таким
образом, человек может перебрать весь генетический материал и все
возможные комбинации ядохимикатов со всеми вытекающими отсюда
последствиями. Это может оказаться смертельной ловушкой пусть не
для наших детей, но для будущих поколений.
Второе – нецелевые насекомые начнут употреблять в пищу
освободившийся от других насекомых пищевой ресурс. С точки
зрения эколога, очевидно, что любой энергетический субстрат,
особенно органического происхождения, в конечном счете, будет
использован живыми организмами. О. Солбриг описывал
экологические последствия тотального уничтожения вредителей
хлопчатника ядохимикатами на изолированной территории. Через
некоторое время хлопчатник начали использовать в качестве
пищевого ресурса виды, никогда ранее им не питавшиеся.
Такую «всюдность» живого вещества отмечал и Вернадский,
изучая геологические проявления жизни. Механизм выживания
предписывает особям изыскивать способы выживания – даже если это
коренным образом меняет их привычки. Вряд ли ученые способны
создать столь широкомасштабный и всеобъемлющий прогноз,
который будет учитывать каждый мельчайший (кажущийся
незначительным) фактор, каждый вид во всей их сложной и не до
конца изученной взаимосвязи.
Мутация
и
гибридизация
растений.
Истощение
биоразнообразия
Как известно, в экстремальных условиях, а процесс вытеснения
вредителей устойчивыми к ним растениями иначе как экстремальным
не назовешь, скорость мутаций растет, и неизвестно, сколько времени
понадобится растениям и насекомым для того, чтобы приспособиться
к новым условиям окружающей среды.
В журнале Molecular Ecology опубликовано исследование
нового вида сорняка – трансгенной полевой горчицы, устойчивой к
гербициду глифосат. По словам авторов статьи, при выращивании
трансгенного масличного рапса Brassica napus, устойчивого к
гербициду
глифосат,
произошло
спонтанное
скрещивание
трансгенного рапса и обычного дикорастущего родственного растения
130
– полевой горчицы Brassica rapa, в результате которого свойство
устойчивости к химикатам передалось сорняку. Исследователями
было обнаружено, что чужеродный ген сохранялся в геноме полевой
горчицы в течение 6 лет. Следует отметить, что наблюдения
проводились не в экспериментальных условиях, а в процессе
коммерческого выращивания трансгенного рапса фермерами Канады.
Американское Агентство по защите окружающей среды США,
обеспокоенное возможностью скрещивания диких растений,
родственных хлопку, с трансгенным хлопком фирмы Monsanto,
обязало производителя ГМ-семян принять меры к недопущению
коммерческого выращивания Bt-хлопка в районах, где широко
произрастают его дикие родственники, в частности, на Гавайях (где
произрастает Gossypium tomentosum) и в Южной Флориде (где
встречается Gossypium hirsutum). На каждой упаковке семян
генетически модифицированного Bt-хлопка фирмы Monsanto нанесена
надпись: «Во Флориде не сажать к югу от Тампы (60 шоссе). Не для
коммерческого использования или продажи на Гавайях». Однако
такие меры вряд ли могут считаться эффективными при масштабном
выращивании ГМ-культур, т.к. пыльцу трансгенных растений пчелы
могут переносить на расстояния до нескольких километров.
В регионах исходного одомашнивания культурных растений и в
настоящее время в естественной среде произрастают их дикие
родственники, способные к скрещиванию с культурными растениями
и, таким образом, к воспроизводству гибридных растений. В случае
ГМ культур этот механизм может обуславливать перенос чужеродных
генов в геном дикорастущих гибридов.
С точки зрения экологически рационального ведения сельского
хозяйства и поддержания природного биологического разнообразия
важным моментом является выращивание как можно более
многообразного набора культур. Свидетельства генетического
заражения аборигенных сортов кукурузы ГМ кукурузой были
получены в Мексике, являющейся местом происхождения этой
культуры. В Азии вблизи рисовых полей произрастают дикие
родственники риса. В Северной Америке распространены дикие
родственники тыквы и кабачка, в Европе - растения, родственные
сахарной свекле и масличному рапсу, с которыми возможно
скрещивание. Если это произойдет, мы столкнемся не только с
необратимым изменением генетического фонда этих растений
(последствия таких изменений неизвестны), но, вполне вероятно, и с
появлением «супер-сорняков» в результате приобретения дикими
растениями свойств ГМ культуры. На Гавайях весьма распространен
131
дикий родственник хлопка Gossypium tomentosum, а в Южной
Флориде - Gossypium hirsutum. Оба считаются в хлопководстве
сорняками. Если генетически модифицированный хлопок опылит
своего родственника-сорняка, то в результате такого скрещивания
может получиться устойчивый к действию пестицидов и гербицидов,
засухи и холода, обладающий повышенной устойчивостью к
паразитам сорняк.
Чтобы определить вероятность наступления негативных
последствий, связанных с гибридизацией сорняков, необходимо
определить, возможна ли такая гибридизация в природных условиях.
Для успешного скрещивания трансгенная культура и дикорастущий
родственный вид должны произрастать в пределах зоны
распространения пыльцы, быть способными к перекрестному
опылению, цвести в одно и то же время и при этом на рыльце пестика
растений должна попадать жизнеспособная пыльца. Успешное
оплодотворение должно сопровождаться формированием зиготы и
семени. Для начала интрогрессии семя должно прорасти и дать начало
гибридному растению первого дочернего поколения (F1), которое
должно зацвести для того, чтобы скреститься с растениями
популяции-реципиента. Таким образом, гибриды первого поколения
должны сохраняться в популяции в течение, по крайней мере, одного
поколения и обладать полноценной способностью к размножению,
необходимой для обратного скрещивания с растениями исходного
генотипа и формирования следующего поколения гибридов. В
дальнейшем поколения гибридов, сформировавшихся в результате
обратного скрещивания, должны активно размножаться до тех пор,
пока трансген полностью не инкорпорируется в генофонд
дикорастущей популяции.
Помимо различных биологических факторов, важным
моментом, определяющим вероятность интрогрессии трансгена,
является произрастание родственных видов в зоне выращивания ГМ
культур. Исходя из того, что все культурные растения произошли от
дикорастущих предков, совсем неудивительно, что в глобальном
масштабе практически все сельскохозяйственные культуры в
определенных регионах культивирования имеют возможность
скрещиваться с дикорастущими близкородственными видами. Однако
на сегодняшний день окультурена лишь малая часть растительного
мира и в современных сельскохозяйственных экосистемах многие
культуры выращиваются вне ареалов распространения способных к
перекрестному скрещиванию дикорастущих родственников. Таким
132
образом, для отдельных регионов характерны различные уровни
вероятности дрейфа генов.
При скрещивании диких (сорных) растений с родственными ГМ
культурами ключевым моментом повышения жизнеспособности
сорняков является способность трансгена повышать выживаемость
растения в природных условиях за счет двух факторов:
1) способность трансгенного признака наделять растение
селективным преимуществом по сравнению с особями дикого типа;
2) его способность постепенно закрепляться в дикорастущей
популяции.
За редким исключением, практически все трансгенные признаки
растений в той или иной степени доминантны (это обусловлено тем,
что в геноме диких растений отсутствуют соответствующе аллели, то
есть соответствующей трансгену «аллелью» хромосомы дикого типа
является некодирующий фрагмент ДНК – ситуация, получившая
название гемизиготности). В силу своей доминантности трансгены
более подвержены естественному отбору, влияние трансгена на
жизнеспособность
растений
обусловлено
преимущественно
характером трансгенного признака.
Таким образом, можно выделить следующие возможности
потенциального влияния трансгенов на жизнеспособность гибридных
растений (в естественных условиях):
– трансгены, обладающие нейтральным влиянием на
жизнеспособность растений, могут распространяться в природных
популяциях, но впоследствии не будут оказывать никакого влияния;
– гены, обладающие отрицательным влиянием, в нейтральных
условиях элиминируются;
– трансгены, обуславливающие устойчивость к гербицидам и
насекомым-вредителям, обладают различным потенциалом в
отношении изменения жизнеспособности растений, зависящим от
инвазивности видов-реципиентов и их исходной устойчивости. Гены
резистентности к гербицидам не имеют значения в природных
условиях и, соответственно, не наделяют растения дополнительной
устойчивостью. В то же время гены, обеспечивающие устойчивость к
насекомым-вредителям, в соответствующих условиях могут повышать
выживаемость гибридов в природных;
– трансгены, изменяющие уровень устойчивости к факторам
окружающей среды (холод, повышенная соленость почвы, засуха и
др.), могут расширить ареал обитания дикорастущих видов.
Отсюда можно сделать вывод, что само по себе присутствие
трансгена в геноме не является генетически благоприятным или
133
губительным для гибридов. Относительная жизнеспособность
гибридов зависит как от генотипа, так и от экологических условий
произрастания. Например, повышение жизнеспособности за счет
трансгенов,
обуславливающих
устойчивость
к
насекомымвредителям, относительно, т.к. оно будет предоставлять селекционное
преимущество только в популяциях, подвергающихся частым
нападениям вредителей. Результаты некоторых работ подтверждают
эту гипотезу. Например, гибриды первого поколения масличного
рапса и сурепки (Brassica rapa), имевшие Bt-гены, отличались более
высокой плодовитостью в условиях сильного давления со стороны
травоядных насекомых. С другой стороны, результаты этой же работы
указывают на то, что при отсутствии вредителей более низкая
выживаемость, характерная для культурного рапса, оказывает
отрицательное влияние на конкурентоспособность трансгенных
гибридов.
При проведении большинства работ по изучению поведения
трансгенных гибридов сорных растений и ГМ культур в полуприродных условиях гибриды получали в результате искусственного
скрещивания, например, с помощью ручного опыления. Учитывая
также то, что при проведении большинства работ авторы
дополнительно изменяли условия окружающей среды, прогнозировать
поведение гибридов при их попадании в природные популяции на
основании полученных результатов очень трудно. В результате
исследований по изучению изменений жизнеспособности гибридов в
природных условиях получены противоречивые результаты.
Трансгенные гибриды Bt-подсолнечника (Bt-трансген внедрялся
в дикорастущую популяцию путем обратного скрещивания),
подвергавшиеся воздействию вредителей, производили большее
количество семян в расчете на растение, что демонстрирует
повышенную жизнеспособность таких растений в реальных полевых
условиях. В то же время результаты ряда работ по изучению дрейфа
генов указывают, что гибриды диких растений и ГМ культур
обладают либо менее выраженной способностью к адаптации, либо
эквивалентны как сорным, так и культурным родительским особям.
Установлено, что внедрение обеспечивающего устойчивость к одному
из заболеваний трансгена в популяцию дикорастущего подсолнечника
не повышает жизнеспособность растений и трансген постепенно
рассеивается в популяции. Аналогично, гибриды ГМ рапса и
дикорастущего Brassica rapa, содержащие Bt-ген, кодирующий токсин
cry1Ac, обладали пониженной выживаемостью либо проявляли
134
жизнеспособность, аналогичную жизнеспособности дикого Brassica
rapa в экспериментальных полевых испытаниях.
Возможным объяснением более низкой жизнеспособности
трансгенных гибридов по сравнению с растениями дикого типа
является сохранение в геномах гибридов генов, характерных для
культурных растений. Популяции трансгенных гибридов генетически
более близки к культурным растениям, чем к растениям дикого типа.
Многие признаки, присваиваемые растениям с помощью генной
инженерии, такие как устойчивость к заболеваниям и вредителям,
заменяют полезные с точки зрения выживаемости признаки,
утерянные сельскохозяйственными растениями ранее в процессе
направленной на повышение урожайности селекции. Однако эти
признаки
сохраняются
в
дикорастущих
популяциях,
что
обуславливает невысокий уровень потенциальных преимуществ,
ассоциированных с трансгенами такого типа.
На основании существующих, на данный момент результатов
исследований можно с уверенностью сделать только вывод о том, что
каждый случай выращивания трансгенной культуры необходимо
рассматривать отдельно с учетом биотических и абиотических
факторов конкретного поля. Необходимо выявить все возможные
действующие условия: родство произрастающих видов с целевыми, и
их соотношение по циклу генерации, метеорологические
характеристики, наличие и режим опыляющих насекомых, и многое
другое. На основании полученных данных нужно будет составить
прогноз, точность которого в настоящее время никто не может
гарантировать ввиду недостаточной изученности причин и механизма
гетерозиса (который и лежит в основе изучаемого процесса).
6.6
Агротехнические
аспекты
выращивания
генномодифицированных культур
Первый ГМ пищевой продукт (томаты с отложенным сроком
созревания) появился на рынке США в середине 90-х годов. На
настоящий момент ГМ сорта кукурузы, сои, масличного рапса и
хлопка активно культивируют в ряде стран, а получаемая при этом
продукция поставляется на международный рынок. Кроме того, ГМ
сорта папайи, картофеля, риса, тыквы и сахарной свеклы уже
появились на рынке либо находятся на различных стадиях испытаний.
Согласно оценкам экспертов, в глобальном масштабе ГМ культуры
выращиваются примерно на 4% всех возделываемых земель в мире.
Согласно исследованиям некоторых ученых, создание ГМО
позволяет
повысить
продуктивность
сельскохозяйственного
135
производства и улучшить питательную ценность продуктов питания, а
также имеет опосредованные положительные эффекты, такие как
снижение объемов распыляемых пестицидов, увеличение доходов
ферм, повышение стабильности урожая и безопасности продуктов
питания, что особенно актуально для развивающихся стран.
В своей рекламе компании-производители ГМ-сои устойчивой к
гербициду «Раундап» утверждают, что устойчивость к «Раундапу»
повышает урожайность и снижает себестоимость. Однако эти
сведения не подтверждаются большинством независимых испытаний.
На самом деле устойчивость к глифосатсодержащим гербицидам
позволяет всего лишь поддерживать поля чистыми от сорной
растительности. Преимуществом раундапа, в отличие от других
гербицидов, является высокая эффективность при уничтожении
широкого спектра сорняков. В то же время сам признак урожайности
представляет собой результат совместного взаимодействия целого
комплекса неаллельных генов и поэтому не может быть передан
растительному организму (сое) методами генной инженерии. Не
оправдываются и прогнозы снижения себестоимости ГМ-продукции
сои, поскольку в зависимости от температурных режимов и
засоренности полей гербициды семейства раундап могут вноситься
через каждые 1-1,5 месяца, а суммарная доза раундапа может
достигать 15 л/га. По химическому составу и питательным свойствам
она не отличается от обычной. ГМ-соя входит в состав всё большего
числа продуктов. Однако в случае позднего (июль-сентябрь)
применения раундапа на посевах сои в семенах сои наблюдается
повышенное остаточное количество раундапа и его продуктов
распада.
Мнение казахстанских ученных в отношении широкого
применения ГМО преимущественно отрицательно. Так В. Г.
Черненок, доктор сельскохозяйственных наук отмечает: «Для
человечества планеты, учитывая прогрессирующий его темп роста,
ГМО для многих народов может быть действительно спасением,
особенно для стран с ограниченной территорией и высокой
плотностью населения. Последствия же от их употребления не
предсказуемы и я так же считаю, что небезопасны. Но для
объективной оценки нужен длительный период, возможно смена не
одного поколения. Особенно опасны могут быть изменения на
генетическом уровнен. Пока трудно обо всем этом судить сегодня.
Что же касается Казахстана, то думаю, с нашими огромными не
освоенными территориями и очень низкой плотностью населения, нам
голод не грозит. Но все зависит от того, как мы будем дальше
136
относиться к столь бесценному достоянию, как земля. Если и дальше
будем
"хищнически",
говоря
словами В. В. Докучаева,
эксплуатировать землю, отнимая её богатство и ничего не возвращать,
это путь к опустыниванию. Потенциал наших почв высок. На сегодня
у нас есть хорошо отработанная методика целенаправленного
управления плодородием почв и продуктивностью культур,
позволяющая в 2-3 раза повысить производительную способность
почв при высокой окупаемости затрат на восстановление и
расширенное
воспроизводство
плодородия,
при
гарантии
экологической чистоты продукции, что и будет делать нашу
продукцию конкурентоспособной. Ведь растениям, как и человеку для
высокой продуктивности нужна влага и пища, которой в почве с
каждым годом становится все меньше. Мы держим наши растения на
голодном пайке, поэтому, за малым исключением, получаем и низкие
урожаи и низкое качество продукции. При таком иждивенческом
отношении к земле и дальше все может случиться».
Потенциальная урожайность – максимальное количество
продукции, которое можно получить с 1 га при полной реализации
продуктивных возможностей сельскохозяйственной культуры (или
сорта) во много раз превышает те величины, которые получаем мы.
Урожайность – комплексный признак, определяемый большим
количеством генов. В литературе отмечается, что при мобилизации
генофонда вида необходимо охватить многообразие внутривидовой
изменчивости,
как
на
межпопуляционном,
так
и
на
внутрипопуляционном уровнях с тем, чтобы сохранить всю
совокупность
его
морфологических,
функциональных
и
адаптационных признаков. Известно также, что далеко не всякий сорт
растений может быть подвергнут генетической модификации.
Существуют определенные факторы урожайности, полученные
в ходе всего исторического опыта выращивания растений.

выбор подходящего сорта (гибрида), высокое качество
посевного материала;

качественная подготовка почвы;

своевременный посев;

внесение удобрений согласно потребностям сорта
(гибрида) и ожидаемой урожайности в зависимости от характеристик
почвы;

сохранение
потенциала
урожайности,
благодаря
своевременной борьбе с вредителями, сорняками и болезнями;

техника уборки урожая, позволяющая минимизировать
потери.
137
Ненаследственная
(модификационная)
изменчивость
в
значительной
мере
обусловлена действием негенетических
(экзогенных) факторов. Например, один сорт растений выращивается
в разных условиях. Тогда различия между показателями урожайности
обусловлены влиянием условий выращивания растений.
Доказано, что признак урожайности представляет собой
результат
совместного
взаимодействия
целого
комплекса
неаллельных генов и поэтому не может быть передан растительному
организму (сое) методами генной инженерии.
Б. А. Мустафаев, профессор ПГУ отмечает, что среди основных
проблем, с которыми сталкивается современное сельское хозяйство –
снижение содержание гумуса в почве до 50%, низкое содержание
почвенных
организмов,
почва
чрезмерно
минерализована.
Органическое удобрение загрязнено, потеряло экологическую
активность. В 1 грамме почвы должно содержаться до миллиарда
почвенных микроорганизмов,
показатели почвы Павлодарской
области ниже в 2 раза.
Казахстану голод не грозит: 222
миллиона гектар
сельскохозяйственных угодий, в том числе 27 миллионов гектар
пашни. Однако, можно ожидать нехватку продукции сельского
хозяйства отвечающей мировым стандартам качества, так как сырье
загрязнено различными ядохимикатами. Необходимо ведение
органического земледелия, которое уже нашло применение в Японии,
Европе и Америке.
Б.
Мустафаев
отмечает:
«Выращивание
ГМ-культур
нецелесообразно. Если культура генетически модифицирована, это
еще не означает прироста урожая. Выращивание ГМО также не
гарантирует снижения объемов гербицидов. Не следует забывать
также о том, что природа обладает приспособительными свойствами.
В советское время мы использовали гербицид 2,4-D, а сейчас мы его
не используем, он стал неэффективным. Растения приспособились!
Значит, мы будем применять все новые гербициды, ничего
существенно не изменится.
Почвенные условия являются определяющим фактором
урожайности. И необходимо направить все силы на создание
почвенных условий – повышение биологической активности,
внесение органических остатков, повышение содержания гумуса.
Тогда можно получать гораздо большие урожаи. Озимая пшеница,
например, на юге республики дает 100-130 ц/га благодаря лучшим
почвенным условиям в этом регионе.
138
Применяя явление гетерозиса мы, еще десятилетия назад, могли
выращивать гигантскую кукурузу. Но выращивание таких растений
нецелесообразно в наших условиях, это приводит к истощению и без
того скромного почвенного потенциала. Без создания почвенных
условий, без учета факторов урожайности, повышение урожая
невозможно даже с применением ГМО».
Из сказанного Б. Мустафаевым можно сделать вывод –
продовольственная проблема как в республике, так и в мире
заключается прежде всего в неспособности создать благоприятные
почвенные условия. В таком случае, выращивание ГМО не является
решением проблемы. Ведь какими волшебными свойствами не
обладало бы растение, оно не может расти в бедной гумусом и
микроорганизмами, загрязненной почве.
Как заметил главный ученый секретарь НАН РК, академик НАН
РК, д. т. н. профессор У. Ч. Чоманов – «Казахстан при населении
около 15 миллионов человек имеет потенциал сельскохозяйственного
сектора, способного прокормить 1 миллиард человек естественной
экологически чистой продукцией».
6.7 Выращивание ГМ-культур как средство монополизации
агрокультурного производства
Важной темой дискуссий, ведущихся по поводу ГМ продуктов
питания, являются права на интеллектуальную собственность.
Проблемы обеспечения одинаковой доступности генетических
ресурсов, справедливого распределения получаемой пользы на
глобальном уровне и исключения монополизации существуют как для
ГМ продуктов питания, так и для других областей использования
генных технологий. В связи с этим возникают вопросы о растущем
влиянии химической промышленности на рынки семенного
материала.
Компания Монсанто - транснациональная компания, мировой
лидер биотехнологии растений. Основная продукция - генетически
модифицированные семена кукурузы, сои, хлопка, а также самый
распространённый в мире гербицид Раундаап. Основанная Джоном
Фрэнсисом Куини в 1901 году как химическая компания, Монсанто за
последние
сто
лет
эволюционировала
в
концерн,
специализирующийся на высоких технологиях в области сельского
хозяйства.
139
Компания Монсанто, начав с производства подсластителя,
кофеина и ванилина, вскоре стала одной из крупнейших компаний
производящих пластик. В 1960-е годы Монсанто была лидирующим
производителем Агента Оранж, применявшегося для дефолиации
растительности во время войны во Вьетнаме. За это компании
пришлось выплатить компенсации ветеранам Вьетнамской войны в
1984 году. По сообщениям Вьетнамского общества пострадавших от
диоксина, из трёх миллионов вьетнамцев, подвергшихся отравлению
диоксинами, к 2008 году около миллиона человек в возрасте до 18 лет
стали наследственными инвалидами. Вьетнамцам было отказано в
выплатах компенсации. Агент Оранж представлял собой смесь 1:1 2,4дихлорфеноксиуксусной
кислоты
(2,4-D)
и
2,4,5трихлорфеноксиуксусной кислоты (2,4,5-T) и, так же как и ряд других
применявшихся в конфликте веществ, производился по упрощённой
технологии синтеза. В связи с этим он содержал значительные
концентрации диоксинов, которые вызывают рак и генетические
мутации у людей.
Ключевым моментом в развитии компании стал 1996 год, когда
Монсанто одновременно выпустила на рынок первые генетически
изменённые сельскохозяйственные культуры: трансгенную сою с
новым признаком Раундап Рэди (Roundup Ready, или сокращённо RR)
и хлопок Боллгард (Bollgard), устойчивый к насекомым.
Огромный успех этих и последовавших за ними аналогичных
продуктов на сельскохозяйственном рынке США стимулировал
компанию переориентироваться с традиционной химии и
фармакохимии на производство новых сортов семян. Roundup торговая марка гербицида под названием глифосат, который был
изобретён и выпущен на рынок Монсанто в начале 70-х годов
прошлого века. В марте 2005 года Монсанто приобрела крупнейшую
семеноводческую компанию Семинис, специализирующуюся на
производстве семян овощей и фруктов.
В настоящее время компания Монсанто является бесспорным
лидером производства ГМ-семян, и находится на грани полнейшей и
неограниченной мировой монополии на производство семян вообще.
Прибыль Монсанто только за 2010 год составила почти 11
миллиардов долларов и они планируют удвоить валовую прибыль
вдвое к 2012 году. И это несмотря на кризис и общественное
неприятие генетически модифицированных продуктов. Успех
компании Монсанто заключается в том, что она работает напрямую с
крупными покупателями семян и фермерскими корпорациями. Те, в
свою очередь, поставляют сырье для производства готовых продуктов
140
питания. Как известно, в США маркировка ГМО-содержащих
продуктов не требуется. Таким образом, независимо от мнения
потребителей такие продукты будут продаваться, принося прибыль
компании Монсанто.
Анализируя схему функционирования компании Монсанто
можно выделить следующие значимые моменты:
Интеллектуальная собственность. Компания обладает патентами
на все генетически модифицированные организмы, созданные в ее
лабораториях (95% всей выращиваемой в США сои и 80% кукурузы). Это ведет к тому, что при покупке трансгенной сои
американские и канадские фермеры подписывают контракт,
запрещающий им оставлять себе семена или продавать их другим
фермерам для выращивания в следующем году. Монсанто оказалась
первой компанией, которая стала широко патентовать открытые или
видоизмененные ею гены и получила право жестко контролировать их
использование. Такой контроль позволил распространить свою
технологию посредством лицензионных соглашений, одновременно
формируя для них рынок.
Политка внедрения и вытеснения на основе патентного права.
Монсанто
использовала
эти
соглашения
для
широкого
распространения собственной технологии, разрешив мелким
компаниям – их порядка 200 – вживить ее гены в различные сорта
кукурузы и сои. Но доступ к генам, принадлежащим Монсанто, стоит
денег и сопряжен с многочисленными жесткими условиями.
Например, независимым компаниям запрещено создавать культуры с
использованием одновременно генов Монсанто и ее конкурентов. Для
этого надо получить разрешение. Контракты устанавливают, что
компании по продаже семян не имеют права обсуждать условия, а
Монсанто имеет право аннулировать сделки и фактически лишить их
бизнеса, если нарушен пункт о конфиденциальности. Результат –
Монсанто фактически устраняет конкурентов от участия в
разработках. Ведь их патентованные культуры не могут скрещиваться
с культурами Монсанто, составляющими значительную часть того,
что уже выращивается в США.
Терминирующие технологии, предотвращающие всход семян,
полученные от урожая ГМ-семян. В настоящий момент Монсанто не
применяет эти технологии, но и не отказывается от возможности их
применения в будущем. То есть, фермеры не имеют права оставлять
часть семян для следующего года, они вынуждены год за годом
приобретать их у Монсанто. Мелкие компании платят дань Монсанто
за использование патентованных ею генов. Если Монсанто продолжит
141
политику поглощения мелких компаний и подавления конкурентов,
что применит терминальные технологии, - весь мир окажется зависим
от людей, продающих семена. Если власть компании распространится
на мировой рынок семян, она имеет все шансы управлять
продовольственным запасом планеты.
Предлагаемая развивающимся странам, наиболее сильно
страдающим от кризиса, гуманитарная помощь в виде продуктов или
семян сельскохозяйственных культур содержит как оговоренные, так
и незаявленные трансгенные компоненты, при этом проверка на
наличие ГМО в странах с неустойчивой экономикой весьма
затруднительна.
В 2002 г. на Всемирном саммите по устойчивому развитию,
прошедшему в Йоханнесбурге, транснациональные корпорации
пытались навязать ГМ-кукурузу в виде продовольственной помощи
африканским странам, однако правительства Замбии и Зимбабве
отказались от подобного подарка, назвав ее «новой формой
колонизации». В 2006 г. трансгенный американский рис обнаружен в
гуманитарной помощи и в импортируемых продуктах в Гане и
Сьерра-Леоне. Экологические организации Африки потребовали от
своих правительств проверять поставки и, в случае наличия ГМО, не
принимать их.
По словам Джонсона Экпере, профессора из Нигерии,
занимающегося вопросами биотехнологий, «сегодня согласие
использовать биотехнологии часто является предпосылкой получения
экономической помощи».
Ещё в 1970-х гг. влиятельный американский политик Генри
Киссинджер (советник по безопасности Президента США в 1969-1975
гг., министр иностранных дел США в 1973-1977 гг.) объяснил: «Тот,
кто контролирует нефть, в состоянии контролировать государства;
тот, кто контролирует продовольствие, контролирует людей». Таким
образом, можно сделать вывод о планомерной монополизации рынка
семян. Монсанто уже сейчас контролирует до 90% рынка
генетических семян. Бесспорно, семена – основа продовольствия в
мире. Без жесткой конкуренции "Монсанто" может по своему
желанию поднять цены на семена, а это приведет к росту цен на весь
хлеб, сладости, корма для животных. Вышеуказанные принципы
функционирования этой компании создают условия для полного
поглощения сельского хозяйства одной компанией-гигантом, что
будет иметь катастрофические последствия для населения всего
Земного шара.
142
6.8 Нормативно-правовое обеспечение оборота ГМП и ГМкультур
Для обеспечения согласованности результатов оценки риска на
международном уровне при проведении анализа безопасности ГМ
продуктов
питания
используют
принципы,
разработанные
специалистами из дочерней организация ФАО и ВОЗ по разработке
продовольственных стандартов. Оценку экологической безопасности
ГМО
проводят
согласно
Картагенскому
протоколу
по
биобезопасности. Многие страны разработали свои домаркетинговые
регулятивные
системы,
действующие
в
соответствии
с
международным правом, требующим проведения детального анализа
риска для каждого ГМ продукта. Методология оценки риска
постоянно совершенствуется. ГМ продукты питания, представленные
на международном рынке, прошли процедуру оценки риска в
нескольких странах, и для них не было продемонстрировано никаких
негативных эффектов на здоровье человека.
ГМ-соя разрешена к импорту и использованию для пищи в
большинстве стран мира, в то время как посев и выращивание ГМ-сои
разрешены далеко не везде. Во время голода в Южной Африке в 2002
году нежелание некоторых стран принимать в составе гуманитарной
помощи ГМ продуктов было, в первую очередь, связано не с
вопросами здоровья человека и экологии, а с социальноэкономическими,
этическими
проблемами
и
вопросами
собственности. Такие противоречия выявили не только существование
широкого спектра мнений, бытующих в государствах – членах ООН
на внутри- и межгосударственном уровнях, но и разнородность
нормативных баз и принципов оценки преимуществ и рисков,
связанных с ГМ продуктами питания. Кроме того, многие
развивающиеся страны не в состоянии создать специализированные
структуры, необходимые для эффективного регулирования вопросов,
связанных с ГМ продуктами питания, что подчеркивает
преимущества,
которые
может
обеспечить
международная
деятельность, направленная на обеспечение более полной оценки
производства и применения ГМ продуктов питания.
На международном уровне некоторые аспекты распределения и
торговли ГМО подчиняются 15 юридически обязательным
документам и необязательным нормативным актам. Такое
расплывчатое регулирование усложняет работу и без того
перегруженных регулятивных органов развивающихся стран и
затрудняет разработку полностью согласованной политики и
нормативной базы для современной биотехнологии. Данная работа
143
подводит основу под необходимость создания информационной базы,
необходимой для максимально согласованной оценки применения
современной пищевой биотехнологии и ГМ продуктов питания. Такая
информационная база поможет при анализе рисков и пользы для
здоровья человека и окружающей среды, оценке социальноэкономических факторов, в том числе прав на интеллектуальную
собственность, а также при рассмотрении этических аспектов.
Международное согласование этих трех направлений работы
является необходимым условием для разумного, безопасного и
устойчивого развития любой новой технологии, в том числе
использования биотехнологии для производства продуктов питания.
Работа по достижению такой согласованности подразумевает
межведомственное сотрудничество и требует разработки не только
соответствующего мандата ВОЗ, но и мандатов ряда других
международных организаций.
Правовые механизмы, регулирующие оборот ГМ-содержащих
продуктов несовершенны и открывают практически свободный
доступ ГМО в большинство стран мира. В результате одной из
кампаний в Казахстане была введена обязательная маркировка. С 2002
года
генетически
модифицированные
ингредиенты
(ГМИ)
запрещается использовать в продуктах детского питания, продуктах
лечебно-профилактического назначения и для них обязательна
маркировка. Закон принят... но ничего не выполняется. Ни одного
продукта, на котором бы было написано, что он содержит генетически
измененные ингредиенты, вы не найдете. Кроме того, у нас нет
никакого знака, буквы, цифры, ничего не определяется
законодательством для обозначения ГМО. Для определения
содержания ГМО в продуктах работает лаборатория на базе Академии
питания, точнее, это ТОО, которое находится в здании Академии
питания. В 2007 году планировалось открыть 8 лабораторий на базе
республиканской эпидемиологической станции, но они так и не
аккредитованы.
6.9 Использование ГМО в качестве оружия геноцида
Гормоны не имеют видовых особенностей и у всех животных
действуют одинаково. На ткани они проявляют специфическое
действие,
направленное
на
изменение
соответствующих
физиологических реакций. Каждый гормон влияет лишь на те органы,
которые имеют высокоспецифические рецепторы, с которыми
связывается гормон. То есть их действие проявляется на органымишени. Так, два близких по химическому строению гормона -
144
окситоцин и вазопрессин, которые образуются в гипофизе, проявляют
разное фармакологическое действие. Окситоцин влияет на мышечную
ткань матки, а вазопрессин - на мышцы мелких сосудов.
Механизм фармакологического действия гормонов на
клеточном уровне заключается в изменении проницаемости
клеточных мембран для кальция, или в активизации каталитической
активности клеточных ферментов. В первом случае гормон блокирует
активность Na+-, K+-АТФазы, что способствует проникновению в
цитоплазму клеток ионов кальция, во втором - активизируется
циклический аденозинмонофосфат (цАМФ) клеточных ферментов или
его синтез, что способствует проявлению гормонального эффекта.
Стероидные гормоны, проникая в клетку, образуют
комплексные соединения с цитоплазматическими рецепторами.
Комплекс транспортируется в ядро, где гормон освобождается от
рецептора и взаимодействует с ядерным хроматином и через РНК
регулирует синтез белка, проявляя гормональный эффект.
Нестероидные
гормоны
активизируют
аденилатциклазу
клеточной оболочки и в цитоплазме образуют циклический
аденазинмонофосфат (цАМФ), который в свою очередь активизирует
протеинокинез и, вызывая синтез белка, проявляет гормональный
эффект.
Фармакологическое действие нестероидных гормонов наступает
сразу после их применения; стероидных гормонов - через несколько
часов или дней, что зависит от скорости синтеза новых белков,
которые обеспечивают гормональный эффект.
Гормональный препараты применяют при недостаточном
образовании гормонов железами внутренней секреции, например,
инсулина при гипофункции поджелудочной железы, для усиления
фармакологического действия гормонов - окситоцин для ускорения
сокращений матки во время родов; андрогены применяют для
стимуляции роста молодых животных, а препараты тироксина - для
облегчения откорма. Их также применяют для лечения заболеваний,
не связанных с нарушением гормональной функции организма
(инсулин вводят для лечения атоний преджелудков у жвачных
животных и паралитической миогемоглобинурии у коней).
Гормональные препараты нетоксичны, но имеют выраженное
побочное действие. Оно проявляется не от введённой дозы, а от
частоты введения препарата. Побочное действие настаёт постепенно
при длительном применении гормона. Так, суисинхрон, который
применяют для синхронизации опоросов, при длительном
применении в терапевтических дозах вызывает у свиней чрезмерное
145
разрастание нижней челюсти и фаланг конечностей, угнетает
функцию надпочечников.
Даже в малых дозах гормоны существенно изменяют
протекание многих физиологических процессов - одни активизируют
их, другие - угнетают. Для нормализации физиологического состояния
организма гормоны необходимо вводить в оптимальных дозах.
Увеличение дозы препарата сверх оптимальной может вызвать
обратное действие. Применение прогестерона коровам в дозе 10 мг
вызывает овуляцию, а в дозе 20 мг - угнетает её.
Можно воздействовать на организм человека посредством
экспрессии различных белков и пептидов в привычных растениях.
Опасность заключается в том, что это воздействие, в зависимости от
цели, может оказаться губительным. Можно вызвать полную или
специфическую гормональную разбалансировку. Воздействуя, к
примеру, на регуляцию репродуктивной системы человека, можно
добиться снижения рождаемости. Поэтому использование ГМО в
пищу будет сопряжено с риском, ведь как известно все, что может
быть использовано в качестве оружия будет использовано в качестве
оружия.
Ещё одна проблема, приобретенная с разработкой трансгенных
продуктов, это ГМО-терроризм. В мае 2004 г. в Бельгии комитетом
НАТО была проведена встреча экспертов стран НАТО и
приглашенных государств, в том числе и России, по проблеме
генетического терроризма. Экспертами НАТО был сделан вывод о
том, что сегодня существует реальная опасность использования
генетически модифицированных источников (ГМИ) биологическими
террористами. В результате, ГМО было решено внести в список
веществ и микроорганизмов (вирусов, определенных бактерий),
которые могут попасть в организм человека через пищу, напитки и
питьевую воду и стать причиной опасных заболеваний. Ученые
полагают, что если распылить над полем с традиционными
растениями пыльцу модифицированных соответствующим образом
растений, то можно вызвать различные эпидемии или эпизоотии,
массовые отравления, стойкие эпидемические очаги, в том числе, и
заболеваний, в данной стране никогда не встречавшихся. Таким
образом, основной вывод экспертов по результатам встречи
заключается в том, что продукты питания, содержащие трансгенные
компоненты, действительно могут стать потенциальным генетическим
оружием при совершении террористических актов.
146
6.10 Общественное мнение
Несмотря на то, что системы оценки риска используют уже в
течение некоторого времени, потребители не всегда доверяют
получаемым результатам. Одним из объяснений этого факта является
то, что многие национальные системы безопасности пищевых
продуктов в прошлом имели проблемы со своевременным
оповещением о потенциальной опасности тех или иных продуктов. Во
многих странах причиной неприятия манипуляций над генами также
могут быть социальные и этические взгляды. Такие конфликты часто
отражают более глубокие вопросы, касающиеся взаимодействия
человеческого общества и природы – вопросы, которые необходимо в
полной мере учитывать при любых попытках общественных
коммуникаций. Однако, в то время как во многих регионах пища
является признанным элементом исторической самобытности,
скептицизм по отношению к ГМ продуктам питания не всегда связан
с традиционализмом или отсутствием знаний о новой технологии.
Исследователи общественного мнения отмечают, что скептически
настроенный потребитель признает как аргументы «за», так и
аргументы «против» и в целом не требует доказательства нулевого
риска. Аналогично установлено, что критичное отношение к ГМ
продуктам питания не всегда обусловлено отрицательным
отношением к использованию биотехнологии как таковой, как видно
из преимущественно благосклонного отношения к использованию
биотехнологии в современной медицине. Таким образом, вопрос
получаемой обществом пользы является важным аспектом,
определяющим принятие новой технологии.
Исследования Национального института питания и сельского
хозяйства, США, проведенные в 2006 году, показали, что ничтожное
количество ГМ овощей и фруктов находится на прилавках магазинов.
Это связано с негативным отношением, которое они вызывают у
потребителя. Отношение американцев, выращивающих подавляющее
большинство всех ГМ-культур в мире на протяжении 16 лет, можно
свести к следующим признакам. Во-первых, американский
потребитель практически не знает даже общих фактов о генетической
инженерии. Во-вторых, потребитель интуитивно испытывает
негативное отношение и нежелание употреблять продукты,
модифицированные в лабораторных условиях. В-третьих, всего 2%
всех потребителей, у которых ГМ-продукты вызывают беспокойство,
готовы на практические действия в этом отношении. Такие признаки
и формируют рынок ГМ-продуктов, где большая часть
модифицированного сырья используется в производстве готовых
147
продуктов питания – шоколадные батончики, напитки, корма для
животных. Учитывая тот факт, что в США не требуется наличие
обозначения «содержащий ГМО», а компания Монсанто, лидер в
производстве ГМ-продуктов, работает напрямую с производителями
пищевых продуктов, можно сказать, что мнение потребителя никак не
отражается на растущей прибыли.
Дальнейшее удешевление технологий генного производства
также может иметь отрицательные последствия. Например, возрастет
вероятность модификаций, осуществляемых в сомнительных
условиях. Скажем, производство ГМ-культур начнется в беднейших
странах, где не будут проведены соответствующие процедуры отбора
генетически модифицированного материала, испытания полученного
продукта на безопасность. Уже сейчас в Латинской Америке
производят так называемы «пиратские версии» растений, созданных
по образцу ГМ-модифицированных семян компании Монстанто.
Крайне сложно будет контролировать безопасность методов и
результатов таких манипуляций. Никто не может гарантировать, что
такие культуры не окажутся вредными, что они не навредят
биологическому разнообразию. Никто не может запретить «левым»
производителям злоупотреблять гербицидами, тем же глифосатом,
остаточные продукты которого опасны для здоровья человека. В мире
наступит ситуация полнейшей неразберихи и бесконтрольного, не
поддающегося правовому регулированию, производства новых и
новых генетически модифицированных культур.
На сайте, посвященном генной инженерии отмечено, что
несмотря на явную пользу от генетических исследований и
экспериментов, само понятие «генная инженерия» породило
различные подозрения и страхи, стало предметом озабоченности и
даже политических споров. Многие опасаются, например, что какойнибудь вирус, вызывающий рак у человека, будет введен в бактерию,
обычно живущую в теле или на коже человека, и тогда эта бактерия
будет вызывать рак. Возможно также, что плазмиду, несущую ген
устойчивости к лекарственным препаратам, введут в пневмококк, в
результате чего пневмококк станет устойчивым к антибиотикам и
пневмония не будет поддаваться лечению. Такого рода опасности,
несомненно, существуют - констатируют авторы. Однако
предложения, которые могли бы снять опасения выглядят, мягко
говоря малоубедительными, особенно для людей, имеющих
некоторую осведомленность в области истории развития науки.
«Генетические исследования – отмечают авторы - ведутся
серьезными и ответственными учеными, а методы, позволяющие
148
свести к минимуму возможность случайного распространения
потенциально опасных микробов, все время совершенствуются.
Оценивая возможные опасности, которые эти исследования в себе
таят, следует сопоставлять их с подлинными трагедиями, вызванными
недоеданием и болезнями, губящими и калечащими людей». Прежде
чем принять на веру эти благие помыслы, стоит еще раз вспомнить о
пути, куда они приводят.
С целью выяснения осведомленности населения о влиянии
генетически модифицированных организмов на здоровье и
окружающую среду нами был проведен опрос более 200 жителей
города. В результате опроса было установлено, что практически никто
не имеет представления о том, что такое генетически
модифицированный организм. До 70% опрошенных объединяют
трансгенные растения с растениями, выращенными с использованием
большого количества минеральных удобрений и пестицидов. На
втором месте по частоте стоит представление о ГМО как о пищевой
добавке (что в случае с соевым лицетином, который также может быть
получен из ГМ-сои не так далеко от истины). При этом наблюдается
ярко
выраженное
негативное
отношение
к
генетически
модифицированным растениям и организмам (у 97 % опрошенных). В
100% случаев последние подтвердили, что знания о вреде ГМО
почерпнуты ими из телевизионных передач и популярных журналов.
Знания, обладая которыми можно составить представление о влиянии
ГМО на организм человека чрезвычайно обширны. Биология,
экология, ботаника, физиология растений и животных, биохимия,
микробиология, генетика, агрономия, социология, экономика. Опрос
же показал, что даже начальные, школьные знания по биологии у
многих утрачены.
В интересном научном проекте учащегося СОШ № 3 т.
Шымкента «Влияеие генномодифицированных организмоы на
здоровье человека» представленном на Сатпаевских чтениях ПГУ им.
С. Торайгырова также показана низкая осведомленность
опрашиваемых о ГМО и продуктах из ГМ-организмов.
Таким образом, презумпция «свободы выбора» даже в таком,
достаточно простом вопросе оказывается некорректна для
подавляющей части населения, т.к. выбор основан на эмоциональном
подходе, вызванном случайно почерпнутыми сведениями из
телевизионных передач, интернета. У большинства респондентов
отсутствует или утеряна та база знаний, которая необходима для
логического анализа и, соответственно, свободы выбора основанного
на понимании происходящих процессов. По-видимому это тот случай,
149
когда необходимо обратиться к мнению компетентных специалистов,
способных проанализировать проблему с разных позиций. Таким
анализом являются «материалы по анализу эффективности
государственного
контроля
генетически
модифицированных
продуктов питания». Несмотря на некоторую неадекватность
наименования документа – продукты питания генетически не
модифицируют, доклады специалистов настолько актуальны, что мы
представим некоторые выдержки из материалов этого издания,
которое предваряется такими словами: «Настоящее издание является
результатом сотрудничества государственных и общественных
организаций России, выступающих за соблюдение принципа
предосторожности
при
использовании.
Генетически
Модифицированных Организмов (ГМО) и их продуктов. В статьях
специалистов рассмотрены сельскохозяйственные, экологические,
генетические, экономические, юридические и социальные аспекты
проблемы
биобезопасности,
связанные
с
коммерческим
распространением
в
России
ГМО
и
ГМ-продуктов.
Показано, что при современном состоянии государственного контроля
и мониторинга, распространение ГМО и ГМ-продуктов несет
серьезные
угрозы
биологической,
продовольственной
и
экологической безопасности страны. Сформулированы предложения
по совершенствованию системы государственного контроля и
мониторинга за ГМО и ГМ-продуктами на территории России.»
Использование ГМО в России
В статье В. Захарова из института биологии развития им. Н.
Кольцова отмечается важность ГМО технологий, а проблема
усматривается в поспешных и широкомасштабных планах их
выращивания в природе и использование в качестве продуктов
питания. Процесс принятия решения по ГМО представляется одной из
наиболее ярких моделей иллюстрации важности соотнесения всех за и
против для оценки целесообразности определенного действия. При
всей неопределенности современной ситуации, риск использования
ГМО для здоровья человека и здоровья среды не вызывает сомнений.
Он мог бы быть оправдан необходимостью “борьбы с голодом”, если
бы
страна
страдала
от
недостатка
урожая
основных
сельскохозяйственных культур. даже по официальным данным не
мене 10 процентов урожая не убирается, что говорит в пользу того,
что в стране не ощущается потребности повышения урожайности
сельскохозяйственных культур “любой ценой”.
При оценке приемлемости риска нельзя не учитывать и
следующие моменты. Положительное решение вопроса о широком
150
использовании ГМО в России ставит под угрозу несомненное
достоинство страны как территории с богатыми природными
ресурсами и природным биоразнообразием. Это национальное
богатство достаточно высоко оценивается уже сейчас и цена его в
будущем несомненно будет все выше и выше, принося его
обладателям не только политическое превосходство, но ощутимые
преимущества и в прямом экономическом выражении. Причем, если
потерять этот статус, как показывает практика многих стран,
достаточно просто, то восстановить его будет практически
невозможно. Немаловажно и то, что дальнейшее поддержание этих
технологий потребует значительных экономических затрат на
национальном уровне или поставит страну в зависимость от
зарубежных технологий.
Одна из причин распространение ГМО в сельском хозяйстве,
отмечает Захаров – упрощение агротехники и удешевление
производства.
Риски, связанные с распространением ГМО
В.
Захаров
выделяет
следующие
группы
рисков
распространения ГМО и продуктов из ГМО для человека и его среды
жизни, среди них:
- возникновение новых, опасных свойств у вирусов и бактерий;
- неблагоприятное воздействие на здоровье человека, связанное,
в первую очередь, распространением различных форм аллергии.
Существует возможность перехода встроенного гена из продуктов с
содержанием ГМО в флору кишечника;
- угроза природному биоразнообразию, в первую очередь на
полях, где выращиваются ГМ-организмы и вблизи них;
- снижение разнообразия сортов и пород данного видов;
- появление новых сорняков и вредителей;
- засорение традиционных сортов трансгенными формами;
- переход традиционных вредителей на новые культуры;
- нарушение естественного контроля вспышек численности
вредителей;
- истощение и нарушение естественного плодородия почв.
А. Куликов классифицируя риски использования ГМО
технологий при производстве продуктов питания выделяет
следующие группы:
1) пищевые риски, среди которых:
- непосредственное действие токсичных и алергенных
трансгенных белков ГМО;
151
- риски, опосредованные плейотропным действием трансгенных
белков на метаболизм растений;
- риски, опосредованные накоплением гербицидов и их
метаболитов в устойчивых сортах и видах сельскохозяйственных
растений;
- риски горизонтального переноса трансгенных конструкций, в
первую очередь в геном симбионтных для человека и животных
бактерий.
2) экологические риски, среди которых:
- снижение сортового разнообразия сельскохозяйственных
культур вследствие массового применения ГМО, полученных из
ограниченного набора родительских сортов;
неконтролируемый
перенос
конструкций,
особенно
определяющих различные типы устойчивости к пестицидам,
вредителям и болезням растений, вследствие переопыления с
дикорастущими родственными и предковыми видами. В связи с этим
снижение биоразнообразия дикорастущих предковых форм
культурных растений и формирование «суперсорняков»;
- риски неконтролируемого горизонтального переноса
конструкций в ризосферную микрофлору;
- негативное влияние на биоразнообразие через поражение
токсичными трансгенными белками нецелевых насекомых и
почвенной микрофлоры и нарушении трофических цепей;
- риски быстрого появления устойчивости к используемым
трансгенным токсинам у насекомых-фитофагов, бактерий, грибов и
других вредителей, под действием отбора на признак устойчивости,
высокоэффективного для этих организмов;
- риски появления новых, более патогенных штаммов
фитовирусов с трансгенными конструкциями, проявляющими
локальную нестабильность в геноме растения-хозяина и тем самым
являющимися наиболее вероятной мишенью для рекомбинации с
вирусной ДНК.
3) агротехнические риски:
- риски непредсказуемых изменений нецелевых свойств и
признаков модифицированных сортов, связанные с плейотропным
действием введенного гена. Например, снижение устойчивости к
патогенам при хранении и устойчивости к критическим температурам
при вегетации сортов, устойчивых к насекомым-вредителям;
- риски отсроченного изменения свойств, через несколько
поколений, связанные с адаптацией нового гена генома с появлением
152
как новых, плейотропных свойств, так и изменением уже
декларированных;
- неэффективность трангенной устойчивости к вредителям через
несколько лет массового использования данного сорта;
- возможность использования производителями терминальных
технологий для монополизации производства семенного материала.
Кроме того возникают проблемы экономического и
политического характера, что может поставить под угрозу
национальную продовольственную безопасность.
А. Жученко отмечает ошибочность отождествления гена с
признаком, любой ген – лишь одна, но не единственная предпосылка
проявления признака. Кроме того, существенен вопрос об
устойчивости ГМ генома, условия среды, включающие, в том числе,
конкурентов за «место под солнцем» с одной стороны конкурентов за
использование данного организма как пищевой ресурс – с другой
стороны.
Априори можно полагать, что внедрение части генома вида,
используемого в пищевых целях в другой вид, также используемый в
пищевых целях в минимальной степени представит опасность при
использовании. Однако существенна опасность при внедрении генных
участков обеспечивающих, в конечном счете, производство активных
веществ и веществ-регуляторов метаболизма.
153
Заключение
Живая клетка представляет собой не столько понятную,
упорядоченную и иерархизированную «операционную систему»,
сколько «экосистему» генов, где процессы управления нелинейны.
Поэтому утверждение о том, что внедрение чужеродного гена имеет
абсолютно предсказуемые последствия, является не достаточно
обоснованным. Основываясь на данных о методах и технологиях
генной инженерии, можно сделать вывод о вероятности
непредсказуемых изменений и эффектов. На этапе создания
генетически модифицированного организма уже возможны
перестройки ДНК, что позволяет выделить вероятность приобретения
растениями нежелательных свойств.
В то же время, синтез ценных продуктов белковой природы
представляется экономически выгодным и потенциально может
оправдать затраты на систему контроля производства таких
продуктов. Свое применение найдут субъединичные вакцины,
антигены, антитела синтезируемые в трансгенных растениях. Однако,
существует опасность разбалансировки естественных внутренних
систем защиты организма. Ведь если какая-то система становится
ненужной организму, он избавляется от нее. И поскольку человек по
природе склонен к излишествам, он способен переложить все
регулирующие функции на вещества извне. Действительно ли мы
хотим поставить наше существование как вида в зависимость от
выработки каких-то соединений фармацевтами?
Выращивание ГМ-культур не показало существенного прироста
урожайности. Причины голода во многих странах находятся, в
настоящее время, по большей части в сфере политики и экономики.
Решение проблемы и обеспечение безопасности продуктов питания
заключается в преодолении социальных и экономических барьеров,
которые ограничивают покупательную способность бедных людей в
области продуктов питания. Продовольственная проблема существует
на рынке экологически безопасных продуктов, и заключается, прежде
всего, в неспособности создать благоприятные почвенные условия. В
таком случае, выращивание ГМ-культур не является решением
проблемы. Ведь какими волшебными свойствами ни обладало бы
растение, оно не может расти в бедной гумусом и микроорганизмами,
загрязненной почве.
В отношении экономических рисков наибольшую опасность
представляет продовольственный контроль компаний-гигантов,
154
производящих ГМ-семена. Можно с большой долей уверенности
говорить о монополизации рынка семян уже сегодня. Правовые
механизмы, регулирующие оборот ГМ-содержащих продуктов
несовершенны и открывают практически свободный доступ ГМО в
большинство стран мира.
Анализ безопасности продуктов питания, полученных с
использованием ГМ-технологий стандартными методами становится
бесполезным, т.к. число мыслимых модификаций бесконечно,
значительная часть таких изменений может быть абсолютно
безвредно или нейтрально, а эффект модификаций, используемых со
злым умыслом может быть настолько длителен, что в обычных
опытах в течении десятилетий он будет замаскирован.
Насколько сложнее становится такая естественная природная
система как выращивание растений в пищу, настолько уязвимее
безопасность и здоровье населения планеты. Расширение
использования и произвоство ГМО влечет за собой создание
колоссального числа подразделений, на которые будет возлагаться
миссия контроля. Однако, найти виновного в случае непредвиденной
ситуации станет еще сложнее, а масштабы катастрофы могут
превзойти все ожидания.
155
Литература
Основная
1 Ермишин А. П. Генетически модифицированные организмы:
мифы и реальность. – Украина : Технология, – 2004. – 122 с.
2 Копейкина В. Б., Кочинева А. Л., Разбаш А. О., Саксина Т. Ю.
ГМО: Контроль над обществом или общественный контроль. – М. :
Эремурус, 2005. – 197 с.
3 Патрушев Л. И. Экспрессия генов. – М. : Наука, 2000. – 830 с.
4 Чернин Л. С. Первые шаги в будущее: генная инженерия
растений. – М. : Агропромиздат, 1990. – 256 с.
5 Щелкунов С. Н. Генетическая инженерия. – Новосибирск :
Изд-во Новосибирского ун-та, 1994. – 304 с.
Дополнительная
6 Захарченко Н. С. И др.
Повышенная устойчивость к
фитопатогенным бактериям у трансгенных растений табака с
синтетическим геном антимикробного пептида цекропина Р1 //
Генетика. – 2005. – Т. 41. – С. 1445-1452.
7 Золова О. Э. и др. Создание трансгенных растений табака,
экспрессирующих ген поверхностного антигена вируса гепатита В //
Биотехнология. – 1999. – № 6. – C. 42-45.
8 Солбриг О., Солбриг Д., Популяционная биология и эволюция.
– М. : Мир, 1982. – 244 с.
9 Тейлор Д., Грин Н., Стаут У. Биология. – М. : Мир, 2004. –
454 с.
156
Приложение А
(обязательное)
Глоссарий
Алкалоиды – азотистые основания, которые классифицируются
по химическому строению (преимущественно по входящим в их
структуры гетероциклам – индолу, пиридину, хинолину и др.), а также
в зависимости от источника выделения. Известно ок. 10000
алкалоидов; особенно богаты ими растения из семейства бобовых,
маковых, пасленовых, лютиковых, маревых, сложноцветных.
Алкалоиды оказывают физиологическое действие на организм
животных и человека, преимущественно на нервную систему,
благодаря чему применяются в медицине (кофеин, морфин, эфедрин,
алкалоиды спорыньи и др.) и в сельском хозяйстве для борьбы с
вредителями.
Аминокислоты D-ряда – оптические изомеры аминокислот.
Аномеры – пары стереоизомеров, обозначаемых α- и β-,
образование которых связано с существованием моносахаридов в
циклической форме внутримолекулярных полуацеталей или
полукеталей. Явление взаимопревращения двух аномеров через
образование промежуточной линейной формы (альдегидной или
кетонной) называется мутаротацией. Этот процесс отражается на
изменении
угла
вращения
плоскости
поляризации
плоскополяризованного света при пропускании последнего через
растворы аномеров.
Антиген – высокомолекулярные соединения, которые
специфически стимулируя иммунокомпетентные клетки, вызывают
иммунную реакцию и взаимодействуют с продуктами этой реакции:
антителами и активированными лимфоцитами.
Везикула – в цитологии - это относительно маленькие
внутриклеточные органоиды, мембрано-защищенные сумки, в
которых запасаются или транспортируются питательные вещества.
Вектор – молекула нуклеиновой кислоты, чаще всего ДНК,
используемая в генетической инженерии для передачи генетического
материала другой клетке.
Гаптены – низкомолекулярные вещества, которые при
связывании с высокомолекулярными молекулами-"носителями"
вызывают иммунную реакцию.
157
Генетически модифицированный организм (ГМО) – живой
организм, генотип которого был искусственно изменён при помощи
методов генной инженерии.
Генетическая инженерия (генная инженерия) – совокупность
приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и
ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления
манипуляций с генами и введения их в другие организмы.
Геном – совокупность всех генов живого организма, т.е его
полный хромосомный набор.
Ген-репортер – это ген, встраиваемый в генноинженерную
конструкцию, за экспрессией которого легко следить потому, что
существует легкий путь анализа его продукта, обычно фермента.
Гетерозис – феномен "гибридной силы": ускорение роста и
увеличение размеров, повышение жизнестойкости и плодовитости
гибридов первого поколения, по сравнению с родительскими формами
(на картинке родительские формы по сторонам, а в центре гибрид).
Гиалоплазма (основная плазма) - часть цитоплазмы животных и
растительных клеток, в которой расположены внутриклеточные
структуры - ядро, органоиды, включения.
Гибридизация
–
связывание
комплементарных
цепей
нуклеиновых кислот.
Десмосомы (от греч. desmos - связь, связка и soma - тело) структуры на поверхности животных клеток, соединяющие их между
собой. Каждая десмосома состоит из 2 «половинок» (принадлежат
соседним клеткам), разделенных щелью.
Домен белка – последовательность аминокислот белка, которая
способна к развитию и функционированию независимо от остальных
элементов белка.
Жиры - органические соединения, в основном сложные эфиры
глицерина и одноосновных жирных кислот (триглицериды); относятся
к липидам. Один из основных компонентов клеток и тканей живых
организмов. Источник энергии в организме; калорийность чистого
жира 3770 кДж/100 г. Природные жиры подразделяются на жиры
животные и масла растительные.
Иммунокомпетентные клетки – клетки иммунной системы
организма, способные специфически взаимодействовать с антигеном.
Инвазия (от лат. invasio - нападение), способность возбудителей
инфекционных болезней (вирусы, бактерии, грибы, простейшие)
проникать в организм растения, животного или человека и
распространяться в нем. Один из факторов, определяющих
вирулентность патогенных микробов.
158
Комплементарность (в биохимии) - взаимное соответствие в
химическом строении двух макромолекул, обеспечивающее их
взаимодействие - спаривание двух нитей ДНК, соединение фермента с
субстратом, антигена с антителом. Комплементарные структуры
подходят друг к другу как ключ к замку.
Конформация – пространственное расположение атомов
стереоизомеров молекулы, которое можно получить вращениями
вокруг простой ковалентной связи.
Лейкопласты (от лейко... и греч. plastos - вылепленный) бесцветные пластиды в клетках растений. Образуются в запасающих
тканях и клетках эпидермиса. Синтезируют и накапливают крахмал (т.
н. амилопласты), жиры, белки.
Липиды (от греч. lipos - жир) - обширная группа природных
органических соединений, включающая жиры и жироподобные
вещества. Молекулы простых липидов состоят из спирта и жирных
кислот, сложных - из спирта, высокомолекулярных жирных кислот и
других компонентов. Содержатся во всех живых клетках.
Медиаторы (нейромедиаторы) (от лат. mediator - посредник) химические вещества, молекулы которых способны реагировать со
специфическими рецепторами клеточной мембраны и изменять ее
проницаемость для определенных ионов, вызывая возникновение
(генерацию) потенциала действия - активного электрического сигнала.
Выделяясь под влиянием нервных импульсов, медиаторы участвуют в
их передаче с нервного окончания на рабочий орган и с одной
нервной клетки на другую. В центральной нервной системе роль
медиаторов осуществляют ацетилхолин, норадреналин, дофамин,
серотонин, гамма-аминомасляная и глутаминовая кислоты, глицин.
Эти же соединения обнаружены в растениях, где, вероятно, также
выполняют регуляторные и сигнальные функции.
Мейоз (от греч. meiosis - уменьшение) - способ деления клетки,
в результате которого происходит уменьшение (редукция) числа
хромосом в дочерних клетках; основное звено образования половых
клеток. В ходе мейоза одна диплоидная клетка (содержит 2 набора
хромосом) после двух последовательных делений дает начало 4
гаплоидным (содержат по одному набору хромосом) половым
клеткам. При слиянии мужских и женских половых клеток
диплоидный набор хромосом восстанавливается.
Микоплазмы - класс бактерий, не имеющих клеточной стенки и
ограниченных плазматической мембраной. Неподвижны. Сапрофиты
или паразиты. Патогенные микоплазмы вызывают болезни человека
159
(напр., пневмонию), животных (напр., повальное воспаление легких
крупного рогатого скота) и растений.
Митоз - (от греч. mitos - нить) - способ деления ядер клеток,
обеспечивающий тождественное распределение генетического
материала между дочерними клетками и преемственность хромосом в
ряду клеточных поколений. Обычно подразделяют на несколько
стадий. Часто митозом называют процесс деления не только ядра, но и
всей клетки, т. е. включают в него цитотомию
Нуклеазы –
большая группа ферментов, гидролизующих
фосфодиэфирную связь между субъединицами нуклеиновых кислот.
Нуклеозиды - гликозиды, в состав которых входят пуриновое
или пиримидиновое основание и углевод рибоза или дезоксирибоза.
Содержатся во всех живых организмах в нуклеиновых кислотах и
нуклеотидах.
Нуклеотиды (нуклеозидфосфаты) - фосфорные эфиры
нуклеозидов; состоят из азотистого основания (пуринового или
пиримидинового), углевода (рибозы или дезоксирибозы) и одного или
нескольких остатков фосфорной кислоты. Соединения из одного,
двух, трех, нескольких или многих остатков нуклеотидов называются
соответственно моно-, ди-, три-, олиго- или полинуклеотидами.
Нуклеотиды - составная часть нуклеиновых кислот, коферментов и
других биологически активных соединений.
Опины - производные аминокислот, различных кетокислот и
сахаров. Они являются биологически активными соединениями
нового типа, обнаруживаемыми только в тканях корончатых галлов у
растений, поэтому их можно рассматривать как биохимические маркеры для клеток корончатых галлов. Опины служат питательным
веществом для агробактерий, однако опухоли продолжают
продуцировать эти соединения и в стерильных культурах, не
содержащих агробактерий.
Пиноцитоз (от греч. pino - пью, впитываю и kytos - вместилище)
- поглощение клеткой из окружающей среды жидкости с
содержащимися в ней веществами. Один из основных механизмов
проникновения в клетку высокомолекулярных соединений.
Плазмиды – дополнительные факторы наследственности,
расположенные в клетках вне хромосом и представляющие собой
кольцевые (замкнутые) или линейные молекулы ДНК.
Полиплоидия (от греч. polyploos - многократный и eidos - вид) наследственное изменение, заключающееся в кратном увеличении
числа наборов хромосом в клетках организма. Широко
распространена у растений (большинство культурных растений -
160
полиплоиды), среди раздельнополых животных встречается редко.
Полиплоидия может быть вызвана искусственно (напр., алкалоидом
колхицином). У многих полиплоидных форм растений более крупные
размеры, повышенное содержание ряда веществ, отличные от
исходных форм сроки цветения и плодоношения.
Промотор – это предшествующая гену последовательность
нуклеотидов, которую узнает фермент РНК-полимераза.
Промоторы (от лат. promoveo - продвигаю) - вещества,
добавление которых к катализаторам повышает их активность и
избирательность, а иногда - и устойчивость. Входят в большинство
промышленных катализаторов; напр., в синтезе аммиака катализатор
(губчатое железо) в качестве промоторов содержит Al2О3, К2О и др.
Рекомбинантная ДНК – молекула ДНК, полученная в результате
объединения in vitro чужеродных (в природе никогда вместе не
существующих) фрагментов ДНК в составе вектора с использованием
методов генной инженерии.
Репликация ДНК –
процесс синтеза дочерней молекулы
дезоксирибонуклеиновой кислоты.
Рилизинг-фактор –
пептидный нейрогормон позвоночных,
синтезируемый в гипоталамусе и влияющий на выработку и
выделение гормонов гипофиза;
РНК-полимераза –
фермент, осуществляющий матричный
синтез РНК из рибонуклеозидтрифосфатов.
Секвенирование ДНК – определение их первичной
нуклеотидной последовательности. В результате получается линейное
символьное описание, которое сжато поясняет атомную структуру
молекулы.
Таксономия (от греч. taxis - расположение, строй, порядок и
nomos - закон) - теория классификации и систематизации
сложноорганизованных областей действительности, имеющих обычно
иерархическое строение (органический мир, объекты географии,
геологии, языкознания, этнографии и т. д.). Термин (предложен в 1813
швейцарским ботаником О. Декандолем) длительное время
употреблялся как синоним систематики. В 60-70-х гг. 20 в. возникла
тенденция определять таксономию как раздел систематики, как
учение о системе таксономических категорий, обозначающих
соподчиненные группы объектов - таксоны.
Титр раствора – способ выражения концентрации, применяемый
в аналитической химии.
Трансгенный организм – живой организм, полученный путём
переноса одного или группы генов (трансгенов) из другого организма
161
при помощи метдов генной инженерии. ФАО – продовольственная
организация ООН.
Хиральность - (киральность, от греч. cheir - рука) - свойство
молекулы не совмещаться со своим отображением в идеальном
плоском зеркале. Одно из основных понятий стереохимии (наряду с
конфигурацией и конформацией). Хиральность - необходимое
условие оптической активности молекул.
Хлоропласты (от греч. «chloros» - зеленый и «plastos» вылепленный, образованный) - внутриклеточные органоиды
растительной клетки, в которых осуществляется фотосинтез;
окрашены в зеленый цвет (в них присутствует хлорофилл).
Собственный генетический аппарат и белоксинтезирующая система
обеспечивают хлоропластам относительную автономию. В клетке
высших растений от 10 до 70 хлоропластов.
Хромопласты(от хромо... и греч. plastos - вылепленный) органоиды
растительных
клеток;
содержат
пигменты,
преимущественно каротиноиды, придающие красную, желтую или
оранжевую окраску осенним листьям, многим сочным плодам, корням
моркови.
Экспрессия генов – программируемый геномом процесс
биосинтеза белков и(или) РНК.
Элиминация гена – прерывание действия, гибель гена.
Эндонуклеазы рестрикции, рестриктазы – группа ферментов,
относящихся к классу гидролаз, катализирующих реакцию гидролиза
нуклеиновых кислот. Эти рестриктазы расщепляют нуклеиновые
кислоты в середине.
Энзимы (ферменты) – обычно белковые молекулы или
молекулы РНК (рибозимы) или их комплексы, ускоряющие
(катализирующие) химические реакции в живых системах.
Эпитоп (англ. epitope) или антигенная детерминанта - часть
макромолекулы антигена, которая распознаётся иммунной системой
(антителами, B-лимфоцитами, T-лимфоцитами). Часть антитела,
распознающая эпитоп, называется паратопом.
Bacillus thuringiensis – спорообразующая почвенная бактерия.
Клетки и специфический кристаллический белковый δ-эндотоксин
проявляют инсектицидное действие по отношению к гусеницам
многих представителей насекомых отрядов Чешуекрылые и
Жёсткокрылые, личинкам москитов, мошек, нематод.
162
Содержание
Введение ................................................................................................... 3
1 Биологическая общность живого вещества Земли .............................. 6
2 Живая клетка ......................................................................................... 33
3 Биохимия клетки ................................................................................... 51
4 История и методы создания генетически модифицированных
яяорганизмов.............................................................................................. 71
5 Методика исследования и анализа данных. Составление прогноза101
6 ГМО как экологический фактор ........................................................ 105
Заключение .......................................................................................... 154
Литература ........................................................................................... 156
163
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
20 982 Кб
Теги
bondarenko, ekologicheskie, faktora, novik, gmo, 1545, prigoda
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа