Вопрос 1. Какие процессы исследуют ученые на молекулярном уровне?
На молекулярном уровне изучаются важнейшие процессы жизнедеятельности организма: его рост и развитие, обмен веществ и превращение энергии, хранение и передача наследственной информации, изменчивость.
Вопрос 2. Какие элементы преобладают в составе живых организмов?
В составе живого организма насчитывают более 70-80 химических элементов, однако преобладают углерод, кислород, водород и азот.
Вопрос 3. Почему молекулы белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов рассматриваются как биополимеры только в клетке?
Молекулы белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов являются полимерами, так как состоят из повторяющихся мономеров. Но лишь в живой системе (клетке, организме) эти вещества проявляют свою биологическую сущность, обладая рядом специфических свойств и выполняя множество важнейших функций. Поэтому в живых системах такие вещества называют биополимерами. Вне живой системы эти вещества теряют свои биологические свойства и не являются биополимерами.
Вопрос 4. Что понимается под универсальностью молекул биополимеров?
Свойства биополимеров зависят от числа, состава и порядка расположения составляющих их мономеров. Возможность изменения состава и последовательности мономеров в структуре полимера позволяет существовать огромному разнообразию вариантов биополимеров, независимо от видовой принадлежности организма. У всех живых организмов биополимеры построены по единому плану.
1.1. Молекулярный уровень: общая характеристика
4.4 (87.5%) 8 votesНа этой странице искали:
- какие процессы исследуют учёные на молекулярном уровне
- что понимается под универсальностью молекул биополимеров
- какие элементы преобладают в составе живых организмов
- почему молекулы белков нуклеиновых кислот углеводов и липидов рассматриваются как биополимеры только в клетке
- почему молекулы белков нуклеиновых кислот углеводов и липидов
Какие элементы преобладают в состав живых организмов?
Почему молекулы белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов рассматриваются как биополиметры только в клетке?
Что понимается под словом универсальностью молекул биополиметров?
а) последовательностью чередования аминокислот
б) количеством аминокислот в молекуле
в) формой третичной структуры
г) всеми указанными особенностями
3. В каком случае правильно указан состав нуклеотида ДНК?
а) рибоза, остаток фосфорной кислоты, тимин
б) фосфорная кислота, урацил, дезоксирибоза
в) остаток фосфорной кислоты, дезоксирибоза, аденин
г) фосфорная кислота, рибоза, гуанин
4. Мономерами нуклеиновых кислот являются:
а) азотистые основания
б) рибоза или дезоксирибоза
в) дезоксирибоза и фосфатные группы
г) нуклеотиды
5. Аминокислоты в молекуле белка соединены посредством:
а) ионной связи
б) пептидной связи
в) водородной связи
г) ковалентной связи
6. Какую функцию выполняет транспортная РНК?
а) переносит аминокислоты на рибосомы
б) переносит информацию с ДНК
в) формирует рибосомы
г) все перечисленные функции
7. Ферменты – это биокатализаторы, состоящие из:
а) белков б) нуклеотидов в) липидов в) жиров
8. К полисахаридам относятся:
а) крахмал, рибоза
б) гликоген, глюкоза
в) целлюлоза, крахмал
г) крахмал, сахароза
9. Углерод как элемент входит в состав:
а) белков и углеводов
б) углеводов и липидов
в) углеводов и нуклеиновых кислот
г) всех органических соединений клетки
10. Клетка содержит ДНК:
а) в ядре и митохондриях
б) в ядре, цитоплазме и различных органоидах
в) в ядре, митохондриях и цитоплазме
г) в ядре, митохондриях, хлоропластах
ЧТО ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ МОНОМЕТР НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ? ВАРИАНТЫ(АМИНОКИСЛОТА,НУКЛЕОТИД,МОЛЕКУЛА БЕЛКА?) ЧТО ВХОДИТ ВСОСТАВ НУКЛЕОТИДА
ВАРИАНТЫ:(АМИНОКИСЛОТА,АЗОТИСТОЕ ОСНОВАНИЕ,ОСТАТОК ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ,УГЛЕВОД?)
Помогите пожалуйста!1.Наука изучающая клетки называется:
А) Генетика;
Б) Селекция;
В) экология;
В) Цитология.
2. Органические вещества клетки:
А) Вода, минеральные вещества, жиры;
Б) Углеводы, липиды, белки, нуклеиновые кислоты;
В) Углеводы, минеральные вещества, жиры;
Г) Вода, минеральные вещества, белки.
3. Из всех органических веществ основную массу в клетке составляют:
А) Белки.
Б)Углеводы
В) Жиры
Г) Вода.
4. Замените выделенные слова одним словом:
А) Малые молекулы органических веществ образуют в клетке сложные молекулы.
Б)Постоянные структурные компоненты клетки выполняют жизненно важные для клетки функции.
В) Высокоупорядоченная, полужидкая внутренняя среда клетки обеспечивает химическое взаимодействие всех клеточных структур.
Г)Главный фотосинтезирующий пигмент придаёт зелёную окраску хлоропластам.
5. Накопление и упаковку химических соединений в клеке осуществляют:
А) Митохондрии;
Б) Рибосомы;
В) Лизосомы;
Г) Комплекс Гольджи.
6. Функции внутриклеточного пищеварения выполняют:
А) Митохондрии;
Б) Рибосомы;
В) Лизосомы;
Г) Комплекс Гольджи.
7. «Сборку» полимерной молекулы белка производят:
А) Митохондрии;
Б) Рибосомы;
В) Лизосомы;
Г) Комплекс Гольджи.
8. Совокупность химических реакций в результате которых происходит распад органических веществ и высвобождение энергии называют:
А) Катаболизм;
Б) анаболизм;
В) Метаболизм;
Г) Ассимиляция
9. «Списывание» генетической информации с молекулы ДНК путём создания и-РНК называют:
А) Трансляцией;
Б) Транскрипцией;
В) Биосинтезом;
Г) Гликолизом.
10. Процес образования органических веществ на свету в хлоропластах с использованием воды и углекислого газа называют:
А) Фотосинтезом;
Б) Транскрипцией;
В) Биосинтезом;
Г) Гликолизом.
11. Ферментативный и бескислородный процесс распада органических веществ называют:
А) Фотосинтезом;
Б) Транскрипцией;
В) Биосинтезом;
Г) Гликолизом.
12. Назовите основные положения клеточной теории.
Вопрос 1. Какие процессы исследуют ученые на молекулярном уровне?
На молекулярном уровне изучаются важнейшие процессы жизнедеятельности организма: его рост и развитие, обмен веществ и превращение энергии, хранение и передача наследственной информации, изменчивость. Элементарной единицей на молекулярном уровне служит ген – фрагмент молекулы нуклеиновой кислоты, в котором записан определённый в качественном и количественном отношении объём биологической информации.
Вопрос 2. Какие элементы преобладают в составе живых организмов?
В составе живого организма насчитывают более 70-80 химических элементов, однако преобладают углерод, кислород, водород, азот и фосфор.
Вопрос 3. Почему молекулы белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов рассматриваются как биополимеры только в клетке?
Молекулы белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов являются полимерами, так как состоят из повторяющихся мономеров. Но лишь в живой системе (клетке, организме) эти вещества проявляют свою биологическую сущность, обладая рядом специфических свойств и выполняя множество важнейших функций. Поэтому в живых системах такие вещества называют биополимерами. Вне живой системы эти вещества теряют свои биологические свойства свойства и не являются биополимрами.
Вопрос 4. Что понимается под универсальностью молекул биополимеров?
Независимо от уровня сложности и выполняемых в клетке функций все биополимеры обладают следующими особенностями:
в их молекулах мало длинных ответвлений, но много коротких;
полимерные цепи прочны и не распадаются самопроизвольно на части;
способны нести разнообразные функциональные группы и молекулярные фрагменты, обеспечивающие биохимическую функциональную активность, т. е. способность осуществлять нужные клетке биохимические реакции и превращения в среде внутриклеточного раствора;
обладают гибкостью, достаточной для образования очень сложных пространственных структур, необходимых для выполнения биохимических функций, т. е. для работы белков как молекулярных машин, нуклеиновых кислот как программирующих молекул и т.д.;
связи С-Н и С-С биополимеров, несмотря на их прочность, одновременно являются аккумуляторами электронной энергии.
Главным свойством биополимеров является линейность полимерных цепей, так как только линейные структуры легко кодируются и «собираются» из мономеров. Кроме того, если полимерная нить обладает гибкостью, то из нее довольно просто образовать нужную пространственную конструкцию, а после тот как построенная таким образом молекулярная машина амортизируется, сломается, ее легко разобрать на составные элементы, чтобы снова их использовать. Сочетание этих свойств имеется только в полимерах на углеродной основе. Все биополимеры в живых системах способны выполнять определённые свойства и выполнять множество важнейших функций. Свойства биополимеров зависят от числа, состава и порядка расположения составляющих их мономеров. Возможность изменения состава и последовательности мономеров в структуре полимера позволяет существовать огромному разнообразию вариантов биополимеров, независимо от видовой принадлежности организма. У всех живых организмов биополимеры построены по единому плану.
Текущая страница: 2 (всего у книги 16 страниц) [доступный отрывок для чтения: 11 страниц]
Биология – наука о жизни – одна из древнейших наук. Знания о живых организмах человек накапливал на протяжении тысячелетий. По мере накопления знаний происходила дифференциация биологии на самостоятельные науки (ботаника, зоология, микробиология, генетика и др.). Всё больше возрастает значение пограничных дисциплин, связывающих биологию с другими науками – физикой, химией, математикой и др. В результате интеграции возникли биофизика, биохимия, космическая биология и др.
В настоящее время биология – комплексная наука, сформировавшаяся в результате дифференциации и интеграции разных дисциплин.
В биологии применяются различные методы исследования: наблюдение, эксперимент, сравнение и др.
Биология изучает живые организмы. Они являются открытыми биологическими системами, получающими энергию и питательные вещества из окружающей среды. Живые организмы реагируют на внешние воздействия, содержат всю информацию, необходимую им для развития и размножения, и приспособлены к определённой среде обитания.
Всем живым системам, независимо от уровня организации, присущи общие черты, а сами системы находятся в непрерывном взаимодействии. Учёные выделяют следующие уровни организации живой природы: молекулярный, клеточный, организменный, популяционно-видовой, экосистемный и биосферный.
Глава 1. Молекулярный уровень
Молекулярный уровень можно назвать начальным, наиболее глубинным уровнем организации живого. Каждый живой организм состоит из молекул органических веществ – белков, нуклеиновых кислот, углеводов, жиров (липидов), получивших название биологических молекул. Биологи исследуют роль этих важнейших биологических соединений в росте и развитии организмов, хранении и передаче наследственной информации, обмене веществ и превращении энергии в живых клетках и в других процессах.
Из этой главы вы узнаете
Что такое биополимеры;
Какое строение имеют биомолекулы;
Какие функции выполняют биомолекулы;
Что такое вирусы и в чём их особенность.
§ 4. Молекулярный уровень: общая характеристика
1. Что такое химический элемент?
2. Что называется атомом и молекулой?
3. Какие органические вещества вам известны?
Любая живая система, как бы сложно она ни была организована, проявляется на уровне функционирования биологических макромолекул.
Изучая живые организмы, вы узнали, что они состоят из тех же химических элементов, что и неживые. В настоящее время известно более 100 элементов, большинство из них встречается в живых организмах. К самым распространённым в живой природе элементам следует отнести углерод, кислород, водород и азот. Именно эти элементы образуют молекулы (соединения) так называемых органических веществ .
Основой всех органических соединений служит углерод. Он может вступать в связь со многими атомами и их группами, образуя цепочки, различные по химическому составу, строению, длине и форме. Из групп атомов образуются молекулы, а из последних – более сложные молекулы, различающиеся по строению и функциям. Эти органические соединения, входящие в состав клеток живых организмов, получили название биологические полимеры или биополимеры .
Полимер (от греч. polys – многочисленный) – цепь, состоящая из многочисленных звеньев – мономеров , каждый из которых устроен относительно просто. Молекула полимера может состоять из многих тысяч соединённых между собой мономеров, которые могут быть одинаковыми или разными (рис. 4).
Рис. 4. Схема строения мономеров и полимеров
Свойства биополимеров зависят от строения их молекул: от числа и разнообразия мономерных звеньев, образующих полимер. Все они универсальны, так как построены по одному плану у всех живых организмов, независимо от видовой принадлежности.
Для каждого вида биополимеров характерны определённое строение и функции. Так, молекулы белков являются основными структурными элементами клеток и регулируют протекающие в них процессы. Нуклеиновые кислоты участвуют в передаче генетической (наследственной) информации от клетки к клетке, от организма к организму. Углеводы и жиры представляют собой важнейшие источники энергии, необходимой для жизнедеятельности организмов.
Именно на молекулярном уровне происходит превращение всех видов энергии и обмен веществ в клетке. Механизмы этих процессов также универсальны для всех живых организмов.
В то же время оказалось, что разнообразные свойства биополимеров, входящих в состав всех организмов, обусловлены различными сочетаниями всего лишь нескольких типов мономеров, образующих множество вариантов длинных полимерных цепей. Этот принцип лежит в основе многообразия жизни на нашей планете.
Специфические свойства биополимеров проявляются только в живой клетке. Выделенные из клеток, молекулы биополимеров теряют биологическую сущность и характеризуются лишь физико-химическими свойствами того класса соединений, к которому они относятся.
Только изучив молекулярный уровень, можно понять, как протекали процессы зарождения и эволюции жизни на нашей планете, каковы молекулярные основы наследственности и процессов обмена веществ в живом организме.
Преемственность между молекулярным и следующим за ним клеточным уровнем обеспечивается тем, что биологические молекулы – это тот материал, из которого образуются надмолекулярные – клеточные – структуры.
Органические вещества: белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры (липиды). Биополимеры. Мономеры
Вопросы
1. Какие процессы исследуют учёные на молекулярном уровне?
2. Какие элементы преобладают в составе живых организмов?
3. Почему молекулы белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов рассматриваются как биополимеры только в клетке?
4. Что понимается под универсальностью молекул биополимеров?
5. Чем достигается разнообразие свойств биополимеров, входящих в состав живых организмов?
Задания
Какие биологические закономерности можно сформулировать на основе анализа текста параграфа? Обсудите их с учащимися класса.
§ 5. Углеводы
1. Какие вещества, относящиеся к углеводам, вам известны?
2. Какую роль играют углеводы в живом организме?
3. В результате какого процесса углеводы образуются в клетках зелёных растений?
Углеводы , или сахариды , – одна из основных групп органических соединений. Они входят в состав клеток всех живых организмов.
Углеводы состоят из углерода, водорода и кислорода. Название «углеводы» они получили потому, что у большинства из них соотношение водорода и кислорода в молекуле такое же, как и в молекуле воды. Общая формула углеводов C n (H 2 0) m .
Все углеводы делятся на простые, или моносахариды , и сложные, или полисахариды (рис. 5). Из моносахаридов наибольшее значение для живых организмов имеют рибоза, дезоксирибоза, глюкоза, фруктоза, галактоза .
Рис. 5. Строение молекул простых и сложных углеводов
Ди- и полисахариды образуются путём соединения двух и более молекул моносахаридов. Так, сахароза (тростниковый сахар), мальтоза (солодовый сахар), лактоза (молочный сахар) – дисахариды , образовавшиеся в результате слияния двух молекул моносахаридов. Дисахариды по своим свойствам близки к моносахаридам. Например, и те и другие хороню растворимы в воде и имеют сладкий вкус.
Полисахариды состоят из большого числа моносахаридов. К ним относятся крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин и др. (рис. 6). С увеличением количества мономеров растворимость полисахаридов уменьшается и сладкий вкус исчезает.
Основная функция углеводов – энергетическая . При расщеплении и окислении молекул углеводов выделяется энергия (при распаде 1 г углеводов – 17,6 кДж), которая обеспечивает жизнедеятельность организма. При избытке углеводов они накапливаются в клетке в качестве запасных веществ (крахмал, гликоген) и при необходимости используются организмом в качестве источника энергии. Усиленное расщепление углеводов в клетках можно наблюдать, например, при прорастании семян, интенсивной мышечной работе, длительном голодании.
Углеводы используются и в качестве строительного материала . Так, целлюлоза является важным структурным компонентом клеточных стенок многих одноклеточных, грибов и растений. Благодаря особому строению целлюлоза нерастворима в воде и обладает высокой прочностью. В среднем 20–40 % материала клеточных стенок растений составляет целлюлоза, а волокна хлопка – почти чистая целлюлоза, и именно поэтому они используются для изготовления тканей.
Рис. 6. Схема строения полисахаридов
Хитин входит в состав клеточных стенок некоторых простейших и грибов, встречается он и у отдельных групп животных, например у членистоногих, в качестве важного компонента их наружного скелета.
Известны также сложные полисахариды, состоящие из двух типов простых Сахаров, которые регулярно чередуются в длинных цепях. Такие полисахариды выполняют структурные функции в опорных тканях животных. Они входят в состав межклеточного вещества кожи, сухожилий, хрящей, придавая им прочность и эластичность.
Некоторые полисахариды входят в состав клеточных мембран и служат рецепторами, обеспечивая узнавание клетками друг друга и их взаимодействие.
Углеводы, или сахариды. Моносахариды. Дисахариды. Полисахариды. Рибоза. Дезоксирибоза. Глюкоза. Фруктоза. Галактоза. Сахароза. Мальтоза. Лактоза. Крахмал. Гликоген. Хитин
Вопросы
1. Какой состав и строение имеют молекулы углеводов?
2. Какие углеводы называются моно-, ди– и полисахаридами?
3. Какие функции выполняют углеводы в живых организмах?
Задания
Проанализируйте рисунок 6 «Схема строения полисахаридов» и текст параграфа. Какие предположения вы можете выдвинуть на основе сравнения особенностей строения молекул и функций, выполняемых крахмалом, гликогеном и целлюлозой в живом организме? Обсудите этот вопрос с одноклассниками.
§ 6. Липиды
1. Какие жироподобные вещества вам известны?
2. Какие продукты питания богаты жирами?
3. Какова роль жиров в организме?
Липиды (от греч. lipos – жир) – обширная группа жироподобных веществ, нерастворимых в воде. Большинство липидов состоит из высокомолекулярных жирных кислот и трёхатомного спирта глицерина (рис. 7).
Липиды присутствуют во всех без исключения клетках, выполняя специфические биологические функции.
Жиры – наиболее простые и широко распространённые липиды – играют важную роль как источник энергии . При окислении они дают более чем в два раза больше энергии по сравнению с углеводами (38,9 кДж при расщеплении 1 г жира).
Рис. 7. Строение молекулы триглицерида
Жиры являются основной формой запасания липидов в клетке. У позвоночных животных примерно половина энергии, потребляемой клетками в состоянии покоя, образуется за счёт окисления жиров. Жиры могут использоваться также в качестве источника воды (при окислении 1 г жира образуется более 1 г воды). Это особенно ценно для арктических и пустынных животных, обитающих в условиях дефицита свободной воды.
Благодаря низкой теплопроводности липиды выполняют защитные функции , т. е. служат для теплоизоляции организмов. Например, у многих позвоночных животных хорошо выражен подкожный жировой слой, что позволяет им жить в условиях холодного климата, а у китообразных он играет ещё и другую роль – способствует плавучести.
Липиды выполняют и строительную функцию , так как нерастворимость в воде делает их важнейшими компонентами клеточных мембран.
Многие гормоны (например, коры надпочечников, половые) являются производными липидов. Следовательно, липидам присуща регуляторная функция .
Липиды. Жиры. Гормоны. Функции липидов: энергетическая, запасающая, защитная, строительная, регуляторная
Вопросы
1. Какие вещества относятся к липидам?
2. Какое строение имеет большинство липидов?
3. Какие функции выполняют липиды?
4. Какие клетки и ткани наиболее богаты липидами?
Задания
Проанализировав текст параграфа, объясните, почему многие животные перед зимой, а проходные рыбы перед нерестом стремятся накопить побольше жира. Приведите примеры животных и растений, у которых это явление наиболее ярко выражено. Всегда ли излишки жира полезны для организма? Обсудите эту проблему в классе.
§ 7. Состав и строение белков
1. Какова роль белков в организме?
2. Какие продукты богаты белками?
Среди органических веществ белки , или протеины , – самые многочисленные, наиболее разнообразные и имеющие первостепенное значение биополимеры. На их долю приходится 50–80 % сухой массы клетки.
Молекулы белков имеют большие размеры, поэтому их называют макромолекулами . Кроме углерода, кислорода, водорода и азота, в состав белков могут входить сера, фосфор и железо. Белки отличаются друг от друга числом (от ста до нескольких тысяч), составом и последовательностью мономеров. Мономерами белков являются аминокислоты (рис. 8).
Бесконечное разнообразие белков создаётся за счёт различного сочетания всего 20 аминокислот. Каждая аминокислота имеет своё название, особое строение и свойства. Их общую формулу можно представить в следующем виде:
Молекула аминокислоты состоит из двух одинаковых для всех аминокислот частей, одна из которых является аминогруппой (-NH 2) с основными свойствами, другая – карбоксильной группой (-СООН) с кислотными свойствами. Часть молекулы, называемая радикалом (R), у разных аминокислот имеет различное строение. Наличие в одной молекуле аминокислоты основной и кислотной групп обусловливает их высокую реакционную способность. Через эти группы происходит соединение аминокислот при образовании белка. При этом возникает молекула воды, а освободившиеся электроны образуют пептидную связь . Поэтому белки называют полипептидами .
Рис. 8. Примеры строения аминокислот – мономеров белковых молекул
Молекулы белков могут иметь различные пространственные конфигурации – структуры белка , и в их строении различают четыре уровня структурной организации (рис. 9).
Последовательность аминокислот в составе полипептидной цепи представляет первичную структуру белка. Она уникальна для любого белка и определяет его форму, свойства и функции.
Большинство белков имеют вид спирали в результате образования водородных связей между СО и NH-гpуппами разных аминокислотных остатков полипептидной цепи. Водородные связи слабые, но в комплексе они обеспечивают довольно прочную структуру. Эта спираль – вторичная структура белка.
Третичная структура – трёхмерная пространственная «упаковка» полипептидной цепи. В результате возникает причудливая, но для каждого белка специфическая конфигурация – глобула . Прочность третичной структуры обеспечивается разнообразными связями, возникающими между радикалами аминокислот.
Рис. 9. Схема строения белковой молекулы: I, II, III, IV – первичная, вторичная, третичная, четвертичная структуры
Четвертичная структура характерна не для всех белков. Она возникает в результате соединения нескольких макромолекул с третичной структурой в сложный комплекс. Например, гемоглобин крови человека представляет комплекс из четырёх макромолекул белка (рис. 10).
Такая сложность структуры белковых молекул связана с разнообразием функций, свойственных этим биополимерам.
Нарушение природной структуры белка называют денатурацией (рис. 11). Она может происходить под воздействием температуры, химических веществ, лучистой энергии и других факторов. При слабом воздействии распадается только четвертичная структура, при более сильном – третичная, а затем – вторичная, и белок остаётся в виде полипептидной цепи.
Рис. 10. Схема строения молекулы гемоглобина
Этот процесс частично обратим: если не разрушена первичная структура, то денатурированный белок способен восстанавливать свою структуру. Отсюда следует, что все особенности строения макромолекулы белка определяются его первичной структурой.
Кроме простых белков , состоящих только из аминокислот, есть ещё и сложные белки , в состав которых могут входить углеводы (гликопротеины ), жиры (липопротеины ), нуклеиновые кислоты (нуклеопротеины ) и др.
Роль белков в жизни клетки огромна. Современная биология показала, что сходство и различие организмов определяется в конечном счёте набором белков. Чем ближе организмы друг к другу в систематическом положении, тем более сходны их белки.
Рис. 11. Денатурация белка
Белки, или протеины. Простые и сложные белки. Аминокислоты. Полипептид. Первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белков
Вопросы
1. Какие вещества называются белками или протеинами?
2. Что такое первичная структура белка?
3. Как образуются вторичная, третичная и четвертичная структуры белка?
4. Что такое денатурация белка?
5. По какому признаку белки делятся на простые и сложные?
Задания
Вы знаете, что белок куриного яйца состоит в основном из протеинов. Подумайте, чем объясняется изменение структуры белка у варёного яйца. Приведите другие известные вам примеры, когда структура белка может измениться.
§ 8. Функции белков
1. Какова функция углеводов?
2. Какие функции белков вы знаете?
Белки выполняют чрезвычайно важные и многообразные функции. Это возможно в значительной мере благодаря разнообразию форм и состава самих белков.
Одна из важнейших функций белковых молекул – строительная (пластическая ). Белки входят в состав всех клеточных мембран и органоидов клетки. Преимущественно из белка состоят стенки кровеносных сосудов, хрящи, сухожилия, волосы и ногти.
Громадное значение имеет каталитическая , или ферментативная, функция белков . Специальные белки – ферменты способны ускорять биохимические реакции в клетке в десятки и сотни миллионов раз. Известно около тысячи ферментов. Каждая реакция катализируется особым ферментом. Подробнее вы узнаете об этом ниже.
Двигательную функцию выполняют особые сократительные белки. Благодаря им двигаются реснички и жгутики у простейших, перемещаются хромосомы при делении клетки, сокращаются мышцы у многоклеточных, совершенствуются другие виды движения у живых организмов.
Важное значение имеет транспортная функция белков. Так, гемоглобин переносит кислород из лёгких к клеткам других тканей и органов. В мышцах, помимо гемоглобина, есть ещё один газотранспортный белок – миоглобин. Белки сыворотки крови способствуют переносу липидов и жирных кислот, различных биологически активных веществ. Транспортные белки в наружной мембране клеток переносят различные вещества из окружающей среды в цитоплазму.
Специфические белки выполняют защитную функцию . Они предохраняют организм от вторжения чужеродных белков и микроорганизмов и от повреждения. Так, антитела, вырабатываемые лимфоцитами, блокируют чужеродные белки; фибрин и тромбин предохраняют организм от кровопотери.
Регуляторная функция присуща белкам – гормонам . Они поддерживают постоянные концентрации веществ в крови и клетках, участвуют в росте, размножении и других жизненно важных процессах. Например, инсулин регулирует содержание сахара в крови.
Белкам присуща также сигнальная функция . В мембрану клетки встроены белки, способные изменять свою третичную структуру в ответ на действие факторов внешней среды. Так происходит приём сигналов из внешней среды и передача информации в клетку.
Белки могут выполнять энергетическую функцию , являясь одним из источников энергии в клетке. При полном расщеплении 1 г белка до конечных продуктов выделяется 17,6 кДж энергии. Однако в качестве источника энергии белки используются крайне редко. Аминокислоты, высвобождающиеся при расщеплении белковых молекул, используются для построения новых белков.
Функции белков: строительная, двигательная, транспортная, защитная, регуляторная, сигнальная, энергетическая, каталитическая. Гормон. Фермент
Вопросы
1. Чем объясняется многообразие функций белков?
2. Какие функции белков вам известны?
3. Какую роль играют белки-гормоны?
4. Какую функцию выполняют белки-ферменты?
5. Почему белки редко используются в качестве источника энергии?
§ 9. Нуклеиновые кислоты
1. Какова роль ядра в клетке?
2. С какими органоидами клетки связана передача наследственных признаков?
3. Какие вещества называются кислотами?
Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus – ядро) впервые были обнаружены в ядрах лейкоцитов. Впоследствии было выяснено, что нуклеиновые кислоты содержатся во всех клетках, причём не только в ядре, но также в цитоплазме и различных органоидах.
Различают два типа нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновые (сокращённо ДНК ) и рибонуклеиновые (сокращённо РНК ). Различие в названиях объясняется тем, что молекула ДНК содержит углевод дезоксирибозу , а молекула РНК – рибозу .
Нуклеиновые кислоты – биополимеры, состоящие из мономеров – нуклеотидов . Мономеры-нуклеотиды ДНК и РНК имеют сходное строение.
Каждый нуклеотид состоит из трёх компонентов, соединённых прочными химическими связями. Это азотистое основание, углевод (рибоза или дезоксирибоза) и остаток фосфорной кислоты (рис. 12).
В состав молекулы ДНК входят четыре типа азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин или тимин . Они и определяют названия соответствующих нуклеотидов: адениловый (А), гуаниловый (Г), цитидиловый (Ц) и тимидиловый (Т) (рис. 13).
Рис. 12. Схема строения нуклеотидов – мономеров ДНК (А) и РНК (Б)
Каждая цепь ДНК представляет полинуклеотид, состоящий из нескольких десятков тысяч нуклеотидов.
Молекула ДНК имеет сложное строение. Она состоит из двух спирально закрученных цепей, которые по всей длине соединены друг с другом водородными связями. Такую структуру, свойственную только молекулам ДНК, называют двойной спиралью .
Рис. 13. Нуклеотиды ДНК
Рис. 14. Комплементарное соединение нуклеотидов
При образовании двойной спирали ДНК азотистые основания одной цепи располагаются в строго определённом порядке против азотистых оснований другой. При этом обнаруживается важная закономерность: против аденина одной цепи всегда располагается тимин другой цепи, против гуанина – цитозин, и наоборот. Это объясняется тем, что пары нуклеотидов аденин и тимин, а также гуанин и цитозин строго соответствуют друг другу и являются дополнительными, или комплементарными (от лат. complementum – дополнение), друг другу. А сама закономерность носит название принцип комплементарности . При этом между аденином и тимином всегда возникают две водородные связи, а между гуанином и цитозином – три (рис. 14).
Следовательно, у всякого организма число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых, а число гуаниловых – числу цитидиловых. Зная последовательность нуклеотидов в одной цепи ДНК, по принципу комплементарности можно установить порядок нуклеотидов другой цепи.
С помощью четырёх типов нуклеотидов в ДНК записана вся информация об организме, передающаяся по наследству следующим поколениям. Другими словами, ДНК является носителем наследственной информации.
Молекулы ДНК в основном находятся в ядрах клеток, но небольшое их количество содержится в митохондриях и пластидах.
Молекула РНК, в отличие от молекулы ДНК, – полимер, состоящий из одной цепочки значительно меньших размеров.
Мономерами РНК являются нуклеотиды, состоящие из рибозы, остатка фосфорной кислоты и одного из четырёх азотистых оснований. Три азотистых основания – аденин, гуанин и цитозин – такие же, как и у ДНК, а четвёртое – урацил .
Образование полимера РНК происходит через ковалентные связи между рибозой и остатком фосфорной кислоты соседних нуклеотидов.
Выделяют три типа РНК, различающихся по структуре, величине молекул, расположению в клетке и выполняемым функциям.
Рибосомные РНК (рРНК ) входят в состав рибосом и участвуют в формировании их активных центров, где происходит процесс биосинтеза белка.
Транспортные РНК (тРНК ) – самые небольшие по размеру – транспортируют аминокислоты к месту синтеза белка.
Информационные , или матричные, РНК (иРНК ) синтезируются на участке одной из цепей молекулы ДНК и передают информацию о структуре белка из ядра клеток к рибосомам, где эта информация реализуется.
Таким образом, различные типы РНК представляют собой единую функциональную систему, направленную на реализацию наследственной информации через синтез белка.
Молекулы РНК находятся в ядре, цитоплазме, рибосомах, митохондриях и пластидах клетки.
Нуклеиновая кислота. Дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК. Рибонуклеиновая кислота, или РНК. Азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин, тимин, урацил, нуклеотид. Двойная спираль. Комплементарность. Транспортная РНК (тРНК). Рибосомная РНК (рРНК). Информационная РНК (иРНК)
Вопросы
1. Какое строение имеет нуклеотид?
2. Какое строение имеет молекула ДНК?
3. В чём заключается принцип комплементарности?
4. Что общего и какие различия в строении молекул ДНК и РНК?
5. Какие типы молекул РНК вам известны? Каковы их функции?
Задания
1. Составьте план параграфа.
2. Учёные выяснили, что фрагмент цепи ДНК имеет следующий состав: Ц-Г Г А А Т Т Ц Ц. Используя принцип комплементарности, достройте вторую цепь.
3. В ходе исследования было установлено, что в изучаемой молекуле ДНК аденины составляют 26 % от общего числа азотистых оснований. Подсчитайте количество других азотистых оснований в этой молекуле.
Смотри в корень!
Козьма Прутков
Какие химические элементы входят в состав живой клетки? Какую роль играют сахара и липиды? Как устроены белки и как их молекулы приобретают определенную пространственную форму? Что такое ферменты и как они распознают свои субстраты? Какое строение имеют молекулы РНК и ДНК? Какие особенности молекулы ДНК позволяют ей играть роль носителя генетической информации?
Урок-лекция
ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ И МОЛЕКУЛЯРНЫЙ СОСТАВ ЖИВОГО . Знакомство с живыми системами мы начинаем с молекулярно-генетического уровня. Это уровень молекул, которые составляют структурную и функциональную основу клеток живых организмов.
Ретровирус. Удивительные геометрические формы демонстрируют вирусы!
Вспомним, что из всех известных элементов, входящих в Периодическую систему Д. И. Менделеева, в живой клетке обнаружено около 80. При этом среди них нет ни одного, который отсутствовал бы в неживой природе. Это служит одним из доказательств общности живой и неживой природы.
Более 90% массы клетки составляют углерод, водород, азот и кислород. В значительно меньших количествах в клетке встречаются сера, фосфор, калий, натрий, кальций, магний, железо и хлор. Все остальные элементы (цинк, медь, иод, фтор, кобальт, марганец и др.) вместе составляют не более 0,02% массы клетки. Поэтому их называют микроэлементами. Микроэлементы входят в состав гормонов, ферментов и витаминов, т. е. соединений, обладающих высокой биологической активностью.
Например, недостаток в организме иода, необходимого для производства гормона щитовидной железы - тироксина, приводит к уменьшению выработки этого гормона и, как следствие, к развитию тяжелых заболеваний, в том числе кретинизма.
Большую часть содержимого клетки составляет вода. Многие вещества поступают в клетку или выводятся из нее в виде водных растворов, в водной среде протекает и большинство внутриклеточных реакций. Более того, вода принимает и непосредственное участие в ряде химических реакций, отдавая образующимся соединениям ионы Н + или ОН - . Благодаря своей высокой теплоемкости вода стабилизирует температуру внутри клетки, делает ее менее зависимой от колебаний температуры в окружающей клетку среде.
Кроме воды, составляющей 70% от объема клетки, в ее состав входят органические вещества - соединения углерода. Среди них различают небольшие молекулы, содержащие до 30 атомов углерода, и макромолекулы. К первым относят простые сахара (моносахариды), липиды, аминокислоты и нуклеотиды. Они служат структурными компонентами для построения макромолекул, а кроме того, играют существенную роль в процессах обмена веществ и энергии живой клетки.
И все же основа жизни на уровне молекул - это белки и нуклеиновые кислоты, о которых поговорим более подробно.
АМИНОКИСЛОТЫ И БЕЛКИ . Белкам принадлежит особая роль в живой природе. Они служат строительным материалом клетки, и практически ни один из процессов, которые протекают в клетках, не обходится без их участия.
Молекула белка представляет собой цепочку аминокислот, причем число звеньев в такой цепочке может колебаться от десятка до нескольких тысяч. Соседние аминокислоты связаны друг с другом особым типом химической связи, которая носит название пептидной . Связь эта образуется в процессе синтеза белка, когда карбоксильная группа одной аминокислоты связывается с примыкающей к ней аминогруппой другой аминокислоты (рис. 32).
Рис. 32. Пептидная связь
Все 20 видов аминокислот участвуют в построении белков. Однако порядок их чередования в белковой цепочке самый разный, что создает возможность для огромного количества сочетаний, а следовательно, и для построения многочисленных типов белковых молекул. Следует отметить, что только растения способны синтезировать все 20 аминокислот, необходимых для построения белков. Животные же получают ряд аминокислот, называемых незаменимыми, питаясь растениями.
Последовательность аминокислот в молекуле белка обозначают как первичную структуру белка (рис. 33). Различают и вторичную структуру белка, под которой понимают характер пространственного расположения отдельных фрагментов цепи аминокислот. Во вторичной структуре участки молекулы белка имеют форму спиралей или складчатых слоев. В их формировании важная роль принадлежит водородным связям, устанавливающимся между кислородом и водородом пептидных связей (-N-H...0=С-) разных аминокислот.
Рис. 33. Структура белка
Под третичной структурой белка подразумевается пространственное расположение всей аминокислотной цепи.
Третичная структура имеет прямое отношение к форме молекулы белка, которая может быть нитевидной или округлой. В последнем случае молекула свертывается таким образом, что ее гидрофобные участки оказываются внутри, а полярные гидрофильные группы - на поверхности. Образующаяся в результате пространственная структура носит название глобула .
Наконец, в состав некоторых белков может входить несколько глобул, каждую из которых формирует самостоятельная цепочка аминокислот. Соединение нескольких глобул в единый комплекс обозначают термином четвертичная структура белка. Например, молекула белка гемоглобина состоит из четырех глобул, содержащих небелковую часть - гем.
Молекула белка способна самоорганизовываться в сложную пространственную структуру, конфигурация которой специфична и определяется последовательностью аминокислот, т. е. первичной структурой белка.
Самоорганизация - одно из уникальных свойств белков, лежащее в основе многих выполняемых ими функций. В частности, на специфичности пространственной структуры белковой молекулы основан механизм распознавания ферментами (биологическими катализаторами) своего субстрата , т. е. молекулы, которая после взаимодействия с ферментом испытывает те или иные химические преобразования и превращается в продукт .
В качестве ферментов выступают белки, определенный участок молекулы которых образует активный центр. Он связывает специфичный для данного фермента субстрат и преобразует его в продукт. При этом фермент способен отличать свой субстрат благодаря особой пространственной конфигурации активного центра, специфичной для каждого фермента. Можно представить, что субстрат подходит к ферменту, как ключ к замку.
Вы убедились, что в основе всех свойств белка лежит его первичная структура - последовательность аминокислот в молекуле. Ее можно сравнить со словом, которое написано алфавитом, состоящим из 20 букв-аминокислот. А если есть слова, то может существовать и шифр, при помощи которого эти слова могут быть закодированы. Каким образом? Ответить на этот вопрос поможет знакомство со строением нуклеиновых кислот.
НУКЛЕОТИДЫ И НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ . Нуклеотиды состоят из азотсодержащего циклического соединения (азотистого основания), пятиуглеродного сахара и остатка фосфорной кислоты. Из них построены макромолекулы нуклеиновых кислот.
В состав молекул РНК (рибонуклеиновая кислота) входят нуклеотиды, построенные на основе сахара рибозы и содержащие в качестве азотистых оснований аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и урацил (У). Нуклеотиды, составляющие молекулу ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), содержат дезоксирибозу, а вместо урацила - тимин (Т).
Сцепление нуклеотидов между собой в молекуле ДНК (РНК) происходит благодаря связи фосфорного остатка одного нуклеотида с дезоксирибозой (рибозой) другого (рис. 34).
Рис. 34. Состав цепи и строение молекулы ДНК
В ходе исследований состава молекул ДНК было выяснено, что в каждой из них число адениновых азотистых оснований (А) равно числу тиминовых (Т), а число гуаниновых (Г) - числу цитозиновых (Ц). Это открытие послужило предпосылкой для создания Дж. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 г. модели молекулы ДНК - знаменитой двойной спирали.
Согласно этой модели молекула ДНК состоит из двух цепей, которые свернуты в виде правозакрученной спирали (рис. 35).
Рис. 35. Модель структуры ДНК
Каждая цепь содержит последовательность нуклеотидов, строго соответствующую (комплементарную) последовательности другой цепи. Это соответствие достигается наличием водородных связей между направленными навстречу друг другу азотистыми основаниями двух цепей - А и Т или Г и Ц.
Связь между другими парами азотистых оснований невозможна, поскольку пространственная структура молекул азотистых оснований такова, что только А и Т, так же как Г и Ц, могут сблизиться друг с другом на столько, чтобы образовать между собой водородные связи.
Важнейшая особенность ДНК заключается в возможности ее самоудвоения - репликации , которая осуществляется при участии группы ферментов (рис. 36).
Рис. 36. Схема репликации ДНК
В определенных участках, в том числе и на одном из концов, двуцепочной спиральной молекулы ДНК происходит разрыв водородных связей между цепями. Они разделяются и разматываются.
Этот процесс постепенно захватывает всю молекулу. По мере расхождения цепей материнской молекулы на них, как на матрице, из имеющихся в окружающей среде нуклеотидов выстраиваются дочерние цепи. Сборка новой цепи идет в точном соответствии с принципом комплементарности: против каждого А встает Т, против Г - Ц и т. д. В итоге получаются две новые молекулы ДНК, у каждой из которых одна цепь осталась от исходной молекулы ДНК, а вторая - новая. При этом две образующиеся при репликации молекулы ДНК идентичны исходной.
Способность молекулы ДНК к самокопированию и лежит в основе передачи наследственной информации живыми организмами. Последовательность нуклеотидных оснований в молекуле ДНК как раз и служит тем шифром, которым закодирована информация о белках, необходимых для функционирования организма.
В отличие от ДНК молекула РНК состоит из одной полинуклеотидной цепи. Существует несколько типов РНК, которые выполняют в клетке разные функции. РНК-копия участка цепи ДНК носит название информационной или матричной РНК (мРНК) и играет роль посредника при передаче генетической информации от ДНК к структурам клетки, синтезирующим белок, - рибосомам. Кроме того, в клетке имеются рибосомные РНК (рРНК), которые вместе с белками формируют рибосомы, транспортные РНК (тРНК), транспортирующие аминокислоты к месту синтеза белка, и некоторые другие.
Молекула ДНК состоит из двух свернутых в спираль комплементарных цепей нуклеотидов, которые удерживаются вместе водородными связями, образующими А-Т и Г-Ц пары оснований. Последовательность нуклеотидов цепи ДНК служит шифром, который кодирует генетическую информацию. Расшифровка этой информации осуществляется при участии молекул РНК. Способность ДНК к самокопированию (репликации) обеспечивает возможность передачи генетической информации в живой природе.
- Почему белки называют молекулами жизни?
- Какова роль пространственных структур белков в процессах жизнедеятельности клетки?
- Какой принцип лежит в основе процессов репликации ДНК?
