Запитання 1. Які процеси досліджують вчені на молекулярному рівні?
На молекулярному рівні вивчаються найважливіші процеси життєдіяльності організму: його зростання та розвиток, обмін речовин та перетворення енергії, зберігання та передача спадкової інформації, мінливість. Елементарною одиницею на молекулярному рівні служить ген – фрагмент молекули нуклеїнової кислоти, у якому записаний певний якісному та кількісному відношенні обсяг біологічної інформації.
Запитання 2. Які елементи переважають у складі живих організмів?
У складі живого організму налічують понад 70-80 хімічних елементів, проте переважають вуглець, кисень, водень, азот та фосфор.
Питання 3. Чому молекули білків, нуклеїнових кислот, вуглеводів та ліпідів розглядаються як біополімери лише у клітині?
Молекули білків, нуклеїнових кислот, вуглеводів і ліпідів є полімерами, оскільки складаються з мономерів, що повторюються. Але лише в живій системі (клітині, організмі) ці речовини виявляють свою біологічну сутність, Володіючи рядом специфічних властивостей та виконуючи безліч найважливіших функцій Тому у живих системах такі речовини називають біополімерами. Поза живої системи ці речовини втрачають свої біологічні властивості і є біополімрами.
Питання 4. Що розуміємо під універсальністю молекул біополімерів?
Незалежно від рівня складності і виконуваних у клітині функцій всі біополімери мають такі особливості:
у їхніх молекулах мало довгих відгалужень, але багато коротких;
полімерні ланцюги міцні та не розпадаються мимовільно на частини;
здатні нести різноманітні функціональні групи та молекулярні фрагменти, що забезпечують біохімічну функціональну активність, тобто здатність здійснювати потрібні клітині біохімічні реакції та перетворення у середовищі внутрішньоклітинного розчину;
мають гнучкість, достатньої для утворення дуже складних просторових структур, необхідних для виконання біохімічних функцій, тобто для роботи білків як молекулярних машин, нуклеїнових кислот як програмуючих молекул і т.д.;
зв'язку С-Ні С-С біополімерів, незважаючи на їхню міцність, одночасно є акумуляторами електронної енергії.
Головною властивістю біополімерів є лінійність полімерних ланцюгів, тому що тільки лінійні структури легко кодуються та «збираються» з мономерів. Крім того, якщо полімерна нитка має гнучкість, то з неї досить просто утворити потрібну просторову конструкцію, а після того, як побудована таким чином молекулярна машина амортизується, зламається, її легко розібрати на складові елементи, щоб знову їх використовувати. Поєднання цих властивостей є лише полімерах на вуглецевої основі. Усі біополімери у живих системах здатні виконувати певні властивості та виконувати безліч найважливіших функцій. Властивості біополімерів залежать від числа, складу та порядку розташування складових їх мономерів. Можливість зміни складу та послідовності мономерів у структурі полімеру дозволяє існувати величезній різноманітності варіантів біополімерів, незалежно від видової приналежності організму. У всіх живих організмів біополімери побудовані за єдиним планом.
Поточна сторінка: 2 (всього книга 16 сторінок) [доступний уривок для читання: 11 сторінок]
Біологія- Наука про життя - одна з найдавніших наук. Знання про живі організми людина накопичувала протягом тисячоліть. Принаймні накопичення знань відбувалася диференціація біології на самостійні науки (ботаніка, зоологія, мікробіологія, генетика та інших.). Дедалі більше зростає значення прикордонних дисциплін, пов'язують біологію коїться з іншими науками – фізикою, хімією, математикою та інших. У результаті інтеграції виникли біофізика, біохімія, космічна біологія та інших.
Нині біологія – комплексна наука, сформована внаслідок диференціації та інтеграції різних дисциплін.
У біології застосовуються різні методи дослідження: спостереження, експеримент, порівняння та ін.
Біологія вивчає живі організми. Вони є відкритими біологічними системами, що отримують енергію та поживні речовини з навколишнього середовища. Живі організми реагують на зовнішні впливи, містять всю інформацію, необхідну їм для розвитку та розмноження, і пристосовані до певного середовища проживання.
Всім живим системам, незалежно від рівня організації, притаманні спільні риси, а самі системи перебувають у безперервній взаємодії. Вчені виділяють такі рівні організації живої природи: молекулярний, клітинний, організмовий, популяційно-видовий, екосистемний та біосферний.
Розділ 1. Молекулярний рівень
Молекулярний рівень можна назвати початковим, найглибшим рівнем організації живого. Кожен живий організм складається з молекул органічних речовин - білків, нуклеїнових кислот, вуглеводів, жирів (ліпідів), що дістали назву біологічних молекул. Біологи досліджують роль цих найважливіших біологічних сполук у зростанні та розвитку організмів, зберіганні та передачі спадкової інформації, обміні речовин та перетворенні енергії в живих клітинах та в інших процесах.
З цього розділу ви дізнаєтесь
Що таке біополімери;
Яку будову мають біомолекули;
Які функції виконують біомолекули;
Що таке віруси і в чому їхня особливість.
§ 4. Молекулярний рівень: загальна характеристика
1. Що таке хімічний елемент?
2. Що називається атомом та молекулою?
3. Які органічні речовинивам відомі?
Будь-яка жива система, хоч би як складно вона була організована, проявляється лише на рівні функціонування біологічних макромолекул.
Вивчаючи живі організми, ви дізналися, що вони складаються з тих самих хімічних елементів, що й неживі. Нині відомо понад 100 елементів, більшість їх зустрічається у живих організмах. До найпоширеніших у живій природі елементів слід віднести вуглець, кисень, водень та азот. Саме ці елементи утворюють молекули (з'єднання) так званих органічних речовин.
Основою всіх органічних сполукслужить вуглець. Він може вступати у зв'язок з багатьма атомами та їх групами, утворюючи ланцюжки, різні хімічним складом, будовою, довжиною та формою. З груп атомів утворюються молекули, та якщо з останніх – більше складні молекули, що відрізняються за будовою та функціями. Ці органічні сполуки, що входять до складу клітин живих організмів, дістали назву біологічні полімериабо біополімери.
Полімер(Від грец. polys– численний) – ланцюг, що складається з численних ланок – мономерів, кожен із яких влаштований відносно просто. Молекула полімеру може складатися з багатьох тисяч з'єднаних між собою мономерів, які можуть бути однаковими чи різними (рис. 4).
Рис. 4. Схема будови мономерів та полімерів
Властивості біополімерів залежать від будови їх молекул: від числа та різноманітності мономерних ланок, що утворюють полімер. Усі вони універсальні, оскільки побудовані за одним планом в усіх живих організмів, незалежно від видової власності.
Для кожного виду біополімерів характерні певна будова та функції. Так, молекули білківє основними структурними елементами клітин і регулюють процеси, що проходять в них. Нуклеїнові кислотиберуть участь у передачі генетичної (спадкової) інформації від клітини до клітини, від організму до організму. Вуглеводиі жириє найважливішими джерелами енергії, необхідної для життєдіяльності організмів.
Саме на молекулярному рівні відбувається перетворення всіх видів енергії та обмін речовин у клітині. Механізми цих процесів також є універсальними для всіх живих організмів.
У той же час виявилося, що різноманітні властивості біополімерів, що входять до складу всіх організмів, обумовлені різними поєднаннями лише кількох типів мономерів, що утворюють безліч варіантів довгих полімерних ланцюгів. Цей принцип є основою різноманіття життя нашій планеті.
Специфічні властивості біополімерів виявляються лише у живій клітині. Виділені з клітин молекули біополімерів втрачають біологічну сутність і характеризуються лише фізико-хімічними властивостями того класу сполук, до якого вони відносяться.
Тільки вивчивши молекулярний рівень, можна зрозуміти, як протікали процеси зародження та еволюції життя на нашій планеті, якими є молекулярні основи спадковості та процесів обміну речовин у живому організмі.
Спадкоємність між молекулярним і наступним за ним клітинним рівнем забезпечується тим, що біологічні молекули – це матеріал, з якого утворюються надмолекулярні – клітинні – структури.
Органічні речовини: білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи, жири (ліпіди). Біополімери. Мономери
Запитання
1. Які процеси досліджують вчені на молекулярному рівні?
2. Які елементи переважають у складі живих організмів?
3. Чому молекули білків, нуклеїнових кислот, вуглеводів та ліпідів розглядаються як біополімери лише у клітині?
4. Що розуміється під універсальністю молекул біополімерів?
5. Чим досягається різноманітність властивостей біополімерів, що входять до складу живих організмів?
Завдання
Які біологічні закономірності можна сформулювати з урахуванням аналізу тексту параграфа? Обговоріть їх із учнями класу.
§ 5. Вуглеводи
1. Які речовини, що належать до вуглеводів, вам відомі?
2. Яку роль грають вуглеводи у живому організмі?
3. В результаті якого процесу вуглеводи утворюються у клітинах зелених рослин?
Вуглеводи, або сахариди, - Одна з основних груп органічних сполук. Вони входять до складу клітин всіх живих організмів.
Вуглеводи складаються з вуглецю, водню та кисню. Назву «вуглеводи» вони отримали тому, що у більшості з них співвідношення водню та кисню в молекулі таке саме, як і в молекулі води. Загальна формула вуглеводів C n (H 2 0) m.
Усі вуглеводи поділяються на прості, або моносахариди, і складні, або полісахариди(Рис. 5). З моносахаридів найбільше значеннядля живих організмів мають рибоза, дезоксирибоза, глюкоза, фруктоза, галактоза.
Рис. 5. Будова молекул простих та складних вуглеводів
Ді-і полісахаридиутворюються шляхом з'єднання двох і більше молекул моносахаридів. Так, цукроза(тростинний цукор), мальтоза(солодовий цукор), лактоза(молочний цукор) - дисахариди, що утворилися в результаті злиття двох молекул моносахаридів Дисахариди за своїми властивостями близькі до моносахаридів. Наприклад, і ті й інші хороню розчиняються у воді та мають солодкий смак.
Полісахариди складаються з великої кількості моносахаридів. До них відносяться крохмаль, глікоген, целюлоза, хітинта ін (рис. 6). Зі збільшенням кількості мономерів розчинність полісахаридів зменшується і солодкий смак зникає.
Основна функція вуглеводів – енергетична. При розщепленні та окисленні молекул вуглеводів виділяється енергія (при розпаді 1 г вуглеводів – 17,6 кДж), що забезпечує життєдіяльність організму. При надлишку вуглеводів вони накопичуються в клітині як запасні речовини (крохмаль, глікоген) і при необхідності використовуються організмом як джерело енергії. Посилене розщеплення вуглеводів у клітинах можна спостерігати, наприклад, при проростанні насіння, інтенсивній м'язовій роботі, тривалому голодуванні.
Вуглеводи використовуються і як будівельного матеріалу. Так, целюлоза є важливим структурним компонентом клітинних стінок багатьох одноклітинних, грибів та рослин. Завдяки особливій будові целюлоза нерозчинна у воді і має високу міцність. У середньому 20–40 % матеріалу клітинних стінок рослин становить целюлоза, а волокна бавовни майже чиста целюлоза, і саме тому вони використовуються для виготовлення тканин.
Рис. 6. Схема будови полісахаридів
Хітін входить до складу клітинних стінок деяких найпростіших і грибів, зустрічається він і в окремих груп тварин, наприклад у членистоногих, як важливий компонент їхнього зовнішнього скелета.
Відомі також складні полісахариди, що складаються з двох типів простих цукорів, які регулярно чергуються в довгих ланцюгах. Такі полісахариди виконують структурні функції опорних тканинах тварин. Вони входять до складу міжклітинної речовини шкіри, сухожилля, хрящів, надаючи їм міцність та еластичність.
Деякі полісахариди входять до складу клітинних мембран і є рецепторами, забезпечуючи впізнавання клітинами один одного та їх взаємодію.
Вуглеводи, або сахариди. Моносахаріди. Дисахариди. Полісахариди. Рибоза. Дезоксирибозу. Глюкоза. фруктоза. Галактоза. Сахароза. Мальтоза. лактоза. Крохмаль. Глікоген. Хітін
Запитання
1. Який склад та будова мають молекули вуглеводів?
2. Які вуглеводи називаються моно-, ді- та полісахаридами?
3. Які функції виконують вуглеводи у живих організмах?
Завдання
Проаналізуйте малюнок 6 «Схема будови полісахаридів» та текст параграфа. Які припущення ви можете висунути на основі порівняння особливостей будови молекул та функцій, що виконуються крохмалем, глікогеном та целюлозою в живому організмі? Обговоріть це питання із однокласниками.
§ 6. Ліпіди
1. Які жироподібні речовини вам відомі?
2. Які продукти харчування багаті на жири?
3. Яка роль жирів в організмі?
Ліпіди(Від грец. lipos- Жир) - велика група жироподібних речовин, нерозчинних у воді. Більшість ліпідів складається з високомолекулярних жирних кислот та трихатомного спирту гліцерину (рис. 7).
Ліпіди присутні у всіх без винятку клітинах, виконуючи специфічні біологічні функції.
Жири– найбільш прості та широко поширені ліпіди – відіграють важливу роль як джерело енергії. При окисленні вони дають більш ніж удвічі більше енергії проти вуглеводами (38,9 кДж при розщепленні 1 р жиру).
Рис. 7. Будова молекули тригліцериду
Жири є основною формою запасання ліпідівв клітці. У хребетних тварин приблизно половина енергії, що споживається клітинами у стані спокою, утворюється за рахунок окислення жирів. Жири можуть використовуватися також як джерело води (при окисленні 1 г жиру утворюється більше 1 г води). Це особливо цінно для арктичних та пустельних тварин, що мешкають в умовах дефіциту вільної води.
Завдяки низькій теплопровідності ліпіди виконують захисні функції, Т. е. служать для теплоізоляції організмів. Наприклад, у багатьох хребетних тварин добре виражений підшкірний жировий шар, що дозволяє їм жити в умовах холодного клімату, а у китоподібних він грає ще й іншу роль – сприяє плавучості.
Ліпіди виконують і будівельну функціюОскільки нерозчинність у воді робить їх найважливішими компонентами клітинних мембран.
Багато гормони(наприклад, кори надниркових залоз, статеві) є похідними ліпідів. Отже, ліпідам властива регуляторна функція.
Ліпіди. Жири. Гормони. Функції ліпідів: енергетична, запасна, захисна, будівельна, регуляторна
Запитання
1. Які речовини відносяться до ліпідів?
2. Яку будову має більшість ліпідів?
3. Які функції виконують ліпіди?
4. Які клітини та тканини найбільш багаті на ліпіди?
Завдання
Проаналізувавши текст параграфа, поясніть, чому багато тварин перед зимою, а прохідні риби перед нерестом прагнуть накопичити більше жиру. Наведіть приклади тварин та рослин, у яких це явище найбільш яскраво виражене. Чи завжди надлишки жиру корисні для організму? Обговоріть цю проблему у класі.
§ 7. Склад та будова білків
1. Яка роль білків в організмі?
2. Які продукти багаті на білки?
Серед органічних речовин білки, або протеїни, - Найчисленніші, найбільш різноманітні і мають першорядне значення біополімери. На частку припадає 50–80 % сухої маси клітини.
Молекули білків мають великі розміри, тому їх називають макромолекулами. Крім вуглецю, кисню, водню та азоту, до складу білків можуть входити сірка, фосфор та залізо. Білки відрізняються один від одного числом (від ста до декількох тисяч), складом та послідовністю мономерів. Мономерами білків є амінокислоти (рис. 8).
Нескінченна різноманітність білків створюється рахунок різного поєднання всього 20 амінокислот. Кожна амінокислота має свою назву, особливу будову та властивості. Їх загальну формулуможна уявити у такому вигляді:
Молекула амінокислоти складається з двох однакових для всіх амінокислот частин, одна з яких є аміногрупою (-NH 2) з основними властивостями, інша – карбоксильною групою (-СООН) з кислотними властивостями. Частина молекули, звана радикалом (R), у різних амінокислот має різну будову. Наявність в одній молекулі амінокислоти основної та кислотної груп зумовлює їхню високу реакційну здатність. Через ці групи відбувається поєднання амінокислот при утворенні білка. При цьому виникає молекула води, а електрони, що звільнилися, утворюють пептидний зв'язок. Тому білки називають поліпептидами.
Рис. 8. Приклади будови амінокислот – мономерів білкових молекул
Молекули білків можуть мати різні просторові конфігурації. структури білка, і в їхній будові розрізняють чотири рівні структурної організації(Рис. 9).
Послідовність амінокислот у складі поліпептидного ланцюга становить первинну структурубілка. Вона унікальна для будь-якого білка та визначає його форму, властивості та функції.
Більшість білків мають вигляд спіралі в результаті утворення водневих зв'язків між СО і NH-групами різних амінокислотних залишків поліпептидного ланцюга. Водневі зв'язки слабкі, але у комплексі забезпечують досить міцну структуру. Ця спіраль – вторинна структурабілка.
Третинна структура– тривимірне просторове «упаковування» поліпептидного ланцюга. Через війну виникає химерна, але кожного білка специфічна конфігурація – глобула. Міцність третинної структури забезпечується різноманітними зв'язками, що виникають між амінокислотними радикалами.
Рис. 9. Схема будови білкової молекули: I, II, III, IV – первинна, вторинна, третинна, четвертинна структури
Четвертична структурахарактерна для всіх білків. Вона виникає в результаті з'єднання декількох макромолекул із третинною структурою до складного комплексу. Наприклад, гемоглобін крові людини є комплексом з чотирьох макромолекул білка (рис. 10).
Така складність структури білкових молекул пов'язана з різноманітністю функцій, властивих цим біополімер.
Порушення природної структури білка називають денатурацією(Рис. 11). Вона може відбуватися під впливом температури, хімічних речовин, променистої енергії та інших факторів При слабкому впливі розпадається лише четвертинна структура, за більш сильному – третинна, та був – вторинна, і білок залишається як полипептидной ланцюга.
Рис. 10. Схема будови молекули гемоглобіну
Цей процес частково оборотний: якщо не зруйновано первинну структуру, то денатурований білок здатний відновлювати свою структуру. Звідси випливає, що це особливості будови макромолекули білка визначаються його первинної структурою.
Крім простих білків, Що складаються тільки з амінокислот, є ще й складні білки, До складу яких можуть входити вуглеводи ( глікопротеїни), жири ( ліпопротеїни), нуклеїнові кислоти ( нуклеопротеїни) та ін.
Роль білків у житті клітини величезна. Сучасна біологія показала, що подібність і відмінність організмів визначається кінцевому рахунку набором білків. Чим ближче організми один до одного в систематичному положенні, тим подібніші їх білки.
Рис. 11. Денатурація білка
Білки або протеїни. Прості та складні білки. амінокислоти. Поліпептид. Первинна, вторинна, третинна та четвертинна структури білків
Запитання
1. Які речовини називаються білками чи протеїнами?
2. Що таке первинна структура білка?
3. Як утворюються вторинна, третинна та четвертинна структури білка?
4. Що таке денатурація білка?
5. За якою ознакою білки поділяються на прості та складні?
Завдання
Ви знаєте, що білок курячого яйця складається переважно з протеїнів. Подумайте, чим пояснюється зміна структури білка у вареного яйця. Наведіть інші відомі приклади, коли структура білка може змінитися.
§ 8. Функції білків
1. Якою є функція вуглеводів?
2. Які функції білків ви знаєте?
Білки виконують надзвичайно важливі та різноманітні функції. Це можливо значною мірою завдяки різноманітності форм та складу самих білків.
Одна з найважливіших функцій білкових молекул будівельна (пластична). Білки входять до складу всіх клітинних мембран та органоїдів клітини. Переважно з білка складаються стінки кровоносних судин, хрящі, сухожилки, волосся та нігті.
Велике значення має каталітична, або ферментативна, функція білків. Спеціальні білки - ферменти здатні прискорювати біохімічні реакції в клітині в десятки та сотні мільйонів разів. Відомо близько тисячі ферментів. Кожна реакція каталізується спеціальним ферментом. Докладніше ви дізнаєтеся про це нижче.
Двигуну функціювиконують спеціальні скорочувальні білки. Завдяки їм рухаються вії та джгутики у найпростіших, переміщуються хромосоми при розподілі клітини, скорочуються м'язи у багатоклітинних, удосконалюються інші види руху у живих організмів.
Важливе значення має транспортна функціябілків. Так, гемоглобін переносить кисень з легень до клітин інших тканин та органів. У м'язах крім гемоглобіну є ще один газотранспортний білок - міоглобін. Білки сироватки крові сприяють перенесенню ліпідів і жирних кислот, різних біологічно активних речовин. Транспортні білки у зовнішній мембрані клітин переносять різні речовиниз навколишнього середовища до цитоплазми.
Специфічні білки виконують захисну функцію . Вони захищають організм від вторгнення чужорідних білків та мікроорганізмів та від ушкодження. Так, антитіла, що виробляються лімфоцитами, блокують чужорідні білки; фібрин та тромбін оберігають організм від крововтрати.
Регуляторна функціявластива білкам – гормонів. Вони підтримують постійні концентрації речовин у крові та клітинах, беруть участь у зростанні, розмноженні та інших життєво важливих процесах. Наприклад, інсулін регулює вміст цукру у крові.
Білкам властива також сигнальна функція. У мембрану клітини вбудовані білки, здатні змінювати свою третинну структуру у відповідь дію чинників довкілля. Так відбувається прийом сигналів із зовнішнього середовища та передача інформації в клітину.
Білки можуть виконувати енергетичну функціює одним з джерел енергії в клітині. При повному розщепленні 1 г білка до кінцевих продуктів виділяється 17,6 кДж енергії. Однак як джерело енергії білки використовуються дуже рідко. Амінокислоти, що вивільняються при розщепленні білкових молекул, використовуються для побудови нових білків.
Функції білків: будівельна, рухова, транспортна, захисна, регуляторна, сигнальна, енергетична, каталітична. Гормон. Фермент
Запитання
1. Чим пояснюється різноманіття функцій білків?
2. Які функції білків вам відомі?
3. Яку роль грають білки-гормони?
4. Яку функцію виконують білки-ферменти?
5. Чому білки рідко використовуються як джерело енергії?
§ 9. Нуклеїнові кислоти
1. Яка роль ядра у клітці?
2. З якими органоидами клітини пов'язана передача спадкових ознак?
3. Які речовини називаються кислотами?
Нуклеїнові кислоти(Від лат. Nucleus- Ядро) вперше були виявлені в ядрах лейкоцитів. Згодом було з'ясовано, що нуклеїнові кислоти містяться у всіх клітинах, причому не тільки в ядрі, але також у цитоплазмі та різних органоїдах.
Розрізняють два типи нуклеїнових кислот дезоксирибонуклеїнові(скорочено ДНК) та рибонуклеїнові(скорочено РНК). Відмінність у назвах пояснюється тим, що молекула ДНК містить вуглевод дезоксирибозу, А молекула РНК - рибозу.
Нуклеїнові кислоти – біополімери, що складаються з мономерів – нуклеотидів. Мономери-нуклеотиди ДНК та РНК мають подібну будову.
Кожен нуклеотид складається із трьох компонентів, з'єднаних міцними хімічними зв'язками. Це азотна основа, вуглевод(рибоза або дезоксирибоза) та залишок фосфорної кислоти (Рис. 12).
До складу молекули ДНКвходять чотири типи азотистих основ: аденін, гуанін, цитозинабо тимін. Вони і визначають назви відповідних нуклеотидів: аденіловий (А), гуаніловий (Г), цитидиловий (Ц) та тимідиловий (Т) (рис. 13).
Рис. 12. Схема будови нуклеотидів – мономерів ДНК (А) та РНК (Б)
Кожен ланцюг ДНК є полінуклеотидом, що складається з декількох десятків тисяч нуклеотидів.
Молекула ДНК має складну будову. Вона складається із двох спірально закручених ланцюгів, які по всій довжині з'єднані один з одним водневими зв'язками. Таку структуру, властиву лише молекулам ДНК, називають подвійний спіраллю.
Рис. 13. Нуклеотиди ДНК
Рис. 14. Комплементарне з'єднання нуклеотидів
При утворенні подвійної спіралі ДНК азотисті основи одного ланцюга розташовуються у строго певному порядку проти азотистих основ іншого. При цьому виявляється важлива закономірність: проти аденіну одного ланцюга завжди розташовується тімін іншого ланцюга, проти гуаніну - цитозин, і навпаки. Це пояснюється тим, що пари нуклеотидів аденін та тимін, а також гуанін та цитозин суворо відповідають один одному і є додатковими, або комплементарними(Від лат. complementum- Доповнення), один одному. А сама закономірність має назву принцип комплементарності. При цьому між аденіном та тиміном завжди виникають два водневі зв'язки, а між гуаніном та цитозином – три (рис. 14).
Отже, у кожного організму число аденілових нуклеотидів дорівнює числу тимідилових, а число гуанілових - числу цитидилових. Знаючи послідовність нуклеотидів однієї ланцюга ДНК, за принципом комплементарності можна встановити порядок нуклеотидів іншого ланцюга.
За допомогою чотирьох типівнуклеотидів у ДНК записана вся інформація про організм, що передається у спадок наступним поколінням. Іншими словами, ДНК є носієм спадкової інформації.
Молекули ДНК переважно знаходяться в ядрах клітин, але невелика їх кількість міститься в мітохондріях та пластидах.
Молекула РНК, на відміну молекули ДНК, – полімер, що з одного ланцюжка значно менших розмірів.
Мономерами РНК є нуклеотиди, що складаються з рибози, залишку фосфорної кислоти та однієї з чотирьох азотистих основ. Три азотисті основи – аденін, гуанін та цитозин – такі ж, як і у ДНК, а четверте – урацил.
Утворення полімеру РНК відбувається через ковалентні зв'язки між рибозою та залишком фосфорної кислоти сусідніх нуклеотидів.
Виділяють три типи РНК, що розрізняються за структурою, величиною молекул, розташуванням у клітині і виконуваним функціям.
Рибосомні РНК (рРНК) входять до складу рибосом та беруть участь у формуванні їх активних центрів, де відбувається процес біосинтезу білка.
Транспортні РНК (тРНК) – найменші за розміром – транспортують амінокислоти до місця синтезу білка.
Інформаційні, або матричні, РНК (іРНК) синтезуються на ділянці одного з ланцюгів молекули ДНК та передають інформацію про структуру білка з ядра клітин до рибосом, де ця інформація реалізується.
Таким чином, різні типиРНК є єдиною функціональною системою, спрямовану реалізацію спадкової інформації через синтез білка.
Молекули РНК знаходяться в ядрі, цитоплазмі, рибосомах, мітохондріях та пластидах клітини.
Нуклеїнова кислота. Дезоксирибонуклеїнова кислота, або ДНК. Рибонуклеїнова кислота, або РНК. Азотисті основи: аденін, гуанін, цитозин, тимін, урацил, нуклеотид. Подвійна спіраль. Комплементарність. Транспортна РНК (ТРНК). Рибосомна РНК (РРНК). Інформаційна РНК (іРНК)
Запитання
1. Яку будову має нуклеотид?
2. Яку будову має молекула ДНК?
3. У чому полягає принцип комплементарності?
4. Що спільного та які відмінності у будові молекул ДНК та РНК?
5. Які типи молекул РНК вам відомі? Які їхні функції?
Завдання
1. Складіть план параграфа.
2. Вчені з'ясували, що фрагмент ланцюга ДНК має наступний склад: Ц-Г Г А А Т Т Ц Ц. Використовуючи принцип комплементарності, добудуйте другий ланцюг.
3. У ході дослідження було встановлено, що в молекулі ДНК, що вивчається, аденіни становлять 26 % від загальної кількості азотистих основ. Підрахуйте кількість інших азотистих основ у цій молекулі.
Які елементи переважають до складу живих організмів?
Чому молекули білків, нуклеїнових кислот, вуглеводів та ліпідів розглядаються як біополіметри лише у клітині?
Що розуміється під словом універсальністю молекул біополіметрів?
а) послідовністю чергування амінокислот
б) кількістю амінокислот у молекулі
в) формою третинної структури
г) усіма зазначеними особливостями
3. У якому разі правильно вказано склад нуклеотиду ДНК?
а) рибоза, залишок фосфорної кислоти, тімін
б) фосфорна кислота, урацил, дезоксирибоза
в) залишок фосфорної кислоти, дезоксирибозу, аденін
г) фосфорна кислота, рибоза, гуанін
4. Мономерами нуклеїнових кислот є:
а) азотисті основи
б) рибоза чи дезоксирибоза
в) дезоксирибозу та фосфатні групи
г) нуклеотиди
5. Амінокислоти в молекулі білка з'єднані за допомогою:
а) іонного зв'язку
б) пептидного зв'язку
в) водневого зв'язку
г) ковалентного зв'язку
6. Яку функцію виконує транспортна РНК?
а) переносить амінокислоти на рибосоми
б) переносить інформацію із ДНК
в) формує рибосоми
г) усі перераховані функції
7. Ферменти – це біокаталізатори, що складаються з:
а) білків б) нуклеотидів в) ліпідів в) жирів
8. До полісахаридів відносяться:
а) крохмаль, рибоза
б) глікоген, глюкоза
в) целюлоза, крохмаль
г) крохмаль, цукроза
9. Вуглець як елемент входить до складу:
а) білків та вуглеводів
б) вуглеводів та ліпідів
в) вуглеводів та нуклеїнових кислот
г) всіх органічних сполук клітини
10. Клітина містить ДНК:
а) в ядрі та мітохондріях
б) в ядрі, цитоплазмі та різних органоїдах
в) в ядрі, мітохондріях та цитоплазмі
г) у ядрі, мітохондріях, хлоропластах
ЩО ПРЕДСТАВЛЯЄ МОНОМЕТР МУКЛЕЇНОВИХ КИСЛОТ? ВАРІАНТИ (АМІНОКИСЛОТУ, НУКЛЕОТІД, МОЛЕКУЛА БІЛКА?) ЩО ВХОДИТЬ УСКЛАД НУКЛЕОТИДУ
ВАРІАНТИ: (АМІНОКИСЛОТА, АЗОТИСТА ОСНОВА, ЗАЛИШОК ФОСФОРНОЇ КИСЛОТИ, ВУГЛЕВОД?)
Допоможіть будь ласка!1.Наука вивчаюча клітини називається:
А) генетика;
Б) селекція;
В) екологія;
В) цитологія.
2. Органічні речовини клітини:
а) Вода, мінеральні речовини, жири;
Б) Вуглеводи, ліпіди, білки, нуклеїнові кислоти;
В) Вуглеводи, мінеральні речовини, жири;
Г) Вода, мінеральні речовини, білки.
3. З усіх органічних речовин основну масу в клітині складають:
А) Білки.
Б)Вуглеводи
В) Жири
г) Вода.
4. Замініть виділені слова одним словом:
А) Малі молекули органічних речовин утворюють у клітині складні молекули.
Б) Постійні структурні компоненти клітини виконують життєво важливі клітини функції.
В) Високоупорядковане, напіврідке внутрішнє середовище клітини забезпечує хімічна взаємодіявсіх клітинних структур.
Г)Головний фотосинтезуючий пігмент надає зелене забарвлення хлоропластам.
5. Накопичення та упаковку хімічних сполукв клеку здійснюють:
А) Мітохондрії;
Б) Рибосоми;
В) Лізосоми;
Г) Комплекс Гольджі.
6. Функції внутрішньоклітинного травлення виконують:
А) Мітохондрії;
Б) Рибосоми;
В) Лізосоми;
Г) Комплекс Гольджі.
7. «Складання» полімерної молекули білка виробляють:
А) Мітохондрії;
Б) Рибосоми;
В) Лізосоми;
Г) Комплекс Гольджі.
8. Сукупність хімічних реакційв результаті яких відбувається розпад органічних речовин та вивільнення енергії називають:
А) катаболізм;
б) анаболізм;
В) метаболізм;
Г) асиміляція
9. «Списування» генетичної інформаціїз молекули ДНК шляхом створення і-РНК називають:
а) трансляцією;
Б) транскрипцією;
В) Біосинтез;
Г) гликоліз.
10. Процес утворення органічних речовин на світлі у хлоропластах з використанням води та вуглекислого газу називають:
А) Фотосинтез;
Б) транскрипцією;
В) Біосинтез;
Г) гликоліз.
11. Ферментативний та безкисневий процес розпаду органічних речовин називають:
А) Фотосинтез;
Б) транскрипцією;
В) Біосинтез;
Г) гликоліз.
12. Назвіть основні тези клітинної теорії.
Дивись у корінь!
Козьма Прутков
Які хімічні елементивходять до складу живої клітки? Яку роль грають цукру та ліпіди? Як влаштовані білки і як їх молекули набувають певної просторової форми? Що таке ферменти та як вони розпізнають свої субстрати? Яку будову мають молекули РНК та ДНК? Які особливості молекули ДНК дозволяють грати роль носія генетичної інформації?
Урок-лекція
ЕЛЕМЕНТАРНИЙ І МОЛЕКУЛЯРНИЙ СКЛАД ЖИВОГО. Знайомство з живими системами ми починаємо з молекулярно-генетичного рівня. Це рівень молекул, які становлять структурну та функціональну основу клітин живих організмів.
Ретровірус. Дивовижні геометричні форми демонструють віруси!
Згадаймо, що з усіх відомих елементів, що входять до Періодичну системуД. І. Менделєєва, у живій клітці виявлено близько 80. При цьому серед них немає жодного, який був би відсутній у неживій природі. Це є одним із доказів спільності живої та неживої природи.
Більше 90% маси клітини становлять вуглець, водень, азот та кисень. У значно менших кількостях у клітині зустрічаються сірка, фосфор, калій, натрій, кальцій, магній, залізо та хлор. Усі інші елементи (цинк, мідь, йод, фтор, кобальт, марганець та інших.) разом становлять трохи більше 0,02% маси клітини. Тому їх називають мікроелементами. Мікроелементи входять до складу гормонів, ферментів і вітамінів, тобто сполук, що мають високу біологічну активність.
Наприклад, недолік в організмі йоду, необхідного для виробництва гормону щитовидної залози - тироксину, призводить до зменшення вироблення цього гормону і, як наслідок, до розвитку тяжких захворювань, зокрема кретинізму.
Більшість вмісту клітини становить вода. Багато речовин надходять у клітину або виводяться з неї у вигляді водних розчинів, у водному середовищі протікає більшість внутрішньоклітинних реакцій. Більше того, вода приймає і безпосередню участь у ряді хімічних реакцій, віддаючи з'єднанням, що утворюються, іони Н + або ОН - . Завдяки своїй високій теплоємності вода стабілізує температуру всередині клітини, робить її менш залежною від коливань температури в навколишньому середовищі.
Крім води, що становить 70% від об'єму клітини, до її складу входять органічні речовини – сполуки вуглецю. Серед них розрізняють невеликі молекули, що містять до 30 атомів вуглецю, та макромолекули. До перших відносять прості цукри (моносахариди), ліпіди, амінокислоти та нуклеотиди. Вони є структурними компонентами для побудови макромолекул, а крім того, грають істотну рольу процесах обміну речовин та енергії живої клітини.
І все ж основа життя на рівні молекул - це білки та нуклеїнові кислоти, про які поговоримо докладніше.
АМІНОКИСЛОТИ І БІЛКИ. Білкам належить особлива роль живої природи. Вони служать будівельним матеріалом клітини, і практично жоден із процесів, що протікають у клітинах, не обходиться без їхньої участі.
Молекула білка є ланцюжком амінокислот, причому кількість ланок у такому ланцюжку може коливатися від десятка до кількох тисяч. Сусідні амінокислоти пов'язані один з одним особливим типом хімічного зв'язку, яка носить назву пептидний. Зв'язок цей утворюється в процесі синтезу білка, коли карбоксильна група однієї амінокислоти зв'язується з аміногрупою іншої амінокислоти, що примикає до неї (рис. 32).
Рис. 32. Пептидний зв'язок
Усі 20 видів амінокислот беруть участь у побудові білків. Однак порядок їх чергування в білковому ланцюжку найрізноманітніший, що створює можливість для величезної кількості поєднань, а отже, і для побудови численних типів білкових молекул. Слід зазначити, що рослини здатні синтезувати все 20 амінокислот, необхідні побудови білків. Тварини ж отримують ряд амінокислот, які називаються незамінними, харчуючись рослинами.
Послідовність амінокислот у молекулі білка позначають як первинну структурубілка (рис. 33). Розрізняють і вторинну структурубілка, під якою розуміють характер просторового розташування окремих фрагментів ланцюга амінокислот. Во вторинної структуриділянки молекули білка мають форму спіралей чи складчастих шарів. У формуванні важлива роль належить водневим зв'язкам, які встановлюються між киснем і воднем пептидних зв'язків (-N-H...0=С-) різних амінокислот.
Рис. 33. Структура білка
Під третинною структуроюбілка мається на увазі просторове розташування всього амінокислотного ланцюга.
Третинна структура має пряме відношення до форми молекули білка, яка може бути ниткоподібною або округлою. В останньому випадку молекула згортається таким чином, що її гідрофобні ділянки опиняються всередині, а полярні гідрофільні групи – на поверхні. Просторова структура, що утворюється в результаті, носить назву глобула.
Нарешті, до складу деяких білків може входити кілька глобул, кожну з яких формує самостійний ланцюжок амінокислот. З'єднання кількох глобул у єдиний комплекс позначають терміном четвертинна структурабілка. Наприклад, молекула білка гемоглобіну складається з чотирьох глобул, що містять небілкову частину – гем.
Молекула білка здатна самоорганізовуватися у складну просторову структуру, конфігурація якої специфічна і визначається послідовністю амінокислот, тобто первинною структурою білка.
Самоорганізація - одна з унікальних властивостей білків, що лежить в основі багатьох функцій, що виконуються ними. Зокрема, на специфічності просторової структури білкової молекули заснований механізм розпізнавання ферментами (біологічними каталізаторами) свого субстрату, Т. е. молекули, яка після взаємодії з ферментом відчуває ті чи інші хімічні перетворення і перетворюється на продукт.
Як ферменти виступають білки, певний ділянку молекули яких утворює активний центр. Він пов'язує специфічний для даного ферменту субстрат та перетворює його на продукт. При цьому фермент здатний відрізняти свій субстрат завдяки особливій конфігурації просторового активного центру, специфічної для кожного ферменту. Можна уявити, що субстрат підходить до ферменту як ключ до замку.
Ви переконалися, що основою всіх властивостей білка лежить його первинна структура - послідовність амінокислот у молекулі. Її можна порівняти зі словом, написаним алфавітом, що складається з 20 букв-амінокислот. А якщо є слова, то може існувати і шифр, за допомогою якого ці слова можна закодувати. Яким чином? Відповісти це питання допоможе знайомство з будовою нуклеїнових кислот.
НУКЛЕОТИДИ І НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ. Нуклеотиди складаються з азотовмісної циклічної сполуки (азотистої основи), п'ятивуглецевого цукру та залишку фосфорної кислоти. З них побудовано макромолекули нуклеїнових кислот.
До складу молекул РНК(рибонуклеїнова кислота) входять нуклеотиди, побудовані на основі цукру рибози і що містять як азотисті основи аденін (А), гуанін (Г), цитозин (Ц) і урацил (У). Нуклеотиди, що становлять молекулу ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота), містять дезоксирибозу, а замість урацилу – тимін (Т).
Зчеплення нуклеотидів між собою у молекулі ДНК (РНК) відбувається завдяки зв'язку фосфорного залишку одного нуклеотиду з дезоксирибозою (рибозою) іншого (рис. 34).
Рис. 34. Склад ланцюга та будова молекули ДНК
У ході досліджень складу молекул ДНК було з'ясовано, що в кожній з них число аденінових азотистих основ (А) дорівнює числу тімінових (Т), а число гуанінових (Г) – числу цитозинових (Ц). Це відкриття послужило передумовою створення Дж. Вотсоном і Ф. Криком в 1953 р. моделі молекули ДНК - знаменитої подвійний спіралі.
Відповідно до цієї моделі молекула ДНК складається з двох ланцюгів, які згорнуті у вигляді правозакрученої спіралі (рис. 35).
Рис. 35. Модель структури ДНК
Кожен ланцюг містить послідовність нуклеотидів, суворо відповідну (комплементарну) послідовності іншого ланцюга. Ця відповідність досягається наявністю водневих зв'язків між спрямованими назустріч один одному азотистими основами двох ланцюгів - А та Т або Г і Ц.
Зв'язок між іншими парами азотистих основ неможлива, оскільки просторова структура молекул азотистих основ така, що тільки А і Т, як і Г і Ц, можуть зблизитися один з одним на стільки, щоб утворити між собою водневі зв'язки.
Найважливіша особливість ДНК полягає у можливості її самоподвоєння. реплікації, що здійснюється за участю групи ферментів (рис. 36).
Рис. 36. Схема реплікації ДНК
У певних ділянках, у тому числі і на одному з кінців, дволанцюжкової спіральної молекули ДНК відбувається розрив водневих зв'язків між ланцюгами. Вони поділяються і розмотуються.
Цей процес поступово охоплює всю молекулу. У міру розходження ланцюгів материнської молекули на них, як на матриці, з наявних у довкіллянуклеотидів вишиковуються дочірні ланцюги. Складання нового ланцюга йде в точній відповідності до принципу комплементарності: проти кожного А встає Т, проти Г - Ц і т. д. У результаті виходять дві нові молекули ДНК, у кожної з яких один ланцюг залишився від вихідної молекули ДНК, а другий - новий . При цьому дві молекули ДНК, що утворюються при реплікації, ідентичні вихідній.
Здатність молекули ДНК до самокопіювання і є основою передачі спадкової інформації живими організмами. Послідовність нуклеотидних підстав у молекулі ДНК таки служить тим шифром, яким закодована інформація про білки, необхідні функціонування організму.
На відміну від ДНК, молекула РНК складається з одного полінуклеотидного ланцюга. Існує кілька типів РНК, які виконують у клітині різні функції. РНК-копія ділянки ланцюга ДНК носить назву інформаційної або матричної РНК(МРНК) і грає роль посередника при передачі генетичної інформації від ДНК до структур клітини, що синтезують білок - рибосом. Крім того, у клітці є рибосомні РНК(рРНК), які разом з білками формують рибосоми, транспортні РНК(тРНК), що транспортують амінокислоти до місця синтезу білка, та деякі інші.
Молекула ДНК складається з двох згорнутих у спіраль комплементарних ланцюгів нуклеотидів, які утримуються водневими зв'язками, утворюючими А-Ті Г-Ц париоснов. Послідовність нуклеотидів ланцюга ДНК є шифром, який кодує генетичну інформацію. Розшифровка цієї інформації здійснюється за участю молекул РНК. Здатність ДНК до самокопіювання (реплікації) забезпечує можливість передачі генетичної інформації у живій природі.
- Чому білки називають молекулами життя?
- Яка роль просторових структур білків у процесах життєдіяльності клітини?
- Який принцип є основою процесів реплікації ДНК?
