Органические вещества. Углеводы. Белки

  • ГДЗ
  • 1 Класс
    • Математика
    • Английский язык
    • Русский язык
    • Немецкий язык
    • Информатика
    • Природоведение
    • Основы здоровья
    • Музыка
    • Литература
    • Окружающий мир
    • Человек и мир
    • Технология
  • 2 Класс
    • Математика
    • Английский язык
    • Русский язык
    • Немецкий язык
    • Украинский язык
    • Информатика
    • Природоведение
    • Основы здоровья
    • Музыка
    • Литература
    • Окружающий мир
    • Технология
  • 3 Класс
    • Математика
    • Английский язык
    • Русский язык
    • Немецкий язык
    • Украинский язык
    • Информатика

resheba.me

углеводы — урок. Биология, Общие биологические закономерности (9–11 класс).

Углеводы, или сахариды, — одна из основных групп органических соединений. Они входят в состав клеток всех живых организмов.

Основная функция углеводов — энергетическая (при расщеплении и окислении молекул углеводов выделяется энергия, 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. Углеводы также используются и в качестве строительного материала.

 

Общая формула углеводов:

Cn(h3O)m.

Углеводы состоят из углерода, водорода и кислорода.

В состав производных углеводов могут входить и другие элементы.

 

Растворимые в воде углеводы. Моносахариды и дисахариды

Пример:

из моносахаридов наибольшее значение для живых организмов имеют рибоза, дезоксирибоза, глюкоза, фруктоза, галактоза.

Глюкоза — основной источник энергии для клеточного дыхания.

Фруктоза — составная часть нектара цветов и фруктовых соков.

Рибоза и дезоксирибоза — структурные элементы нуклеотидов, являющихся мономерами нуклеиновых кислот (РНК и ДНК).
Дисахариды образуются путём соединения двух молекул моносахаридов и по своим свойствам близки к моносахаридам. Например, и те и другие хорошо растворимы в воде и имеют сладкий вкус.

Пример:

сахароза (тростниковый сахар), мальтоза (солодовый сахар), лактоза (молочный сахар) — дисахариды, образовавшиеся в результате слияния двух молекул моносахаридов:

сахароза (глюкоза \(+\) фруктоза) — основной продукт фотосинтеза, транспортируемый в растениях.

Лактоза (глюкоза \(+\) галактоза) — входит в состав молока млекопитающих.

Мальтоза (глюкоза \(+\) глюкоза) — источник энергии в прорастающих семенах.

Функции растворимых углеводов: транспортная, защитная, сигнальная, энергетическая.

Нерастворимые в воде полисахариды

Полисахариды состоят из большого числа моносахаридов. С увеличением количества мономеров растворимость полисахаридов уменьшается и сладкий вкус исчезает.

 

Пример:

полимерные углеводы: крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин.

Функции полимерных углеводов: структурная, запасающая, энергетическая, защитная.
Крахмал состоит из разветвлённых спирализованных молекул, образующих запасные вещества в тканях растений.

Целлюлоза является важным структурным компонентом клеточных стенок грибов и растений.

Целлюлоза нерастворима в воде и обладает высокой прочностью.

Хитин состоит из аминопроизводных глюкозы, входит в состав клеточных стенок некоторых грибов и формирует наружный скелет членистоногих животных.
Гликоген — запасное вещество животной клетки.

Известны также сложные полисахариды, выполняющие структурные функции в опорных тканях животных (они входят в состав межклеточного вещества кожи, сухожилий, хрящей, придавая им прочность и эластичность).

Источники:

Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. 9 класс // ДРОФА.
Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. Общая биология (базовый уровень) 10–11 класс // ДРОФА.

Лернер Г. И. Биология: Полный справочник для подготовки к ЕГЭ: АСТ, Астрель.

http://www.bestreferat.ru/referat-100195.html

www.yaklass.ru

8. Органические вещества. Углеводы. Белки. Биология. Общая биология. 10 класс. Базовый уровень

8. Органические вещества. Углеводы. Белки

Вспомните!

Какие вещества называют биологическими полимерами?

Каково значение углеводов в природе?

Назовите известные вам белки. Какие функции они выполняют?

Углеводы (сахара). Это обширная группа природных органических соединений. В животных клетках углеводы составляют не более 5 % сухой массы, а в некоторых растительных (например, клуб ни картофеля) их содержание достигает 90 % сухого остатка. Углеводы подразделяют на три основных класса: моносахариды, дисахариды и полисахариды.

Моносахариды рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот (рис. 15). Глюкоза присутствует в клетках всех организмов и является одним из основных источников энергии для животных. Широко распространена в природе фруктоза – фруктовый сахар, который значительно слаще других сахаров. Этот моносахарид придаёт сладкий вкус плодам растений и мёду.

Если в одной молекуле объединяются два моносахарида, такое соединение называют дисахаридом. Самый распространённый в природе дисахарид – сахароза, или тростниковый сахар, – состоит из глюкозы и фруктозы (рис. 16). Её получают из сахарного тростника или сахарной свёклы. Именно она и есть тот самый сахар, который мы покупаем в магазине.

Сложные углеводы – полисахариды

, состоящие из простых сахаров, выполняют в организме несколько важных функций (рис. 17). Крахмал для растений и гликоген для животных и грибов являются резервом питательных веществ и энергии.

Рис. 15. Структурные формулы моносахаридов

Рис. 16. Структурная формула сахарозы (дисахарида)

Рис. 17. Строение полисахаридов

Крахмал запасается в растительных клетках в виде так называемых крахмальных зёрен. Больше всего его откладывается в клубнях картофеля и в семенах бобовых и злаков. Гликоген у позвоночных содержится главным образом в клетках печени и мышцах. Крахмал, гликоген и целлюлоза построены из молекул глюкозы.

Целлюлоза и хитин выполняют в организмах структурную и защитную функции. Целлюлоза, или клетчатка, образует стенки растительных клеток. По общей массе она занимает первое место на Земле среди всех органических соединений. По своему строению очень близок к целлюлозе хитин, который составляет основу наружного скелета членистоногих и входит в состав клеточной стенки грибов.

Белки (полипептиды). Одними из наиболее важных органических соединений в живой природе являются белки. В каждой живой клетке присутствует одновременно более тысячи видов белковых молекул. И у каждого белка своя особая, только ему свойственная функция. О первостепенной роли этих сложных веществ догадывались ещё в начале XX в., именно поэтому им дали название протеины (от греч. protos – первый). В различных клетках на долю белков приходится от 50 до 80 % сухой массы.

Строение белков. Длинные белковые цепи построены всего из 20 различных типов аминокислот, имеющих общий план строения, но отличающихся друг от друга по строению радикала (R) (рис. 18). Соединяясь, молекулы аминокислот образуют так называемые пептидные связи (рис. 19).

Рис. 18. Общая структурная формула аминокислот, входящих в состав белков

Рис. 19. Образование пептидной связи между двумя аминокислотами

Две полипептидные цепи, из которых состоит гормон поджелудочной железы – инсулин, содержат 21 и 30 аминокислотных остатков. Это одни из самых коротких «слов» в белковом «языке». Миоглобин – белок, связывающий кислород в мышечной ткани, состоит из 153 аминокислот. Белок коллаген, составляющий основу коллагеновых волокон соединительной ткани и обеспечивающий её прочность, состоит из трёх полипептидных цепей, каждая из которых содержит около 1000 аминокислотных остатков.

Последовательное расположение аминокислотных остатков, соединённых пептидными связями, является первичной структурой белка и представляет собой линейную молекулу (рис. 20). Закручиваясь в виде спирали, белковая нить приобретает более высокий уровень организации – вторичную структуру. И наконец, спираль полипептида сворачивается, образуя клубок (глобулу). Именно такая третичная структура белка и является его биологически активной формой, обладающей индивидуальной специфичностью. Однако для ряда белков третичная структура не является окончательной.

Может существовать четвертичная структура – объединение нескольких белковых глобул в единый рабочий комплекс. Так, например, сложная молекула гемоглобина состоит из четырёх полипептидов, и только в таком виде она может выполнять свою функцию.

Функции белков. Огромное разнообразие белковых молекул подразумевает столь же широкое разнообразие их функций (рис. 21, 22). Около 10 тыс. белков-ферментов служат катализаторами химических реакций. Они обеспечивают слаженную работу биохимического ансамбля клеток живых организмов, ускоряя во много раз скорость химических реакций.

Рис. 20. Строение белковой молекулы: А – первичная; Б – вторичная; В – третичная; Г – четвертичная структуры

Вторая по величине группа белков выполняет структурную и двигательную функции. Белки участвуют в образовании всех мембран и органоидов клетки. Коллаген входит в состав межклеточного вещества соединительной и костной ткани, а основным компонентом волос, рогов и перьев, ногтей и копыт является белок кератин. Сократительную функцию мышц обеспечивают актин и миозин.

Транспортные белки связывают и переносят различные вещества и внутри клетки, и по всему организму.

Белки-гормоны обеспечивают регуляторную функцию.

Например, соматотропный гормон, вырабатываемый гипофизом, регулирует общий обмен веществ и влияет на рост. Недостаток или избыток этого гормона в детском возрасте приводит соответственно к развитию карликовости или гигантизма.

Рис. 21. Основные группы белков

Чрезвычайно важна защитная функция белков. При попадании в организм человека чужеродных белков, вирусов или бактерий на защиту встают иммуноглобулины – защитные белки. Фибриноген и протромбин обеспечивают свёртываемость крови, предохраняя организм от кровопотери. Есть у белков и защитная функция несколько иного рода. Многие членистоногие, рыбы, змеи и другие животные выделяют токсины – сильные яды белковой природы. Белками являются и самые сильные микробные токсины, например ботулиновый, дифтерийный, холерный.

При нехватке пищи в организме животных начинается активный распад белков до конечных продуктов, и тем самым реализуется энергетическая функция этих полимеров. При полном расщеплении 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии.

Рис. 22. Синтезированные белки или остаются в клетке для внутриклеточного применения, или выводятся наружу для использования на уровне организма

Рис. 23. Денатурация белка

Денатурация и ренатурация белков. Денатурация – это утрата белковой молекулой своей структурной организации: четвертичной, третичной, вторичной, а при более жёстких условиях – и первичной структуры (рис. 23). В результате денатурации белок теряет способность выполнять свою функцию. Причинами денатурации могут быть высокая температура, ультрафиолетовое излучение, действие сильных кислот и щелочей, тяжёлых металлов и органических растворителей.

Дезинфицирующее свойство этилового спирта основано на его способности вызывать денатурацию бактериальных белков, что приводит к гибели микроорганизмов.

Денатурация может быть обратимой и необратимой, частичной и полной. Иногда, если воздействие денатурирующих факторов оказалось не слишком сильным и разрушение первичной структуры молекулы не произошло, при наступлении благоприятных условий денатурированный белок может вновь восстановить свою трёхмерную форму. Этот процесс называют ренатурацией, и он убедительно доказывает зависимость третичной структуры белка от последовательности аминокислотных остатков, т. е. от его первичной структуры.

Вопросы для повторения и задания

1. Какие химические соединения называют углеводами?

2. Что такое моно– и дисахариды? Приведите примеры.

3. Какой простой углевод служит мономером крахмала, гликогена, целлюлозы?

4. Из каких органических соединений состоят белки?

5. Как образуются вторичная и третичная структуры белка?

6. Назовите известные вам функции белков. Чем вы можете объяснить существующее многообразие функций белков?

7. Что такое денатурация белка? Что может явиться причиной денатурации?

Подумайте! Выполните!

1. Используя знания, полученные при изучении биологии растений, объясните, почему в растительных организмах углеводов значительно больше, чем в животных.

2. К каким заболеваниям может привести нарушение превращения углеводов в организме человека?

3. Известно, что, если в рационе отсутствует белок, даже несмотря на достаточную калорийность пищи, у животных останавливается рост, изменяется состав крови и возникают другие патологические явления. Какова причина подобных нарушений?

4. Объясните трудности, возникающие при пересадке органов, опираясь на знания специфичности белковых молекул в каждом организме.

5. Оцените содержание белков, жиров и углеводов в продуктах питания (на основании данных, представленных на этикетках).

Работа с компьютером

Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал и выполните задания.

Узнайте больше

К настоящему времени выделено и изучено более тысячи ферментов, каждый из которых способен влиять на скорость той или иной биохимической реакции.

Молекулы одних ферментов состоят только из белков, другие включают белок и небелковое соединение, или кофермент. В качестве коферментов выступают различные вещества, как правило, витамины и неорганические – ионы различных металлов.

Как правило, ферменты строго специфичны, т. е. ускоряют только определённые реакции, хотя встречаются ферменты, которые катализируют несколько реакций. Такая избирательность действия ферментов связана с их строением. Активность фермента определяется не всей его молекулой, а определённым участком, который называют активным центром фермента. Форма и химическое строение активного центра таковы, что с ним могут связываться только определённые молекулы, которые подходят ферменту, как ключ замку. Вещество, с которым связывается фермент, называют субстратом. Иногда одна молекула фермента имеет несколько активных центров, что, естественно, ещё более ускоряет скорость катализируемого биохимического процесса.

На заключительном этапе химической реакции комплекс «фермент – субстрат» распадается на конечные продукты и свободный фермент. Освободившийся при этом активный центр фермента может снова принимать новые молекулы вещества-субстрата (рис. 24).

Рис. 24. Схема образования комплекса «фермент – субстрат»

Повторите и вспомните!

Человек

Обмен углеводов. В организм углеводы попадают в виде различных соединений: крахмал, гликоген, сахароза, фруктоза, глюкоза. Сложные углеводы начинают перевариваться уже в ротовой полости. В двенадцатиперстной кишке они расщепляются окончательно – до глюкозы и других простых углеводов. В тонком кишечнике простые углеводы всасываются в кровь и направляются в печень. Здесь избыток углеводов задерживается и превращается в гликоген, а оставшаяся часть глюкозы распределяется между всеми клетками тела. В организме глюкоза, прежде всего, является источником энергии. Расщепление 1 г глюкозы сопровождается выделением 17,6 кДж (4,2 ккал) энергии. Продукты распада углеводов (углекислый газ и вода) выводятся через лёгкие или с мочой. Главная роль в регуляции концентрации глюкозы в крови принадлежит гормонам поджелудочной железы и надпочечников.

Больше всего углеводов содержится в продуктах растительного происхождения. Обычно в пище человека встречаются такие углеводы, как крахмал, свекловичный сахар (сахароза) и фруктовый сахар. Особенно богаты крахмалом различные крупы, хлеб, картофель. Очень полезен фруктовый сахар, он легко усваивается организмом. Этого сахара много в мёде, фруктах и ягодах. Взрослому человеку необходимо получать с пищей не менее 150 г углеводов в сутки. При выполнении физически тяжёлых работ это количество необходимо увеличить в 1,5–2 раза. С точки зрения процессов обмена веществ введение в организм полисахаридов более рационально, чем моно– и дисахаридов. Действительно, относительно медленный распад крахмала в пищеварительной системе приводит к постепенному поступлению глюкозы в кровь. В случае же переедания сладкого концентрация глюкозы в крови растёт резко, скачкообразно, что негативно влияет на работу многих органов (в том числе поджелудочной железы).

Обмен белков. Попадая в организм, пищевые белки под действием ферментов расщепляются в желудочно-кишечном тракте до отдельных аминокислот и в таком виде всасываются в кровь. Главная функция этих аминокислот – пластическая, т. е. из них строятся все белки нашего организма. Реже белки используются как источники энергии: при распаде 1 г выделяется 17,6 кДж (4,2 ккал). Аминокислоты, входящие в состав белков нашего организма, подразделяют на заменимые и незаменимые. Заменимые аминокислоты могут синтезироваться в нашем организме из других аминокислот, поступающих с пищей. К ним относятся глицин, серин и другие. Однако многие необходимые нам аминокислоты не синтезируются в нашем организме и поэтому должны постоянно поступать в организм в составе белков пищи. Такие аминокислоты называют незаменимыми. Среди них, например, валин, метионин, лейцин, лизин и некоторые другие. В случае дефицита незаменимых аминокислот возникает состояние «белкового голодания», приводящее к замедлению роста организма, ухудшению процессов самовозобновления клеток и тканей. Пищевые белки, содержащие все необходимые человеку аминокислоты, называют полноценными. К ним относят животные и некоторые растительные белки (бобовых растений). Пищевые белки, в составе которых отсутствуют какие-либо незаменимые аминокислоты, называют неполноценными (например, белки кукурузы, ячменя, пшеницы).

Большинство продуктов питания содержит белок. Богаты белком мясо, рыба, сыр, творог, яйца, горох, орехи. Особенно важны животные белки молодому растущему организму. Недостаток полноценных белков в пище приводит к замедлению роста. В сутки человеку необходимо съедать с пищей 100–120 г белка.

Распадаясь, аминокислоты образуют воду, углекислый газ и ядовитый аммиак, который в печени превращается в мочевину. Конечные продукты обмена белков выводятся из организма с мочой, по?том и в составе выдыхаемого воздуха.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

bio.wikireading.ru

Читать книгу Биология. Общая биология. 10 класс. Углубленный уровень Н. И. Сонина : онлайн чтение

3.2.2. Органические молекулы – углеводы

Углеводы, или сахариды, – органические вещества с общей формулой Сn2O)m. У большинства простых углеводов число молекул воды соответствует количеству атомов углерода. Поэтому эти вещества и были названы углеводами.

В животной клетке углеводы находятся в количествах, не превышающих 1–2, реже 5 %. Наиболее богаты углеводами растительные клетки, где их содержание в некоторых случаях достигает 90 % сухой массы (клубни картофеля, семена и т. д.).

Углеводы бывают простыми и сложными. Простые углеводы называют моносахаридами. В зависимости от числа атомов углерода в молекуле моносахариды называют триозами – 3 атома, тетрозами – 4, пентозами – 5 или гексозами – 6 атомов углерода. Из шестиуглеродных моносахаридов – гексоз – наиболее важными являются глюкоза, фруктоза и галактоза (рис. 3.16). Глюкоза содержится в крови в количестве 0,08–0,12 %. Пентозы – рибоза и дезоксирибоза – входят в состав нуклеиновых кислот и АТФ.


Рис. 3.16. Моносахариды – гексозы


Рис. 3.17. Полисахариды: А – разветвлённый полимер; Б – линейный полимер (целлюлоза)

Если в одной молекуле объединяются два моносахарида, такое соединение называют дисахаридом. К дисахаридам относятся пищевой сахар – сахароза, получаемый из тростника или сахарной свёклы и состоящий из одной молекулы глюкозы и одной молекулы фруктозы, и молочный сахар – лактоза, образованный молекулами глюкозы и галактозы.

Сложные углеводы, которые образованы более, чем двумя моносахаридами, называют полисахаридами (рис. 3.17). Мономерами таких полисахаридов, как крахмал, гликоген, целлюлоза, является глюкоза. Полисахариды, как правило, представляют собой разветвлённые полимеры (рис. 3.17, А).

Углеводы выполняют ряд основных функций – пластическую (строительную), сигнальную и энергетическую. Например, целлюлоза образует стенки растительных клеток, а сложный полисахарид хитин является главным структурным компонентом наружного скелета членистоногих. Строительную функцию хитин выполняет и у грибов, образуя клеточные стенки. Не менее важна сигнальная функция углеводов. Небольшие олигосахариды, включающие 20–30 мономерных звеньев, входят в состав поверхностных и внутриклеточных рецепторов. Именно они, наряду с антигенами клеточной поверхности, определяют принадлежность клетки к определённой ткани. Кроме этого, углеводные части рецепторов выполняют функцию молекулярного «узнавания» и способствуют изменению пространственной конфигурации белкового компонента рецептора, что запускает определённые биохимические превращения веществ в клетке (см. рис. 3.11).

Также углеводы играют роль основного источника энергии в клетке. В процессе окисления 1 г углеводов освобождается 17,6 кДж энергии. Таким образом, крахмал у растений и гликоген у животных, откладываясь в клетках, служат энергетическим резервом.

Опорные точки

• Наибольшее количество углеводов содержится в растительных клетках.

• Моносахариды являются основным источником энергии для большинства живых организмов.

• Углеводы входят в состав рецепторов клетки и поверхностных антигенов, выполняя информационно-коммуникативные функции.

• Полисахарид целлюлоза входит в состав клеточных стенок прокариот и растений.

• Хитин образует наружный скелет членистоногих и клеточные оболочки грибов.

Вопросы и задания для повторения

1. Какие химические соединения называют углеводами?

2. Перечислите типы клеток, наиболее богатых углеводами.

3. Охарактеризуйте моносахариды и приведите их примеры.

4. Что такое дисахариды? Приведите примеры.

5. Каковы особенности строения полисахаридов?

6. Какой простой углевод служит мономером крахмала, гликогена, целлюлозы?

7. Перечислите и раскройте функции углеводов.

3.2.3. Органические молекулы – жиры и липоиды

Жиры, или липиды (от греч. lipos – жир), представляют собой соединения высокомолекулярных жирных кислот и трёхатомного спирта глицерина. Жиры не растворяются в воде, они гидрофобны (от греч. hydor – вода и phobos – страх). В клетках помимо жиров есть и другие сложные гидрофобные жироподобные вещества, называемые липоидами. К ним относят фосфолипиды, стерины и др.

Содержание жира в клетке колеблется в пределах 5–15 % от массы сухого вещества. В клетках жировой ткани количество жира может составлять до 90 %. Накапливаясь в клетках жировой ткани животных, в семенах и плодах растений, жир служит запасным источником энергии.

Также важна роль жиров и как растворителей гидрофобных органических соединений, например витаминов A, D, Е, необходимых для нормального протекания биохимических превращений в организме.

Жиры и липоиды выполняют и строительную функцию. Так, фосфолипиды образуют клеточные мембраны. Примеры фосфолипидов, входящих в состав мембран различных структур, представлены на рисунке 3.18. Более подробно вы прочтёте о фосфолипидах в главе 5.

Благодаря плохой теплопроводности жир способен выполнять функцию теплоизолятора. У некоторых животных (тюленей, китов) он откладывается в подкожной жировой ткани, которая, например у китов, образует слой толщиной до 1 м.

Ещё одна важная функция жиров – энергетическая. В ходе расщепления 1 г жиров до СO2 и Н2O освобождается большое количество энергии – 38,9 кДж.

Холестерин (рис. 3.19) относят к стеринам – жироподобным веществам, липоидам природного происхождения. Он содержится практически во всех тканях организма, входит в состав биологических мембран, укрепляя, стабилизируя их структуру. Нарушение обмена холестерина лежит в основе некоторых патологических состояний (от греч. patos – болезнь). Например, при атеросклерозе он откладывается на стенках кровеносных сосудов, затрудняя или препятствуя кровотоку.


Рис. 3.18. Строение разных фосфолипидов

Кроме этого, близкие по структуре вещества выполняют функцию половых гормонов и гормонов коры надпочечников, регулирующих углеводный и минеральный обмен. Образование некоторых липоидов предшествует синтезу гормонов коры надпочечников. Следовательно, этим веществам присуща и функция регуляции обменных процессов.

Большое значение в жизнедеятельности клетки и организма играют и такие сложные соединения, как гликолипиды, состоящие из углеводов и липидов. Особенно их много в составе ткани мозга и нервных волокон. Здесь же надо назвать и липопротеиды, представляющие собой комплексные соединения различных белков с жирами.

В клетках человека и животных из ненасыщенных жирных кислот синтезируются такие регуляторные вещества, как простагландины. Они обладают широким спектром биологической активности: регулируют сокращение мускулатуры внутренних органов, поддерживают тонус сосудов, регулируют функции различных отделов мозга.


Рис. 3.19. Холестерин – обязательный компонент биологических мембран

Опорные точки

• Жиры и липоиды гидрофобны, т. е. не растворяются в воде.

• Фосфолипиды являются основой биологических мембран.

• Как растворители жиры обеспечивают проникновение в организм жирорастворимых веществ, например витаминов D, Е, А.

Вопросы и задания для повторения

1. Что такое жиры?

2. Опишите химический состав жиров и фосфолипидов.

3. Какие функции выполняют жиры и липоиды? Какими физическими свойствами обусловлена строительная функция фосфолипидов?

4. В каких клетках и тканях наиболее велико количество жиров? Зачем эти клетки синтезируют и накапливают большое количество жиров?

5. В чём заключается регуляторная роль жиров?

6. Что такое холестерин? Каково его значение в клетке и организме?

Вопросы и задания для обсуждения

1. Чем определяется специфичность деятельности биологических катализаторов – ферментов? Как вы представляете себе роль воды в работе ферментов?

2. Каков механизм действия рецепторов клеточной поверхности? В чём вы видите биологический смысл воздействия различных веществ на клетку через рецепторы, а не непосредственно на процессы обмена веществ?

3. Как моносахариды объединяются в полимеры? Какие химические связи определяют пространственную конфигурацию полисахаридов?

4. Какие моносахариды входят в состав ди– и полисахаридов?

5. В чём заключается биологическое значение липоидов? Охарактеризуйте роль холестерина в организации клеточных мембран и в организме в целом.

3.2.4. Биологические полимеры – нуклеиновые кислоты

К середине XIX в. было установлено, что способность к наследованию признаков определяется материалом, находящимся в ядре клетки. В 1869 г. Ф. Мишер, исследуя химический состав ядер клеток гнойного содержимого, выделил из них вещество кислого характера, названное им нуклеином. Это событие расценивается сейчас как открытие нуклеиновых кислот.

Сам термин «нуклеиновые кислоты» был введён в 1889 г. немецким биохимиком А. Кёсселем, описавшим гидролиз нуклеиновых кислот. Учёный установил, что они состоят из остатков сахара (пентозы), фосфорной кислоты и одного из четырёх гетероциклических азотистых оснований, принадлежащих к пуринам или пиримидинам (рис. 3.20).

Значение нуклеиновых кислот огромно. Особенности их химического строения обеспечивают возможность хранения, переноса и передачи по наследству дочерним клеткам информации о структуре белковых молекул, которые синтезируются в каждой ткани на определённом этапе индивидуального развития.

Стабильность нуклеиновых кислот – важнейшее условие нормальной жизнедеятельности клеток и целых организмов. Часто изменения строения нуклеиновых кислот (мутации) влекут за собой изменения структуры клеток или активности физиологических процессов в них, влияя таким образом на жизнеспособность клеток, тканей и организмов в целом. С другой стороны, именно изменения структуры ДНК лежат в основе эволюционных преобразований.

Структуру нуклеиновых кислот впервые установили американский биохимик Дж. Уотсон и английский физик Ф. Крик (1953). Её изучение имеет исключительно важное значение для понимания наследования признаков у организмов и закономерностей функционирования отдельных клеток и клеточных систем – тканей и органов.


Рис. 3.20. Строение нуклеотида и его компонентов

Существуют два различных типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК).

3.2.4.1. ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота

ДНК представляет собой генетический материал большинства организмов. В прокариотических клетках кроме основной хромосомной ДНК часто встречаются внехромосомные ДНК – плазмиды. В эукариотических клетках основная масса ДНК расположена в клеточном ядре, где она связана с различными белками в хромосомах, а также содержится в некоторых органеллах – митохондриях и пластидах.

ДНК – это линейный, нерегулярный биологический полимер, состоящий, как правило, из двух полинуклеотидных цепей, соединённых друг с другом. Мономеры, составляющие каждую из цепей ДНК, – сложные органические соединения – нуклеотиды. Одни из важнейших компонентов нуклеотидов представляют собой азотистые основания.

В подавляющем большинстве случаев в состав нуклеотидов ДНК входят азотистые основания тимин (Т) и цитозин (Ц) – производные пиримидина, а также аденин (А) и гуанин (Г), относящиеся к производным пурина. Кроме того, нуклеотиды включают в себя пятиатомный сахар (пентозу) – дезоксирибозу и остаток фосфорной кислоты. На рисунке 3.20 показано, как компоненты нуклеотида соединены друг с другом. Обратите внимание, что атомы углерода в дезоксирибозе пронумерованы как 1′, 2′, 3′, 4′ и 5′. К С1′-атому присоединено азотистое основание, к С5′-атому – остаток фосфорной кислоты, а С3′-атом предназначен для соединения с последующим нуклеотидом в полинуклеотидной цепи.

ДНК – полимер с очень большой молекулярной массой: в одну молекулу может входить 108 и более нуклеотидов. В каждой полинуклеотидной цепи нуклеотиды соединяются между собой благодаря образованию эфирных связей между дезоксирибозой одного и остатком фосфорной кислоты другого нуклеотида (рис. 3.21). При этом в начале молекулы – у первого нуклеотида – свободным от образования эфирной связи остаётся остаток фосфорной кислоты. Это так называемый 5′-конец молекулы. На другом, «заднем» конце молекулы, не задействованным в образовании эфирной связи, оказывается 3′-атом углерода дезоксирибозы – 3′-конец полинуклеотидной цепи. Подобный принцип лежит и в основе строения РНК.

Две полинуклеотидные цепи объединяются в единую молекулу при помощи водородных связей, возникающих между азотистыми основаниями, входящими в состав нуклеотидов и образующих разные цепи. Количество таких связей между разными азотистыми основаниями неодинаково, и вследствие этого азотистое основание А одной цепи полинуклеотидов всегда связано двумя водородными связями с Т другой цепи, а Г – тремя водородными связями с азотистым основанием Ц противоположной полинуклеотидной цепочки. Такая способность к избирательному соединению нуклеотидов, в результате чего формируются пары А-Т и Г-Ц, называется комплементарностью (рис. 3.22). Если известна последовательность нуклеотидов в одной цепи (например, Т-Ц-А-Т-Г), то благодаря принципу комплементарности легко определить последовательность оснований противоположной цепи (А-Г-Т-А-Ц).

Последовательность соединения нуклеотидов одной цепи противоположна таковой в другой, т. е. цепи, составляющие одну молекулу ДНК, разнонаправлены, или антипараллельны. Сахарофосфатные группировки нуклеотидов находятся снаружи, а комплементарно связанные нуклеотиды – внутри. Цепи закручиваются друг вокруг друга, а также вокруг общей оси и образуют правозакрученные объёмные спирали по 10 пар оснований в каждом витке – двойную спираль (рис. 3.23).


Рис. 3.21. Схема строения полинуклеотидных цепей – молекул ДНК и РНК


Рис. 3.22. Схема комплементарного соединения полинуклеотидных цепей в молекуле ДНК

При соединении с определёнными белками – гистонами – степень спирализации молекулы повышается. Молекула утолщается и укорачивается, возникает нуклеосомная нить, представляющая собой по сути дезоксинуклеопротеид (рис. 3.24). В дальнейшем степень спирализации возрастает: нуклеосомная нить, закручиваясь вокруг своей оси, формирует хроматиновую фибриллу (рис. 3.25). Последняя в результате дальнейшей спирализации образует петлистую структуру, молекула ещё более укорачивается и утолщается (рис. 3.26). Наконец, спирализация достигает максимума, возникает спираль ещё более высокого уровня – суперспираль. При этом молекула ДНК, связанная с различными белками, становится различима в световой микроскоп как вытянутое, хорошо окрашиваемое тельце – хромосома (см. рис. 3.26).


Рис. 3.23. Объёмная модель двойной спирали ДНК (первый уровень спирализации). Открыта Дж. Уотсоном и Ф. Криком (1953)

Хромосомой можно назвать самостоятельное ядерное тельце вытянутой формы, имеющее плечи и первичную перетяжку – центромеру. До удвоения в S-периоде митотического цикла хромосома состоит из одной молекулы ДНК – хроматиды (однохроматидная хромосома), а после редупликации – из двух хроматид (двухроматидная хромосома), связанных в области центромеры. Важно отметить, что наблюдать хромосому в состоянии суперспирализации ДНК можно лишь в метафазе митоза или делений мейоза. В другие периоды жизненного цикла клетки хромосомный материал – молекулы ДНК находятся в состоянии меньшей спирализации или деспирализованы, раскручены. Участки молекулы ДНК (хромосомы), полностью деспирализованные из-за своей малой толщины, видны лишь при максимальном увеличении электронного микроскопа.


Рис. 3.24. Строение нуклеосомной нити (второй уровень спирализации): А – схема; Б – электронная микрофотография


Рис. 3.25. Схема строения хроматиновой фибриллы (третий уровень спирализации)

Одной из важнейших функций ДНК можно считать хранение наследственной информации. Каким же образом ДНК обеспечивает эту важнейшую задачу?

Запись генетической информации в молекуле ДНК – генетический код. Всё многообразие жизни обусловливается разнообразием белковых молекул, выполняющих в клетках, тканях и организмах различные биологические функции. Структура белков определяется набором и порядком расположения аминокислот в полипептидных цепях. Именно эта последовательность аминокислот пептидов зашифрована в молекулах ДНК с помощью генетического кода. В процессе транскрипции генетический код из кодонов ДНК переводится в последовательность кодонов информационной РНК (рис. 3.27).

В 1954 г. Г. Гамов высказал предположение, что кодирование информации в молекулах ДНК должно осуществляться сочетаниями нескольких нуклеотидов. Для шифровки двадцати различных аминокислот достаточное количество сочетаний нуклеотидов может обеспечить лишь триплетный код, в котором каждая аминокислота шифруется тремя расположенными друг за другом в полинуклеотидной цепи нуклеотидами. В этом случае комбинация из четырёх нуклеотидов образует 64 триплета (43 = 64).


Рис. 3.26. Схема уровней спирализации хромосомного материала (ДНК)

Одним из самых важных этапов в изучении функции нуклеиновых кислот стала расшифровка способа записи информации в ДНК и принцип передачи её на белковую структуру, т. е. формулирование генетического кода. В 1961 г. Ф. Крик и С. Бреннер доказали, что каждой аминокислоте в белке соответствует триплет нуклеотидов. Полностью генетический код, состоящий из 64 кодонов, был установлен в 1966 г. благодаря работам М. Ниренберга, Г. Кораны и С. Очоа.

Генетическим кодом называют принцип записи наследственной информации, который состоит в том, что генетическая информация о структуре белков заключена в ДНК в последовательности нуклеотидов одной из её цепей. Эта цепь получила название кодогенной, а комплементарная ей цепь нуклеотидов – матричной. На матричной цепи по принципу комплементарности синтезируются молекулы РНК (рис. 3.28).

Оказалось, что из 64 возможных триплетов ДНК 61 триплет кодирует различные аминокислоты, а оставшиеся 3 получили название бессмысленных или нонсенс-триплетов. Они не шифруют аминокислоты и выполняют функцию знаков препинания (стоп-триплеты) при считывании наследственной информации. К ним относятся триплеты АТТ, АЦТ, АТЦ. Кроме этого, существует метиониновый кодон ТАЦ, выполняющий роль ещё и стартового триплета, с которого начинается любой ген. Впоследствии при доработке белковой молекулы первая аминокислота метионин удаляется из полипептидной цепи.


Рис. 3.27. Таблица генетического кода в триплетах иРНК

Свойства генетического кода. Помимо упомянутой выше, генетический код обладает и другими свойствами. В процессе изучения свойств генетического кода была обнаружена его специфичность: каждый триплет способен кодировать только одну определённую аминокислоту. Обращает на себя внимание явная избыточность кода, проявляющаяся в том, что многие аминокислоты шифруются несколькими триплетами (см. таблицу генетического кода). Это свойство триплетного кода, названное вырожденностью, имеет очень важное значение, так как возникновение в структуре молекулы ДНК изменений по типу замены одного нуклеотида в полинуклеотидной цепи может не изменить смысла триплета. Возникшее таким образом новое сочетание из трёх нуклеотидов определяет ту же самую аминокислоту.


Рис. 3.28. Последовательность нуклеотидов иРНК повторяет последовательность нуклеотидов кодогенной цепи

Установлено полное соответствие, идентичность кода у различных видов живых организмов. Такая универсальность генетического кода свидетельствует о единстве происхождения всего многообразия живых форм на Земле, возникших в процессе биологической эволюции.

Незначительные отличия генетического кода обнаружены в ДНК митохондрий некоторых видов. Это не противоречит в целом положению об универсальности кода, но свидетельствует в пользу определённой дивергентности (расхождения) в его эволюции на ранних этапах существования жизни. Расшифровка кода ДНК митохондрий различных видов живых организмов показала, что во всех случаях в митохондриальных ДНК отмечается общая особенность: триплет АЦТ читается как АЦЦ, и поэтому из нонсенстриплета он превращается в шифр аминокислоты триптофана.

Другие особенности специфичны для различных видов организмов. У дрожжей триплет ГАТ, и, возможно, всё семейство ГА кодирует вместо аминокислоты лейцина – треонин. У млекопитающих триплет ТАГ имеет то же значение, что и ТАЦ, и соответствует аминокислоте метионину вместо изолейцина. Триплеты ТЦГ и ТЦЦ в ДНК митохондрий некоторых видов не определяют какой-либо аминокислоты, становясь нонсенс-триплетами.

Наряду с триплетностью, вырожденностью, специфичностью и универсальностью важнейшими характеристиками генетического кода являются его непрерывность и неперекрываемость кодонов при считывании. Это означает, что последовательность нуклеотидов считывается триплет за триплетом без пропусков, при этом соседние триплеты не перекрывают друг друга, т. е. каждый отдельный нуклеотид входит в состав только одного триплета при заданной рамке считывания (рис. 3.29).

Говоря о генетическом коде, мы имели в виду кодирующую цепь ДНК. Такая же последовательность нуклеотидов оказывается и в информационной, или матричной, РНК с учётом замены в полинуклеотидной цепи РНК нуклеотида с азотистым основанием тимин на рибозосодержащий нуклеотид, включающий урацил (У) (см. рис. 3.28).


Рис. 3.29. Схема соответствия нуклеотидов кодонам иРНК

Триплеты иРНК, соответствующие триплетам ДНК, также называются кодонами. В действительности именно их линейное расположение непосредственно определяет порядок включения аминокислот в синтезируемую на рибосоме полипептидную цепь.

Структурно-функциональная единица наследственной информации – ген. Ген с молекулярно-биологической точки зрения – это участок молекулы ДНК, последовательность нуклеотидов (кодонов) которого определяет последовательность аминокислот в одном полипептиде. В данном случае полипептид – элементарный, наипростейший признак. Однако мы знаем, что многие функционально активные белки, имеющие четвертичную структурную организацию, состоят из нескольких, часто различающихся субъединиц – полипептидов. Например, гемоглобин включает по две α– и β-цепи. Следовательно, за развитие такого более сложного признака отвечает уже не один, а два гена: первый определяет структуру α-цепей, а второй – β-цепей гемоглобина. Рассматривая более сложные признаки, мы понимаем, что в их развитии принимает участие гораздо большее количество генов.

iknigi.net

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о