ХИМИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ КЛЕТКИ
Микро- и макроэлементы. Неорганические компоненты клетки: вода и ее роль в клетке; катионы и анионы и их роль в обеспечении процессов жизнедеятельности. Основные органические вещества, входящие в состав клетки: белки, их строение и функции; жиры и углеводы как структурные компоненты и источники энергии в клетке; нуклеиновые кислоты, их типы, строение и функции, удвоение молекул ДНК, синтез РНК, АТФ.
Мы приступаем к изучению самого низшего уровня организации живой материи - молекулярному.
Изучение этой темы способствует закреплению знаний о единстве всей природы; пониманию того, что живые объекты состоят из тех же химических элементов, что и объекты неживой природы.
По количеству тех или иных элементов входящих в состав живых систем элементы можно объединить в три группы:
МАКРОЭЛЕМЕНТЫ - содержаться в больших количествах, в сумме составляют более 99% массы живого организма. Это кислород, водород, углерод, азот, сера, фосфор, натрий, калий, хлор, кальций, магний.
МИКРОЭЛЕМЕНТЫ - содержатся в меньших количествах, но также играют большую роль. Это - йод, фтор, бор, медь, марганец, цинк и другие.
УЛЬТРАМИКРОЭЛЕМЕНТЫ - содержатся в еще более меньших количествах. Но при этом необходимо учитывать, все они играют определенную роль. Вообще в живых организмах содержатся все элементы, за исключением коротко живущих изотопов и тяжелых элементов, которые по своей природе нестабильны.
В отношении первых двух групп химических элементов точно известна их роль в клетке, в отношении третьей группы можно сказать, что их биологическая роль еще изучается.
Химические элементы, принимающие участие в процессах обмена веществ и обладающие выраженной биологической активностью, называют БИОГЕННЫМИ.
Общая схема химической организации клетки поможет при изучении данного раздела:
Рисунок 1
При изучении биологических функции важнейших химических компонентов клетки целесообразно ознакомиться с их основными физико-химическими свойствами. Так вода - самое простое химическое соединение, входящее в состав живых организмов, играет большую роль в жизнедеятельности любого организма. При этом эта роль может быть частично объяснена физико-химическими свойствами воды. Вода обладает удивительной теплоемкостью и теплопроводностью. Поведение воды вблизи точки замерзания считается аномальным
. Сравните молекулярный вес этилового спирта и воды (С2Н5ОН и Н2О). Вода имеет значительно меньший молекулярный вес. Но спирт обладает большей летучестью, меньшей теплотой парообразования. То есть, при комнатной температуре спирт быстро испаряется, а вода не, остается жидкой. При понижении температуры до минус 4° С плотность воды сначала увеличивается, а при переходе в твердое состояние (лед) уменьшается, а у большей части веществ на Земле при таком процессе плотность увеличивается. Лед не тонет в воде. В итоге, на поверхности водоемов образуется теплоизоляционный слой и водоем сохраняет жидкое состояние и в лютые морозы (каково значение этого явления для жизни?).При изучении других неорганических соединений клетки обратите внимание на значение солей, а точнее анионов и катионов (все процессы клетки происходят в водном растворе).
При изучении органических веществ клетки обращайте внимание на то, как строение и химический состав веществ накладывает отпечаток на их свойства.
Так при изучении липидов обратите внимание на взаимодействие жиров и воды - это поможет объяснить свойства мембран, основного структурного компонента клетки.
Особая роль в организации живых систем принадлежит белкам и нуклеиновым кислотам. Белки являются важнейшим и обязательным компонентом клетки. БЕЛКИ - ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ БИОПОЛИМЕРЫ, мономерами которых служат аминокислоты.
Перед изучением строения и функций белков необходимо повторить по учебнику органической химии материал о строении, свойствах и многообразии аминокислот. Обратите внимание на общее в строении всех аминокислот и на разницу в строении радикалов. Особое внимание обратите на способность аминокислот вступать в реакцию друг с другом с образованием пептидной связи и молекул воды. Обратите внимание на то, что аминокислоты содержат как карбоксильные так и аминогруппы, что обуславливает их высокую реакционную способность. Они могут соединятся с веществами как кислой так и щелочной природы.
БЕЛКИ РАЗЛИЧАЮТСЯ: ПО АМИНОКИСЛОТНОМУ СОСТАВУ (КАЧЕСТВЕННОМУ И КОЛИЧЕСТВЕННОМУ) И ПОРЯДКУ РАСПОЛОЖЕНИЯ АМИНОКИСЛОТ В ЦЕПИ.
Необходимо обратить внимание еще на одну особенность белковых молекул. Дело в том, что молекулы белка многомерны, их длинная цепь как бы "упакована". В зависимости от того, в какой стадии находится процесс и состояние упаковки различают:
ПЕРВИЧНУЮ структуру белка - т.е. сама белковая, полипептидная цепь (последовательность аминокислотных остатков);
ВТОРИЧНУЮ структуру - белковая цепь закручена в спираль под действием водородных связей;
ТРЕТИЧНУЮ структуру - спираль сворачивается в клубок под действием гидрофобных-гидрофильных взаимодействий (процесс происходит в водном растворе), возникающих дисульфидных связей боковых радикалов между собой (возникают глобулярная структура) белка, а само образование получило название глобулы);
ЧЕТВЕРТИЧНАЯ структура белка - возникает при взаимодействии нескольких глобул (например, молекула гемоглобина).
Вторичная, третичная и четвертичная структуры белка зависят от первичной. Чем крупнее белковая молекула, чем выше ее организация, тем слабее связи (химические), тем легче разрушается молекула белка. Но если не разрушена первичная структура белка, то есть возможность восстановления структуры белка. Процесс разрушения структуры белка называется ДЕНАТУРАЦИЕЙ. Пока цела первичная структура белка процесс денатурации может быть обратим. В случае разрушения первичной структуры белок гибнет.
Белки выполняют в организме множество разных функций, являющихся основой для живых организмов. Какие это функции?
КАТАЛИТИЧЕСКАЯ, или ферментативная; эта функция уникальна, так как многие процессы в клетке носят ферментативный характер.
Эта функция несвойственна другим биополимерам.
ТРАНСПОРТНАЯ - гемоглобин - транспорт кислорода.
ЗАЩИТНАЯ - образование антител, свертывание белка крови при образовании фибрина.
СОКРАТИТЕЛЬНАЯ - сократительные белки в мышечной ткани.
СТРУКТУРНАЯ - белки обязательные компоненты всех клеточных мембран.
ГОРМОНАЛЬНАЯ - наряду с нервной системой гормоны-белки управляют работой различных органов и организма в целом.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ - белки наряду с липидами и углеводами являются источниками энергии в клетке.
Самостоятельно разберите вопрос о структуре и функциях липидов и углеводов.
Следующей группой органических веществ клетки являются НУКЛЕИНОВЫЕ кислоты. Исследования показали удивительное сходство нуклеиновых кислот у всех живых организмов Земли, от вирусов, бактерий до человека. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ ИГРАЮТ ЦЕНТРАЛЬНУЮ РОЛЬ В БИОСИНТЕЗЕ БЕЛКА И ОПРЕДЕЛЯЮТ НАСЛЕДСТВЕННЫЕ СВОЙСТВА ОРГАНИЗМА, ТО ЕСТЬ ЯВЛЯЮТСЯ НОСИТЕЛЯМИ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ. В клетках имеется два типа нуклеиновых кислот - ДНК и РНК.
Молекула ДНК не похожа ни на одно известное химическое соединение. При изучении ДНК необходимо обратить внимание на несколько особенностей:
1. Молекула ДНК
состоит не из одной, а из двух полимерных нитей связанных водородными связями.2. Мономерами нитей ДНК являются нуклеотиды.
3. Нуклеотиды - химическое соединение трех разных веществ: азотистого основания, углевода (дезоксирибозы), фосфорной кислоты.
4. Существует четыре типа азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т), следовательно, существует четыре типа нуклеотидов.
Общая схема:
5. Каждая нить ДНК представляет собой полинуклеотид, в котором в строго определенном порядке (для каждого организма) следуют нуклеотиды.
6. В двойной спирали ДНК азотистые основания одной нити строго противостоят основаниям другой нити, подчиняясь принципу комплиментарности: АДЕНИН
-ТИМИН, ГУАНИН-ЦИТОЗИН.Обратите внимание на то, что нуклеотиды в цепи соединены прочными ковалентными связями, а полинуклеотидные цепочки между собой непрочными водородными (А
-Т, Г-Ц). Следовательно, структура ДНК достаточно прочна и достаточно подвижна.Процесс РЕДУПЛИКАЦИИ показан в учебнике достаточно подробно. Обратите внимание - генетический материал способен к самоудвоению (размножению).
Молекула РНК представляет собой ОДИНАРНУЮ полинуклеотидную нить. Но, в отличие от ДНК, в состав РНК входит углевод рибоза и азотистое основание УРАЦИЛ вместо тимина.
Самостоятельно сравните функции ДНК и РНК (участие в хранении наследственной информации, биосинтезе белка, строении полинуклеотидной нити, составе нуклеотидов).
Нуклеиновые кислоты играют ведущую роль в биосинтезе белка.
Информация о ПЕРВИЧНОЙ структуре белка закодирована в молекулах ДНК. Эта информация передается с ДНК в цитоплазму особыми молекулами РНК - ИНФОРМАЦИОННЫМИ-РНК (и-РНК). В специальных органоидах клетки - рибосомах происходит биосинтез белка. Именно и-РНК, построенная комплементарно нити ДНК, определяет порядок аминокислот в белковых молекулах. В синтезе белка принимает участие и другой вид РНК - ТРАНСПОРТНАЯ (т-РНК), которая доставляет аминокислоты к месту образования белковых молекул - рибосоме. В ДНК ХРАНИТСЯ ИНФОРМАЦИЯ О ВСЕХ СВОЙСТВАХ КЛЕТКИ И ОРГАНИЗМА В ЦЕЛОМ, А РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ РНК ПРИНИМАЮТ УЧАСТИЕ В РЕАЛИЗАЦИИ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ ЧЕРЕЗ БИОСИНТЕЗ БЕЛКА.
Живая клетка является системой организованных в определенные структуры молекул, участвующих во множестве биохимических процессов, проведение которых требует затрат энергии. Важнейшую роль в биоэнергетике клеток играет АТФ - аденозинтрифосфорная кислота, имеющая макроэргические связи между молекулами фосфорной кислоты. Энергию АТФ клетки используют для процессов биосинтеза (белка), движения, производства тепла, производства нервных импульсов, свечения (глубоководные рыбы) и т.д.
Вопросы и задания для самоконтроля.
1. Назовите основные макро- и микроэлементы клетки?
2. Какие органические и неорганические вещества содержатся в живой клетке?
3. Какова биологическая роль воды в клетке?
4. Какую роль играют содержащиеся в клетке катионы и анионы?
5. В чем заключается особенность строения биополимеров?
6. Что является мономером в белковых молекулах?
7. Чем вызвана высокая реакционная способность аминокислот?
8. Что характерно для каждого уровня организации белковой молекулы?
9. Чем объясняется многообразие белков?
10. Назовите основные функции белков в клетке и дайте им краткую характеристику?
11. Чем отличается строение биополимеров белков и углеводов?
12. Особенности строения молекулы ДНК?
13. Каково строение нуклеотида? Назовите его компоненты.
14. Дайте сравнительную характеристику ДНК и РНК?
15. Опишите, как происходит самоудвоение молекулы ДНК?
16. Как вы понимаете принцип комплементарности?
17. В молекуле ДНК аденина 30% от общего числа азотистых оснований. Определите количество цитозина и гуанина.
18. Как происходит синтез РНК?
19. Какова роль АТФ в клетке?