Углевод
advertisement
Клетка как биологическая система 1. Основы цитологии Основные понятия: клеточная теория, цитология, клетка – единица строения, жизнедеятельности, роста и развития организма, классификация живого, прокариоты и эукариоты, химическая организация клетки, строение про- и эукариотной клеток, взаимосвязь строения и функций органоидов клетки, сравнительная характеристика клеток растений, животных, грибов и бактерий Началом изучения клетки считают 1665 г.: английский натуралист Роберт Гук, рассматривая в микроскоп срез пробкового дерева, увидел ячейки, которые назвал «клетками». Формирование представлений о клетке происходило в процессе развития биологической науки. Из истории развития представлений о клетке: Зарождение и 1665 г. – Р. Гук ввел понятие «клетка»; развитие 1680 г. – А. Левенгук открыл одноклеточные организмы; понятия о 1833 г. – Р. Броун обнаружил внутри клеток растений плотные образования, клетке которые назвал «ядрами»; 1838 г. – М. Шлейден пришел к выводу, что все растительные клетки имеют ядро, Т. Шванн обнаружил ядра в животных клетках. Возникновение 1838 г. - Т. Шванн и М. Шлейден обобщили знания о клетке, клеточной сформулировали основные положения клеточной теории: все растительные теории и животные организмы состоят из клеток, сходных по строению. Развитие 1858 г. – Р. Вирхов утверждал, что каждая новая клетка происходит только клеточной из клетки в результате ее деления; теории 1858 г. – К. Бэр установил, что все организмы начинают свое развитие с одной клетки (эмбрион млекопитающего развивается из одной клетки – оплодотворенной яйцеклетки). Цитология (от греч. kytos) – наука о клетке. Успехи науки цитологии неразрывно связаны с развитием методов исследования: совершенствование светового микроскопа и появлением электронного, применение специальных красителей, позволяющих избирательно выявить клеточные структуры Основные положения клеточной теории на современном этапе можно сформулировать следующим образом: Основные положения 1. Клетка – основная структурная единица строения, развития и жизнедеятельности 2. Клетки всех организмов сходны по химическому составу, строению, функциям Характеристика Все организмы состоят из клеток. Многоклеточные организмы развиваются из одной оплодотворенной яйцеклетки. Процессы жизнедеятельности организма складываются из жизнедеятельности отдельных клеток Все клетки содержат органические соединения: углеводы, липиды, белки, нуклеиновые кислоты и неорганические вещества: воду и соли. Все клетки имеют оболочку, цитоплазму, ядро и другие клеточные структуры – органоиды Все клетки имеют способность к росту, размножению, дыханию, выделению, обмену веществ и энергии, обладают раздражимостью 3. Все новые клетки Рост организма происходит в результате деления клеток, новые образуются при клетки образуются только при делении исходных, материнских делении исходных клеток. В многоклеточных организмах клетки специализируются по клеток функциям и образуют ткани 1 Вывод: все организмы, кроме вирусов, имеют клеточное строение, сходный химический состав клеток, образование клеток происходит сходным образом, что говорит об единстве происхождения всего живого. Создание клеточной теории стало важнейшим событием в биологии, одним из решающих доказательств единства живой природы. Клеточная теория оказала значительное влияние на развитие биологии как науки, послужила фундаментом для развития таких дисциплин, как эмбриология, гистология и физиология. Она позволила создать основы для понимания жизни, индивидуального развития организмов, для объяснения эволюционной связи между ними. Основные положения клеточной теории сохранили свое значение и сегодня, хотя более чем за сто пятьдесят лет были получены новые сведения о структуре, жизнедеятельности и развитии клетки. Клетки бывают прокариотические и эукариотические. Организмы, образованные прокариотическими клетками, называются прокариоты, а организмы, образованные эукариотическими клетками, - эукариоты. Классификация живого Живое Неклеточные формы жизни Клеточные формы жизни ↓ ↓ ↓ Царство Вирусы Прокариоты Эукариоты ↓ ↓ Царство Бактерии Царства Растения, Животные, Грибы Основанием для такого разделения организмов на царства являются способы питания этих организмов и строение клеток. Химический состав клетки. В состав организмов входит большая часть химических элементов Периодической системы Д.И. Менделеева. Все содержащиеся в клетке химические элементы можно разделить на три группы: макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы. Макроэлементы – водород, кислород, углерод, азот. К этой группе относят также калий, натрий, кальций, сера, фосфор, магний, железо, хлор (содержание этих элементов в клетке составляет десятые и сотые доли процента). В сумме макроэлементы составляют около 98%. Микроэлементы – цинк, медь, йод, фтор, молибден, бор, марганец, кобальт (содержание этих элементов в клетке составляет сотые и тысячные доли процента). Ультрамикроэлементы – золото, платина, ртуть, цезий (содержание этих элементов в клетке не превышает тысячных долей процента). Микроэлементы и ультрамикроэлементы играют важную роль в организме: железо входит в состав гемоглобина, йод – компонент гормона щитовидной железы, недостаток селена приводит к возникновению раковых заболеваний. ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ макроэлементы микроэлементы ультрамикроэлементы 1 группа 2 группа 3 группа О (65-70%), С (15P, S, Cl, Ca, K, Mg, Na, I (0,0001%), Ag, Au, Hg, Be, U, As и 18%), Fe Zn (0,003%), др. (10-12%) Н (8-10%), N (1,5-3%) Cu (0,0002%) 98% от массы клетки 0,1% от массы клетки Химические элементы образуют органические и неорганические вещества: Органические вещества Неорганические вещества Углеводы Белки Жиры АТФ Нуклеиновые Минеральные Вода 2 кислоты вещества Неорганические вещества клетки Вода – один из самых основных компонентов живой клетки, составляет в среднем 7080% массы клетки. В клетке вода находится в свободной (95%) и связанной (5%) формах. Помимо того, что она входит в их состав, для многих организмов это еще и среда обитания. Роль воды в клетке определяется ее уникальными химическими и физическими свойствами, связанными главным образом с малыми размерами молекул, с полярностью ее молекул и с их способностью образовывать друг с другом водородные связи. Вода как компонент биологических систем выполняет следующие важнейшие функции: 1. Вода - универсальный растворитель для полярных веществ, например солей, сахаров, спиртов, кислот и др. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными. 2. Молекулы воды участвуют во многих химических реакциях, например при гидролизе полимеров. 3. В процессе фотосинтеза вода является донором электронов, источником ионов водорода и свободного кислорода. 4. Неполярные вещества вода не растворяет и не смешивается с ними, поскольку не может образовывать с ними водородные связи. Нерастворимые в воде вещества называются гидрофобными. 5. Вода обладает высокой удельной теплоемкостью. Для разрыва водородных связей, удерживающих молекулы воды, требуется поглотить большое количество энергии. Это свойство обеспечивает поддержание теплового баланса организма при значительных перепадах температуры в окружающей среде. 6. Вода отличается высокой теплопроводностью, что позволяет организму поддерживать одинаковую температуру во всем его объеме. 7. Вода характеризуется высокой теплотой парообразования, т. е. способностью молекул уносить с собой значительное количество тепла при одновременном охлаждении организма. Благодаря этому свойству воды, проявляющемуся при потоотделении у млекопитающих, тепловой одышке у крокодилов и других животных, транспирации у растений, предотвращается их перегрев. 8. Для воды характерно исключительно высокое поверхностное натяжение. Это свойство имеет большое значение для передвижения растворов по тканям (кровообращение, восходящий и нисходящий токи в растениях). Многим мелким организмам поверхностное натяжение позволяет удерживаться на воде или скользить по ее поверхности. 9. Вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма. 10. У растений вода определяет тургор клеток, а у некоторых животных выполняет опорные функции, являясь гидростатическим скелетом (круглые и кольчатые черви, иглокожие). 11. Вода - составная часть смазывающих жидкостей (синовиальной - в суставах позвоночных, плевральной - в плевральной полости, перикардиальной - в околосердечной сумке) и слизей (облегчают передвижение веществ по кишечнику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей). Она входит в состав слюны, желчи, слез и др. Свойства и функции воды Полярность молекулы Большая теплоемкость Высокая теплопроводность Несжимаемость Подвижность молекул Источник ионов водорода Донор электронов Свойства, функции и значение воды Значение воды Универсальный растворитель, среда для протекания химических реакций Поддержание теплового равновесия клетки и организма Равномерное распределение теплоты между клетками и тканями организма Создает тургорное давление Обеспечивает осмос Синтез АТФ в митохондриях и пластидах Фотолиз воды при фотосинтезе 3 Минеральные соли. Молекулы солей в водном растворе распадаются на катионы и анионы. Наибольшее значение имеют катионы (К+, Na+, Са2+, Mg2+, NH4+) и анионы (Сl- , Н2Р04 -, НР042- , НС03 -, NO3 2-, SO4 2- ) .Некоторые ионы участвуют в активации ферментов, создании осмотического давления в клетке, в процессах мышечного сокращения, свертывании крови и др. Ряд катионов и анионов необходим для синтеза важных органических веществ (например, фосфолипидов, АТФ, нуклеотидов, гемоглобина, хлорофилла и др.), а также аминокислот, являясь источниками атомов азота и серы. Соляная кислота входит в состав желудочного сока. Соли кальция и фосфора присутствуют в костной ткани животных и человека. Органические вещества. Основой всех органических соединений является углерод (С), который образует связи с другими атомами и их группами. В результате образуются сложные химические соединения, разные по строению и функциям, - макромолекулы (от греч. macros – большой). Макромолекулы состоят из повторяющихся низкомолекулярных соединений, - мономеров (от греч. monos – один). Полимер (от греч. poly – много) – макромолекула, образованная мономерами. В молекулах полимеров мономеры могут быть одинаковые или разные. В зависимости от того, какие мономеры входят в состав полимеров, полимеры делятся на следующие группы: Полимеры Регулярные Нерегулярные -А-А-А-А-A-A- А-В-А-С- В-А-А-D- C- A-A-S-D-A-S-D-A-S-DПолимеры, входящие в состав живых организмов, называются биополимеры, свойства которых зависят от строения их молекул, числа и разнообразия мономеров. Биополимеры универсальны, так как построены по единому плану у всех живых организмов. Разнообразие свойств биополимеров обусловлено различным сочетанием мономеров, образующих различные варианты. Свойства биополимеров проявляются только в живой клетке. Углеводы, или сахариды, - органические соединения, в состав которых входят углерод, водород и кислород. Название «углеводы» они получили из-за своего химического состава: общая формула большинства из них Сn(H2O)n. Состав и строение углеводов Состав Строение Химические элементы: углерод, водород, Общая формула: кислород (C, H, O). Cn (H2 O)n, где n – не меньше трех. Моносахариды – простые сахара, имеющие общую формулу (СН2О)n , где n=3-9. Среди моносахаридов различают триозы (3С), тетраозы (4С), пентозы (5С) – рибоза, дезоксирибоза, гексозы (6С) – глюкоза, галактоза. Моносахариды хорошо растворяются в воде, они сладкие на вкус. Фруктоза входит в состав меда, находится в плодах, зеленых частях растений. Глюкоза находится в плодах, крови, лимфе, является основным источником энергии, входит в состав дисахаридов и полисахаридов. Дисахариды – вещества, образованные в результате конденсации двух молекул моносахаридов с потерей одной молекулы воды. У растений - это сахароза (С12Н22О11) и мальтоза, у животных – лактоза. Сахароза – основная транспортная форма углеводов в растениях. Лактоза образуется в молочной железе и присутствует в молоке. глюкоза + глюкоза = мальтоза; глюкоза + галактоза = лактоза; глюкоза + фруктоза = саxароза. 4 По своим свойствам дисахариды близки к моносахаридам. Они хорошо растворяются в воде и имеют сладкий вкус. Полисахариды – это высокомолекулярные углеводы, образованные путем соединения большого числа молекул моносахаридов, У растений – крахмал, целлюлоза (клетчатка), формула (С6Н10О5)n ; у животных – гликоген, хитин. Целлюлоза – основной опорный компонент клеточной стенки у растений. Крахмал – основной резервный углевод растений. Гликоген – резервный полисахарид животных (накапливается в печени и мышцах. Хитин входит в состав покровов членистоногих, обеспечивает прочность покровных структур грибов. Место синтеза в клетке: на мембранах гладкой эндоплазматической сети. Локализация в клетке и организме: клеточная стенка, клеточные включения, клеточный сок растений, покровы членистоногих. Функции углеводов: 1) Энергетическая. Углеводы – это основной источник энергии для организмов. В процессе окисления 1 г углеводов освобождается 17,6 кДж. 2) Структурная. Клеточные стенки растений построены из целлюлозы. Покровы тела членистоногих, клеточные стенки грибов состоят из хитина. Углеводы входят в состав органоидов, молекул ДНК и РНК. 3) Запасающая. Эту функцию выполняют у растений крахмал, у животных гликоген. Они обладают способностью накапливаться в клетках и расходоваться по мере возникновения потребности в энергии. 4) Защитная. Железы выделяют секреты, которые содержат углеводы. Секреты защищают стенки полых органов (желудок, кишечник) от механических повреждений, проникновения болезнетворных бактерий. Липиды - это жироподобные вещества, большинство из которых состоит из жирных кислот и трехатомного спирта; это сложные эфиры высших жирных кислот и трехатомного спирта глицерина. Жиры – наиболее простые и широко распространенные липиды. Жидкие жиры называются маслами. У животных масла встречаются в молоке, но чаще встречаются у растений в семенах, плодах. Состав и строение липидов Состав Строение Химические элементы: углерод, Это сложные соединения трехатомного спирта водород, кислород (C, H, O). глицерина и высокомолекулярных жирных кислот. Место синтеза в клетке: на мембранах гладкой эндоплазматической сети. Локализация в клетке и организме: клеточная мембрана, клеточные включения, подкожная жировая клетчатка и сальники. Функции липидов: 1) Энергетическая. Липиды – «энергетическое депо». При окислении 1 г липидов до СО2 и Н2О освобождается 38,9 кДж, что в два раза больше по сравнению с углеводами и белками. 2) Структурная. Липиды принимают участие в построении мембран клеток и образовании важных биологических соединений, например, гормонов, витаминов. 3) Запасающая. В растениях чаще накапливаются масла, а не жиры. Семена сои и подсолнечника богаты маслами. 4) Защитная и теплоизоляционная. Жиры плохо проводят тепло. Они откладываются под кожей животных, у некоторых достигают такие скопления толщины до 1 м, например, у китов. Жировой слой защищает животных от переохлаждения. Жировая ткань выполняет функцию терморегулятора. У китов, кроме того, он играет еще и другую роль — способствует плавучести. Благодаря низкой теплопроводности слой подкожного жира помогает сохранить тепло, что позволяет, например, многим животным обитать в условиях холодного климата. 5) Смазывающая и водоотталкивающая. Воск покрывает кожу, шерсть, перья, делает их более эластичными и предохраняет от влаги. Восковой налет имеют листья и плоды многих растений. Такой слой защищает листья во время сильных дождей от намокания. 5 6) Регуляторная. Многие биологически активные вещества (половые гормоны - тестостерон у мужчин и прогестерон у женщин), витамины (A, D, E) являются соединениями липидной природы. 7) Источник метаболической воды. Одним из продуктов окисления жира является вода, которая очень важна для некоторых обитателей животного мира пустынь, например, для верблюдов. Жир, который запасают эти животные в горбах, является источником воды. Окисление 100 г жира дает примерно 105 г воды. Необходимую для жизнедеятельности воду медведи, сурки и другие животные, впадающие в спячку, получают в результате окисления жира. 8) В миелиновых оболочках аксонов нервных клеток липиды являются изоляторами при проведении нервных импульсов. 9) Воск используется пчелами в строительстве сот. Липиды могут образовывать комплексы с другими биологическими молекулами — белками и сахарами. Белки, или протеины (от греч. protos – первый) – самые многочисленные, разнообразные и имеющие первостепенное значение органические соединения. Белки – макромолекулы, так как имеют большие размеры. Химический состав молекул белка: углерод, кислород, водород, азот, сера, также могут быть фосфор, железо, цинк, медь. Белки - это полимеры, состоящие из повторяющихся низкомолекулярных мономеров. Аминокислоты – мономеры белковых молекул. Известно около 200 аминокислот, встречающихся в живых организмах, но только 20 из них входят в состав белков. Это так называемые основные, или белокобразующие аминокислоты. 20 аминокислот обеспечивают многообразие белков. У растений все необходимые аминокислоты синтезируются из первичных продуктов фотосинтеза. Человек и животные не способны синтезировать ряд аминокислот и должны получать их в готовом виде вместе с пищей. Такие аминокислоты называются незаменимыми. К ним относятся лизин, валин, лейцин, изолейцин, треонин, фенилаланин, триптофан, метионин, аргинин и гистидин (всего 10). Строение аминокислоты: Аминогруппа (–NH2 ) Карбоксильная группа (-СООН) Основные свойства Кислотные свойства Радикал (-R) Различное строение у разных аминокислот Между аминогруппой одной аминокислоты и карбоксильной группой другой аминокислоты образуется ковалентная связь, которая называется пептидная связь, а молекула белка – полипептид. В растворе аминокислоты могут выступать в роли как кислот, так и оснований, т. е. они являются амфотерными соединениями. Карбоксильная группа -СООН способна отдавать протон, функционируя как кислота, а аминная - NH2 — принимать протон, проявляя таким образом свойства основания. 6 Структура белков. Каждому белку в определенной среде свойственна особая пространственная структура. При характеристике пространственной (трехмерной) структуры выделяют четыре уровня организации молекул белков. лиэ—глу—тре—ала—ала—ала—лиз—фен—глу—арг—глн—гиc—мет—асп—сер— сер—тре—сер—ала—ала—сер—сер—сер—асн—тир—цис—асн—глу—мет—мет— лиз—сер—арг—асн—лей—тре—лиз—асп—арг—цис—лиз—про—вал—асн—тре— Уровни структурной организации белка: а — первичная структура — аминокислотная последовательность белка; б — вторичная структура — полипептидная цепь закручена в виде спирали; в — третичная структура белка ; г — четвертичная структура гемоглобина. Место синтеза белков в клетке: на рибосомах. Локализация белков в клетке и организме: присутствуют во всех органоидах и цитоплазматическом матриксе. Пространственная структура белка: Первичная структура белка – последовательность аминокислот, соединенных друг с другом пептидными связями в полипептидную цепь. От первичной структуры зависят все свойства и функции белков. Замена одной-единственной аминокислоты в составе молекул белка или нарушение порядка в их расположении обычно влечет за собой изменение функции белка. Вторичная структура белковой молекулы достигается ее спирализацией: полипептидная цепь, состоящая из последовательно соединенных аминокислот, закручивается в спираль, образуются непрочные водородные связи между – СО- и – NН- группами. При образовании третичной структуры спирализованная белковая молекула еще многократно сворачивается, образуя шарик – глобулу. Прочность третичной структуры определяется различными связями, например, дисульфидными связями (-S-S-), ионные, водородные, гидрофобное взаимодействие. Четвертичная структура - это соединение, состоящее из нескольких молекул белка, имеющих третичную структуру. Химические связи - ионные, водородные, гидрофобное взаимодействие. 7 И так, первичная структура – это линейная структура, в виде полипептидной цепи; вторичная – спиральная, за счет водородных связей; третичная – глобулярная; четвертичная – объединение нескольких молекул белка с третичной структурой. Свойство белка – денатурация - нарушение природной структуры белка, которая бывает обратимая, если не разрушена первичная структура, и необратимая, если первичная структура разрушена. Воздействие факторов среды (температура, химические вещества, излучение и др.) Денатурация белка (разрушение структур) Ренатурация – полное восстановление структуры белка. Под влиянием различных химических и физических факторов (обработка спиртом, ацетоном, кислотами, щелочами, высокой температурой, облучением, высоким давлением и т. д.) происходит изменение вторичной, третичной и четвертичной структур белка вследствие разрыва водородных и ионных связей. Процесс нарушения естественной структуры белка называется денатурацией. При этом наблюдается уменьшение растворимости белка, изменение формы и размеров молекул, потеря ферментативной активности и т. д. Процесс денатурации может быть полным или частичным. В некоторых случаях переход к нормальным условиям среды сопровождается самопроизвольным восстановлением естественной структуры белка. Такой процесс называется ренатурацией. Простые и сложные белки. По химическому составу выделяют белки простые и сложные. К простым относятся белки, состоящие только из аминокислот, а к сложный — белки, содержащие белковую часть и небелковую - ионы металлов, остаток фосфорной кислоты, углеводы, липиды и др. 1) 2) 3) 4) 5) 6) Функции белков: Ферментативная, или каталитическая. Катализаторы – это вещества, ускоряющие химические реакции. Ферменты – это катализаторы биохимических реакций. Ферменты ускоряют реакции в организме в десятки и сотни тысяч раз. Они высокоспецифичны, так как каждый фермент катализирует только определенную реакцию. Ферменты = Биокатализаторы (ускорители химических реакций, протекающих в клетках) Структурная. Белки входят в состав всех мембран и органоидов клетки (например, в соединении с РНК белок образует рибосомы). Энергетическая. При распаде 1 г белков до конечных продуктов (СО2, Н2О и азотсодержащие вещества) выделяется 17,6 кДж. Запасающая. Эту функцию выполняют белки – источники питания (белок яйца – альбумин, белок молока – казеин, клетки эндосперма и яйцеклетки). Защитная. Все живые клетки и организмы имеют защитные системы. У человека и животных - это иммунная защита. В лимфоцитах образуются антитела – защитные белки, которые обезвреживают чужеродные тела. Другой пример защитной функции – свертывание белка фибриногена в крови, что приводит к образованию сгустка крови – тромба, который закупоривает сосуд, кровотечение прекращается. Механическую защиту обеспечивают роговые образования – волосы, рога, копыта. В состав этих образований входят белки. Растения тоже образуют защитные белки, например, алкалоиды, благодаря которым покровы растений становятся более прочными и устойчивыми. Регуляторная. Многие белки – гормоны, регулирующие физиологические процессы (белковую природу имеют инсулин и глюкагон). Клетки поджелудочной железы вырабатывают гормон инсулин, регулирующий содержание глюкозы в крови. 8 Поджелудочная железа Гормон инсулин 7) Глюкоза (в крови) Гликоген (в клетках печени) Транспортная. Функция транспортных белков заключается в присоединении химических элементов или биологически активных веществ и переносе их к тканям и органам. Гемоглобин (находится в эритроцитах) Состояние гемоглобина Гемоглобин + кислород Гемоглобин + углекислый газ 8) Двигательная. Сократительные белки участвуют во всех видах движения, к которым способны клетки и организмы. Примеры: движение жгутиков и ресничек у простейших одноклеточных животных, сокращение мышц у многоклеточных животных (белки миозин и актин обеспечивают сокращение мышечных клеток), движение листьев у растений. 9) Сигнальная. Белки, встроенные в мембрану клетки, осуществляют прием сигналов из внешней среды и передачу информации в клетку. Такие белковые молекулы способны изменять свою третичную структуру в ответ на действия факторов внешней среды. 10) Токсическая (токсины, обеспечивающие защиту от врагов и умерщвление добычи). Функции белка 1. Структурная 2. Энергетическая 3. Запасающая 4. Каталитическая, ферментативная 5. Регуляторная 6. Транспортная 7. Двигательная 8. Защитная 9. Сигнальная 10. Токсическая Характеристика Белки входят в состав клеточных мембран и органоидов При окислении 1 г белков выделяется 17,6 кДж Белки – запасной питательный и энергетический материал Белки – ферменты, ускоряющие химические реакции Многие белки – гормоны, регулирующие физиологические процессы Перенос различных веществ (гемоглобин + кислород) Сократительные белки обеспечивают движение (хромосомы к полюсам клетки) Защищают организм от чужеродных тел Осуществляют прием сигналов из внешней среды и передачу информации в клетку Токсины обеспечивают защиту от врагов и умерщвление добычи Белки используются как источник энергии редко, поскольку они выполняют ряд других важных функций. Белки обычно используются, когда истощаются такие источники, как углеводы и жиры. Углеводы и жиры откладываются в запас; когда в пище не хватает какоголибо органического соединения, возможно превращение в организме одних органических соединений в другие: белков в жиры и углеводы, углеводы и жиры друг в друга. Но углеводы и жиры не могут превращаться в белки. БЕЛКИ УГЛЕВОДЫ ЖИРЫ 9 Аминокислоты, которые образуются при расщеплении белковых молекул, необходимы для построения новых белков. Недостаток белков в пище является невосполнимым, так как они образуются только из аминокислот. Поэтому белковое голодание опасно для организма. Нуклеиновые кислоты. АТФ Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus – ядро) – кислоты, впервые обнаруженные при исследовании ядер лейкоцитов; были открыты в 1868 г. И.Ф. Мишером, швейцарским биохимиком. Биологическое значение нуклеиновых кислот - хранение и передача наследственной информации; они необходимы для поддержания жизни и для ее воспроизведения. Нуклеиновые кислоты │ Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) Рибонуклеиновая кислота (РНК) ДНК и РНК – полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Строение нуклеотида – мономера нуклеиновых кислот: Состав Строение Химические элементы: углерод, Это соединение, состоящее из азотистого основания, водород, кислород, азот, фосфор углевода (рибозы или дезоксирибозы) и остатка (C, H, O, N, P). фосфорной кислоты. Нуклеотид ДНК и нуклеотид РНК имеют черты сходства и различия. Строение нуклеотида ДНК Органическое азотистое основание: либо аденин А, либо гуанин Г, либо цитозин Ц, либо тимин Т Углевод дезоксирибоза Остаток фосфорной кислоты Строение нуклеотида РНК Органическое азотистое основание: либо аденин А, либо гуанин Г, либо цитозин Ц, либо урацил У Углевод рибоза Остаток фосфорной кислоты Молекула ДНК – двойная цепь, закрученная по спирали. Молекула РНК представляет собой одиночную нить нуклеотидов, схожую по строению с отдельной нитью ДНК. Только вместо дезоксирибозы РНК включает другой углевод – рибозу (отсюда и название), а вместо тимина – урацил. Две нити ДНК соединены друг с другом водородными связями. При этом наблюдается важная закономерность: напротив азотистого основания аденин А в одной цепи располагается азотистое основание тимин Т в другой цепи, а против гуанина Г всегда расположен цитозин Ц. Эти пары оснований называют комплементарными парами. 10 Таким образом, принцип комплементарности (от лат. complementum – дополнение) состоит в том, что каждому азотистому основанию, входящему в нуклеотид, соответствует другое азотистое основание. Возникают строго определенные пары оснований ( А – Т, Г – Ц), эти пары специфичны. Между гуанином и цитозином – три водородные связи, а между аденином и тимином возникают две водородные связи в нуклеотиде ДНК, а в РНК две водородные связи возникают между аденином и урацилом. Водородные связи между азотистыми основаниями нуклеотидов ДНК РНК А = Т А = У Г ≡ Ц Г ≡ Ц В результате у всякого организма число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых, а число гуаниловых — числу цитидиловых. Благодаря этому свойству последовательность нуклеотидов в одной цепи определяет их последовательность в другой. Такая способность к избирательному соединению нуклеотидов называется комплементарностью, и это свойство лежит в основе образования новых молекул ДНК на базе исходной молекулы (репликации, т. е. удвоения). Таким образом, количественное содержание азотистых оснований в ДНК подчинено некоторым правилам: 1) Сумма аденина и гуанина равна сумме цитозина и тимина А + Г = Ц + Т. 2) Сумма аденина и цитозина равна сумме гуанина и тимина А + Ц = Г + Т. 3) Количество аденина равно количеству тимина, количество гуанина равно количеству цитозина А = Т; Г = Ц. При изменении условий ДНК, подобно белкам, может подвергаться денатурации, которая называется плавлением. ДНК обладает уникальными свойствами: способностью к самоудвоению (репликация, редупликация) и способностью к самовосстановлению (репарация). Репликация обеспечивает точное воспроизведение в дочерних молекулах той информации, которая была записана в материнской молекуле. Но в процессе репликации иногда возникают ошибки. Способность молекулы ДНК исправлять ошибки, возникающие в ее цепях, то есть восстанавливать правильную последовательность нуклеотидов, называется репарацией. Молекулы ДНК находятся в основном в ядрах клеток и в небольшом количестве в митохондриях и пластидах – хлоропластах. Молекулы ДНК – носители наследственной информации. 11 Строение, функции и локализация в клетке. Различают три вида РНК. Названия связаны с выполняемыми функциями: РНК Месторасполож Функции ение в клетке Рибосомная РНК (рРНК) – самые Рибосомы Структурная (рРНК вместе с крупные РНК, состоящие из 3 - 5 белковой молекулой образует тысяч нуклеотидов. рибосому) Транспортная РНК (тРНК) – самые Цитоплазма Перенос аминокислот в рибосомы – маленькие РНК, состоящие из 80 – месту синтеза белка, узнавание 100 нуклеотидов. кодона на иРНК Информационная, или матричная Ядро, Перенос генетической информации РНК (иРНК) – РНК, состоящие из цитоплазма от ДНК к месту синтеза белка 300 - 3000 нуклеотидов. рибосомам, является матрицей для строящейся белковой молекулы (полипептида) Сравнительная характеристика нуклеиновых кислот ДНК РНК Строение Углевод Дезоксирибоза Рибоза Азотистые основания АТГЦ АУГЦ Количество цепей в молекуле Две Одна Локализация в клетке Прокариоты Цитоплазма Цитоплазма, рибосомы Эукариоты Ядро (хромосомы), органоиды Ядро, органоиды (пластиды, (пластиды, митохондрии) митохондрии, рибосомы), цитоплазма Аденозинфосфорные кислоты аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), аденозиндифосфорная кислота (АДФ), аденозинмонофосфорная кислота (АМФ). В цитоплазме каждой клетки, а также в митохондриях, хлоропластах и ядрах содержится аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Она поставляет энергию для большинства реакций, происходящих в клетке. С помощью АТФ клетка синтезирует новые молекулы белков, углеводов, жиров, осуществляет активный транспорт веществ, биение жгутиков и ресничек. АТФ по строению сходна с адениновым нуклеотидом, входящим в состав РНК, только вместо одной фосфорной кислоты в состав АТФ входят три остатка фосфорной кислоты. Состав Химические элементы: углерод, водород, кислород, азот, фосфор (C, H, O, N, P). Строение молекулы АТФ: Строение Это соединение, состоящее из нуклеотида – азотистого основания аденина, углевода рибозы, и трех остатков фосфорной кислоты. Месторасположение в клетке Цитоплазма, митохондрии, пластиды, ядро Неустойчивые химические связи, которыми соединены молекулы фосфорной кислоты в АТФ, очень богаты энергией. При разрыве этих связей выделяется энергия, которая используется каждой клеткой для обеспечения процессов жизнедеятельности: АТФ АДФ + Ф + Е АДФ АМФ + Ф + Е, где Ф – фосфорная кислота Н3РО4, Е – освобождающаяся энергия. 12 Химические связи в АТФ между остатками фосфорной кислоты, богатые энергией, называются макроэргическими связями. Отщепление одной молекулы фосфорной кислоты сопровождается выделением энергии – 40 кДж. АТФ образуется из АДФ и неорганического фосфата за счет энергии, освобождающейся при окислении органических веществ и в процессе фотосинтеза. Этот процесс называется фосфорилированием. При этом должно быть затрачено не менее 40 кДж/моль энергии, которая аккумулируется в макроэргических связях. Следовательно, основное значение процессов дыхания и фотосинтеза определяется тем, что они поставляют энергию для синтеза АТФ, с участием которой в клетке выполняется большая часть работы. АТФ чрезвычайно быстро обновляется. У человека, например, каждая молекула АТФ расщепляется и вновь восстанавливается 2 400 раз в сутки, так что ее средняя продолжительность жизни менее 1 мин. Синтез АТФ осуществляется главным образом в митохондриях и хлоропластах (частично в цитоплазме). Образовавшаяся здесь АТФ направляется в те участки клетки, где возникает потребность в энергии. АТФ играет важную роль в биоэнергетике клетки: выполняет одну из важнейших функций – накопителя энергии, это универсальный биологический аккумулятор энергии. Витамины. Биологические катализаторы Витамины (от лат. vita – жизнь) – биоорганические соединения, которые обозначают буквами латинского алфавита. Различают жирорастворимые витамины (A, Д, Е, К) и водорастворимые (В, С, РР и др.). Суточная потребность человека в витаминах составляет несколько микрограммов (1 мкг = 10-6г), только витамин С нужен в количестве 100 мг в сутки. Недостаток витаминов в организме является причиной заболеваний – авитаминозов. Витамины участвуют во всех биохимических и физиологических процессах, они являются регуляторами жизнедеятельности, оказывают влияние на рост, развитие, обмен веществ. Витамины и их роль в организме: Витамины Роль в организме При недостатке развивается «куриная слепота»; человек или животное не видят в сумерках. А Д К Е С В При недостатке развивается рахит, кости содержат недостаточное количество кальция и фосфора, что приводит к искривлению костей. При недостатке снижается свертываемость крови. Недостаток приводит к нарушению белкового, углеродного, жирового обмена. При недостатке развивается цинга, заболевание сопровождается кровотечением десен, слабостью, головокружением. Входит в состав ферментов – катализаторы, ускоряющие химические реакции, и гормонов – биологически активных веществ. При недостатке развиваются поражения нервной системы – расстройства движений, параличи. Катализаторы – вещества, изменяющие скорость химических реакций. Ферменты – это биокатализаторы, вещества, которые ускоряют биохимические реакции в десятки и сотни тысяч раз. В живой клетке биохимические реакции протекали бы очень медленно или не проходили бы совсем без участия ферментов. В настоящее время известны тысячи ферментов. Свойства ферментов: - они специфичны, ускоряют только определенные реакции; 13 - функционируют при определенных условиях. Пример: в желудочном соке содержатся ферменты – пепсин, липаза. Пепсин расщепляет сложные белки на простые, этот фермент действует только в кислой среде (в желудке соляная кислота). Липаза расщепляет только эмульгированный жир молока. Механизм действия ферментов. Молекулы ферментов имеют активный центр – участок, на котором идет реакция. Форма и строение активного центра соответствуют только определенным молекулам (они комплементарны друг другу). На заключительном этапе биохимической реакции комплекс «фермент – вещество» распадается на свободный фермент и конечные продукты данной реакции. Все процессы в живом организме прямо или косвенно осуществляются с участием ферментов. Например, под их действием составные компоненты пищи (белки, углеводы, липиды и др.) расщепляются до более простых соединений, а из них уже затем синтезируются новые, свойственные данному виду макромолекулы. Поэтому нарушения образования и активности ферментов нередко ведут к возникновению тяжелых болезней. Скорость ферментативных реакций зависит от многих факторов: природы и концентрации фермента и субстрата, температуры, давления, кислотности среды, наличия ингибиторов и т. д. Например, при температурах, близких к нулю, скорость биохимических реакций замедляется до минимума. Это свойство широко используется в различных отраслях народного хозяйства, особенно в сельском хозяйстве и медицине. В частности, консервация различных органов (почек, сердца, селезенки, печени) перед их пересадкой больному происходит при охлаждении с целью снижения интенсивности биохимических реакций и продления времени жизни органов. Быстрое замораживание пищевых продуктов предотвращает рост и размножение микроорганизмов (бактерий, грибов и др.), а также инактивирует их пищеварительные ферменты, так что они оказываются уже не в состоянии вызвать разложение пищевых продуктов. Строение эукариотической клетки Эукариотическая клетка имеет три основных компонента: клеточную мембрану (плазматическая мембрана, плазмалемма), цитоплазму и ядро. Цитоплазма – внутреннее полужидкое содержимое клетки. В цитоплазме большинства клеток содержится ядро и различные клеточные структуры, органоиды. Органоиды – жизненно важные составные части цитоплазмы. Функции цитоплазмы: обеспечивает взаимодействие между ядром и органоидами клетки, выполняет транспортную функцию. Для того, чтобы цитоплазма, ядро и органоиды удерживались вместе, в процессе эволюции развилась клеточная мембрана: Особенности строения мембраны Функции клеточной мембраны Липиды образуют двойной слой. Защитная, отделяет содержимое клетки от внешней Белки погружены в слой липидов на среды, обеспечивает форму клеток и их связь между разную глубину или располагаются собой, осуществляет транспорт веществ, на его внешней и внутренней обеспечивает обмен веществ, осуществляет поверхностях. фагоцитоз и пиноцитоз. Фагоцитоз (от греч. phagos – пожирающий) – захват и поглощение твердых частиц. В клетке образуется пищеварительная вакуоль, в которой захваченные вещества перерабатываются благодаря деятельности ферментов. Например, амеба и другие простейшие захватывают более мелкие одноклеточные организмы, в многоклеточном организме клетки крови лейкоциты захватывают болезнетворные бактерии. Пиноцитоз (от греч. pino – пить) - захват и поглощение клеткой жидкости. Этот процесс присущ клеткам растений, животных, грибов, является более универсальным. 14 Ядро играет важнейшую роль в жизнедеятельности клетки. Не имеют ядра древнейшие одноклеточные организмы – бактерии, их называют прокариотами (от лат. pro – перед, раньше и греч. karyon – ядро). Организмы, в клетках которых находится хорошо оформленное ядро, называются эукариоты (от греч. eu – хорошо, полностью). К эукариотам относятся растения, животные, грибы. Ядро окружено ядерной оболочкой, состоящее из двух мембран, каждая из которых сходна по строению с плазматической мембраной. Наружная мембрана в некоторых местах переходит в каналы эндоплазм этической сетиа; к ней прикреплены рибосомы. Внутренняя мембрана рибосом не содержит. Ядерная оболочка пронизана множеством пор. Функции ядра клетки: 1) контролирует жизнедеятельность клетки, регулируя процессы синтеза белка, обмена веществ и энергии; 2) хранит генетическую информацию, заключенную в ДНК, которые являются основной частью хромосом, и передает ее дочерним клеткам в процессе клеточного деления. Клетки, образующие ткани и органы, называются соматические. Ядра соматических клеток содержат двойной, или диплоидный набор хромосом, то есть по две хромосомы каждого вида. Половина хромосом достается от материнской яйцеклетки, другая половина – от отцовского сперматозоида. Парные хромосомы называются гомологичными. Исключение составляют половые хромосомы: в женском организме - это XX хромосомы, в мужском – XY. Каждый вид имеет определенный набор хромосом. Половые клетки – гаметы, имеют одинарный, или гаплоидный набор хромосом. Если диплоидный набор человека – 46 хромосом, то гаплоидный будет 23 хромосомы. В ядре всегда присутствует одно или несколько ядрышек. Ядрышко - округлое тельце, не ограниченное мембраной, состоящее из белка и РНК, это место синтеза рРНК и самосборки рибосом, которые через поры в ядерной оболочке переходят в цитоплазму. Органоиды клетки могут иметь мембранное и немембранное строение. Органоиды клетки, содержащие молекулы ДНК, способны самоудваиваться. Строение и функции одномембранных органоидов клетки Органоиды клетки Эндоплазматическая сеть (ЭПС): - ЭПС шероховатая (гранулированная), 1 Особенности строения Система многочисленных канальцев и полостей Функции Синтез и транспорт органических веществ в цитоплазме клетки - ЭПС гладкая (агранулярная), 2 На мембранах находятся рибосомы Синтез белков на прикрепленных к мембране рибосомах, объединенных в комплексы полисомы 15 Мембраны гладкие Синтез липидов и углеводов Уплощенные полости, сложенные стопкой, от которых отделяются пузырьки Накопление веществ, синтезируемых на мембранах ЭПС, «упаковка» органических соединений в мембранные пузырьки, которые разносятся по клетке; выведение веществ из клетки. Формирование лизосом - эндоплазматический ретикулум Комплекс Гольджи 1 — пузырьки; 2 — цистерны Комплекс Гольджи и эндоплазматическая сеть тесно связаны между собой; их совместная деятельность обеспечивает синтез и преобразование веществ в клетке, их изоляцию, накопление и транспорт. Лизосомы (от греч. lysis – Пузырьки овальной Ферменты расщепляют растворение, soma – тело) формы, органические вещества; содержащие 30-50 происходит разрушение ферментов отмерших органоидов клетки и уничтожение отработавших клеток, осуществляется самопереваривание клетки — автолиз; с помощью лизосом уничтожаются целые комплексы клеток и органы. Например, когда головастик превращается в лягушку, лизосомы, находящиеся в клетках хвоста, переваривают его: хвост исчезает, а образовавшиеся во время этого процесса вещества всасываются и используются другими клетками тела Вакуоли: Полости, содержащие жидкость с различными - центральная в растительной клетке растворенными веществами Заполнена Накопление питательный клеточным соком веществ, регуляция водно16 - пищеварительная в клетке животных - выделительная у простейших (растворенные органические и неорганические вещества), формируется при участии ЭПС Содержит литические ферменты и пищевые частички Содержит воду и растворенные в ней продукты метаболизма солевого обмена, поддержание тургорного давления Внутриклеточное пищеварение Осморегуляция, удаление жидких продуктов метаболизма Строение и функции двумембранных органоидов клетки Органоиды клетки Митохондрии - Лейкопласты Особенности строения Два слоя мембраны: наружная и внутренняя имеет выросты – кристы. Содержат собственные ДНК, РНК, рибосомы. Два слоя мембраны: наружная и внутренняя имеет складки – граны, расположенные в виде стопок, на складках пузырьки – тилакоиды. Содержат собственные ДНК, РНК, рибосомы. бесцветные - Хлоропласты Зеленые - Хромопласты Желтые, оранжевые, красные Пластиды: Функции Синтез молекул АТФ – универсального источника энергии клетки. В митохондриях осуществляется кислородный этап клеточного дыхания. Накопление органических веществ (крахмала, масла, белков), могут превращаться хлоропласты и хромопласты Фотосинтез, могут превращаться в хромопласты Придают окраску цветкам, плодам, листьям Хлоропласты и митохондрии ограничены двумя мембранами — наружной и внутренней: Строение хлоропласта: I —наружная мембрана; 2 — рибосомы; 3 — пластоглобулы; 4 — граны; 5 — тилакоиды; 6 — матрице; 7 —ДНК; 8 — внутренняя мембрана; 9 —межмембранное пространство 17 Все типы пластид генетически родственны друг другу, и одни их виды могут превращаться в другие: лейкопласты → хлоропласты → хромопласты. Строение митохондрии: а — продольный разрез; 6 — схема трехмерного строения; 1 — внешняя мембрана; 2 — матрикс; 3 —межмембранное пространство; 4 — гранула; 5 —ДНК; 6 — внутренняя мембрана; 7 — рибосомы. 1. Митохондрии (от греч. mitos – нить, chondros – зернышко) находятся во всех эукариотических клетках, нет их прокариотических. Форма митохондрий – овальная, округлая, палочковидная, нитевидные. Состав и строение митохондрии Мембраны Матрикс Внутреннее полужидкое содержимое Наружная Внутренняя образует выросты - кристы ДНК, РНК, белок, рибосомы Кристы (от лат. crista – гребень) увеличивают площадь мембраны. Количество крист зависит от функциональной активности клетки. На кристах встроены ферменты, синтезирующие молекулы АТФ, то есть функция митохондрий – синтез молекул АТФ, которые являются универсальным источником энергии для всех процессов, происходящих в клетке. Митохондрии называют энергетическими органоидами клетки. Количество митохондрий в клетках зависит от энергетических затрат самой клетки и ее возраста. Много митохондрий в мышечных клетках и клетках печени, в молодых клетках. Митохондрии содержат собственные молекулы ДНК, могут самостоятельно размножаться: новые митохондрии образуются путем деления имеющихся. 2. Пластиды – это органоиды растительных клеток. Пластиды Лейкопласты бесцветные (от греч. leukos – белый) Хлоропласты зеленые (от греч. chloros – зеленый) Хромопласты оранжевые, желтые (от греч. chroma – цвет) 18 Лейкопласты Местонахождение Функции в неосвещаемых частях растений накопление запасных органических (пример – клубни картофеля) веществ (крахмал) На свету в лейкоцитах образуется зеленый пигмент – хлорофилл. Лейкопласты превращаются в хлоропласты. Форма – уплощенные округлые. Хлоропласты Местонахождение Функции листья растений, покровы молодых стеблей синтез АТФ, синтез углеводов (фотосинтез) Состав и строение Мембраны Строма Внутреннее полужидкое содержимое Наружная Внутренняя образует складки - граны (в виде стопок) ДНК, РНК, ферменты, рибосомы На складках пузырьки - тилакоиды пигмент – хлорофилл ферменты, синтезирующие АТФ Хромопласты Местонахождение Функции цветки, плоды, стебли, листья привлечение насекомых и других животных, которые способствуют опылению цветков и распространению плодов и семян Размножаются пластиды подобно митохондриям – делением, имеют собственные молекулы ДНК. Строение и функции немембранных органоидов клетки Органоиды клетки Рибосомы Особенности строения Округлый органоид, состоящий из двух субъединиц Функции Синтез белка 19 Клеточный центр Органоиды движения – реснички, жгутики Клеточные включения Хромосомы Два цилиндрика – центриоли, образованные микротрубочками Микротрубочки (белковые) Зерна (гранулы) белков и углеводов, капли жира Органоиды ядра, образованы одной молекулой ДНК и молекулами белков Образуют цитоскелет клетки, нити веретена деления, жгутики и реснички Передвижение клеток в пространстве; Перемещение вдоль клеток окружающей их жидкости и частиц Запасающая Носители генетической информации 1. Рибосомы – округлые немембранные органоиды, состоящие из двух субъединиц (рис. 23 в учебнике). Они образуются в ядрышках, выводятся в цитоплазму, где одни располагаются на мембранах ЭПС, другие - свободно в цитоплазме. Рибосомы Состав Функции Белки + р РНК синтез белков из аминокислот 2. Клеточный центр – немембранный органоид, расположенный в цитоплазме вблизи ядра. Клеточный центр Состав и строение Два цилиндрика – центриоли, расположенные перпендикулярно друг другу Центриоли состоят из 9 пучков по 3 микротрубочки в каждом Функции Образуют нити веретена деления, трубочки цитоскелета, жгутики и реснички (Цитоскелет – внутренний скелет клетки) 3. Органоиды движения. Многие клетки одноклеточных и многоклеточных организмов обладают способностью к движению. Например, эвглена зеленая и инфузория-туфелька передвигаются с помощью ресничек и жгутиков; некоторые виды бактерий передвигаются с помощью жгутиков; клетки слизистой оболочки человека имеют реснички, создающие ток жидкости (слизи) и выводящие из организма различные частицы, бактерии. Органоиды движения Состав и строение Реснички и жгутики, состоящие из белковых микротрубочек Функции Передвижение клеток в пространстве; перемещение вдоль клеток жидкости и частиц 4. Клеточные включения - непостоянные образования, то возникают, то исчезают в процессе жизнедеятельности клеток. Клеточные включения 20 непостоянные образования, запасающие органические вещества Зерна (гранулы) Белок (в цитоплазме Капли Углеводы Жир (в клетках семян и плодов растений, в жировых клетках животных) в яйцеклетке) Гликоген (в клетках печени и мышечных волокнах) Крахмал (в зернах злаков, в клубнях картофеля) Сравнительная характеристика клеток эукариот По строению различные эукариотические клетки сходны, но наряду со сходством клетки организмов разных царств живой природы имеют и различия. Признаки Ядро Клеточная стенка Резервное питательное вещество Пластиды Лизосомы Клеточный центр Растения + + (целлюлоза) Крахмал + Животные + --Гликоген --- Грибы + + (хитин) Гликоген --- ----- + + + + Сравнительная характеристика прокариотических и эукариотических клеток Клетки прокариот, к которым относятся бактерии, имеют относительно простое строение. Цитоплазма прокариотической клетки значительно беднее по составу по сравнению с эукариотической клеткой. Признаки Клеточная мембрана Цитоплазма Ядерная оболочка, ядро ДНК Прокариоты + + Замкнута в кольцо (условно называют «бактериальная хромосома») Хромосомы Митохондрии Пластиды у автотрофов Эндоплазматическая сеть Комплекс Гольджи Рибосомы Жгутики, реснички Клеточный центр Включения + (но более мелкие) + + Эукариоты + + + Ядерная ДНК представляет линейную структуру и находится в хромосомах + + + + + + + + + 21
