Дополнительная

1.Биология: Тесты для 11 кл. Варианты и ответы централизованного тестирования.- М: Центр тестирования МО РФ,2001

2.Биология: Энциклопедия ( под редакц. М.С.Гилярова).- М.: Большая Российская энциклопедия., 2003

3.Захаров В.Б. Общая биология: Учебник для 10-11 кл. общеобраз. уч. заведений- М.: Дрофа, 2002

4.Лемеза Н.А., Камлюк Л.В., Лисов Н.Д. Биология в экзаменационных вопросах и ответах- М.: Айрис-пресс, 2003

5.Мамонтов С.Г., Захаров В.В. Общая биология. – М.: Высшая школа, 2000

Тема лекции № 3: Химический состав клетки. Вирусы- неклеточные формы.

План

1.Биологически важные химические элементы.

2.Неорганические соединения.

3.Биологические полимеры.

4.Углеводы , строение и функции.

5.Строение и функции липидов.

6. Строение и функции белков.

1.Биологически важные химические элементы.

В живых организмах содержится большое количество химичес­ких элементов. Они образуют два класса соединений — органичес­кие и неорганические .

Химические соединения, основой строения которых являются атомы углерода, составляют отличительный признак живого. Эти соединения называются органическими. Органические соединения чрезвычайно многообразны, но только четыре класса их имеют всеобщее биологическое значение: белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды.

Биологически важные химические элементы. Из известных нам 110 химических элементов в состав клеток живых организмов вхо­дят только 24. Набор этих элементов не случаен. Жизнь зародилась в водах мирового океана, и живые организмы состоят преимуще­ственно из тех элементов, которые образуют легко растворимые в воде соединения. Большинство таких элементов принадлежит к числу легких, их особенностью является способность вступать в прочные (ковалентные) связи и образовывать множество сложных и разнообразных молекул.

В составе клеток человеческого тела преобладают водород (бо­лее 60%), кислород (около 25%) и углерод (около 10%). На азот, кальций, фосфор, хлор, калий, серу, натрий, магний, вместе взятые, приходится менее 3%. Остальные 13 элементов составляют не более 0,1%. Сходный элементарный состав имеют клетки большинства животных; отличаются лишь клетки растений и микроорганизмов. Даже те элементы, которые в клетках содержатся в ничтожно малых количествах, ничем не могут быть заменены и совершенно необходимы для жизни. Так, содержание иода в клетках не превы­шает 0,01%. Однако при недостатке его в почве (из-за этого и в пищевых продуктах) задерживается рост и развитие детей, живущих в районах земного шара, где в почве не хватает иода. Содержание меди в клетках животных не превышает 0,0002%. Но при недо­статке меди в почве (отсюда и в растениях) возникают массовые заболевания сельскохозяйственных животных. Значение для клетки основных элементов приведено в конце тoгo параграфа.

2.Неорганические соединения.

Неорганические (минеральные) соединения. В состав живых клеток входит ряд относительно простых соединений, которые ветре чаются и в неживой природе — в минералах, природных водах. Это неорганические соединения.

Вода — одно из самых распространенных веществ на Земле. Она покрывает большую часть земной поверхности. Почти все живые существа состоят в основном из воды. У человека содержание воды в различных органах и тканях варьирует от 20% (в костной ткани) до 85% (в головном мозге). Около 2/3 массы человека составляет вода, в организме медузы до 95% воды, даже в сухих семенах вода составляет 10—12%.

Вода обладает некоторыми уникальными свойствами. Свойства эти настолько важны для живых организмов, что нельзя предста­вить жизнь без этого соединения водорода и кислорода.

Уникальные свойства воды определяются структурой ее моле­кул. В молекуле воды один атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода. Молекула воды полярна (диполь). Положительные заряды сосредоточены у атомов водорода, так как кислород электроотрицательнее водорода. Отрицательно заряженный атом кислорода одной молеку­лы воды притягивается к положительно заряженному атому во­дорода другой молекулы с образованием водородной связи .

По прочности водородная связь примерно в 15—20 раз слабее ковалентной связи. Поэтому водородная связь легко разрывается, что наблюдается, например, при испарении воды. Вследствие тепло­вого движения молекул в воде одни водородные связи разрываются, другие образуются.

Таким образом, в жидкой воде молекулы подвижны, что немаловажно для процессов обмена веществ. Молекулы воды легко прони­кают через клеточные мембраны.

Из-за высокой полярности молекул вода является растворителем других полярных соединений, не имея себе равных. В воде растворя­ется больше веществ, чем в любой другой жидкости. Именно поэтому в водной среде клетки осуществляется множество химичес­ких реакций. Вода растворяет продукты обмена веществ и выводит их из клетки и организма в целом.

Вода обладает большой теплоемкостью, т. е. способностью поглощать теплоту при минимальном изменении собственной тем­пературы. Благодаря этому она предохраняет клетку от резких изменений температуры. Поскольку на испарение воды расходуется много теплоты, то, испаряя воду, организмы могут защищать себя от перегрева (например, при потоотделении).

Вода обладает высокой теплопроводностью. Такое свойство соз­дает возможность равномерного распределения теплоты между тка­нями тела.

Вода служит «смазочным» материалом, необходимым везде, где есть трущиеся поверхности (например, в суставах).

Вода имеет максимальную плотность при 4°С., Поэтому лед, обладающий меньшей плотностью, легче воды и плавает на ее поверхности, что защищает водоем от промерзания. Это свойство воды спасает жизнь многим водным организмам. По отношению к воде все вещества клетки разделяются на две Группы: гидрофильные и гидрофобные от греч. «Гидр» и «фи-лео» — любящий воду, «гидр» и «фобос» — боящийся воды). К гид­рофильным относятся вещества, хорошо растворимые в воде. Это соли, сахара, аминокислоты. Гидрофобные вещества, напротив, в воде практически нерастворимы. К ним относятся, например, жиры.

Клеточные поверхности, отделяющие клетку от внешней среды, и некоторые другие структуры состоят из водонерастворимых (гид­рофобных) соединений. Благодаря этому сохраняется структурная целостность клетки. Образно клетку можно представить в виде сосуда с водой, где протекают биохимические реакции, обеспечива­ющие жизнь. Стенки этого сосуда не растворимы в воде. Однако они способны избирательно пропускать водорастворимые соедине­ния.

Помимо воды, в числе неорганических веществ клетки нужно назвать соли, представляющие собой ионные соединения. Они обра­зованы катионами калия, натрия, магния и иных металлов и анио­нами соляной, угольной, серной, фосфорной кислот-. При диссоциа­ции таких солей в растворах появляются ^катионы (К⁺, Na⁺, Ca^2+J, Mg²* и др.)',и. анионы (CI^-, HC0₃, HS0₄ и др.}. Концентрация ионов на внешней поверхности клетки отличается от их концентра­ции на внутренней поверхности. Разное число ионов калия и натрия на внутренней и внешней поверхности клетки создает разность заря­дов на мембране.

На внешней поверхности клеточной мембраны очень высокая концентрация ионов натрия, а на внутренней поверх­ности очень высокая концентрация ионов калия и низкая — натрия. Вследствие этого образуется разность потенциалов между внутрен­ней и внешней поверхностью клеточной мембраны, что обусловли­вает передачу возбуждения по нерву или мышце.

Ионы кальция и магния являются активаторами многих фермен­тов, и при недостатке их нарушаются жизненно важные процессы в клетках.

Ряд важных функций выполняют в живых организмах неорганические кислоты и их соли. Соляная кислота создает, кислую среду в желудке животных и человека и в специальных органах насе­комоядных растений, ускоряя переваривание белков пищи.

Остатки фосфорной кислоты (Н₃Р0₄), присоединяясь к ряду ферментных и иных белков клетки, изменяют их физиологическую активность. Остатки серной кислоты, присоединяясь к нерастворимым в воде чужеродным веществам, придают им растворимость и способствуют, таким образом, выведению их из клеток и организмов.

Неорга­нические натриевые и калиевые соли азотистой и фосфорной кислот, кальциевая соль серной кислоты служат важными состав­ными частями минерального питания растений, их вносят в почву как удобрения для подкормки растений.

Более подробно значение для клетки химических элементов приведено ниже.

Биологически важные химические элементы клетки

Элемент и его символ

Значение для клетки

Водород — Н бор —В Углерод — С Азот — N Кислород — О Фтор — F Натрий — Na Магний — Mg Фосфор — Р Сера — S Хлор — С1 Калий — К Кальций — Са Марганец —Мп Железо — Fe Кобальт Медь — Си Цинк — Zn йод — I

Входит в состав воды и биологических веществ Необходим некоторым растениям Входит в состав биологических веществ Структурный компонент белков и нуклеиновых кислот Входит в состав воды и биологических веществ Входит в состав эмали зубов Главный внеклеточный положительный ион Активирует образование многих ферментов; струк­турный компонент хлорофилла Входит в состав костной ткани, нуклеиновых кислот Входит в состав белков и многих других биологиче­ских веществ Преобладающий отрицательный ион в организме животных Преобладающий положительный ион внутри клеток Основной компонент костей и зубов; активирует со­кращение мышечных волокон Необходим организмам в следовых количествах Входит в состав многих органических веществ Входит в состав витамина В12 Необходим организмам в следовых количествах (об­наружен в составе некоторых ферментов) Необходим организмам в следовых количествах (об­наружен в некоторых ферментах и инсулине) Входит в состав гормона щитовидной железы

3.Биологические полимеры.

В состав клеток входит множество органических соединений: углеводы, белки, липиды, нуклеиновые кислоты и другие соедине­ния, которых нет в неживой природе. Органическими веществами называют химические соединения, в состав которых входят атомы углерода.

Атомы углерода способны вступать друг с другом в прочную ковалентную связь, образуя множество разнообразных цепных или кольцевых молекул.

самыми простыми углеродсодержащими соединениями явля­ются углеводороды, соединения, которые содержат только углерод и водород.' Однако в большинстве органических, т. е. углеродных, соединений, содержатся и другие элементы (кислород, азот, фос­фор, сера).

Биологические полимеры (биополимеры). Биологические поли­меры — это органические соединения, входящие в состав клеток живых организмов.

Полимер (от греч. «поли» — много) — многозвеньевая цепь, в которой звеном является какое-либо относительно простое веще­ство — мономер. Мономеры, соединяясь между собой, образуют цепи, состоящие из тысяч мономеров. Если обозначить тип моно­мера определенной буквой, например А, то полимер можно изобра­зить в виде очень длинного сочетания мономерных звеньев: А—А— А—А—...А. Это, например, известные вам органические вещества: крахмал, гликоген, целлюлоза и др. Биополимерами являются бел­ки, нуклеиновые кислоты, полисахариды.

Свойства биополимеров зависят от строения их молекул: от числа и разнообразия мономерных звеньев, образующих полимер.

Если соединить вместе два типа мономеров А и Б, то можно получить очень большой набор разнообразных полимеров. Строе­ние и свойства таких полимеров будут зависеть от числа, соотноше­ния и порядка чередования, т. е. положения мономеров в цепях. Полимер, в молекуле которого группа мономеров периодически повторяется, называют регулярным. Таковы, например, схемати­чески изображенные полимеры с закономерным чередованием мономеров:

...АБ АБ АБ АБ...

...ААББААББ...

...А Б Б АББ АББ А...

Однако значительно больше можно получить вариантов полиме­ров, в которых нет видимой закономерности в повторяемости моно­меров. Такие полимеры называют нерегулярными.

Допустим, что каждый из мономеров определяет какое-либо свойство полимера. Например, мономер А определяет высокую прочность, а мономер Б — электропроводность. Сочетая эти два мономера в разных соотношениях и по-разному чередуя их, можно получить огромное число полимерных материалов с разными свой­ствами. Если же взять не два типа мономеров (А и Б), а больше, то и число вариантов полимерных цепей значительно возрастет.

Оказалось, что сочетание и перестановка нескольких типов мономеров в длинных полимерных цепях обеспечивают построение множества вариантов и определяют различные свойства биополиме­ров, входящих в состав всех организмов. Этот принцип лежит в основе многообразия жизни на нашей планете.

4. Углеводы , их строение и функции.

В составе клеток всех живых организ­мов широкое распространение имеют углеводы. Углеводами назы­вают органические соединения, состоящие из углерода, водорода и кислорода. В углеводах водород и кислород находятся, как правило, в тех же соотношениях, что и в воде (отсюда их название — угле­вод). Общая формула углеводов С_п(Н₂0)_т. Примером может слу­жить один из самых распространенных углеводов — глюкоза, эле­ментный состав которой С₆Н_]20₆ .

Глюкоза является про­стым сахаром. Несколько остатков простых Сахаров соединяются между собой и образуют сложные сахара. В составе молока нахо­дится молочный сахар (дисахарид), который состоит из остатков молекул двух простых Сахаров. Молочный сахар — основной источ­ник энергии для детенышей всех млекопитающих.

Тысячи остатков молекул одинаковых Сахаров, соединяясь между собой, образуют биополимеры — полисахариды. В составе живых организмов имеется много разнообразных полисахаридов; у расте­ний это крахмал , у животных — гликоген. Все они состоят из тысяч молекул глюкозы. Крахмал и гликоген играют роль как бы аккумуляторов энергии, необходимой для жизнедеятельности клеток и организма. Очень богаты крахмалом пшеница, рожь, куку­руза и др.

Функции углеводов. В пищеварительном тракте человека и животных крахмал расщепляется особыми белками до глюкозы. Глюкоза, всасываясь из кишечника в кровь, окисляется в клетках с освобождением энергии химических связей, а избыток ее запасается в клетках печени и мышц в виде гликогена, В периоды интенсивной мышечной работы или нервного напряжения (либо при голодании) в мышцах и печени животных расщепление гликогена усиливается. При этом образуется глюкоза, которая потребляется интенсивно работающими мышечными и нервными клетками.

Таким образом, биополимеры полисахариды — это вещества, в которых запасается используемая клетками энергия растительных и животных организмов. Однако это не единственная функция поли­сахаридов.

В растениях в результате полимеризации глюкозы образуется также целлюлоза. Из целлюлозных волокон строится прочная основа клеточных стенок растений. Благодаря особому строению целлюлоза не растворима в воде и обладает высокой прочностью. По этой причине целлюлозу используют и для изготовления тканей. Ведь хлопок — почти чистая целлюлоза. В кишечнике человека и большинства животных нет ферментов, способных расщеплять связи между молекулами глюкозы, входящими в состав целлюлозы. У жвачных животных целлюлозу расщепляют ферменты бактерий, постоянно обитающих в специальном отделе желудка.

Известны также сложные полисахариды, состоящие из двух типов простых Сахаров, которые регулярно чередуются в длинных цепях. Такие полисахариды выполняют структурные функции в опорных тканях животных. Они входят в состав межклеточного вещества кожи, сухожилий, хрящей, придавая им прочность и эла­стичность. Таким образом, второй важной функцией углеводных биополимеров является их структурная функция.

Имеются полимеры Сахаров, которые входят в состав клеточных мембран; они обеспечивают взаимодействие клеток одного типа, узнавание клетками друг друга. Если разделенные клетки печени смешать с клетками почек, то они самостоятельно разойдутся в две группы благодаря взаимодействию однотипных клеток: клетки почек соединятся в одну группу, а клетки печени — в другую. Утрата способности узнавать друг друга характерна для злокаче­ственных клеток. Выяснение механизмов узнавания и взаимодей­ствия клеток может иметь очень важное значение, в частности, для разработки средств лечения рака.

5. Строение и функции липидов.

Липиды разнообразны по структуре. Всем им присуще, однако, одно общее свойство: все они неполярны. Поэтому они рас­творяются в таких неполярных жидкостях, как хлороформ, эфир, но практически нерастворимы в воде. К липидам относятся и жиры. При окислении жиров образуется большое количество эне­ргии, "которая расходуется на различные процессы. В этом заклю­чается энергетическая функция жиров.

Жиры могут накапливаться в клетках и служить запасным питательным веществом. У некоторых животных (например, у китов, ластоногих) под кожей откладывается толстый слой подкожного жира, который благодаря низкой теплопроводности защищает их от переохлаждения.

Некоторые липиды являются гормонами и принимают участие в регуляции физиологических функций организма. Липиды, содержа­щие фосфор (фосфолипиды), служат важнейшей составной частью клеточных мембран, т. е. они выполняют структурную функцию.

6. Строение и функции белков.

Белки — обязательная составная часть всех кле­ток. В состав этих биополимеров входят мономеры 20 типов. Такими мономерами являются аминокислоты, которые состоят из атомов углерода, водорода, кислорода, азота и серы.

В результате соединения аминокислот однотипной химической связью, образуются линейные молекулы белков. В составе боль­шинства белков находится в среднем 300—500 остатков аминоки­слот. Известно несколько очень коротких природных белков, дли­ной в 3—8 аминокислот, и очень длинных биополимеров, длиной более чем в 1500 аминокислот.

Каждая из 20 аминокислот отличается от любой другой аминоки­слоты особой химической группировкой, так называемой R-группой или радикалом.

Строение белков. Выделяют первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры белков .

Первичная структура определяется порядком чередо­вания аминокислот в цепи. Двадцать разных аминокислот можно уподобить 20 буквам химического алфавита, из которых составлены «слова» длиной в 300—500 букв. С помощью 20 букв можно написать безграничное множество таких длинных слов. Если считать, что замена или перестановка хотя бы одной буквы в слове придает ему новый смысл, то число комбинаций в слове длиной в 500 букв соста­вит 20⁵⁰⁰.

Известно, что замена даже одного аминокислотного звена дру­гим в белковой молекуле изменяет ее свойства. В каждой клетке содержится несколько тысяч разных видов белковых молекул, и для каждого из них характерна строго определенная последователь­ность аминокислот. Именно порядок чередования аминокислот в данной белковой молекуле определяет ее особые физико-химичес­кие и биологические свойства. Исследователи умеют расшифровы­вать последовательность аминокислот в длинных белковых молеку­лах и синтезировать такие молекулы.

В живой клетке многие белки или отдельные участки их пред­ставляют собой не вытянутую нить, а спираль с одинаковыми рас­стояниями между витками. Такая спираль представляет собой вто­ричную структуру белковой молекулы.

Спираль обычно свернута в клубок. Этот клубок образован зако­номерным переплетением участков белковой цепи. Положительно и отрицательно заряженные группы аминокислот притягиваются и сближают даже далеко отстоящие друг от друга участки белковой цепи. Сближаются и иные участки белковой молекулы, несущие, например, «водоотталкивающие» (гидрофобные) группы. В резуль­тате взаимодействия различных остатков аминокислот спирализованная молекула белка образует клубок — третичную структуру.

Для каждого вида белка характерна своя форма клубка с изгибами и петлями. Третичная структура зависит от первичной структуры, т. е. от порядка расположения аминокислот в цепи.

наконец, некоторые белки, например гемоглобин, состоят из нескольких цепей, различающихся по первичной структуре. Объединяясь вместе, они создают сложный белок, обладающий не только третичной, но и четвертичной структурой .

Белки — строительные материалы. Некоторые бактерии и все растения способны синтезировать все аминокислоты, из которых. Строятся белки, используя для этого неорганические вещества: азот и углекислый газ воздуха, водород, полученный при расщеплении ' йоды (за счет энергии света), неорганические вещества почвы. Животные в процессе эволюции утратили способность осущест­ви ять синтез десяти особенно сложных аминокислот, называемых незаменимыми. Они получают их в готовом виде с растительной и животной пищей. Такие аминокислоты содержатся в белках молоч­ных продуктов (молоко, сыр, творог), в яйцах, рыбе, мясе, а также и сое, бобах и некоторых других растениях. В пищеварительном тракте белки расщепляются до аминокислот, которые всасываются в кровь и попадают в клетки. В клетках из готовых аминокислот строятся собственные белки, характерные для данного организма. Белки являются обязательным компонентом всех клеточных струк­тур и в этом состоит их важная структурная роль.

Белки — ферменты. В каждой живой клетке происходят непре­рывно сотни биохимических реакций. В ходе этих реакций идут рас­щепление и окисление поступающих извне питательных веществ. Полученную вследствие окисления энергию питательных веществ и продукты их расщепления клетка использует для синтеза необходи­мых ей разнообразных органических соединений. Быстрое протека­ние таких реакций обеспечивают биологические катализаторы, или ускорители реакций — ферменты. В настоящее время известно более тысячи ферментов. Каждый фермент обеспечивает одну реакцию или несколько реакций одного типа. Например, жиры в пищеварительном тракте (а также внутри клеток) расщепляются специальным ферментом, который не действует на полисахариды (крахмал, гликоген) или на белки. В свою очередь, фермент, расще­пляющий только крахмал или гликоген, не действует на жиры. Каждая молекула фермента способна осуществлять от нескольких тысяч до нескольких миллионов операций в минуту. В ходе этих реакций ферментный белок не расходуется. Он соединяется с реаги­рующими веществами, ускоряет их превращения и выходит из реак­ции неизменным.

Ферменты выполняют работу наилучшим образом. Только при оптимальной температуре (например, у человека и теплокровных животных при 37° С). Для ферментативных реакций нужна опреде­ленная концентрация ионов водорода в среде.

Процесс расщепления или синтеза любого вещества в клетке, как правило, разделен на ряд химических операций. Каждую опера­цию выполняет отдельный фермент. Группа таких ферментов составляет своего рода биохимический конвейер.

Регуляторные белки. Известно, что в специализированных клет­ках-животных и растений производятся специальные регуляторы физиологических процессов — гормоны. Часть гормонов (но не все) животных и человека являются белками. Так, белковый гормон (гормон поджелудочной железы) инсулин активирует захват клет­ками молекул глюкозы и расщепление или запасание их внутри клетки. Если не хватает инсулина, то глюкоза накапливается в крови в избытке. Клетки без помощи инсулина не способны ее захватить — они голодают. Именно в этом причина развития диа­бета — болезни, вызываемой недостатком инсулина в организме.

Гормоны выполняют важнейшую функцию в организме, управ­ляя активностью ферментов. Так, инсулин активирует в клетках печени фермент, синтезирующий из глюкозы другое органическое вещество — гликоген и ряд других ферментов.

Белки — средства защиты. При попадании бактерий или вирусов в кровь животных и человека организм реагирует выработкой спе­циальных защитных белков — антител. Эти белки связываются с чужеродными для организма белками возбудителей заболеваний, чем подавляется их жизнедеятельность. На каждый чужеродный белок организм вырабатывает специальные «антибелки» — антитела.

Антитела обладают удивительным свойством: среди тысяч раз­нообразных белков они «узнают» только один белок — чужеродный и только с ним реагируют. Такой механизм сопротивления возбуди­телям заболеваний называют иммунитетом. Помимо антител, рас­торопных в крови, имеются антитела на поверхности специальных клеток, которые «узнают» и захватывают чужеродные клетки. Это клеточный иммунитет, обеспечивающий в большинстве случаев и уничтожение вновь возникающих раковых клеток.

Чтобы предупредить заболевание, людям и животным вводят ослабленные или убитые бактерии либо вирусы (вакцины), кото­рые не вызывают болезнь, но заставляют специальные клетки орга­низма производить антитела против этих возбудителей. Если через некоторое время болезнетворная неослабленная бактерия или вирус попадают в такой организм, они встречают прочный защитный барьер из антител. Миллионы человеческих жизней спасены вакци­нацией против оспы, бешенства, полиомиелита, желтой лихорадки и других болезней.

Белки — источник энергии. Белки могут служить источником энергии для клетки. При недостатке углеводов или жиров окисля­ются молекулы аминокислот. Освободившаяся при этом энергия используется на поддержание процессов жизнедеятельности орга­низма.

ЛИТЕРАТУРА

Основная

1.Общая биология: учебник для 10-11 кл. общеобраз. учрежден.. Под ред. Д.К. Беляева. - М.: Просвещение, 2005