Молекулярные основы жизни. Особенности атома углерода, биополимеров, воды; хиральность молекул живого; целостность живых систем. Уникальные свойства воды и ее роль в живых системах.

Молекулярные основы жизни

Как известно, важнейшие группы органических веществ, которые определяют основные свойства клетки, организма – это белки, углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты, отдельные нуклеотиды (в частности АТФ). Причем в живых организмах, в отличие от неживого вещества, эти соединения характеризуются так называемой хиральной чистотой. Каждая из этих групп выполняет свою функцию (функции) в процессе жизнедеятельности организма. В частности, белки построены только на основе левовращающих (поляризующих свет влево) аминокислот, а нуклеиновые кислоты состоят исключительно из правовращающих сахаров. Эта хиральная чистота сложилась на самых начальных этапах эволюции живого вещества. Считается, что минимальное время глобального перехода от полного хаоса к хиральной чистоте составляет от 1 до 10 млн. лет. Следовательно, в этом смысле зарождение жизни могло произойти на Земле относительно мгновенно за отрезок времени, в 5 тыс. раз меньший предполагаемого возраста планеты.

Белки ответственны прежде всего за обмен веществ и энергии в живой системе, т.е. за все реакции синтеза и распада, осуществляющиеся в любом организме от рождения и до смерти. Нуклеиновые кислоты обеспечивают способность живых систем к самовоспроизведению. Они – основа матрицы, удивительного " изобретения" природы. Матрица представляет своего рода чертеж, т. е. полный набор информации, на основе которого синтезируются видоспецифические молекулы белка.

Помимо белков и нуклеиновых кислот, в состав живых организмов входят липиды (жиры), углеводы и очень часто аскорбиновая кислота

Углеводы(моносахариды, полисахариды) – органические вещества, в состав молекул которых входят водород и кислород. При этом соотношение этих элементов аналогично соотношению их в молекуле воды, т.е. на 2 атома водорода приходится один атом кислорода.

К моносахаридам относятся рибоза, дезоксирибоза, глюкоза, фруктоза, галактоза.

К полисахаридам первого порядка относятся сахароза, лактоза и мальтоза.

Полисахариды второго порядка: крахмал, гликоген, клетчатка.

Углеводы выполняют в организме следующие функции:

· энергетическую,

· структурную (т.к. входят в состав оболочек клеток и субклеточных образований),

· запаса питательных веществ,

· защитную (вязкие секреты, предохраняющие стенки полых органов от механических, химических повреждений, проникновения вредных бактерий и вирусов богаты углеводами).

Липиды. Под этим термином объединяются жиры и жироподобные вещества. Это органические соединения с различной структурой, но общими свойствами. Они нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях.

Основные функции липидов:

· структурная (липиды принимают участие в постороении мембран клеток всех органов и тканей),

· энергетическая функция (обеспечение 25-50% энергии организма),

· запаса питательных веществ («энергетические консервы»),

· терморегуляции.

Белки.Белки – это нерегулярные полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. В состав большинства белков входят 20 аминокислот. В каждой из них содержатся одинаковые группировки атомов: аминогруппа – NH₂ и карбоксильная группа – СООН. Участки молекул, лежащие вне амино- и карбоксильной группы, называются радикалами (R). В клетке находятся свободные аминокислоты, составляющие аминокислотный фонд, за счет которого происходит синтез новых белков. Этот фонд постоянно пополняется за счет расщепления белков пищи пищеварительными ферментами или собственных запасных белков.

Соединение аминокислот происходит через общие для них группировки: аминогруппа одной аминокислоты соединяется с карбоксильной группой другой аминокислоты, при их соединении выделяется молекула воды. Между соединившимися аминокислотами возникает связь , называемая пептидной. Образовавшееся соединение нескольких аминокислот называют пептидом, а соединение из большого числа аминокислот – полипептидом. Таким образом, белок может представлять собой один или несколько полипептидов.

Уровни организации белковой молекулы. Первичной, самой простой структурой является полипептидная цепь, т.е. нить аминокислот, связанных между собой пептидными связями. В первичной структуре все связи между аминокислотами являются ковалентными, а, следовательно, прочными.

Вторичная структура соответсвует закрутке белковой нити в виде спирали. Между группами –С=О, находящимися на одном витке спирали, и группами –N–H на другом витке образуются водородные связи, которые слабее ковалентных, но обеспечивают достаточную прочность вторичной структуры.

Третичная структура. Полипептид далее свертывается, образуя клубок, для каждого белка свой специфичный, образуя третичную структуру.

Четвертичная структура. Благодаря соединению нескольких молекул белков между собой образуется четвертичная структура. Если пептидные нити уложены в виде клубка, такие белки называются глобулярными, если в виде пучков нитей – фибриллярными.

Функции белков. Ранообразие функций, которые выполняют белки в живом организме столь велико, что ее целесообразно представить в виде следующей схемы (рис.).

Рис. Функции белков

Следует заметить, что кроме представленных на схеме, белки выполняют и энергетическую функцию. Однако белки используются как источники энергии только когда истощаются основные источники: углеводы и жиры.

Нуклеиновые кислоты. Нуклеиновые кислоты – природные высокомолекулярные соединения, обеспечивающие хранение и передачу наследственной информации. Описаны впервые в 1869 г. швейцарским биохимиком Ф.Мишером.

В природе существуют два типа нуклеиновых кислот, различающихся по составу, строению и функциям. Одня содержит улеводные компонент рибозу (РНК), другая – дезоксирибозу (ДНК).

Нуклеиновые кислоты – важнейшие биополимеры, определяющие основные свойства живого. Так ДНК – полимерная молекула, состоящая из сотен тысяч мономеров – дезоксирибонуклеотидов.

ДНК. Нуклеотидный состав ДНК: в составе ДНК имеются 4 основания: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г), цитозин (Ц).

Количество аденина всегда равно количеству тимина (А=Т), а количество гуанина – количеству цитозина (правило Чаргаффа). Это свидетельствовало о некоторых строгих закономерностях в строении ДНК. В начале 50-х годов прошлого века была выяснена структура ДНК – двойной спирали, причем на периферии молекулы находится сахарофосфатный остов, а в середине – пуриновые (аденин и гуанин) и пиримидиновые (цитозин и тимин) основания. Каждая из пар оснований обладает симметрией, позволяющей ей включиться в двойную спираль в двух ориентациях: (А=Т и Т=А) и (Ц=Г и Г=Ц). В каждой из цепей ДНК основания могут чередоваться всеми существующими способами.

Если известна последовательность оснований в одной цепи (например, Т-Ц-Г-Ц-А-Т, то, благодаря специфичности спаривания (комплементарности) становится известной и последовательность ее цепи-«партнера»: А-Г-Ц-Г-Т-А.

РНК. Молекула РНК также полимер, мономером которого является рибонуклеотид. РНК – однонитевая молекула и построена таким же образом, как и одна из цепей ДНК. Нуклеотиды РНК очень близки нуклеотидам ДНК но не полностью тождественны: вместо тимина (Т) у РНК присутствует близкий к нему по строению пиримидин – урацил.

Все виды РНК синтезируются на ДНК, которая служит своего рода матрицей.

По выполняемым функциям РНК подразделяются на следующие виды:

· Транспортная РНК (т-РНК) – самая короткая, 80-100 нуклеотидов, из общего содержания РНК клетки на т-РНК приходится около 10%. Функция ее стостоит в переносе аминокислот в рибосомы, к месту синтеза белка.

· Рибосомная РНК (р-РНК) – самая крупная, 3-5 тыс. нуклеотидов (около 90% содержания РНК клетки).

· Информационная РНК (и-РНК), на них приходится около 0, 5-1% от общего содержания РНК в клетке. Функция ее состоит в переносе информации о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка в рибосомах.

http: //kse-303.narod.ru/25.0.html

Рис. «Материнская» ДНК как матрица для синтеза комплементарных цепей

Структурные уровни и системная организация материи. Онтогенетический и молекулярно-генетический уровни биологических структур. Организменно-клеточный, популяционный и биосферный уровни биосистем (клетка, ткань, орган, организм, популяция, биогеоценоз, биосфера).

Уровни организации живых систем представляют собой некую упорядоченность, иерархическую систему, которая является одним из основных свойств живого, см. табл. Уровни организации живой материи: молекулярно-генетический, клеточный, тканевый, органный, организменный (онтогенетический), популяционно-видовой, биогеоценотический, биосферный.

Каждая живая система состоит из единиц подчиненных ей уровней организации и является единицей, входящей в состав живой системы, которой она подчинена. Например, организм состоит из клеток, являющихся живыми системами, и входит в состав недоорганизменных биосистем (популяций, биоценозов).

Табл.

Основная группа или ступень	Уровень
Биологическая микросистема	Молекулярный Клеточный
Биологическая мезосистема	Тканевый Органный Организменный
Биологическая макросистема	Популяционно-видовой Биоценотический Биосферный

Существование жизни на всех уровнях подготавливается и определяется структурой низшего уровня:

· характер клеточного уровня организации определяется молекулярным;

· характер организменного – клеточным;

· популяционно-видовой – организменным и т.д.

Разделение живой материи на уровни является весьма условным. На основе разных критериев могут быть выделены различные уровни, или подсистемы, живого мира. Наиболее распространенным является выделение на основе критерия масштабности.

1. Биосферный критерий включает всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой.

2. Уровень биогеоценозов выражает следующую степень структуры живого, состоящую из участков Земли с определенным составом живых и неживых организмов (экосистему).

3. Популяционно-видовой уровень образуется свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида.

4. Организменный и органо-тканевый уровни отражают признаки отдельных особей, их строение, поведение, физиологию, а также строение и функции органов и тканей.

5. Клеточный и субклеточный уровни отражают процессы специализации клеток, а также различные внутриклеточные включения.

6. Молекулярный уровень составляет предмет молекулярной биологии, одной из важнейших проблем которой является изучение механизмов передачи генной информации и развитие генной инженерии и биотехнологии.

http: //www.e-biblio.ru/xbook/new/xbook334/book/part-011/page.htm

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒