Вода, её биологическая роль в клетке
МОЛЕКУЛЯРНО - ГЕНЕТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
1. Элементарная единица - ГЕН;
Элементарное явление – конвариантная репликация гена.
2. Науки, изучающие данный уровень:
ü Биохимия – наука о качественном составе, количественном содержании и преобразованиях в жизненных процессах соединений, образующих живую материю.
В качестве самостоятельной науки оформилась во второй половине 19 века.
Значение для биологии: дает фундаментальное понимание физиологии живых организмов.
ü Молекулярная биология – наука, изучающая основные свойства и проявления жизни на молекулярном уровне.
Возникла (на определенном этапе развития биохимии) на стыке биологии, химии, физики, математики, кибернетики – в 50-е годы 20 века (?).
Основные объекты исследования:
Вирусы, в т.ч. бактериофаги;
Клетки и субклеточные структуры (ядра, митохондрии, рибосомы и др.);
Макромолекулы (белки, н.к.).
Химический состав живых организмов
Элементарный химический состав
Химический элемент – вид атомов, имеющих одинаковое значение заряда ядра. В земной коре обнаружено около 100 химических элементов. Самые распространенные из них - кислород, кремний, алюминий, натрий. Для жизни в первую очередь необходимы – 16 (химические элементы, образующие растворимые в воде соединения) (?). Все химические элементы клетки (по количеству содержания в живом веществе) условно делят на три группы: макро-, микро-, ультрамикроэлементы (?). К главным элементам органических молекул относят углерод, водород, кислород, азот (на их долю приходится до 98%), фосфор и серу. Эти элементы составляют группу ОРГАНОГЕНОВ. С другой стороны, многие элементы земной коры в органическом мире встречаются в невысоких концентрациях.
(?) Значение химических элементов для жизни клетки (Н.Грин и др. Биология, т.1, с.317).
УГЛЕРОД – основа жизни на Земле
Химическая характеристика углерода:
Атомный номер – 6 (в ядре 6 протонов)
Атомная масса – 12 (6 протонов+ 6 нейтронов)
Электронная формула: +6 С 1s22s22p2, т.е. 2-ая оболочка не заполнена (до 8).
Отсюда – высокая способность к соединению с другими химическими элементами. В результате УГЛЕРОД образует ковалентные связи и его валентность = 4.
Кроме того, углерод обладает уникальной особенностью, не свойственной в такой мере ни одному другому химическому элементу: его атомы способны образовывать стабильные цепи и кольца, которые составляют скелет органических молекул (?).
Наконец, углерод способен образовывать кратные (двойные и тройные) связи, как между собой, так и с другими атомами (кислородом, азотом)(?). Образовавшиеся при этом соединения носят название ненасыщенных.
Это уникальное сочетание свойств (в комплексе с маленькой атомной массой, что делает молекулу компактной) обеспечивает колоссальное разнообразие органических молекул в живой природе. Проявляется это в размерах молекул, в их различной форме и химических свойствах.
МАКРОМОЛЕКУЛЫ – основа органических соединений
МАКРОМОЛЕКУЛЫ – это гигантские молекулы, построенные из множества повторяющихся единиц – МОНОМЕРОВ.
__ТИПЫ МАКРОМОЛЕКУЛ __
Полимер Полисахариды Белки Нуклеиновые кислоты
Мономер Моносахариды Аминок-ты Нуклеотиды
-М-М-М-… А1-А2-А3-… Н1-Н2-Н3-…
Тип Регулярные Нерегулярные
полимеров(монотонные) (немонотонные, непериодические)
В белках и нуклеиновых кислотах важна последовательность мономерных звеньев, т.к. это «информационные» молекулы.
СВОЙСТВА МАКРОМОЛЕКУЛ
Связи между мономерами (субъединицами) образуются путем удаления молекул воды (конденсация)
Для образования связей необходима энергия
Связи между мономерами разрываются в результате присоединения молекул воды (гидролиз).
ХАРАКТЕРИСТИКА МАКРОМОЛЕКУЛ
| характеристика | полисахарид | белки | нукл. к-ты |
| Молекулярная масса (средняя) | 104 | 104-106 | 108-1010 |
| субъединицы | моносахариды (1-2) | аминокислоты (20) | нуклеотиды (5) |
| Тип связей | гликозидная | пептидная | фосфодиэфир. |
СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ МАКРОМОЛЕКУЛ
Структурные уровни макромолекул появились в ходе предбиологической эволюции имеют колоссальное значение:
ü способствуют уменьшению размеров молекул в 7-10 тысяч раз;
ü значительно увеличивают активность молекул;
ü придают дополнительную прочность молекулам;
ü способствуют дополнительной защите молекул.
Компактизация молекул (на примере хроматина)
(из учебника В.Н.Ярыгина – Биология, 2012, с.124)
Суммарная длина вытянутых в нити биспиралей ДНК 46 хромосом человека равна примерно 190 см.
Суммарная длина 46 метафазных хромосом, содержащих те же молекулы ДНК в состоянии максимальной компактизации равна примерно 180 мкм.
Вследствие компактизации, при переходе хромосом из интерфазной формы в митотическую, суммарный линейный показатель уменьшается примерно в 7-10 т. раз.
Тело человека состоит из 5х1013-1014 клеток, что составляет всего 50-60 поколение зиготы. Суммарная длина всех биспиралей ДНК в организме человека составляет 1011 км. Хотя это почти в 1000 раз больше расстояния от Земли до Солнца, в клетках на долю ДНК приходится меньше 1% от общей массы.
ХИМИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ КЛЕТКИ
Все химические соединения клетки делятся на две группы: неорганические и органические. К неорганическим веществам относятся вода и минеральные соли, к органическим – углеводы, липиды, белки, нуклеиновые кислоты и многие другие.
75-80% биомассы клетки составляет вода (40-60% в древесине и до 99% у медуз). На втором месте после воды находятся белки (в сухом веществе их содержится 40-60%). Остальные 50% сухого вещества приходится на н.к., углеводы и липиды. На долю минеральных солей приходится до 10%. Кроме названных веществ в составе живых организмов в незначительных количествах находятся углеводороды, спирты, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, аминокислоты, эфиры и др. соединения. Многие из них обладают сильным физиологическим действием (ускоряют или замедляют процессы жизнедеятельности). Их относят к группе ФАВ (физиологически активные вещества): витамины, гормоны, ростовые вещества, антибиотики, фитонциды, биостимуляторы. Кроме того, в клетке значительную роль играют метаболиты, т.е. промежуточные продукты обмена.
Вода, её биологическая роль в клетке.