Підручники з Біології / Біологія 9 клас / Шаламов Біологія 9 клас 2017

щодо природи гена, були опубліковані групою Освальда Евері у 1944 році після 10 років роботи: ці експерименти показали, що спадковість у бактерій утрачається тільки в разі, коли вчені руйнували ДНК, а не РНК чи білки. Це довело, що саме ДНК є носієм спадковості, та об’єднало зусилля генетиків і біохіміків у пошуку «секрету життя».

ними, мала вигляд спіралі із трьох ланцюгів із нітрогеновмісними основами ззовні та цукрофосфатами всередині молекули. Побачивши цю модель, Франклін зауважила, що її дані вказують на те, що у випадку спіральності ДНК цукрофосфати мають бути ззовні молекули. Ускладнювало моделювання ще й нещодавнє відкриття Ервіна Чаргаффа (що народився в Чернівцях): кількість аденінів і гуанінів разом та кількість тимінів і цитозинів разом у ДНК завжди однакова. Якою б не була модель ДНК, вона мала б пояснювати цей феномен або принаймні не суперечити йому.

Приблизно через рік після невдалої спроби Вотсона та Кріка побудувати триланцюгову модель ДНК Лайнус Полінг опублікував статтю зі своєю моделлю, що була дуже подібна до їхньої. Ця модель містила кілька суттєвих хімічних помилок і ніяк не пояснювала правила Чаргаффа, тому Вотсон і Крік продовжили свій «божевільний» пошук робочої моделі ДНК. Вирішальним поштовхом до розшифрування структури стала, мабуть, найвідоміша світлина в історії біології — так зване фото 51 (рис. IV.1), яке отримав Реймонд Гослінг — студент Розалінд Франклін. Це була рентгенограма натрієвої солі ДНК, з якої Вотсон і Крік зрозуміли, що ДНК складається з двох ланцюгів, закручених у спіраль. Моріс Вілкінс і його група отримали схожі рентгенограми в той самий час. Поекспериментувавши з різними варіантами подвійної спіралі, Вотсон і Крік прийшли до елегантної моделі (рис. IV.2) з комплементарними нуклеотидами (А–Т та Г–Ц), що не тільки пояснювала правила Чаргаффа, не суперечила хімічним характеристикам компонентів, а ще й пропонувала простий механізм передачі генетичної інформації, в якому ДНК подвоюється завдяки синтезу нових ланцюгів на матри-

41

Практична робота № 1

Розв’язування елементарних вправ зі структури білків і нуклеїнових кислот

Мета: навчитися застосовувати знання про будову білків і нуклеїнових кислот для розв’язування вправ.

Довідкова інформація: лінійна довжина одного амінокислотного залишку: l(ак) = 0,35 нм; середня відносна молекулярна маса одного амінокислотного залишку: Mr(ак) = 110; лінійна довжина одного нуклеотида: l(нк) = 0,34 нм; середня відносна молекулярна маса одного нуклеотида: Mr(нк) = 345.

Хід роботи

Вправи та задачі про структуру білка

1Відносна молекулярна маса білка м’язів міозину близько 500 000. Скільки амінокислотних залишків входить до складу його ланцюга?

2Білок пепсин містить 340 амінокислотних залишків. Визначте масу й довжину білкового ланцюга цього ферменту.

3Напишіть усі можливі послідовності амінокислотних ланцюгів довжиною у два залишки, що складаються з різних або однакових амінокислот «А» і «Б», та підрахуйте їх кількість. Зробіть те саме з набором амінокислот «А», «Б» і «В». Виведіть загальну формулу для визначення кількості варіантів амінокислотних ланцюгів залежно від їхньої довжини (кількості залишків) та різноманітності амінокислот у їхньому складі.

4Гормон росту соматотропін містить 9 залишків амінокислоти лізину з відносною молекулярною масою 146. Яку відносну молекулярну масу має весь білок, якщо лізин становить всього 5,29 % від його маси?

5Яка кількість пептидних зв’язків у молекулі білка, що складається зі 191 амінокислотного залишку?

Вправи та задачі про будову ДНК

6Фрагмент молекули ДНК має довжину 10,2 нм. Скільки нуклеотидів він містить і яка його маса?

7ДНК однієї клітини людини містить 3,1 млрд пар нуклеотидів. Визначте масу й довжину ДНК в одній клітині.

8Один із ланцюгів ДНК має послідовність АГАЦТТГАТЦТГА. Запишіть послідовність другого ланцюга ДНК та визначте довжину цього фрагмента.

9Фрагмент молекули ДНК містить 120 аденілових нуклеотидів, що становить 30 % від їх загальної кількості. Скільки інших нуклеотидів міститься в цьому фрагменті?

10Послідовність одного з ланцюгів ДНК така: ГЦЦТААТЦАГГТ. Який уміст від загальної кількості кожного з нуклеотидів у цій ділянці ДНК?

11Скільки залишків дезоксирибози міститься в молекулі ДНК, якщо в її складі 27 % гуанілових нуклеотидів, а тимідилових нуклеотидів — 432?

Дізнайтеся, від чого залежить будова РНК і як на неї впливає заміна одного нуклеотида на інший, розв’язуючи головоломки й створюючи моделі молекул РНК на сайті.

42

§ 8. АТФ

Життя енергозалежне

Життя—церух.Цейвислівповністюпідтверджуютьповсякденніспостережен- ня. Птахи летять, здійснюючи махові рухи крилами, відштовхуючись від повітряних мас. Муха створює рухами своїх крил завихрення повітря, формуючи над собою розріджений простір, куди її затягує. Ваше серце в стані спокою б’ється з частотою 60–80 ударів на хвилину, перекачуючи кров по організму. Рослини менш рухомі, проте й вони обертають листки та квітки залежно від положення Сонця.

Усередині клітина сповнена руху. Щосекунди сотні крихітних пухирців переміщуються цитоплазмою, зливаються та розділяються, транспортуються на далекі відстані від місць утворення до місць роботи. Для здійснення всього цього різноманіття рухів необхідне джерело енергії, як паливо необхідне для руху автомобіля.

Енергія потрібна також для здійснення хімічних реакцій. Якщо взяти воду, що містить крохмаль, і додати до цієї суміші фермент амілазу, то крохмаль почне розщеплюватися. Розповідаючи про ферменти, ми вже зазначали, що такі реакції, як розпад біополімеру, відбуваються мимовільно, оскільки продукти реакції мають меншу енергію, ніж субстрати. Проте живі організми здійснюють і зворотні реакції — синтез полімерів із мономерних ланок. Такі реакції для свого здійснення потребують додаткового надходження енергії.

Джерела енергії для живих організмів можуть бути різними

Живі організми можуть поглинати енергію з навколишнього середовища в різні способи. Тварини отримують енергію шляхом окиснення («спалювання») молекул речовин, що містяться в їжі. Так, окиснення глюкози до вуглекислого газу та води супроводжується виділенням енергії, яка може бути використана організмом. У випадку горіння ця енергія виділяється у вигляді тепла та світла, проте живі організми здатні «повільно спалювати» глюкозу, а енергію, що виділяється, використовувати на власні потреби (докладніше про те, як вони це роблять, ітиметься в § 17). Таким чином, тварини використовують хімічну енергію, накопичену в молекулах поживних речовин. Живі організми, що отримують енергію з молекул «їжі», називають хемотрофами (від грец. hemo — хімія та tropho — їжа). До них належать тварини, гриби, багато бактерій і найпростіших. Ще одним способом отримання енергії є уловлювання енергії сонячного світла. Живі організми, що отримують енергію у такий спосіб, називають фототрофами (від грец. photos — світло). Фототрофи мають спеціальні «молекулярні антени» для вловлювання енергії світла, яка потім буде перетворена на енергію хімічних зв’язків (докладніше про це — у § 18).

АТФ — енергетична валюта

Як ми вже згадали, реакції синтезу біомолекул пов’язані зі споживанням енергії. Джерелом цієї енергії можуть бути хімічні реакції розпаду молекул, отриманих під час живлення. Таким чином, в організмі одночасно відбуваються як реакції, що споживають енергію, так і реакції, що виділяють енергію. Щоб забезпечити якусь реакцію біосинтезу енергією, її можна пов’язати з якоюсь мимовільною реакцією, що відбувається з виділенням достатньої кількості енергії.

43

Такий зв’язок називають енергетичним спряженням. Отримати енергетичне

а також певна реакція, що відбувається мимовільно з виділенням великої кількості енергії:

Реакція (1) не відбуватиметься, якщо не надійде енергія ззовні. Проте ми можемо додати до системи, що містить речовини А, B та K, якийсь фермент, що здійснюватиме реакцію:

А + B + K = C + M + L

Фактично відтепер обидві реакції каталізуються одним ферментом, і енергія, отримана під час реакції (2), використовується для здійснення реакції (1).

Застосовуючи таку стратегію, можна кожній реакції біосинтезу дібрати відповідну реакцію з виділенням енергії. Вийде схема, зображена на рисунку 8.1. Проте така система матиме низку недоліків: за відсутності певних енергетичних

44

АТФ також є субстратом для значної кількості білків, що беруть участь у перенесенні молекул та йонів крізь біологічні мембрани. Для нормального функціонування живої клітини має бути різниця в концентраціях речовин по різні боки мембрани.

Щоб створювати такі різниці, треба забезпечувати перенесення речовин проти градієнта концентрації: із місця з низькою концентрацією до місця з високою. А такий процес є енерговитратним. Джерелом енергії для нього слугує АТФ. Типовим прикладом мембранного білка, що переносить йони проти градієнта концентрації, є натрій-калієвий насос. Він розташований у плазматичній мембрані тваринної клітини та здійснює перенесення трьох йонів Натрію з клітини та двох йонів Калію всередину клітини за один цикл роботи. На це фермент витрачає одну молекулу АТФ.

Таким чином, фермент створює надлишок йонів Натрію поза клітиною та надлишок йонів Калію в клітині. Виникає також дисбаланс позитивних зарядів по різні боки мембрани, оскільки за один цикл роботи з клітини виноситься катіонів більше, ніж до неї надходить.

Цю асиметрію надалі тваринна клітина використовує для перенесення крізь мембрану інших речовин. Із циклом роботи натрій-калієвого насоса ви можете ознайомитися, перегля-

нувши відео за посиланням.

Поміркуймо

Знайдіть одну правильну відповідь

1Витрат енергії АТФ не вимагає такий природний процес, як

2 Живі організми, які отримують енергію з речовин їжі, називають (1). На відміну від фототрофів, що використовують як джерело енергії (2).

А 1 — автотрофами, 2 — хімічні реакції Б 1 — гетеротрофами, 2 — окиснення поживних речовин

В 1 — міксотрофами, 2 — поглинання речовин із повітря Г 1 — хемотрофами, 2 — уловлювання сонячного світла Д 1 — сапротрофами, 2 — відновлення мінеральних сполук

3Виберіть пару реакцій, у якій перша реакція може безпосередньо енергетично спрягатися з другою, зумовлюючи її проходження.

А С + О2 = CO2 + 393 кДж та С + 2Н2 = СН4 + 72 кДж

Б 2Н2 + О2 = 2Н2О + 572 кДж та N2 + O2 = 2NO – 180 кДж В 3О2 = 2О3 – 284 кДж та 2N2 + O2 = 2N2O – 164 кДж

Г СaCO3 = CaO + CO2 – 178 кДж та S + O2 = SO2 + 297 кДж Д N2 + 3H2 = 2NH3 + 92 кДж та CO2 + C = 2CO – 132 кДж

46

4Молекула АТФ містить залишки А аденіну, дезоксирибози, трьох ортофосфатів

Б тиміну, рибози, двох ортофосфатів В аденіну, рибози, трьох ортофосфатів

Г гуаніну, дезоксирибози, одного ортофосфату Д аскорбінової кислоти, трьох ортофосфатів

5Рівняння реакції розщеплення АТФ — це

А АТФ + Н2О = АДФ + Н3РО4 Б АТФ + Н2О = АДФ + Н4Р2О7 В АТФ + Н2О = АМФ + Р3РО4 Г АТФ + Н2О = АДФ + Р3РО4 Д АТФ + Н2О = АМФ + Р3РО4

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

6Чому, на вашу думку, життя є енерговитратним процесом?

7Які джерела енергії використовують організми? На які групи можна розподілити організми за цією ознакою? До якої групи належимо ми, люди?

8Що таке енергетичне спряження? Як воно виникає в живій природі?

9Чому АТФ називають «розмінною монетою» енергетичного обміну?

10Як АТФ у живій природі виконує функцію посередника між реакціями з виділенням енергії та реакціями з витратою енергії?

11Як працює натрій-калієвий насос? Чому для його роботи потрібна енергія АТФ?

12Схарактеризуйте клітинні процеси, що потребують енергії АТФ.

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

13Чому майже всі живі організми використовують однакову речовину як переносник та акумулятор енергії? Про що це свідчить?

14Більшість енергозалежних процесів у природі відбувається завдяки енергії АТФ. Чому ж тоді рослини і тварини накопичують вуглеводи та жири, а не АТФ?

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

15Які ще речовини є переносниками й акумуляторами енергії в живій природі? Де вони використовуються організмами й чому?

16Крім АТФ, носіями енергії є гуанозинтрифосфатна кислота (ГТФ), тимідинтрифосфатна кислота (ТТФ) та цитидинтрифосфатна кислота (ЦТФ). Які причини домінування АТФ над іншими трифосфатами?

17Хемотрофи й фототрофи бувають гетеротрофами й автотрофами. У чому відмінність між цими чотирма поняттями та чому їх часто плутають?

18Чому в живих організмах як реакції з виділенням енергії найчастіше використовують реакції окиснення?

47

§ 9. Структура еукаріотичної клітини

Клітина — елементарна універсальна одиниця життя

Живі організми надзвичайно різноманітні. Вони відрізняються один від одного за будовою, способами отримання енергії та поживних речовин, типами розмноження. Проте всі живі

організми мають універсальну властивість: кожен із них складається з клітин. Фактично

клітина є генетичним матеріалом, що відо-

кремлений від навколишнього середовища білково-ліпідною мембраною, а також має повноцінний апарат синтезу білка та мета-

болізм (рис. 9.1). Можна сказати, що клітина — це найменша універсальна одиниця живого — найдрібніша структура, що має властивості живої системи: саморегуляцію й самовідтво-

рення. Деякі клітини багатоклітинних організмів, щоправда, утрачають частину цих властивостей. Але не існує такої структури, меншої за клітину, що здатна самопідтримуватися та самовідтворюватися поза іншими клітинами. Так, віруси виявляють низку властивостей живих організмів, але тільки перебуваючи всередині кліти- ни-хазяїна. Поза клітиною вірус — усього-навсього макромолекулярний комплекс.

Тваринна клітина має складну внутрішню будову

Якприкладрозглянемобудовутваринноїклітини(рис. 9.2).Типоваклітинабагатоклітинної тварини має лінійні розміри 20–100 мкм. Вона оточена плазматичною

органели — оформлені структури, спеціалізовані на виконанні тієї чи іншої функції. Найпомітнішими є органели, що оточені власною мембраною. До них належать ендоплазматичний ретикулум — безперервна сітка трубочок і цистерн, що пронизують цитоплазму та беруть участь в утворенні мембран (синтезі ліпідів і мембранних білків), секреції та дезактивації токсинів, апарат Гольджі — станція сортування й модифікації мембранних і секретованих білків клітини, лізосоми — травні ор-

ганели, а також транспортні везикули (пухи-

рці). Мітохондрії є енергетичними станціями

50