Биология. Учебное пособие

11

Все живые объекты способны к обмену веществ с окружающей средой, это и есть обмен веществ. Обмен веществ в живой природе регулируемый. Все процессы, протекающие в живых организмах, идут с затратой энергии. Поэтому живые тела энергозависимы: они могут существовать только при непрерывном поступлении энергии и материи извне.

Живые организмы обладают способностью поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность обменных процессов.

Живые организмы проявляют раздражимость, то есть способность отвечать на определенные внешние воздействия специфическими реакциями.

Живые организмы проявляют ритмичность жизнедеятельности (суточную, сезонную и др.), что связано с особенностями среды обитания.

Все живые объекты способны к росту и развитию. В процессе развития возникает специфическая структурная организация индивида (или сообщества), а увеличение его массы обусловлено репродукцией макромолекул, элементарных структур клеток и самих клеток.

Иерархичность организации живой материи позволяет условно подразделить ее на ряд уровней. Выделяют следующие уровни.

1.Молекулярный (молекулярно-генетический). На этом уровне обнаруживается удивительное однообразие дискретных единиц – у всех животных и растений, микроорганизмов и грибов, вирусов в состав белков входят около 20 аминокислот, энергия запасается в виде АТФ, а наследственная информация заложена в нуклеиновых кислотах, способных к самовоспроизведению

2.Клеточный. Клетка является элементарной структурной

ифункциональной единицей живого.

3.Тканевой. Ткань – совокупность структурно сходных клеток, а также связанных с ними межклеточных веществ, объединенных выполнением определенных функций.

4.Органный. Орган – часть многоклеточного организма, выполняющая определенную функцию или функции.

12

5.Организменный. Организм – реальный носитель жизни, характеризующийся всеми ее признаками. В настоящее время часто выделяют единый «онтогенетический» уровень, включающий клеточный, тканевой, органный и организменный уровни организации.

6.Популяционно-видовой. Популяция – совокупность особей одного вида, образующих обособленную генетическую систему и населяющих пространство с относительно однородными условиями обитания. Вид – совокупность популяций, особи которых способны к скрещиванию с образованием плодовитого потомства и занимают определенную область географического пространства (ареал).

7.Биоценотический – еще более высокий уровень организации. Объединяет виды, населяющие ту или иную территорию (об этом уровне организации материи стали говорить не так давно, когда подошли к идее взаимосвязи всех живых организмов на земле, что связанно с развитием такой науки, как экология).

8.Биогеоценотический и биосферный уровень: на одно-

родном участке земной поверхности складываются биогеоценозы, которые, в свою очередь, образуют, биосферу. Биосферный – высший уровень организации жизни на Земле. Охватывает все проявления жизни на планете. Биосфера – оболочка Земли, структура и свойства которой в той или иной степени определяются настоящей или прошлой деятельностью живых организмов. Биосферный уровень организации живой материи часто не выделяют, поскольку биосфера представляет собой систему, включающую не только живое вещество, но и неживое.

Химический состав живых организмов

В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы. В клетках обнаружено около 80 химических элементов. Их можно разделить на четыре группы:

– первая – углерод, водород, кислород, азот (98 % от содержимого клетки);

13

–вторая – калий, натрий, кальций, магний, сера, фосфор, хлор, железо (1,9 %);

–третья – цинк, медь, фтор, йод, кобальт, молибден и др. (меньше 0,01 %);

–четвертая группа – золото, уран, радий и др. (меньше

0,00001 %).

Элементы первой и второй групп в большинстве пособий называют макроэлементами, элементы третьей группы — микроэлементами, элементы четвертой группы — ультрамикроэлементами. Для макро- и микроэлементов выяснены процессы и функции, в которых они участвуют (табл. 1). Для большинства ультрамикроэлементов биологическая роль не выявлена.

Атомы химических элементов в живых организмах образуют неорганические (вода, соли) и органические соединения (белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы).

Молекулярный состав живых организмов

Химические элементы входят в состав клеток в виде ионов и молекул неорганических и органических веществ. Важнейшие неорганические вещества в клетке – вода и минеральные соли, важнейшие органические вещества – углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты.

Вода – преобладающий компонент всех живых организмов. Содержание воды составляет от 10 % (зубная эмаль) до 90 % массы клетки (развивающийся эмбрион). Без воды жизнь невозможна, биологическое значение воды определяется ее химическими и физическими свойствами.

15

Биологическое значение воды:

является основой внутренней и внутриклеточной среды. Именно она придает клеткам их нормальную форму;

обеспечивает поддержание пространственной структуры. У растений вода поддерживает тургор (упругость эндоплазматической мембраны), у некоторых животных служит гидростатическим скелетом (медузы);

обеспечивает транспорт веществ; гидратирует полярные молекулы;

служит растворителем и средой для диффузии; участвует в реакциях фотосинтеза и гидролиза; способствует охлаждению организма; является средой обитания для многих организмов;

способствует миграциям и распространению семян, плодов, личиночных стадий;

является средой, в которой происходит оплодотворение; у растений обеспечивает транспирацию и прорастание

семян;

способствует равномерному распределению тепла в организме и многое другое.

Другие неорганические соединения представлены в ос-

новном солями, которые могут содержаться или в растворенном виде (диссоциированными на катионы и анионы), или твердом.

Важное значение для жизнедеятельности клетки имеют катионы

K+, Na+, Ca2+, Mg2+ и анионы HPO42—, Cl—, HCO3—, обеспечи-

вающие буферные свойства клетки.

В твердом нерастворенном состоянии находятся в костной ткани, в раковинах моллюсков карбонаты и фосфаты кальция и магния, в зубной эмали – фторид кальция и т.д.

Биологические функции минеральных веществ:

поддержание кислотно-щелочного равновесия внутриклеточной жидкости и внеклеточной среды;

участие в создании мембранных потенциалов клеток; разность потенциалов делает возможным передачу воз-

буждения по нерву или мышце;

16

активация ферментов. Ионы Ca2+, Mg2+ и др. являются активаторами и компонентами многих ферментов, гормонов и витаминов;

создание осмотического давления в клетке. Более высокая концентрация ионов солей внутри клетки обеспечивает поступление в нее воды и создание тургорного давления;

строительная (структурная). Соединения азота, фосфора, кальция и другие неорганические вещества служат источником строительного материала для синтеза органических молекул (аминокислот, белков, нуклеиновых кислот и др.) и входят в состав ряда опорных структур клетки и организма. Соли кальция и фосфора входят в состав костной ткани животных.

Органические вещества

Органические вещества составляют 20–30 % состава клетки. Они могут быть простыми (аминокислоты, глюкоза, жирные кислоты) и сложными, которые еще называют биологическими полимерами (белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, липиды). Наиболее важное значение имеют белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты.

Углеводы – органические соединения, состоящие из одной или многих молекул простых сахаров. Содержание углеводов в животных клетках составляет 1–5 %, а в некоторых клетках растений достигает 70 %. Выделяют три группы углеводов: моносахариды (или простые сахара), олигосахариды (состоят из 2–10 молекул простых сахаров), полисахариды (состоят более чем из 10 молекул сахаров).

Моносахариды – простые углеводы; в зависимости от числа атомов углерода подразделяются на триозы (3), тетрозы (4), пентозы (5), гексозы (6) и гептозы (7 атомов). Наиболее распространены пентозы и гексозы.

Рибоза и дезоксирибоза относятся к группе пентоз, входят в состав нуклеотидов РНК и ДНК, рибонуклеозидтрифосфатов и дезоксирибонуклеозидтрифосфатов и др.

17

Глюкоза, или виноградный сахар (С6Н12О6), относится к группе гексоз, может существовать в виде α-глюкозы или β-глюкозы. Глюкоза – это:

–один из самых распространенных моносахаридов;

–важнейший источник энергии для всех видов работ, происходящих в клетке (эта энергия выделяется при окислении глюкозы в процессе дыхания);

–мономер многих олигосахаридов и полисахаридов;

–необходимый компонент крови.

Фруктоза, или фруктовый сахар, относится к группе гексоз, слаще глюкозы, в свободном виде содержится в меде (более 50 %) и фруктах. Является мономером многих олигосахаридов и полисахаридов.

Олигосахариды – углеводы, образующиеся в результате реакции конденсации между несколькими (от двух до десяти) молекулами моносахаридов. В зависимости от числа остатков моносахаридов различают дисахариды, трисахариды и т.д.

Олигосахариды в природе в большей степени представлены дисахаридами, состоящими из двух моносахаридов. Наиболее часто встречаются мальтоза, или солодовый сахар, состоящий из двух молекул глюкозы; лактоза, входящая в состав молока и состоящая из галактозы и глюкозы; сахароза, или свекловичный сахар, включающий глюкозу и фруктозу.

Сахароза, или тростниковый, или свекловичный сахар, - содержится в тканях растений. Является продуктом питания (бытовое название – сахар). В промышленности сахарозу вырабатывают из сахарного тростника (стебли содержат 10–18 %) или сахарной свеклы (корнеплоды содержат до 20 % сахарозы).

Мальтоза, или солодовый сахар, – дисахарид, состоящий из двух остатков глюкозы. Присутствует в прорастающих семенах злаков.

Лактоза, или молочный сахар, – дисахарид, состоящий из остатков глюкозы и галактозы. Присутствует в молоке всех млекопитающих (2–8,5 %).

Полисахариды – это углеводы, образующиеся в результате реакции поликонденсации множества (несколько десятков и бо-

18

лее) молекул моносахаридов. Наиболее часто встречаются крахмал, гликоген, целлюлоза, инулин.

Целлюлоза – линейный полисахарид, состоящий из молекул β-глюкозы. Целлюлоза является главным компонентом клеточной стенки растений. Крахмал и гликоген разветвленные полимеры из остатков α -глюкозы, являются основными формами запасания глюкозы у растений и животных соответственно. Хитин образует у ракообразных и насекомых наружный скелет (панцирь), у грибов придает прочность клеточной стенке.

Инулин – полимер, мономером которого является фруктоза. Резервный углевод растений семейства сложноцветных.

Гликолипиды – комплексные вещества, образующиеся в результате соединения углеводов и липидов.

Гликопротеины - комплексные вещества, образующиеся в результате соединения углеводов и белков.

Биологическое значение углеводов:

1.Энергетическая. Основной источник энергии для всех видов работ, происходящих в клетках. При полном расщеплении

1г углеводов выделяется 17,6 кДж (4 ккал).

2.Запасающая. Полисахариды играют роль источника глюкозы, высвобождая ее по мере необходимости. Резервным углеводом у животных и грибов является гликоген, у растений - крахмал, инулин.

3.Строительная (структурная). Из целлюлозы состоит клеточная стенка растений, из муреина - клеточная стенка бактерий, из хитина – клеточная стенка грибов и покровы членистоногих. Рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот.

4.Рецепторная. Функция узнавания клетками друг друга обеспечивается гликопротеинами, входящими в состав клеточных мембран. Утрата способности узнавать друг друга характерна для клеток злокачественных опухолей.

5.Защитная. Слизи предохраняют кишечник, бронхи от механических повреждений. Гепарин предотвращает свертывание крови у животных и человека.

Липиды – жиры и жироподобные органические соединения, практически нерастворимые в воде. Их содержание в раз-

19

ных клетках сильно варьирует: от 2–3 до 50–90 % в клетках семян растений и жировой ткани животных. Липиды можно условно разделить на простые и сложные.

К простым липидам относят триглицериды – сложные эфиры высших жирных кислот и трехатомного спирта глицерина, воски – сложные эфиры высших жирных кислот и высокомолекулярных спиртов (обычно с четным числом атомов углерода).

Если в триглицеридах преобладают насыщенные жирные кислоты, то при 20 °С они – твердые; их называют жирами, они характерны для животных клеток. Если в триглицеридах преобладают ненасыщенные жирные кислоты, то при 20 °С они - жидкие; их называют маслами, они характерны для растительных клеток.

Сложные липиды. К ним относят фосфолипиды, гликолипиды, липопротеины и др.

Фосфолипиды – триглицериды, у которых один остаток жирной кислоты замещен на остаток фосфорной кислоты. Принимают участие в формировании клеточных мембран.

Липопротеины – комплексные вещества, образующиеся в результате соединения липидов и белков.

Липоиды – жироподобные вещества. К ним относятся каротиноиды (фотосинтетические пигменты), стероидные гормоны (половые гормоны, минералокортикоиды, глюкокортикоиды), гиббереллины (ростовые вещества растений), жирорастворимые витамины (А, D, Е, К), холестерин, камфора и т.д.

Биологические функции липидов:

1.Строительная (структурная). Фосфолипиды, глико-

липиды и липопротеины принимают участие в образовании клеточных мембран. Холестерин – важный компонент клеточных мембран у животных.

2.Гормональная (регуляторная). Многие гормоны по химической природе являются стероидами (тестостерон, прогестерон, кортизон). Гиббереллины регулируют рост растений.

Половой гормон тестостерон отвечает за развитие мужских вторичных половых признаков. Половой гормон эстроген отвечает за развитие женских вторичных половых признаков, регулирует менструальный цикл. Минералокортикоиды (альдо-

20

стерон и др.) контролируют водно-солевой обмен. Глюкокортикоиды (кортизол и др.) принимают участие в регуляции углеводного и белкового обменов.

3.Энергетическая. При расщеплении 1 г липидов выделяется 38,9 кДж (9 ккал) и синтезируется в два раза большее количество АТФ, чем при расщеплении такого же количества глюкозы.

4.Запасающая. Жиры и масла являются резервным пищевым веществом у животных и растений. Важно для животных, впадающих в холодное время года в спячку или совершающих длительные переходы через местность, где нет источников питания. Масла семян растений необходимы для обеспечения энергией проростка.

5.Источник метаболической воды. Жиры служат в ка-

честве источника воды (при сгорании 1 г жира образуется 1,1 г воды). Кроме того, Это особенно ценно для пустынных и арктических животных, испытывающих дефицит свободной воды.

6.Защитная. Прослойки жира и жировые капсулы обеспечивают амортизацию внутренних органов. Воска покрывают эпидермис растений, перья, шерсть, волосы животных, и служат

вкачестве водоотталкивающего покрытия, предохраняя от смачивания.

7.Теплоизоляционная. Подкожная жировая клетчатка препятствует оттоку тепла в окружающее пространство. Важно для водных млекопитающих или млекопитающих, обитающих в холодном климате

8.Участие в метаболизме. Витамин D играет ключевую роль в обмене кальция и фосфора. Жирорастворимые витамины A, D, E, K являются кофакторами ферментов, т.е. сами по себе эти витамины не обладают каталитической активностью, но без них ферменты не могут выполнять свои функции

Белки – высокомолекулярные органические соединения, состоящие из остатков α-аминокислот.

В образовании белков участвуют только 20 аминокислот. Они называются фундаментальными или основными: аланин, метионин, валин, пролин, лейцин, изолейцин, триптофан, фенилаланин, аспарагин, глутамин, серин, глицин, тирозин, трео-