Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биология клетки. Учебное пособие
.pdf
Рис. 6. Литическая система клетки: 1 – фагоцитоз, 2 – пиноцитоз, 3 – фагосома,
4 – первичная лизосома, 5 – вторичная лизосома, 6, 7 - пищеварительная
вакуоль, 8 – остаточное тельце, 9 – экзоцитоз.
Рис. 7. Транспорт веществ в клетке.
31
Р
ТЕМА 4: Химический состав клетки. Неорганические вещества и их значение.
Молекулярные основы наследственности. Кодирование и реализация
генетической информации
I. ИЗУЧАЕМЫЕ ВОПРОСЫ
1. Содержание в клетке химических элементов.
2. Содержание в клетке химических соединений.
3. Неорганические соединения клетки.
4. Значение воды в клетке.
5. Значение солей в клетке.
II. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЯ
Все клетки животных и растений сходны по химическому составу, что
является доказательством единства органического мира. Особенно велико
содержание в клетке 4-х элементов, которые в сумме, составляют 98% всей
клетки: О2 – 65-75%, С – 15-18%, Н – 8-10%, N – 15-30%. Это макроэлементы.
Следующая группа состоит из 8 элементов. Это мезоэлементы. Их
количество в сумме составляет 1,8%: S, P, Cl, K, Mg, Na, Ca, Fe.
Третья группа состоит из микроэлементов – они содержатся в клетке в
очень малых количествах (меньше 0,01%): Zn, Cu, I, F.
Эти элементы составляют молекулы веществ, которые делятся на 2
группы: неорганические вещества и органические вещества (соединения).
К неорганическим соединениям относят воду и соли.
Вода составляет 80% массы клетки и выполняет важные функции.
1. Вода определяет физические свойства клетки (ее объем и др.).
2. Вода – это универсальный растворитель.
3. Вода – это активный участник химических реакций в клетке.
Соли: Основные катионы и анионы, которые входят в состав солей клетки
– это K+, Na+, Ca+2, Mg+2, HPO4, H2PO
-
, Cl-, HCO
4
Значение солей:
1. Ионы Na+ и K+ регулируют проницаемость мембраны, участвуют в
передаче возбуждения по нервам и мышцам.
32
-
.
3
2. Са3PO4 участвует в формировании костной ткани.
Классы углеводов
Строение
Название
Функции
1. Моносахариды
Простые сахара, которые
состоят из 3-х
5-ти
или 6-ти атомов С.
(С6Н12О6)
Триоза (3с)
Пентоза (5с)
(рибоза)
Гексоза(6с)
(глюкоза,
фруктоза)
Входит в состав
РНК, ДНК
(строительная)
Энергетическая
функция (1, 0 – 4,1
ккал или17,6 кДж)
2. Дисахариды
Состоят из двух молекул
гексоз
С6Н12О6+С6Н12О6=
С12Н22О11+Н2О
Глюкоза +
фруктоза = сахар
Энергетическая
функция
3. Полисахариды
Состоят из многих
молекул и гексоз:
С6Н12О6→С6Н10О5+(Н2О)
Крахмал гликоген
целлюлоза
Трофическая
энергетическая
строительная
3. Fe входит в состав гемоглобина.
4. Mg входит в состав хлорофилла.
Органические вещества клетки. Особенности строения и функции углеводов и
липидов
Химические соединения, основой строения которых являются атомы С,
называют органическими. Органические соединения разнообразны, но основные
их них – это углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты, АТФ.
Углеводы – это органические соединения, в состав которых входят С, Н и О.
В углеводах водород и кислород находятся в тех же соотношениях, что и воде.
Общая формула углеводов Cn(H2O)m.
Таблица углеводов
Липиды (жиры) – это сложные органические соединения, которые
нерастворимы в воде. Липиды классифицируют на 2 группы:
1. Простые липиды. Они состоят из глицерина и жирных кислот.
2. Сложные липиды. Они состоят из жиров и других соединений.
Например, фосфолипиды, гликолипиды и др.
33
Функции липидов:
1. Строительная. Липиды входят в состав клеточных мембран (фосфолипиды).
2. Энергетическая. При расщеплении 1 г. жира выделяется 9,3 ккал или 37,6 кДж.
3. Трофическая (жировые включения).
4. Защитная (подкожная жировая клетчатка).
Особенности строения и функции белков клетки
Биологические полимеры – это органические соединения, которые входят
в состав клеток живых организмов.
Полимер – это многозвеньевая цепь, в которой звеном является простое
вещество – мономер (А): А-А-А-А.
Биополимерами являются белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды.
Белки – это полимеры, мономерами которых являются аминокислоты.
Молекула аминокислот состоит из двух частей: одна часть у всех молекул
одинакова и состоит из аминогруппы (-NН2) и карбоксильной группы (-СООН).
Другая часть молекулы у аминокислот разная и называется радикалом (R).
Формула самой простой аминокислоты:
H(R)
׀
H – C – COOH
׀
NH2
В состав живых клеток входит 20 разных аминокислот, между которыми
формируются прочные ковалентные пептидные связи. Например, так
образуется дипептид:
R1 R2 R
׀ ׀ Ф ׀ ׀
H –C – COOH + NH2 – C – H → H – C – CO – NH – C – H + H2O
׀ ׀ Е ׀ ׀
NH2 COOH NH2 COOH
1 R2
Полимер из многих аминокислот называется полипептидом.
В белках различают первичную, вторичную, третичную и четвертичную
структуры.
34
Первичная структура определяется последовательностью расположения
аминокислот. Первичная структура определяет физико-химические и
биологические свойства белка.
Вторичная структура: полипептидная связь закручена в спираль,
формируется за счет водородных связей (фибриллярные белки).
Третичная структура: спирали вторичной структуры формируют глобулы
(нуклесомы).
Четвертичная структура формируется при объединении нескольких
глобул (гемоглобин состоит из 4-х глобул).
Функции белков:
1. Строительная функция: белки являются компонентом всех клеточных структур.
2. Каталитическая функция: белки–ферменты являются биокатализаторами
химических реакций.
3. Регуляторная функция: белки входят в состав гормонов, которые
регулируют действия ферментов.
4. Защитная функция: антитела – это белковые вещества, которые организм
вырабатывает при попадании бактерий или вирусов. Этот процесс лежит в
основе иммунитета.
5. Двигательная функция: все виды движения (сокращение мышц, движение
жгутиков) выполняют сократительные белки (миозин, тубулин).
6. Транспортная функция: гемоглобин эритроцитов транспортирует О2 и СО2
в процессе дыхания.
7. Энергетическая функция: при расщеплении 1 г. белка выделяется 4,1 ккал
или 17,6 кДж.
Нуклеиновые кислоты, их роль в клетке
В течение жизни организм, каждая его клетка усваивает и продуцирует
различные вещества, строит свои структуры, выполняет определенные
функции, воспроизводит себе подобных. Клетки разных органов различаются
по своей морфологии и функциям. При делении клетки печени образуются
клетки печени, при делении клеток кожи образуются клетки кожи и т.п.
35
Следовательно, любая клетка обладает какой-то информацией, заключенной а
материальном субстрате, который передается дочерним клеткам и обеспечивает
преемственность в строении и функции клеток и организмов в целом.
Материальным субстратом, с которым связаны процессы хранения и
реализации наследственных свойств организмов, являются нуклеиновые кислоты.
Нуклеиновые кислоты – биополимеры, состоящие из мономеровнуклеотидов. Любой нуклеотид состоит из трех частей: углевода-пентозы,
остатка фосфорной кислоты и азотистого основания.
Существует два вида нуклеиновых кислот - ДНК и РНК. Принципиально
их строение сходно, но есть и отличия: молекула ДНК у клеточных организмов
состоит из двух полинуклеотидных цепей (РНК - 1 цепь), в состав ДНК входит
углевод дезоксирибоза (РНК - рибоза), в состав ДНК входят азотистые
основания аденин, тимин, гуанин, цитозин (в РНК вместо тимина входит
урацил). Нуклеотиды одной цепи ДНК (РНК) различаются между собой только
азотистыми основаниями. Две цепи нуклеотидов ДНК соединяются
водородными связями по правилу комплементарности: А=Т; Г≡Ц.
ДНК содержится в ядре клетки, РНК - в ядре (в основном в ядрышке) и в
цитоплазме (гиалоплазма, рибосомы). Кроме того, некоторые органоиды имеют
собственную ДНК (митохондрии, пластиды).
ДНК была открыта в 1861 г. (Мишер), но только в 1953г. было
расшифровано строение этой молекулы (Уотсон, Уилкинс и Крик).
Основная биологическая роль ДНК состоит в хранении,
самовоспроизведении и передаче наследственной (генетической) информации.
Строение ДНК универсально (принципиально одинаково у всех живых
организмов), но с другой стороны, разные молекулы ДНК различаются между
собой. Специфичность ДНК зависит от:
1) нуклеотидного состава,
2) последовательности нуклеотидов,
3) количества нуклеотидов,
36
т. е. от того, сколько нуклеотидов входит в состав молекулы, какие нуклеотиды и
как они расположены, зависят количественный объем информации и ее качество.
В строении ДНК содержится информация о структуре белков организма
и рибонуклеиновых кислот (тРНК, рРНК).
Современные представления о репликации ДНК
Самовоспроизведение (ауторепродукция) ДНК называется репликацией.
Репликация ДНК происходит перед делением клетки для того, чтобы каждая
дочерняя клетка получила генетического материала столько же, сколько было в
материнской клетке, т.к. в процессе репликации количество ДНК удваивается.
Так как синтез дочерних молекул ДНК идет по правилу комплементарности, то
образовавшиеся молекулы идентичны друг другу и материнской ДНК. По
современным представлениям процесс разъединения двух цепей ДНК у
эукариот начинается одновременно в нескольких участках (у прокариот в
одном месте). Такой участок называется репликоном. На каждой цепи ДНК
идет синтез дочерней цепи по правилу комплементарности, таким образом, в
каждой новой молекуле ДНК одна цепь старая (материнская), а вторая новая
(дочерняя). Такой способ репликации называется полуконсервативным. В
процессе репликации принимают участие ферменты: ДНК-полимераза, гиразы,
лигазы и молекулы- РНК(РНК-затравка), которые инициируют репликацию.
Особенности строения, виды и функции рибонуклеиновой кислоты (РНК)
Рибонуклеиновая кислота (РНК) – это биополимер, мономерами которого
являются РНК-нуклеотиды. Они отличаются от ДНК-нуклеотидов углеводом
(рибоза вместо дезоксирибозы) и одним из четырех азотистых оснований
(урацил вместо тимина).
В состав РНК входят адениновый (А), урациловый (У), гуаниновый (Г)
цитозиновый (Ц) нуклеотиды. РНК-нуклеотиды соединяются между собой за
счет ковалентной связи, которая образуется между рибозой одного нуклеотида
и остатком фосфорной кислоты другого.
37
Молекула РНК состоит из одной полинуклеотидной цепочки. Существуют
три вида РНК: транспортная (т-РНК), информационная (и-РНК) и рибосомальная
(р-РНК). Они отличаются размерами молекул, структурой и функцией.
Все виды РНК синтезируются на молекуле ДНК как копии ее участков
(матричный синтез).
Транспортная РНК. Молекула ее состоит из 70–100 нуклеотидов.
Полинуклеотидная цепь т-РНК имеет форму листа клевера. На одном участке тРНК находится триплет нуклеотидов, или антикодон, на противоположном
участке прикрепляется соответствующая аминокислота. Каждая аминокислота
транспортируется определенной т-РНК. Всего имеется 20 различных т-РНК.
Функция т-РНК: транспорт аминокислот (АК) к месту синтеза белка.
Информационная РНК. Молекула ее состоит из нескольких сотен или
тысяч нуклеотидов.
Функция и-РНК: она переносит информацию о последовательности Ак в
белке с молекулы ДНК на рибосомы.
Рибосомальная РНК. Молекула р-РНК состоит из нескольких тысяч
нуклеотидов и вместе с белком формирует рибосому.
Функция р-РНК: участие в синтезе белка.
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) – это мононуклеотид, который
состоит из азотистого основания (аденина), углевода пентозы (рибоза) и трех
остатков фосфорной кислоты. Фосфатные группы соединяются друг с другом с
помощью высокоэнергетических связей. При отщеплении одного остатка
фосфорной кислоты выделяется около 40 кДж энергии. АТФ ----АДФ + Е (40
кДж). Синтезируется АТФ в митохондриях.
Функция АТФ: это универсальный биологический аккумулятор клетки
(энергетическая функция).
Генетический код, его характеристика
Генетический код - это система записи генетической информации,
позволяющая прямой и обратный перевод сообщений для использования их в
процессе жизнедеятельности клеток. Другими словами – это система
38
расположения нуклеотидов в молекуле ДНК, определяющая
Первое основание
Второе основание
U C A G
U
UUU
UUC
Phe
UCU
UCC
UCA
UCG
Ser
UAU
UAC
Tyr
UGU
UGC
Cys
U
C
A
G
Третье основание
UUA
UUG
Leu
UAA
UAG
STOP
UGA
STOP
UGG
Trp
C
CUU
CUC
CUA
CUG
Leu
CCU
CCC
CCA
CCG
Pro
CAU
CAC
His
CGU
CGG
CGA
CGG
Arg
U
C
A
G
CAA
CAG
Gln
A
AUU
AUC
AUA
Ile
ACU
ACC
ACA
ACG
Thr
AAU
AAC
Asn
AGU
AGC
Ser
U
C
A
G
AAA
AAG
Lys
AGA
AGG
Arg
AUG
Met
G
GUU
GUC
GUA
GUG
Val
GCU
GCC
GCA
GCG
Ala
GAU
GAC
Asp
GGU
GGC
GGA
GGG
Gly
U
C
A
G
GAA
GAG
Glu
последовательность аминокислот в молекуле белка (правило коллинеарности).
Генетический код характеризуется:
а) Универсальностью.
б) Триплетностью.
в) Избыточностью (вырожденностью).
39
г)Неперекрываемостью (у эукариот).
д) Наличием смысловых, терминирующих и инициирующих кодонов.
AUG и GUG – это триплеты, которые кодируют первую аминокислоту в
пептидной цепи (N-формил-метионин) и начинают синтез белковой молекулы.
Реализация генетической информации в клетке
Реализация генетической информации в клетке происходит в течение всей
жизни клетки. Уровень этого процесса резко снижается (но не до нуля) во время
деления, вновь повышается сразу после деления. Сущностью этого процесса
является биосинтез белков (структурных или белков-ферментов), характерных
для данного вида клеток. Биосинтез белка можно разделить на два этапа:
транскрипцию (протекает в ядре на ДНК) и трансляцию (протекает в цитоплазме
в рибосомах). В результате транскрипции синтезируется молекула и-РНК (у
прокариот и эукариот этот процесс происходит по-разному), а в результате
трансляции синтезируется молекула белка. В процессе биосинтеза белка
принимают участие ДНК, все виды РНК (иРНК, т-РНК, р-РНК), аминокислоты,
фермент РНК-полимераза (у эукариот кроме этого – рестриктаза, лигазы) и др.
Центральная догма молекулярной биологии. Обратная транскрипция
Представления о механизмах передачи и реализации генетической
информации, направление и последовательность процессов получили название
центральной догмы молекулярной биологии.
Направление потока информации идет по принципу
ДНК↔ДНК→РНК→белок. Однако, оказалось, что иногда информация может
передаваться с РНК на ДНК. Такой процесс вначале был изучен у вирусов,
генетическая информация которых заключалась не в ДНК, а в РНК
(ретровирусы). Чтобы после внедрения таких вирусов в клетку хозяина их
генетическая информация могла быть использована для синтеза вирусных
белков, необходимо на молекуле вирусной РНК синтезировать ДНК. Такой
процесс идет под контролем, ферментов ревертаз и называется обратной
транскрипцией. Таким образом, центральная догма остается справедливой, но
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]