- •Глава 8. Селекция и биотехнология
- •Введение
- •Глава 1. Химические компоненты живых организмов § 1. Содержание химических элементов в организме. Макро- и микроэлементы
- •§ 2. Неорганические вещества
- •§ 3. Органические вещества. Аминокислоты. Белки
- •§ 4. Свойства и функции белков
- •§ 5. Углеводы
- •§ 6. Липиды, их строение и функции
- •§ 7. Нуклеиновые кислоты
- •§ 8. Атф. Биологически активные вещества
- •Глава 2. Клетка – структурная и функциональная единица живых организмов
- •§ 9. История открытия клетки. Создание клеточной теории
- •§ 10. Методы изучения клетки
- •§ 11. Строение клетки
- •§ 12. Цитоплазматическая мембрана
- •§ 13. Гиалоплазма. Цитоскелет.
- •§ 14. Клеточный центр. Рибосомы
- •§ 15. Эндоплазматическая сеть. Комплекс Гольджи. Лизомосы
- •§ 16. Вакуоли
- •§ 17. Митохондрии. Пластиды
- •§ 18. Ядро
- •§ 19. Особенности строения клеток прокариот
- •§ 20. Особенности строения клеток эукариот
- •Глава 3. Деление клетки
- •§ 21. Клеточный цикл
- •§ 22. Митоз. Амитоз. Прямое бинарное деление
- •§ 23. Мейоз и его биологическое значение
- •Глава 4. Обмен веществ и превращение энергии в организме
- •§ 24. Общая характеристика обмена веществ и превращения энергии
- •§ 25. Энергетический обмен
- •§ 26. Брожение
- •§ 27. Фотосинтез
- •§ 28. Хранение наследственной информации
- •§ 29. Реализация наследственной информации — синтез белка на рибосомах
- •§ 30. Регуляция транскрипции и трансляции в клетке и организме
- •Глава 5. Структурная организация и регуляция функций живых организмов § 31. Структурная организация живых организмов
- •§ 32. Ткани и органы растений
- •§ 33. Ткани и системы органов животных
- •§ 34. Саморегуляция жизненных функций организмов
- •§ 35. Иммунная регуляция
- •§ 36. Специфическая иммунная защита организма
- •§ 37. Иммунологическая реакция организма (иммунный ответ)
- •Глава 6. Размножение и индивидуальное развитие организмов
- •§ 38. Типы размножения организмов. Бесполое размножение
- •§ 39. Половое размножение. Образование половых клеток
- •§ 40. Оплодотворение
- •§ 41. Онтогенез. Эмбриональное развитие животных
- •§ 42. Постэмбриональное развитие
- •§ 43. Онтогенез человека
- •Глава 7. Наследственность и изменчивость организмов
- •§ 44. Закономерности наследования признаков, установленные г. Менделем. Моногибридное скрещивание. Первый и второй законы Менделя
- •§ 45. Цитологические основы наследования признаков при моногибридном скрещивании
- •§ 46. Дигибридное скрещивание. Третий закон Менделя
- •§ 47. Взаимодействие аллельных генов
- •§ 48. Хромосомная теория наследственности. Сцепленное наследование
- •§ 49. Генетика пола
- •§ 50. Изменчивость организмов, ее типы. Модификационная изменчивость
- •§ 51. Генотипическая изменчивость
- •§ 52.Особенности наследственности и изменчивости человека
- •§ 53. Наследственные болезни человека
- •Глава 8. Селекция и биотехнология
- •§ 54. Cелекции, ее задачи и основные направления
- •§ 55 . Методы селекции и ее достижения
- •§ 56. 0Сновные направления биотехнологии
- •§ 57. Инструменты генетической инженерии
- •§ 58. Успехи и достижения генетической инженерии
§ 8. Атф. Биологически активные вещества
АТФ. Нуклеотиды являются структурной основой для синтеза целого ряда важных для жизнедеятельности органических веществ. Наиболее широко распространенными среди них являются макроэргические соединения (вещества, содержащие богатые энергией, или макроэргические связи). К таким веществам в первую очередь относится аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). АТФ – универсальный хранитель и переносчик энергии в клетках всех организмов. Практически все идущие с затратой энергии биохимические процессы в клетках организмов в качестве ее источника используют АТФ. С использованием энергии АТФ в клетке синтезируют новые молекулы белков, углеводов, жиров, осуществляется активный транспорт веществ, биение жгутиков и ресничек, поддерживается постоянная температура тела теплокровных организмов и т.д.
Молекула АТФ состоит из азотистого основания аденина, пятиуглеродного сахара рибозы и трех остатков фосфорной кислоты. Фосфатные группы в молекуле АТФ соединены между собой высокоэнергетическими (макроэргическими) связями (в формуле обозначены символом ~) (рис. ).
Связи между фосфатными группами не очень прочные, и при их разрыве выделяется большое количество энергии. В результате гидролитического отщепления от АТФ фосфатной группы образуется аденозиндифосфорная кислота (АДФ) и высвобождается порция энергии:
АТФ + Н2О → АДФ + Н3РО4 + 40 кДж.
АДФ может подвергаться дальнейшему гидролизу с отщеплением еще одной фосфатной группы и выделением второй порции энергии. При этом АДФ преобразуется в аденозинмонофосфат (АМФ).
АДФ + Н2 О → АМФ + Н3Р04 + 40 кДж.
Обратный процесс — синтез АТФ происходит в результате присоединения к молекуле АДФ остатка фосфорной кислоты (реакция фосфорилирования). Этот процесс осуществляется за счет энергии, освобождающейся при окислении органических веществ (окислительное фосфорилирование). Для образования 1 моля АТФ должно быть затрачено не менее 40 кДж энергии, которая аккумулируется в ее макроэргических связях:
АДФ + Н3Р04 + 40 кДж → АТФ + Н20.
АТФ чрезвычайно быстро обновляется. У человека, например, каждая молекула АТФ расщепляется и вновь восстанавливается 2400 раз в сутки, так что средняя продолжительность ее жизни менее 1 мин. Синтез АТФ осуществляется, главным образом, в митохондриях и хлоропластах, частично в цитоплазме.
Макроэргические соединения могут образовываться и на основе других нуклеотидов. Например, гуанозинтрифосфат (ГТФ) играет важную роль в ряде биохимических процессов. Однако АТФ является наиболее распространенным и универсальным источником энергии в клетках живых организмов.
Биологически активные вещества. Особой группой органических соединений живых организмов являются биологически активные вещества. Они регулируют процессы обмена веществ, роста и развития организмов, служат для защиты или влияют на особей своего или других видов.
Одной из групп биологически активных веществ являются витамины. Витамины — это низкомолекулярные органические вещества разнообразного строения, необходимые для жизнедеятельности всех живых организмов. Они принимают участие в обмене веществ и превращении энергии, преимущественно как компоненты сложных ферментов.
Традиционно витамины обозначают буквами латинского алфавита А, В, С, D и т.д., но у каждого из них есть и названия. Например, витамин С - аскорбиновая кислота, витамин А – ретинол и так далее.
Одни витамины растворяются в жирах и их называют жирорастворимыми (A, D, E, K), другие растворимы в воде и соответственно называются водорастворимыми (С, В, РР, Н).
Сейчас известно около 50 различных витаминов и витаминоподобных веществ. Они по-разному влияют на живые организмы, однако являются жизненно необходимыми компонентами сбалансированного питания человека и животных. Основным источником витаминов для человека и животных являются продукты питания преимущественно растительного происхождения. Однако некоторые витамины содержатся только в продуктах животного происхождения (например, витамины А и D). Некоторые витамины могут в небольшом количестве синтезироваться в организме человека и животных из предшественников (провитаминов). Например, в коже человека под действием ультрафиолетового солнечного излучения синтезируется витамин D. Витамины в организме человека и животных могут синтезировать симбиотические микроорганизмы. Например, в кишечнике человека они синтезируют витамины К, В , В . Однако образованных в организме человека витаминов недостаточно для обеспечения его нормальной жизнедеятельности. Необходимо их дополниельное поступление извне, с пищей.
При недостатке в организме витаминов, развивается гиповитаминоз (от греч. гипо — под, ниже), при полном их отсутствии — авитаминоз, а при избытке — гипервитаминоз (от греч. гипер — сверх). Гипо- и авитаминоз могут возникнуть и вследствие нарушения обмена веществ, когда организм не воспринимает некоторые витамины.
Гормоны (от греч. гормао — двигаю, побуждаю) — органические вещества, способные включаться в цикл биохимических реакций и регулировать обмен веществ и энергии. Они вырабатываются железами внутренней секреции человека, позвоночных и некоторых беспозвоночных животных.
Гормоны могут быть белковой природы (гормон роста, гормоны поджелудочной железы — инсулин и глюкагон и др.), производными аминокислот (гормон щитовидной железы — тироксин, гормоны надпочечников — адреналин и норадреналин и др.), липидной природы (половые гормоны и др.).
Характерными особенностями гормонов являются следующие.
1. Высокая биологическая активность. Даже незначительные концентрации гормонов оказывают влияние на клетки, ткани и органы.
2. Высокая специфичность. Гормоны влияют только на определенные процессы в определенных тканях и органах. Они действуют только на те клетки (так называемые клетки-мишени), которые имеют особые рецепторы, способные их распознавать.
3. Дистанционность действия. Гормоны с током крови могут переноситься на значительные расстояния от места их образования к клеткам-мишеням.
Под контролем гормонов происходят все этапы индивидуального развития человека и животных, а также все процессы жизнедеятельности. Они обеспечивают приспособления к изменениям условий внешней и внутренней среды организма, регуляцию активности ферментов.
Если определенные гормоны вырабатываются в недостаточном количестве или не вырабатываются вообще в организме, наблюдаются нарушения развития и обмена веществ разной степени тяжести. Так же отрицательно на организм влияет и чрезмерное образование определенных гормонов. Вы уже знаете, что при недостаточном образовании в организме человека гормона роста развивается карликовость, а при чрезмерном — гигантизм.
У растений синтезируются фитогормоны (от греч. фитон — растение и гормао). Как и гормоны животных, они способны в малых количествах регулировать и координировать индивидуальное развитие и рост растений.
Фитогормоны влияют практически на все процессы развития растений: деление и рост клеток, дифференцирование тканей, формирование органов, развитие почек, прорастание семян и т.д. Одни из фитогормонов стимулируют эти процессы, другие, наоборот, угнетают.
Например, ауксин активизирует деление и растяжение клеток, способствует формированию, корневой системы. Цитокинины, которых больше всего в семенах, плодах и в образовательной ткани, стимулируют деление клеток. Гиббереллины усиливают рост органов растений.
Фитогормонам, как и гормонам животных, свойственна дистанционность действия, однако их специфичность выражена слабее: различные фитогормоны при определенных условиях и концентрациях проявляют подобное действие.
Еще один вид биологически активных веществ — феромоны (от греч. феро — несу и хормао — возбуждаю). Феромоны, как и гормоны, представляют собой сигнальные молекулы. Однако если гормоны переносят информацию внутри организма, то феромоны выделяются во внешнюю среду и передают химические сигналы от одного организма к другому. Они оказывают влияние на поведение и физиологическое состояние особей своего вида. Феромоны служат для нахождения пары, для обозначения своей территории или для защиты от врагов. Феромоны — чаще всего летучие вещества, которые, как и гормоны, действуют в малых концентрациях. Химическая коммуникация с помощью феромонов наблюдается у бактерий, протистов и животных.
Алкалоиды — это органические биологически активные вещества в основном растительного происхождения. Большинство алкалоидов ядовиты для животных и человека, а некоторые из них оказывают наркотическое действие (никотин, морфин и др.). Алкалоиды обнаружены приблизительно у 2500 видов покрытосеменных растений. Значение алкалоидов в жизни растений, по-видимому, заключается в защите от поедания животными. Некоторые алкалоиды в малых дозах используются в медицине в качестве лекарств (атропин, морфин, кофеин и др.). Алкалоид хинин применяют при лечении малярии: он угнетает жизнедеятельность малярийного плазмодия в эритроцитах человека.
Особая группа биологически активных веществ — антибиотики (от греч. анти — против и биос — жизнь) - биологически активные вещества, вырабатываемые микроорганизмами. Эти соединения влияют на клетки других микроорганизмов, тормозя их развитие или убивая их.
Человек широко использует антибиотики для лечения заболеваний, вызванных болезнетворными бактериями или грибами. Некоторые антибиотики тормозят рост злокачественных опухолей, угнетая размножение раковых клеток.
С помощью биологически активных соединений организмы оказывают влияние на организмы своего и других видов. Так, насекомые с помощью различных биологически активных веществ способны привлекать особей противоположного пола или отпугивать врагов. Растения с помощью биологически активных веществ могут угнетать рост других растений. Взаимовлияние между различными видами растений человек должен учитывать, высевая их на одном участке и в севооборотах.
Пробиотики – обязательно для современного уровня!
1. Какова структура молекулы АТФ? 2. Какова роль АТФ в превращении энергии в клетке? 3. Какие связи называются макроэргическими? 4. Какие группы биологически активных веществ вам известны? 5. Почему при нехватке или отсутствии определенных витаминов в организме человека и животных наблюдается нарушение обмена веществ? 6. Каковы основные свойства гормонов? 5. Что такое алкалоиды и каково их значение в жизни человека? 7. Благодаря каким свойствам антибиотики применяют в медицине? 8. В одну клетку ввели молекулы АТФ, меченные радиоактивным фосфором Р по последнему, третьему остатку фосфорной кислоты, а в другую – молекулы АТФ, меченные Р по первому, ближайшему к рибозе остатку. Через 5 минут в обоих клетках померили содержание неорганического фосфат-иона, меченного Р. Где оно окажется значительно выше? Почему?