Атомний та молекулярний рівень хімічного складу клітини

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

1. Хімічний склад клітини

1.1 Атомний рівень

1.2 Молекулярний рівень

2. Неорганічні речовини

3. Органічні речовини

3.1 Ліпіди

3.2 Вуглеводи

3.3 Білки

3.4 Нуклеїнові кислоти

Література



1. Хімічний склад клітини

Науку, яка вивчає хімічні речовини, що входять до складу живих організмів, їх структуру, розподіл, перетворення і функції називають біологічною хімією, або біохімією (від грецьк. bios - життя, хімія). Ця наука почала формуватися наприкінці ХІХ ст. До середини ХХ ст. були відкриті основні класи речовин, що входять до складу живих організмів.

Умовно хімічний склад клітини можна роздивлятися на атомному та молекулярному вигляді.

1.1 Атомний рівень

Атомний рівень можна розділити на три основні групи: макроелементи, мікроелементи, ультрамікроелементи.

· Макроелементи складають основну масу органічних і неорганічних речовин. Чотири хімічні елементи, зокрема оксиген (О), гідроген (Н), карбон (С), нітроген (N), становлять майже 98% і входять до складу органічних сполук. Тому їх ще називають органогенними. Із чим пов'язано кількісне переважання цієї "четвірки"? Організми - складні системи. Це означає, що хімічні сполуки, з яких вони утворені, мають бути дуже різноманітними. Щоб ці сполуки зберігали свої властивості, їм треба мати стійку структуру. Таким чином, зв' язки, за допомогою яких утворюються ці речовини, мають бути міцними. Хімічний зв' язок, який відповідає цим вимогам, ковалентний. Ковалентні зв'язки утворюються внаслідок усуспільнювання двох електронів зовнішнього рівня, по одному від кожного атома. Чим менше діаметр атомів, які утворюють ковалентний зв' язок, тим сильніше взаємодія між ядром та усуспільненими електронами, і тим міцніший цей зв'язок. Саме тому в живих організмах переважають О, С, Н, N, які легко утворюють ковалентні зв'язки. Вони становлять 60 % всіх елементів клітини;

До макроелементів також належать фосфор (Р), калій (К), кальцій (Са), магній (Мg), натрій (Nа), хлор (СІ), сульфур (S), ферум (Fе). Їхня сумарна частка становить 1,9%.

· Мікроелементи є складовими компонентами ферментів, гормонів. Це понад 50 хімічних елементів (бор (В), кобальт (Со), купрум (Сu), молібден (Мо), цинк (Zn), ванадій (V), іод (I), бром (Br), манган (Мn)). Вони становлять 30 % всіх елементів клітини;

· Вміст ультрамікроелементів ще менший у клітині. Це аурум (Аu), аргентум (Аg), платина (Рt), плюмбум (Рb) тощо. Вони становлять 10 % всіх елементів клітини.

Усі хімічні елементи, що містяться в клітині живих організмів, входять до складу органічних і неорганічних сполук або перебувають у вигляді йонів. Вони відіграють велику роль у живленні клітин, їхньому рості, побудові тканин та органів, підтримують кислотно-лужну рівновагу, беруть участь в обміні речовин та енергії, у процесах подразнення та збудження клітини.

Атомний хімічний склад клітини
Тип	Елементи	Функції
Макроелементи	· P (1 %); · Катіон Ca (2,5 %); · S (0,01-0,2 %); · Катіон Na (0,03 %); · Катіон K (0,4 %); · Катіон Mg (0,03 %); · Катіон Fe (0,01 %); · Аніон Cl (0,1 %); · N (1,5-3 %); · C (15-18 %); · O (65-76 %); · H (8-10 %)	· Елемент складу ДНК, ферментів, кісток та емалі зубів; · Елемент складу оболонки клітини в рослин, кісток та емалі зубів, зсідання крові, регуляція роботи серця (посилення скорочень), посилення синтезу гормонів; · Елемент складу білків, вітамінів та ферментів; · Проведення нервового імпульсу, стимуляція синтезу гормонів, підтримка осмотичного тиску у клітині; · Регуляція роботи серця (уповільнення скорочень), проведення нервового імпульсу, стимуляція синтезу гормонів, підтримка осмотичного тиску у клітині; · Елемент складу кісток і зубів, активація синтезу ДНК та енергетичного обміну; · Елемент складу гемоглобіну, міоглобіну, кришталика, рогівки ока, активація діяльності ферментів; · Елемент складу шлункового соку; · Елемент складу білків; · Елемент складу органічних речовин; · Елемент складу води та органічних сполук; · Елемент складу води та органічних сполук
Мікроелементи	· Аніон F; · Катіон Mn; · Катіон Cu; · Аніон I (0,0001 %); · Катіон Zn	· Елемент складу емалі зубів; · Активація процесу кровотворення; · Активація процесу кровотворення; · Елемент складу гормону тироксину; · Елемент складу ферментів, бере участь у спиртовому бродінні;
Ультрамікроелементи	· Au; · Ag; · Hg	· Пригнічення діяльності макрофагів; · Бактерицидні властивості; · Пригнічення реабсорбції

1.2 Молекулярний рівень

На молекулярному рівні хімічні сполуки класифікують на:

· Неорганічні сполуки -- 60-70 % маси тіла;

· Вода

· Розчинення гідрофобних та гідрофільних речовин;

· Терморегуляція;

· Транспорт речовин;

· Гідроліз та окиснення високомолекулярних речовин;

· Підтримання об'єму, тургору та пружності клітини;

· Мінеральні солі:

· Субстрат катіонів та аніонів;

· Регуляторна функція;

· Органічні сполуки -- 15-25 % маси тіла.

клітина організм мікроелемент білок



2. Неорганічні речовини

Вода

Найпоширеніша неорганічна сполука в живих організмах -- вода. Її вміст у клітинах різного типу коливається в широких межах: в клітинах емалі зубів води близько 10%,а в клітинах зародка, що розвивається, -- більше 90%. У тілі медузи води до 98% . Але в середньому в багатоклітинному організмі вода складає близько 80% маси тіла.

Через те що молекули води є диполями, вони мають унікальну властивість - розчиняти полярні речовини, до яких відносяться іонні сполуки: солі, кислоти, основи (до відома: до неіонних сполук відносяться спирти, цукор). Молекули води ніби "розтягують" молекули полярних речовин. При цьому зростає реакційна здатність розчинених речовин, оскільки їхні молекули або іони набувають можливості вільно рухатись. Речовини, здатні розчинятися у воді, називаються гідрофільними (від грецьк. hydor - вода, phileo - люблю).

Вода як універсальний розчинник відіграє надзвичайно важливу роль у живих організмах, оскільки більшість біохімічних реакцій відбувається у водних розчинах. Надходять речовини у клітини та виводяться з них продукти життєдіяльності також переважно в розчиненому вигляді. Вода бере безпосередню участь у реакціях гідролізу (від грецьк. hydor - вода, lysis - розкладання) - розщеплення органічних сполук з приєднанням до місця розриву іонів молекули води (Н та ОН^-).

Речовини, які не взаємодіють з водою, а тому в ній не розчиняються, називаються гідрофобними (від грецьк. hydor - вода, phobos - страх). До гідрофобних речовин належать майже всі жири, деякі білки.

З водою пов'язана також регуляція теплового режиму організмів. їй притаманна велика теплоємність, тобто здатність поглинати тепло за незначних змін власної температури. Завдяки цьому вода запобігає різким змінам температури в клітинах і в організмі в цілому за значних її коливань у навколишньому середовищі. Під час випаровування води організми витрачають багато тепла. Так вони захищають себе від перегрівання. Завдяки високій теплопровідності, вода забезпечує рівномірний розподіл теплоти між тканинами організму, циркулюючи по порожнинах органів і тіла.

Вода може бути в трьох агрегатних станах - твердому (лід), газоподібному (пара), рідкому (рідина). При випаровуванні води багато енергії витрачається на розрив водневих зв' язків між її молекулами. При замерзанні води тепло виділяється. Тому запаси води істотно пом' якшують клімат нашої планети.

Густина води найбільша при 4 С, а густина льоду менша за густину води. Тому водойми промерзають дуже повільно: зверху їх закриває лід, а біля дна довго зберігається шар води з температурою 4 С. Це рятує взимку життя багатьом водним організмам.

Важливе біологічне значення для функціонування організмів має і те, що вода під впливом розчинених у ній речовин може змінювати свої властивості, зокрема температуру замерзання і кипіння. Так, із настанням зими у клітинах морозостійких рослин підвищується концентрація розчинних вуглеводів та інших сполук (наприклад, гліцерину, гліколіпідів). Це перешкоджає переходу води в організмах у кристалічний стан і таким чином запобігає їхній загибелі.

На перебіг біохімічних реакцій у водних розчинах істотно впливає концентрація іонів гідрогену у воді. її оцінюють за водневим показником - рН (значення від'ємного десяткового логарифму концентрації іонів Н ).

У чистій воді концентрація йонів Н становить 1Т0^- моль/л. Для чистої води рН = - log (10^-7) = 7. Розчини бувають кислі (рН<7), нейтральні (рН=7), основні (рН>7). Протяжність шкали рН - від 0 до 14. Це логарифмічна шкала, тобто зміна рН на одну одиницю відповідає зміні концентрації іонів Н+ вдесятеро.

Значення рН у клітинах живих організмів близько 7,0. Зміна його на одну-дві одиниці згубна для клітин. Насамперед сталість рН у клітинах підтримується за рахунок буферних властивостей їхнього вмісту.

Буферним називають розчин, який містить суміш якоїсь слабкої кислоти та її розчинної солі. Коли кислотність (концентрація йонів Н+) збільшується, вільні аніони, джерелом яких є сіль, легко з' єднуються з вільними іонами Н і видаляють їх із розчину. Коли кислотність знижується, вивільняються додаткові йони Н+. У такий спосіб у буферному розчині підтримується відносно стала концентрація йонів Н+.

Крім води, в організмах є ще неорганічні сполуки - мінеральні солі.

Вони знаходяться у дисоційованому (розчиненому) стані у вигляді катіонів (К+, Na⁺, Са²+, Мg²⁺ та ін.) та аніонів (СІ^-, НСО3^-, Н2РО 4 , та ін.) або перебувають у вигляді твердих сполук (СаСО₃, Са₃(РО₄)₂). Різна концентрація К і № поза клітинами та всередині них спричинює виникнення різниці електричних потенціалів на плазматичних мембранах клітини. Це забезпечує транспорт речовин через мембрани.



3. Органічні речовини

Органічні сполуки складають близько 20--30 % маси живих клітин.

До складу органічних сполук, як вже зазначалося, входять чотири хімічні елементи - органогени: оксиген, гідроген, карбон, нітроген. Органічними сполуками у клітині є ліпіди, вуглеводи, білки, нуклеїнові кислоти.

3.1 Ліпіди

Ліпіди - це сполуки високомолекулярних жирних кислот і трьохатомного спирту - гліцерину. Ліпіди відносно невеликі молекули.

Ліпіди нерозчинні у воді (гідрофобні). У воді вони збираються краплями або утворюють емульсії.Емульсія - це колоїдна система, що містить дуже дрібні крапельки нерозчинної у ній речовини. Однак ліпіди розчинні в неполярних речовинах: ефірі, бензолі, ацетоні, хлороформі та інших органічних розчинниках. Деякі з ліпідів мають і полярні, і неполярні ділянки. Такі ліпіди особливо легко утворюють емульсії завдяки взаємодії полярних ділянок з водою.

До ліпідів належать:

а) найпоширеніші серед ліпідів - жири - це сполуки, які складаються із залишків гліцеролу (спирту, що має три гідроксильні групи) та трьох жирних кислот; до складу жирів входять карбон, гідроген, оксиген у співвідношенні 1С : 2Н : 1О; неполярні і тому нерозчинні у воді (гідрофобні); маючи меншу від води густину, вони здатні утворювати краплі, що плавають на поверхні води; жирів багато в клітинах плодів та насіння певних видів рослин (соняшника, волоського горіха, маслини та ін.);

б) фосфоліпіди, які відрізняються від жирів тим, що одна з трьох гідроксильних груп гліцеролу зв' язана в них не з жирною кислотою, а з залишком фосфорної кислоти; у свою чергу, цей залишок зв' язаний з якоюсь іншою полярною речовиною, яка може мати карбоксильну (-СООН), гідроксильну (-ОН) групи або аміногрупу (-NH₂);

в) воски, які рослини використовують як водовідштовхувальні та захисні речовини, що запобігають висиханню;

г) стероїди, які є важливими компонентами вітаміну Б, деяких гормонів;

д) ліпопротеїди - сполуки, які складаються з білків і ліпідів; входять до складу багатьох клітинних структур і значною мірою зумовлюють їхню міцність та стабільність;

е) гліколіпіди - сполуки, які складаються з вуглеводів і ліпідів; входять до складу багатьох клітинних структур і значною мірою зумовлюють їхню міцність та стабільність.

Функції ліпідів:

а) енергетична - у разі повного окиснення 1 г жирів виділяється 38,9 кДж енергії, тобто майже удвічі більше, ніж при повному розщепленні такої самої кількості вуглеводів; отже, жири - є додатковим джерелом енергії у клітині; крім того, при окисненні 1 г жирів утворюється 1,1 г води;

б) будівельна - є основою клітинних мембран;

в) регуляторна - ліпіди входять до складу гормонів, які беруть участь у регуляції життєвих функцій організму.

У різних клітинах і тканинах вони розподілені нерівномірно. У покривних тканинах кількість ліпідів не перевищує 2-3%. У насінні рослин вміст ліпідів може становити 29-57%.

3.2 Вуглеводи

Це група органічних сполук, загальна формула яких (СН₂О)_П, або С_П(Н₂О)_П , де n - будь-яке ціле число від 3 та більше. За загальною формулою на один атом карбону припадає одна молекула води (звідси назва цієї групи органічних сполук).

Вуглеводи переважно мають велику молекулярну масу, тому їх називають макромолекулами (від грецьк. makros - великий). Такі високомолекулярні органічні сполуки, молекули яких складаються з великої кількості однакових чи різних за хімічною будовою ланок, що повторюються, називають біополімерами (від грецьк. bios - життя, poly - багато, meros - частка). Прості молекули, із залишків яких складаються біополімери, називають мономерами (від грецьк. monos - один, meros - частка). Залежно від кількості мономерів, що входять до складу молекул, вуглеводи поділяють на три основні класи: моносахариди, або прості цукри; олігосахариди, полісахариди.

Моносахариди, або прості цукри, - це сполуки із загальною формулою (СН₂О)_П , де n - будь-яке ціле число від 3 до 10 (тріози - 3 атоми карбону; тетрози - 4; пентози - 5, гексози - 6 і так далі до декоз - 10). Отже, до складу моносахаридів, так само як і до складу жирів, входять лише карбон, гідроген і оксиген у співвідношенні 1С : 2Н : 1О. У моносахаридів один з атомів карбону має подвійний зв'язок з атомом оксигену. Всі моносахариди мають гідроксильні (-ОН) та інші полярні групи і тому легко розчиняються у воді.

Моносахариди солодкі на смак і добре кристалізуються. У природі найпоширеніші пентози (рибоза і дезоксирибоза, які входять до складу нуклеїнових кислот) і гексози - глюкоза (виноградний цукор) і фруктоза (плодовий цукор). Глюкоза - це головне джерело енергії в клітині. За своїм елементним складом глюкоза і фруктоза абсолютно однакові і мають молекулярну формулу С₆Н₁₂О₆. Але їхні структурні формули - різні: у глюкози подвійний зв' язок з атомом оксигену міститься на першому атомі карбону, а у фруктози - на другому. Речовини, які мають однакові молекулярні формули, але різняться порядком зв'язків, називаютьсяізомерами (від грецьк. іsos - однаковий і meros - частина).

Олігосахариди - сполуки, в яких кілька залишків молекул моносахаридів з'єднані між собою ковалентними зв'язками. Які ділянки молекул моносахаридів можуть забезпечити їх з'єднання при полімеризації? Гідроксильні групи (-ОН) двох моносахаридів здатні взаємодіяти одна з одною. При цьому виділяється молекула води і між залишками моносахаридів утворюється ковалентний зв'язок. Таким чином, в олігосахаридів співвідношення між карбоном, гідрогеном і оксигеном таке: 1_n : 2 _n_₂ : 1 _n-1. Серед олігосахаридів найпоширеніші дисахариди, які утворюються внаслідок сполучення залишків двох молекул моносахаридів. Усі дисахариди мають ту саму молекулярну формулу С12Н22О11, але в них різні фізичні та хімічні властивості. Наприклад, буряковий цукор - сахароза - складається із залишків глюкози і фруктози, а солодовий - мальтоза - лише із залишків двох молекул глюкози. Дисахариди мають солодкий присмак, добре розчинні у воді.

Полісахариди - молекули, молекулярна маса яких може сягати кількох мільйонів, складаються з сотень і тисяч залишків моносахаридів. Залишки молекул моносахаридів з' єднані між собою ковалентними зв' язками. Отже, полісахариди - це біополімери, мономерами яких є моносахариди. Полісахариди різняться між собою складом мономерів, довжиною та розгалуженістю ланцюгів. На відміну від моно- та оліго-сахаридів, полісахариди майже не розчиняються у воді й не мають солодкого присмаку.

Найпоширенішими полісахаридами у природі є:

а) крохмаль, який синтезується в процесі фотосинтезу в клітинах рослин і складається із залишків молекули глюкози; існує дві форми крохмалю: амілоза, яка має нерозгалужені ланцюги і у водному розчині під дією йоду набуває синього кольору, та амілопектин, у якого розгалужені ланцюги і який зафарбовується в червоний колір;

б) целюлоза, яка побудована з молекул глюкози; між ними міцні зв' язки; міститься у клітинних стінках рослин;

в) хітин, який входить до складу клітинних стінок деяких зелених водоростей.



Функції вуглеводів:

а) енергетична (за повного розщеплення 1 г вуглеводів вивільняється 17,2 кДж енергії); вуглеводи - це універсальне і важливе джерело енергії в клітині; важлива роль вуглеводів у енергетичному балансі живих істот пов' язана із здатністю розщеплюватись як за участі кисню, так і без нього;

б) будівельна (входять до складу опорних елементів клітин організмів);

в) запасання поживних речовин (резервний полісахарид у рослин - крохмаль, утворений із залишків молекул глюкози);

г) захисна (у рослин - камедь - прозора смолиста речовина бурштинового кольору, яка виділяється з тріщин гілок і зелених плодів вишень та абрикос, захищає від проникнення бактерій і вірусів);

д) регуляторна (рослинна їжа складається з клітковини, яка викликає механічне подразнення шлунка і кишечнику).

3.3 Білки

Білки або протеїни, - це високомолекулярні біополімери, мономерами яких є залишкиамінокислот. Назва "білки" пов' язана зі здатністю багатьох білків біліти при нагріванні. Висока температура призводить до зміни їхньої конформації (від лат. konphormatio - розміщення) (просторової структури). А назва "протеїни" походить від грецького слова "перші" і відображає їхню роль у живих організмах. Білки входять до складу всіх живих систем, на них припадає від 50 до 80% сухої маси клітини.

У самій назві амінокислот відображено наявність у їхньому складі: аміногрупи (--NH2), якій притаманні лужні властивості, та карбоксильної групи (-СООН) з кислотними властивостями. Таким чином, амінокислоти - це амфотерні (від грецьк. amphoteros - обидва) сполуки, які реагують не лише з лугами, а й з кислотами.

Аміногрупа та карбоксильна група зв' язані з одним і тим самим атомом карбону. Групи атомів, за якими амінокислоти розрізняються між собою, називають радикалами, або R -групами.

Загальна формула амінокислоти:

Нескінченна різноманітність білкових молекул забезпечується різними комбінаціями залишків 20 амінокислот. Ці 20 амінокислот називають основними.

Реакція полімеризації амінокислот пов'язана із взаємодією між карбоксильною групою (- СООН) однієї амінокислоти і аміногрупою (--NH2) іншої. У ході реакції виділяється молекула води і утворюється пептид (від грецьк. peptos - зварений). Тому ковалентний зв'язок між залишками амінокислот називається пептидным.

Схема пептидного зв'язку: - СО- NN -

До вільних карбоксильної та аміногрупи можуть приєднуватися інші амінокислоти, подовжуючи ланцюг, який має назву поліпептидного:

Поліпептидні ланцюжки мають певну конформацію. При зміні її білок втрачає здатність взаємодіяти з іншими молекулами. Конформація білка залежить від послідовності амінокислотних залишків та від середовища. Поліпептидний ланцюг білків на відміну від полісахаридів не має розгалуженої структури.

Властивості білка визначаються послідовністю амінокислотних залишків, що входять до складу його молекули.

Первинна структура білка - це сполучені пептидними зв'язками залишки амінокислот, що мають вигляд лінійного ланцюга. Отже, первинна структура білка визначається якісним і кількісним складом амінокислотних залишків, а також їхньою послідовністю. Однак молекула білка у вигляді лінійного ланцюга нездатна виконувати специфічні функції. Для цього вона має набути складнішої просторової структури.

Вторинна структура білка характеризує просторову організацію білкової молекули, яка повністю або частково закручується в спіраль. Отже, вторинна структура білка - закручений у спіраль поліпептидний ланцюг. Радикали амінокислот при цьому залишаються ззовні спіралі. У підтриманні вторинної структури важлива роль належить водневим зв 'язкам, які виникають між атомами гідрогену NH-групи (пептид-ної) одного витка спіралі та оксигену СО-групи іншого. Водневі зв'язки значно слабші за ковалентні, але завдяки тому, що спіраль "прошита" численними водневими зв'язками, її структура дуже міцна. Таким чином, вторинна структура білка стабілізується водневими зв'язками між пептидними групами, розташованими на сусідніх витках спіралі.

Третинна структура білка зумовлена здатністю поліпептидної спіралі закручуватись певним чином у грудку, або глобулу (від лат. globulus - кулька). Скручування відбувається внаслідок взаємодії амінокислотних радикалів на віддалених ділянках ланцюга. Третинна структура білка підтримується кількома типами зв'язків: водневими, гідрофобними, ковалентними дисульфідними (-S-S-). Стабільність третинної структури залежить від внутрішньоклітинного середовища, зокрема від рН і температур. Значні коливання температури або зміни хімічного складу клітини порушують третинну структуру білка і негайно впливають на його функціонування. Надмірне нагрівання або вплив сильнодіючих хімічних речовин призводить до денатурації (від лат. de - рух униз, втрата, natura - природні властивості) - незворотного руйнування певної структури білка. При денатурації первинна структура білка лишається незмінною, а порушуються вищі її рівні.

Чимало білків складаються з кількох поліпептидних ланцюгів, які утримуються разом завдяки гідрофобним взаємодіям, а також водневим та іонним зв'язкам. Поєднання кількох поліпептидних ланцюгів називаєтьсячетвертинною структурою білка.

За складністю будови та функціями білки поділяють на окремі класи:

o прості - протеїни (від грецьк. protos - перший), що складаються тільки з амінокислот;

o складні - протеїди (від грецьк. protos - перший, eidos - вигляд) - такі білки, що містять, крім амінокислотного ланцюга, ще й небілковий компонент.

Функції білків:

o структурна, або будівельна, - білки входять до складу всіх органів і тканин, є структурними компонентами клітинних мембран;

o регуляторна - білкові гормони регулюють процеси життєдіяльності організмів;

o каталітична, або ферментативна, - особлива група білків - ферментів, які виконують функцію біологічних каталізаторів (біокаталізу), тобто здатні регулювати (прискорювати або гальмувати) хімічні реакції; основу ферментів складають білки, до яких може приєднуватися небілкова частина (вітаміни, метали тощо). Ферменти каталізують лише певні реакції. Кожна молекула ферменту здатна здійснювати від декількох тисяч до декількох мільйонів операцій за хвилину. Для ферментів характерна закономірна локалізація, оскільки процес розщеплення або синтезу будь-якої речовини у клітині поділений на ряд хімічних операцій, які закономірно ідуть одна за одною. Кожну з цих операцій каталізує свій фермент. Дія ферментів залежить від температури і pH середовища;

o енергетична- при повному окисненні 1 г білка виділяється 17,2 кДж енергії;

o сигнальна - окремі складні білки клітинних мембран, змінюючи свою структуру, передають сигнали із зовнішнього середовища на інші ділянки мембрани або всередину клітини.

3.4 Нуклеїнові кислоти

Вперше виявлено в ядрі клітини, звідки й походить назва цих сполук (від лат. nucleus - ядро). До складу молекул нуклеїнових кислот, крім органогенних елементів (С, Н, О, N), неодмінно входить фосфор (Р).

Нуклеїнові кислоти - це біополімери, мономерами яких є нуклеотиди (від лат. nuсleus - ядро).

Молекула нуклеотиду складається із залишків таких компонентів:

o азотиста (нітратна) основа - речовина зі складною циклічною структурою молекули - у великій кількості містить карбон і нітроген; основою називається тому, що має основні властивості; розрізняють п'ять видів азотистих основ:

- аденін (скорочено позначається А);

- гуанін (Г);

- цитозин (Ц);

- тимін (Т);

- урацил (У);

o п'ятикарбоновий (п'ятивуглецевий) моносахарид - пентоза; розрізняють: рибозу та дезоксирибозу; вони відрізняються лише тим, що в дезоксирибозі (тобто позбавленій О рибозі) біля другого атома С розташована не гідроксильна група (-ОН), а Н; аденін, гуанін і цитозин утворюють нуклеотиди як із рибозою, так і з дезоксирибозою; тимін - лише з дезоксирибозою, а урацил - лише з рибозою;

o залишок фосфорної кислоти (фосфат), наявність якого визначає кислотні властивості нуклеотиду.



Схема молекули нуклеотиду (схема 1):

Крім нуклеотидів, що входять до складу нуклеїнових кислот, неодмінним компонентом будь-якої клітини є вільні нуклеотиди. До складу вільних нуклеотидів входять, крім азотистої основи і пентози, три залишки фосфорної кислоти, які послідовно сполучаються. Причому друга і третя групи фосфорної кислоти приєднуються до нуклеотиду особливими зв' язками, у яких запасається енергія. Ці зв' язки називають макроергічними (від грецьк. makros - великий, ergon - робота) і позначаються значком ~ . При розриві звичайного ковалентного зв'язку вивільняється 12 кДж/моль, а при розриві макроергічного зв'язку - 33 кДж/моль. Саме макроергічні зв' язки в нуклеотидах використовуються для запасання енергії в ході обміну речовин.

Найчастіше роль акумулятора енергії виконує аденозинтрифосфат (АТФ). АТФ складається з азотистої основи - аденіну, пентози - рибози і трьох залишків фосфорної кислоти (фосфатів), які послідовно сполучаються макроергічними зв' язками.

Схема молекули АТФ (схема 2):

Будь-яка хімічна реакція, що потребує затрат енергії, пов'язана з відщепленням одного залишку фосфорної кислоти в молекулі АТФ і перетворення її на аденозиндифосфат (АДФ). Накопичення енергії в клітині, навпаки, відбувається за рахунок перетворення АДФ на АТФ.

Мононуклеотиди (нуклеотиди, які містять лише один залишок фосфорної кислоти), так само, як амінокислоти і моносахариди, здатні реагувати між собою. Перебіг такої реакції супроводиться виділенням молекули води і утворенням міцного ефірного зв' язку. Сполучною речовиною між нуклеотидами слугує залишок фосфорної кислоти, що скріплює пентози сусідніх нуклеотидів, формуючи полімер - полінук-леотид, який звичайно називають нуклеїновою кислотою. Вона може містити від кількох сотень до кількох мільйонів нуклеотидів. Полінук-леотиди мають суворо лінійну структуру ланцюга. Маса нуклеїнових кислот, як правило, значно вища від маси білків.

Залежно від виду пентози, що входить до складу нуклеотиду, розрізняють два типи нуклеїнових кислот:дезоксирибонуклеїнову (ДНК) та рибонуклеїнову (РНК). До складу ДНК входить залишок дезоксирибози, а РНК - рибози. У молекулі ДНК містяться залишки таких азотистих основ: аденіну, гуаніну, цитозину і тиміну. У молекулі РНК містяться залишки таких азотистих основ: аденіну, гуаніну, цитозину і урацилу.

Отже, до складу молекули ДНК і РНК входить по чотири типи нук-леотидів, які відрізняються за типом азотистої основи.

Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) зосереджена в ядрі, її практично немає в цитоплазмі клітини. Цей тип нуклеїнових кислот утворює дуже великі молекули (масою до 100 000 000). Вміст ДНК в ядрі клітини постійний, вона виконує єдину функцію - зберігає генетичну інформацію.

Ген (від грец. genos - походження) - це ділянка молекули нуклеїнової кислоти, яка визначає спадкові ознаки організмів.

1950 року американський вчений Ервін Чаргафф та його колеги, досліджуючи склад ДНК, виявили певні закономірності кількісного вмісту залишків азотистих основ у її молекулі:

- кількість аденінових залишків у будь-якій молекулі ДНК дорівнює числу тимінових (А=Т), а гуанінових - цитозинових (Г=Ц);

- сума аденінових і гуанінових залишків дорівнює сумі тимінових і цитозинових (А+Г=Т+Ц).

Таке співвідношення азотистих основ у молекулі ДНК дістало назву правила Чаргаффа, або правила еквівалентності.

Це відкриття сприяло встановленню просторової структури ДНК (рис.1) і визначенню її ролі в перенесенні спадкової інформації від материнської клітини до дочірньої. 1953 року американські вчені Джеймс Уотсон і Френсіс Крик довели, що молекула ДНК складається з двох з'єднаних полінуклеотидних ланцюгів, які являють собою спіраль, закручену вправо. Діаметр спіралі ДНК дорівнює 210^-9 м, а відстань між сусідніми нуклеотидами - 0,34 o 10^-9 м. На один виток спіралі припадає 10 нуклеотидів.

Рис.1. Просторова структура ДНК

Полінуклеотидні ланцюги сполучаються водневими зв'язками, що виникають між азотистими основами, розміщеними навпроти одна до одної.

Між аденіном і тиміном утворюються два водневих зв'язки, а між гуаніном і цитозином - три. Водневі зв'язки дуже слабкі, але завдяки багаторазовому повторенню вони утворюють дуже міцну структуру, яка водночас є лабільною, що надає спіралі ДНК можливості легко розкручуватися, а потім знову швидко відновлювати дволанцюгову структуру.

Молекули А-Т і Г-Ц ніби доповнюють одна одну. Здатність доповнювати одна одну, притаманна поверхням хімічних сполук, що взаємодіють, називається комплементарністю (від лат. komplementum - доповнення).

Схема будови подвійної спіралі ДНК (схема 3).

Молекули ДНК, так само як і білки, утворюють кілька рівнів просторової організації:

o первинна структура ДНК - це певна послідовність розташування нуклеотидів у ланцюзі ДНК;

o вторинна структура ДНК - це подвійна спіраль;

o третинна структура ДНК - це суперспіраль (багаторазове згортання); саме така структура ДНК в ядрі клітині. Така укладка здійснюється за допомогою спеціальних білків - гістонів, що мають лужні властивості, а молекули ДНК намотуються на ці білки наче нитки на котушку. Завдяки цьому молекула ДНК, довжина якої, наприклад в людини, 8 см, укладається в клітинне ядро, що його можна розглянути лише під мікроскопом.

Схема 3. Схема будови подвійної спіралі ДНК (на схемі фосфат позначено літерою Р).

ДНК, як і білки, можуть денатурувати (втрачати геометричну форму і розпадатися на одинарні ланцюги) під впливом різних чинників. Цей процес відбувається при температурі +70°С, - значно вищій від температури денатурації білків, і тому називається плавленням. За певних умов можливе й відновлення природної структури - ренатурація.

Процес синтезу ДНК розпочинається перед поділом клітини і зумовлений складанням нового полінуклеотидного ланцюга за матрицею старого ланцюга. Цей процес називається реплікацією (від лат. герігсаґго - відбивати) і відбувається в такій послідовності:

o спочатку під дією спеціальних ферментів подвійна спіраль розкручується і утворюється реплікативна вилка;

o майже відразу завдяки ферменту ДНК-полімеразі починається ферментативне складання нових полінуклеотидних ланцюгів: фермент пересувається уздовж кожної нитки ДНК і послідовно створює комплементарну нитку ДНК.

Схему процесу реплікації подано на рис. 2.

Синтез полімерів, коли один ланцюг слугує еталоном, матрицею для іншого, називається матричним синтезом. Особливостями цього синтезу є точність копіювання і висока швидкість перебігу реакцій. Висока точність реплікації досягається завдяки комплементарності азотистих основ.

Надійність копіювання - це надзвичайно важлива властивість процесу реплікації, бо помилки в копіюванні нуклеотидних послідовностей

ДНК призводять до помилкового синтезу ферментів, що неминуче порушує регуляцію основних функцій організму, наслідком чого є зниження його життєздатності. Ці порушення є спадковими.

А - дволанцюгова молекула ДНК: 1 - перший ланцюг ДНК; 2 - другий ланцюг ДНК; Б - утворення реплікативної вилки; В - синтез комплементарних ланцюгів: 3 - нуклеотиди, які добудовують комплементарний ланцюг ДНК; Г - синтезовані дві однакові молекули ДНК.

Рибонуклеїнові кислоти (РНК) містяться як в ядрі клітини, так і в цитоплазмі, і відзначаються незначними розмірами - від 75 до кількох тисяч нуклеотидів. Молекули РНК, на відміну від ДНК, складаються лише з одного ланцюга (схема 4).

Схема 4. Схема будови РНК (на схемі фосфат позначено літерою Р).

Відомо три основні типи РНК:

1) транспортна (тРНК) - це невеликий полінуклеотид, що складається в середньому з 80 нуклеотидів; вона виконує функцію транспортування амінокислот під час синтезу білків;

2) інформаційна (іРНК), або матрична (мРНК) - містить інформацію про послідовність структури різних білків, тому має різноманітну структуру і розмір у багато разів більший за тРНК;

3) рибосомна (рРНК) - є головний компонент рибосом - органел клітини, у яких відбувається синтез білка.

Усі типи РНК синтезуються на молекулах ДНК у процесі транскрипції (від лат. transcriptio - переписування). Ферменти розплітають спіраль ДНК на невеликій ділянці, пересуваються уздовж однієї нитки ДНК і послідовно створюють комплементарну нитку РНК.

Схематичне зображення процесу транскрипції подано на рис. 3.



Відмінність транскрипції від реплікації полягає в тому, що навпроти А в ланцюгу ДНК в РНК розміститься У, а не Т.

Усі типи РНК беруть тільки в певному, але надзвичайно важливому для життя клітини процесі - біосинтезі білка. Він забезпечує оновлення білків, ріст і функціонування клітин.



Література

1. Короткий довідник школяра 5-11 класи (1998р.), видавничий дім "Дрофа".

2. Біологія. Загальні закономірності. 9 клас (2003р.) "Дрофа". С.Г. Мамонтов, В.Б. Захаров, Н.І. Сонін.

3. Біологія. Посібник для вступників до вузів. (1984р.) "Вища школа" Е.В. Семенов, С.Г. Мамонтов, В.Л. Коган.

4. Біологія. Введення в загальну біологію та екологію. 9 клас. (2003р.). "Дрофа" А.А. Кам'янський, Е.А. Кріксунов, В.В. Пасічник.

5. Біохімія Біохімія : підруч. для студ.біолог. спец. вузів / М. Є. Кучеренко [та ін.]. - К. : Либідь, 1995. - 464 с. -

6. Биологическая химия / Н. В. Дуденко [и др.]. - Х. : Прапор, 1999. -

7. Биологическая химия [ : учебник для студ. фармац. вузов и ф-тов / Л. Н. Воронина [и др.] ; ред. Л. Н. Воронина ; Украинская фармацевтическая академия. - Х. : Основа, 1999. - 639 с.

Размещено на Allbest.ru

...