Основные формы, свойства и уровни организации живой материи. Молекулярный уровень

- ковалентные связи (между двумя остатками цистеина располагаются дисульфидные мостики-ковалентные связи;

- ионные связи между противоположно заряженными боковыми группами аминокислотных остатков;

- водородные связи между боковыми цепями (радикалами аминокислот);

- гидрофильно-гидрофобные взаимодействия. При взаимодействии с окружающими молекулами воды белковая молекула стремится свернуться так, чтобы неполярные боковые группы аминокислот оказались изолированы от водного раствора;

Четверичная структура — взаимное расположение нескольких полипептидных цепей в составе единого белкового комплекса. Белковые молекулы, входящие в состав белка с четвертичной структурой, образуются на рибосомах по отдельности и лишь после окончания синтеза образуют общую надмолекулярную структуру. В состав белка с четвертичной структурой могут входить как идентичные, так и различающиеся полипептидные цепочки. В стабилизации четвертичной структуры принимают участие те же типы взаимодействий, что и в стабилизации третичной.

 

Нуклеиновые кислоты. Строение, структуры.

Нуклеиновые кислоты – простетическая группа нуклеопротеидов. Нуклеиновые кислоты открыты еще в 70-х годах XIX столетия (Фишер), но строение, локализация и роль установлены только в середине XХ века. Известно 2 вида нуклеиновых кислот – ДНК и РНК, которые различаются составом молекулы, локализацией в клетке и функцией в организме.

ДНК – это полимер, полинуклеотид, состоящий из большого количества мононуклеотидов. Мононуклеотиды ДНК содержат следующие азотистые основания - аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т).

Структура ДНК установлена в 1953 году Уотсоном и Криком с помощью математических расчетов, модельных экспериментов  и данных рентгеноструктурного анализа. За открытие структуры ДНК Уотсон и Крик в 1962 году были удостоены Нобелевской  премии. Различают 4 уровня структурной организации ДНК:

Первичная структура – это спирально изогнутая полинуклеотидная цепь с определенным качественным и количественным набором мононуклеотидов. Участки ДНК, содержащие генетическую информацию, называются структурными генами.

Вторичная структура – это двухспиральная молекула, полинуклеотидные цепи которой антипараллельны и связаны водородными связями между комплементарными основаниями обоих цепей. Вторичную структуру кроме водородных связей между комплементарными основаниями цепей, поддерживают также Ван-дер-Ваальсовы (силы обусловлены взаимодействием электронов соседних атомов) силы взаимодействия между основаниями одной цепи.

Третичная структура ДНК – это намотка ее цепей на гистоны, т.е. суперспирализация. Различают 5 видов гистонов. С гистонами возможны 3 типа химических реакций – ацетилирование, фосфорилирование и АДФ-рибозилирование.

Четвертичная структура – это укладка нуклеосом в хроматин, так что молекула ДНК длиной в несколько сантиметров складывается до 5 нанометров. Хроматин в химическом плане состоит на 2/3 из простых белков и 1/3 из ДНК. Хроматин содержит также 10% РНК. Ферменты хроматина участвуют в репликации и транскрипции.

Роль ДНК: 1) хранение и передача наследственной информации; 2) биосинтез ферментов, белков и гормонов.

РНК – это полинуклеотиды, но состоят только из одной цепи, их молярная масса меньше, чем у ДНК. Кроме этого, они отличаются следующим:

1) количество  РНК в клетке зависит от  возраста, физиологического состояния,  органной принадлежности клетки;

2) в мононуклеотидах  РНК содержатся рибоза, вместо  тимина урацил;

3) для  РНК не характерны правила  Чаргаффа;

4) в РНК  больше минорных оснований, чем  в ДНК;

Все РНК синтезируются  на ДНК, этот процесс называется транскрипцией. В зависимости от локализации в клетке, функции различают 4 вида РНК:  м-РНК (матричная, или информационная), транспортная – т-РНК, рибосомальная – р-РНК, малая ядерная РНК (мя-РНК).

 

Обмен веществ и энергии.

Обмен веществ и  энергии, или метаболизм — совокупность химических и физических превращений веществ и энергии, происходящих в живом организме и обеспечивающих его жизнедеятельность. Обмен веществ и энергии составляет единое целое и подчиняется закону сохранения материи и энергии. Обмен веществ складывается из процессов ассимиляции и диссимиляции. Ассимиляция (анаболизм) — процесс усвоения организмом веществ, при котором расходуется энергия. Диссимиляция (катаболизм) — процесс распада сложных органических соединений, протекающий с высвобождением энергии. Единственным источником энергии для организма человека является окисление органических веществ, поступающих с пищей. При расщеплении пищевых продуктов до конечных элементов — углекислого газа и воды — выделяется энергия, часть которой переходит в механическую работу, выполняемую мышцами, другая часть используется для синтеза более сложных соединений или накапливается в специальных макроэргических соединениях. Макроэргическими соединениями называют вещества, расщепление которых сопровождается выделением большого количества энергии.

Обмен белков. Белками называют высокомолекулярные соединения, построенные из аминокислот. Функции: Структурная функция состоит в том, что белки являются главной составной частью всех клеток и межклеточных структур. Каталитическая функция белков заключается в их способности ускорять биохимические реакции в организме. Защитная функция белков проявляется в образовании антител при поступлении в организм чужеродного белка. Транспортная функция заключается в переносе многих веществ. Важнейшей функцией белков является передача наследственных свойств. Регуляторная функция белков направлена на поддержание биологических констант в организме. Энергетическая роль белков состоит в обеспечении энергией всех жизненных процессов в организме животных и человека.

Обмен жиров. Жиры делят на простые липиды, сложные липиды и стероиды. Основная масса липидов представлена в организме человека нейтральными жирами. Нейтральные жиры пищи человека являются важным источником энергии. В обмене жиров важная роль принадлежит печени. Печень — основной орган, в котором происходит образование кетоновых тел. Кетоновые тела используются как источник энергии. Печень является практически единственным органом, поддерживающим уровень фосфолипидов в крови. В жировой ткани нейтральный жир депонируется виде триглицеридов.

Обмен углеводов. Биологическая роль углеводов для организма человека определяется прежде всего их энергетической функцией. Углеводы являются непосредственным источником энергии для всех клеток организма, выполняют пластическую и опорную функции. Единственной формой углеводов, которая может всасываться, являются моносахара. В печени из глюкозы синтезируется гликоген. Этот процесс носит название гликогенеза. В мышцах, так же как и в печени, синтезируется гликоген. Распад гликогена является одним из источников энергии мышечного сокращения. Между двумя основными источниками энергии — углеводами и жирами — существует тесная физиологическая взаимосвязь. Повышение содержания глюкозы в крови увеличивает биосинтез триглицеридов и уменьшает распад жиров в жировой ткани. В кровь меньше поступает свободных жирных кислот.

Водно-солевой обмен. Все химические и физико-химические процессы, протекающие в организме, осуществляются в водной среде. Вода выполняет в организме следующие важнейшие функции:

1) служит  растворителем продуктов питания и обмена;

2) переносит растворенные в ней вещества;

3) ослабляет  трение между соприкасающимися  поверхностями в теле человека;

4) участвует  в регуляции температуры тела  за счет большой теплопроводности, большой теплоты испарения.

Принято делить воду на внутриклеточную, интрацеллюлярную (72%) и внеклеточную, экстрацеллюлярную (28%). Некоторая часть воды образуется в самом организме в процессе обмена веществ. Вместе с водой в организм поступают и минеральные вещества (соли).

Основной обмен и  его значение. Основной обмен — минимальное количество энергии, необходимое для поддержания нормальной жизнедеятельности организма в состоянии полного покоя при исключении всех внутренних и внешних влияний, которые могли бы повысить уровень обменных процессов. В состоянии полного физического и психического покоя организм расходует энергию на: 1) постоянно совершающиеся химические процессы; 2) механическую работу, выполняемую отдельными органами; 3) постоянную деятельность железисто-секреторного аппарата. Более активно расходуют энергию внутренние органы, менее активно — мышечная ткань.

Питание. Восполнение энергетических затрат организма происходит за счет питательных веществ. В пище должны содержаться белки, углеводы, жиры, минеральные соли и витамины в небольших количествах и правильном соотношении. Белковый режим питания способствует осуществлению процессов всасывания и усвояемости пищевых веществ. При преобладании в пище углеводов усвоение белков и жиров снижается. Чтобы обеспечить правильное питание человека, необходимо учитывать степень усвоения продуктов организмом. Необходимо соблюдать определенный режим питания, правильно его организовать: постоянные часы приема пищи, соответствующие интервалы между ними, распределение суточного рациона в течение дня. Регуляция обмена веществ и энергии осуществляется нервной и эндокринной системами, которые обеспечивают приспособление организма к меняющимся условиям его обитания.

 

Осуществление связи между клетками.

Межклеточные  контакты — соединения между клетками, образованные при помощи белков. Межклеточные контакты обеспечивают непосредственную связь между клетками. Кроме того, клетки взаимодействуют друг с другом на расстоянии с помощью сигналов (главным образом - сигнальных веществ), передаваемых через межклеточное вещество.

Строение межклеточных соединений. В тех тканях, в которых клетки или их отростки плотно прилежат друг к другу (эпителий, мышечная ткань и пр.) между мембранами контактирующих клеток формируются связи – межклеточные контакты. Каждый тип межклеточных контактов формируется за счет специфических белков, подавляющее большинство которых — трансмембранные белки. Специальные адапторные белки могут соединять белки межклеточных контактов с цитоскелетом, а специальные "скелетные" белки - соединять отдельные молекулы этих белков в сложную надмолекулярную структуру.

Функции межклеточных соединений. Межклеточные соединения возникают в местах соприкосновения клеток в тканях и служат для межклеточного транспорта веществ и передачи сигналов (межклеточное взаимодействие), а также для механического скрепления клеток друг с другом. Через щелевые контакты могут передаваться электрические сигналы. Клетки органов и тканей вырабатывают ряд химических веществ, действующих на другие клетки (в том числе через межклеточные контакты) и вызывающих изменения в работе цитоскелета, в интенсивности обмена веществ и процессе синтеза клеткой белков.

Типы межклеточных соединений:

Плазмодесмы. Микроскопические цитоплазматические мостики, соединяющие соседние клетки растений.

Простое межклеточное соединение. При простом межклеточном соединении оболочки клеток сближены на расстояние 15 – 20 нм. Это соединение занимает наиболее обширные участки соприкасающихся клеток. Посредством простых соединений осуществляется слабая механическая связь, не препятствующая транспорту веществ в межклеточных пространствах. Разновидностью простого соединения является контакт типа «замок», когда билипидные мембраны соседних клеток вместе с участком цитоплазмы вдавливаются друг в друга, чем достигается большая поверхность соприкосновения и более прочная механическая связь.

Плотное соединение (запирающая зона). В плотном соединении клеточные мембраны максимально сближены, здесь фактически происходит их слияние. Роль плотного соединения заключается в механическом сцеплении клеток и препятствии транспорту веществ по межклеточным пространствам. Эта область непроницаема для макромолекул и ионов, она ограждает межклеточные щели от внешней среды. Плотные соединения обычно образуются между эпителиальными клетками в тех органах (желудке, кишечнике и пр.), где эпителий ограничивает содержимое этих органов (желудочный сок, кишечный сок).

Зона замыкания. В зоне замыкания две соседние мембраны сливаются своими наружными слоями, эта зона непроницаема для макромолекул и ионов.

Десмосома (пятно сцепления, липкое соединение). Десмосома представляет собой небольшую площадку, иногда слоистого вида, диаметром до 0,5 мкм. Их функциональная роль заключается главным образом в механической связи между клетками. Существуют 3 типа десмосом – точечные, опоясывающие и полудесмосомы.

 

Заключение.

Все объекты  природы являются системами. Живые  системы имеют разную степень сложности - от молекул до биосферы - и представляют в совокупности многоступенчатую иерархию уровней организации. Каждый уровень организации жизни имеет свои специфические свойства, закономерности структуры, функции, развития, приобретает новые качественные характеристики. Принципиальный качественный скачок наблюдается при переходе от макромолекулярных комплексов к клеткам - появляется качество жизни как свойство определенного уровня сложности материи. Наиболее устойчивыми живыми системами являются клетка, организм, биогеоценоз.

 

Список  литературы:

 

1. Биология. В 2 кн.: Учебник / Под ред. В.Н. Ярыгина: 2003. 5-е изд. - 432с.

 

2. Микробиология: Учебник / Гусев М.В., Минеева Л.А.: 2003. - 464с.

 

3. Биология с основами экологии: Учебник / Пехов А.П.: 2000.

 

4. Биологическая химия / Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф.: 1998. – С. 96-114.

 

5. Материалы к курсу биологической химии / Полосухина Т.Я., Аблаев Н.Р.: 1977. – C. 9-12.

 

6. Лекции по отдельным разделам биохимии / Верболович П.А, Аблаев Н.Р.: 1985. – С. 36-40.

 

7. Биохимия / Сеитов З.С.: 2000. – С. 381-424, 648-666.

 

8. Концепции современного естествознания: учеб. пособие для студ. вузов / Т. Я. Дубнищева. – 9-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 608с.