|
|
|
|
 Far |
| WinNavigator |
| Frigate |
| Norton
Commander |
| WinNC |
| Dos
Navigator |
| Servant
Salamander |
| Turbo
Browser |
|
|
| Winamp,
Skins, Plugins |
| Необходимые
Утилиты |
| Текстовые
редакторы |
| Юмор |
|
|
|
File managers and best utilites |
Реферат: Нуклеиновые кислоты. Обмен веществ и энергии в клетке:. Нуклеиновые кислоты и атф реферат
Реферат - Нуклеиновые кислоты и атф. Автор(ы): Ф. И. О
НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ И АТФ.Автор(ы): Ф.И.О.(полностью) Бабий Татьяна Митрофановна, Беликова Светлана Николаевна
Полное название образовательного учреждения: МОУ СОШ №198 г. Северск Томская область.
Предмет(ы): биология, химия
Тема: Нуклеиновые кислоты и АТФ.
Класс: 10-11 класс.
Учебно-методическое обеспечение: Презентация, карточки-задания.
Время реализации занятия: 90 минут.
Цель урока: Изучить нуклеиновые кислоты-биополимеры и АТФ. Связать строение нуклеиновых кислот и АТФ с функциями.
^ Тип урока: Интегрированный урок. Изучение нового материала.
Форма урока: урок-исследование.
ВСТУПЛЕНИЕ (учитель биологии)
Нуклеиновые кислоты – природные высокомолекулярные органические соединения, обеспечивающие хранение и передачу наследственной (генетической) информации в живых организмах.
Впервые нуклеиновые кислоты были описаны в 1869 году швейцарским биохимиком Ф.Мишером. Изучая ядра лейкоцитов входящих в состав гноя, он обнаружил новое химическое соединение, которое назвал нуклеином (от латинского nucleus – ядро). Позднее небелковая часть этого вещества была названа нуклеиновой кислотой.
Нуклеиновые кислоты были обнаружены во всех растительных и животных клетках, бактериях и вирусах. С момента открытия Ф.Мишером нуклеиновых кислот до установления их точной структуры прошло почти столетие. Открытие нуклеиновых кислот произвело настоящий переворот в представлениях о сущности жизни, о путях управления процессами обмена, о наследственности растений, животных и человека.
Появилась возможность изучения эволюции на молекулярном уровне, что позволило осознать прошлое и оценить будущее живых организмов, в том числе и человека.
Нуклеиновые кислоты являются инструментом, с помощью которого можно изменить природу, проникнуть в ее тайны. Знания о них помогают ученым предупреждать и лечить заболевания, выводить новые сорта и породы, повышать урожайность растений и производительность животных.
Во многих областях химии, биологии, сельского хозяйства и медицины понятие "нуклеиновые кислоты" является основополагающим. С ними связаны все проявления свойств живого: размножение и развитие организмов, обмен веществ, наследственность, изменчивость и т.п. (Доклады учащихся – немного из истории)
Все потрясающее разнообразие жизни на Земле связано с нуклеиновыми кислотами.
В природе существует два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая – ДНК и рибонуклеиновая – РНК. (слайд)
В настоящее время известно большое число разновидностей ДНК и РНК, отличающихся друг от друга по строению и значению в обмене веществ.
Познакомимся со строением нуклеиновых кислот. (слайд)
^ СТРОЕНИЕ ДНК (учитель химии)
ДНК – биополимер, при гидролизе которого образуются продукты различных классов органических соединений. Вспомним (слайд)
При частичном гидролизе видно, что вещества трех классов: азотистые основания, углевод, ортофосфорная кислота соединяются друг с другом и образуют нуклеотид. Нуклеотиды являются мономерами нуклеиновых кислот (слайд).
В нуклеотидах молекулы ДНК в качестве азотистых оснований присутствуют остатки аденина и гуанина – пуриновые основания и цитозина и тимина – пиримидиновые основания; углевод – остаток дезоксирибозы и остаток ортофосфорной кислоты.
Нуклеотиды связываются между собой в полинуклеотидную цепь за счет 3-его атома углерода одной молекулы и 5-ого другой молекулы углевода и ортофосфорной кислоты. Остатки азотистых оснований направлены в одну сторону (внутрь молекулы ДНК) (слайд). Полинуклеотидная цепь является первичной структурой ДНК.
Последовательность из 3-х нуклеотидов называется – триплет. Триплет кодирует одну аминокислоту. Молекула ДНК спиральная,состоит из 2-х цепей закрученных вокруг общей оси – вторичная структура ДНК.
Цепи макромолекул обращены друг к другу азотистыми основаниями. Между ними устанавливаются водородные связи. Азотистые основания соединяются между собой до принципу комплементарности (стерическое соответствие друг другу) – пуриновое основание с пиримидиновым (аденин с тимином, гуанин с цитозином) – так, что между цепями ДНК каждый раз по три цикла. Это обеспечивает равномерность в построении всей вторичной структуры ДНК (слайд)
А (аденин) — Т (тимин) Т(тимин) — А (аденин) Г(гуанин) — Ц (цитозин) Ц(цитозин) — Г (гуанин)
В качестве закрепления посмотрим видеофрагмент "Строение ДНК". При просмотре фрагмента обратите внимание на значение ДНК и частей ДНК.
Итак, ДНК несет наследственную информацию; участки ДНК – триплет (кодирует аминокислоту) и ген (кодирует белок). На молекуле ДНК таких генов может быть тысячи, значит масса ДНК значительно больше белка.
Сложное строение молекулы предполагает и сложные функции. Какова же роль ДНК в клетке?
^ ФУНКЦИИ ДНК (учитель биологии)
ДНК является носителем наследственной (генетической) информации в клетке, основой возникновения новых признаков.
ДНК состоит из отдельных участков генов. Ген – участок ДНК, содержащий информацию о синтезе одного белка.
От разнообразия белков зависит многообразие признаков организма.
Молекулы ДНК в основном находятся в ядрах клеток. Однако небольшое их количество содержится в митохондриях и хлоропластах.
При делении клеток каждая дочерняя клетка получает такую же наследственную информацию, какую имела материнская клетка. Как это происходит? Чтобы ответить на этот вопрос посмотрим процесс удвоения ДНК (слайд)
Молекула ДНК носитель информации о белках. Каким же образом эта информация передается из ядра, где в основном находятся ДНК, в цитоплазму, где происходит синтез белка? Для этого существуют другие нуклеиновые кислоты - РНК.
^ СТРОЕНИЕ РНК - РИБОНУКЛЕИНОВОЙ КИСЛОТЫ (учитель химии) (слайд)
РНК, также как и ДНК – биополимер. В чем же сходство и различие в строении этих молекул? Как и молекула ДНК, РНК – полинуклеотидная цепочка, мономером которой является нуклеотид (слайд). Сравнить отличия в составных частях нуклеотидов ДНК и РНК.
Отличия: 1) в азотистых основаниях вместо тимина (ДНК)-урацил; 2) вместо углевода – дезоксирибоза (ДНК) – рибоза.
^ ФУНКЦИИ РНК (учитель биологии)
РНК повсеместно распространены в живой природе. Они находятся во всех микроорганизмах, растительных и животных клетках и являются носителями наследственной информации во многих вирусах. С чем это связано? Почему РНК, как и ДНК присутствуют во всех клетках? Чтобы ответить на эти вопросы рассмотрим виды РНК и их роль в клетке.
Все виды РНК синтезируются на ДНК, которая служит матрицей. В клетке существуют три основных вида РНК.
Транспортная РНК (т-РНК), содержится только в цитоплазме. Молекулы т-РНК самые короткие, состоят из 80-100 нуклеотидов. Они переносят аминокислоты к месту синтеза белка. Из общего содержания РНК клетки на долю т-РНК приходится около 10%. (слайд)
Информационная РНК (и-РНК), содержится в ядре и цитоплазме. Молекулы и-РНК средней величины, переносят информацию о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка в рибосомах. На долю и-РНК приходится 0,5-1% от общего содержания РНК клетки. (слайд)
Рибосомная РНК (р-РНК), содержится в рибосомах. Молекулы р-РНК самые крупные, состоят из 3000-5000 нуклеотидов, составляют существенную часть рибосомы 50-60%. Рибосомы – центры синтеза белка, располагаются на мембранах гранулярной ЭПС. Из общего содержания РНК в клетке на долю р-РНКприходится около 90%. (слайд)
Рассмотрим еще раз значение всех видов РНК по таблице "Биосинтез белка".
Значение видов РНК можно посмотреть также на шуточной схеме "Синтез белка" (слайд)
Мы с вами познакомились с двумя видами нуклеиновых кислот – ДНК и РНК. По видеофрагментам и сообщениям ребят посмотрим, каково значение нуклеиновых кислот в медицине и народном хозяйстве. (Доклады прилагаются).
^ АТФ – аденозинтрифосфорная кислота
Строение АТФ (учитель химии)
По слайду или кодоскопу объясните, почему АТФ рассматриваем вместе с нуклеиновыми кислотами. Молекулы представляют собой нуклеотид, состоящий из аденина (азотистое основание), углевод – рибоза и три остатка ортофосфорной кислоты. Остатки ортофосфорной кислоты соединяются между собой макроэргическими связями, при разрыве которых выделяется приблизительно 40 кДж энергии (при разрыве каждой связи).
^ Значение АТФ (учитель биологии)
Таблица "Значение АТФ"
АТФ – универсальный биологический аккумулятор энергии. Световая энергия солнца и энергия, заключенная в потребляемой пище, запасается в молекулах АТФ. АТФ в основном синтезируется в митохондриях, поэтому их называют энергетическими станциями клетки. Энергию АТФ все клетки используют для процессов биосинтеза, движения, производства тепла, нервных импульсов, свечений, т.е. для всех процессов жизнедеятельности. Существуют медицинские препараты АТФ-натриевой и -кальциевой солей. Их используют при мышечной и сердечной дистрофии, нарушениях обмена веществ и питания, т.е. там, где нужна дополнительная энергия. Таким образом, АТФ – универсальный источник энергии.
^ ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА
По слайдам рассказать о строении ДНК, РНК, удвоении молекулы ДНК (по принципу комплементарности), синтез и-РНК на молекуле ДНК, виды РНК на слайде "Биосинтез белка", сравнение нуклеиновых кислот (слайд).
^ РАБОТА ПО КАРТОЧКАМ
Для того, чтобы выполнить работу по карточкам, еще раз уточним некоторые моменты по слайдам и кодоскопу.
^ ВЫВОДЫ ПО УРОКУ (учитель химии)
Итак, нуклеиновые кислоты – это биополимеры, находящиеся во всех клетках живых организмов и отвечающие за хранение, передачу и реализацию наследственной информации.
Изучение физико-химических свойств и механизмов функционирования молекул ДНК и РНК дает возможность прогнозировать вероятность возникновения и предполагаемое развитие наследственных заболеваний, подсказывает ответы по профилактике и лечению этих заболеваний. На данных о нуклеиновых кислотах работают многие направления наук, например, генная инженерия.
В организме существует единая белоксинтезирующая система. В нее входит система нуклеиновых кислот, которая представлена совокупностью ДНК и РНК– двух китов для синтеза белка (слайд)
ЛИТЕРАТУРА
М.П.Шерстнев, О.С.Комаров. Химия и биология нуклеиновых кислот. М.: Просвещение, 1990.
Общая биология. Под ред. Д.К. Беляева, А.О. Рувинского.М.: Просвещение, 1993.
Цветков Л.А. Преподавание органической химии. М.: Просвещение, 1989.
К. Вилли, В. Детье. Биология. М.: "Мир", 1975.
В.Б. Захаров, С.Г. Мамонтов, В.И. Сивоглазов. Биология (общие закономерности). М.: "Школа-Пресс", 1996.
Соросовский образовательный журнал journal.issep.rssi.ru
Скулачев В.П. Законы биоэнергетики// СОЖ 1997, №1, с. 9-14.
Скулачев В.П. Электродвигатель бактерий. // СОЖ 1998, №9, с. 2-7.
Виноградов А.Д. Преобразование энергии в митохондриях // СОЖ 1999, №9, с. 11-19.
Тихонов А.Н.Молекулярные преобразователи энергии.// СОЖ. 1997, № 7, с. 10-17.
Тихонов А.Н. Молекулярные моторы. Часть 1. Вращающиеся моторы живой клетки // СОЖ. 1999, №6, с. 8-16
В.П.Скулачев Рассказы о биоэнергетике. Серия "Эврика". М. 1982.
Мультимедийное учебное пособие «Общая биология», 10 класс, ООО «Дрофа», 2009 г.
www.ronl.ru
Нуклеиновые кислоты. Обмен веществ и энергии в клетке
Реферат
Нуклеиновые кислоты. Обмен веществ и энергии в клетке
Нуклеиновые кислоты. АТФ
Название «нуклеиновые кислоты» происходит от латинского слова «нуклеус», т. е. ядро: они впервые были обнаружены и выделены из ядер клеток. Существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновые кислоты (сокращенно — ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК). ДНК содержится почти исключительно в ядре клетки, а РНК и в ядре, и в цитоплазме. Содержание ДНК в ядрах клеток строго постоянно, содержание РНК сильно колеблется.
Биологическое значение нуклеиновых кислот очень велико. Они играют центральную роль в синтезе белков клетки. Любая клетка возникает в результате деления материнской клетки. При этом дочерние клетки наследуют свойства и признаки материнской. Свойства же и признаки клетки определяются главным образом ее белками. ДНК и РНК, как это будет показано дальше, обеспечивают синтез белков той же структуры и того же состава, которые имеются у материнской клетки.
ДНК. По своей структуре ДНК представляет своеобразное, не похожее ни на одно известное в химии соединение. На рисунке 69 видно, что молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных друг вокруг друга цепей. Ширина такой двойной спирали ДНК всего около 20 А, зато длина ее исключительно велика. Она может достигнуть нескольких десятков и даже сотен микрометров. Для того чтобы оценить эту величину, учтем, что длина самой крупной белковой молекулы (в развернутом состоянии) не превышает 0,1 мкм. Таким образом, длина молекулы ДНК в сотни и тысячи раз больше самой крупной белковой молекулы. Молекулярный вес ДНК гигантски велик: он составляет десятки и даже сотни миллионов. Эти цифры относятся к двойной спирали. На каждую цепь приходится половина веса.
С химической стороны каждая цепь ДНК — полимер, мономерами которого являются так называемые нуклеотиды. Для того чтобы представить себе, что такое нуклеотид, из которой видно, что нуклеотид является продуктом химического соединения трех разных веществ: азотистого основания, простого углевода (пентозы) и фосфорной кислоты.
В состав ДНК входят четыре разных типа нуклеотидов. Они различаются между собой только по структуре азотистого основания, остальная часть их молекул у всех нуклеотидов одинакова. Нуклеотиды поэтому и называют по содержащемуся в них азотистому основанию. Углевод, содержащийся во всех нуклеотидах ДНК, называется дезоксирибозой.
| Авотистое основание | Название нуклеотида | Обозначение |
| Аденин | Адениновый | А |
| Гуанин | Гуаниновый | Г |
| Тимин | Тиминовый | Т |
| Цитозин | Цитозиновый | Ц |
Сцепление нуклеотидов между собой, когда они соединяются в цепь ДНК, происходит через фосфорную кислоту и дезоксирибозу. За счетгидроксила фосфорной кислоты одного нуклеотида и гидроксила дезоксирибозы соседнего нуклеотида выделяется молекула воды и остатки нуклеотидов соединяются прочной ковалентной связью. Из двух нуклеотидов получается динуклеотид, из трех нуклеотидов — тринуклеотид, из многих — полинуклеотид. Каждая цепь ДНК и представляет собой полинуклеотид, т. е. длинную цепь, в которой в строго определенном и для каждой ДНК всегда постоянном порядке следуют нуклеотиды. Достаточно переставить хотя бы один нуклеотид — и возникнет новая структура, с новыми свойствами. Произведем несложный подсчет. Молекулярная масса одного нуклеотида в среднем равна 330. Молекулярную массу одной цепи ДНК примем равной 10 "млн. Отсюда следует, что такая цепь состоит из 30 000 нуклеотидов. Хотя в строении ДНК участвуют всего 4 нуклеотида, но при таком огромном их числе, входящем в каждую цепь ДНК, нетрудно представить себе, какое гигантское число изомеров ДНК может существовать.
Познакомимся теперь, как располагаются друг относительно друга цепи ДНК, когда образуется спираль, и какие силы удерживают цепи между собой.
На рисунке 72 изображен небольшой участок двойной спирали ДНК. Азотистые основания одной цепи располагаются точно против азотистых оснований другой. Обратите внимание: в расположении противолежащих нуклеотидов нет ничего случайного: против А одной цепи оказывается всегда Т на другой цепи, а против Г только Ц на другой. Никаких других вариантов не бывает. Объясняется это тем, что в А и Т, так же как в Г и Ц, края молекул азотистых оснований соответствуют друг другу геометрически (как две половинки разбитого стекла), поэтому они могут тесно сблизиться друг с другом и образовать между собой водородные связи. При этом между Г и Ц образуются 3 водородные связи, а между А и Т только 2. Связь Г—Ц, таким образом, более прочная, чем А—Т. Понятно теперь, почему говорит, что в паре А—Т, а также в паре Г—Ц один нуклеотид дополняет другой. Слово «дополнение» на латинском языке — «комплемент». Принято поэтому говорить, что Г является комплементарным нуклеотидом к Ц, а Ц — комплементарным к Г; А — комплементарен к Т, и наоборот, Т комплементарен к А. Если на каком-нибудь участке цепи ДНК следуют один за другим нуклеотиды: А, Г, Г, Ц, Т, А, Ц, Ц, то на противолежащем участке другой цепи окажутся комплементарные к ним нуклеотиды: Т, Ц, Ц, Г, А, Т, Г, Г. Таким образом, если известен порядок следования нуклеотидов в одной цепи, то по принципу комплементарности сразу же выясняется порядок следования нуклеотидов в другой цепи.
Слабые связи, повторенные многократно, дают прочное соединение. Двойная спираль ДНК, «прошитая» многочисленными «слабыми» водородными связями, образует структуру, с одной стороны, достаточно устойчивую, а с другой стороны, подвижную: она легко раскручивается и легко восстанавливает свою двутяжевую структуру. Почти вся ДНК содержится в ядре клетки. Содержание ДНК в ядрах отличается постоянством. В ядре любой клетки человека (кроме половых) содержится 6,6X10-12 гДНК, в ядрах половых клеток ДНК ровно вдвое меньше – 3.3x10-12 г.
Редупликация ДНК
Принцип комплементарности, лежащий в основе структуры ДНК, позволяет понять, как синтезируются новые молекулы ДНК при делении клетки.
Этот синтез основан на замечательной способности молекулы ДНК к удвоению и лежит в основе передачи наследственных свойств от материнской клетки к дочерним. Процесс удвоения молекул ДНК происходит в клетке незадолго перед ее делением.
Спиральная двутяжевая цепь ДНК начинает с одного конца расходиться, и на каждой цепи из находящихся в окружающей среде свободных нуклеотидов собирается новая цепь. Сборка новой цепи идет в точном соответствии с принципом комплементарности. Против каждого А встает Т, против Г — Ц и т. д. В результате вместо одной молекулы ДНК возникают две молекулы такого же точно нуклеотидного состава, как и первоначальная. Этот процесс называется редупликацией, т. е. удвоением. Одна цепь в каждой вновь образовавшейся молекуле ДНК происходит из первоначальной молекулы, а другая синтезируется вновь.
Синтез ДНК представляет собой ферментативный процесс. Он осуществляется в результате деятельности фермента ДНК — полимеразы. ДНК только задает порядок расположения нуклеотидов, а процесс редупликации осуществляет белок- Предполагается, что фермент как бы ползет вдоль длинной двутяжевой молекулы ДНК от одного конца до другого и позади себя оставляет раздвоенный «хвост».
РНК. Существует несколько разных РНК- Они носят название в зависимости от выполняемой в клетке функции. Один вид РНК называется транспортные РНК (т-РНК), так как они транспортируют аминокислоты к месту синтеза белка. Другие РНК называются информационными (и-РНК): эти РНК переносят информацию о структуре белка, который должен синтезироваться.
Структура РНК очень сходна со структурой ДНК, однако есть и отличия. В структуре РНК нет двойной спирали, по своему строению она сходна с одной из цепей ДНК- РНК, как и ДНК, — полимер. Ее мономерами, так же как и у ДНК, служат нуклеотиды. Нуклеотиды РНК близки, хотя и не тождественны, нуклеотидам ДНК. Так же как и нуклеотиды ДНК, нуклеотиды РНК состоят из остатков азотистого основания, пентозы и фосфорной кислоты. Азотистые основания в трех нуклеотидах РНК такие же, как у ДНК (аденин, гуанин и цитозин). В четвертом нуклеотиде вместо тимина присутствует очень близкий к нему по строению урацил, и нуклеотид называется урациловым (У). Нуклеотиды РНК отличаются от нуклеотидов ДНК и по характеру углевода: в нуклеотидах ДНК углеводом является дезок-сирибоза, а в РНК — рибоза. Характер соединения нуклеотидов при образовании цепей РНК такой же, как при образовании цепей ДНК: нуклеотиды сцепляются друг с другом ковалентными связями между рибозой одного нуклеотида и фосфорной кислотой соседнего.
Как уже сказано, существует несколько типов РНК. Т-РНК имеют самые короткие молекулы, их молекулярная масса всего 25—30 тыс. И-РНК по размерам гораздо больше, чем т-РНК. Их молекулярная масса колеблется от 100 000 до 1000 000. Содержание РНК в клетке непостоянно. Оно сильно увеличивается, когда в клетках происходит интенсивный синтез белка.
АТФ. Это сокращенное название аденозинтрифосфорной кислоты. АТФ содержится в каждой клетке животных и растений. Количество АТФ колеблется и в среднем составляет 0,04% (на сырую массу клетки). Наибольшее количество АТФ содержится в скелетных мышцах — 0,2—0,5%. По химической структуре АТФ является нуклеотидом, и, как у всякого нуклеотида, в ней имеется азотистое основание (аденин), пентоза (рибоза) и фосфорная кислота. Однако в части, содержащей фосфорную кислоту, молекула АТФ имеет существенные отличия от обычных нуклеотидов. У нее в этой части сконденсированы три молекулы фосфорной кислоты (рис. 74). Это очень неустойчивая структура. Самопроизвольно, а особенно легко под влиянием фермента в АТФ разрывается связь между Р и О, и к f освободившимся связям присоединяется одна или две молекулы воды, причем отщепляется одна или две молекулы фосфорной кислоты. Если отщепляется одна молекула фосфорной кислоты, то АТФ переходит в АДФ, т. е. в аденозиндифосфорную кислоту; если же отщепляются две молекулы фосфорной кислоты, то АТФ переходит в АМФ, т. е. в аденозинмонофосфорную кислоту. Реакция отщепления каждой молекулы фосфорной кислоты от АТФ сопровождается большим энергетическим эффектом, а именно отщепление одной грамм-молекулы фосфорной кислоты сопровождается освобождением почти 40 кдж (10 000 кал). Это очень большая величина. Все другие экзотермические реакции клетки сопровождаются значительно меньшим выходом Энергии. Самые эффективные из них дают не более 8—10 кдж (2000—2500 кал). Чтобы под черкнуть такую особенно высокую энергетическую эффективность фосфорнокислородной связи в АТФ, ее называют связью, богатой энергией, или макроэргической связью, и наличие такой связи обозначают не черточкой, как обычно, а знаком. В АТФ имеются две макроэргические связи.
Значение АТФ в жизни клетки очень велико. Как мы увидим дальше, она играет центральную роль в клеточных превращениях энергии. АТФ в реакциях, как правило, теряет одну молекулу фосфорной кислоты и переходит в АДФ. Из АДФ же путем присоединения фосфорной кислоты снова синтезируется АТФ. Понятно, что эта реакция идет с поглощением энергии (40 кдж, или 10 000 кал) на грамм-моль.
1.Обмен веществ и энергии в клетке
Для химических реакций, протекающих в клетке, характерны величайшая организованность и упорядоченность: каждая реакция протекает в строго определенном месте. Молекулы ферментов расположены в один слой на внутренних структурах — мембранах митохондрий и эндоплазматической сети, выстилая их, как кафель стенку. При этом местоположение ферментов не случайно: они расположены в том порядке, в котором идут реакции. Мембраны клетки, выстланные молекулами ферментов, представляют своего рода «каталитический конвейер», на котором с исключительной точностью осуществляются химические реакции.
Пластический и энергетический обмен (ассимиляция и диссимиляция). В клетке обнаружена примерно тысяча ферментов. С помощью этого мощного каталитического аппарата осуществляется сложнейшая и многообразная химическая деятельность. Из громадного числа химических реакций клетки выделяются два противоположных по характеру типа реакций. Первый из них представляет реакции синтеза. В клетке постоянно идут процессы созидания. Из простых веществ образуются более сложные, из низкомолекулярных — высокомолекулярные. Синтезируются белки, сложные углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты. Синтезированные вещества используются для построения разных частей клетки, ее органоидов, секретов, ферментов, запасных веществ. Синтетические реакции особенно интенсивно идут в растущей клетке, но и у вполне взрослой, т. е. закончившей рост и развитие, клетки постоянно происходит синтез веществ для замены молекул, израсходованных и износившихся в процессе функционирования или разрушенных при повреждении. На место каждой разрушенной молекулы белка или какого-нибудь другого вещества встает новая молекула. Таким путем клетка сохраняет постоянной свою форму и химический состав, несмотря на непрерывное их изменение в процессе жизнедеятельности.
Синтез веществ, идущий в клетке, называется биологическим синтезом или сокращенно биосинтезом.
Все реакции биосинтеза идут с поглощением энергии.
Совокупность реакций биосинтеза называется пластическим обменом или ассимиляцией. Первое слово происходит от греческого «пластикос», что значит скульптурный. Так же как скульптор из глины или мрамора лепит (высекает) изваяние, так из веществ, синтезированных в процессе биосинтеза, клетка создает свое тело. Второе слово (ассимиляция) происходит от латинского «симилис» (сходный, подобный). Смысл этого термина состоит в том, что поступающие в клетку из внешней среды пищевые вещества, резко отличающиеся от веществ клетки, в результате химических превращений становятся подобными веществам клетки.
Второй тип химических реакций клетки — реакции расщепления. Сложные вещества распадаются на более простые, высокомолекулярные — на низкомолекулярные. Белки распадаются на аминокислоты, крахмал — на глюкозу. Эти вещества расщепляются на еще более низкомолекулярные соединения, и в конце концов образуются совсем простые, бедные энергией вещества: СО2и Н2О. Реакции расщепления в большинстве случаев сопровождаются выделением энергии. Биологическое значение этих реакций состоит в обеспечении клетки энергией, необходимой для ее деятельности. Любая форма активности — движение, секреция, биосинтез и др. — нуждается в затрате энергии, которая черпается из энергии, освобождаемой в результате химических реакций расщепления.
Совокупность реакций расщепления называется энергетическим обменом клетки или диссимиляцией. Диссимиляция прямо противоположна ассимиляции: в результате расщепления вещества утрачивают сходство с веществами клетки.
Пластический и энергетический обмены (ассимиляция и диссимиляция) находятся между собой в неразрывной связи. Связь эта состоит в том, что, с одной стороны, реакции биосинтеза нуждаются в затрате энергии, которая черпается из реакций расщепления. С другой стороны, для осуществления реакций энергетического обмена необходим постоянный биосинтез обслуживающих эти реакции ферментов, так как в процессе своей работы они изнашиваются и разрушаются.
Обмен веществ и энергии
Сложные системы реакций, составляющие процесс пластического и энергетического обмена, тесно связаны не только между собой, но и с внешней средой. Из внешней среды в клетку поступают пищевые вещества, которые служат материалом для реакций пластического обмена, а в реакциях расщепления из них освобождается энергия, необходимая для функционирования клетки. Во внешнюю же среду, выделяются продукты, которые клеткой более не могут быть использованы.
Совокупность всех ферментативных реакций клетки, т. е. совокупность пластического и энергетического обменов (ассимиляции и диссимиляции), связанных между собой и с внешней средой, называется обменом веществ и энергии. Этот процесс является основным условием поддержания жизни клетки, источником ее роста, развития и функционирования.
АТФ как единое и универсальное энергетическое вещество. Любое проявление жизнедеятельности, любая функция клетки требуют затраты энергии. Энергия нужна для движения, для биосинтетических реакций и различных других форм клеточной активности.
Каким же образом энергия реакций расщепления используется клеткой для различных ее функций?
Любая деятельность клетки всегда точно совпадает во времени с распадом АТФ.
При усиленной, но кратковременной работе, например при беге на короткую дистанцию, мышца работает почти исключительно за счет содержащейся в ней АТФ. При усиленной секреции в секреторных клетках также идет интенсивное расщепление АТФ. При синтезе сложных веществ, например при синтезе сложных углеводов или белка, одновременно с синтетической реакцией идет распад АТФ. Отсюда следует, что непосредственным источником энергии и для сокращения мышц, и для секреции, и для синтеза сложных соединений в клетке является энергия, освобождающаяся при расщеплении АТФ. Так как запас АТФ в клетке ограничен, то ясно, что после распада АТФ' должно произойти ее восстановление. Так оно в действительности и происходит. В этом и заключается биологический смысл остальных реакций энергетического обмена. Функция этих реакций одна: их энергия используется для восполнения убыли АТФ. Понятно поэтому, что при длительной работе содержание АТФ в клетке существенно не изменяется. Это объясняется тем, что реакции расщепления углеводов и других веществ обеспечивают быстрое и полное восстановление израсходованной АТФ. Таким образом, АТФ — единый и универсальный источник энергии для функциональной деятельности клетки. Отсюда понятно, что возможна передача энергии из одних частей клетки в другие. Синтез АТФ может происходить в одном месте клетки и в одно время, а использоваться она может в другом месте и в другое время. Синтез АТФ в основном происходит в митохондриях клетки. Образовавшаяся здесь АТФ по каналам эндоплазматической сети направляется в те места клетки, где возникает потребность в энергии.
Три этапа энергетического обмена. Для изучения энергетического обмена клетки его удобно разделить на 3 последовательных этапа. Рассмотрим эти этапы на примере животной клетки.
Первый этап подготовительный. На этом этапе крупные молекулы углеводов, жиров, белков, нуклеиновых кислот распадаются на небольшие молекулы: из крахмала образуется глюкоза, из жиров — глицерин и жирные кислоты, из белков — аминокислоты, из нуклеиновых кислот — нуклеотиды. Распад веществ на этом этапе сопровождается незначительным энергетическим эффектом. Вся освобождающаяся при этом энергия рассеивается в виде тепла.
Второй этап энергетического обмена называется без кислородным или неполным. Вещества, образовавшиеся в подготовительном этапе, — глюкоза, глицерин, органические кислоты, аминокислоты и др. — вступают на путь дальнейшего распада. Это сложный, многоступенчатый процесс. Он состоит из ряда следующих одна за другой ферментативных реакций. Ферменты, обслуживающие этот процесс, расположены на внутриклеточных мембранах правильными рядами. Вещество, попав на первый фермент этого ряда, передвигается, как на конвейере, на второй фермент, далее на третий и т. Д. Это обеспечивает быстрое и эффективное течение процесса. Разберем его на примере без кислородного расщепления глюкозы, которое имеет специальное название — гликолиза. Гликолиз представляет собой совокупность более десятка последовательных ферментативных реакций. В нем принимают участие 13 ферментов и образуются 12 промежуточных веществ. Не останавливаясь на отдельных реакциях гликолиза, укажем, что на первую ступень ферментного конвейера вступает глюкоза, а с последней сходят две молекулы молочной кислоты. Суммарное уравнение гликолиза должно быть записано так:
C6h22O6= 2C3H6O3
Глюкоза Молочная кислота
Процесс гликолиза происходит у всех животных клеток и у некоторых микроорганизмов. Всем известное молочнокислое брожение (при скисании молока) вызывается молочнокислыми грибками и бактериями. По механизму оно вполне тождественно гликолизу. Спиртовое брожение тоже сходно с гликолизом. Большая часть реакций гликолиза и брожение совпадают полностью. Различие состоит лишь в заключительной стадии: при гликолизе процесс заканчивается образованием молочной кислоты, а при брожении добавляется еще одно звено. Из молочной кислоты под влиянием фермента, содержащегося в дрожжах, выделяется СО2и образуется этиловый спирт:
C3H6O3= CO2+ C2H5OH
Таким образом, суммарное уравнение спиртового брожения должно быть записано так:
C6h22O6= 2CO2+ 2C2H5OH
Глюкоза Этиловый спирт
Как видно из уравнений гликолиза и брожения, в этих процессах кислород не участвует, почему они и называются без кислородными процессами. Вполне ясно также, почему эти процессы называются неполными: полным расщеплением глюкозы будет разрушение ее до конца, т. е. превращение ее в простейшие соединения (СО2и Н2О), что соответствует уравнению:
C6h22O6+ 6O2= 6CO2+ 6h3O
Почти все промежуточные реакции при без кислородном расщеплении глюкозы идут с освобождением энергии. Каждая отдельная реакция дает небольшой выход энергии, а в сумме получается немалая величина: расщепление одной грамм-молекулы глюкозы (180 г) на две грамм-молекулы молочной кислоты дает почти 200 кдж (50 000 кал). Если бы энергия, освобождающаяся при превращении глюкозы в молочную кислоту, освободилась сразу, в результате одной реакции, то это привело бы к опасному перегреву и повреждению клетки. Разделение же процесса на ряд промежуточных звеньев обусловливает постепенное выделение энергии, что предохраняет клетку от теплового повреждения.
Процесс гликолиза идет только в присутствии АТФ и АДФ, так как оба эти нуклеотида являются обязательными участниками происходящих реакций. АТФ необходима в начале гликолиза, АДФ — в конце. АТФ фосфорилирует глюкозу: передавая глюкозе остаток фосфорной кислоты, АТФ при этом переходит в АДФ. АДФ обеспечивает обратный процесс: дефосфорилирование промежуточных продуктов гликолиза. Присоединяя остаток фосфорной кислоты, АДФ превращается в АТФ. В конце гликолиза АТФ всегда образуется больше, чем ее тратится в начале. В ходе расщепления одной молекулы глюкозы происходит образование двух новых молекул АТФ. Таким образом, в итоге процесса гликолиза АТФ всегда накапливается.
Так как синтез АТФ представляет эндотермический процесс, то очевидно, что энергия для синтеза АТФ черпается за счет энергии реакций без кислородного расщепления глюкозы. Следовательно, энергия, освобождающаяся в ходе реакций гликолиза, не вся переходит в тепло. Часть ее идет на синтез двух богатых энергией фосфатных связей.
Произведем несложный расчет: всего в ходе без кислородного расщепления грамм-молекулы глюкозы освобождается 200 кдж (50 000 кал). На образование одной связи, богатой энергией, при превращении грамм-молекулы АДФ в АТФ затрачивается 40 кдж (10 000 кал). Входе без кислородного расщепления образуются две такие связи. Таким образом, в энергию двух грамм-молекул АТФ переходит 2x40 = 80кдж (2X10 000 = 20 000 кал). Итак, из 200 кДж (50 000 кал) только 80 (20 000) сберегаются в виде АТФ, а 120 (30 000) рассеиваются в виде тепла. Следовательно, в ходе без кислородного расщепления глюкозы 40% энергии сберегается клеткой.
Третий этап энергетического обмена — стадия кислородного, или полного, расщепления, или дыхания. Продукты, возникшие в предшествующей стадии, окисляются до конца, т. е. до СО2и Н2О.
Основное условие осуществления этого процесса — наличие в окружающей среде кислорода и поглощение его клеткой. Стадия кислородного расщепления, как и предыдущая стадия без кислородного расщепления, представляет собой ряд последовательных ферментативных реакций. Каждая реакция катализируется особым ферментом.
Весь ферментативный ряд кислородного расщепления сосредоточен в митохондриях, где ферменты расположены на мембранах правильными рядами. Сущность каждой из реакций состоит в окислении органической молекулы, которая с каждой ступенью постепенно разрушается и превращается в конечные продукты окисления: СО2и Н2О.
Все промежуточные реакции кислородного расщепления, как и промежуточные реакции без кислородного процесса, идут с освобождением энергии. Количество энергии, освобождаемой на каждой ступени при кислородном процессе, однако, много больше, чем на каждой ступени без кислородного процесса. В сумме кислородное расщепление дает громадную величину — 2600 кдж (650 000 г-кал) (на две грамм-молекулы молочной кислоты). Если бы при расщеплении содержащейся в клетке молочной кислоты вся энергия освободилась в результате одной реакции, клетка подверглась бы тепловому повреждению. При рассредоточении же процесса на ряд промежуточных звеньев такой опасности нет.
Подробное исследование стадии кислородного расщепления показало, что в ней, как и в без кислородном процессе, происходит образование АТФ из АДФ. В ходе кислородного расщепления двух молекул молочной кислоты синтезируются 36 молекул АТФ, т. е. 36 богатых энергией фосфатных связей.
Теперь должно быть ясным значение третьей стадии энергетического обмена — кислородного расщепления молочной кислоты. Если в ходе без кислородного расщепления освобождается 200 кдж (50 000 кал) (на моль глюкозы), то в стадии кислородного расщепления освобождается еще 2600 кдж (650 000 кал) Если в ходе без кислородного процесса синтезируются две молекулы АТФ, то в процессе кислородного расщепления синтезируется еще 36 молекул АТФ. Иными словами, на стадии кислородного расщепления образуется свыше 90% энергии, получаемой клеткой в процессе расщепления глюкозы.
Займемся снова расчетом. Всего в процессе расщепления глюкозы до СО2и Н2О, т. е. в ходе процессов без кислородного и кислородного расщепления, синтезируется 2 + 36=38 молекул; АТФ. Таким образом, в потенциальную энергию АТФ переходит 38X40=1520 кдж (38x10 000 = 380 000 кал). Всего же при расщеплении глюкозы (в без кислородную и кислородную стадии), освобождается 200 + 2600 = 2800 кдж (50 000 + 650 000=700 000 кал). Следовательно, почти 55% всей энергии, освобождаемой при расщеплении глюкозы, сберегается клеткой в форме АТФ. Остальная часть (45%) рассеивается в виде тепла. Чтобы оценить значение этих цифр, вспомним, что в паровых машинах из энергии, освобождаемой при сгорании угля, в полезную форму преобразуется не более 12—15%. В лучших турбинах этот процент повышается до 20—25. В двигателях внутреннего сгорания/ он достигает примерно 35%. Таким образом, по эффективности: преобразования энергии живая клетка превосходит все известные преобразователи энергии в технике.
При сопоставлении количества энергии, освобождаемой в ходе без кислородного и кислородного расщепления глюкозы, а также числа молекул АТФ, синтезируемых в обе стадии, что кислородный процесс несравненно более эффективен, чем без кислородный. В стадии без кислородного расщепления освобождается примерно 1/20 часть энергии, освобождающейся при кислородном процессе. Вполне понятно поэтому, что в нормальных условиях для мобилизации энергии в клетке всегда используется как без кислородный, так и кислородный путь расщепления. Если осуществление кислородного процесса затруднено или вовсе невозможно, например при недостатке кислорода, тогда для поддержания жизни остается только без кислородный процесс. Но при этом для получения АТФ в количестве, необходимом для жизнедеятельности, клетке приходится расщеплять очень большое количество глюкозы.
Дыхание и горение
Расщепление органических веществ, происходящее в клетке, часто сравнивают с горением: в обоих случаях происходит поглощение кислорода и выделение продуктов окисления — СО2и Н2О. Однако состав продуктов горения неопределенный и непостоянный, он меняется в зависимости от соотношения окисляемого вещества и кислорода, зависит от температуры и других условий. Дыхание же происходит в результате высокоупорядоченного процесса, ряда последовательных ферментативных реакций. Образование CO2при горении происходит в результате прямого присоединения кислорода к углероду, а при биологическом окислении CO2возникает путем расщепления органических кислот под влиянием ферментов.
Таким образом, вполне ясно, что между процессами горения и биологического окисления существует глубокое, принципиальное различие. Дыхание же происходит в результате высокоупорядоченного процесса, ряда последовательных ферментативных реакций. Образование СОг при горении происходит в результате прямого присоединения кислорода к углероду, а при биологическом окислении СО2возникает путем расщепления органических кислот под влиянием ферментов.
Таким образом, вполне ясно, что между процессами горения и биологического окисления существует глубокое, принципиальное различие.
Список литературы
1. Азимов А. Краткая история биологии. М.,1997.
2. Кемп П., Армс К. Введение в биологию. М.,2000.
3. Либберт Э. Общая биология. М.,1978 Льоцци М. История физики. М.,2001.
4. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. Учебное пособие. М.,1999.
5. Небел Б. Наука об окружающей среде. Как устроен мир. М.,1993.
superbotanik.net
Реферат - Нуклеиновые кислоты - Разное
ТЕМА: "Нуклеиновые кислоты. Сравнительная характеристика ДНК и РНК. АТФ."Учебная цель:
- углубление и обобщение знаний о строении и значении нуклеиновых кислот.
-формирование знаний об энергетическом веществе клетки – АТФ
Студент должен
Знать: Нуклеиновые кислоты. ДНК - химический состав, строение, удвоение ДНК, биологическая роль. РНК, АТФ - структура, синтез, биологические функции.
Уметь: составлять схемы цепочек ДНК и РНК по принципу комплементарности.
^ Задачи урока:
Образовательные: ввести понятие нуклеиновых кислот, раскрыть особенности их состава и строения, функций, познакомить с азотистыми основаниями и пространственной организацией ДНК и РНК, основными видами РНК, определить черты сходства и различия между РНК и ДНК, сформировать понятие об энергетическом веществе клетки – АТФ, изучить строение и функции этого вещества.
Развивающие: развивать умения сравнивать, оценивать, составлять общую характеристику нуклеиновых кислот, развитие воображения, логическое мышление, внимание и память.
Воспитывающие: воспитывать дух соревнования, коллективизма, точность и быстроту ответов; осуществлять эстетическое воспитание, воспитание правильного поведения на уроке, профориентация.
^ Вид занятий - комбинированный урок - 80 минут,
Методы и методические приемы: рассказ с элементами беседы, демонстрация.
Оборудование: рисунки учебника, таблицы, модель ДНК, доска.
Оснащение занятий:
- тестовые задания;
- карточки для индивидуального опроса.
^ ПЛАН - ХРОНОКАРТА ЗАНЯТИЯ
(комбинированный урок).
№
Наименование структурного элемента
Ориентировочное время
1.
Организационный момент
1 мин.
2.
Контроль уровня знаний
25 мин.
3.
Сообщение темы
1 мин.
4.
Изложение нового материала
35 мин.
5.
Обобщение и систематизация полученных знаний
2 мин.
6.
Закрепление нового материала
15 мин.
7.
Заключительная часть
1 мин.
Итого:80 мин.
^ ХОД ЗАНЯТИЯ.
1 .Организационная часть:
- проверка присутствующих;
- проверка аудитории и группы к занятию;
- запись в журнале.
2.Контроль уровня знаний:
- тестовый контроль:
Белки, углеводы, липиды
Вариант I
1. Полимеры – это...
2. Углеводы образованы атомами:
а) углерода, водорода, азота;б) углерода, кислорода, азота;в) углерода, водорода, кислорода.
3. К углеводам (1 – моносахаридам, 2 – дисахаридам, 3 – полисахаридам) относятся:
А. Сахароза, лактоза, мальтоза. В. Глюкоген, крахмал, целлюлоза. С. Фруктоза, глюкоза.
4. Углеводы в клетке выполняют функции:
а) структурную, энергетическую, каталитическую, запасающую;б) каталитическую, энергетическую, сигнальную, запасающую;в) структурную, энергетическую, транспортную, запасающую;г) структурную, энергетическую, сигнальную, запасающую.
5. Липиды образованы атомами:
а) углерода, водорода, азота;б) кислорода, водорода, азота;в) углерода, водорода, кислорода.
6. Липиды растворяются в:
а) эфире, воде, хлороформе;б) эфире, воде, бензоле;в) эфире, хлороформе, бензоле.
7. Липиды в клетке выполняют функции:
а) транспортную, энергетическую, запасающую, термоизоляционную;б) структурную, транспортную, энергетическую, сигнальную, термоизоляционную;в) транспортную, информационную, энергетическую, запасающую, сигнальную;г) структурную, энергетическую, запасающую, сигнальную, термоизоляционную.
^ 8. Мономерами белков являются: а) угольная кислота; б) аминокислота;в) глюкоза;г) нуклеотид;д) фосфорная кислота.
9. Свойства белков определяются:
а) количеством аминокислот в белке;б) длиной цепи белковой молекулы;в) последовательностью аминокислот в белке.
10. Вторичная структура белка представляет собой:
а) спираль с разным расстоянием между витками;б) двойную спираль;в) спираль, свернутую в клубок;г) одинарную спираль.
11. Четвертичная структура белка – это...
12. Первичная структура белка образована связями: а) пептидными;б) водородными;в) гидрофобными.
Ответ: 2-в, 3-1 С, 2 А, 3 В, 4-г, 5-в, 6-в, 7-г, 8-б, 9-в, 10-г, 12-а.
Белки, углеводы, липиды
Вариант II
1. Органическими веществами называются...
2. Химические элементы, преобладающие в живой природе:а) С, Н, О, N; б) С, Н, О, Si; в) С, О, N, Аl; г) С, Н, О, N, Mg д) С, Н, О, Fe
3. В каких клетках содержится больше углеводов?
а) В растительных
б) В животных
в) Одинаковое количество в тех и в других клетках.
4. Какими свойствами обладают полисахариды?
а) Хорошо растворимы в воде, сладкие на вкус.
б) Плохо растворимы в воде, сладкие на вкус?
в) Теряют сладкий вкус и способность растворяться в воде.
5. Основные биологические функции углеводов.
а) Защитная
б) Энергетическая и строительная.
в) Энергетическая и защитная.
6. Какое свойство липидов лежит в основе энергетической функции?
а) Гидрофобность
б) Плохая теплопроводность
в) Окисление жиров.
7. Если вам дано 2 вещества и сказано, что одно из них глюкоза, а другое крахмал, каким из способов вы абсолютно точно сможете установить, где у вас глюкоза, а где крахмал?
а) По запаху
б) По растворимости в воде.
в) По цвету.
8. Напишите общую формулу углеводов.
9. Какие из перечисленных ниже углеводов характерны для животных организмов:
а) сахароза; б) лактоза; в) глюкоза; г) галактоза; д) рибоза; е) фруктоза;
ж) крахмал; з) гликоген; и) клетчатка; к) хитин.
10. Из предыдущего списка выпишите полисахариды, которые характерны для растений.
11. Отметьте из списка функций те, которые могут выполнять и углеводы, и липиды:
а) структурная;б) энергетическая;в) запасающая;г) защитная;д) регуляторная;е) источник воды.
12. Химические реакции в клетке не могут идти без: а) белков;б) липидов; в) углеводов;г) ферментов.
Ответы: 2 -а; 3-а; 4 -в; 5-б; 6-в; 7-б, 9-в,з,к; 10-а,в,е,ж,и; 11-а,б,в; 12-г.
3.Сообщение темы.
4.Изложение нового материала.
^ План изложения материала:История изучения нуклеиновых кислот.Строение и функции.Состав, нуклеотиды.Принцип комплементарности.Структура ДНК.Функции.Репликация ДНК.РНК – состав, строение, виды, функции.АТФ – строение и функции.
ДНК
Какое вещество является носителем наследственной информации? Какие особенности его строения обеспечивают многообразие наследственной информации и ее передачу?
В апреле 1953 года великий датский физик Нильс Бор получил письмо от американского ученого Макса Дельбрюка, где он писал:"Потрясающие вещи происходят в биологии. Мне кажется, что Джеймс Уотсон сделал открытие, сравнимое с тем, что сделал Резерфорд в 1911 году (открытие атомного ядра)".
Джеймс Дьюи Уотсон родился в США в 1928 году. Еще студентом Чикагского университета он занялся самой актуальной тогда проблемой в биологии - ролью генов в наследственности. В 1951 году, приехав на стажировку в Англию, в Кембридж, он знакомится с Френсисом Криком.
Френсис Крик почти на 12 лет старше Уотсона. Он родился в 1916 году и по окончании Лондонского колледжа работал в Кембриджском университете.
В конце 19 века известно, что в ядре находятся хромосомы и они состоят из ДНК и белка. Знали, что ДНК передает наследственную информацию, но главное оставалось тайной. Как же работает такая сложная система? Решить эту задачу можно было, только узнав устройство загадочной ДНК.
Уотсон и Крик должны были придумать такую модель ДНК, которая соответствовала бы рентгеновской фотографии. Моррису Уилкинсу удалось “сфотографировать” молекулу ДНК с помощью рентгеновских лучей После 2-х лет кропотливой работы ученые предложили изящную и простую модель ДНК Потом еще 10 лет после этого открытия ученые разных стран проверяли догадки Уотсона и Крика и, наконец, вердикт был вынесен: “Все верно, ДНК устроена именно так!” Уотсон, Крик и Моррис Уилкинс получили за это открытие в 1953 году Нобелевскую премию.
ДНК - полимер.
Актуализация знаний: Что такое полимер?
Что такое мономер?
Мономерами ДНК являются нуклеотиды, которые состоят из:
Азотистого основания
Сахара дезоксирибозы
Остатка фосфорной кислоты
Зарисовать схему нуклеотида на доске.
В молекуле ДНК обнаружены различные азотистые основания:
Аденин (А), обозначим это азотистое основание
Тимин (Т), обозначим это азотистое основание
Гуанин (Г), обозначим это азотистое основание
Цитозин (Ц), обозначим это азотистое основание
Вывод, что нуклеотидов - 4, и они отличаются только азотистыми основаниями.
Цепочка ДНК состоит из чередующихся нуклеотидов, связанных ковалентной связью: сахар одного нуклеотида и остаток фосфорной кислоты - другого нуклеотида. В клетке обнаружено не просто ДНК, состоящее из одной нити, а более сложное образование. В этом образовании две нити нуклеотидов связанные азотистыми основаниями (водородными связями) по принципу комплементарности.
Можно предположить, что получающаяся цепочка ДНК сворачивается в спираль из-за разного количества водородных связей между азотистыми основаниями разных цепочек и таким образом принимает самую выгодную форму. Такая структура достаточно прочная, разрушить ее трудно. И, тем не менее, это происходит в клетке регулярно.
В качестве вывода составляется опорный конспект:
^ НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ
ПОЛИМЕРЫ
ДНК - двойная спираль
Крик, Уотсон -1953,
Нобелевская премия
комплементарность
Функции:
Хранение наследственной информации
Воспроизведение наследственной информации
Передача наследственной информации
РНК
Рибонуклеиновая кислота (РНК), также линейный полимер, но гораздо более короткий. Основания РНК комплементарны основаниям ДНК, но в молекуле РНК однооснование – тимин (Т) – заменено на урацил (У) и вместо дезоксирибозы использована просто рибоза, имеющая на один атом кислорода больше. Кроме того, РНК – одноцепочечная структура.
Природа создала три основных вида молекул РНК.
Молекулы, считывающие информацию с ДНК, называются информационными РНК (и-РНК). Такая молекула быстро соединяется с рибосомой, непродолжительное время работает как матрица (поэтому называется еще и матричной, или м-РНК), «износившись», разваливается, и на ее место встает новая молекула и-РНК. Этот процесс идет непрерывно на протяжении всей жизни клетки.
Молекулы РНК другого типа имеют гораздо меньшие размеры и разделены на 20 разновидностей в соответствии с количеством разных аминокислот, входящих в белки. Каждая молекула этого типа с помощью определенного фермента соединяется с одной из 20 аминокислот и доставляет ее к рибосоме, уже соединенной с и-РНК. Это – транспортная РНК (т-РНК).
Наконец, в рибосомах есть своя, рибосомная, РНК (р-РНК), не несущая генетической информации, но входящая в состав рибосомсом.
^ Студенты самостоятельно составляют опорный конспект по РНК
РНК - одиночная цепочка
А, У, Ц, Г - нуклеотиды
Виды РНК -
и-РНК
т-РНК
р-РНК
Функции:
Биосинтез белка
Это интересно
Ученые выяснили, что каждая молекула тела использует особое излучение, самые сложные вибрации издает молекула ДНК. Внутренняя “музыка” сложна и разнообразна и, что самое удивительное, в ней четко прослеживаются определенные ритмы. Преобразованные компьютером в графическую картинку, они являют собой завораживающее зрелище. Можно следить за ними часами, месяцами, годами - все время “оркестр” будет исполнять вариации на знакомую тему. Играет он не для собственного удовольствия, а на благо организма: ритм, заданный ДНК и “подхваченный” белками и другими молекулами, лежит в основе всех биологических связей, составляет нечто вроде каркаса жизни; нарушение ритма влечет за собой старение и болезнь. У молодых этот ритм более энергичный, поэтому они любят слушать рок или джаз, с возрастом белковые молекулы теряют свой ритм, поэтому более взрослые люди любят слушать классику. Классическая музыка совпадает с ритмом ДНК (академик Российской академии В.Н.Шабалин изучал это явление).
Можно дать совет: Начинай утро с хорошей мелодии и проживешь дольше!
АТФ.
Аденозинтрифосфорная кислота. Универсальный биологический аккумулятор энергии. Высококалорийное клеточное «топливо». Содержит 2 макроэргические связи . Макроэргическими называются соединения, в химических связях которых запасена энергия в форме, доступной для использования в биологических процессах.
^ АТФ (нуклеотид) состоит:
азотистое основание
углевод
3 молекулы Н3РО4
Макроэргические связи
1) АТФ + Н2О —► АДФ + Ф + Е (40 к Дж/ моль)
2) АДФ + Н2О —► АМФ + Ф + Е (40 к Дж/ моль)
Энергетическая эффективность двух макроэргических связей составляет 80 к Дж/моль. АТФ образуется в митохондриях клеток животных и хлоропластах растений Энергия АТФ используется на движение, биосинтез, деление и др. Средняя продолжительность жизни 1 молекулы АТФ менее 1 мин, т.к. она расщепляется и восстанавливается 2400 раз в сутки.
5.Обобщение и систематизация.
Фронтальный опрос:
- Объясните, что такое нуклеиновые кислоты?
- Какие виды НК вы знаете?
- Являются ли НК полимерами?
- Каков состав нуклеотида ДНК?
- Каков состав нуклеотида РНК?
- В чем сходство и различие между нуклеидами РНК и ДНК?
- АТФ - постоянный источник энергии для клетки. Его роль можно сравнить с ролью аккумулятора. Объясните, в чем заключается это сходство.
- Какое строение имеет АТФ?
6. Закрепление нового материала:
Решить задачу:
Одна из цепей фрагмента молекулы ДНК имеет следующее строение:
^ Г- Г-Г-А -Т-А-А-Ц-А-Г-А-Т
а) Укажите строение противоположной цепи
б) Укажите последовательность нуклеотидов в молекуле и - РНК, построенной на этом участке цепи ДНК.
ТЕСТ(Отвечая на вопросы теста, и выбрав правильный ответ, вы получите ключевое слово)
Какой из нуклеотидов не входит в состав ДНК?
а. тимин
н. урацил
п. гуанин
г. цитозин
е. аденин
Если нуклеотидный состав ДНК - АТТ-ГЦГ-ТАТ -, то каким должен быть нуклеотидный состав и-РНК?
а. ТАА-ЦГЦ-УТА
к. ТАА-ГЦГ-УТУ
у. УАА-ЦГЦ-АУА
г. УАА-ЦГЦ-АТА
В каком случае правильно указан состав нуклеотида ДНК?
а. рибоза, остаток фосфорной кислоты, тимин
и. фосфорная кислота, урацил, дезоксирибоза
к. остаток фосфорной кислоты, дезоксирибоза, аденин
г. остаток фосфорной кислоты, рибоза, гуанин
Какую из функций выполняет и-РНК?
а. перенос аминокислот на рибосомы
л. снятие и перенос информации с ДНК
в. формирование рибосом
т. все перечисленные функции
Мономерами ДНК и РНК являются?
б. азотистое основание
у. дезоксирибоза и рибоза
л. азотистое основание и фосфорная кислота
е. нуклеотиды
В каком случае правильно названы все отличия и -РНК от ДНК?
ш. одноцепочная, содержит дезоксирибозу, хранение информации
ю. двуцепочечная, содержит рибозу, передает информацию
о. одноцепочная, содержит рибозу, передает информацию
г. двуцепочная, содержит дезокирибозу, хранит информацию
Прочная ковалентная связь в молекуле ДНК возникает между:
в. нуклеотидами
и. дезоксирибозами соседних нуклеотидов
т. остатками фосфорной кислоты и сахара соседних нуклеотидов
Какая из молекул РНК самая длинная?
а. т-РНК
к. р-РНК
и. и-РНК
В реакцию с аминокислотами вступает:
д. т-РНК
б. р-РНК
а. и-РНК
г. ДНК
(Ключевое слово - нуклеотид).
Задание: составить синквейн.
ДНК
хранит, передает
длинная, спиралеобразная, закрученная
1953 год Нобелевская премия
полимер
7.Заключительная часть:
-оценка работы студента,
-замечания.
8. Домашнее задание:
-параграф учебника,
-составить кроссворд на тему: «Нуклеиновые кислоты».
-подготовить сообщения по теме «Органические вещества клетки»
Используемая литература:
1. А. А. Каменский «Общая биология. 10-11 класс», Москва, «Дрофа», 2007г.
2. Г.М. Муртазин «Решение задач по общей биологии», Москва, «Просвещение», 1998г.
3. И. Ф. Ишкина «Биология. Поурочные планы», Волгоград, «Учитель», 2000г.
www.ronl.ru
"Нуклеиновые кислоты", Биология - Реферат
Реферат по предмету: Биология (Пример)
1. Понятие о нуклеотиде 3
2. Виды нуклеотидов 4
3. Строение ДНК 7
4. Комплементарность нуклеотидов 11
5. Строение РНК 12
6. Типы РНК, их функции 16
7. Понятие об АТФ 18
Список использованной литературы 21
Содержание
Выдержка из текста
Затем происходит продвижение рибосомыпо мРНК, и в неё включается следующий кодирующий триплет, что является сигналомприближения к рибосомальному комплексу другой тРНК, у которойантикодон комплементарен следующему кодону. Соответственно, эта новая тРНКдоставляет к рибосомальному комплексу следующую аминокислоту, котораяобразует пептидные связи с предыдущей. В результате выше сказанного происходит сшивкааминокислот на рибосоме с образованием полипептидной цепи. Таким образом, полипептидная цепь является последовательностью аминокислот, которыесоединены между собой пептидными связями. Зрелый белок можно отличитьот полипептидной цепи, наличием третичнойпространственной структуры. Ввремя созревания белкана одной полипептидной цепи имеется возможность протеканиядесятков биохимических реакций. Генетический код лежит в основе перехода от последовательности нуклеотидов в мРНК кпоследовательности аминокислот в полипептидной цепи. Физическим воплощением прообраза генетического кода являются молекулытРНК. Они обеспечивают соответствие междунуклеотидами в мРНК и аминокислотами в белке.
6. Типы РНК, их функцииВ группе рибонуклеиновых кислот выделяют следующие типы: Информационные РНКТранспортные РНКРибосомальные РНКПримерно
80.
объёма РНК в клетках составляют 3 или 4 вида рРНК, и примерно 15% - почти
10. видов транспортнойРНК. На долю нескольких тысяч различных иРНК приходится менее пяти процентоврибосомальнойРНК, а на долю малых ядерной и цитоплазматической РНК, число видов которых пока неизвестно, — менее
2. от общего количества. Информационные (иРНК), или матричные (мРНК), РНК переносят информацию о последовательности нуклеотидов в ДНК, хранящуюся в ядре, к месту синтеза белка. Матричная РНК имеет от нескольких тысяч до десятков тысяч нуклеотидных последовательностей (10−40S), но составляет 1−3% от суммарной РНК в клетке. В состав рибосом входят четыре РНК, с коэффициентами седиментации Сведберга 18S, 5,8S, 28S (синтезируются в ядрышке) и 55S (синтезируются в нескольких хромосомах).
тРНК выполняет функцию переноса аминокислот в рибосомы, где происходит синтез белка. В своём составе тРНК содержат 75−80 нуклеотидов, их в клетке более 20 различных форм (для каждой аминокислоты своятРНК).
Так молекулы тРНК имеют вторичную структуру в форме трилистника. В состав тРНК входит много метилированных и других необычных нуклеозидов. В рибосомах клеток организма находятся рибосомальнаярРНК. В каждой клетке несколько десятков тысяч рибосом. Они расположены не только в цитоплазме, но и в ядре, в митохондриях, в пластидах. В связи с этим различают два типа рибосом — цитоплазматические и локализованные в органеллах. рРНК — это матрица для синтеза молекул ДНК и белков. Таблица 2 — Некоторые виды РНКТип РНКРаспространенностьколичество нуклеотидовколичество разных видов в клеткахтРНКП, Э 75−9080−1005S-рРНКП, Э 1201−25,8S-PHK рРНКЭ 15 5116S-рРНКП 16 001 23S-рРНКП 320 0118S-рРНКЭ 190 0128S-рРНКЭ 50 001мРНКП, ЭВарьируетТысячигяРНКЭ""мцРНКП, Э 90−330ДесяткимяРНКЭ 58−220″
7. Понятие об АТФАденозинтрифосфат—нуклеозидтрифосфат, участвующий в обмене веществ и энергии в организмах. Аденозинтрифосфорная кислота известна как универсальный источник энергии для всех биохимических процессов, протекающих в клетках живых организмов. Была открыта Карлом Ломаном, ЙеллапрагадойСуббарао и СайрусомФискев в 1929 годув Гарвардской медицинской школе, ещё в 1941 годуФрицемЛипманом было доказано, что аденозинтрифосфорная кислота является основным переносчиком энергии в клетке. Рисунок 3 — Структура аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ)По химическому составу аденозинтрифосфорная кислота представлена трифосфорным эфиром аденозина, который является производным аденина и рибозы. Пуриновоеазотистое основание— аденин, в АТФ соединяется β-N-гликозидной связью с 1'-углеродом рибозы. К 5'-углероду рибозы последовательно присоединяются 3 молекулыфосфорной кислоты, которые обозначаютсябуквами греческого алфавита: α, β и γ.АТФ относят к так называемыммакроэргическим соединениям, то есть к химическим соединениям, которые содержат такие связи, пригидролизекоторых происходит освобождение значительного количества энергии. Гидролиз макроэргических связей молекулы аденозинтрифосфорной кислоты, сопровождаемый отщеплением одного или двух остатков фосфорной кислоты, что приводит к выделению 40 —
60 кДж/моль.АТФ + h3O → АДФ + h4PO4 + энергияАДФ + h3O → АМФ + h4PO4 + энергияВысвобождённаяв результате гидролиза энергия используется в разнообразных процессах, протекающих с затратой энергии. АТФ входит в состав любой клетки, гдевыполняет одну из важнейших функций — накопителя энергии. Неустойчивые химические связи, которыми соединены молекулы фосфорной кислотыв АТФ, очень богаты энергией (макроэргические связи).
При разрыве этих связей энергия высвобождается и используется в живой клетке, обеспечивая процессы жизнедеятельности и синтеза органических веществ. Отрыв одной молекулы фосфорной кислоты сопровождается выделением около
4. кДж энергии. При этом АТФ переходит в аденозиндифосфат (АДФ), а при дальнейшем отщепленииостатка фосфорной кислоты от АДФ образуется аденозинмонофосфат (АМФ).
Следовательно, АТФ — главное макроэргическое соединение клетки, используемое для осуществления различных процессов, на которые затрачивается энергия. Кроме энергетической функции АТФ выполняет несколько других не менее важных функций: АТФ вместе с другими нуклеозидтрифосфатами является исходным продуктом впроцессах синтезануклеиновых кислот. АТФ участвует в регуляции множества биохимических процессов. Являясь аллостерическим эффектором ряда ферментов, АТФ, присоединяясь к их регуляторным центрам, усиливает или подавляет их активность. АТФ является также непосредственным предшественником синтеза циклического аденозинмонофосфата — вторичного посредника передачи в клеткугормонального сигнала. АТФ принимает участие в качестве медиатора в синапсах и сигнального вещества в других межклеточных взаимодействиях. Список использованной литературыГорбунова В.Н. Молекулярные основы медицинской генетики[Текст].
/ В.Н. Горбунова — СПб.: Интермедика, 1999. — 357с. Дубнищева Т.Я.Концепции современного естествознания[Текст]: учеб. пособие для студ. вузов / Татьяна Яковлевна Дубнищева. — 6-е изд., испр. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2006. — 608 с. Жимулёв И.Ф. Общая и молекулярная генетика [Текст]: учеб. пособие для вузов/ И.Ф.Жимулёв; под ред.Е.С.Беляева, А.П.Акифьева. — 4-е изд., стер. — Новосибирск: Сиб.унив.изд-во, 2007. — 479с. Константинов В. М. Общая биология [Текст]: учебник для студ. образоват. учреждений сред.проф. образования / В. М. Константинов, А. Г. Резанов, Е.О.Фадеева; под ред. В.М.Константинова. — 5-е изд., стер. — М.: Издательский центр «Академия», 2008. — 256 с. Полевой В.В. Физиология растений[Текст]: Учеб. для биол. спец. вузов. — М.: Высш. шк., 1989.-464 с. Филипцова Г. Г. Основы биохимии растений[Текст]: Курс лекций / Г. Г. Филипцова, И. И. Смолич. — Мн.: БГУ, 2004. — 136 с. Шевченко В.А., Топорнина Н.А., Стволинская Н.С.Генетика человека [Текст]: Учеб. для студ. высш. учеб. заведений. — М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2002. — 240 с.:
Список источников информации
1. Горбунова В.Н. Молекулярные основы медицинской генетики[Текст].
/ В.Н. Горбунова — СПб.: Интермедика, 1999. — 357с.
2. Дубнищева Т.Я.Концепции современного естествознания[Текст]: учеб. пособие для студ. вузов / Татьяна Яковлевна Дубнищева. — 6-е изд., испр. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2006. — 608 с.
3. Жимулёв И.Ф. Общая и молекулярная генетика [Текст]: учеб. пособие для вузов/ И.Ф.Жимулёв; под ред.Е.С.Беляева, А.П.Акифьева. — 4-е изд., стер. — Новосибирск: Сиб.унив.изд-во, 2007. — 479с.
4. Константинов В. М. Общая биология [Текст]: учебник для студ. образоват. учреждений сред.проф. образования / В. М. Константинов, А. Г. Резанов, Е.О.Фадеева; под ред. В.М.Константинова. — 5-е изд., стер. — М.: Издательский центр «Академия», 2008. — 256 с.
5. Полевой В.В. Физиология растений[Текст]: Учеб. для биол. спец. вузов. — М.: Высш. шк., 1989.-464 с.
6. Филипцова Г. Г. Основы биохимии растений[Текст]: Курс лекций / Г. Г. Филипцова, И. И. Смолич. — Мн.: БГУ, 2004. — 136 с.
7. Шевченко В.А., Топорнина Н.А., Стволинская Н.С.
Генетика человека [Текст]: Учеб. для студ. высш. учеб. заведений. — М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2002. — 240 с.:
- список литературы
referatbooks.ru
Нуклезоиды, нуклеотиды и нуклеиновые кислоты
НУКЛЕОЗИДЫ, НУКЛЕОТИДЫ И НУКЛЕИНОВЫЕ
КИСЛОТЫ, ИХ СТРУКТУРА И СВОЙСТВА
Нуклеозиды и нуклеотиды являются продуктами гидролиза нуклеиновых кислот, но они присутствуют в живых организмах также в несвязанном состоянии, выполняя исключительно важную роль в обмене веществ.
- это природные гликозиды гетероциклических азотистых оснований (пиримидиновых и пуриновых), которые связаны с пентозами через атом азота. В зависимости от природы углеводного остатка (пентозы) различают рибонуклеозиды и
дезоксирибонуклеозиды.
Пиримидиновые основания:
Пуриновые основания:
Названия нуклеозидов
производятся от тривиального названия соответствующего гетероциклического азотистого основания с суффиксами -идин у пиримидиновых и
-озин у пуриновых нуклеозидов. Исключение их этого правила сделано для нук-
леозидов тимина.
Нуклеозиды сокращенно чаще обозначают однобуквенным индексом, но существует также система трехбуквенного индекса.
Нуклеозиды, являясь N-гликозидами, устойчивы к гидролизу в слабощелочной среде, но расщепляются в кислой среде. Пуринонуклеозиды гидролизуются легко, пирими-диновые - труднее.
являются сложными эфирами нуклеозидов и фосфорной кислоты, которая обычно этерифицирует гидроксогруппы при С-5' пентозы. В связи с наличием в молекуле остатка фосфорной кислоты нуклеотиды проявляют свойства двухосновной кислоты с pKa1 = 0,9 - 1,5 и рKaП = 6 - 6,5.
Нуклеотиды называют или как соответствующие кислоты (монозамещенные производные фосфорной кислоты), или как соли (монофосфаты) с указанием в обоих случаях положения фосфатного остатка:
Большое значение в живых системах играют нуклеотиды, содержащие в своем составе ди- и трифосфатные группировки. Важнейшими среди этих производных являются аденозиндифосфат (АДФ) и аденозинтрифосфат (АТФ), которые способны к взаимо-превращениям путем наращивания или отщепления фосфатных групп:
В этих соединениях фосфатные группы в физиологических условиях почти полностью ионизованы, поэтому их часто записывают в виде анионов АТФ4-, АДФ3-. Главная особенность этих нуклеотидов состоит в том, что их полифосфатные группы содержат одну или две ангидридные группы
—Р—О—Р—
II II
О О
. При гидролизе такой группы разрывается связь, называемая макроэргической, и выделяется около 33 кДж/моль. Именно с этим связана роль АТФ в клетке как поставщика химической энергии для биохимических и физиологических процессов.
При участии АТФ в организме также осуществляется реакция фосфорилирования гидроксилсодержащих соединений с образованием сложных эфиров фосфорной кислоты:
При фосфорилировании карбоксилсодержащих соединений образуются ацилфосфаты, которые содержат ангидридную группировку:
– С—О—Р
׀׀ ׀׀
О О
Фосфорилированные производные выступают активными метаболитами во многих биохимических процессах.
. Важнейшая биологическая роль нуклеотидов заключается в том, что из них построены нуклеиновыекислоты (полинуклеотиды).
в живых организмах играют главную роль в передаче наследственных признаков (генетической информации) и управлении процессом биосинтеза белка. Нуклеиновые кислоты - высокомолекулярные соединения с молекулярной массой от 20 тысяч до десятка миллиардов. Их полимерные цепи построены из мономерных звеньев -нуклеотидов.
Особенность нуклеотидного звена заключается в том, что оно представляет собой трехкомпонентное образование, состоящее из гетероциклического азотсодержащего основания, углеводного компонента – пентозы (β,D-дезоксирибозы или β,D-рибозы) - и фосфатной группы. Каркас полимерной цепи состоит из чередующихся пентозных и фосфатных остатков, связанных сложноэфирными связями (у С-3' и С-5'), а гетероциклические основания являются «боковыми» группами, присоединенными к пентозным остаткам за счет N-гликозидной cвязи:
Первичная структура нуклеиновых кислот определяется природой и последовательностью нуклеотидных звеньев, связанных сложноэфирными связями между пентозами и фосфатными группами (рис.1).
Вторичная структура нуклеиновых кислот. Согласно вторичной структуре полинуклеотидная цепь представляет собой двойную спираль, в которой пуриновые и пиримидиновые основания направлены внутрь. Между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи имеются водородные связи, стабилизирующие такую структуру.
Основания, образующие пары, связанные водородными связями, называются комплементарными. В ДНК комплементарными будут: аденин - тимин, образующие между собой две водородные связи, и гуанин — цитозин, связанные тремя водородными связями (рис.2). Это означает, что пуриновым основаниям - аденину и гуанину в одной цепи будут соответствовать пиримидиновые основания - тимин и цитозин в другой цепи. Полинуклеотидные цепи, образующие двойную спираль, не идентичны, но
комплементарны между собой.
Комплементарность цепей и последовательность звеньев составляют химическую основу важнейших функций нуклеиновых кислот: ДНК - хранение и передача наследственной информации, а РНК - непосредственное участие в биосинтезе белка.
Молекулярная масса ДНК варьирует от нескольких миллионов до десятка миллиардов, у РНК — от десятка тысяч до нескольких миллионов.
Молекула ДНК, в отличие от молекулы РНК, в большинстве случаев состоит из двух комплементарных взаимозакрученных цепей. В зависимости от длины витка и угла спирали, а также ряда других ее геометрических параметров, различают более десяти разнообразных упорядоченных спиральных структур ДНК.
В стабилизации этих структур наряду с водородными связями, действующими поперек спирали, большую роль играют межмолекулярные взаимодействия, направленные вдоль спирали между соседними пространственно сближенными азотистыми основаниями. Поскольку эти взаимодействия направлены вдоль стопки азотистых оснований молекулы ДНК, их называют стэкинг-взаимодействиями. Таким образом, взаимодействия азотистых оснований между собой скрепляют двойную спираль молекулы ДНК и вдоль, и поперек ее оси.
Сильное стэкинг-взаимодействие всегда усиливает водородные связи между основаниями, способствуя уплотнению спирали. Вследствие этого молекулы воды из окружающего раствора связываются в основном с пентозофосфатным остовом ДНК, по-
лярные группы которого находятся на поверхности спирали.
При ослаблении стэкинг-взаимодействия молекулы воды, проникая внутрь спирали, конкурентно взаимодействуют с полярными группами оснований, инициируют дестабилизацию и способствуют дальнейшему распаду двойной спирали. Все это свидетельствует о динамичности вторичной структуры ДНК под воздействием компонентов окружающего раствора.
Биспиральные структуры в молекулах РНК возникают в пределах одной и той же цепи в тех зонах, где расположены комплементарные азотистые основания аденин - урацил и гуанин-цитозин (рис.3). В результате вторичная структура молекулы РНК содержит биспиральные участки и петли, число и размеры которых определяются первичной структурой молекулы и составом окружающего раствора.
Третичная структура нуклеиновых кислот.
Двойная спираль молекул ДНК существует в виде линейной, кольцевой, суперкольцевой и компактных клубковых форм. Между этими формами совершаются взаимные переходы при действии особой группы ферментов - топоизомераз, изменяющих пространственную структуру (рис. 4).
Третичная структура многих молекул РНК пока еще требует окончательного выяснения, но уже установлено, что она зависит не только от первичной и вторичной структуры, но и от состава окружающего раствора.
Биологические функции и ДНК, и РНК полностью определяются только совокупностью первичной, вторичной и третичной структур. При этом следует отметить, что стабилизация вторичной и третичной структур нуклеиновых кислот, так же как у
белков, происходит за счет ассоциации по принципу самоорганизации под влиянием и при участии компонентов окружающего раствора, и прежде всего молекул воды.
Поверхностные свойства. Макромолекулы нуклеиновых кислот состоят из полярных групп, и поэтому их поверхность достаточно гидрофильна. Вследствие этого в водных растворах нуклеиновые кислоты при их малой концентрации, низкой молекулярной массе и при достаточно большой концентрации свободных молекул воды самопроизвольно образуют истинные растворы, а в случае большой молекулярной массы — лио-
фильные коллоидные растворы.
Наличие на поверхности макромолекул нуклеиновых кислот отрицательного заряда, возникающего за счет диссоциации фосфатных групп, способствует образованию ассоциативных комплексов — нуклеопротеинов, состоящих из нуклеиновых кислот
и основных белков (рI > 8,0).
Структурно-информационные свойства. Нуклеиновые кислоты - информационные биополимеры, осуществляющие хранение и передачу генетической информации во всех живых организмах, а также участвующие в биосинтезе белков. ДНК является носителем генетической информации, которая записана через определенную последовательность расположения в цепи четырех гетероциклических оснований. Первый этап реализации генетической информации заключается в том, что на конкретных участках одной из нитей молекулы ДНК происходит синтез молекул РНК. Биосинтез РНК, называемый транскрипцией, обычно происходит в результате комплементарного копирования ДНК-матрицы с помощью фермента РНК-полимеразы. Синтезированная РНК содержит точную копию конкретного участка ДНК.
В результате транскрипции образуются четыре различных вида РНК:
рибосомальная рРНК, матричная мРНК (информационная), транспортная тРНК и малые ядерные РНК, роль которых разнообразна, но до конца еще не выяснена. Каждая из синтезированных РНК играет строго определенную роль на втором этапе реализации генетической информации - трансляции. Реализация генетической информации с помощью нуклеиновых кислот происходит по схеме:
Рибосомальная РНК входит совместно с белками в состав рибосом. Матричная РНК, объединяясь с рибосомами, образует полирибосому, в которой с помощью ферментов и транспортных РНК, поставляющих определенные аминокислоты, происходит трансляция — синтез белков в соответствии с информацией, записанной на мРНК. Информация о последовательности аминокислот в молекуле белка считывается с последовательности ге-
тероциклических оснований в мРНК. Конкретная группа из трех гетероциклических оснований в молекуле нуклеиновой кислоты, которая соответствует отдельной аминокислоте, называется кодоном. ( Например, кодон GUA соответствует аспарагиновой кислоте, UGU- валину, UUU- фенилаланину, ACA –аспаргину). Совокупность кодонов составляет генетический код. Генетический код един для всего живого: у любого вида организмов каждая из аминокислот кодируется одним и тем же кодоном или одними и теми же кодонами. (Несколько кодонов могут кодировать одну и ту же аминокислоту, но один и тот же код не способен кодировать разные аминокислоты.)
Денатурация. Подобно денатурации белков происходит денатурация нуклеиновых кислот, сопровождаемая разрушением их третичной и вторичной структур и сохранением первичной структуры. Это происходит под влиянием тех же факторов, что и в случае белков, но интенсивность фактора в случае нуклеиновых ислот, естественно, может быть другой, чем при денатурации белка. Под воздействием того или иного фактора снижается прочность водородных связей и уменьшается эффективность стэкинг-взаимодействия между азотистыми основаниями в макромолекуле. Это способствует раскручиванию двухцепочечных спиралей с образованием неупорядоченных одноцепочечных клубков. Поскольку при денатурации сохраняется первичная структура нуклеиновых кислот, то данный процесс может иметь обратимый характер.
Кислотно-основные свойства. Сильнополярные фосфатные группы нуклеиновых кислот характеризуются значением рКа1 < 2.
Таким образом, нуклеиновые кислоты — это довольно сильные поликислоты, полностью ионизованные при рН выше 4, и поэтому их поверхность несет отрицательный заряд. Именно это обстоятельство объясняет большую склонность нуклеиновых кислот к взаимодействию с полиаминами, у которых между атомами азота содержатся две или три метиленовые (-СН2-) группы. Однако особый интерес вызывает кислотно-основное взаимодействие нуклеиновых кислот с белками, которые являются полиамфолитами, образуя комплексные ассоциаты (соли), называемые нуклеопротеинами. Так, ДНК образует прочный комплекс с белками- гистонами, входящими в состав хромосом. Гистоны содержат 25-30 % остатков лизина и аргинина, основные функциональные группы которых при рН = 7 заряжены положительно. Они, электростатически взаимодействуя с отрицательно заряженными фосфатными группами, расположенными на периферии двойной спирали ДНК, образуют достаточно прочный комплексный ассоциат, в котором структура ДНК дополнительно стабилизирована.
Рибонуклеиновые кислоты также образуют с белками нуклеопротеины. Так, рибосомы состоят из 50-65 % рибосомной РНК и 35-50 % белков, содержащих до 25 % основных аминокислот.
Вирусы представляют собой устойчивые комплексные ассоциаты, содержащие до 30 % нуклеиновой кислоты и большое число белковых молекул, уложенных в определенном порядке и образующих специфическую трехмерную структуру. В состав вируса может входить как ДНК, так и РНК.
Окислительно-восстановительные свойства. Нуклеиновые кислоты не содержат групп, склонных к окислительно-восстановительным превращениям при мягком воздействии. Поэтому они относительно устойчивы к воздействию мягких окислителей и восстановителей. При жестком окислении в водной среде нуклеиновые кислоты превращаются, как все органические соединения в организме, в СО2 и Н2О, а из-за присутствия в их составе атомов азота образуют мочевую кислоту, мочевину или соли аммония; кроме того, из-за наличия фосфатных групп образуются неорганические фосфаты.
www.referatmix.ru
Нуклеиновые кислоты, реферат. - Нуклеиновые кислоты, их строение, свойства и функции
Министерство образования и науки Российской ФедерацииФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САРАИОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н. Г. ЧЕРНЫШЕВСКОГО»
Реферат на тему:
«Нуклеиновые кислоты, их строение, свойства и функции»Выполнил(а): Студент(ка)
1-го курса
биологического факультета
гр. 124
п/гр. 7
Брагина ЮлияПреподаватель: Буров Андрей Михайлович
Саратов 2016.
Содержание
1. Компоненты нуклеиновых кислот…………………………………………4
а) азотистые основания…………………………………………………...4
б) углеводы……………………………………………………………….....4
в) фосфорная кислота…………………………………………………......5
2. Нуклеозиды…………………………………………………………………..5
3. Нуклеотиды………………………………………………………………….9
а) мононуклеотиды…………………………………………………….....9
б) олиго- и полинуклеотиды……………………………………………..12
4. Вторичная структура ДНК………………………………………………..16
5. Химические свойства нуклеиновых кислот……………………………….18
а) кислотный гидролиз…………………………………………………...18
б) щелочной гидролиз……………………………………………………..18
в) ферментативный гидролиз……………………………………………18
6.Источники……………………………………………………………………19
Нуклеиновые кислоты это водорастворимые высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых состоят из многократно повторяющихся звеньев нуклеотидов. Поэтому их также называют полинуклеотидами.
Впервые они были обнаружены в 1868 году швейцарским врачом Мишером в ядрах погибших лейкоцитов, что и определило их название (от лат. nucleus ядро).
По химическому строению нуклеиновые кислоты биологические полимеры, состоящие из остатков фосфорной кислоты, моносахарида и одного из пуриновых или пиримидиновых гетероциклических оснований. Входящие в состав нуклеиновых кислот гетероциклические соединения пуринового и пиримидинового ряда называют нуклеиновыми основаниями или просто основаниями.
В общем виде молекулу нуклеиновой кислоты можно представить следующим образом:
Фрагмент макромолекулы нуклеиновой кислоты моносахарид-основание называется нуклеозидом, а фрагмент моносахарид-основание-фосфат нуклеотидом.
Нуклеиновые кислоты присутствуют в клетках всех живых организмов и выполняют важнейшие функции по хранению, передаче и реализации наследственной информации.
Особенность нуклеиновых кислот заключается в том, что обычно «неделимое» мономерное звено в полинуклеотидах может быть разделено на составные части: нуклеотиды и нуклеозиды, которые помимо того, что служат строительными блоками при синтезе нуклеиновых кислот, играют и вполне самостоятельную роль в процессах обмена веществ, а также участвуют в качестве коферментов в реакциях переноса остатков сахаров, аминов и других биомолекул.
1. Компоненты нуклеиновых кислот
Азотистые основания.
В состав нуклеиновых кислот входят гетероциклические основания пиримидинового ряда: урацил, тимин, цитозин и пуринового ряда: аденин и гуанин.
Для удобства используют однобуквенные обозначения (символы) гетероциклических оснований (русские или латинские):
Пиримидиновые основания
Пуриновые основания
Нумерация атомов производится в указанном порядке. Отметим также, что в физиологических условиях нуклеиновые основания существуют только в лактамной и аминной формах. Во всех формах гетероциклы сохраняют ароматичность и имеют плоское строение, благодаря чему отличаются высокой термодинамической стабильностью.
Углеводы.
Углеводным компонентом нуклеиновых кислот являются пентозы: D-рибоза или 2-дезокси-D-рибоза. Обе пентозы всегда находятся в фуранозной форме и имеют -конфигурацию аномерного атома С-1 (в формулах нуклеотидов и нуклеозидов атомы углерода моносахаридов нумеруются цифрой со штрихом):
Фосфорная кислота.
Остатки фосфорной кислоты (h4PO4) входят в состав нуклеотидов и этерифицируют D-рибозу и 2-дезокси-D-рибозу в положениях 3 и 5. В этой связи нуклеотиды и полинуклеотиды можно рассматривать, с одной стороны, как сложные эфиры нуклеозидов (фосфаты), а с другой как кислоты.
Остатки моносахаридов и фосфорной кислоты выполняют структурную функцию и являются носителями гетероциклических оснований.
2. Нуклеозиды
Нуклеозиды состоят из гетероциклических оснований, связанных с моносахаридом N-гликозидной связью. В образовании этой связи участвуют аномерный атом углерода моносахарида и атомы азота N-1 (у пиримидинового основания) и N-9 (у пуринового основания):
В зависимости от углеводного остатка нуклеозиды делятся на рибонуклеозиды и дезоксирибонуклеозиды. Номенклатурные названия нуклеозидов строятся аналогично названиям гликозидов, например, -аденинрибофуранозид и т. д. Однако чаще используются названия с суффиксами -идин у пиримидиновых и -озин у пуриновых нуклеозидов и приставкой дезокси- у дезоксирибонуклеозидов:
цитозин + рибоза = цитидин;
цитозин + дезоксирибоза = дезоксицитидин;
аденин + рибоза = аденозин;
аденин + дезоксирибоза = дезоксиаденозин.
Исключением является название тимидин, используемое для дезокситимидина, входящего в состав ДНК.
Кроме того, нуклеозиды обозначают символами, производимыми от входящих в них оснований. В случае дезоксирибонуклеозидов перед символом ставят строчную букву д (лат. d). Символами удобно пользоваться при обозначении первичной структуры ДНК или РНК. Если речь идет только о ДНК, букву d обычно пропускают.
Нуклеозиды ДНК.
| Название | Символ | Формула |
| Дезоксиаденозин | дА или dA |  |
| Тимидин | дТ или dT |  |
| Дезоксигуанозин | дГ или dG |  |
| Дезоксицитидин | дЦ или dC |  |
| Название | Символ | Формула |
| Аденозин | А |  |
| Гуанозин | Г или G |  |
| Уридин | У или U |  |
| Цитидин | Ц или C |  |
Пиримидиновые нуклеозиды значительно более устойчивы к гидролизу, чем пуриновые. В условиях in vivo гидролиз обоих типов нуклеозидов осуществляется при помощи специфических ферментов, называемых нуклеозидазами.
3. Нуклеотиды
Нуклеотиды это производные нуклеозидов, которые образуются в результате этерификации пентозного фрагмента фосфорной кислотой. В зависимости от строения пентозы различают рибонуклеотиды (мономерные звенья РНК) и дезоксирибинуклеотиды (мономерные звенья ДНК).
В 2-дезоксирибозе имеются только два положения, по которым может образовываться сложноэфирная связь а именно 3- и 5-положения. В случае рибонуклеотидов фосфатная группа может находиться в положениях 2, 3 и 5. В биологических системах встречаются нуклеотиды всех типов, однако наиболее распространены нуклеозид-5-фосфаты. За счет фосфатного остатка нуклеотиды проявляют свойства кислот и в физиологических условиях (pH 7) находятся в практически полностью ионизированном состоянии.
Мононуклеотиды.
Мононуклеотиды это повторяющиеся мономерные единицы олигонуклеотидов и полинуклеотидов.
Нуклеозидмонофосфаты.
Нуклеозидмонофосфаты содержат только один остаток фосфорной кислоты. Например:
Для мононуклеотидов также используют два вида названий (табл. 3.), отражающих их принадлежность как к сложным эфирам, так и к кислотам. В первом случае название включает наименование нуклеозида с указанием положения в нем фосфатного остатка: аденозин-5-фосфат*, уридин-5-фосфат и т. д. Широко используются и тривиальные названия, имеющие окончание «-овая кислота», например, 5-Уридиловая кислота.
Для удобства введены сокращения: трехбуквенные АМФ (лат. AMP), УМФ (лат. UMP) и т.д. и однобуквенные pA, pU и т.д. В биохимической литературе встречаются как русские, так и латинские обозначения, однако более широко используются латинские. Сокращения AMP, GMF и т.д. всегда относятся к 5-нуклеотидам. У других, например, 3-производных в сокращенном названии указывается положение фосфатной группы: 3-AMP, 3-GMP и т. д.
* вместо «монофосфат» часто пишут просто «фосфат».
В однобуквенных кодах 5-фосфаты записываются с добавлением латинской буквы «p» перед символом нуклеозида (pA), 3-фосфаты после символа нуклеозида (Ap).
Важнейшие нуклеотиды, входящие в состав нуклеиновых кислот.
| Названия нуклеотидов | Сокращенные названия | ||
| как монофосфата | как кислоты | ||
| Входящие в состав РНК | |||
| Аденозин-5-фосфат* | 5-Адениловая кислота | AMP | pA |
| Гуанозин-5-фосфат | 5-Гуаниловая кислота | GMP | pG |
| Цитидин-5-фосфат | 5-Цитидиловая кислота | CMP | pC |
| Уридин-5-фосфат | 5-Уридиловая кислота | UMP | pU |
| Входящие в состав ДНК | |||
| Дезоксиаденозин-5-фосфат | 5-Дезоксиадениловая кислота | dAMP | pdA |
| Дезоксигуанозин-5-фосфат | 5-Дезоксигуаниловая кислота | dGMP | pdG |
| Дезоксицитидин-5-фосфат | 5-Дезоксицитидиловая кислота | dCMP | pdC |
| Тимидин-5-фосфат | Тимидиловая кислота | dTMP | pdT |
Нуклеозидмоноциклофосфаты.
Существуют нуклеотиды, в которых фосфорная кислота одновременно этерифицирует две гидроксильные группы пентозного остатка с образованием устойчивого шестичленного цикла. В этой связи в их названиях используют приставку цикло-, например, циклоаденозин-монофосфат (cAMP) или циклогуанозинмонофосфат (cGMP). Эти два нуклеозидциклофосфата присутствуют практически во всех клетках живых организмов:
Биологическая роль циклических нуклеотидов была открыта сравнительно недавно. Так, аденозин-3, 5-циклофосфат выполняет роль внутриклеточного «посредника» в процессах, индуцируемых гормоном адреналином.
Нуклеозид-5-дифосфаты (НДФ) и нуклеозид-5-трифосфаты (НТФ).
Во всех тканях организма в свободном состоянии содержатся не только моно-, но и ди-, а также трифосфаты нуклеозидов. Наиболее известными являются аденозин-5-дифосфат (АДФ) аденозин-5-трифосфат (АТФ).
Нуклеотиды, фосфорилированные в разной степени, способны к взаимопревращениям путем наращивания или отщепления фосфатных групп. Дифосфатная группа содержит одну, а трифосфатная две ангидридные связи, называемые макроэргическими, поскольку они обладают большим запасом энергии. При расщеплении макроэргической связи Р О выделяется энергия, приблизительно равная 32 кДж/моль. Этим объясняется важнейшая роль АТФ как «поставщика» энергии во всех живых клетках.
Ангидридные связи могут гидролизоваться либо специфичными ферментами, либо при кипячении в присутствии HCl. Ни сложноэфирная связь, ни N-гликозидная при этом не расщепляются.
Взаимные превращения АМФ, АДФ и АТФ.
Олиго- и полинуклеотиды.
Олигонуклеотидами называют соединения, в которых несколько нуклеозидов (до 20) соединены между собой фосфодиэфирными связями. Нуклеозид со свободной 5-OH-групой называется 5-концевым, а со свободной 3-OH-групой 3-концевым.
Полинуклеотиды представляют собой линейные гетерополимеры, также состоящие из последовательности мононуклеозидных единиц, соединенных фосфатным мостиком. Полинуклеотиды, состоящие из ковалентно связанных между собой остатков дезоксирибонуклеозидов, называются дезоксирибонуклеиновыми кислотами (ДНК), а полинуклеотиды, состоящие из остатков рибонуклеозидов рибонуклеиновыми кислотами (РНК). В обоих случаях мононуклеозиды связаны между собой при помощи фосфодиэфирных мостиков, соединяющих 3-положение одного мононуклеотида с 5-положением его соседа.
Нуклеиновые кислоты также различаются и по составу входящих в них гетероциклических оснований: урацил входит только в состав РНК, а тимин только в состав ДНК. Аденин, цитозин и гуанин являются постоянными компонентами полинуклеотидов.
Молекулярная масса ДНК достигает десятков миллионов. Это самые длинные из известных макромолекул. Значительно меньше молекулярная масса РНК (от нескольких сотен до десятков тысяч). ДНК содержатся в основном в ядрах клеток, РНК в рибосомах и протоплазме клеток.
Первичная структура нуклеиновых кислот.
Первичная структура нуклеиновых кислот это нуклеотидный состав и определенная последовательность нуклеотидных звеньев в полимерной цепи..
Для записи первичной структуры ДНК и РНК используют однобуквенные обозначения нуклеозидов. Приведенные фрагменты ДНК и РНК записывают соответственно: d(A-C-G-T) и (A-C-G-U). Часто букву d опускают, если речь идет о ДНК.
 |  |
| ДНК | РНК |
Нуклеотидный состав ДНК различного происхождения находится в соответствии с правилами Э. Чаргаффа:
1) Все ДНК независимо от их происхождения содержат одинаковое число пуриновых и пиримидиновых оснований. Следовательно, в любой ДНК на каждый пуриновый нуклеотид приходится один пиримидиновый.
2) Любая ДНК всегда содержит в равных количествах попарно аденин и тимин, гуанин и цитозин, что обычно обозначают как А = Т и G = C.
3) Количество оснований, содержащих аминогруппы в положении 4 пиримидинового ядра и 6 пуринового (цитозин и аденин), равно количеству оснований, содержащих оксо-группу в тех же положениях (гуанин и тимин), т. е. A + C=G + T.
Наряду с этим было установлено, что для каждого типа ДНК суммарное содержание гуанина и цитозина не равно суммарному содержанию аденина и тимина, т. е. что (G + C)/(A + T), как правило, отличается от единицы (может быть как больше, так и меньше ее). По этому признаку различают два основных типа ДНК: А-Т-тип с преимущественным содержанием аденина и тимина и G-C-тип с преимущественным содержанием гуанина и цитозина.
Для РНК правила Чаргаффа либо не выполняются, либо выполняются с большим приближением.
Вторичная структура нуклеиновых кислот.
Под вторичной структурой нуклеиновых кислот понимают пространственно упорядоченные формы полинуклеотидных цепей.
Вторичная структура ДНК представляет собой две параллельные неразветвленные полинуклеотидные цепи, закрученные вокруг общей оси в двойную спираль.
4.Вторичная структура ДНК.
Такая пространственная структура удерживается множеством водородных связей, образуемых азотистыми основаниями, направленными внутрь спирали. Эти основания составляют комплементарные пары (от лат. complementum дополнение). Образование водородных связей между комплементарными парами оснований обусловлено их пространственным соответствием. Так, пиримидиновое основание комплементарно пуриновому:
Водородные связи между другими парами оснований не возникают по пространственным причинам. Таким образом, в ДНК:
ТИМИН (Т) комплементарен АДЕНИНУ (А)
ЦИТОЗИН (C) комплементарен ГУАНИНУ (G)
Комплементарность оснований определяет комплементарность цепей в молекулах ДНК. Водородные связи возникают между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи. Иными словами, пуриновым основаниям аденину и гуанину в одной цепи будут соответствовать пиримидиновые основания тимин и цитозин в другой цепи.
Таким образом, полинуклеотидные цепи, образующие двойную спираль, не идентичны, но комплементарны между собой:
В сдвоенной молекуле ДНК суммарно число групп А равно числу групп Т, а число групп G числу C.
Комплементарность полинуклеотидных цепей служит химической основой главной функции ДНК хранения и передачи наследственных признаков. Способность ДНК не только хранить, но и использовать генетическую информацию определяется следующими ее свойствами:
1) Молекулы ДНК способны к репликации (удвоению), т.е. могут обеспечить возможность синтеза других молекул ДНК, идентичных исходным, поскольку последовательность оснований в одной из цепей двойной спирали контролирует их расположение в другой цепи;
2) Молекулы ДНК могут совершенно точным и определенным образом направлять синтез белков, специфичных для организмов данного вида.
Вторичная структура РНК.
В отличие от ДНК, молекулы РНК состоят из одной полинуклеотидной цепи и не имеют строго определенной пространственной формы (рис. 3.), т.к. вторичная структура РНК зависит от их биологических функций. Полимерная цепь РНК приблизительно в десять раз короче, чем у ДНК.
Комплементарными парами в РНК являются цитозин-гуанин и урацил-аденин.
Вторичная структура РНК.
Основная роль РНК непосредственное участие в биосинтезе белка. Известны три вида клеточных РНК, которые отличаются по местоположению в клетке, составу, размерам и свойствам, определяющим их специфическую роль в образовании белковых макромолекул:
1) Информационные (матричные) РНК передают закодированную в ДНК информацию о структуре белка от ядра клетки к рибосомам, где и осуществляется синтез белка;
2) Транспортные РНК собирают аминокислоты в цитоплазме клетки и переносят их в рибосому; молекулы РНК этого типа "узнают" по соответствующим участкам цепи информационной РНК, какие аминокислоты должны участвовать в синтезе белка;
3) Рибосомные РНК обеспечивают синтез белка определенного строения, считывая информацию с информационной (матричной) РНК.
5.Химические свойства нуклеиновых кислот.
ДНК и РНК имеют много общих химических и физических свойств. Так, нуклеиновые кислоты хорошо растворимы в воде и плохо растворяются в водных растворах кислот. Существенные различия ДНК и РНК связаны, в основном, с их отношением к гидролизу.
Гидролиз в кислой среде.
Мягкий кислотный гидролиз ДНК оказывает весьма избирательное действие: он приводит к расщеплению N-гликозидных связей между пуриновыми основаниями и дезоксирибозой, связи пиримидин-дезоксирибоза при этом не затрагиваются. В результате образуется ДНК, лишенная пуриновых оснований. Гидролиз РНК, проводимый в аналогичных условиях, приводит к образованию пуриновых оснований и пиримидиновых нуклеозид-2'(3')-фосфатов.
Кислотный гидролиз в жестких условиях, приводит к разрыву всех N-гликозидных связей как ДНК, так и РНК и образованию смеси пуриновых и пиримидиновых оснований.
Гидролиз в щелочной среде.
В щелочной РНК легко гидролизуются до нуклеотидов, которые в свою очередь, расщепляются с образованием нуклеозидов и остатков фосфорной кислоты. ДНК, в отличие от РНК, устойчивы к щелочному гидролизу.
Ферментативный гидролиз.
Гидролиз ДНК и РНК также протекает и при участии специфических ферментов нуклеаз. Эти ферменты избирательно действуют на 3- и 5-сложноэфирные связи. Так, фосфодиэстераза, выделенная из яда змей, расщепляет все 3-связи как в ДНК, так и в РНК с образованием нуклеозид-5-фосфатов. Фосфодиэстераза, выделенная из селезенки быка, наоборот, гидролизует только 5-связи и высвобождает только нуклеозид-3-фосфаты. Известны дезокси-рибонуклеазы, расщепляющие связи только между определенными парами мононуклеотидов их используют для направленного гидролиза РНК.
Гидролиз ДНК И РНК проводят, в основном, для установления их нуклеотидного состава. Далее выделенные смеси анализируют с использованием хроматографических и спектральных методов анализа, а также электрофореза. 6.Источники.
http://blgy.ru/biology10p/dna Нуклеиновые кислоты- ДНК и РНК
http://clinicall.ru/medicin/nukleinovye-kisloty Функции нклеиновых кислот
http://xn--90aeobapscbe.xn-- p1ai/%D0%A3%D1%87%D0%B5%D0%B1%D0%BD%D1%8B%D0%B5-%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D1%8B/%D0%A5%D0%B8%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9-%D1%81%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%B2-%D0%BA%D0%BB%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%BA/9-%D0%9D%D1%83%D0%BA%D0%BB%D0%B5%D0%B8%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B5-%D0%BA%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%BE%D1%82%D1%8B-%D0%B8%D1%85-%D1%81%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D1%81%D0%B2%D0%BE%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B0-%D0%B8-%D1%84%D1%83%D0%BD%D0%BA%D1%86%D0%B8%D0%B8 Нуклеиновые кислоты, их строение и свойства
http://sbio.info/materials/obbiology/obbkletka/stroenorg/11 Нуклеиновые кислоты
topuch.ru
Нуклеиновые кислоты. Обмен веществ и энергии в клетке
Реферат
Нуклеиновые кислоты. Обмен веществ и энергии в клетке
Нуклеиновые кислоты. АТФ
Название «нуклеиновые кислоты» происходит от латинского слова «нуклеус», т. е. ядро: они впервые были обнаружены и выделены из ядер клеток. Существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновые кислоты (сокращенно — ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК). ДНК содержится почти исключительно в ядре клетки, а РНК и в ядре, и в цитоплазме. Содержание ДНК в ядрах клеток строго постоянно, содержание РНК сильно колеблется.
Биологическое значение нуклеиновых кислот очень велико. Они играют центральную роль в синтезе белков клетки. Любая клетка возникает в результате деления материнской клетки. При этом дочерние клетки наследуют свойства и признаки материнской. Свойства же и признаки клетки определяются главным образом ее белками. ДНК и РНК, как это будет показано дальше, обеспечивают синтез белков той же структуры и того же состава, которые имеются у материнской клетки.
ДНК. По своей структуре ДНК представляет своеобразное, не похожее ни на одно известное в химии соединение. На рисунке 69 видно, что молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных друг вокруг друга цепей. Ширина такой двойной спирали ДНК всего около 20 А, зато длина ее исключительно велика. Она может достигнуть нескольких десятков и даже сотен микрометров. Для того чтобы оценить эту величину, учтем, что длина самой крупной белковой молекулы (в развернутом состоянии) не превышает 0,1 мкм. Таким образом, длина молекулы ДНК в сотни и тысячи раз больше самой крупной белковой молекулы. Молекулярный вес ДНК гигантски велик: он составляет десятки и даже сотни миллионов. Эти цифры относятся к двойной спирали. На каждую цепь приходится половина веса.
С химической стороны каждая цепь ДНК — полимер, мономерами которого являются так называемые нуклеотиды. Для того чтобы представить себе, что такое нуклеотид, из которой видно, что нуклеотид является продуктом химического соединения трех разных веществ: азотистого основания, простого углевода (пентозы) и фосфорной кислоты.
В состав ДНК входят четыре разных типа нуклеотидов. Они различаются между собой только по структуре азотистого основания, остальная часть их молекул у всех нуклеотидов одинакова. Нуклеотиды поэтому и называют по содержащемуся в них азотистому основанию. Углевод, содержащийся во всех нуклеотидах ДНК, называется дезоксирибозой.
| Авотистое основание | Название нуклеотида | Обозначение |
| Аденин | Адениновый | А |
| Гуанин | Гуаниновый | Г |
| Тимин | Тиминовый | Т |
| Цитозин | Цитозиновый | Ц |
Сцепление нуклеотидов между собой, когда они соединяются в цепь ДНК, происходит через фосфорную кислоту и дезоксирибозу. За счетгидроксила фосфорной кислоты одного нуклеотида и гидроксила дезоксирибозы соседнего нуклеотида выделяется молекула воды и остатки нуклеотидов соединяются прочной ковалентной связью. Из двух нуклеотидов получается динуклеотид, из трех нуклеотидов — тринуклеотид, из многих — полинуклеотид. Каждая цепь ДНК и представляет собой полинуклеотид, т. е. длинную цепь, в которой в строго определенном и для каждой ДНК всегда постоянном порядке следуют нуклеотиды. Достаточно переставить хотя бы один нуклеотид — и возникнет новая структура, с новыми свойствами. Произведем несложный подсчет. Молекулярная масса одного нуклеотида в среднем равна 330. Молекулярную массу одной цепи ДНК примем равной 10 "млн. Отсюда следует, что такая цепь состоит из 30 000 нуклеотидов. Хотя в строении ДНК участвуют всего 4 нуклеотида, но при таком огромном их числе, входящем в каждую цепь ДНК, нетрудно представить себе, какое гигантское число изомеров ДНК может существовать.
Познакомимся теперь, как располагаются друг относительно друга цепи ДНК, когда образуется спираль, и какие силы удерживают цепи между собой.
На рисунке 72 изображен небольшой участок двойной спирали ДНК. Азотистые основания одной цепи располагаются точно против азотистых оснований другой. Обратите внимание: в расположении противолежащих нуклеотидов нет ничего случайного: против А одной цепи оказывается всегда Т на другой цепи, а против Г только Ц на другой. Никаких других вариантов не бывает. Объясняется это тем, что в А и Т, так же как в Г и Ц, края молекул азотистых оснований соответствуют друг другу геометрически (как две половинки разбитого стекла), поэтому они могут тесно сблизиться друг с другом и образовать между собой водородные связи. При этом между Г и Ц образуются 3 водородные связи, а между А и Т только 2. Связь Г—Ц, таким образом, более прочная, чем А—Т. Понятно теперь, почему говорит, что в паре А—Т, а также в паре Г—Ц один нуклеотид дополняет другой. Слово «дополнение» на латинском языке — «комплемент». Принято поэтому говорить, что Г является комплементарным нуклеотидом к Ц, а Ц — комплементарным к Г; А — комплементарен к Т, и наоборот, Т комплементарен к А. Если на каком-нибудь участке цепи ДНК следуют один за другим нуклеотиды: А, Г, Г, Ц, Т, А, Ц, Ц, то на противолежащем участке другой цепи окажутся комплементарные к ним нуклеотиды: Т, Ц, Ц, Г, А, Т, Г, Г. Таким образом, если известен порядок следования нуклеотидов в одной цепи, то по принципу комплементарности сразу же выясняется порядок следования нуклеотидов в другой цепи.
Слабые связи, повторенные многократно, дают прочное соединение. Двойная спираль ДНК, «прошитая» многочисленными «слабыми» водородными связями, образует структуру, с одной стороны, достаточно устойчивую, а с другой стороны, подвижную: она легко раскручивается и легко восстанавливает свою двутяжевую структуру. Почти вся ДНК содержится в ядре клетки. Содержание ДНК в ядрах отличается постоянством. В ядре любой клетки человека (кроме половых) содержится 6,6X10-12 г ДНК, в ядрах половых клеток ДНК ровно вдвое меньше – 3.3x10-12 г.
Редупликация ДНК
Принцип комплементарности, лежащий в основе структуры ДНК, позволяет понять, как синтезируются новые молекулы ДНК при делении клетки.
Этот синтез основан на замечательной способности молекулы ДНК к удвоению и лежит в основе передачи наследственных свойств от материнской клетки к дочерним. Процесс удвоения молекул ДНК происходит в клетке незадолго перед ее делением.
Спиральная двутяжевая цепь ДНК начинает с одного конца расходиться, и на каждой цепи из находящихся в окружающей среде свободных нуклеотидов собирается новая цепь. Сборка новой цепи идет в точном соответствии с принципом комплементарности. Против каждого А встает Т, против Г — Ц и т. д. В результате вместо одной молекулы ДНК возникают две молекулы такого же точно нуклеотидного состава, как и первоначальная. Этот процесс называется редупликацией, т. е. удвоением. Одна цепь в каждой вновь образовавшейся молекуле ДНК происходит из первоначальной молекулы, а другая синтезируется вновь.
Синтез ДНК представляет собой ферментативный процесс. Он осуществляется в результате деятельности фермента ДНК — полимеразы. ДНК только задает порядок расположения нуклеотидов, а процесс редупликации осуществляет белок- Предполагается, что фермент как бы ползет вдоль длинной двутяжевой молекулы ДНК от одного конца до другого и позади себя оставляет раздвоенный «хвост».
РНК. Существует несколько разных РНК- Они носят название в зависимости от выполняемой в клетке функции. Один вид РНК называется транспортные РНК (т-РНК), так как они транспортируют аминокислоты к месту синтеза белка. Другие РНК называются информационными (и-РНК): эти РНК переносят информацию о структуре белка, который должен синтезироваться.
Структура РНК очень сходна со структурой ДНК, однако есть и отличия. В структуре РНК нет двойной спирали, по своему строению она сходна с одной из цепей ДНК- РНК, как и ДНК, — полимер. Ее мономерами, так же как и у ДНК, служат нуклеотиды. Нуклеотиды РНК близки, хотя и не тождественны, нуклеотидам ДНК. Так же как и нуклеотиды ДНК, нуклеотиды РНК состоят из остатков азотистого основания, пентозы и фосфорной кислоты. Азотистые основания в трех нуклеотидах РНК такие же, как у ДНК (аденин, гуанин и цитозин). В четвертом нуклеотиде вместо тимина присутствует очень близкий к нему по строению урацил, и нуклеотид называется урациловым (У). Нуклеотиды РНК отличаются от нуклеотидов ДНК и по характеру углевода: в нуклеотидах ДНК углеводом является дезок-сирибоза, а в РНК — рибоза. Характер соединения нуклеотидов при образовании цепей РНК такой же, как при образовании цепей ДНК: нуклеотиды сцепляются друг с другом ковалентными связями между рибозой одного нуклеотида и фосфорной кислотой соседнего.
Как уже сказано, существует несколько типов РНК. Т-РНК имеют самые короткие молекулы, их молекулярная масса всего 25—30 тыс. И-РНК по размерам гораздо больше, чем т-РНК. Их молекулярная масса колеблется от 100 000 до 1000 000. Содержание РНК в клетке непостоянно. Оно сильно увеличивается, когда в клетках происходит интенсивный синтез белка.
АТФ. Это сокращенное название аденозинтрифосфорной кислоты. АТФ содержится в каждой клетке животных и растений. Количество АТФ колеблется и в среднем составляет 0,04% (на сырую массу клетки). Наибольшее количество АТФ содержится в скелетных мышцах — 0,2—0,5%. По химической структуре АТФ является нуклеотидом, и, как у всякого нуклеотида, в ней имеется азотистое основание (аденин), пентоза (рибоза) и фосфорная кислота. Однако в части, содержащей фосфорную кислоту, молекула АТФ имеет существенные отличия от обычных нуклеотидов. У нее в этой части сконденсированы три молекулы фосфорной кислоты (рис. 74). Это очень неустойчивая структура. Самопроизвольно, а особенно легко под влиянием фермента в АТФ разрывается связь между Р и О, и к f освободившимся связям присоединяется одна или две молекулы воды, причем отщепляется одна или две молекулы фосфорной кислоты. Если отщепляется одна молекула фосфорной кислоты, то АТФ переходит в АДФ, т. е. в аденозиндифосфорную кислоту; если же отщепляются две молекулы фосфорной кислоты, то АТФ переходит в АМФ, т. е. в аденозинмонофосфорную кислоту. Реакция отщепления каждой молекулы фосфорной кислоты от АТФ сопровождается большим энергетическим эффектом, а именно отщепление одной грамм-молекулы фосфорной кислоты сопровождается освобождением почти 40 кдж (10 000 кал). Это очень большая величина. Все другие экзотермические реакции клетки сопровождаются значительно меньшим выходом Энергии. Самые эффективные из них дают не более 8—10 кдж (2000—2500 кал). Чтобы под черкнуть такую особенно высокую энергетическую эффективность фосфорнокислородной связи в АТФ, ее называют связью, богатой энергией, или макроэргической связью, и наличие такой связи обозначают не черточкой, как обычно, а знаком. В АТФ имеются две макроэргические связи.
Значение АТФ в жизни клетки очень велико. Как мы увидим дальше, она играет центральную роль в клеточных превращениях энергии. АТФ в реакциях, как правило, теряет одну молекулу фосфорной кислоты и переходит в АДФ. Из АДФ же путем присоединения фосфорной кислоты снова синтезируется АТФ. Понятно, что эта реакция идет с поглощением энергии (40 кдж, или 10 000 кал) на грамм-моль.
1. Обмен веществ и энергии в клетке
Для химических реакций, протекающих в клетке, характерны величайшая организованность и упорядоченность: каждая реакция протекает в строго определенном месте. Молекулы ферментов расположены в один слой на внутренних структурах — мембранах митохондрий и эндоплазматической сети, выстилая их, как кафель стенку. При этом местоположение ферментов не случайно: они расположены в том порядке, в котором идут реакции. Мембраны клетки, выстланные молекулами ферментов, представляют своего рода «каталитический конвейер», на котором с исключительной точностью осуществляются химические реакции.
Пластический и энергетический обмен (ассимиляция и диссимиляция). В клетке обнаружена примерно тысяча ферментов. С помощью этого мощного каталитического аппарата осуществляется сложнейшая и многообразная химическая деятельность. Из громадного числа химических реакций клетки выделяются два противоположных по характеру типа реакций. Первый из них представляет реакции синтеза. В клетке постоянно идут процессы созидания. Из простых веществ образуются более сложные, из низкомолекулярных — высокомолекулярные. Синтезируются белки, сложные углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты. Синтезированные вещества используются для построения разных частей клетки, ее органоидов, секретов, ферментов, запасных веществ. Синтетические реакции особенно интенсивно идут в растущей клетке, но и у вполне взрослой, т. е. закончившей рост и развитие, клетки постоянно происходит синтез веществ для замены молекул, израсходованных и износившихся в процессе функционирования или разрушенных при повреждении. На место каждой разрушенной молекулы белка или какого-нибудь другого вещества встает новая молекула. Таким путем клетка сохраняет постоянной свою форму и химический состав, несмотря на непрерывное их изменение в процессе жизнедеятельности.
Синтез веществ, идущий в клетке, называется биологическим синтезом или сокращенно биосинтезом.
Все реакции биосинтеза идут с поглощением энергии.
Совокупность реакций биосинтеза называется пластическим обменом или ассимиляцией. Первое слово происходит от греческого «пластикос», что значит скульптурный. Так же как скульптор из глины или мрамора лепит (высекает) изваяние, так из веществ, синтезированных в процессе биосинтеза, клетка создает свое тело. Второе слово (ассимиляция) происходит от латинского «симилис» (сходный, подобный). Смысл этого термина состоит в том, что поступающие в клетку из внешней среды пищевые вещества, резко отличающиеся от веществ клетки, в результате химических превращений становятся подобными веществам клетки.
Второй тип химических реакций клетки — реакции расщепления. Сложные вещества распадаются на более простые, высокомолекулярные — на низкомолекулярные. Белки распадаются на аминокислоты, крахмал — на глюкозу. Эти вещества расщепляются на еще более низкомолекулярные соединения, и в конце концов образуются совсем простые, бедные энергией вещества: СО2 и Н2О. Реакции расщепления в большинстве случаев сопровождаются выделением энергии. Биологическое значение этих реакций состоит в обеспечении клетки энергией, необходимой для ее деятельности. Любая форма активности — движение, секреция, биосинтез и др. — нуждается в затрате энергии, которая черпается из энергии, освобождаемой в результате химических реакций расщепления.
Совокупность реакций расщепления называется энергетическим обменом клетки или диссимиляцией. Диссимиляция прямо противоположна ассимиляции: в результате расщепления вещества утрачивают сходство с веществами клетки.
Пластический и энергетический обмены (ассимиляция и диссимиляция) находятся между собой в неразрывной связи. Связь эта состоит в том, что, с одной стороны, реакции биосинтеза нуждаются в затрате энергии, которая черпается из реакций расщепления. С другой стороны, для осуществления реакций энергетического обмена необходим постоянный биосинтез обслуживающих эти реакции ферментов, так как в процессе своей работы они изнашиваются и разрушаются.
Обмен веществ и энергии
Сложные системы реакций, составляющие процесс пластического и энергетического обмена, тесно связаны не только между собой, но и с внешней средой. Из внешней среды в клетку поступают пищевые вещества, которые служат материалом для реакций пластического обмена, а в реакциях расщепления из них освобождается энергия, необходимая для функционирования клетки. Во внешнюю же среду, выделяются продукты, которые клеткой более не могут быть использованы.
Совокупность всех ферментативных реакций клетки, т. е. совокупность пластического и энергетического обменов (ассимиляции и диссимиляции), связанных между собой и с внешней средой, называется обменом веществ и энергии. Этот процесс является основным условием поддержания жизни клетки, источником ее роста, развития и функционирования.
АТФ как единое и универсальное энергетическое вещество. Любое проявление жизнедеятельности, любая функция клетки требуют затраты энергии. Энергия нужна для движения, для биосинтетических реакций и различных других форм клеточной активности.
Каким же образом энергия реакций расщепления используется клеткой для различных ее функций?
Любая деятельность клетки всегда точно совпадает во времени с распадом АТФ.
При усиленной, но кратковременной работе, например при беге на короткую дистанцию, мышца работает почти исключительно за счет содержащейся в ней АТФ. При усиленной секреции в секреторных клетках также идет интенсивное расщепление АТФ. При синтезе сложных веществ, например при синтезе сложных углеводов или белка, одновременно с синтетической реакцией идет распад АТФ. Отсюда следует, что непосредственным источником энергии и для сокращения мышц, и для секреции, и для синтеза сложных соединений в клетке является энергия, освобождающаяся при расщеплении АТФ. Так как запас АТФ в клетке ограничен, то ясно, что после распада АТФ' должно произойти ее восстановление. Так оно в действительности и происходит. В этом и заключается биологический смысл остальных реакций энергетического обмена. Функция этих реакций одна: их энергия используется для восполнения убыли АТФ. Понятно поэтому, что при длительной работе содержание АТФ в клетке существенно не изменяется. Это объясняется тем, что реакции расщепления углеводов и других веществ обеспечивают быстрое и полное восстановление израсходованной АТФ. Таким образом, АТФ — единый и универсальный источник энергии для функциональной деятельности клетки. Отсюда понятно, что возможна передача энергии из одних частей клетки в другие. Синтез АТФ может происходить в одном месте клетки и в одно время, а использоваться она может в другом месте и в другое время. Синтез АТФ в основном происходит в митохондриях клетки. Образовавшаяся здесь АТФ по каналам эндоплазматической сети направляется в те места клетки, где возникает потребность в энергии.
Три этапа энергетического обмена. Для изучения энергетического обмена клетки его удобно разделить на 3 последовательных этапа. Рассмотрим эти этапы на примере животной клетки.
Первый этап подготовительный. На этом этапе крупные молекулы углеводов, жиров, белков, нуклеиновых кислот распадаются на небольшие молекулы: из крахмала образуется глюкоза, из жиров — глицерин и жирные кислоты, из белков — аминокислоты, из нуклеиновых кислот — нуклеотиды. Распад веществ на этом этапе сопровождается незначительным энергетическим эффектом. Вся освобождающаяся при этом энергия рассеивается в виде тепла.
Второй этап энергетического обмена называется без кислородным или неполным. Вещества, образовавшиеся в подготовительном этапе, — глюкоза, глицерин, органические кислоты, аминокислоты и др. — вступают на путь дальнейшего распада. Это сложный, многоступенчатый процесс. Он состоит из ряда следующих одна за другой ферментативных реакций. Ферменты, обслуживающие этот процесс, расположены на внутриклеточных мембранах правильными рядами. Вещество, попав на первый фермент этого ряда, передвигается, как на конвейере, на второй фермент, далее на третий и т. Д. Это обеспечивает быстрое и эффективное течение процесса. Разберем его на примере без кислородного расщепления глюкозы, которое имеет специальное название — гликолиза. Гликолиз представляет собой совокупность более десятка последовательных ферментативных реакций. В нем принимают участие 13 ферментов и образуются 12 промежуточных веществ. Не останавливаясь на отдельных реакциях гликолиза, укажем, что на первую ступень ферментного конвейера вступает глюкоза, а с последней сходят две молекулы молочной кислоты. Суммарное уравнение гликолиза должно быть записано так:
C6h22O6 = 2C3H6O3
Глюкоза Молочная кислота
Процесс гликолиза происходит у всех животных клеток и у некоторых микроорганизмов. Всем известное молочнокислое брожение (при скисании молока) вызывается молочнокислыми грибками и бактериями. По механизму оно вполне тождественно гликолизу. Спиртовое брожение тоже сходно с гликолизом. Большая часть реакций гликолиза и брожение совпадают полностью. Различие состоит лишь в заключительной стадии: при гликолизе процесс заканчивается образованием молочной кислоты, а при брожении добавляется еще одно звено. Из молочной кислоты под влиянием фермента, содержащегося в дрожжах, выделяется СО2 и образуется этиловый спирт:
C3H6O3 = CO2 + C2H5OH
Таким образом, суммарное уравнение спиртового брожения должно быть записано так:
C6h22O6 = 2CO2 + 2C2H5OH
Глюкоза Этиловый спирт
Как видно из уравнений гликолиза и брожения, в этих процессах кислород не участвует, почему они и называются без кислородными процессами. Вполне ясно также, почему эти процессы называются неполными: полным расщеплением глюкозы будет разрушение ее до конца, т. е. превращение ее в простейшие соединения (СО2 и Н2О), что соответствует уравнению:
C6h22O6 + 6O2 = 6CO2 + 6h3O
Почти все промежуточные реакции при без кислородном расщеплении глюкозы идут с освобождением энергии. Каждая отдельная реакция дает небольшой выход энергии, а в сумме получается немалая величина: расщепление одной грамм-молекулы глюкозы (180 г) на две грамм-молекулы молочной кислоты дает почти 200 кдж (50 000 кал). Если бы энергия, освобождающаяся при превращении глюкозы в молочную кислоту, освободилась сразу, в результате одной реакции, то это привело бы к опасному перегреву и повреждению клетки. Разделение же процесса на ряд промежуточных звеньев обусловливает постепенное выделение энергии, что предохраняет клетку от теплового повреждения.
Процесс гликолиза идет только в присутствии АТФ и АДФ, так как оба эти нуклеотида являются обязательными участниками происходящих реакций. АТФ необходима в начале гликолиза, АДФ — в конце. АТФ фосфорилирует глюкозу: передавая глюкозе остаток фосфорной кислоты, АТФ при этом переходит в АДФ. АДФ обеспечивает обратный процесс: дефосфорилирование промежуточных продуктов гликолиза. Присоединяя остаток фосфорной кислоты, АДФ превращается в АТФ. В конце гликолиза АТФ всегда образуется больше, чем ее тратится в начале. В ходе расщепления одной молекулы глюкозы происходит образование двух новых молекул АТФ. Таким образом, в итоге процесса гликолиза АТФ всегда накапливается.
Так как синтез АТФ представляет эндотермический процесс, то очевидно, что энергия для синтеза АТФ черпается за счет энергии реакций без кислородного расщепления глюкозы. Следовательно, энергия, освобождающаяся в ходе реакций гликолиза, не вся переходит в тепло. Часть ее идет на синтез двух богатых энергией фосфатных связей.
Произведем несложный расчет: всего в ходе без кислородного расщепления грамм-молекулы глюкозы освобождается 200 кдж (50 000 кал). На образование одной связи, богатой энергией, при превращении грамм-молекулы АДФ в АТФ затрачивается 40 кдж (10 000 кал). Входе без кислородного расщепления образуются две такие связи. Таким образом, в энергию двух грамм-молекул АТФ переходит 2x40 = 80кдж (2X10 000 = 20 000 кал). Итак, из 200 кДж (50 000 кал) только 80 (20 000) сберегаются в виде АТФ, а 120 (30 000) рассеиваются в виде тепла. Следовательно, в ходе без кислородного расщепления глюкозы 40% энергии сберегается клеткой.
Третий этап энергетического обмена — стадия кислородного, или полного, расщепления, или дыхания. Продукты, возникшие в предшествующей стадии, окисляются до конца, т. е. до СО2 и Н2О.
Основное условие осуществления этого процесса — наличие в окружающей среде кислорода и поглощение его клеткой. Стадия кислородного расщепления, как и предыдущая стадия без кислородного расщепления, представляет собой ряд последовательных ферментативных реакций. Каждая реакция катализируется особым ферментом.
Весь ферментативный ряд кислородного расщепления сосредоточен в митохондриях, где ферменты расположены на мембранах правильными рядами. Сущность каждой из реакций состоит в окислении органической молекулы, которая с каждой ступенью постепенно разрушается и превращается в конечные продукты окисления: СО2 и Н2О.
Все промежуточные реакции кислородного расщепления, как и промежуточные реакции без кислородного процесса, идут с освобождением энергии. Количество энергии, освобождаемой на каждой ступени при кислородном процессе, однако, много больше, чем на каждой ступени без кислородного процесса. В сумме кислородное расщепление дает громадную величину — 2600 кдж (650 000 г-кал) (на две грамм-молекулы молочной кислоты). Если бы при расщеплении содержащейся в клетке молочной кислоты вся энергия освободилась в результате одной реакции, клетка подверглась бы тепловому повреждению. При рассредоточении же процесса на ряд промежуточных звеньев такой опасности нет.
Подробное исследование стадии кислородного расщепления показало, что в ней, как и в без кислородном процессе, происходит образование АТФ из АДФ. В ходе кислородного расщепления двух молекул молочной кислоты синтезируются 36 молекул АТФ, т. е. 36 богатых энергией фосфатных связей.
Теперь должно быть ясным значение третьей стадии энергетического обмена — кислородного расщепления молочной кислоты. Если в ходе без кислородного расщепления освобождается 200 кдж (50 000 кал) (на моль глюкозы), то в стадии кислородного расщепления освобождается еще 2600 кдж (650 000 кал) Если в ходе без кислородного процесса синтезируются две молекулы АТФ, то в процессе кислородного расщепления синтезируется еще 36 молекул АТФ. Иными словами, на стадии кислородного расщепления образуется свыше 90% энергии, получаемой клеткой в процессе расщепления глюкозы.
Займемся снова расчетом. Всего в процессе расщепления глюкозы до СО2 и Н2О, т. е. в ходе процессов без кислородного и кислородного расщепления, синтезируется 2 + 36=38 молекул; АТФ. Таким образом, в потенциальную энергию АТФ переходит 38X40=1520 кдж (38x10 000 = 380 000 кал). Всего же при расщеплении глюкозы (в без кислородную и кислородную стадии), освобождается 200 + 2600 = 2800 кдж (50 000 + 650 000=700 000 кал). Следовательно, почти 55% всей энергии, освобождаемой при расщеплении глюкозы, сберегается клеткой в форме АТФ. Остальная часть (45%) рассеивается в виде тепла. Чтобы оценить значение этих цифр, вспомним, что в паровых машинах из энергии, освобождаемой при сгорании угля, в полезную форму преобразуется не более 12—15%. В лучших турбинах этот процент повышается до 20—25. В двигателях внутреннего сгорания/ он достигает примерно 35%. Таким образом, по эффективности: преобразования энергии живая клетка превосходит все известные преобразователи энергии в технике.
При сопоставлении количества энергии, освобождаемой в ходе без кислородного и кислородного расщепления глюкозы, а также числа молекул АТФ, синтезируемых в обе стадии, что кислородный процесс несравненно более эффективен, чем без кислородный. В стадии без кислородного расщепления освобождается примерно 1/20 часть энергии, освобождающейся при кислородном процессе. Вполне понятно поэтому, что в нормальных условиях для мобилизации энергии в клетке всегда используется как без кислородный, так и кислородный путь расщепления. Если осуществление кислородного процесса затруднено или вовсе невозможно, например при недостатке кислорода, тогда для поддержания жизни остается только без кислородный процесс. Но при этом для получения АТФ в количестве, необходимом для жизнедеятельности, клетке приходится расщеплять очень большое количество глюкозы.
Дыхание и горение
Расщепление органических веществ, происходящее в клетке, часто сравнивают с горением: в обоих случаях происходит поглощение кислорода и выделение продуктов окисления — СО2 и Н2О. Однако состав продуктов горения неопределенный и непостоянный, он меняется в зависимости от соотношения окисляемого вещества и кислорода, зависит от температуры и других условий. Дыхание же происходит в результате высокоупорядоченного процесса, ряда последовательных ферментативных реакций. Образование CO2 при горении происходит в результате прямого присоединения кислорода к углероду, а при биологическом окислении CO2 возникает путем расщепления органических кислот под влиянием ферментов.
Таким образом, вполне ясно, что между процессами горения и биологического окисления существует глубокое, принципиальное различие. Дыхание же происходит в результате высокоупорядоченного процесса, ряда последовательных ферментативных реакций. Образование СОг при горении происходит в результате прямого присоединения кислорода к углероду, а при биологическом окислении СО2 возникает путем расщепления органических кислот под влиянием ферментов.
Таким образом, вполне ясно, что между процессами горения и биологического окисления существует глубокое, принципиальное различие.
Список литературы
1. Азимов А. Краткая история биологии. М.,1997.
2. Кемп П., Армс К. Введение в биологию. М.,2000.
3. Либберт Э. Общая биология. М.,1978 Льоцци М. История физики. М.,2001.
4. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. Учебное пособие. М.,1999.
5. Небел Б. Наука об окружающей среде. Как устроен мир. М.,1993.
www.neuch.ru
|
|
..:::Счетчики:::.. |
|
|
|
|
|
|
|
|