Общая биология
Пособие для поступающих в ВУЗыАвтор Галкин.
Введение.
Биология – наука о жизни. Это совокупность научных дисциплин, изучающих живое. Таким образом, объектом исследования биологии является жизнь во всех ее проявлениях. Что же такое жизнь? Полного ответа на этот вопрос до сего времени нет. Из многочисленных определений этого понятия приведем наиболее популярное. Жизнь – особая форма существования и физико-химического состояния белковых тел, характеризуемая зеркальной асимметрией аминокислот и сахаров, обменом веществ, гомеостазом, раздражимостью, самовоспроизведением, системным самоуправлением, приспособляемостью к среде, саморазвитием, перемещением в пространстве, передачей информации, физической и функциональной дискретностью отдельных особей или общественных конгломератов, а также относительной самостоятельностью надорганизменных систем, при общем физико-химическом единстве живого вещества биосферы.
Система биологических дисциплин включает направление исследований по систематическим объектам: микробиология, зоология, ботаника, учение о человеке, и т. п. Наиболее широкие закономерности, раскрывающие суть жизни, ее формы и закономерности развития рассматривает общая биология. Эта область знаний традиционно включает учение о возникновении жизни на Земле, учение о клетке, индивидуальном развитии организмов, молекулярную биологию, дарвинизм ( эволюционное учение ), генетику, экологию, учение о биосфере и учение о человеке.
Возникновение жизни на земле.
Проблема возникновения жизни на Земле была и остается главнейшей проблемой наряду с космологией и познанием найти строение материи. Современная наука не располагает прямыми доказательствами того, как и где возникла жизнь. Существуют лишь логические построения и косвенные свидетельства полученные путем модельных экспериментов, и данные в области палеонтологии, геологии, астрономии и т. п.
В научной биологии наиболее известны гипотезы возникновения жизни на Земле является теория панспермии С. Аррениуса и теория возникновения жизни на Земле как результат длительного эволюционного развития материи предложенная А. И. Опариным.
Теория панспермии широкое распространение имела в конце 19 начала 20 века. Да и сейчас она имеет много сторонников.
Согласно этой теории живые существа были занесены на Землю из космического пространства. Особенно широкое хождение имели предположения заносе зародышей живых организмов на Землю с метеоритами или космической пылью. До сего времени в метеоритах пытаются обнаружить какие признаки живого. В 1962 году американские ученые, в 1982 году ученые России сообщили об обнаружении в метеоритах остатков организмов. Но вскоре было показано что найденные структурные образования фактически являются минеральными гранулами и лишь по виду напоминают биологические структуры. В 1992 году появились работы американских ученых, где они на основании исследования материала подобранного в Антарктиде, описывают наличие в метеоритах остатков живых существ напоминающих бактерии. Что ждет это открытие покажет время. Но, интерес к теории панспермии не угас до сего времени.
Начало систематической разработки проблемы возникновения жизни на Земле было положено в 20-х годах нашего века. В 1924 году вышла в свет книга А. И. Опарина «Происхождение жизни» и в 1929 году статья Д. Холдейна на это же тему. Но, как позже отмечал сам Холдейн, в его статье вряд ли можно было найти что-либо новое, чего не было у Опарина. Поэтому теория о происхождении жизни на Земле в результате «биологического большого взрыва» смело можно назвать теорией Опарина, а не теорией Опарина-Холдейна.
Согласно теории Опарина жизнь возникла на Земле. Этот процесс складывался из следующих этапов: 1) Из неорганических веществ образуются органические вещества; 2) происходит быстрая физико-химическая перестройка первичных органических веществ. Зеркально асимметричные органические предбиологические вещества в условиях активной вулканической деятельности, высокой температуры, радиации, усиленного ультрафиолетового излучения, грозовых размеров быстро . При полимеризации левовращающих аминокислот образовались первичные белки. Одновременно возникли азотистые основания – нуклеотиды; 3) физико-химические процессы способствовали образованию коацерватных капель ( коацерватов ) – структур типа геля; 4) образованию полинуклеотидов – ДНК и РНК и включению их в коацерваты; 5) образование «пленки» которая отделила коацерваты от окружающей среды, что привело к возникновению предбиологической системы, которая являлась открытой системой. Имела способность к матричному синтезу белка и разложению.
В последующие годы теория Опарина получила полное подтверждение. Огромное достоинство теории состоит в том, что большая ее часть может быть проверена или логически связана с поддающимися проверке положениями.
Чрезвычайно важным шагом в процессе возникновения жизни был переход неорганических соединений углерода в органические. Данные астрономии показали, что и сейчас повсеместно происходит образование органических веществ совершенно независимо от жизни. Отсюда был сделан вывод, что такой синтез проходил на Земле при образовании земной коры. Начало серии работ по синтезу было положено в 1953 году С. Миллером, который синтезировал ряд аминокислот при пропускании электрического разряда через смесь газов, предположительно составляющих первичную атмосферу ( водород, пары воды, аммиак, метан ). Меняя отдельные составляющие и факторы воздействия различные ученые получили глицин, аскаргиновую кислоту и другие аминокислоты. В 1963 году моделируя условия древней атмосферы ученые получили отдельные полипептиды с молекулярным весом 3000-9000. За последние годы в институте биохимии РАН и в МГУ детально изучен химический состав, физико-химические свойства и механизм образования коацерватных капель. Было показано, что одновременно с общим процессом эволюции предбиологических систем проходило их превращение в более специализированные структуры.
И тут становится ясным, что естественный отбор должен привести в дальнейшем к возникновению клетки – элементарной структурной и функциональной единицы живого организма.
Основные признаки живого.
Способность к движению. Признаки наглядно появляющиеся у животных, Многие из которых способны активно передвигаться. У простейших органами передвижения являются жгутики, реснички и пр. У более организованных животных появляются конечности. Для растений также характерна способность к движению. У одноклеточной водоросли хламидомонады есть жгутики. Рассеивание спор, распространение семян, передвижение в пространстве с помощью корневищ все это варианты движения.
Способность расти. Все живое способно увеличиваться в размерах и массе за счет растяжения, деления клеток и т. д.
Питание, дыхание, выделение – процессы посредством которых обеспечивается обмен веществ.
Раздражимость – способность реагировать и давать ответные реакции на внешнее воздействие.
Размножение и связанное вместе с ним явление изменчивости и наследственности – самый характерный признак живого. Любой живой организм производит себе подобных. Потомки сохраняют признаки родителей и приобретают признаки только им характерные.
Совокупность перечисленных признаков несомненно характеризует живое как систему образующую обменом веществ, раздражимостью и способностью размножаться, Но следует помнить, что понятие живого значительно сложнее ( см, введение ).
Уровни организации жизни.
Уровень организации – функциональное место биологической структуры определенной степени сложности в общей «системе систем» живого. Обычно выделяют молекулярный ( молекулярно-генетический), клеточный, организменный, популяционно-видовой, биоценотический, биосферный уровни организации.
Элементарной и функциональной единицей жизни является клетка. Клетка обладает почти всеми основными признаками живого, В отличии от так называемых неклеточных организмов ( напр. Вирусов), Которые существуют на молекулярном уровне.
Организм это реальный носитель жизни, характеризующийся всеми ее биосвойствами.
Вид это группа сходных по строению и происхождению особей.
Биоценоз это взаимосвязанная совокупность видов, населяющих более или менее однородный участок суши или водоема.
Биосфера – это совокупность всех биоценозов Земли.
Методы изучения биологии.
Методы современной биологии определяется ее задачами. Одна из основных задач биологии – познание окружающего нас мира живых существ. Методы современной биологии направлены именно на изучение этой проблемы.
Научное исследование обычно начинается с наблюдений. Этот метод изучения биологических объектов использовался с момента начала осмысленного существования человека. Этот метод позволяет создать представление об изучаемом объекте, собрать материл для дальнейшей работы.
Наблюдение было основным методом в описательный период развития биологии. На основе наблюдений выдвигается гипотеза.
Следующие шаги в изучении биологических объектов связаны с экспериментом.
Стало основой для перехода биологии от описательной науки к экспериментальной. Эксперимент позволяет проверить результаты наблюдений и получить данные, которые невозможно получить на первом этапе исследования.
Настоящий научный эксперимент должен сопровождаться контрольным экспериментом.
Эксперимент должен обязательно быть воспроизводимым. Это позволит получить достоверные данные и обрабатывать данные с помощью ЭВМ.
В последние годы в биологии широко используется метод моделирования. Создание математических моделей явлений и процессов стало возможным с широким внедрением в биологические исследования ЭВМ.
В качестве примера можно привести алгоритм исследования видовой принадлежности растения. На первом этапе исследователь изучает признаки организма. Результаты наблюдения заносятся в специальный журнал. На основе выявления всех доступных признаков выдвигается гипотеза о принадлежности организма к определенному виду. Верность гипотезы определяется экспериментом. Зная, что представители одного вида свободно скрещиваются и дают плодовитое потомство, исследователь выращивает организм из семян взятых у изучаемого индивидуума и скрещивает выращенный организм с эталонным организмом, видовая принадлежность которого устанавливается заранее. Если в результате этого эксперимента получаются семена, из которых развивается жизнеспособный организм, то гипотеза считается подтвержденной.
Многообразие органического мира.
Многообразие, а также разнообразие жизни на Земле изучает систематика – важнейший раздел биологии.
Отражением разнообразия жизни на Земле являются системы организмов. На Земле обитают представители трех групп организмов: вирусы, прокариоты, эукариоты.
Вирусы – организмы, не имеющие клеточного строения. Прокариоты и эукариоты – это организмы основной структурной единицей которых является клетка. Клетки прокариот не имеют оформленного клеточного ядра. У эукариот клетка имеет настоящее ядро, где ядерный материал отделен от цитоплазмы двумембранной оболочкой.
К прокариотам относятся бактерии и сине-зеленые водоросли. Бактерии это одноклеточные, в основной массе гетерозиготные организмы. Сине-зеленые водоросли это одноклеточные, колониальные или многоклеточные организмы со смешанным типом питания. В клетках сине-зеленых есть хлорофил, обеспечивающий автотрофное питание, но сине-зеленые могут поглощать готовые органические вещества из которых они строят свои собственные высокомолекулярные вещества. В пределах эукариот выделяется три царства: грибы, растения, животные. Грибы – это гетеротрофные организмы тело которых представлено мецелием. Особую группу грибов составляют лишайники, где симбионтами грибов являются одноклеточные или сине-зеленые водоросли.
Растения – это первично автотрофные организмы.
Животные – это гетерозиготные эукариоты.
Живые организмы на Земле существуют в состоянии сообществ – биоценозов.
Вирусы.
Само отношение вирусов к организмов является дискуссионным, т. к. они не могут размножаться вне клетки и не имеют клеточного строения. И все таки большинство биологов считают, что вирусы это мельчайшие живые организмы.
Первооткрывателем вирусов считается русский ботаник Д. И. Ивановский, но только с изобретением электронного микроскопа стало возможным изучения строения этих загадочных структур. Вирусы устроены очень просто. «Сердцевину» вируса составляет молекула ДНК или РНК, Эту «сердцевину» окружает белковая оболочка. У некоторых вирусов появляется липопротеиновая оболочка, которая возникает из цитоплазматической мембраны клетки – хозяина.
Попадая внутрь клетки вирусы приобретают способность к самовоспроизведению. При этом они «выключают» хозяйскую ДНК и используя свою нуклеиновую кислоту, дают команду синтезировать новые копии вируса. Вирусы могут «нападать» на клетки всех групп организмов . Вирусы , которые «нападают» на бактерии получили особое наименование – бактериофаги.
Значение вирусов в природе связано с их способностью вызывать различные заболевания. Это и мозаика листьев, грипп, оспа, корь, полиомиелит, свинка и «чума» двадцатого века – СПИД.
Способ передачи вирусов осуществляется капельножидким путем, контактным путем, с помощью переносчиков ( блохи, крысы, мыши и т. д. ), через фекалии и пищу.
Синдром приобретенного иммунного дефицита ( СПИД ). Вирус СПИДа.
СПИД – инфекционное заболевание вызываемое РНК-содержащим вирусом. Вирус СПИДа имеет палочковидную или овальную, или округлую форму. В последнем случае диаметр его достигает 140 нм. Состоит вирус из РНК, фермента-ревартазы, двух типов белков двух типов гликопротеинов и липидов, образующих внешнюю мембрану. Фермент катализирует в пораженной вирусом клетке реакцию синтеза нити ДНК по матрице вирусной РНК. Вирус СПИДа имеет выраженный к Т-лимфоцитам.
Вирус неустойчив к окружающей среде, чувствителен к многим антисептикам. Инфекционная активность вируса снижается в 1000 раз при прогревании при температуре 56С в течении 30 мин.
Болезнь передается половым путем или через кровь. Заражение СПИДом обычно приводит к летальному исходу!
Основы цитологии.
Основные положения клеточной теории.
Клетка была открыта во второй половине 17 века. Особенно сильно изучение клетки развернулось во второй половине 19 века в связи с созданием клеточной теории. Клеточный уровень исследования сделался ведущим принципом важнейших биологических дисциплин. В биологии оформился новый раздел – цитология. Объектом изучения цитологии являются клетки многоклеточных организмов, а также организмы, тело которых представлено одной клеткой. Цитология изучает строение, химический состав, пути их размножения, адаптивные свойства.
Теоретической базой цитологии является клеточная теория. Клеточная теория была сформулирована в 1838 году Т. Шванном, хотя первые два положения клеточной теории принадлежат М. Шлейдену, который занимался изучением клеток растений. Т. Шванн – известный специалист по строению клеток животных в 1838 году, опираясь на данные работ М. Шлейдена и результаты своих собственных исследований, сделал следующие выводы:
Клетка это наименьшая структурная единица живых организмов.
Клетки образуются в результате деятельности живых организмов.
Клетки животных и растений имеют больше сходств, чем различий.
Клетки многоклеточных организмов связаны между собой структурно и функционально.
Дальнейшее изучение строения и жизнедеятельности позволило узнать о ней много нового. Этому способствовало совершенство микроскопической техники, методов исследования и приход в цитологию многих талантливых исследователей. Было детально изучено строение ядра, проведен цитологический анализ таких важнейших биологических процессов как митоз, мейоз, оплодотворение. Стало известной микроструктура самой клетки. Были открыты и описаны органоиды клетки. Программа цитологических исследований 20 века поставила задачу выяснить и точнее разграничить свойства клетки. Отсюда особое внимание стало уделяться изучению химического состава клетки и механизма поглощения клеткой веществ окружающей средой.
Все эти исследования позволили умножить и расширить положения клеточной теории, основные постулаты которой в настоящее время выглядят следующим образом:
Клетка – основная и структурная единица всех живых организмов
Клетки образуются только из клеток в результате деления.
Клетки всех организмов сходны по своему строению, химическому составу, основным физиологическим функциям.
Клетки многоклеточных организмов образуют единый функциональный комплекс.
Клетки высших растений и животных образуют функционально связанные группы – ткани; из тканей сформированы органы, которые составляют организм.
Особенности строения клеток прокариот и эукариот.
Прокариоты – древнейшие организмы образующие самостоятельное царство. К прокариотам относятся бактерии, сине-зеленые «водоросли» и ряд других мелких групп.
Клетки прокариот не обладают четко выраженным ядром. Генетический аппарат представлен . состоит из кольцевидной ДНК. Отсутствуют в клетке митохондрии и аппарат Гольджи.
Эукариоты – организмы имеющие настоящие ядро. К эукариолтам относятся представители царства растений, царства животных, царства грибов.
Клетки эукариот обычно более крупнее клеток прокариот, разделены на отдельные структурные элементы. ДНК связанная с белком образует хромосомы, которые располагаются в ядре, окруженном ядерной оболочкой и заполненном кариоплазмой. Разделение эукариотических клеток на структурные элементы осуществляется с помощью биологических мембран.
Клетки эукариот. Строение и функции.
К эукариотам относятся растения, животные, грибы.
Строение клеток растений и грибов подробно рассмотрено в разделе ботаника «Пособия для поступающих в ВУЗы» Составленного М. А. Галкиным.
В данном пособии мы укажем на отличительные особенности клетки животных, опираясь на одно из положений клеточной теории. «Между клетками растений и животных больше сходств, чем различий».
Клеточной стенки у клеток животных нет. Она представлена голым протопластом. Пограничный слой клетки животных – гликокаликс это верхний слой цитоплазматической мембраны «усиленный» молекулами полисахаридов, которые входят в состав межклеточного вещества, чем в состав клетки.
Митохондрии имеют складчатые кристы.
В клетках животных есть клеточный центр, состоящий из двух центриолей. Это говорит о том, что любая клетка животных потенциально способна к делению.
Включение в животной клетке представлено в виде зерен и капель ( белки, жиры, углевод гликоген ), конечных продуктов обмена, кристаллов солей, пигментов.
В клетках животных могут быть сократительные, пищеварительные, выделительные вакуоли небольших размеров.
В клетках нет пластид, включений в виде крахмальных зерен, зерен, крупных вакуолей заполненных соком.
Деление клеток.
Клетка образуется только из клетки в результате деления. Эукариотические клетки делятся по типу митоза или по типу мейоза. Оба эти деления протекают в три стадии:
Деление клетки растений по типу митоза и по типу мейоза подробно описано в разделе «Ботаника» пособия для поступающих в вузы составленного М. А. Галкиным.
Здесь мы укажем только особенности деления для клеток животных.
Особенности деления у клеток животных связаны с отсутствием у них клеточной стенки. При делении клетки по типу митоза в цитокинезе уже на первом этапе происходит обособление дочерних клеток.. У растений дочерние клетки оформляются под защитой клеточной стенки материнской клетки, которая разрушается только после появления у дочерних клеток первичной клеточной стенки. При делении клетки по типу мейоза у животных разделение происходит уже в телофазе 1. У растений в телофазе 1 заканчивается образование двуядерной клетки.
Образованию веретена деления в телофазе один предшествует расхождение центриолей к полюсам клетки. От ценриолей начинается образование нитей веретена. У растений нити веретена начинают формироваться от полюсных скоплений микротрубочек.
Движение клеток. Органоиды движения.
Живые организмы состоящие из одной клетки часто обладают способностью к активному движению. Механизмы движения, возникшие в процессе эволюции, весьма разнообразны. Основными формами движения являются – амебоидная и с помощью жгутиков. Кроме того, клетки могут передвигаться путем выделения слизи или за счет движения основного вещества цитоплазмы.
Амебоидное движение получило свое название от простейшего организма – амебы. Органами движения у амебы являются ложные ножки – псевдоподобии являющиеся выступами цитоплазмы. Образуются они в разных местах поверхности цитоплазмы. Могут исчезать и появляться в другом месте.
Движение с помощью жгутиков характерно для многих одноклеточных водорослей ( например хламидомонады), простейших (например эвглена зеленая) и бактерий. Органами движения у этих организмов являются жгутики – цитоплазматические выросты на поверхности цитоплазмы.
Химический состав клетки.
Химический состав клетки тесно связан с особенностями строения и функционирования этой элементарной и функциональной единицы живого.
Как и морфологическом отношении наиболее общим и универсальным для клеток представителей всех царств является химический состав протопласта. Последний содержит около 80% воды, 10% органических веществ и 1% солей. Ведущую роль в образовании протопласта среди них прежде всего белки, нуклеиновые кислоты, липиды и углеводы.
По составу химических элементов протопласт чрезвычайно сложен. В нем содержатся вещества как с небольшим молекулярным весом так, так и вещества с крупной молекулой. 80% веса протопласта составляют высоко молекулярные вещества и лишь 30% приходится на низкомолекулярные соединения. В то же время на каждую макромолекулу приходятся сотни, а на каждую крупную макромолекулы тысячи и десятки тысяч молекул.
Если рассматривать содержание в клетке химических элементов, то первое место следует отдать кислороду (65-25%). Далее идут углерод (15-20%), водород (8-10%) и азот (2-3%). Количество остальных элементов, а а их в клетках обнаружено около ста, значительно меньше. Состав химических элементов в клетке зависит как от биологических особенностей организма, так и от места обитания
.Неорганические вещества и их роль в жизнедеятельности клетки.
К неорганическим веществам клетки относятся вода и соли. Для процессов жизнедеятельности из входящих в состав солей катионов наиболее важны K , Ca , Mg , Fe , Na , NH , из анионов NO , HPO , HPO.
К клетках растений ионы аммония и нитратов восстанавливаются до NH и включаются в синтез аминокислот; У животных аминокислоты идут на построение собственных белков. При отмирании организмов включаются в круговорот веществ в форме свободного азота. Входят в состав белков, аминокислот, нуклеиновых кислот и АТФ. Если фосфоро-фосфаты, находясь в почве, растворяются корневыми выделениями растений и усваиваются. Входят в состав всех мембранных структур, нуклеиновых кислот и АТФ, ферментов, тканей.
Калий содержится во всех клетках в виде ионов К . «Калиевый насос» клетки способствуют проникновению веществ через клеточную мембрану. Активизирует процессы жизнедеятельности клеток, возбуждений и импульсов.
Кальций содержится в клетках в виде ионов или кристаллов солей. Входит в состав крови способствует ее свертыванию. Входит в состав костей , раковин, известковых скелетов коралловых полипов.
Магний содержится в виде ионов в клетках растений. Входит в состав хлорофилла.
Ионы железа входят в состав гемоглобина, содержащегося в эритроцитах, которые обеспечивают транспорт кислорода.
В процессе транспорта веществ через мембрану участвуют ионы натрия.
На первом месте среди веществ , входящих в состав клетки, стоит вода. Она содержится в основном веществе цитоплазме, В клеточном соке, в кариоплазме, в органоидов. Вступает в реакции синтеза, гидролиза и окисления. Является универсальным растворителем, и источником кислорода. Вода обеспечивает тургор, регулирует осмотическое давление. Наконец это среда для физиологических и биохимических процессов происходящих в клетке. С помощью воды обеспечивается транспорт веществ через биологическую мембрану, процесс терморегуляции и прочее.
Вода с другими компонентами – органическими и неорганическими, высокомолекулярными и низкомолекулярными – участвует в образовании структуры протопласта.
Органические вещества (белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты, АТФ), их строение и роль в жизнедеятельности клетки.
Клетка является той элементарной структурой, в которой осуществляются все основные этапы биологического обмена веществ и содержаться все основные химические компоненты живой материи. 80% веса протопласта составляют высокомолекулярные вещества – белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты.
Среди основных компонентов протоплазмы ведущее значение принадлежит белку. Макромолекула белка имеет наиболее сложный состав и строение, и характеризуется чрезвычайно богатым проявлением химических и физико-химических свойств. В ней заключено одно из важнейших свойств живой материи – биологическая специфичность.
Основным структурным элементом молекулы белка являются аминокислоты. В молекулах большинства аминокислот содержится по одной карбоксильной и аминной группе. Аминокислоты в белке связаны между собой посредством пептидных связей за счет карбоксильных и - аминных групп, то есть белок это полимер, мономером которого являются аминокислоты. Белки живых организмов образованы двадцатью «золотыми» аминокислотами.
Совокупность пептидных связей, Объединяющая цепочку аминокислотных остатков, образует пептидную цепь – своеобразный хребет молекул полипептида.
В макромолекуле белка различают несколько порядков структуры – первичную, вторичную, третичную. Первичную структуру белка определяет последовательность аминокислотных остатков. Вторичная структура полипептидных цепей представляет сплошную или прерывистую спираль. Пространственная ориентация этих спиралей или совокупность нескольких полипептидов составляют систему более высокого порядка – третичную структуру, характерную для молекул многих белков. Для крупных молекул белка такие структуры являются лишь субъединицами, взаимное пространственное расположение которых составляет четвертичную структуру.
Физиологически активные белки имеют глобулярную структуру типа клубка или цилиндра.
Аминокислотная последовательность и структура определяют свойства белка, а свойства определяют функцию. Существуют белки не растворимые в воде, а есть белки свободно растворимые в воде. Есть белки растворимые только в слабых растворах щелочи или 60-80% спирте. Отличаются и белки по молекулярному весу, а отсюда по размерам полипептидной цепи. Молекула белка под воздействие определенных факторов способна разрываться или раскручиваться. Это явление носит название денатурации. Процесс денатурации обратим, т. е. белок способен менять свои свойства.
Функции белков в клетке разнообразны. Это прежде всего строительные функции – белок входит в состав мембран. Белки выступают в роли катализаторов. Они ускоряют реакции обмена. Клеточные катализаторы называют ферментами. Выполняют белки так же транспортную функцию. Ярким примером является гемоглобин – агент по переносу кислорода. Известна защитная функция белков. Вспомним образование в клетках веществ, которые связывают и обезвреживают вещества способные нанести вред клетке. Хотя и незначительно, но белки выполняют энергетическую функцию. Распадаясь на аминокислоты они выделяют энергию.
Около 1% сухого вещества клетки составляют углеводы. Углеводы подразделяют на простые сахара, низкомолекулярные углеводы и высокомолекулярные сахара. В состав всех типов углеводов входят атомы углерода, водорода и кислорода.
Простые сахара, или монозы по числу углеродных звеньев в молекуле делятся на пентозы и гептозы. Из низкомолекулярных углеводов в природе наиболее широко распространены сахароза, мальтоза, лактоза. Высокомолекулярные углеводы подразделяются на простые и сложные. К простым относятся полисахариды, молекулы которых состоят из остатков какой- либо одной монозы. Это крахмал, гликоген, Целлюлоза. К сложным относятся пектин, слизи. В состав сложных углеводов кроме моноз, входят продукты их окисления и восстановления.
Углеводы выполняют строительную функцию, составляя основу клеточной стенки. Но главная функция углеводов – энергетическая. При расщеплении сложных углеводов до простых, А простых до углекислого газа и воды выделяется значительное количество энергии.
Во всех клетках животных и растений содержатся липиды. К липидам относятся вещества различной химической природы, Но обладающие общими физико-химическими свойствами, а именно: Не растворимостью в воде и хорошей растворимостью в органических растворителях – эфире, бензоле, бензине, хлороформе.
По химическому составу и строению липиды подразделяются на фосфолипиды, сульфолипиды, стерины, растворимые в жирах пигменты, жиры и воска. Молекулы липидов богаты гидрофобными радикалами и группами.
Велика строительная функция липидов. Основная масса биологических мембран состоит из липидов. В ходе расщепления жиров освобождается большое количество энергии. К липидам относятся некоторые витамины (А, D). Выполняют липиды защитную функцию у животных. Они откладываются под кожей, создавая слой с низкой теплопроводимостью. У верблюда жир это источник воды. Один килограмм жира окисляясь дает один килограмм воды.
Нуклеиновым кислотам, как и белкам принадлежит ведущая роль в обмене веществ и молекулярной организации живой субстанции. С ними связан синтез белка, рост и деление клетки, Образование клеточных структур, а, следовательно, формообразование и наследственность организма.
Нуклеиновые кислоты содержат три основных структурных элемента: фосфорную кислоту, углевод типа пентозы и азотистые основания; соединяясь они образуют нуклеотиды. Нуклеиновые кислоты представляют собой полинуклеотиды, т. е. продукты полимеризации большого количества нуклеотидов. В нуклеотидах структурные элементы связаны в следующей последовательности: фосфорная кислота – пентоза – азотистое основание. При этом с фосфорной кислотой пентоза связана эфирной связью, с основанием – глюкозидной. Связь между нуклеотидами в нуклеиновой кислоте осуществляется через фосфорную кислоту, свободные радикалы которой обуславливают кислые свойства нуклеиновых кислот.
В природе существует два типа нуклеиновых кислот – рибонуклеинновая и дезоксирибонулеинновая (РНК и ДНК). Они отличаются по углеродному компоненту и набору азотистых оснований.
РНК в качестве углеродного компонента содержит рибозу, ДНК содержит дезоксирибозу.
Азотистые основания нуклеиновых кислот являются производными пурина и пирамидина. К первым относятся аденин и гуанин – обязательные компоненты нуклеиновых кислот. Производными пирамидина являются цитозин, тимин, урацил. Из них только цитозин является обязательным для обеих нуклеиновых кислот. Что касается тимина и урацила, то первый характерен для ДНК, второй – для РНК. В зависимости от наличия азотистого основания нуклеотиды называются адениновый, цитозиловый, гуаниновый, тиминовый, урациловый.
Структурное строение нуклеиновых кислот стало известно после величайшего открытия сделанного в 1953 году Уотсоном и Криком.
Молекула ДНК представляет собой две спирально идущие полинуклеотидные цепи, закрученные вокруг общей оси. Эти цепи обращены друг к другу азотистыми основаниями. Последние скрепляют обе цепи на всем протяжении молекулы. В молекуле ДНК возможны только два сочетания: аденин с тимином, и гуанин с цитозином. По ходу спирали в макромолекуле образуется два «желобка» – один малый расположенный между двумя полинуклеотидными цепями, другой – большой представляет проем между витками. Расстояние между парами оснований по оси молекулы ДНК составляет 3, 4 А, В один ход спирали укладывается 10 пар нуклеотидов, соответственно протяженность одного витка равна 3,4 А. Диаметр поперечного сечения спирали равен 20 А. ДНК у эукариот содержится в ядре клетки, где входит в состав хромосом, и в цитоплазме, где она находится в митохондриях и хлоропластах.
Особым свойством ДНК является ее способность удваиваться – этот процесс саморепродукции определят передачу наследственных свойств от материнской клетки дочерним.
Синтезу ДНК предшествует переход ее структуры от двуцепной к одноцепной. После этого на каждой полинуклеотидной цепи , как на матрице формируется новая полинуклеотидная цепь, нуклеотидная последовательность в которой соответствует исходной, такая последовательность определяется принципом комплиментарности оснований. Против каждого А встает Т, против Ц – Г.
Рибонуклеиновая кислота (РНК) это полимер, мономерами которого являются рибонуклеотиды: адениновый, цитозиновый, гуаниновый, урациловый.
В настоящее время различают три вида РНК – структурную, растворимую или транспортную, информационную. Структурная РНК находится главным образом в составе рибосом. Поэтому ее называют рибосомной РНК. Она составляет до 80% всей РНК клетки. Транспортная РНК состоит из 80-80 нуклеотидов. Находится в составе основного вещества цитоплазмы. Составляет примерно 10-15% всей РНК. Играет роль переносчика аминокислот в рибосомы, где осуществляется синтез белка. Информационная РНК весьма не однородна; она может иметь молекулярный вес от 300000 до 2-х и более миллионов и отличается чрезвычайно высокой метаболической активностью. Информационная РНК непрерывно образуется в ядре на ДНК, играющей роль матрицы, и направляется в рибосомы где она участвует в в синтезе белка. В связи с этим информационную РНК называют РНК-посредником. Она составляет 10-5% от общей суммы РНК.
Среди органических веществ клетки особое место занимает аденинтрифосфорная кислота. Она содержит три известных компонента: азотистое основание аденин), углевод (рибоза), и фосфорную кислоту. Особенностью строения АТФ является наличие двух дополнительных фосфатных групп, присоединенных к уже имеющемуся остатку фосфорной кислоты, в результате чего образуются богатые энергией связи. Такие связи называются макроэнеретическими. Одна макроэнергитическая связь в грамм-молекуле вещества заключает в себе до 16000 калорий. Образуется АТФ и АДФ в процессе дыхания за счет энергии, освобождающейся при окислительном распаде углеводов, жиров и пр. Обратный процесс, т. е. переход от АТФ к АДФ, сопровождается выделением энергии, которая непосредственно используется в тех или иных жизненных процессов – в синтезе веществ, в движении основного вещества цитоплазмы, в проведении возбуждений и пр. АТФ является единым и универсальным источником энергоснабжающим источником клетки. Как стало известно в последние годы, АТФ, и АДФ, АМФ являются исходным материалом для образования нуклеиновых кислот.
Регуляторные и сигнальные вещества.
Белки обладают целым рядом замечательных свойств.
Ферменты. Большинство реакций ассимиляции и диссимиляции в организме идут при участии ферментов – белков являющимися биологическими катализаторами. В настоящее время известно существование около 700 ферментов. Все они простые или сложные белки. Последние состоят из белка и кофермента. Коферменты – это различные физиологически активные вещества или их производные – нуклеотиды, флавины и т. д.
Ферменты отличаются чрезвычайно высокой активностью, которая в значительной степени зависит от рН среды. Для ферментов наиболее характерна их специфичность. Каждый фермент способен регулировать, лишь строго определенный тип реакции.
Таким образом, ферменты выполняют функцию ускори