Распознавание сигналов.

Важнейшее свойство мембран — избирательная проницаемость, т.е. мембраны хорошо проницаемы для одних веществ или молекул и плохо проницаемы (или совсем непроницаемы) для других. Это свойство лежит в основе регуляторной функции мембран, обеспечивающей обмен веществ между клеткой и внешней средой. Процесс прохождения веществ через клеточную мембрану называют транспортом веществ. Различают: 1) пассивный транспорт — процесс прохождения веществ, идущий без затрат энергии; 2) активный транспорт — процесс прохождения веществ, идущий с затратами энергии.

13.Нуклеиновые кислоты. ДНК, её строение и роль в клетке.

Нуклеиновые кислоты — фосфорсодержащие биополимеры живых организмов, обеспечивающие хранение и передачу наследственной информации. Они были открыты в 1869 г. швейцарским биохимиком Ф. Мишером в ядрах лейкоцитов, сперматозоидов лосося. Впоследствии нуклеиновые кислоты обнаружили во всех растительных и животных клетках, вирусах, бактериях и грибах.

В природе существует два вида нуклеиновых кислот — дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). Различие в названиях объясняется тем, что молекула ДНК содержит пяти-углеродный сахар дезоксирибозу, а молекула РНК— рибозу. В настоящее время известно большое число разновидностей ДНК и РНК, отличающихся друг от друга по строению и значению в метаболизме.

ДНК находится преимущественно в хромосомах клеточного ядра (99% всей ДНК клетки), а также в митохондриях и хлоропластах. РНК входит в состав рибосом; молекулы РНК содержатся также в цитоплазме, матриксе пластид и митохондрий.

Нуклеотиды — структурные компоненты нуклеиновых кислот. Нуклеиновые кислоты представляют собой биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.

Нуклеотиды —сложные вещества. В состав каждого нуклео-тида входит азотистое основание, пятиуглеродный сахар (рибоза или дезоксирибоза) и остаток фосфорной кислоты.

Существует пять основных азотистых оснований: аденин, гуанин, урацил, тимин и цитозин. Первые два являются пуриновыми; их молекулы состоят из двух колец, первое содержит пять членов, второе — шесть. Следующие три являются пиримидинами и имеют одно пятичленное кольцо.Названия нуклеотидов происходят от названия соответствующих азотистых оснований; и те и другие обозначаются заглавными буквами: аденин — аденилат (А), гуанин — гуанилат (Г), цитозин — цитидилат (Ц), тимин — тимидилат (Т), урацил — уридилат (У).

Количество нуклеотидов в молекуле нуклеиновых кислот бывает разным — от 80 в молекулах транспортных РНК до нескольких сотен миллионов у ДНК.

ДНК. Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных, спирально закрученных относительно друг друга цепочек.

В состав нуклеотидов молекулы ДНК входят четыре вида азотистых оснований: аденин, гуанин, тимин и цитоцин. В полинук-леотидной цепочке соседние нуклеотиды связаны между собой ковалентными связями, которые образуются между фосфатной группой одного нуклеотида и З'-гидроксильной группой пентозы другого. Такие связи называются фосфодиэфирными. Фосфатная группа образует мостик между З'-углеродом одного пентоз-ного цикла и 5-углеродом следующего. Остов цепей ДНК образован, таким образом, сахарофосфатными остатками (рис. 1.2).

Хотя в состав ДНК входит четыре типа нуклеотидов, благодаря различной последовательности их расположения в длинной цепочке достигается огромное разнообразие этих молекул.

Полинуклеотидная цепь ДНК закручена в виде спирали наподобие винтовой лестницы и соединена с другой, комплементарной ей цепью с помощью водородных связей, образующихся между адени-ном и тимином (две связи), а также гуанином и цитозином (три связи). Нуклеотиды А и Т, Г и Ц называются комплементарными.

В результате у всякого организма число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых, а число гуаниловых — числу цитидиловых. Эта закономерность получила название «правило Чаргаффа». Благодаря этому свойству последовательность нуклеотидов в одной цепи определяет их последовательность в другой. Такая способность к избирательному соединению нуклеотидов называется комплементарностью, и это свойство лежит в основе образования новых молекул ДНК на базе исходной молекулы (репликации, т. е. удвоения).

Цепи в молекуле ДНК противоположно направлены (антипараллельность). Так, если для одной цепи мы выбираем направление от З'-конца к 5'-концу, то вторая цепь с таким направлением будет ориентирована противоположно первой — от 5-конца к З'-концу, иначе говоря, «голова» одной цепи соединяется с «хвостом» другой и наоборот.

Впервые модель молекулы ДНК была предложена в 1953 г. американским ученым Дж. Уотсоном и англичанином Ф. Криком на основе данных Э. Чаргаффа о соотношении пуриновых и пиримидиновых оснований молекул ДНК и результатов рентге-но-структурного анализа, полученных М. Уилкинсом и Р. Франклин. За разработку двухспиральной модели молекулы ДНК Уот-сон, Крик и Уилкинс были удостоены в 1962 г. Нобелевской премии.

ДНК — самые крупные биологические молекулы. Их длина составляет от 0,25 (у некоторых бактерий) до 40 мм (у человека). Это значительно больше самой крупной молекулы белка, которая в развернутом виде достигает длины не более 100—200 нм. Масса молекулы ДНК составляет 6x10-12 г.

Диаметр молекулы ДНК 2 нм, шаг спирали 3,4 нм; каждый виток спирали содержит 10 пар нуклеотидов. Спиральная структура поддерживается многочисленными водородными связями, возникающими между комплементарными азотистыми основаниями, и гидрофобными взаимодействиями. Молекулы ДНК эука-риотических организмов линейны. У прокариот ДНК, напротив, замкнута в кольцо и не имеет ни 3-, ни 5-концов.

При изменении условий ДНК, подобно белкам, может под-. вергаться денатурации, которая называется плавлением. При постепенном возврате к нормальным условиям ДНК ренатурирует.

Функцией ДНК является хранение, передача и воспроизведение в ряду поколений генетической информации. В ДНК любой клетки закодирована информация обо всех белках данного организма, о том, какие белки, в какой последовательности и в каком количестве будут синтезироваться. Последовательность аминокислот в белках записана в ДНК так называемым генетическим (триплетным) кодом.

Основным свойством ДНК является ее способность к репликации.

Репликация — это процесс самоудвоения молекул ДНК, происходящий под контролем ферментов. Репликация осуществляется перед каждым делением ядра. Начинается она с того, что спираль ДНК временно раскручивается под действием фермента ДНК-полимеразы. На каждой из цепей, образовавшихся после разрыва водородных связей, по принципу комплементарности синтезируется дочерняя цепь ДНК. Материалом для синтеза служат свободные нуклеотиды, которые есть в ядре (рис. 1.3).

Таким образом, каждая полинуклеотидная цепь выполняет роль матрицы для новой комплементарной цепи (поэтому процесс удвоения молекул ДНК относится к реакциям матричного синтеза). В результате получается две молекулы ДНК, у каждой из которых ' одна цепь остается от родительской молекулы (половина), а другая — вновь синтезированная. Причем одна новая цепь синтезируются сплошной, а вторая — сначала в виде коротких фрагментов, которые затем сшиваются в длинную цепь специальным ферментом—ДНК-лигазой. В результате репликации две новые молекулы ДНК представляют собой точную копию исходной молекулы.

Биологический смысл репликации заключается в точной передаче наследственной информации от материнской клетки к дочерним, что и происходит при делении соматических клеток.

14.Рибонуклеиновые кислоты, их виды, строение, назначение.

РНК. Строение молекул РНК во многом сходно со строением молекул ДНК. Однако имеется и ряд существенных отличий. В молекуле РНК вместо дезоксирибозы в состав нуклеотидов входит рибоза, вместо тимидилового нуклеотида (Т) — уридило-вый (У). Главное отличие от ДНК состоит в том, что молекула РНК представляет собой одну цепь. Однако ее нуклеотиды способны образовывать водородные связи между собой (например, в молекулах тРНК, рРНК), но в этом случае речь идет о внутри-цепочечном соединении комплементарных нуклеотидов. Цепочки РНК значительно короче ДНК.

В клетке существует несколько видов РНК, которые различаются по величине молекул, структуре, расположению в клетке и функциям:

1. Информационная (матричная) РНК(иРНК). Этот вид наиболее разнороден по размерам и структуре. иРНК представляет собой незамкнутую полинуклеотидную цепь. Она синтезируется в ядре при участии фермента РНК-полимеразы, комплементарнаучастку ДНК, на котором происходит ее синтез. Несмотря на относительно низкое содержание (3—5% РНК клетки), она выполняет важнейшую функцию в клетке: служит в качестве матрицы для синтеза белков, передавая информацию об их структуре с молекул ДНК. Каждь|й белок клетки кодируется специфической иРНК, поэтому число их типов в клетке соответствует числу видов белков.

2. Рибосомная РНК (рРНК). Это одноцепочечные нуклеиновые кислоты, образующие в комплексе с белками рибосомы — орга-неллы, на которых происходит синтез белка. Рибосомные РНК синтезируются в ядре. Информация об их структуре закодирована в участках ДНК, которые расположены в области вторичной перетяжки хромосом. Рибосомные РНК составляют 80% всей РНК клетки, поскольку в клетке имеется огромное количество рибосом. Рибосомные РНК обладают сложной вторичной и третичной структурой, образуя петли на комплементарных участках, что приводит к самоорганизации этих молекул в сложное по форме тело. В состав рибосом входит три типа рРНК у прокариот и четыре типа рРНК у эукариот.

3. Транспортная (трансферная) РНК(тРНК).Молекула тРНК состоит в среднем из 80 нуклеотидов. Содержание тРНК в клетке — около 15% всей РНК. Функция тРНК — перенос аминокислот к месту синтеза белка. Число различных типов тРНК в клетке невелико (20—60). Все они имеют сходную пространственную организацию. Благодаря внутрицепочечным водородным связям молекула тРНК приобретает характерную вторичную структуру, называемую клеверным листам. Трехмерная же модель тРНК выглядит несколько иначе. В тРНК выделяют четыре петли: акцепторную (служит местом присоединения аминокислоты), антикодоновую (узнает кодон в иРНК в процессе трансляции) и две боковые.

15.Органические вещества в клетках, их назначение.

В клетке содержится множество разнообразных органических соединений, разнообразных по структуре и выполняемым функциям. Органические вещества могут быть низкомолекулярными (аминокислоты, сахары, органические кислоты, нуклеотиды, липиды и т.д.) и высокомолекулярными. Большинство высокомолекулярных органических соединений в клетке являются биополимерами. Полимерами называются молекулы, состоящие из большого числа повторяющихся единиц –мономеров, соединенных друг с другом ковалентными связями. К биополимерам, т.е. к полимерам, входящим в состав клетки, относятся белки, полисахариды и нуклеиновые кислоты.

Особую группу органических соединений клетки составляют липиды (жиры и жироподобные вещества). Все они являются гидрофобными соединениями, т.е. нерастворимы в воде, но растворимы в неполярных органических растворителях (хлороформе, бензоле, эфире) К липидам относятся нейтральные жиры, фосфолипиды, воски, стероиды и некоторые другие соединения. Функции липидов в живых организмах разнообразны. Фосфолипиды присутствуют во всех клетках, выполняя структурную функцию в качестве основы биологических мембран. Стероид холестерин является важным компонентом мембран у животных. Нейтральные жиры и некоторые другие липиды обеспечивают энергетическую функцию. Они накапливаются в живых организмах в качестве запасных питательных веществ. При окислении 1 г жира высвобождается 38 кДж энергии, что в два раза больше, чем при окислении такого же количества глюкозы. С энергетической функцией жиров связана их запасающая функция. В виде жира хранится значительная часть энергетического запаса организма. Кроме того, жиры служат источником воды, которая выделяется при его окислении. Это особенно важно для пустынных животных, испытывающих дефицит воды. Например, именно жировые отложения находятся в горбе у верблюда. Для ряда липидов свойственна защитная функция. У млекопитающих подкожный жир выступает в качестве термоизолятора. Воск предохраняет перья и шерсть животных от смачивания. Ряд липидов выполняет в организме регуляторную функцию. Например, гормоны коры надпочечников по своей химической природе являются стероидами. Часть липидов принимают активное участие в обмене веществ, например жирорастворимые витамины А, D, E и K.

Углеводы (сахары, сахариды) представляют собой соединения с общей химической формулой Сn(H2O)n. По количеству звеньев в полимерной цепи различают три основных класса углеводов: моносахариды (простые сахары),олигосахариды (состоят из 2-10 молекул простых сахаров)и полисахариды (состоят более чем из 10 молекул простых сахаров). В зависимости от числа атомов углерода, входящих в состав моносахарида, различают триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и гептозы. В природе наиболее распространены гексозы (глюкоза и фруктоза) и пентозы (рибоза идезоксирибоза). Глюкоза является основным источником энергии для клетки, при полном окислении 1 г глюкозы выделяется 17,6 кДж энергии. Рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот. Из олигосахаридов наиболее часто встречаются дисахариды мальтоза (солодовый сахар), лактоза (молочный сахар), сахароза (свекловичный сахар). Моносахарида и дисахариды хорошо растворимы в воде и обладают сладким вкусом. Полисахариды имеют высокую молекулярную массу, не имеют сладкого вкуса и неспособны растворяться в воде. Они являются биополимерами. К наиболее распространенным в природе полисахаридам относятся полимеры глюкозы крахмал, гликоген и целлюлоза, а такжехитин, состоящий из остатков глюкозамина. Крахмал является основным запасным веществом у растений, гликоген – у животных. Целлюлоза и хитин выполняют защитную функцию, обеспечивая прочность покровов растений, животных и грибов. Таким образом, основные функции углеводов в природе - энергетическая, запасающая и структурная.

Белки– это биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты. В образовании белков участвует 20 различных аминокислот. Аминокислоты в молекулах белка соединены ковалентными пептидными связями. В молекулу белка может входить до нескольких тысяч аминокислот. Выделяют 4 уровня пространственной организации молекулы белков. Последовательность аминокислот в полипептидной цепочке называется первичной структурой белка. Первичная структура молекулы любого белка уникальна и определяет его пространственную организацию, свойства и функции в клетке. Вторичная структура белка определяется укладкой цепочки аминокислот в определенные структуры, называемые a-спиралью и b-слоем. Вторичная структура белка формируется за счет водородных связей. Третичная структура образуется при сворачивании полипептидной цепи с элементами вторичной структуры в клубок (глобулу) и поддерживается за счет ионных, гидрофильных и ковалентных (дисульфидных) связей между различными остатками аминокислот. Четвертичная структура характерна для белков, состоящих из нескольких полипептидных цепей. Утрата белковой молекулой своей структурной организации, например вследствие нагревания, называется денатурацией. Денатурация может быть обратимой и необратимой. При обратимой денатурации может нарушаться четвертичная, третичная и вторичная структуры белка, но первичная структура не нарушается, и при возвращении нормальных условий за счет этого возможна ренатурация – восстановление нормальной конфигурации. При нарушении первичной структуры денатурация бывает необратимой.

Важнейшей функцией белков является каталитическая. Все ферменты, биологические катализаторы являются белками. Благодаря ферментам скорость химических реакций в клетке возрастает в миллионы раз. Ферменты высокоспецифичны: каждый фермент катализирует определенный тип химической реакции в клетке. Именно благодаря ферментам возможны все реакции обмена веществ, происходящие в живых организмах.

+ нуклеиновые кислоты!(см.выше вопрос 13)

16.Минеральные вещества в клетках, их роль, назначение. Осмотические процессы в растительных и животных клетках.

В зависимости от содержания в организме минеральные вещества делят на 3 группы: макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.

Макроэлементы представляют собой группу неорганических химических веществ, присутствующих в организме от нескольких десятков граммов до более килограмма. Рекомендуемая суточная доза потребления составляет более 200 мг. К ним относятся кальций, магний, фосфор, калий, натрий, хлор и сера. Макроэлементы обеспечивают нормальное функционирование всех систем и органов, из них "построены" клетки тела. Без них невозможен обмен веществ в организме человека.

К микроэлементам относятся минеральные вещества, содержание которых в организме составляет от нескольких граммов до десятых долей грамма. Потребность в них исчисляются в миллиграммах, но они участвуют в биохимических процессах и необходимы организму. К ним относятся: железо, медь, марганец, цинк, кобальт, йод, фтор, хром, молибден, ванадий, никель, стронций, кремний и селен. В последнее время стал использоваться заимствованный из европейских языков термин микронутриент.

Ультрамикроэлементы содержатся в организме в ничтожно малых количествах, но обладают высокой биологической активностью. Главными представителями являются золото, свинец, ртуть, серебро, радий, рубидий, уран. Некоторые из них отличаются не только малым содержанием в обычных продуктах питания, но и токсичностью, если их потреблять в сравнительно больших дозах.

МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА – РОЛЬ В ОРГАНИЗМЕ

Минеральные вещества играют большую и многообразную роль в организме человека. Они входят в его структуру и выполняют большое количество важных функций.