Молекулярная биология Химический состав живых систем
n Термин биология (bios-жизнь, logos –наука) предложен в 1802 г. Ж. Б. Ламарком для обозначения науки о жизни, как особом явлении природы.
n Жизнь-это особая форма существования материи, высшая, по сравнению с физической и химической формами. n Биологическая форма движения материи качественно отличается наличием определенных закономерностей и свойств.
Фундаментальные свойства живого: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Структурная организация Отрицательная энтропия Открытая система Самообновление, самовоспроизведение Раздражимость Адаптация
Фундаментальные свойства живого: Репродукция 8. Наследственность 9. Изменчивость 10. Индивидуальное развитие (онтогенез) 11. Филогенетическое развитие 12. Дискретность и целостность 7.
Уровни организации органического мира: I. Биологические микросистемы II. Биологические мезосистемы III. Биологические макросистемы
Биологические микросистемы: а) молекулярно-генетический уровень б) субклеточный в) клеточный
Биологические мезосистемы: а) тканевый уровень б) органный уровень в) организменный
Биологические макросистемы: а) популяционно-видовой б) биоценотический в) биосферный
Химический состав живых систем n В живых системах обнаружено свыше 80 элементов таблицы Менделеева. n Общая закономерность: чем больше атомная масса элемента, тем он токсичнее, и тем в меньшем количестве присутствует в живых системах.
Элементарный химический состав биоэлементы 99 % Макро Менее 0, 001% 1, 9 % 98% Микро ü ü ü _ _ _ Менее 0, 000001 % Ø Ø Ø _ _ _ Ультрамикро
Все элементы по содержанию их в живых организмах Макро элементы Микро элементы Ультрамикро элементы Кислород 65 - 75 Содержатся в Содержание не очень превышает Углерод 15 - 18 небольших 0, 000001 Азот 1, 5 – 3 количествах: Водород 8 – 10 от 0, 001 до Уран, радий, Магний 0, 02 – 0, 03 0, 000001 Калий 0, 15 – 0, 4 Бор, кобальт, золото, ртуть, бериллий, медь, Натрий 0, 02 – 0, 03 цезий, молибден, Кальций 0, 04 – 2, 0 селен цинк, Железо 0, 01 – 0, 15 ванадий, йод, Сера 0, 15 – 0, 2 бром Фосфор 0, 2 – 1, 0
Химический состав живых систем n Макроэлементы: С, H, О, N. 97%-98% массы клетки n Четыре «кирпичика жизни» n С, Н, О имеются во всех органических соединениях. n N присутствует в белках и нуклеиновых кислотах.
Химический состав живых систем элементы 2 группы (олигобиогеннные более 1%): n S, P, Cl, n и металлы: Mg, Fe, Ca, K, Na, n Несмотря на меньшее содержание они выполняют ряд важнейших функций. n
Химический состав живых систем n Кальций: n входит в состав костной ткани, обеспечивая её прочность; n участвует в свёртывании крови; n необходимый участник мышечного сокращения; n скрепляя части рибосом, участвует в биосинтезе белка.
Химический состав живых систем n К и Na обеспечивают нормальное протекание процессов возбуждения и торможения. n Внутри клетки много К и мало Na, снаружи клетки – наоборот.
Химический состав живых систем n «Калиево- натриевый насос» постоянно вносит К в клетку, удаляя оттуда Na.
Химический состав живых систем n Сера: n входит в состав аминокислот метионина и цистеина и вместе с ними в состав белков; n обеспечивает поддержание третичных структур белка (дисульфидные мостики).
Химический состав живых систем n Фосфор: n вместе с Са входит в состав костной ткани, обеспечивая прочность; n в большом количестве имеется в нервной ткани; n обязательно присутствует в нуклеиновых кислотах и энергоносителях (АТФ).
Химический состав живых систем n Хлор: n имеется в составе плазмы крови и других биологических жидкостей; n присутствует в соляной кислоте желудочного сока.
Химический состав живых систем n Магний: n имеется в составе плазмы крови; n необходимый элемент хлорофилла; n нужен для работы сердечной мышцы.
Химический состав живых систем n Железо: n входит в состав ферментов, обеспечивающих энергообмен; n обязательный компонент гемоглобина (эритроциты крови).
Химический состав живых систем Дефицит Fe приводит к развитию малокровия (анемии) – n слабость, сонливость, сниженная работоспособность, обмороки. n
n. Микроэлементы (менее 0, 001%) содержатся в незначительных количествах, однако, их недостаток или избыток существенно меняет физиологию.
Железы внутренней секреции n Гормоны щитовидной железы (тироксин и др. ) содержат йод. 0, 0001% n Они управляют энергетическим обменом человека.
Железы внутренней секреции Эндемический зоб - увеличение размеров щитовидной железы, вызванное дефицитом йода.
Химический состав живых систем n Фтор входит в состав зубной эмали, обеспечивая её прочность.
Химический состав живых систем n Дефицит фтора способствует развитию кариеса.
Химический состав живых систем n Избыток фтора приводит к развитию флюороза (повышенная хрупкость зубов).
Химический состав живых систем n Цинк (Zn) обеспечивает такие жизненно важные процессы, как: 0. 003% - регуляцию деления клеток; - синтез инсулина поджелудочной железы; - синтез полового гормона тестостерона; - процессы регенерации (заживления) кожи; - окислительно-восстановительные реакции;
Химический состав живых систем n Дефицит Zn ведёт к задержке физического развития и ненаступлению полового созревания.
Химический состав живых систем n Кобальт (Co) входит в состав витамина В 12, обеспечивающего кроветворение. n Дефицит Со приводит к развитию анемии из-за недостаточной функции красного костного мозга.
влияет на кровообразование, активирует систем. . Английской исследовательнице Дороти Кроуфут-Ходжкин присуждена в 1964 г. Нобелевская премия по химии за открытие витамина B 12, который содержит 4% кобальта.
Свою важнейшую биохимическую роль молибден выполняет, входя в состав растений и микроорганизмов, которые фиксируют атмосферный азот. Если учесть, что азот входит в состав каждой аминокислоты, значение молибдена для жизни на Земле представится поистине неоценимым. В составе ферментов регулирует работу устьичного аппарата Бледно-зеленые листья огурца с краевым некрозом молибдена. !
Химический состав живых систем n В чистом виде химические элементы практически не встречаются. n Они присутствуют в составе органических и неорганических соединений. n Важнейшее неорганическое соединение – вода.
Химический состав живых систем n В организме человека около 75% воды. n С возрастом содержание воды уменьшается, параллельно уменьшается активность физиологических процессов.
Молекула воды
Химический состав живых систем n Различают воду свободную и связанную. n Связанная вода (около 5% от всего содержания воды в организме) входит в состав крупных молекул, обеспечивая поддержание их формы.
Функции свободной воды: n Способность воды образовывать гидраты – универсальный растворитель (гидрофильные и гидрофобные вещества), n среда для протекания хим. реакций, n Высокая теплоемкость и относительно высокая для жидкостей теплопроводность – идеальная жидкость для поддержания теплового равновесия клетки и организма.
Функции свободной воды: n источник кислорода, выделяемого при фотосинтезе n роль смазки в трущихся органах n основное средство передвижения веществ в организме (ток крови, лимфы) n Большая теплота испарения(количество тепловой энергии необходимой для перехода жидкости в пар)
Основные группы органических соединений: n углеводы, n липиды, n белки, n нуклеиновые кислоты.
Химический состав живых систем n В состав углеводов входят С, Н и О. n Большинство углеводов растворимо в воде. n Это свойство уменьшается с увеличением молекулярной массы углевода.
Химический состав живых систем n В зависимости от сложности - строения углевода выделяют: моносахариды, олигосахариды полисахариды.
Простые углеводы. В зависимости от числа атомов углерода в молекуле моносахариды называются триозами – 3 атома, тетрозами – 4 атома, пентозами – 5 атомов, гексозами – 6 атомов. Примеры: глюкоза, фруктоза, галактоза, рибоза, дезоксирибоза. В одной молекуле объединены 2 моносахарида. Примеры: сахароза, мальтоза, лактоза. Это сложные углеводы, образованы многими моносахаридами. Почти все – разветвленные полимеры. Примеры: крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин.
Химический состав живых систем n Моносахариды – мономеры углеводов. n Наиболее известные пентозы (5 -ти углеродные соединения) – рибоза и дезоксирибоза. n Они входят в состав нуклеиновых кислот, а рибоза также в состав АТФ.
Химический состав живых систем n Наиболее известные гексозы (6 -ти углеродные соединения) –– глюкоза и фруктоза. n Глюкоза – составляющая часть всех биологических жидкостей. n Фруктоза содержится во всех сладких ягодах, фруктах и овощах, в мёде.
Химический состав живых систем n Олигосахариды – это олигомеры, состоящие из 2 -10 мономеров (моносахаридов). n Сахароза –(глюкоза и фруктоза) в свёкле и сахарном тростнике. n Лактоза –(глюкоза и галактоза) молочный сахар. n Мальтоза – (глюкоза и глюкоза)
Химический состав живых систем n Полисахариды –состоят более, чем из 10 моносахаридных остатков. n Целлюлоза составляет основу клеточной стенки в растительной клетке. Заключено 50% углерода, находящегося в растениях. n Крахмал – запасное питательное вещество растительной клетки.
Химический состав живых систем n Гликоген (животный крахмал) – запасное питательное вещество животной клетки. n Основные запасы гликогена – в печени и мышцах. n Хитин – у некоторых грибов, у членистоногих
Функции углеводов: n энергетическая (1 г углевода дает при расщеплении 17, 6 к. ДЖ энергии); n структурная (клеточная стенка); n защитная (слой слизи в желудке); n рецепторная ( «опознавательный знак» клетки).
Химический состав живых систем n Липиды, как и углеводы, состоят из С, Н и О. n Их основное свойство – гидрофобность, т. е. нерастворимость в воде.
Химический состав живых систем n Среди липидов выделяют жиры(твердые при температуре 20 градусов), масла(жидкая консистенция) n Наибольшее биологическое значение имеют жиры.
Химический состав живых систем n. Жиры – сложные эфиры трёхатомного спирта глицерина и жирных (карбоновых) кислот.
Жирные кислоты n Ненасыщенные – (имеется одна или несколько двойных связей) например- олеиновая кислота т. плав. 13, 4 градуса n Насыщенные – в молекулах нет двойных связей, например, пальмитиновая и стеариновая кислоты. n Температура плавления: 63, 1 и 69, 6 градусов
Жирные кислоты n В клетках пойкилотермных (холоднокровных) животных содержание ненасыщенных жирных кислот обычно выше, чем в клетках гомойотермных (теплокровных) животных n Температура плавления липида тем ниже, чем выше доля ненасыщенных жирных кислот
Функции липидов: n энергетическая (1 г липида дает при расщеплении 35 -39 к. Дж энергии); n защитная - слой липидов на поверхности кожи препятствует проникновению водорастворимых ядов; - подкожная клетчатка защищает от переохлаждения и травм жизненно важные органы; n источник внутренней воды (из 100 гр жира – 107 мл. воды)
Функции липидов: n структурная (мембраны); n регуляторная (входят в состав витаминов, гормонов и других сигнальных молекул); n средство увеличения плавучести, что позволяет снизить расходы энергии на удержание в толще воды
воска n Сложные эфиры жирных кислот и длинноцепочечных спиртов. n Используются у растений и животных в качестве водоотталкивающего покрытия. n Из воска пчелы строят соты
Химический состав живых систем n. Белки (протеины)– нерегулярные биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты.
Химический состав живых систем
Химический состав живых систем n Незаменимые аминокислоты обязательно должны поступать с пищей (валин, метионин, триптофан, фенилаланин, аргинин, лейцин, изолейцин и треонин).
Химический состав живых систем n Заменимые аминокислоты синтезируются в организме из незаменимых (глицин, пролин, серин и др. ).
Химический состав живых систем n Первичная структура белка – цепочка аминокислот, соединённых пептидными связями.
Химический состав живых систем n Пептидная связь образуется между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой аминокислоты.
Химический состав живых систем n Вторичная структура представляет собой α - или β-спираль, витки которой соединены водородными связями.
Химический состав живых систем n Третичная структура – это способ укладки полипептидной цепи белка в определенном объеме, его пространственная ориентация. n Обычно это глобулы или фибриллы.
Химический состав живых систем n Глобулярными называют белки, полипептидные цепи которых свёрнуты в компактные сферические или эллипсоидные структуры (глобулы).
Химический состав живых систем n Это почти все известные ферменты, антитела, некоторые гормоны, транспортные белки, а также альбумины и глобулины.
Химический состав живых систем n Фибриллярные белки имеют вытянутую нитевидную структуру. n Это белки входят в состав сухожилий, волокон соединительной ткани и т. п.
Химический состав живых систем n Третичная структура удерживается водородными и дисульфидными связями ( «дисульфидными мостиками» ).
Химический состав живых систем n Белковые молекулы, входящие в состав белка с четвертичной структурой, образуются на рибосомах по отдельности и лишь после окончания синтеза образуют общую структуру.
Типы белковых структур n Способ укладки определяется порядком аминокислот в первичной структуре белка
Химический состав живых систем n. Может существовать 390 различных более 10 белков со средней типичной длиной около 300 аминокислот
Химический состав живых систем n Если в состав включается небелковая группировка, молекула называется протеидом.
Химический состав живых систем n. Денатурация – процесс утраты белком своих природных свойств.
Факторы денатурации: n физические (температура, ионизирующая радиация и т. п. ), n химические (ожог кислотой или щелочью), n биологические (действие бактериальных токсинов)
Химический состав живых систем n Ренатурация – возвращение природных свойств белковой молекулы. n Ренатурация возможна только при условии сохранения первичной структуры белка.
Белки выполняют в клетке множество разнообразных функций
Функции белков: Структурная – все известные нам формы жизни имеют белковую основу. 2. Каталитическая – белкиферменты являются катализаторами биохимических реакций. 1.
Функции белков: Двигательная – белки мышечной ткани актин и миозин обеспечивают сокращение. 4. Сигнальная – белкимедиаторы, работающие в синапсах, - сигналы, запускающие работу органа. 3.
Функции белков: Пищеварительная – все пищеварительные ферменты - белки. 6. Регуляторная – белкигормоны регулируют функции организма. 5.
Функции белков: Защитная – антитела белковой природы защищают от всего, несущего признаки генетической чужеродности. 8. Энергетическая – 1 г белка при расщеплении даёт 17, 6 к. ДЖ 7. энергии.
Химический состав живых систем n Нуклеиновые кислоты – нерегулярные биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.
Химический состав живых систем Известны два вида нуклеиновых кислот (НК): n дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и n рибонуклеиновая (РНК).
Химический состав живых систем n В составе каждого нуклеотида три химически различные части: - остаток фосфорной кислоты, - углевод пентоза, - азотистое основание (производное пурина или пиримидина)
Нуклеиновые кислоты – от латинского «nucleus» - ядро Швейцарский врач Иоганн Фридрих Мишер в 1871 г. открыл в гное новое вещество нуклеин. Ему было лишь 23 года. n n Его ученик Рихард Альтман в 1889 г. переименовал нуклеин в нуклеиновую кислоту
В конце 1940 -х годов американский биохимик Эрвин Чаргафф выяснил, что во всех ДНК содержится равное количество оснований Т и А и, аналогично, равное количество оснований Г и Ц. Однако, относительное содержание Т/А и Г/Ц в молекуле ДНК специфично для каждого вида.
n Дж. Уотсон и Ф. Крик создали модель ДНК в 1953 г.
В 1962 г. Нобелевская премия за открытие строения молекулы ДНК присуждена : Американскому биохимику Джеймсу Уотсону n Английскому ученому Френсису Крику n Английскому биофизику Морису Уилкинсу n
James Dewey Watson Francis Harry Compton Crick Нобелевская премия 1962 98
Через 50 лет после открытия (в 2003 г. ) завершена расшифровка ДНК человека - Джеймса Уотсона
Химический состав живых систем n ДНК имеет вид спирально закрученной лестницы, «перила» которой – дезоксирибозы, соединённые остатками фосфорной кислоты, а «ступени» - азотистые основания, связанные по принципу компл. Ементарности, т. е. пространственного соответствия.
Комплементарность- способность нуклеотидов к избирательному соединению в пары Принцип комплементарности: ----А - - -Т ------- Г Ц Прочнее Слабые водородные связи 103
Схема строения ДНК (по Уотсону и Крику)
Функции ДНК Хранение генетической информации n Передача генетической информации от родителей потомству n Реализация генетической информации в процессе жизнедеятельности клетки и организма n
n Важнейшее свойство ДНК – способность к репликации, т. е. самокопированию (самоудвоению).
n Репликация – процесс синтеза дочерней молекулы ДНК на основе (матрице) материнской молекулы.
РЕПЛИКАЦИЯ ДНК Участие ферментов: -лигаза соединяет короткие новосинтезированные участки-фрагменты Оказаки -полимераза присоединяет нуклеотиды в направлении 5 3 -хеликаза расплетает двойную спираль, разрывая водородные связи -праймаза необходима для синтеза ферментов Оказаки как затравка (праймер) Репликон – участок между двумя точками, в которых начинается синтез «дочерних» цепей. Фрагменты Оказаки – новосинтезированные участки на второй матричной цепи ДНК.
Химический состав живых систем n Связи между азотистыми основаниями в материнской молекуле ДНК разрушаются, и к каждой половине присоединяются новые нуклеотиды в соответствии с принципом комплементарности.
Химический состав живых систем Каждая молекула ДНК состоит из одной цепи исходной родительской молекулы и одной вновь синтезированной цепи. n Такой механизм репликации называется полуконсервативным. n
Артур Корнберг (1959 г) открыл фермент ДНК- полимеразу. Преемственность генетического материала обеспечивается комплементарностью, полуконсервативностью (содержит часть материнской спирали в неизменном виде), антипараллельностью(3‘-5‘), прерывистостью, т. е. процессом репликации.
Сравнить ДНК И РНК Признаки сравнения: • Расположение в клетке • Строение макромолекулы • Мономеры • Состав нуклеотидов • Функции
Отличия в строении ДНК и РНК: 1. 2. 3. 4. ДНК имеет б. Ольшую молекулярную массу; ДНК – двухцепочечная молекула, РНК – одноцепочечная (за исключением вирусных НК); ДНК содержит тимин, РНК – урацил; углеводный компонент ДНК – дезоксирибоза, РНК – рибоза.
Химический состав живых систем n ДНК и РНК различаются функционально: n основная масса ДНК присутствует в ядре клетки в составе хромосом; она хранит информацию обо всех белках; n основная масса РНК – в цитоплазме; РНК- посредник в биосинтезе белка.
АТФ
Благодарю за внимание!
Скачать презентацию Молекулярная биология Химический состав живых систем n
Хим.состав..ppt