Химический состав живых организмов

Введение

Биология – наука о жизни. Термин, предложенный в начале XIX века независимо Ж.Б. Ламарком и Г. Треверанусом, происходит от двух греческих слов: bios – жизнь и logos – учение. Биология изучает жизнь как особую форму движения материи, процессы ее развития и законы существования. Предметом изучения биологии являются живые организмы, их строение, функции и поведение, индивидуальное и историческое развитие, их взаимоотношения друг с другом и окружающей средой.

Методы биологии – это описательные, сравнительные, исторические и экспериментальные, в том числе метод математического моделирования.

Биология изучает жизнь во всех ее проявлениях.

Классическое определение жизни дано Ф. ЭНГЕЛЬСОМ.

«Жизнь - есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ, прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка».

Энгельс имел в виду не собственно белки, а структуры, содержащие их.

С современных позиций «Жизнь – это макромолекулярная, открытая система, которой свойственны иерархическая организация, способность к самовоспроизведению, обмен веществ и тонко регулируемый поток энергии».

Субстратом жизни является комплекс белков и нуклеиновых кислот (нуклеопротеиды).

К основным свойствам живого относятся:

• 
  Существование в виде открытых систем;
  
• 
  Самообновление;
  
• 
  Саморегуляция;
  
• 
  Обмен веществ
  
• 
  Наличие биологических полимеров;
  
• 
  Дискретность и целостность;
  
• 
  Гомеостаз
  
• 
  Самовоспроизведение
  
• 
  Наследственность
  
• 
  Изменчивость
  
• 
  Онтогенез
  
• 
  Раздражимость, возбудимость, движение
  
• 
  Существование в составе БГЦ
  
• 
  Включенность в филогенез.
  

Исходя из перечисленных свойств, к определяющим - фундаментальным свойствам живого относятся – самообновление, саморегуляция, самовоспроизведение.

Иерархический принцип организации живых систем дает возможность выделить уровни организации живого.

На каждом уровне имеется элементарная единица -
ЭЕ (это структура или объект) и элементарное явление –ЭЯ (закономерные изменения элементарных единиц в процессе сохранения и развития Жизни).

Каждому уровню организации свойственны системные связи, регуляторные механизмы, которые обеспечивают гомеостаз системы
и возможность оптимально жить.

Выделяют следующие уровни организации:

• 
  Молекулярно-генетический ЭЕ – ген, ЭЯ – конвариантная репликация, или самовоспроизведение с возникновением некоторых изменений матрицы;
  
• 
  Клеточный ЭЕ клетка, ЭЯ – клеточный метаболизм (потоки вещества, энергии, информации);
  
• 
  Тканевой ЭЕ – совокупность сходных клеток, ЭЯ- становление структуры и функционирования в едином организме;
  
• 
  Органный ЭЕ – органы, ЭЯ- становление их структуры и функции;
  
• 
  Организменный (онтогенетический) – ЭЕ – особь, ЭЯ – закономерности изменения особи в онтогенезе (рост, диффиринциация частей, интеграция);
  
• 
  Популяционно-видовой ЭЕ – популяция, ЭЯ – эволюционно-значимые изменения генофонда популяции за счет ЭЭФ);
  
• 
  Биогеоценотический ЭЕ – биогеоценоз, ЭЯ- вещественно-энергетический круговорот;
  
• 
  Биосферный ЭЕ – живая оболочка земли, ЭЯ- все явления жизни, активно приобретаемые живыми организмами.
  

Уровни организации отражают важнейшие биологические явления, без которых невозможна эволюция и само существование жизни. Уровни организации отражают общую структуру эволюционного процесса.

Клетка - элементарная живая система. Основные положения клеточной теории. Химическая организация клетки Прокариотическая и эукариотическая клетки. Основные структурные компоненты эукариотической клетки. Неклеточные формы жизни.

Клетка - элементарная живая система

Клетка – основная структурная и функциональная единица живой материи. Это целостная система, способная к самостоятельному существованию и самовоспроизведению. Клетка может существовать как отдельный организм ( бактерии , простейшие, некоторые водоросли и грибы ) или в составе тканей многоклеточных животных, растений, грибов. Термин "клетка" был предложен английским исследователем Робертом Гуком в 1665 г . По мере совершенствования оптических приборов, в первую очередь микроскопа, появлялись все более подробные описания клеток, как растительных, так и животных. Накопление данных о клеточном строении живых организмов находилось в зависимости от уровня развития увеличительных приборов. Первый увеличительный прибор был изобретен голландскими оптиками Гансом и Захарием Янссенами в 1590г. Галилео Галилею (1610 г) принадлежит попытка сконструировать микроскоп ( сочетание линз вмонтированных в свинцовую трубку). Антон ван Левенгук изготовил более 400 вариантов микроскопов. Важным моментом было введение иммерсионных объективов (водяной иммерсии 1850, масляной - 1886), конденсора Аббе (1873), апохроматов (1886). Большую роль сыграло применение разнообразных методов фиксации тканей, а также заливка их в разные среды. Создание в 30 –е годы нашего столетия электронного микроскопа сыграло существенную роль для исследования ультраструктурной организации клеточных компонентов.

ХРОНОЛОГИЯ накопления данных о клеточном строении организмов.

1. 
   1665 г Р. Гук в работе « Анатомия растений» характеризует микроскопические структуры растений, где описал ячейки тканей пробки дуба, назвав их клетками (китос (греч.)- полость, целлюла ( лат.) - ячейка).
   
2. 
   1671 г. Мальпиги и Грю указали, что разнообразие частей растений состоит из тесно расположенных «мешочков» и «пузырьков».
   
3. 
   1680 г. А.ван Левенгук открыл и описал мир одноклеточных организмов, описал эритроциты, сперматозоиды млекопитающих, открыл хроматофор в клетках нитчатой водоросли спирогиры, однако он переоценивал роль клеточной стенки.
   
4. 
   1781 г. Ф.Фонтана описал клетки животных.
   
5. 
   1809 г. Ж.Б. Ламарк отметил «тело является живым лишь в том случае, если его составные части построены из клеток».
   
6. 
   1824 г. Дютроше разъединил клетки (мацерировал), показал, что ткань состоит из клеток, склеенных между собой. Считал, что рост происходит за счет увеличения объема клетки и за счет образования новых маленьких клеток.
   
7. 
   1830 г ( по «Вилли» – 39г.). Я. Пуркине и его школа отметила, что главной составной частью клетки является не клеточная стенка, а протоплазма (живое содержимое клетки) .
   
8. 
   1831 г ( по Ченцову –33г.).Р. Броун у орхидных в протоплазме открыл постоянный компонент – ядро.
   
9. 
   1838 г. М.Шлейден сделал существенный шаг в раскрытии роли ядра в растительных клетках.
   
10. 
    1839 г. Т.Шванн в работе «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений» обобщил имеющиеся данные о клеточном строении организмов и сформулировал клеточную теорию.
    
11. 
    1848 г. Моль показал значение протоплазмы, ядра. Благодаря его работам стали известны работы Я.Пуркине.
    
12. 
    1858, 59 г.г. Р. Вирхов в книге «Целлюлярная патология» уточнил последнее положение клеточной теории, указав, что клетки возникают только из клеток, путем их деления. а не из неклеточного вещества.
    
13. 
    1861 г. Шульце рассматривал клетки как комочек протоплазмы с лежащим внутри ядром.
    
14. 
    1882 г. Страсбургер раскрыл понятие «протоплазма шире, выделил цитоплазму, кариоплазму.
    
15. 
    Изучению клетки посвятили свои труды русские ученые, среди них К.М.Бэр (открыл яйцеклетку млекопитающих и установил, что «все многоклеточные организмы начинают свое развитие из одной клетки, клетка – не только единица строения, но и единица развития всех живых организмов»). П.Ф.Горянинов, И.Д.Чистяков, В.И.Беляев, С.Н.Навашин. Работами А.А.Заварзина , Н.Г.Хлопина, их школами были вскрыты основные закономерности клеточного и тканевого развития (концепция тканевой эволюции).
    

Т. Шванн, немецкий физиолог и гистолог обобщил накопленные данные, касающиеся клеточного строения живых организмов и в работе « Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений», написанной в 1839 г . (Рис.1)


Рис.1 Создатели клеточной теории (слева Т. Шванн, справа М. Шлейден)

Согласно клеточной теории этих ученых:

• 
  все организмы состоят из одинаковых структурных единиц - клеток;
  
• 
  клетки растений и животных сходны по строению, образуются и растут по одним и тем же законам
  

В 1858 г . немецкий ученый Рудольф Вирхов обосновал принцип преемственности клеток путем деления. Он писал: "Всякая клетка происходит из другой клетки ...". Данное утверждение стало третьим положением клеточной теории.

Варианты современных трактовок современной клеточной теории:

Первый вариант

1. 
   Клетка – наименьшая единица живого, основная единица строения и развития всех живых организмов;
   
2. 
   Клетке присуще мембранное строение.
   
3. 
   Каждая новая клетка образуется в результате деления исходной клетки. Процесс образования клеток обусловливает рост, развитие и дифференцировку растительных и животных тканей.
   
4. 
   Клетки всех организмов сходны по своему строению, химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ.
   

Второй вариант

• 
  все живые организмы состоят из клеток. Клетка — единица строения, функционирования, размножения и индивидуального развития живых организмов. Вне клетки нет жизни.
  
• 
  клетки всех организмов сходны (гомологичны) между собой по строению и химическому составу;
  
• 
  на современном этапе развития живого клетки не могут образовываться из неклеточного вещества. Они появляются только из ранее существовавших клеток путем деления;
  
• 
  клеточное строение всех ныне живущих организмов - свидетельство единства происхождении;
  
• 
  в многоклеточном организме согласованное функционирование клеток происходит под контролем интегративных систем: нервной и эндокринной
  

Строение клетки

Клетка – это обособленная, наименьшая по размерам структура, которой присуща вся совокупность свойств жизни. Клетка - это открытая биологическая система, ограниченная полупроницаемой мембраной, структурированная система биополимеров (белков и нуклеиновых кислот) и их макромолекулярных комплексов, участвующих в единой совокупности метаболических и энергетических процессов, способная к саморегуляции и самовоспроизведению.

На Земле существует две группы организмов: неклеточные формы жизни (вирусы и фаги); клеточные формы жизни . Размеры клеток колеблются в широких пределах от 4 мкм до нескольких см в диаметре. Форма клеток зависит от функционального назначения, вязкости протоплазмы, механического воздействия прилегающих клеток и других факторов (Рис.2).


Рис.2. Виды клеток: 1 – клетки ресничного эпителия; 2 – цепочка бактерий; 3 – диатомовая водоросль; 4 – бокаловидная клетка; 5 – нервная клетка; 6 - мышечная; 8 - инфузория;9 - эритроциты ;10 – растительные клетки.

Химическая организация клетки

Химические элементы в клетке

По химическому составу клетки различных организмов могут заметно отличаться, но элементы, входящие в их состав, одинаковы. Из известных в настоящее время химических элементов периодической системы Менделеева в клетках обнаружено около 70. У всех живых организмов обязательно встречается 24 химических элемента.

Химические элементы, входящие в состав клеток, делят на три группы:

• 
  Макроэлементы : О, С, Н, N , Са, К, Mg, Na, Fe, S, P, Cl. На долю этих элементов приходится около 99% всей массы клетки. На долю первых четырех элементов (О, С, Н, N) приходится 98%. Эти элементы способны образовывать прочные ковалентные связи. При этом С, О, N образуют и двойные и одинарные связи, благодаря чему они дают самые разнообразные химические соединения.
  
• 
  Микроэлементы : Сu, В, Со, Mo, Mn, Ni, Br, Zn, I и другие. На их долю в клетке суммарно приходится менее 1%, концентрация каждого не превышает 0,001%.
  

Микроэлементы входят в состав гормонов, ферментов, витаминов, обеспечивают нормальное функционирование структур клетки и организма в целом.

Например, Цинк (Zn) участвует в синтезе растительных гормонов, инсулина и других гормонов, медь (Cu) – компонент миоглобина, участвует в кроветворении, входит в состав ферментов, гормонов надпочечников, участвует в тканевом дыхании, йод (I) входит в состав тироксина - гормона щитовидной железы, фтор (F) – входит в состав эмали зубов, кобальт (Со) – входит в состав витамина В_12, регулирующего кроветворную функцию, принимает участие в развитии эритроцитов, в фиксации атома азота растениями.

• 
  Ультрамикроэлементы : уран (U), золото (Au), бериллий (Ве), ртуть (Hg), це­зий (Ze), селен (Sе), радий (Ра), и другие. Их концентрация не превышает 0,000001%. Физиологическая роль многих из них не установлена. Большинство этих элементов также необходимы для нормального функционирования организма. Например, дефицит селен а (Sе) приводит к раковым заболеваниям.
  

Неорганические соединения в клетке

Вода (Н₂О)

Самое распространенное соединение в живых организмах. Вода имеет две формы: свободная - составляет 95% всей воды и связанная - 4%.

Содержание ее в различных клетках колеблется от10% (в эмали зубов), 20% (в костной ткани), 40 % (в жировой) до 90 % в клетках развивающегося зародыша. С возрастом количество воды в клетках любого организма заметно снижается.

Исключительно важная роль воды обусловлена ее физико-химическими свойствами. Полярность молекул и способность образовывать водородные связи делают воду хорошим растворителем для огромного количества веществ (сахара, диссоциированные соли, простые спирты, некоторые аминокислоты).

Функции воды:

1. 
   Универсальный растворитель.
   
2. 
   Транспортная.
   
3. 
   Терморегуляторная (поддерживает тепловое равновесие клетки и организма в це­лом благодаря высокой теплоемкости и теплопроводности).
   
4. 
   Осморегуляторная (принимает участие в явлениях осмоса, на котором основаны движение воды по проводящей системе растений и напряжение стенок растительных клеток – тургор; кровообращение).
   
5. 
   Участвует в химических реакциях (участвует в обменных процессах, необходима для окисления и гидролиза белков, углеводов, жиров).
   
6. 
   Среда, в которой протекают биохимические реакции.
   
7. 
   Служит источником H⁺ при фотосинтезе.
   

Минеральные соли и кислоты

Большая часть минеральных солей находится в диссоциированном состоянии в виде ионов. Наибо­лее важные из них катионы - это К⁺, Na⁺, Mg²⁺, NH₄⁺; анионы СI^-, HPO₄^2-, HCO₃^-, H₂PO₄^-, NO₃^-. Концентрация ионов в клетке и окружающей ее среде неодина­ковая. Например, содержание калия в клетках выше, чем в межклеточном пространстве. Катионов натрия, наоборот, меньше в клетке. Снижение концентрации ионов К в клетке приводит к уменьшению в ней воды, количество которой возрастает в межклеточном пространстве тем больше, чем выше в межклеточной жидкости концентрация Na⁺. Уменьшение катио­нов натрия в межклеточном пространстве приводит к уменьшению в нем содержания воды. Неравномерное распределение ионов калия и натрия с наруж­ной и внутренней стороны мембран нервных и мышечных клеток обеспечивает возможность возникновения и распространения элект­рических импульсов.

Функции минеральных солей:

1. 
   Буфферность межклеточной жидкости (кислотно-щелочное равновесие плазмы, за счет поддержания определенной концентрации ионов водорода, обеспечивающей слабощелочную рН=7,2 при участии фосфатной и бикарбонатной систем).
   
2. 
   Постоянное осмотическое давление (7,6 атм).
   
3. 
   Активация ферментов.
   
4. 
   Источник строительного материала для синтеза органических соединений (например, остаток РО₄^3- образует макроэргические связи АТФ, влияет на физиологическую активность белков и ферментов).
   
5. 
   Обеспечивают раздражимость (К⁺, Na⁺, Са⁺²).
   
6. 
   Обеспечивают сцепление клеток в многоклеточном организме (Са²⁺).
   
7. 
   Нерастворимые соли Са₃(РО₄)₂ входит в состав межклеточного вещества костной ткани, раковин моллюсков, обеспечивая защиту и прочность.
   

Органические соединения в клетке

Белки

Белки — высокомолекулярные биополимеры, мономерами которых являются 20 аминокислот. В состав аминокислот входят: -NH₂- аминогруппа, обладающая основными свойствами и -СООН- карбоксильная груп­па, имеющая кислотные свойства. Аминокислоты отличаются друг от друга своими радикалами -R. Аминокислоты - амфотерные соеди­нения, соединяющиеся друг с другом в молекуле белка с помощью пептидных связей.

Белки бывают простые и сложные. Простые белки состоят только из амино­кислот (альбумины, глобулины, фибриноген, миозин). В состав сложных белков, кроме аминокислот, входят и дру­гие органические соединения - жиры (липопротеиды), углеводы (гликопротеиды), металлы (металлопротеиды).

Уровни организации белковой молекулы

Первичная структура – это последовательность аминокислот, соединенных пептидными связями в определенной последовательности в полипептидной цепи (рис.3.).



Рис.3. Нативная структура белка ( из интернета www varson . ru )

Вторичная структура - свернутая в спираль посредством водородных связей, полипептидная цепь.

Третичная структура - дальнейшая укладка спирали, обуславливающая специфическую конфигурацию каждого белка в виде глобулы. Она стабилизируется ионными, водородными, ковалентными, гидрофобными связями. Биологическую активность белок проявляет только в виде третичной структуры.

Четвертичная структура - глобулярные структуры объединяются вместе в единый комплекс за счет гидрофобных, водородных, ионных связей при участии неорганических компонентов (например, гемоглобин) (Рис.4).



Рис. 4. Уровни организации белков: 1 – первичный; 2 – вторичный; 3 – третичный;4 – четвертичный.

Свойства белков

1. 
   Водорастворимость.
   
2. 
   Большой поверхностный заряд.
   
3. 
   Буферные свойства.
   
4. 
   Де- и ренатурация. При воздействии высокой температуры, кислот и других фак­торов сложные белковые молекулы разрушаются. Это явление на­зывается денатурацией. При возвращении нормальных условий денатурирован­ный белок способен восстановить свою структуру вновь, если не разрушается его первичная структура. Этот процесс называется ренатурацией.
   
5. 
   Специфичность. Каждый вид организмов характеризуются специфич­ностью белков. В одном и том же организме каждая ткань имеет свои белки - это тканевая специфичность. Введение животному чужеродного белка – антигена, вызывает образование специфических белков – антител.
   

Функции белков

1. 
   Ферментативная (каталитическая) ускорение химических реакций в клетке в сотни раз. Ферменты – биологические катализаторы, характеризующиеся следующими свойствами: а) это – глобулярные белки; б) их присутствие не влияет ни на природу, ни на свойства конечных продуктов реакции; в) их активность меняется в зависимости от рН, температуры, давления, концентрации субстрата; г) белки обладают специфичностью; д) увеличивая скорость реакции, ферменты не расходуются.
   
2. 
   Структурная - участвуют в образовании клеточных мембран и органоидов.
   
3. 
   Транспортная осуществляют перенос различных веществ, ионов через клеточную мембрану, гормонов и кислорода к органам и тканям.
   
4. 
   Защитная - выражается, например, в форме выработки антител в ответ на проникновение в организм чужеродных белков или клеток.
   
5. 
   Двигательная - обеспечивается особыми сократительными белками, участвующими во всех видах движения: мерцание ресничек, движение жгутиков у простейших, сокращение мышц у животных, движение листьев у растений.
   
6. 
   Регуляторная - например, белки-гормоны: инсулин, белки-ингибиторы; белки – активаторы.
   
7. 
   Энергетическая - при расщеплении 1г белка выделяется 4,2 ккал (17,6 кДж) энергии.
   

Жиры (липиды)

Жиры представляют собой сложные эфиры высших карбоновых кислот и многоатом­ного спирта – глицерина. Жиры нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в орга­нических растворителях: в эфире, хлороформе, бензоле (Рис.5).



Рис. 5 Строение жиров.

Липоиды – жироподобные вещества, к которым относятся фосфолипиды, пигменты – хлорофиллы, каротины, стероиды, воска, некоторые витамины (А, Д, Е, К).

Функции липидов

1. 
   С труктурная - компоненты клеточных мембран.
   
2. 
   Энергетическая - в ходе расщепления 1г жира выделя­ется 9,2 ккал (38,9 кДж) энергии.
   
3. 
   Защитная - подкожный жировой слой, благодаря плохой теплопроводнрсти защищает от потери тепла, механических повреждений.
   
4. 
   Источник метаболической воды - при окислении 100г жира образуется 105г воды.
   
5. 
   Регуляция обменных процессов - например, стероидные гормоны.
   

Рис.6. Липиды входят в состав плазматических мембран ( из Интернета http://nauka.relis.ru/08/0512/08512072.htm )

Углеводы (сахариды)

Органические вещества, с общей формулой С_n(Н₂О)_n.





Рис.7. Изображение молекул углеводов (моносазаридов) на плоскости (из Интернета http://www.xumuk.ru/uglevody/003.html )

Углеводы делятся на 3 группы: моносахариды, дисахариды, полисахариды (Рис.7,8).

Моносахариды – триозы - С_3: (молочная кислота); пентозы С₅ (рибоза, дезоксирибоза), гексозы С₆ (глюкоза, фруктоза, галактоза).

Дисахариды – объединение двух моносахаридов: мальтоза состоит из 2-х молекул глюкозы, лактоза – из глюкозы + галактозы, сахароза - из глюкозы +фруктозы.

Полисахариды – представляют собой длинные цепи, построенные из многих моносахаридных единиц. Цепи могут быть линейными и разветвленными. Наиболее широко распространенными полисахаридами у растений являются крахмал и целлюлоза (крахмал – запасное вещество в клетке растений, основной источник энергии; целлюлоза входит в состав внеклеточных волокнистых и одревесневших растительных тканей).



Рис.8. Пример строения молекул полисахаридов(из Интернета http://www.xumuk.ru/uglevody/003.html )

В тканях животных, человека и грибов содержится гликоген. Он в значительных количествах накапливается в печени, сердце, мышцах. Является поставщиком глюкозы в крови. В состав клеточных стенок грибов и членистоногих входит хитин, выполняющий опорную функцию.

Свойства углеводов : моно- и дисахариды растворимы в воде, сладкие на вкус, кристаллизуются. Полисахариды, наоборот, несладкие, нерастворимые в воде, не кристаллизуются.

Функции углеводов

1. 
   строительная и опорная (моносахариды, первичные продукты фотосинтеза, служат исходным материалом для построения разнообразных органических веществ. Сложные полисахариды и их производные входят в состав плазматической мембраны, оболоч­ки растительных и бактериальных клеток, наружного скелета чле­нистоногих);
   
2. 
   энергетическая - при окислении 1г углеводов освобождается 17,6 кДж энергии.
   
3. 
   защитная - слизь, выделяемая различными железа­ми, содержит углеводы. Она предохра­няет стенки полых органов (бронхи, желудок, кишечник) от меха­нических повреждений. Обладая антисептическими свойствами, слизь защищает организм от проникновения болезнетворных бактерий.
   

Нуклеиновые кислоты

Выполняют главную роль в хранении и передаче генетической информации (Рис.9).


Рис.9. ДНК и жизнь ( http://www.artonline.ru/painting_info/15008 )

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)

ДНК находится в ядре, где она вместе с белками образует хромосомы. Хромосомы хорошо видны при микроскопировании в период деления ядра; в интерфазе они деспирализованы. ДНК имеется в митохондриях и пластидах, где их молекулы образуют кольцевые структуры. В цитоплазме прокариот также присутствует кольцевая ДНК.


Рис.10 ДНК (фото под электронным микроскопом, http://www.nanolab.kz/various/dnk.html )

Молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) - это самые крупные линейные нерегулярные биополимеры, их мономерами является нуклеотиды (Рис.8). Каждый нуклеотид состоит из: азотистого основания, пентозы - дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты. Нуклеотиды отличаются друг от друга азотистыми основаниями. Различают пуриновые (аденин и гуанин) и пи­римидиновые (цитозин и тимин) азотистые основания. Соединение нуклеотидов в нити ДНК происходит через угле­вод одного нуклеотида и остаток фосфорной кислоты соседнего посредством фосфодиэфирных связей.

Согласно модели, предложенной Дж. Уотсоном и Ф.Криком ( 1953 г .), молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных нитей вокруг общей оси. Азотистое основание одной нити связано водородными связями с комплементарным азотистым основанием другой нити. Аденин комплементарен тимину, а гуанин - цитозину. Между аденином и тимином возникают две водородные связи, между гуанином и цитозином – три (Рис.11).


Рис. 11 Связь между полинуклеотидными цепями ( http://www.easycom.com.ua/data/ittech/82251225/?lang=ukr )

Основная функция ДНК - хранение и передача наследственной информа­ции, заключенной в последовательности нуклеотидов, образующих ее молекулу, дочерним клеткам. Воз­можность передачи наследственной информации от клетки к клетке обеспечивается способностью хромосом к разделению на хроматиды с последующей редупликацией молекулы ДНК.

Свойства ДНК

1. 
   Самоудвоение – редупликация, позволяющая сохранить по­стоянство структуры ДНК. Происходит в синтетический период интерфазы, под воздействием фермента ДНК – полимеразы. ДНК временно раскручивается. Поскольку каждое из оснований в нуклеотидах может присоединить другой нуклеотид только строго определенного строения, то происходит точное воспроизведение материнской молекулы.
   
2. 
   Мутации - под воздействием различных фак­торов в процессе репликации в молекуле ДНК происходят измене­ния в числе, порядке нуклеотидов.
   
3. 
   Репарация – восстановление структуры молекулы ДНК под воздействием ферментов, устраняющих повреждения, вызванные мутагенами.
   
4. 
   Транскрипция – переписывание информации с ДНК на иРНК, под действием ферментов, ДНК – зависимых - РНК – полимераз.
   

Уровни организации молекулы ДНК

Первичная структура – полинуклеотидная цепочка, которая образуется за счет фосфодиэфирных связей.

Вторичная структура – двойная спираль полинуклеотидных цепей, возникающая за счет водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями (Рис.12).



Рис. 12. Вторичная структура ДНК ( http://city.tomsk.net/~orgchem1/nucleic/nucleic.html )

Третичная структура - двойные спирали ДНК, соединенные с белками – гистонами образуют комплекс дезоксирибонуклеопротеид или хроматин (рис.13).

АБ

Рис. 13 А – Нуклеосомный уровень. Б - Структура фрагмента из 2-х нуклеосом ( http://www.bio.pu.ru/materials/molbio/ )

Рибонуклеиновая кислота (РНК)

Молекулы РНК представлены преимущественно одной цепочкой нуклеотидов, образуя одноцепочечный линейный нерегулярный биополимер, мономерами которого служат нуклеотиды (Рис.14.). Двухцепочечные РНК служат для хранения и передачи наследственной информации у некоторых вирусов.



Рис.14. Роль РНК в синтезе белков ( http://wsyachina.narod.ru/biology/life_genesis_12.html )

Нуклеотиды РНК включают одно из азотистых оснований (аденин, гуанин, цитозин, урацил), углевод — рибозу и остаток фосфорной кис­лоты. В цепочке РНК нуклеотиды соединяются путем образования ковалентных связей между рибозой одного нуклеотида и фосфатом другого (Рис.15).



Рис.15 РНК ( http://www.mathcell.ru/show_topic.php?file=rna )

Рибонуклеиновые кислоты бывают нескольких видов: рибосомальная, транспортная и информационная РНК.

Рибосомальная РНК (р-РНК) в соединении с белком входит в состав субъединиц рибосом, участвующих в синтезе белка. Рибосомальная РНК составляет 80% от всех РНК в клетке. Количество нуклеотидов в р-РНК от 3 до 5 тыс. Этот вид РНК синтезируется особыми генами, находящимися в нескольких хромосомах в ядрышковом организаторе.

Информационная РНК (и-РНК) переносит информацию о синтезе белка из ядра в цитоплазму и составляет от 1 до 10% от всех РНК в клетке. По строению и-РНК комплементарна участку молекулы ДНК, несущему информацию о синтезе определенного белка. Перед выходом из ядра происходит сплайсинг – преобразование первичного транскрипта (г/я РНК) в и-РНК.

Транспортная РНК (т-РНК) участвует в доставке на рибосомы аминокислот. Составляет около 10 - 15% всей РНК. Она имеет короткую цепь нуклеотидов, состоящую из 80 нуклеотидов. т-РНК имеет форму «трилист­ника», на вершине которого находится триплет нуклеотидов - антикодон, обеспечивающий узнавание определенного кодона и-РНК, находящегося на рибосоме (Рис.16.).



Рис.16 тРНК ( http://wsyachina.narod.ru/biology/life_genesis_12/rna.html )