Материал для подготовки к контрольной работе 10а,10б
материал для подготовки к егэ (гиа) по биологии (10 класс) на тему

Нуклеиновые кислоты и их роль в жизнедеятельности клетки

1. Определение ДНК 

Нуклеиновые кислоты представляют собой высокомолекулярные линейные полимеры. Так как содержание нуклеиновых кислот больше всего в ядре, то они получили свое название от латинского слова nucleus («ядро», лат.). Впрочем, нуклеиновые кислоты содержатся не только в ядре, где, безусловно, их больше всего, но и в хлоропластах и митохондриях (рис. 1).

Рис. 1. Органеллы, в которых содержится ДНК

Нуклеиновые кислоты являются биополимерами, которые состоят из мономеров – нуклеотидов. Молекула нуклеотида состоит из трех составных частей: из пятиуглеродного сахара – пентозы, из азотистого основания и остатка фосфорной кислоты (рис. 2).

Рис. 2. Нуклеотиды

Сахар, входящий в состав нуклеотида, представляет собой пентозу, то есть он является пятиуглеродным сахаром. В зависимости от вида пентозы (дезоксирибоза или рибоза) различают молекулы ДНК и РНК (рис. 3).

Рис. 3. Химический состав нуклеотидов

Азотистые основания. Во всех типах нуклеиновых кислот: ДНК или РНК, содержатся основания четырех разных видов (рис. 4). В ДНК: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). В РНК вместо тимина (Т) урацил (У).

Рис. 4. Азотистые основания нуклеотидов ДНК и РНК

Фосфорная кислота. Нуклеиновые кислоты являются кислотами, потому что в их состав входит остаток фосфорной кислоты. Обратите внимание на то, что остаток фосфорной кислоты присоединен к сахару по гидроксильной группе 3’ и 5’ углеродом атома (рис. 5).

Рис. 5 Фосфодиэфирная связь между отдельными нуклеотидами в цепочке нуклеиновой кислоты

Это очень важно для понимания того, каким образом нуклеотиды образуют нуклеиновую кислоту. Они соединяются друг с другом с помощью т. н. фосфодиэфирной связи.

2. Фосфодиэфирная связь 

Два нуклеотида образуют динуклеотид путем конденсации. В результате между фосфатной группой одного нуклеотида и гидроксигруппой сахара другого образуется т. н. фосфодиэфирная связь (рис. 6).

Рис. 6. Фосфодиэфирная связь

При синтезе полинуклеотидной цепи эта реакция повторяется несколько миллионов раз. Таким образом, полинуклеотид (рис. 7) строится путем образования фосфодиэфирных мостиков между 3’ и 5’ углеродами сахаров.

Рис. 7. Полинуклеотид

Фосфодиэфирные мостики возникают за счёт прочных ковалентных связей, это сообщает всем полинуклеотидным цепям прочность и стабильность, что очень важно, поскольку уменьшается риск повреждения (поломки) молекул ДНК.

Итак, нуклеиновые кислоты – это биополимеры, которые состоят из мономеров – нуклеотидов. В состав нуклеотидов входят три основные части, а именно пятиуглеродный сахар – пентоза, азотистые основания и остаток фосфорной кислоты. В зависимости от природы пентозы различают ДНК и РНК.

В состав ДНК входят аденин, цитозин, гуанин и тимин.

В состав РНК входят аденин, цитозин, гуанин, урацил.

Объединение нуклеотидов в нуклеиновую кислоту идет за счёт образования фосфодиэфирных мостиков, или фосфодиэфирной связи.

3. Структура молекулы ДНК 

Нуклеиновые кислоты, как и белки, имеют первичную, вторичную и третичную структуру. Первичная структура ДНК – это последовательность нуклеотидных остатков в полинуклеотидных цепях.

Вторичная структура – пространственная конфигурация полинуклеотидных цепей ДНК

В формировании вторичной структуры полинуклеотидной цепи важное значение имеют водородные связи, которые возникают на основе принципа комплементарности, то есть дополнительности или соответствия между парами оснований: аденином и тимином, гуанином и цитозином (рис. 8).

Рис. 8. Водородная связь и вторичная структура ДНК

Иллюстрация принципа комплементарности.

Эти комплементарные пары способны образовывать между собой прочные водородные связи. Так, между аденином и тимином формируются две водородные связи, а между гуанином и цитозином – три водородные связи.

В 1953 году Джеймс Уотсон и Френсис Крик предложили пространственную модель структуры ДНК (рис. 9).

Рис. 9. Лауреаты Нобелевской премии «за создание пространственной модели ДНК»

Согласно этой модели, молекула ДНК представляет собой двухцепочечную правозакрученную спираль, состоящую из комплементарных друг другу антипараллельных цепей.

Эти цепи связаны друг с другом азотистыми основаниями. Если «раскрутить» молекулу ДНК, то она будет напоминать винтовую лестницу. Две цепочки – образованы остатками фосфорной кислоты и пентозы, а перекладины «лестницы» – азотистые основания, которые взаимодействуют друг с другом с помощью водородных связей.

Между аденином и тимином возникают две водородные связи, а между гуанином и цитозином – три.

4. Третичная структура ДНК 

У всех живых организмов молекула ДНК плотно упакована с образованием сложных трехмерных структур. Нахождение ДНК в суперспирализованном состоянии дает возможность сделать молекулу более компактной (рис. 10).

Рис. 10. Третичная структура ДНК. Сверхплотная упаковка ДНК с белками-гистонами образует хромосому

У всех живых организмов двуспиральная молекула ДНК плотно упакована и образует сложные трехмерные структуры (рис. 11).

Рис. 11. Модели двухцепочечных ДНК

Двухцепочная ДНК бактерий имеет кольцевидную форму и образует суперспираль. Суперспирализация необходима для упаковки громадной по клеточным меркам ДНК в малом объеме клетки.

Например, ДНК кишечной палочки имеет длину более 1 мм, в то время как длина клетки не превышает 5 мкм (в 1 мм = 1000 мкм) (рис. 12).

Рис. 12. ДНК в нуклеоиде бактерий (слева) и в клетках тела человека (справа)

Хромосомы эукариот представляют собой суперспирализованные линейные молекулы ДНК (рис. 13).

Рис. 13. Хромосомы эукариот

В процессе упаковки эукариотическая ДНК обматывает белки – гистоны, располагающиеся вдоль ДНК через определенные интервалы. Эти белки образуют нуклеосомы (рис. 14). Вторым уровнем пространственной организации ДНК является образование хроматина – волокон, из которых состоят хромосомы.

Рис. 14. Третичная структура ДНК

В ядре каждой клетки тела человека, кроме половых клеток, содержится 23 пары хромосом (рис. 15). На каждую из них приходится по одной молекуле ДНК. Длина всех 46 молекул ДНК в одной клетке человека почти равна двум метрам, а число нуклеотидных пар в ней 3,2 млрд.

Рис. 15. Хромосомы человека. Кариотип мужчины

Так что, если бы молекула ДНК не была организована в плотную структуру, то наша жизнь была бы невозможна геометрически.

5. Функции молекулы ДНК 

Функции ДНК – хранение и передача наследственной информации.

Хранение наследственной информации. Порядок расположения нуклеотидных остатков в молекуле ДНК определяет последовательность аминокислот в молекуле белка. В молекуле ДНК зашифрована вся информация о признаках и свойствах нашего организма.

Передача наследственной информации следующему поколению. Эта функция осуществляется, благодаря способности молекулы ДНК к самоудвоению – репликации. ДНК может распадаться на две комплементарные цепочки, и на каждой из них на основе того же принципа комплементарности восстановится исходная последовательность нуклеотидов.

7. Вещество наследственности 

Первые доказательства того, что молекула ДНК заслуживает довольно серьёзного внимания, были получены 1944 году группой бактериологов во главе с Освальдом Эвери. Он много лет изучал пневмококки – микроорганизмы, вызывающие воспаления легких, или пневмонию. Эвери смешивал два вида пневмококков, один из которых вызывал заболевание, а другой – нет. Предварительно болезнетворные клетки убивали, и затем добавляли к ним пневмококки, которые не вызывали заболевание.

Рис. 17. Опыты Эвери и Гриффитса

Результаты опытов были удивительны. Некоторые живые клетки после контакта с убитыми научились вызывать болезнь. Эвери удалось выяснить природу вещества, участвующего в процессе передачи информации от мертвых клеток живым (рис. 17). Этим веществом оказалась молекула ДНК.

Особенности химического состава клетки

1. Химический состав клетки 

Клетки живых организмов состоят из разных химических элементов.

Атомы этих элементов образуют два класса химических соединений: неорганические и органические (см. Рис. 1).

Рис. 1. Условное деление химических веществ, из которых состоит живой организм

Из известных на данный момент 118 химических элементов в состав живых клеток обязательно входят 24 элемента. Эти элементы образуют с водой легкорастворимые соединения. Они содержатся и в объектах неживой природы, но соотношение этих элементов в живом и неживом веществе различается (рис. 2).

Рис. 2. Относительное содержание химических элементов в земной коре и организме человека

В неживой природе преобладающими элементами являются кислород, кремний, алюминий и натрий.

В живых организмах преобладающими элементами являются водород, кислород, углерод и азот. Кроме этого выделяют ещё два важных для живых организмов элемента, а именно: фосфор и серу.

Эти 6 элементов, а именно углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера (C, H, N, O, P, S), называют органогенными, или биогенными элементами, так как именно они входят в состав органических соединений, а элементы кислород и водород, кроме того, образуют молекулы воды. На долю соединений биогенных элементов приходится 98% от массы любой клетки.

2. Шесть основных химических элементов для живого организма 

Важнейшей отличительной способностью элементов C, H, N, O является то, что они образуют прочные ковалентные связи, и из всех атомов, образующих ковалентные связи, они самые легкие. Кроме этого, углерод, азот и кислород образуют одинарные и двойные связи, благодаря которым они могут давать самые разнообразные химические соединения. Атомы углерода способны также образовывать тройные связи как с другими углеродными атомами, так и атомами азота – в синильной кислоте связь между углеродом и азотом тройная (рис. 3)

Рис 3. Структурная формула цианида водорода – синильной кислоты

Это объясняет разнообразие соединений углерода в природе. Кроме этого, валентные связи образуют вокруг атома углерода тетраэдр (рис. 4), благодаря этому различные типы органических молекул обладают различной трехмерной структурой.

Рис. 4. Тетраэдрическая форма молекулы метана. В центре оранжевый атом углерода, вокруг четыре синих атома водорода образуют вершины тетраэдра.

Только углерод может создавать стабильные молекулы с разнообразными конфигурациями и размерами и большим разнообразием функциональных групп (рис. 5).

Рис 5. Пример структурных формул различных соединений углерода.

Около 2% от массы клеток приходится на следующие элементы: калий, натрий, кальций, хлор, магний, железо. Остальные химические элементы содержатся в клетке в значительно меньшем количестве.

Таким образом, все химические элементы по содержанию в живом организме делятся на три большие группы.

3. Микро-, макро- и ультрамикроэлементы в живом организме 

Элементы, количество которых составляет до 10-2 % от массы тела – это макроэлементы.

Те элементы, на долю которых приходит от 10-2 до10-6 – микроэлементы.

Элементы, содержание которых не превышает 10-6 % массы тела – ультрамикроэлементы (рис. 6).

Рис. 6. Химические элементы в живом организме

Русский и украинский ученый В. И. Вернадский доказал, что все живые организмы способны усваивать (ассимилировать) элементы из внешней среды и накапливать (концентрировать) их в определенных органах и тканях. Например, большое количество микроэлементов накапливается в печени, в костной и мышечной ткани.

4. Сродство микроэлементов к определённым органам и тканям 

Отдельные элементы имеют сродство к определенным органам и тканям. Например, в костях и зубах накапливается кальций. Цинка много в поджелудочной железе. Молибдена много в почках. Бария в сетчатке глаза. Йода в щитовидной железе. Марганца, брома и хрома много в гипофизе (см. таблицу «Накопление химических элементов во внутренних органах человека»).

Для нормального протекания процессов жизнедеятельности необходимо строгое соотношение химических элементов в организме. В противном случае возникают тяжелые отравления, связанные с недостатком или избытком биофильных элементов.

6. Вещества, входящие в состав организмов 

Химические соединения в живых организмах

Химические элементы образуют неорганические и органические вещества (см. схему «Вещества, входящие в состав живых организмов»).

Неорганические вещества в организмах: вода и минеральные вещества (ионы солей; катионы: калий, натрий, кальций и магний; анионы: хлор, сульфат анион, гидрокарбонат анион).

Органические вещества: мономеры (моносахариды, аминокислоты, нуклеотиды, жирные кислоты и липиды) и полимеры (полисахариды, белки, нуклеиновые кислоты).

Схема 1.

Из неорганических веществ, в клетке больше всего воды (от 40 до 95%), среди органических соединений в клетках животных преобладают белки (10-20%), а в клетках растений – полисахариды (клеточная стенка состоит из целлюлозы, а основное запасное питательные вещество растений – крахмал).

Таким образом, мы с вами рассмотрели основные химические элементы, которые входят в состав живых организмов, и соединения, которые они могут образовывать (см. Схему 1).

Значение биогенных элементов

Рассмотрим значение биогенных элементов для живых организмов (рис. 9).

Рис. 9.

Элемент углерод (карбон) входит в состав всех органических веществ, их основу составляет углеродный скелет. Элемент кислород (оксиген) входит в состав воды и органических веществ. Элемент водород (гидроген) тоже входит в состав всех органических веществ и воды. Азот (нитроген) входит в состав белков, нуклеиновых кислот и их мономеров (аминокислот и нуклеотидов). Сера (сульфур) входит в состав серосодержащих аминокислот, выполняет функцию агента переноса энергии. Фосфор входит в состав АТФ, нуклеотидов и нуклеиновых кислот, минеральные соли фосфора – компонент эмали зубов, костной и хрящевой тканей.

Экологические аспекты действия неорганических веществ

Проблема охраны окружающей среды в первую очередь связана с предупреждением загрязнения окружающей среды различными неорганическими веществами. Основными загрязнителями являются тяжелые металлы, которые накапливаются в почве, природных водах.

Основными загрязнителями воздуха являются оксиды серы и азота.

В результате быстрого развития техники, количество металлов используемых в производстве, необычайно выросло. Металлы попадают в организм человека, всасываются в кровь, а затем накапливаются в органах и тканях: печени, почках, костной и мышечной тканях. Из организма металлы выводятся через кожу, почки и кишечник. Ионы металлов, которые относятся к наиболее токсичным (см. список «Наиболее токсичные ионы», рис. 10): ртуть, уран, кадмий, талий и мышьяк, вызывают острые хронические отравления.

Рис. 10.

Многочисленна и группа умеренно-токсичных металлов (рис. 11), к ним относятся марганец, хром, осмий, стронций и сурьма. Эти элементы способны вызывать хронические отравления с довольно тяжелыми, но редко летальными клиническими проявлениями.

Рис. 11.

Малотоксичные металлы не обладают заметной избирательностью. Аэрозоли малотоксичных металлов, например, щелочных, щелочноземельных, могут вызывать изменения легких.

 Строение и функции АТФ.Витамины.

1. Структура и функции АТФ 

Как вы помните, нуклеиновые кислоты состоят из нуклеотидов. Оказалось, что в клетке нуклеотиды могут находиться в связанном состоянии или в свободном состоянии. В свободном состоянии они выполняют ряд важных для жизнедеятельности организма функций.

К таким свободным нуклеотидам относится молекула АТФ или аденозинтрифосфорная кислота (аденозинтрифосфат). Как и все нуклеотиды, АТФ состоит из пятиуглеродного сахара – рибозы, азотистого основания – аденина, и, в отличие от нуклеотидов ДНК и РНК, трех остатков фосфорной кислоты (рис. 1).

Рис. 1. Три схематических изображения АТФ

Важнейшая функция АТФ состоит в том, что она является универсальным хранителем и переносчиком энергии в клетке.

Все биохимические реакции в клетке, которые требуют затрат энергии, в качестве ее источника используют АТФ.

При отделении одного остатка фосфорной кислоты, АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфат). Если отделяется ещё один остаток фосфорной кислоты (что случается в особых случаях), АДФ переходит в АМФ (аденозинмонофосфат) (рис. 2).

Рис. 2 Гидролиза АТФ и превращение её в АДФ

При отделении второго и третьего остатков фосфорной кислоты освобождается большое количество энергии, до 40 кДж. Именно поэтому связь между этими остатками фосфорной кислоты называют макроэргической и обозначают соответственным символом.

При гидролизе обычной связи выделяется (или поглощается) небольшое количество энергии, а при гидролизе макроэргической связи выделяется намного больше энергии (40 кДж). Связь между рибозой и первым остатком фосфорной кислоты не является макроэргической, при её гидролизе выделяется всего 14 кДж энергии.

Макроэргические соединения могут образовываться и на основе других нуклеотидов, например ГТФ (гуанозинтрифосфат) используется как источник энергии в биосинтезе белка, принимает участие в реакциях передачи сигнала, является субстратом для синтеза РНК в процессе транскрипции, но именно АТФ является наиболее распространенным и универсальным источником энергии в клетке.

АТФ содержится как в цитоплазме, так и в ядре, митохондриях и хлоропластах.

2. Функции витаминов 

Витамины – биологически активные органические соединения, которые в малых количествах необходимы для подержания процессов жизнедеятельности в клетке.

Они не являются структурными компонентами живой материи, и не используются в качестве источника энергии.

Большинство витаминов не синтезируются в организме человека и животных, а поступают в него с пищей, некоторые синтезируются в небольших количествах микрофлорой кишечника и тканями (витамин D синтезируется кожей).

Потребность человека и животных в витаминах не одинакова и зависит от таких факторов как пол, возраст, физиологическое состояние и условия среды обитания. Некоторые витамины нужны не всем животным.

Например, аскорбиновая кислота, или витамин С, необходим человеку и другим приматам. Вместе с тем, он синтезируется в организме рептилий (моряки брали в плавания черепах, для борьбы с цингой – авитаминозом витамина С).

Витамины были открыты в конце XIX века благодаря работам русских ученых Н. И. Лунина и В. Пашутина, которые показали, что для полноценного питания необходимо не только наличие белков, жиров и углеводов, но и ещё каких-то других, на тот момент неизвестных, веществ.

В 1912 году польский ученый К. Функ , изучая компоненты шелухи риса, предохраняющей от болезни Бери-Бери (авитаминоз витамина В), предположил, что в состав этих веществ обязательно должны входить аминные группировки. Именно он предложили назвать эти вещества витаминами, то есть аминами жизни.

В дальнейшем было установлено, что многие из этих веществ аминогрупп не содержат, но термин витамины хорошо прижился в языке науки и практики.

По мере открытия отдельных витаминов, их обозначали латинскими буквами и называли в зависимости от выполняемых функций. Например, витамин Е назвали токоферол (от др.-греч. τόκος – «деторождение», и φέρειν – «приносить»).

Сегодня витамины делят по их способности растворяться в воде или в жирах.

К водорастворимым витаминам относят витамины H, C, P, В.

К жирорастворимым витаминам относят A, D, E, K(можно запомнить, как слово: кеда).

Как уже было отмечено, потребность в витаминах зависит от возраста, пола, физиологического состояния организма и среды обитания. В молодом возрасте отмечена явная нужда в витаминах. Ослабленный организм тоже требует больших доз этих веществ. С возрастом способность усваивать витамины падает.

Потребность в витаминах также определяется способностью организма их утилизировать.

3. Авитаминоз и гиповитаминоз 

При недостаточном поступлении витаминов в организм развивается первичный авитаминоз. Разные продукты содержат разное количество витаминов.

Например, морковь содержит много провитамина А (каротина), капуста содержит витамин С и т. д. Отсюда проистекает необходимость сбалансированной диеты, включающей в себя разнообразные продукты растительного и животного происхождения.

Авитаминоз при нормальных условиях питания встречается очень редко, гораздо чаще встречаются гиповитаминозы, которые связаны с недостаточным поступлением с пищей витаминов.

Гиповитаминоз может возникать не только в результате несбалансированного питания, но и как следствие различных патологий со стороны желудочно-кишечного тракта или печени, или в результате различных эндокринных или инфекционных заболеваний, которые приводят к нарушению всасывания витаминов в организме.

Некоторые витамины вырабатываются кишечной микрофлорой (микробиотой кишечника). Подавление биосинтетических процессов в результате действия антибиотиков может также привести к развитию гиповитаминоза, как следствия дисбактериоза.

Чрезмерное употребление пищевых витаминных добавок, а также лекарственных средств, содержащих витамины, приводит к возникновению патологического состояния – гипервитаминоза. Особенно это характерно для жирорастворимых витаминов, таких как A, D, E, K.