Perché le molecole di proteine, acidi nucleici, carboidrati e lipidi sono considerate biopolimeri solo nella cellula? Cosa è venuto prima: acido nucleico o proteina Quali sostanze simili ai grassi conosci?
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Biologia– le scienze della vita sono una delle scienze più antiche. L’uomo ha accumulato conoscenze sugli organismi viventi nel corso di migliaia di anni. Con l'accumularsi delle conoscenze, la biologia si è differenziata in scienze indipendenti (botanica, zoologia, microbiologia, genetica, ecc.). Cresce sempre più l'importanza delle discipline di confine che collegano la biologia con altre scienze: fisica, chimica, matematica, ecc.. Come risultato dell'integrazione, sono nate la biofisica, la biochimica, la biologia spaziale, ecc.
Attualmente la biologia è una scienza complessa, formata come risultato della differenziazione e dell'integrazione di diverse discipline.
In biologia vengono utilizzati vari metodi di ricerca: osservazione, esperimento, confronto, ecc.
La biologia studia gli organismi viventi. Sono sistemi biologici aperti che ricevono energia e nutrienti dall'ambiente. Gli organismi viventi rispondono alle influenze esterne, contengono tutte le informazioni di cui hanno bisogno per lo sviluppo e la riproduzione e sono adattati a un habitat specifico.
Tutti i sistemi viventi, indipendentemente dal livello di organizzazione, lo hanno caratteristiche comuni, e i sistemi stessi sono in continua interazione. Gli scienziati distinguono i seguenti livelli di organizzazione della natura vivente: molecolare, cellulare, organismico, popolazione-specie, ecosistema e biosfera.
Capitolo 1. Livello molecolare
Il livello molecolare può essere definito il livello iniziale e più profondo di organizzazione degli esseri viventi. Ogni organismo vivente è costituito da molecole di sostanze organiche: proteine, acidi nucleici, carboidrati, grassi (lipidi), chiamate molecole biologiche. I biologi studiano il ruolo di questi composti biologici essenziali nella crescita e nello sviluppo degli organismi, nell'immagazzinamento e nella trasmissione di informazioni ereditarie, nel metabolismo e nella conversione dell'energia nelle cellule viventi e in altri processi.
In questo capitolo imparerai
Cosa sono i biopolimeri;
Che struttura hanno le biomolecole?
Quali funzioni svolgono le biomolecole?
Cosa sono i virus e quali sono le loro caratteristiche?
§ 4. Livello molecolare: caratteristiche generali
1. Cos'è un elemento chimico?
2. Cosa si chiamano atomo e molecola?
3. Quali sostanze organiche conosci?
Qualsiasi sistema vivente, non importa quanto complesso possa essere organizzato, si manifesta a livello di funzionamento delle macromolecole biologiche.
Studiando gli organismi viventi, hai imparato che sono costituiti dalla stessa cosa elementi chimici, come inanimato. Attualmente sono conosciuti più di 100 elementi, la maggior parte dei quali si trova negli organismi viventi. Gli elementi più comuni nella natura vivente includono carbonio, ossigeno, idrogeno e azoto. Sono questi elementi che formano molecole (composti) dei cosiddetti materia organica.
La base di tutto composti organici il carbonio serve. Può entrare in contatto con molti atomi e loro gruppi, formando catene che differiscono tra loro Composizione chimica, struttura, lunghezza e forma. Le molecole sono formate da gruppi di atomi e da questi ultimi molecole più complesse che differiscono per struttura e funzione. Vengono chiamati questi composti organici che compongono le cellule degli organismi viventi polimeri biologici O biopolimeri.
Polimero(dal greco politiche- numerosi) - una catena composta da numerosi anelli - monomeri, ognuno dei quali è relativamente semplice. Una molecola polimerica può essere costituita da molte migliaia di monomeri interconnessi, che possono essere uguali o diversi (Fig. 4).
Riso. 4. Schema della struttura di monomeri e polimeri
Le proprietà dei biopolimeri dipendono dalla struttura delle loro molecole: dal numero e dalla varietà delle unità monomeriche che formano il polimero. Sono tutti universali, poiché sono costruiti secondo lo stesso piano per tutti gli organismi viventi, indipendentemente dalla specie.
Ogni tipo di biopolimero è caratterizzato da una struttura e una funzione specifica. Sì, molecole proteine sono i principali elementi strutturali cellule e regolano i processi che si verificano in esse. Acidi nucleici partecipare al trasferimento di informazioni genetiche (ereditarie) da cellula a cellula, da organismo a organismo. Carboidrati E grassi Sono le più importanti fonti di energia necessarie alla vita degli organismi.
Esattamente acceso livello molecolare Tutti i tipi di energia vengono convertiti e il metabolismo avviene nella cellula. I meccanismi di questi processi sono universali anche per tutti gli organismi viventi.
Allo stesso tempo, si è scoperto che le diverse proprietà dei biopolimeri che compongono tutti gli organismi sono dovute a diverse combinazioni di pochi tipi di monomeri, che formano molte varianti di lunghe catene polimeriche. Questo principio è alla base della diversità della vita sul nostro pianeta.
Le proprietà specifiche dei biopolimeri compaiono solo in una cellula vivente. Una volta isolate dalle cellule, le molecole dei biopolimeri perdono la loro essenza biologica e si caratterizzano solo per le proprietà fisico-chimiche della classe di composti a cui appartengono.
Solo studiando il livello molecolare si può capire come sono avvenuti i processi di origine ed evoluzione della vita sul nostro pianeta, quali sono le basi molecolari dell'ereditarietà e dei processi metabolici in un organismo vivente.
La continuità tra il livello molecolare e il livello cellulare successivo è assicurata dal fatto che le molecole biologiche sono il materiale da cui si formano le strutture sopramolecolari – cellulari.
Sostanze organiche: proteine, acidi nucleici, carboidrati, grassi (lipidi). Biopolimeri. Monomeri
Domande
1. Quali processi studiano gli scienziati a livello molecolare?
2. Quali elementi predominano nella composizione degli organismi viventi?
3. Perché le molecole di proteine, acidi nucleici, carboidrati e lipidi sono considerate biopolimeri solo nella cellula?
4. Cosa si intende per universalità delle molecole dei biopolimeri?
5. Come si ottiene la diversità delle proprietà dei biopolimeri che compongono gli organismi viventi?
Compiti
Quali modelli biologici possono essere formulati sulla base dell'analisi del testo del paragrafo? Discuteteli con i membri della classe.
§ 5. Carboidrati
1. Quali sostanze legate ai carboidrati conosci?
2. Che ruolo svolgono i carboidrati in un organismo vivente?
3. Come risultato di quale processo si formano i carboidrati nelle cellule delle piante verdi?
Carboidrati, O saccaridi, è uno dei principali gruppi di composti organici. Fanno parte delle cellule di tutti gli organismi viventi.
I carboidrati sono costituiti da carbonio, idrogeno e ossigeno. Hanno ricevuto il nome di "carboidrati" perché la maggior parte di essi ha nella molecola lo stesso rapporto tra idrogeno e ossigeno che nella molecola d'acqua. La formula generale dei carboidrati è C n (H 2 0) m.
Tutti i carboidrati sono divisi in semplici o monosaccaridi, e complesso, o polisaccaridi(Fig. 5). Tra i monosaccaridi, i più importanti per gli organismi viventi sono ribosio, desossiribosio, glucosio, fruttosio, galattosio.
Riso. 5. La struttura delle molecole dei carboidrati semplici e complessi
Di- E polisaccaridi si formano combinando due o più molecole di monosaccaridi. COSÌ, saccarosio(zucchero di canna), maltosio(zucchero di malto), lattosio(zucchero del latte) – disaccaridi, formato come risultato della fusione di due molecole di monosaccaride. I disaccaridi hanno proprietà simili ai monosaccaridi. Ad esempio, entrambe le oronie sono solubili in acqua e hanno un sapore dolce.
I polisaccaridi sono costituiti da elevato numero monosaccaridi. Questi includono amido, glicogeno, cellulosa, chitina ecc. (Fig. 6). Con l'aumento del numero di monomeri, la solubilità dei polisaccaridi diminuisce e il sapore dolce scompare.
La funzione principale dei carboidrati è energia. Durante la scomposizione e l'ossidazione delle molecole di carboidrati, viene rilasciata energia (con la scomposizione di 1 g di carboidrati - 17,6 kJ), che garantisce le funzioni vitali del corpo. Quando c'è un eccesso di carboidrati, questi si accumulano nella cellula come sostanze di riserva (amido, glicogeno) e, se necessario, vengono utilizzati dall'organismo come fonte di energia. Si può osservare una maggiore scomposizione dei carboidrati nelle cellule, ad esempio, durante la germinazione dei semi, un intenso lavoro muscolare e un digiuno prolungato.
I carboidrati vengono utilizzati anche come materiale da costruzione. Pertanto, la cellulosa è un importante componente strutturale delle pareti cellulari di molti organismi unicellulari, funghi e piante. Grazie alla sua struttura speciale, la cellulosa è insolubile in acqua e ha un'elevata resistenza. In media, il 20-40% del materiale delle pareti cellulari delle piante è cellulosa e le fibre di cotone sono cellulosa quasi pura, motivo per cui vengono utilizzate per produrre tessuti.
Riso. 6. Schema della struttura dei polisaccaridi
La chitina fa parte delle pareti cellulari di alcuni protozoi e funghi; si trova anche in alcuni gruppi di animali, come gli artropodi, come componente importante del loro esoscheletro.
Sono noti anche polisaccaridi complessi, costituiti da due tipi di zuccheri semplici, che si alternano regolarmente in lunghe catene. Tali polisaccaridi svolgono funzioni strutturali nei tessuti di supporto degli animali. Fanno parte della sostanza intercellulare della pelle, dei tendini e della cartilagine, conferendo loro forza ed elasticità.
Alcuni polisaccaridi fanno parte delle membrane cellulari e fungono da recettori, consentendo alle cellule di riconoscersi e interagire.
Carboidrati o saccaridi. Monosaccaridi. Disaccaridi. Polisaccaridi. Ribosio. Deossiribosio. Glucosio. Fruttosio. Galattosio. Saccarosio. Maltosio. Lattosio. Amido. Glicogeno. Chitina
Domande
1. Quale composizione e struttura hanno le molecole di carboidrati?
2. Quali carboidrati sono chiamati mono-, di- e polisaccaridi?
3. Quali funzioni svolgono i carboidrati negli organismi viventi?
Compiti
Analizzare la Figura 6 “Schema della struttura dei polisaccaridi” e il testo del paragrafo. Quali ipotesi si possono fare basandosi sul confronto tra le caratteristiche strutturali delle molecole e le funzioni svolte da amido, glicogeno e cellulosa in un organismo vivente? Discuti questo problema con i tuoi compagni di classe.
§ 6. Lipidi
1. Quali sostanze simili ai grassi conosci?
2. Quali alimenti sono ricchi di grassi?
3. Qual è il ruolo dei grassi nel corpo?
Lipidi(dal greco lipo- grassi) è un ampio gruppo di sostanze simili ai grassi insolubili in acqua. La maggior parte dei lipidi è costituita da acidi grassi ad alto peso molecolare e dall'alcol trivalente glicerolo (Fig. 7).
I lipidi sono presenti in tutte le cellule senza eccezione, svolgendo funzioni biologiche specifiche.
Grassi- i lipidi più semplici e più diffusi - svolgono un ruolo importante come fonte di energia. Quando ossidati, forniscono più del doppio dell'energia dei carboidrati (38,9 kJ quando si scompongono 1 g di grasso).
Riso. 7. Struttura della molecola dei trigliceridi
I grassi sono la forma principale stoccaggio dei lipidi in una gabbia. Nei vertebrati, circa la metà dell’energia consumata dalle cellule a riposo proviene dall’ossidazione dei grassi. I grassi possono essere utilizzati anche come fonte di acqua (l'ossidazione di 1 g di grasso produce più di 1 g di acqua). Ciò è particolarmente utile per gli animali artici e del deserto che vivono in condizioni di scarsità di acqua libera.
A causa della loro bassa conduttività termica, i lipidi funzionano funzioni protettive, cioè servono per l'isolamento termico degli organismi. Ad esempio, molti vertebrati hanno uno strato di grasso sottocutaneo ben definito, che consente loro di vivere in climi freddi, e nei cetacei svolge anche un altro ruolo: promuove la galleggiabilità.
I lipidi eseguono e funzione costruttiva, poiché la loro insolubilità in acqua li rende componenti essenziali delle membrane cellulari.
Molti ormoni(ad esempio, corteccia surrenale, gonadi) sono derivati lipidici. Pertanto, i lipidi sono caratterizzati funzione normativa.
Lipidi. Grassi. Ormoni. Funzioni dei lipidi: energetica, immagazzinamento, protettiva, costruttiva, regolatrice
Domande
1. Quali sostanze sono i lipidi?
2. Che struttura hanno la maggior parte dei lipidi?
3. Quali funzioni svolgono i lipidi?
4. Quali cellule e tessuti sono più ricchi di lipidi?
Compiti
Dopo aver analizzato il testo del paragrafo, spiega perché molti animali prima dell'inverno e i pesci migratori prima della deposizione delle uova tendono ad accumulare più grasso. Fornisci esempi di animali e piante in cui questo fenomeno è più pronunciato. Il grasso in eccesso fa sempre bene al corpo? Discuti questo problema in classe.
§ 7. Composizione e struttura delle proteine
1. Qual è il ruolo delle proteine nel corpo?
2. Quali alimenti sono ricchi di proteine?
Tra le sostanze organiche scoiattoli, O proteine, sono i biopolimeri più numerosi, più diversi e di fondamentale importanza. Costituiscono il 50-80% della massa secca della cellula.
Le molecole proteiche sono di grandi dimensioni, motivo per cui vengono chiamate macromolecole. Oltre a carbonio, ossigeno, idrogeno e azoto, le proteine possono contenere zolfo, fosforo e ferro. Le proteine differiscono l'una dall'altra per numero (da cento a diverse migliaia), composizione e sequenza di monomeri. I monomeri proteici sono amminoacidi (Fig. 8).
Un'infinita varietà di proteine viene creata da diverse combinazioni di soli 20 aminoacidi. Ogni amminoacido ha il proprio nome, struttura e proprietà speciali. Loro formula generale può essere rappresentato nella seguente forma:
Una molecola di amminoacido è composta da due parti identiche a tutti gli amminoacidi, una delle quali è un gruppo amminico (-NH 2) con proprietà basiche, l'altra è un gruppo carbossilico (-COOH) con proprietà acide. La parte della molecola chiamata radicale (R) ha una struttura diversa per diversi aminoacidi. La presenza di gruppi basici e acidi in una molecola di amminoacido ne determina lo sballo reattività. Attraverso questi gruppi, gli amminoacidi si combinano per formare le proteine. In questo caso appare una molecola d'acqua e si formano gli elettroni rilasciati legame peptidico. Ecco perché vengono chiamate le proteine polipeptidi.
Riso. 8. Esempi della struttura degli amminoacidi - monomeri di molecole proteiche
Le molecole proteiche possono avere diverse configurazioni spaziali: struttura proteica, e nella loro struttura ci sono quattro livelli organizzazione strutturale(Fig. 9).
La sequenza degli amminoacidi in una catena polipeptidica è struttura primaria scoiattolo. È unico per qualsiasi proteina e ne determina la forma, le proprietà e le funzioni.
La maggior parte delle proteine ha una forma a spirale come risultato della formazione di legami idrogeno tra i gruppi CO e NH di diversi residui amminoacidici della catena polipeptidica. I legami idrogeno sono deboli, ma insieme forniscono una struttura abbastanza forte. Questa spirale è struttura secondaria scoiattolo.
Struttura terziaria– “impacchettamento” spaziale tridimensionale di una catena polipeptidica. Il risultato è una configurazione bizzarra, ma specifica per ciascuna proteina - globulo. La forza della struttura terziaria è assicurata dai vari legami che si formano tra i radicali degli aminoacidi.
Riso. 9. Schema della struttura di una molecola proteica: I, II, III, IV – strutture primarie, secondarie, terziarie, quaternarie
Struttura quaternaria non tipico di tutte le proteine. Nasce come risultato della combinazione di diverse macromolecole con una struttura terziaria in un complesso complesso. Ad esempio, l'emoglobina del sangue umano è un complesso di quattro macromolecole proteiche (Fig. 10).
Questa complessità della struttura delle molecole proteiche è associata alla diversità delle funzioni inerenti a questi biopolimeri.
Viene chiamata violazione della struttura naturale di una proteina denaturazione(Fig. 11). Può verificarsi sotto l'influenza della temperatura, sostanze chimiche, energia radiante e altri fattori. Con un impatto debole, solo la struttura quaternaria si disintegra, con un impatto più forte, quella terziaria e poi quella secondaria, e la proteina rimane sotto forma di catena polipeptidica.
Riso. 10. Schema della struttura della molecola di emoglobina
Questo processo è parzialmente reversibile: se la struttura primaria non viene distrutta, la proteina denaturata è in grado di ripristinare la sua struttura. Ne consegue che tutte le caratteristiche strutturali di una macromolecola proteica sono determinate dalla sua struttura primaria.
Tranne proteine semplici, costituiti solo da aminoacidi, ci sono anche proteine complesse, che possono includere carboidrati ( glicoproteine), grassi ( lipoproteine), acidi nucleici ( nucleoproteine) e così via.
Il ruolo delle proteine nella vita di una cellula è enorme. Biologia moderna ha dimostrato che le somiglianze e le differenze tra gli organismi sono in definitiva determinate dall'insieme delle proteine. Quanto più gli organismi sono vicini tra loro in posizione sistematica, tanto più simili sono le loro proteine.
Riso. 11. Denaturazione delle proteine
Proteine o proteine. Proteine semplici e complesse. Aminoacidi. Polipeptide. Strutture primarie, secondarie, terziarie e quaternarie delle proteine
Domande
1. Quali sostanze sono chiamate proteine o proteine?
2. Qual è la struttura primaria di una proteina?
3. Come si formano le strutture proteiche secondarie, terziarie e quaternarie?
4. Cos'è la denaturazione delle proteine?
5. Su quale base le proteine si dividono in semplici e complesse?
Compiti
Sai che il bianco di un uovo di gallina è costituito principalmente da proteine. Pensa a cosa spiega il cambiamento nella struttura proteica di un uovo sodo. Fornisci altri esempi che conosci di dove la struttura delle proteine può cambiare.
§ 8. Funzioni delle proteine
1. Qual è la funzione dei carboidrati?
2. Quali funzioni delle proteine conosci?
Le proteine svolgono funzioni estremamente importanti e diverse. Ciò è possibile in gran parte grazie alla varietà di forme e composizione delle proteine stesse.
Una delle funzioni più importanti delle molecole proteiche è costruzione (plastica). Le proteine fanno parte di tutte le membrane cellulari e degli organelli cellulari. Le pareti dei vasi sanguigni, della cartilagine, dei tendini, dei capelli e delle unghie sono costituite prevalentemente da proteine.
Di grande importanza catalitico, O funzione enzimatica e proteica. Proteine speciali: gli enzimi sono in grado di accelerare le reazioni biochimiche nelle cellule decine e centinaia di milioni di volte. Si conoscono circa un migliaio di enzimi. Ogni reazione è catalizzata da un enzima specifico. Imparerai di più al riguardo di seguito.
Funzione motoria eseguire speciali proteine contrattili. Grazie a loro, ciglia e flagelli si muovono nei protozoi, i cromosomi si muovono durante la divisione cellulare, i muscoli si contraggono negli organismi multicellulari e altri tipi di movimento negli organismi viventi vengono migliorati.
È importante funzione di trasporto proteine. Pertanto, l’emoglobina trasporta l’ossigeno dai polmoni alle cellule di altri tessuti e organi. Nei muscoli, oltre all'emoglobina, esiste un'altra proteina che trasporta il gas: la mioglobina. Le proteine del siero promuovono il trasporto di lipidi e acidi grassi, biologicamente diversi sostanze attive. Le proteine di trasporto nella membrana esterna delle cellule trasportano varie sostanze dall'ambiente nel citoplasma.
Eseguono proteine specifiche funzione protettiva. Proteggono il corpo dall'invasione di proteine e microrganismi estranei e dai danni. Pertanto, gli anticorpi prodotti dai linfociti bloccano le proteine estranee; la fibrina e la trombina proteggono il corpo dalla perdita di sangue.
Funzione normativa inerente alle proteine - ormoni. Mantengono concentrazioni costanti di sostanze nel sangue e nelle cellule, partecipano alla crescita, alla riproduzione e ad altri processi vitali. Ad esempio, l’insulina regola lo zucchero nel sangue.
Anche le proteine ce l'hanno funzione di segnalazione. La membrana cellulare contiene proteine che possono modificare la loro struttura terziaria in risposta a fattori ambientali. In questo modo vengono ricevuti i segnali dall'ambiente esterno e le informazioni vengono trasmesse nella cellula.
Le proteine possono eseguire funzione energetica, essendo una delle fonti di energia nella cellula. Quando 1 g di proteine viene completamente scomposto nei prodotti finali, vengono rilasciati 17,6 kJ di energia. Tuttavia, le proteine vengono utilizzate molto raramente come fonte di energia. Gli amminoacidi rilasciati quando le molecole proteiche vengono scomposte vengono utilizzati per costruire nuove proteine.
Funzioni delle proteine: costruzione, motrice, trasporto, protettiva, regolatrice, di segnalazione, energetica, catalitica. Ormone. Enzima
Domande
1. Cosa spiega la diversità delle funzioni delle proteine?
2. Quali funzioni delle proteine conosci?
3. Che ruolo svolgono le proteine ormonali?
4. Quale funzione svolgono le proteine enzimatiche?
5. Perché le proteine vengono usate raramente come fonte di energia?
§ 9. Acidi nucleici
1. Qual è il ruolo del nucleo in una cellula?
2. A quali organelli cellulari è associata la trasmissione dei caratteri ereditari?
3. Quali sostanze sono chiamate acidi?
Acidi nucleici(dal lat. nucleo– nucleo) furono scoperti per la prima volta nei nuclei dei leucociti. Successivamente si è scoperto che gli acidi nucleici sono contenuti in tutte le cellule, non solo nel nucleo, ma anche nel citoplasma e in vari organelli.
Esistono due tipi di acidi nucleici: desossiribonucleico(abbreviato DNA) E ribonucleico(abbreviato RNA). La differenza nei nomi è spiegata dal fatto che la molecola del DNA contiene un carboidrato desossiribosio, e la molecola di RNA lo è ribosio.
Gli acidi nucleici sono biopolimeri costituiti da monomeri - nucleotidi. I monomeri nucleotidici del DNA e dell'RNA hanno una struttura simile.
Ogni nucleotide è costituito da tre componenti collegati da forti legami chimici. Questo base azotata, carboidrati(ribosio o desossiribosio) e residuo di acido fosforico(Fig. 12).
Parte Molecole di DNA Esistono quattro tipi di basi azotate: adenina, guanina, citosina O timina. Determinano i nomi dei nucleotidi corrispondenti: adenile (A), guanile (G), citidile (C) e timidile (T) (Fig. 13).
Riso. 12. Schema della struttura dei nucleotidi - monomeri di DNA (A) e RNA (B)
Ogni filamento di DNA è un polinucleotide costituito da diverse decine di migliaia di nucleotidi.
La molecola del DNA ha una struttura complessa. È costituito da due catene attorcigliate elicoidalmente, collegate tra loro per tutta la loro lunghezza da legami idrogeno. Questa struttura, caratteristica solo delle molecole di DNA, viene chiamata doppia elica.
Riso. 13. Nucleotidi del DNA
Riso. 14. Connessione complementare di nucleotidi
Quando si forma una doppia elica del DNA, le basi azotate di una catena sono disposte in un ordine rigorosamente definito di fronte alle basi azotate dell'altra. In questo caso si rivela uno schema importante: la timina di un'altra catena si trova sempre di fronte all'adenina di una catena, la citosina si trova sempre di fronte alla guanina e viceversa. Ciò è spiegato dal fatto che le coppie nucleotidiche adenina e timina, così come guanina e citosina, corrispondono strettamente tra loro e sono complementari, oppure complementare(dal lat. complemento- aggiunta), l'un l'altro. E il modello stesso si chiama principio di complementarità. In questo caso si formano sempre due legami idrogeno tra adenina e timina e tre tra guanina e citosina (Fig. 14).
Di conseguenza, in qualsiasi organismo il numero di adenil nucleotidi è uguale al numero di timidil nucleotidi e il numero di guanil nucleotidi è uguale al numero di citidil nucleotidi. Conoscendo la sequenza dei nucleotidi in una catena di DNA, il principio di complementarità può essere utilizzato per stabilire l'ordine dei nucleotidi in un'altra catena.
Con l'aiuto di quattro tipi di nucleotidi, il DNA registra tutte le informazioni sul corpo, che vengono trasmesse alle generazioni successive. In altre parole, il DNA è il portatore delle informazioni ereditarie.
Le molecole di DNA si trovano principalmente nei nuclei delle cellule, ma piccole quantità si trovano nei mitocondri e nei plastidi.
Una molecola di RNA, a differenza di una molecola di DNA, è un polimero costituito da un'unica catena di dimensioni molto più piccole.
I monomeri di RNA sono nucleotidi costituiti da ribosio, un residuo di acido fosforico e una delle quattro basi azotate. Tre basi azotate - adenina, guanina e citosina - sono uguali a quelle del DNA, e la quarta - uracile.
La formazione di un polimero di RNA avviene attraverso legami covalenti tra il ribosio e il residuo di acido fosforico dei nucleotidi vicini.
Esistono tre tipi di RNA, che differiscono per struttura, dimensione molecolare, posizione nella cellula e funzioni svolte.
RNA ribosomiale (rRNA) fanno parte dei ribosomi e partecipano alla formazione dei loro centri attivi, dove avviene il processo di biosintesi proteica.
Trasferimento di RNA (tRNA) - il più piccolo in termini di dimensioni - trasporta gli amminoacidi al sito di sintesi proteica.
Informazione, O modello, RNA (mRNA) sono sintetizzati su una sezione di una delle catene della molecola di DNA e trasmettono informazioni sulla struttura della proteina dal nucleo cellulare ai ribosomi, dove queste informazioni vengono implementate.
Pertanto, diversi tipi di RNA rappresentano un unico sistema funzionale volto a implementare le informazioni ereditarie attraverso la sintesi proteica.
Le molecole di RNA si trovano nel nucleo, nel citoplasma, nei ribosomi, nei mitocondri e nei plastidi della cellula.
Acido nucleico. Acido desossiribonucleico o DNA. Acido ribonucleico o RNA. Basi azotate: adenina, guanina, citosina, timina, uracile, nucleotide. Doppia elica. Complementarità. Trasferimento dell'RNA (tRNA). RNA ribosomiale (rRNA). RNA messaggero (mRNA)
Domande
1. Qual è la struttura di un nucleotide?
2. Qual è la struttura della molecola del DNA?
3. Qual è il principio di complementarità?
4. Quali sono le somiglianze e le differenze nella struttura delle molecole di DNA e RNA?
5. Quali tipi di molecole di RNA conosci? Quali sono le loro funzioni?
Compiti
1. Delinea il tuo paragrafo.
2. Gli scienziati hanno scoperto che un frammento di una catena di DNA ha la seguente composizione: C-G G A A A T T C C. Utilizzando il principio di complementarità, completa la seconda catena.
3. Durante lo studio si è scoperto che nella molecola di DNA in studio le adenine rappresentano il 26% del numero totale basi azotate. Contare il numero di altre basi azotate presenti in questa molecola.
Guarda la radice!
Kozma Prutkov
Quali elementi chimici costituiscono una cellula vivente? Che ruolo giocano gli zuccheri e i lipidi? Come sono strutturate le proteine e come fanno le loro molecole ad acquisire una certa forma spaziale? Cosa sono gli enzimi e come riconoscono i loro substrati? Qual è la struttura delle molecole di RNA e DNA? Quali caratteristiche della molecola del DNA le consentono di svolgere il ruolo di portatore di informazioni genetiche?
Lezione-lezione
COMPOSIZIONE ELEMENTARE E MOLECOLARE DEGLI ESSERI VIVENTI. Iniziamo la nostra conoscenza dei sistemi viventi dal livello genetico molecolare. Questo è il livello delle molecole che costituiscono la base strutturale e funzionale delle cellule degli organismi viventi.
Retrovirus. I virus dimostrano forme geometriche sorprendenti!
Ricordiamo quello di tutti gli elementi conosciuti inclusi in Tavola periodica DI Mendeleev, in una cellula vivente ne sono stati trovati circa 80. Inoltre, tra questi non ce n'è uno che sarebbe assente nella natura inanimata. Questo serve come una delle prove della comunanza della natura vivente e inanimata.
Più del 90% della massa di una cellula è costituita da carbonio, idrogeno, azoto e ossigeno. Zolfo, fosforo, potassio, sodio, calcio, magnesio, ferro e cloro si trovano in quantità molto minori nella cellula. Tutti gli altri elementi (zinco, rame, iodio, fluoro, cobalto, manganese, ecc.) insieme costituiscono non più dello 0,02% della massa cellulare. Ecco perché vengono chiamati microelementi. I microelementi fanno parte di ormoni, enzimi e vitamine, cioè composti ad elevata attività biologica.
Ad esempio, la mancanza di iodio nel corpo, necessaria per la produzione dell'ormone tiroideo - tiroxina, porta ad una diminuzione della produzione di questo ormone e, di conseguenza, allo sviluppo di malattie gravi, incluso il cretinismo.
La maggior parte del contenuto delle cellule è acqua. Molte sostanze entrano o escono dalla cellula sotto forma di soluzioni acquose; la maggior parte delle reazioni intracellulari avviene anche in ambiente acquoso. Inoltre, l'acqua è direttamente coinvolta in numerosi reazioni chimiche, donando ioni H + o OH - ai composti risultanti. Grazie alla sua elevata capacità termica, l'acqua stabilizza la temperatura all'interno della cella, rendendola meno dipendente dalle fluttuazioni di temperatura nell'ambiente circostante la cella.
Oltre all'acqua, che costituisce il 70% del volume cellulare, contiene anche sostanze organiche: composti del carbonio. Tra questi ci sono piccole molecole contenenti fino a 30 atomi di carbonio e macromolecole. I primi comprendono gli zuccheri semplici (monosaccaridi), i lipidi, gli amminoacidi e i nucleotidi. Fungono da componenti strutturali per la costruzione di macromolecole e inoltre svolgono un ruolo significativo nei processi metabolici e nell'energia di una cellula vivente.
Eppure, la base della vita a livello molecolare sono le proteine e gli acidi nucleici, di cui parleremo più in dettaglio.
AMMINOACIDI E PROTEINE. Gli scoiattoli hanno un ruolo speciale nella natura vivente. Fungono da materiale da costruzione della cellula e quasi nessuno dei processi che si verificano nelle cellule può avvenire senza la loro partecipazione.
Una molecola proteica è una catena di amminoacidi e il numero di collegamenti in tale catena può variare da decine a diverse migliaia. Gli amminoacidi adiacenti sono legati tra loro tipo speciale legame chimico, che è chiamato peptide. Questo legame si forma durante il processo di sintesi proteica, quando il gruppo carbossilico di un amminoacido si lega al gruppo amminico adiacente di un altro amminoacido (Fig. 32).
Riso. 32. Legame peptidico
Tutti i 20 tipi di aminoacidi sono coinvolti nella costruzione delle proteine. Tuttavia, l'ordine della loro alternanza nella catena proteica è molto diverso, il che crea l'opportunità per un numero enorme di combinazioni e, di conseguenza, per la costruzione di numerosi tipi di molecole proteiche. Va notato che solo le piante sono in grado di sintetizzare tutti i 20 aminoacidi necessari per costruire le proteine. Gli animali ottengono un certo numero di aminoacidi, chiamati aminoacidi essenziali, mangiando le piante.
La sequenza di amminoacidi in una molecola proteica è indicata come struttura primaria scoiattolo (Fig. 33). Ci sono anche struttura secondaria proteina, che è intesa come la natura della disposizione spaziale dei singoli frammenti della catena di aminoacidi. Nella struttura secondaria, le sezioni della molecola proteica hanno la forma di eliche o strati ripiegati. Nella loro formazione un ruolo importante è svolto dai legami idrogeno stabiliti tra l'ossigeno e l'idrogeno dei legami peptidici (-N-H...0=C-) di diversi amminoacidi.
Riso. 33. Struttura delle proteine
Sotto struttura terziaria proteina si riferisce alla disposizione spaziale dell'intera catena di aminoacidi.
La struttura terziaria ha un'influenza diretta sulla forma della molecola proteica, che può essere filiforme o rotonda. In quest'ultimo caso, la molecola è piegata in modo tale che le sue regioni idrofobiche siano all'interno e i suoi gruppi idrofili polari siano sulla superficie. La struttura spaziale risultante viene chiamata globulo.
Infine, alcune proteine possono contenere più globuli, ciascuno dei quali è formato da una catena indipendente di amminoacidi. La combinazione di più globuli in un unico complesso è designata con il termine struttura quaternaria scoiattolo. Ad esempio, la molecola proteica dell'emoglobina è costituita da quattro globuli contenenti una parte non proteica: l'eme.
Una molecola proteica è capace di auto-organizzarsi in una struttura spaziale complessa, la cui configurazione è specifica e determinata dalla sequenza di aminoacidi, cioè dalla struttura primaria della proteina.
L'autorganizzazione è una delle proprietà uniche proteine, che sono alla base di molte delle funzioni che svolgono. In particolare, il proprio meccanismo di riconoscimento da parte degli enzimi (catalizzatori biologici) si basa sulla specificità della struttura spaziale della molecola proteica. substrato, cioè una molecola che, dopo aver interagito con un enzima, subisce alcune trasformazioni chimiche e si trasforma in Prodotto.
Gli enzimi sono proteine, una certa parte della molecola di cui costituisce il centro attivo. Lega un substrato specifico per un dato enzima e lo converte in un prodotto. In questo caso l'enzima è in grado di distinguere il suo substrato grazie alla particolare configurazione spaziale del centro attivo, specifica di ciascun enzima. Potete immaginare che il substrato si adatti all'enzima come la chiave di una serratura.
Sei convinto che tutte le proprietà di una proteina si basino sulla sua struttura primaria: la sequenza di aminoacidi nella molecola. Può essere paragonato a una parola scritta in un alfabeto composto da 20 lettere di aminoacidi. E se ci sono parole, allora potrebbe esserci un codice con cui queste parole possono essere codificate. Come? La familiarità con la struttura degli acidi nucleici aiuterà a rispondere a questa domanda.
NUCLEOTIDI E ACIDI NUCLEICI. I nucleotidi sono costituiti da un composto ciclico contenente azoto (base azotata), uno zucchero a cinque atomi di carbonio e un residuo di acido fosforico. Da essi si costruiscono le macromolecole degli acidi nucleici.
La composizione delle molecole RNA(acido ribonucleico) comprende nucleotidi costruiti sullo zucchero ribosio e contenenti adenina (A), guanina (G), citosina (C) e uracile (U) come basi azotate. Nucleotidi che costituiscono una molecola DNA(acido desossiribonucleico), contengono desossiribosio e invece di uracile - timina (T).
Il collegamento dei nucleotidi tra loro in una molecola di DNA (RNA) avviene a causa della connessione del residuo di fosforo di un nucleotide con il desossiribosio (ribosio) di un altro (Fig. 34).
Riso. 34. Composizione della catena e struttura della molecola del DNA
Nel corso degli studi sulla composizione delle molecole di DNA, si è scoperto che in ciascuna di esse il numero di basi azotate di adenina (A) è uguale al numero di timina (T) e il numero di guanina (G) è uguale al numero di citosina (C). Questa scoperta servì come prerequisito per la creazione da parte di J. Watson e F. Crick nel 1953 di un modello della molecola del DNA: la famosa doppia elica.
Secondo questo modello, la molecola del DNA è costituita da due catene piegate a spirale destrorsa (Fig. 35).
Riso. 35. Modello della struttura del DNA
Ciascuna catena contiene una sequenza di nucleotidi che corrisponde strettamente (complementare) alla sequenza dell'altra catena. Questa corrispondenza è ottenuta dalla presenza di legami idrogeno tra le basi azotate di due catene dirette l'una verso l'altra: A e T o G e C.
La comunicazione tra altre coppie di basi azotate è impossibile, poiché la struttura spaziale delle molecole delle basi azotate è tale che solo A e T, così come G e C, possono avvicinarsi abbastanza da formare tra loro legami idrogeno.
La caratteristica più importante del DNA è la possibilità della sua autoduplicazione - replica, che viene effettuato con la partecipazione di un gruppo di enzimi (Fig. 36).
Riso. 36. Schema di replicazione del DNA
In alcune aree, inclusa una delle estremità, di una molecola di DNA elicoidale a doppio filamento, i legami idrogeno tra le catene si rompono. Si separano e si rilassano.
Questo processo prende gradualmente il sopravvento sull'intera molecola. Poiché su di esse le catene della molecola madre divergono, come su una matrice, da quelle disponibili in ambiente nucleotidi, vengono costruite le catene figlie. L'assemblaggio di una nuova catena procede in stretta conformità con il principio di complementarità: contro ogni A c'è una T, contro G - C, ecc. Di conseguenza, si ottengono due nuove molecole di DNA, ciascuna delle quali ha una catena rimasta da la molecola di DNA originale e la seconda è una nuova. In questo caso le due molecole di DNA formatesi durante la replicazione sono identiche a quella originale.
La capacità della molecola del DNA di autocopiarsi è la base per la trasmissione delle informazioni ereditarie da parte degli organismi viventi. La sequenza di basi nucleotidiche in una molecola di DNA funge da codice che codifica le informazioni sulle proteine necessarie per il funzionamento del corpo.
A differenza del DNA, una molecola di RNA è costituita da una singola catena polinucleotidica. Esistono diversi tipi di RNA che svolgono diverse funzioni nella cellula. Una copia di RNA di una sezione di una catena di DNA è chiamata informazione o RNA messaggero(mRNA) e svolge il ruolo di intermediario nel trasferimento di informazioni genetiche dal DNA alle strutture cellulari che sintetizzano le proteine - ribosomi. Inoltre, la cella contiene RNA ribosomiale(rRNA), che insieme alle proteine formano i ribosomi, trasferire gli RNA(tRNA), che trasporta gli amminoacidi al sito di sintesi proteica e alcuni altri.
La molecola del DNA è costituita da due filamenti complementari di nucleotidi avvolti in una spirale, tenuti insieme da legami idrogeno. formando A-T E Coppie G-C motivi. La sequenza nucleotidica di una catena di DNA funge da codice che codifica le informazioni genetiche. La decifrazione di queste informazioni viene effettuata con la partecipazione di molecole di RNA. La capacità del DNA di autocopiarsi (replicarsi) offre la possibilità di trasmettere informazioni genetiche nella natura vivente.
- Perché le proteine sono chiamate molecole della vita?
- Qual è il ruolo? strutture spaziali proteine nei processi di vita cellulare?
- Quale principio è alla base dei processi di replicazione del DNA?
Domanda 1. Quali processi studiano gli scienziati a livello molecolare?
A livello molecolare vengono studiati i processi più importanti della vita del corpo: la sua crescita e sviluppo, il metabolismo e la conversione dell'energia, l'immagazzinamento e la trasmissione delle informazioni ereditarie, la variabilità. Unità elementare a livello molecolare, un gene funge da frammento di una molecola di acido nucleico, in cui è registrata una certa quantità di informazioni biologiche in senso qualitativo e quantitativo.
Domanda 2. Quali elementi predominano nella composizione degli organismi viventi?
Un organismo vivente contiene più di 70-80 elementi chimici, ma predominano carbonio, ossigeno, idrogeno, azoto e fosforo.
Domanda 3. Perché le molecole di proteine, acidi nucleici, carboidrati e lipidi sono considerate biopolimeri solo nella cellula?
Le molecole di proteine, acidi nucleici, carboidrati e lipidi sono polimeri perché sono costituiti da monomeri ripetuti. Ma solo in un sistema vivente (cellula, organismo) queste sostanze manifestano la loro essenza biologica, possedendo una serie di proprietà specifiche e svolgendo molte importanti funzioni. Pertanto, nei sistemi viventi tali sostanze sono chiamate biopolimeri. Al di fuori di un sistema vivente, queste sostanze perdono le loro proprietà biologiche e non sono biopolimeri.
Domanda 4. Cosa si intende per universalità delle molecole di biopolimeri?
Indipendentemente dal livello di complessità e dalle funzioni svolte nella cellula, tutti i biopolimeri hanno le seguenti caratteristiche:
le loro molecole hanno pochi rami lunghi, ma molti corti;
le catene polimeriche sono forti e non si spezzano spontaneamente;
capace di trasportare una varietà di gruppi funzionali e frammenti molecolari che forniscono attività funzionale biochimica, cioè la capacità di effettuare reazioni e trasformazioni biochimiche necessarie per la cellula nell'ambiente della soluzione intracellulare;
avere flessibilità sufficiente per formare strutture spaziali molto complesse necessarie per svolgere funzioni biochimiche, cioè per il funzionamento delle proteine come macchine molecolari, degli acidi nucleici come molecole di programmazione, ecc.;
I legami C-H e C-C dei biopolimeri, nonostante la loro forza, sono anche batterie di energia elettronica.
La proprietà principale dei biopolimeri è la linearità delle catene polimeriche, poiché solo le strutture lineari sono facilmente codificate e “assemblate” dai monomeri. Inoltre, se il filo polimerico è flessibile, allora è abbastanza facile formare da esso la struttura spaziale desiderata, e dopo che la macchina molecolare così costruita si è svalutata e si è rotta, può essere facilmente smontata nei suoi elementi componenti per usarli di nuovo. La combinazione di queste proprietà si trova solo nei polimeri a base di carbonio. Tutti i biopolimeri nei sistemi viventi sono in grado di funzionare determinate proprietà e svolgere molte funzioni essenziali. Le proprietà dei biopolimeri dipendono dal numero, dalla composizione e dall'ordine di disposizione dei monomeri che li costituiscono. La capacità di modificare la composizione e la sequenza dei monomeri nella struttura polimerica consente l’esistenza di un’enorme varietà di opzioni biopolimeriche, indipendentemente dalla specie dell’organismo. In tutti gli organismi viventi, i biopolimeri sono costruiti secondo un unico piano.
Quali elementi predominano negli organismi viventi?
Perché le molecole di proteine, acidi nucleici, carboidrati e lipidi sono considerate biopolimeri solo nella cellula?
Cosa si intende con la parola universalità delle molecole dei biopolimeri?
a) sequenza di alternanza di aminoacidi
b) il numero di amminoacidi nella molecola
c) la forma della struttura terziaria
d) tutte le caratteristiche specificate
3. In quali casi è indicata correttamente la composizione di un nucleotide del DNA?
a) ribosio, residuo di acido fosforico, timina
b) acido fosforico, uracile, desossiribosio
c) residuo di acido fosforico, desossiribosio, adenina
d) acido fosforico, ribosio, guanina
4. I monomeri degli acidi nucleici sono:
a) basi azotate
b) ribosio o desossiribosio
c) gruppi desossiribosio e fosfato
d) nucleotidi
5. Gli amminoacidi in una molecola proteica sono collegati tramite:
a) legame ionico
b) legame peptidico
c) legame idrogeno
6. Qual è la funzione dell'RNA di trasferimento?
a) trasferisce gli amminoacidi ai ribosomi
b) trasferisce informazioni dal DNA
c) forma ribosomi
d) tutte le funzioni elencate
7. Gli enzimi sono biocatalizzatori costituiti da:
a) proteine b) nucleotidi c) lipidi c) grassi
8. I polisaccaridi includono:
a) amido, ribosio
b) glicogeno, glucosio
c) cellulosa, amido
d) amido, saccarosio
9. Il carbonio come elemento è incluso in:
a) proteine e carboidrati
b) carboidrati e lipidi
c) carboidrati e acidi nucleici
d) tutti i composti organici della cellula
10. La cellula contiene DNA:
a) nel nucleo e nei mitocondri
b) nel nucleo, nel citoplasma e in vari organelli
c) nel nucleo, nei mitocondri e nel citoplasma
d) nel nucleo, nei mitocondri, nei cloroplasti
CHE COS'È UN MONOMETRO DEGLI ACIDI NUCLEICI? OPZIONI (AMINOACIDO, NUCLEOTIDE, MOLECOLA PROTEICA?) COSA È INCLUSOCOMPOSIZIONE NUCLEOTIDICA
OPZIONI: (AMINOACIDO, BASE AZOTATA, RESIDUO DI ACIDO FOSFORICO, CARBOIDRATO?)
Aiutami per favore!1.La scienza che studia le cellule si chiama:
A) Genetica;
B) Selezione;
B) ecologia;
B) Citologia.
2. Sostanze organiche della cellula:
A) Acqua, minerali, grassi;
B) Carboidrati, lipidi, proteine, acidi nucleici;
C) Carboidrati, minerali, grassi;
D) Acqua, minerali, proteine.
3. Di tutte le sostanze organiche, la maggior parte della cellula è costituita da:
A) Proteine.
B) Carboidrati
B) Grassi
D) Acqua.
4. Sostituisci le parole evidenziate con una parola:
A) Piccole molecole di sostanze organiche formano molecole complesse nella cellula.
B) I componenti strutturali permanenti della cellula svolgono funzioni vitali per la cellula.
C) L'ambiente interno semiliquido altamente ordinato della cellula garantisce l'interazione chimica di tutte le strutture cellulari.
D) Il principale pigmento fotosintetico conferisce il colore verde ai cloroplasti.
5. Accumulo e confezionamento composti chimici nella gabbia effettuano:
A) Mitocondri;
B) ribosomi;
B) Lisosomi;
D) Complesso del Golgi.
6. Le funzioni della digestione intracellulare sono eseguite da:
A) Mitocondri;
B) ribosomi;
B) Lisosomi;
D) Complesso del Golgi.
7. L'”assemblaggio” di una molecola proteica polimerica viene effettuato:
A) Mitocondri;
B) ribosomi;
B) Lisosomi;
D) Complesso del Golgi.
8. L'insieme delle reazioni chimiche che portano alla scomposizione delle sostanze organiche e al rilascio di energia è chiamato:
A) Catabolismo;
B) anabolismo;
B) Metabolismo;
D) Assimilazione
9. La “copia” dell’informazione genetica da una molecola di DNA creando mRNA si chiama:
A) Trasmissione;
B) Trascrizione;
B) Biosintesi;
D) Glicolisi.
10. Il processo di formazione delle sostanze organiche alla luce nei cloroplasti utilizzando acqua e anidride carbonica è chiamato:
A) Fotosintesi;
B) Trascrizione;
B) Biosintesi;
D) Glicolisi.
11. Il processo di decomposizione enzimatico e privo di ossigeno delle sostanze organiche è chiamato:
A) Fotosintesi;
B) Trascrizione;
B) Biosintesi;
D) Glicolisi.
12. Nomina le principali disposizioni della teoria cellulare.
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