Вещества живого организма и их превращения
Молекулы: простые и сложные
Наименьшая частичка любого вещества называется молекулой. Она, в свою очередь, состоит из атомов химических элементов.
Все молекулы определенного вещества имеют одинаковое строение. Наиболее сложное — у молекул органических веществ. Они могут состоять из десятков тысяч атомов.
Основные органические вещества, участвующие в жизни любого организма, — это белки, жиры и углеводы. Белки служат строительным материалом, играют защитную роль, ускоряют химические реакции в организме, переносят кислород. Углеводы являются источником энергии. Жиры хранят ее запасы. Имеются в нашем теле и другие органические соединения. Из них состоит почти третья часть нашего организма.
Основой живой материи являются биологические молекулы — нуклеиновые кислоты и белки. Последние представляют собой молекулы-цепочки, состоящие из множества аминокислот (эти кислоты названы так потому, что в них содержатся аминогруппы, состоящие из одного атома азота и двух атомов водорода). Порядок, в котором располагаются аминокислоты в белке, зашифрован в нуклеиновых кислотах. А участок ДНК, кодирующий один белок, носит название ген. Нуклеиновые кислоты реплицируются, то есть копируются. Благодаря этому наследственная информация передается от клетки к клетке при делении и от родителей детям.
Нуклеиновые кислоты бывают двух основных типов — дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Полимерная молекула ДНК состоит из отдельных звеньев — мономеров, или нуклеотидов. Каждый нуклеотид — это сахар (дезоксирибоза), остаток фосфорной кислоты и одно из четырех азотистых оснований — аденин, гуанин, цитозин, тимин. Азотистые основания связываются друг с другом по принципу тимином, а гуанин — с цитозином. Так образуется двойная спираль ДНК. Молекула РНК обычно состоит из одной цепочки; вместо дезоксирибозы в ней имеется рибоза, а вместо тимина — урацил.
Хромосомы — структуры в ядре клетки, состоящие из ДНК и белка. Именно в хромосомах сосредоточена большая часть наследственной информации. Набор всех хромосом клетки называется кариотипом. У каждого вида свое определенное количество хромосом. У гориллы их 48, у лошади — 64, у одного из видов муравьев — 2, а у простейшего животного радиолярии — 1600. Так что уровень развития не зависит от числа хромосом.
У человека 46 хромосом (23 пары). 22 пары называются аутосомами, а одна пара — половыми хромосомами. У женщин половые хромосомы, или Х-хромосомы, одинаковы. У мужчин есть одна Х-хромосома и одна У-хромосома. Поэтому правильный кариотип женщины обозначается формулой 46ХХ, а кариотип мужчины — 46ХУ.
Синтез белка и генетический код
Синтез белка состоит из трех этапов — транскрипции, процессинга и трансляции. Во время транскрипции, или считывания, на одной из цепочек ДНК синтезируется молекула РНК. Созревая во время процессинга, она выходит из ядра в цитоплазму, где на особых структурах — рибосомах — синтезируется полипетидная цепь, то есть цепочка связанных между собой аминокислот. Их последовательность определяется последовательностью нуклеотидов, составляющих ДНК и РНК, то есть генетическим кодом.
Генетический код — система записи генетической информации, согласно которой каждому кодону, представляющему собой последовательность из трех нуклеотидов, соответствует аминокислота. Причем у одной аминокислоты бывает несколько кодонов. Существуют также стартовый и стоп-кодоны, которые определяют начало и окончание синтеза. Если происходит мутация, то есть один нуклеотид заменяется на другой либо один или несколько нуклеотидов добавляются в цепочку или удаляются, кодоны меняются. И вместо одной аминокислоты кодируется другая. А значит, меняется состав белка и, скорее всего, его свойства. Такие изменения называются мутациями.
Генетический код един для всей живой природы нашей планеты. Совокупность генов конкретного организма — это генотип. А геном — совокупность генетического материала в гаплоидном наборе хромосом конкретного вида. Поэтому следует говорить: геном человека или собаки, генотип Ивана Ивановича или овчарки Рекса, генетический код всего живого. А вот фенотип — это совокупность всех признаков организма, гены при этом проявляются далеко не все.
Из 22 аминокислот синтезируются самые разные белки. Например, у цепочки из 100 аминокислотных остатков может существовать более 10 130 вариантов белков с разной последовательностью. При этом белки имеют первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры. Все зависит от того, как скручивается первоначальная цепочка.
Удивительно, но в живой природе для построения всего многообразия белков используется лишь 22 аминокислоты. Одни аминокислоты могут создаваться в самом организме, другие поступают в него с пищей, они называются незаменимыми.
Особой группой белков являются ферменты. Эти вещества ускоряют превращение веществ, поступающих в организм с пищей, в молекулы, нужные для организма. Ферменты присутствуют во всех живых клетках и принимают активное участие в обмене веществ и энергии. Без ферментов живой организм существовать просто не может. А у каждого фермента, состоящего из сложных молекул, есть так называемый активный центр — углубление особой формы, которое должно соответствовать определенному веществу наподобие ключа в замке. Это соответствие должно быть абсолютным. Поэтому каждый фермент взаимодействует только с определенным веществом. На сегодня известно более 2000 ферментов, но ни один из них нельзя заменить другим. Множество ферментов участвует и в обмене веществ внутри клетки.
Благодаря ферментам скорость расщепления веществ, полученных с пищей, увеличивается в миллионы раз.
Как увидеть ДНК и хромосомы?
Молекула ДНК, если ее специально выделить из клеток крови или другой ткани, видна невооруженным глазом как белая нить, иногда спутанная и скрученная, или белое полупрозрачное вещество, похожее на медузу. Но для того чтобы различить ее структуру, нужны специальные приборы. А хромосомы можно разглядеть в обычный микроскоп. Изучение структуры ДНК раскроет историю развития всей живой природы и поможет победить многие болезни.
Что умеют делать белки?
Белки выполняют множество самых разнообразных задач. Одни из них являются источниками питания для потомства. Например, белок яйца или белок молока. Защиту организма от бактерий и вирусов выполняют антитела крови, которые также состоят из белков. Связываясь с чужеродными веществами, антитела нейтрализуют их и таким образом охраняют организм. Белки участвуют в переносе нужных веществ к органам и обеспечивают тончайшие процессы жизнедеятельности самих клеток.
Что такое жиры?
Жиры — это органические вещества, возникающие в результате изменения (этерификации) карбоновых кислот и трехатомного спирта глицерина. Они присутствуют в каждом живом организме, входя в состав клеточной мембраны. При их окислении образуется большое количество необходимой телу энергии. Жиры могут получаться из углеводов и белков и накапливаться в организме. Затем, при недостатке пищи, они расходуются.
Высокое содержание жиров в семенах растений обеспечивает развитие зародышей до их перехода к самостоятельному питанию.
Жировой слой в подкожной клетчатке животных защищает организм от механических повреждений. Он помогает телу сохранить тепло, что позволяет многим животным жить в условиях холодного климата. А у китов жир способствует их плавучести.
Тонким слоем жира покрыты кожа, шерсть и перья многих животных. Он делает их более эластичными и предохраняет от влаги. Жировой пленкой покрыты листья и плоды многих растений. В нервных клетках жиры являются изоляторами при проведении нервных импульсов. Жиры используются пчелами для изготовления воска при строительстве сот.
Что такое углеводы?
Углеводы — общее название обширной группы органических веществ. Свое название они получили от слов «углерод» и «вода», поскольку первые известные углеводы представлялись как химическое соединение углерода и воды. В живой природе углеводы «изготавливаются» растениями, а животные и человек получают их с пищей. Большую группу углеводов называют сахарами. Известный нам сахар — это тоже углевод, научное название которого — сахароза.
Углеводы являются основным источником энергии, получаемой организмом. Они используются и для построения многих сложных молекул, важных для живых существ. У растений из углеводов построены прочные стенки клеток.
Углеводы также могут превращаться в жиры и накапливаться как запасы питательных веществ.
Для чего нужны пища, вода и кислород?
Все живые организмы не могут жить без пищи, которая необходима им для получения энергии и строительства своего тела. Все необходимое они берут из окружающей среды. При этом каждый организм является пищей для какого-либо другого.
Основными материалами, которые организм получает с пищей, являются белки, жиры, углеводы, вода, кислород и углекислый газ. В клетках организма эти вещества перерабатываются и превращаются в материалы, нужные для жизни. Лишние детали они отдают во внешнюю среду. Таким образом, в любом живом организме одновременно происходят и строительство (анаболизм), и распад (катаболизм) веществ, что сопровождается поглощением или выделением энергии. Этот процесс называется обменом веществ.
Вода в живом организме
Тело человека на две трети состоит из воды, а во многих растениях ее содержится более 80%. Каждый день организм человека теряет большое количество воды с выводимой мочой, потом и выдыхаемым воздухом. Поэтому человек должен восполнять потери воды, например, в процессе питья или получая ее с пищей. Некоторое количество воды образуется при расщеплении жиров. Суточная потребность человека в воде составляет около 3 л.
Больше всего живым организмам необходима вода. Без нее жизнь на нашей планете была бы невозможной. Она является важнейшим веществом всех видов клеток, межклеточной жидкости и крови. Вода — растворитель многих солей и органических соединений. А водные растворы лучше всего усваиваются всеми органами.
Практически вся жизнь на Земле зависит от кислорода. Он все время нужен каждой клеточке животного или растения. Ведь с его помощью внутри клетки различные органические вещества разлагаются на более простые. Этот процесс называют окислением. При этом выделяется энергия, необходимая для роста и жизнедеятельности клеток. Наверняка каждый человек хоть однажды наблюдал, как горят дрова в костре. Горение — это тоже окисление. То же самое происходит в организме, только гораздо медленнее.
Кислород
Не будет кислорода — не будет энергии в клетке, и ее жизнь прекратится. Это приведет к гибели всего организма. Без пищи живые существа могут существовать в течение 1-2 недель, без воды — 5-6 дней. Но без достаточного количества кислорода они не смогут прожить и нескольких минут.
Вопросы для самопроверки
- Из чего состоят белки?
- Чем ДНК отличается от РНК?
- Зависит ли от количества хромосом уровень развития?
- На чем и с помощью чего синтезируется белок?
- Чем отличается генетический код от генотипа?
- Что делают ферменты?
- Какую еще роль кроме запасания энергии играет жир в клетке?
- Во что могут превращаться углеводы?
- Что такое обмен веществ?
- Что общего у горения и окисления?
Ответы
- Белки состоят из аминокислот.
- ДНК — двухцепочечная молекула, в ней имеются основания — аденин, тимин, гуанин и цитозин. РНК в основном состоит из одной цепочки, и вместо тимина в ней имеется урацил.
- Уровень развития от количества хромосом не зависит. Например, у простейшей радиолярии 1600 хромосом, у гораздо более «продвинутого» муравья — 2, у обезьяны — 48, а у человека — 46.
- Белок синтезируется с помощью молекул ДНК и РНК на рибосомах.
- Генетический код — это система записи генетической информации, а генотип — совокупность генов конкретного организма.
- Ферменты ускоряют биохимические реакции в организме.
- Молекулы жиров входят в состав клеточной мембраны.
- Углеводы могут превращаться в жиры.
- Обмен веществ — это набор химических реакций, в процессе которых сложные вещества распадаются до более простых, а из простых синтезируются другие сложные вещества, необходимые организму.
- Горение — это быстрое окисление.