- Принцип
- 1. ВАЖНЕЙШИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ОРГАНИЗМА
- 3. ВИТАМИНЫ И ГОРМОНЫ
- 4. МОЛЕКУЛА ДНК
- 5. МОЛЕКУЛА РНК
- 6. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД
- Некоторые свойства генетического кода
- Как кодируется информация в молекуле ДНК
- 7. РЕПЛИКАЦИЯ, ТРАНСКРИПЦИЯ, ТРАНСЛЯЦИЯ
- Универсальность генетического кода
- Литература к семинару по теме № 7 «Вещества организма»
7 Вещества организма. Семинар понятия
 Скачать 141 Kb.
|
|
ТЕМА № 7. ВЕЩЕСТВА ОРГАНИЗМА СЕМИНАР Понятия Микроэлементы, белок, денатурация, фермент, витамин, гормон, ДНК, нуклеотид, азотистое основание, РНК, кодон, триплет, генетический код, ген, репликация, транскрипция, трансляция, рибосома. Принцип Принцип комплементарности. Ученые Николай Лунин, Джеймс Уотсон, Фрэнсис Крик, Георгий Антонович Гамов. Темы сообщений и презентаций
Вопросы 1. Важнейшие элементы организма. 2. Белки. 3. Витамины и гормоны. 4. Молекула ДНК. 5. Молекула РНК. 6. Генетический код. 7. Репликация, транскрипция, трансляция. 1. ВАЖНЕЙШИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ОРГАНИЗМА В живых клетках человека можно найти около 70 химических элементов таблицы Менделеева. Среди них есть даже такие экзотические, как олово, свинец, мышьяк, золото. Углерод Углерод – основа жизни. Органические вещества – это соединения углерода. Благодаря тому, что углерод четырехвалентен, его атомы обладают уникальной способностью образовывать цепи и кольца различной длины. Поэтому существует практически бесконечное разнообразие соединений углерода. Микроэлементы Элементы, которые содержатся в организме в количестве нескольких граммов или долей грамма, называются микроэлементами. Например, в организме человека содержится всего 4 – 5 г железа. Этого количества хватит всего лишь на один гвоздь среднего размера. Но железо входит, например, в состав гемоглобина крови, который доставляет в организм кислород. Вода Практически все химические реакции в клетке протекают в водной среде, и без воды были бы невозможны. Испаряясь, вода охлаждает организмы. Если бы у человек не выделялся пот, то после часа напряженной физической работы температура его тела поднялась бы приблизительно до сорока шести градусов. 2. БЕЛКИ Белки – высокомолекулярные органические вещества, состоящие из аминокислот, соединенных в цепочку. В состав белков, из которых состоят живые существа на Земле, входят 20 аминокислот. В организме бактерии примерно 3 – 4 тыс. различных видов белков, в организме млекопитающих – около 50 тыс. Структура белка Молекулы белков ‒ линейные полимеры. В среднем длина белка – около 300 аминокислот. Выделяют четыре уровня структуры белка. 1. Первичная структура. Последовательная цепочка аминокислот –первичная структура. 2. Вторичная структура. Цепочка аминокислот способна изгибаться, закручиваться в спираль. 3. Третичная структура. Спираль способна сворачиваться, закручиваясь в узел, клубок или вытянутые волокна. 4. Четвертичная структура. Отдельные клубки могут собираться вместе по два, три, четыре и даже больше. Они прикрепляются друг к другу и работают совместно.  Уровни структуры белка: 1 – первичная, 2 – вторичная, 3 – третичная, 4 – четвертичная Денатурация белков Денатурация – потеря, четвертичной, третичной и вторичной структур белка. В процессе денатурации свойства белка значительно изменяются. Когда человек разогревает пищу, белки денатурируют. Иными словами, белковые клубки разматываются, превращаются в цепочки, которые уже легче вступают в реакцию. Действительно, желудок легче переваривает вареное яйцо, чем сырое. Когда температура человеческого тела поднимается выше 42°С, белки начинают денатурировать, и человек умирает. Однако денатурация в некоторых случаях может быть обратимой. Если белок еще на распался на отдельные аминокислоты, он еще способен восстановиться. Такой процесс называется ренатурацией. Ферменты В организме каждую секунду протекают миллиарды химических реакций. Причем, чем температура выше, тем реакция идет быстрее. Но при температуре выше 40ºС белки начинают денатурировать. А ведь для биохимических реакций это низкие температуры. Поэтому необходимы белки, которые способны ускорять реакции. Они называются ферментами. Ферменты – белки, которые ускоряют ход химических реакций в клетке. Например, реакция, которую катализирует белок оротат-карбоксилаза, идет в 1017 раз быстрее с ферментом, чем без него: 78 млн. лет без фермента, 18 тысячных долей секунды ‒ с его участием. В организме человека имеются тысячи ферментов. Известны около 4 000 реакций, которые протекают в их присутствии. Каждый фермент предназначен только для одной-единственной реакции. В молекуле фермента, свернутого в клубок, имеется отверстие, которое по форме и размерам в точности соответствует молекулам тех веществ, которые фермент должен соединить. Эти молекулы подходят к ферменту, как ключ к замку. Но и сам «замок» способен подстраиваться под «ключ. Аналогично, одежда соответствует телу человека, но когда он одевается, ее форма может изменяться. Скорость работы ферментов поразительна. За одну минуту фермент способен катализировать от нескольких сотен до нескольких миллионов взаимодействующих молекул. Без ферментов жизнь невозможна. Когда организм перегревается, первыми из белков разрушаются именно ферменты. Они денатурируют, и организм умирает. 3. ВИТАМИНЫ И ГОРМОНЫ Витамины В 1881 году русский ученый Николай Иванович Лунин (1854 ‒ 1937) произвел опыт. Он приготовил смесь всех белков, жиров, углеводов и солей, которые содержатся в молоке, и стал ею кормить мышей. Через некоторое время эти мыши погибли. Стало понятно, что в природной пище содержатся определенные вещества, необходимые организму, которые он создать не в состоянии. Через тридцать лет их стали называть «витаминами». Их известно несколько десятков. В организме витамины выполняют важнейшую функцию – регулируют обмен веществ. У каждого живого существа своя совокупность витаминов. Гормоны Все гормоны являются белками. Они играют важнейшую роль в организме ‒ передают сигналы между клетками, тканями и органами. Гормоны переносятся кровью. Организм вырабатывает гормоны в ничтожном количестве. Некоторые гормоны все человечество ежедневно вырабатывает в количестве всего лишь нескольких граммов. Но трудно назвать такой процесс в организме, в котором бы гормоны не участвовали. У животных и человека их вырабатывают железы внутренней секреции, или эндокринные железы. 4. МОЛЕКУЛА ДНК Роль молекулы ДНК в организме Вообразим ситуацию. Нам надо напечатать книгу с некоторой матрицы. Но есть проблема. Матрица находится в одной комнате, а печатный станок – в другой. Причем, матрица такая большая, что в дверь не проходит. Как быть? Из этой ситуации есть выход. Мы можем с большой матрицы скопировать маленькую, которая свободно пройдет в дверь. Потом эту копию отнести в комнату, где находится печатный станок, и там напечатать страницы книги. Нечто подобное происходит и в процессе синтеза белка. Белки быстро изнашиваются, и поэтому их необходимо постоянно возобновлять. Белки – очень сложные молекулы. Каждый белок представляет собой определенную последовательность аминокислот. Аминокислот ‒ двадцать, а вариантов их последовательного расположения практически бесконечное множество. И от этой последовательности зависит свойство белка. Любое нарушение в этой последовательности приведет к тому, что свойства белка изменяться настолько, что он будет бесполезным. Поэтому очень важно, чтобы белок собирался в правильной последовательности аминокислот. А для этого важно, чтобы информация о последовательности аминокислот в каждом белке организма где-то хранилась. Она хранится в ДНК, причем, в закодированном виде. Эти молекулы находятся в ядре клетки. Но они очень большие и через поры ядра пройти не могут. Однако в клетке существует еще один вид молекул, несущих наследственную информацию. Это РНК. Они замечательны тем, что, во-первых, способны копировать информацию с ДНК, и, во-вторых, могут свободно проходить через поры ядра и поэтому переносить информацию от ДНК в цитоплазму, в ту органеллу, где белок собирается из отдельных аминокислот. Итак, чтобы понять, как происходит синтез, т.е. строительство всех белков организма, надо рассмотреть:
Ответив на эти вопросы, мы рассмотрим, как происходит синтез белков организма. Однако с молекулой ДНК связан еще один важнейший процесс: информацию о структуре каждого белка организма надо передать последующему поколению. Этот процесс называется репликацией. Структура молекулы ДНК Пространственную модель молекулы ДНК в 1953 году предложили американские исследователи генетик Джеймс Уотсон (род. 1928) и физик Фрэнсис Крик (род. 1916). За выдающийся вклад в это открытие им была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине 1962 года. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) представляет собой биополимер, мономером которого является нуклеотид. В состав каждого нуклеотида входят остаток фосфорной кислоты, соединенный с сахаром дезоксирибозой, который, в свою очередь, соединен с азотистым основанием. Азотистых оснований в молекуле ДНК четыре вида: аденин, тимин, гуанин и цитозин. Молекула ДНК состоит из двух длинных цепей, сплетенных между собой в виде спирали, чаще всего, правозакрученной. Исключение составляют вирусы, которые содержат одноцепочную ДНК. Фосфорная кислота и сахар, которые входят в состав нуклеотидов, образуют вертикальную основу спирали. Азотистые основания располагаются перпендикулярно и образуют «мостики» между спиралями. Азотистые основания одной цепи соединяются с азотистыми основаниями другой цепи согласно принципу комплементарности, или соответствия. Принцип комплементарности. В молекуле ДНК аденин соединяется только с тимином, гуанин – только с цитозином. Азотистые основания оптимально соответствуют друг другу. Аденин и тимин соединяется двумя водородными связями, гуанин и цитозин – тремя. Поэтому на разрыв связи гуанин-цитозин требуется больше энергии. Одинаковые по размеру тимин и цитозин гораздо меньше аденина и гуанина. Пара тимин-цитозин была бы слишком мала, пора аденин-гуанин – слишком велика, и спираль ДНК искривилась бы. Водородные связи непрочны. Они легко разрываются и так же легко восстанавливаются. Цепи двойной спирали под действием ферментов или при высокой температуре могут расходиться, как замок-молния. 5. МОЛЕКУЛА РНК Рибонуклеиновая кислота (РНК) Молекула рибонуклеиновой кислоты (РНК) тоже является биополимером, который состоит из четырех типов мономеров – нуклеотидов. Каждый мономер молекулы РНК содержат остаток фосфорной кислоты, сахар рибозу и азотистое основание. Причем, три азотистых основания такие же, как в ДНК – аденин, гуанин и цитозин, но вместо тимина в РНК присутствует близкий ему по строению урацил. РНК – одноцепочечная молекула. Количественное содержание молекул ДНК в клетках какого-либо вида практически постоянно, однако количество РНК может существенно меняться. Виды РНК В зависимости от строения и выполняемой функции различают три вида РНК. 1. Транспортная РНК (тРНК). Транспортные РНК в основном находятся в цитоплазме клетки. Они переносят аминокислоты к месту синтеза белка в рибосому. 2. Рибосомальная РНК (рРНК). Рибосомальная РНК связывается с определенными белками и образует рибосомы – органеллы, в которых происходит синтез белков. 3. Информационная РНК (иРНК), или матричная РНК (мРНК). Информационная РНК переносит информацию о структуре белка от ДНК рибосоме. Каждая молекула иРНК соответствует определенному участку ДНК, который кодирует структуру одной белковой молекулы. Поэтому для каждого из тысяч белков, которые синтезируются в клетке, имеется своя особенная иРНК. Сравнение ДНК и РНК Между молекулами ДНК и РНК имеются три основных отличия.
6. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД Что такое код Код – это правило, которое ставит каждому конкретному сообщению строго определенную комбинацию символов. Проще всего показать это с помощью какого-либо слова. Например, понятие жилища для одного человека или группы людей кодируется словом, состоящим из трех букв – «дом». Закодированную информацию легко хранить, обрабатывать, копировать, передавать. Генетический код Информация о последовательности аминокислот в белке кодируется с помощью языка нуклеотидов. В этом языке четыре буквы ‒ четыре азотистых основания ‒ аденин, тимин, гуанин и цитозин. С их помощью надо назвать 20 аминокислот. Если мы будем использовать слова, состоящие только из одной буквы, то сможет образовать только четыре слова – А, Т, Г и Ц. 4 = 41. Этого, конечно, мало. Если наши слова будут состоять из двух букв, мы сможет образовать 16 слов: АТ, АГ, ГЦ и т.д. 16 = 42. Этих слов тоже недостаточно. А вот если использовать слова по три буквы, то получится 43 = 64 слова. Их будет вполне достаточно, чтобы назвать 20 аминокислот. Даже получится, что им можно давать по два и больше имен. Например, у одного и то же животного два имени – «бегемот» и «гиппопотам». О том, что 20 аминокислот могут кодироваться нуклеотидами, объединенными в тройки, догадался Георгий Антонович Гамов, автор теории Большого взрыва. Каждая тройка нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту, называется кодоном, или триплетом. Кодон (триплет) – тройка нуклеотидов, кодирующая аминокислоту. «Словарь» для перевода с языка нуклеотидов на язык аминокислот называется генетическим кодом. Генетический код ‒ таблица соответствия кодонов аминокислотам. Она была составлена в 60-х годах XX века. Некоторые свойства генетического кода 1. Каждая аминокислота кодируется более чем одним кодоном (от 2 до 6 кодонов на одну аминокислоту). 2. Каждый кодон соответствует только одной аминокислоте. Как кодируется информация в молекуле ДНК В молекуле ДНК каждая цепь представляет собой последовательность нуклеотидов. Легче представить, что это определенная последовательность азотистых оснований – перекладин между цепочками ДНК. Но ведь это и определенная последовательность перекладин, разделенных на тройки, т.е. кодонов. Причем, если азотистые основания одной цепи ДНК, соединенные водородными связями с азотистыми основаниями другой цепи, комплементарны ‒ соответствуют друг другу, то такими же комплементарными будут и азотистые основания, разделенные на тройки, т.е. кодоны. Кодон, комплементарный другому кодону, называется антикодоном. Например, АГА комплементарен ТЦТ. Итак, на каждой цепи молекулы ДНК находится определенная последовательность кодонов. Но ведь каждый кодон соответствует только одной аминокислоте. Поэтому последовательность кодонов на одной из цепей ДНК однозначно определяет последовательность аминокислот. Следовательно, с помощью последовательности кодонов, расположенных на цепи ДНК, можно закодировать последовательность аминокислот в молекуле белка, иными словами, его структуру. Эта последовательность кодонов и есть ген. Ген – участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка. 7. РЕПЛИКАЦИЯ, ТРАНСКРИПЦИЯ, ТРАНСЛЯЦИЯ Репликация ДНК Репликация – синтез дочерней молекулы ДНК на матрице родительской молекулы ДНК, который происходит в процессе деления клетки. Спиральные цепи в молекуле ДНК соединяются водородными связями. Они очень слабые и легко разрываются. Цепи расходятся, и каждая их них служит матрицей, на которой с помощью особых ферментов собирается соответствующая ей новая спиральная цепь. В результате получаются две дочерние молекулы ДНК. В каждой из них одна нить происходит из материнской молекулы, и одну синтезирована по комплементарному принципу – по принципу соответствия.  Репликация ДНК ТранскрипцияТранскрипция – синтез молекулы РНК на матрице ДНК. Другими словами, это перенос генетической информации с ДНК на РНК. Нити молекулы ДНК разделяются, и одна из них служит матрицей, на основании которой строится молекула РНК. В этой новой молекуле азотистые основания соответствуют основаниям молекулы-матрицы. Например, если в молекуле ДНК на определенном месте находится аденин, то в стоящейся молекуле РНК ему соответствует тимин. А поскольку между основаниями существует взаимно однозначное соответствие (аденин соответствует тимину, гуанин соответствует цитозину), то это и означает перенос информации с одной молекулы на другую. Та нить ДНК, которая служит матрицей для синтеза РНК, называется смысловой. Вторая нить ДНК не кодирует белки и поэтому называется некодирующей. Синтез нити РНК на молекуле ДНК осуществляет фермент РНК-полимераза. Она синтезирует до 50 нуклеотидов в секунду. Трансляция Трансляция – синтез белка на матрице иРНК при участии рибосом. Белок синтезируется, т.е. составляется из отдельных аминокислот, в специальных органеллах ‒ органах клетки. Они называются рибосомами. Тело рибосомы складывается из рибосомальных РНК. Итак, в процессе транскрипции информационная РНК с матрицы молекулы ДНК копирует информацию о последовательности аминокислот в конкретном белке. Она проходит сквозь поры ядра и входит в рибосому. В свою очередь, транспортные РНК несут с собой аминокислоты и движутся к рибосомам. Причем, каждый вид тРНК предназначен для переноса определенной аминокислоты. Как и в жизни: легковые машины возят людей, самосвалы – щебень, грузовики – мешки с картошкой. На одном конце транспортной РНК находится аминокислота, на другом – антикодон. В рибосоме антикодон транспортной РНК соединяется с соответствующим кодоном информационной РНК, аминокислота остается в рибосоме. К ней будет прикрепляться другая аминокислота, причем, в той последовательности, в какой находится соответствующий кодон информационной РНК. Таким образом, последовательность аминокислот в цепочке внутри рибосомы будет повторять последовательность кодонов информационной РНК, а значит, и последовательность кодонов в ДНК.  Схема процесса сборки белка Функции ДНК Молекула ДНК выполняет три основные функции. 1. Хранение наследственной информации. Порядок расположения кодонов в молекуле ДНК определяет порядок расположения аминокислот в молекуле белка, т.е. его первичную структуру. Организмы различаются между собой составом белков. Именно белки определяют свойства клеток и всего организма. Поэтому молекулы ДНК, в которых заключена вся информация о белках, содержат информацию о всех свойствах и признаках организма. 2. Передача наследственной информации следующему поколению. Эта передача осуществляется в процессе репликации. 3. Передача наследственной информации из ядра в цитоплазму. Этот процесс называется транскрипцией. Функции РНК Различные виды РНК играют различную роль в процессе трансляции – в синтезе белков. 1. Транспортные РНК доставляют аминокислоты к месту сборки белков – в рибосому. 2. Информационная РНК содержит информацию о последовательности аминокислот в белке. 3. Рибосомальные РНК участвуют в сборке белка из отдельных аминокислот на основе иРНК. Универсальность генетического кода Важнейшее открытие биологии XX века – универсальность генетического кода. Оно шокировало ученых. Оказывается генетический код один для всех живых организмов на Земле: и для человека, и для цветка, и для мельчайшей бактерии. Генетический код – универсальный, т.е. един для всех живых организмов на Земле. Единство генетического кода ‒ важнейший аргумент в пользу утверждения, что все живые существа на Земле объединяет единый путь эволюции. Контрольные вопросы 1. Какая особенность в строении углерода делает его важнейшим элементов в живых организмах? 2. Какие физические свойства воды делают ее важнейшим веществом в живых организмах? 3. Почему люди разогревают пищу? 4. Какую роль играют водородные связи в биохимических процессах? 5. Почему в молекуле ДНК аденин не может соединяться с тимином, а гуанин – с цитозином? 6. Почему молекула ДНК перед делением клетки скручивается и, соединяясь с белком гистоном, превращается в хромосому? 7. Почему хромосома в период между клеточными делениями раскручивается? Литература к семинару по теме № 7 «Вещества организма» Основная литература Данилова В. С., Кожевников Н. Н. Основные концепции современного естествознания. М.: Аспект Пресс, 2001. С. 114 – 118, 122 – 128. Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. М.: ИВЦ «Маркетинг»; Новосибирск: ООО «Изд-во ЮКЭА», 2000. С. 564 – 589, 657 – 682. Лихин А. Ф. Концепции современного естествознания. М.: Проспект, 2004. С. 194 – 203. Дополнительная литература Карпенков С. Х. Концепции современного естествознания. М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997. С. 303 – 311. Рузавин Г. И. Концепции современного естествознания. М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1999. С. 164 – 171. |