Белки (протеины , полипептиды ) - самые многочисленные, наиболее разнообразные и имеющие первостепенное значение биополимеры. В состав молекул белков входят атомы углерода, кислорода, водорода, азота и иногда серы, фосфора и железа.

Мономерами белков являются аминокислоты , которые(имея в своём составе карбоксильную и амино- группы)обладают свойствами кислоты и основания (амфотерны).

Благодаря этому аминокислоты могут соединяться друг с другом (их количество в одной молекуле может достигать нескольких сотен). В связи с этим молекулы белков имеют большие размеры и их называют макромолекулами .

Структура белковой молекулы

Под структурой белковой молекулы понимают ее аминокислотный состав, последовательность мономеров и степень скрученности молекулы белка.

В молекулах белков встречается всего 20 видов различных аминокислот и огромное разнообразие белков создается за счет различного их сочетания.

• Последовательность аминокислот в составе полипептидной цепи - это первичная структура белка (она уникальна для любого белка и определяет его форму, свойства и функции). Первичная структура белка уникальна для любого типа белка и определяет форму его молекулы, его свойства и функции.
• Длинная молекула белка сворачивается и приобретает сначала вид спирали в результате образования водородных связей между -СО и -NН группами разных аминокислотных остатков полипептидной цепи (между углеродом карбоксильной группы одной аминокислоты и азотом аминогруппы другой аминокислоты). Эта спираль - вторичная структура белка .
• Третичная структура белка - трёхмерная пространственная “упаковка” полипептидной цепи в виде глобулы (шарика). Прочность третичной структуры обеспечивается разнообразными связями, возникающими между радикалами аминокислот (гидрофобными, водородными, ионными и дисульфидными S-S связями).
• Некоторые белки (например, гемоглобин крови человека) имеют четвертичную структуру. Она возникает в результате соединения нескольких макромолекул с третичной структурой в сложный комплекс. Четвертичная структура удерживается непрочными ионными, водородными и гидрофобными связями.

Структура белков может нарушаться (подвергаться денатурации ) при нагревании, обработке некоторыми химическими веществами, облучении и др. При слабом воздействии распадается только четвертичная структура, при более сильном - третичная, а затем - вторичная, и белок остается в виде полипептидной цепи. В результате денатурации белок теряет способность выполнять свою функцию.

Нарушение четвертичной, третичной и вторичной структур обратимо. Этот процесс называют ренатурацией .

Разрушение первичной структуры необратимо.

Кроме простых белков, состоящих только из аминокислот, есть еще и сложные белки, в состав которых могут входить углеводы (гликопротеины ), жиры (липопротеины ), нуклеиновые кислоты (нуклеопротеины ) и др.

Функции белков

• Каталитическая (ферментативная) функция. Специальные белки - ферменты - способны ускорять биохимические реакции в клетке в десятки и сотни миллионов раз. Каждый фермент ускоряет одну и только одну реакцию. В состав ферментов входят витамины.

• Структурная (строительная) функция - одна из основных функций белков (белки входят в состав клеточных мембран; белок кератин образует волосы и ногти; белки коллаген и эластин – хрящи и сухожилия).

• Транспортная функция - белки обеспечивают активный транспорт ионов через клеточные мембраны (транспортные белки в наружной мембране клеток), транспорт кислорода и углекислого газа (гемоглобин крови и миоглобин в мышцах), транспорт жирных кислот (белки сыворотки крови способствуют переносу липидов и жирных кислот, различных биологически активных веществ).

• Сигнальная функция . Прием сигналов из внешней среды и передача информации в клетку происходит за счёт встроенных в мембрану белков, способных изменять свою третичную структуру в ответ на действие факторов внешней среды.
• Сократительная (двигательная) функция - обеспечивается сократительными белками – актином и миозином (благодаря сократительным белкам двигаются реснички и жгутики у простейших, перемещаются хромосомы при делении клетки, сокращаются мышцы у многоклеточных, совершенствуются другие виды движения у живых организмов).

• Защитная функция - антитела обеспечивают иммунную защиту организма; фибриноген и фибрин защищают организм от кровопотерь, образуя тромб.

• Регуляторная функция присуща белкам - гормонам (не все гормоны являются белками!). Они поддерживают постоянные концентрации веществ в крови и клетках, участвуют в росте, размножении и других жизненно важных процессах (например, инсулин регулирует содержание сахара в крови).
• Энергетическая функция - при длительном голодании белки могут использоваться в качестве дополнительного источника энергии после того, как израсходованы углеводы и жиры (при полном расщеплении 1 г белка до конечных продуктов выделяется 17,6 кДж энергии). Аминокислоты, высвобождающиеся при расщеплении белковых молекул, используются для построения новых белков.

Вариант №1

Задача 1.

Фрагмент одной из цепочек молекулы ДНК имеет такую последовательность нуклеотидов:

…А-Г-Т-А-Ц-Ц-Г-А-Т-А-Ц-Г-А-Т-Т-Т-А-Ц-Г…

Какую последовательность нуклеотидов имеет вторая цепочка той же молекулы?

Задача №2.

Найди и исправь ошибку в цепочке молекулы ДНК.

А-А-Г-Т-Ц-А-Т-Т-У-Т-У-А

Г-Т-Ц-А-У-У-А-А-А-А-А-А

Тест.

1. Гидрофобными соединениями являются

1)ферменты
2)белки
3)полисахариды
4) липиды

Пояснение.

Гидрофобные вещества не растворимы в воде, в первую очередь это жиры

(липиды)

Ответ: 4

2. Какие вещества синтезируются в клетках человека из аминокислот

1)фосфолипиды
2)углеводы
3)витамины
4) белки

Пояснение.

Из аминокислот синтезируются белки, углеводы состоят из моносахаров, фосфолипиды из глицерина и жирных кислот, витамины имеют разную природу.

Правильный ответ указан под номером: 4

Ответ: 4

3. Мономерами молекул каких органических веществ являются аминокислоты

1)белков
2)углеводов
3)ДНК
4) липидов

Пояснение.

Аминокислоты входят в состав белков.Углеводы состоят из моносахаридов, ДНК из нуклеотидов, липиды из глицерина и жирных кислот.

Ответ: 1

4. Ферментативную функцию в клетке выполняют

1)белки
2)липиды
3)углеводы
4) нуклеиновые кислоты

Пояснение.

Липиды входят в состав мембраны и участвуют в избирательной проницаемости мембран, углеводы идут на окисление и образовании молекул АТФ, нуклеиновые кислоты хранят и передают наследственную информацию, а белки входят в соста ферментов, поэтому выполняют ферментативную функцию.

Правильный ответ указан под номером: 1

Ответ: 1

5. Синтез каких простых органических веществ в лаборатории подтвердил возможность абиогенного возникновения белков

1)аминокислот
2)сахаров
3)жиров
4) жирных кислот

Пояснение.

Белки состоят из аминокислот. Если абиогенно можно создать аминокислоты, то из них могли бы образоваться белки.

Правильный ответ указан под номером: 1

Ответ: 1

6. Рибоза входит в состав молекул

1)гемоглобина
2)ДНК
3)РНК
4) хлорофилла

Пояснение.

Рибоза – это моносахарид, который входит в состав РНК.

Ответ: 3

7. Назовите молекулу, входящую в состав клетки и имеющую карбоксильную и амино- группы

1)Глюкоза
2)ДНК
3)Аминокислота
4) Клетчатка

Пояснение.

Аминогруппу и карбоксильную в своем составе содержат аминокислоты.

Правильный ответ указан под номером: 3

Ответ: 3

8. Липиды растворяются в эфире, но не растворяются в воде, так как

1)состоят из мономеров
2)гидрофобны
3)гидрофильны
4) являются полимерами

Пояснение.

Гидрофобные вещества не растворяются в воде, такими веществами и являются липиды.

Ответ: 2

9. Водородные связи между СО- и NН-группами в молекуле белка придают ей форму спирали, характерную для структуры

1)первичной
2)вторичной
3)третичной
4) четвертичной

10. Вторичная структура белка, имеющая форму спирали, удерживается связями

1)пептидными
2)ионными
3)водородными
4) ковалентными

11. Вода, играющая большую роль в поступлении веществ в клетку и удалении из нее отработанных продуктов, выполняет функцию

1) растворителя
2) строительную
3) каталитическую
4) защитную

1Пояснение.

Вода – самый хороший растворитель в клетке.

Правильный ответ указан под номером: 1

Ответ: 1

12. Значительную часть содержимого клетки составляет вода, которая

1) образует веретено деления
2) образует глобулы белка
3) растворяет жиры
4) придает клетке упругость

Пояснение.

Вода, наполняя клетку, придает ей упругость.Действует давление цитоплазмы на клеточную стенку.Жиры гидрофобны и в воде не растворяются. Глобулы белка образуются за счет водородных связей, дисульфидных мостиков, ионных и гидрофобных взаимодействий.

Правильный ответ указан под номером: 4

Ответ: 4

13. Живые организмы нуждаются в азоте, так как он служит

1) главным составным компонентом белков и нуклеиновых кислот
2) основным источником энергии
3) главным структурным компонентом жиров и углеводов
4) основным переносчиком кислорода

14. Мономерами белков являются:

1) нуклеотид

2) аминокислота

3) глюкоза

4) глицерин

15. Последовательность мономеров в полимере называется:

1) первичная структура

2) вторичная структура

3) третичная структура

4) четвертичная структура

16. ДНК – это полимер:

1) нелинейный

2) линейный

3) клетчатый

4) разветвленный

17. Железо входит в состав:

1) гемоглобина

2) эритромицина

3) инсулина

4) древесины

Тест по теме «Химический состав клетки. Нуклеиновые кислоты».

Вариант №2

Задача №1

Укажите порядок нуклеотидов в цепочке ДНК, образующейся путем копирования цепочки:

Ц-А-Ц-Ц-Г-Т-А-А-Ц-Г-Г-А-Т-Ц…

Какова длина цепочки ДНК и ее масса? (Масса одного нуклеотида – 345 у.е.)

Задача №2

Какова молекулярная масса гена (двух цепей ДНК), если в одной его цепи запрограммирован белок с молекулярной массой 1500 у.е.?

Тест.

1. Органические вещества, ускоряющие процессы обмена веществ, -

1)аминокислоты
2)моносахариды
3)ферменты
4) липид

Пояснение.

Ускорителями процессов в клетке являются ферменты.

Правильный ответ указан под номером: 3

Ответ: 3

2. Молекулы АТФ выполняют в клетке функцию

1)защитную
2)каталитическую
3)аккумулятора энергии
4) транспорта веществ

Пояснение.

Атф – это аккумулятор энергии, остальные функции принадлежат белкам.

Правильный ответ указан под номером: 3

Ответ: 3

3. Какие связи определяют первичную структуру молекул белка

1) гидрофобные между радикалами аминокислот
2) водородные между полипептидными нитями
3)пептидные между аминокислотами
4) водородные между -NH- и -СО- группами

Пояснение.

Первичная структура белка определяется последовательностью аминокислот, которые между собой соединены пептидными связями.

Правильный ответ указан под номером: 3

Ответ: 3

4. Четвертичная структура молекулы белка образуется в результате взаимодействия

1) участков одной белковой молекулы по типу связей S-S
2) нескольких полипептидных нитей, образующих клубок
3) участков одной белковой молекулы за счет водородных связей
4) белковой глобулы с мембраной клетки

Пояснение.

Четвертичная структура белка это количество и взаиморасположение полипептидных цепей. Белки, состоящие из одной полипептидной цепи, имеют только третичную структуру (лизоцим, пепсин, миоглобин, трипсин), их называют мономерами. Для белков, состоящих из нескольких полипептидных цепей, характерна четвертичная структура.

Правильный ответ указан под номером: 2

Ответ: 2

5. В клетке липиды выполняют функцию

1) каталитическую
2) транспортную
3) информационную
4) энергетическую Пояснение.

1, 2 – функции белков, 3 – функция ДНК, 4 – функция липидов и углеводов.

Правильный ответ указан под номером: 4

Ответ: 4

6. В клетках человека и животных в качестве строительного материала и источника энергии используются

1) гормоны и витамины
2) вода и углекислый газ
3) неорганические вещества
4) белки, жиры и углеводы

Пояснение.

Органоиды клетки состоят из белков, жиров и углеводов.

Правильный ответ указан под номером: 4

Ответ: 4

7. Жиры, как и глюкоза, выполняют в клетке функцию

1) строительную
2) информационную
3) каталитическую
4) энергетическую

Пояснение.

А,В – функции белков, Б – функция ДНК, Г – функция липидов и углеводов.

Правильный ответ указан под номером: 4

Ответ: 4

8. Вторичная структура молекулы белка имеет форму

1) спирали
2) двойной спирали
3) клубка
4) нити

Пояснение.

Первичная структура – линейная, вторичная – спираль, клубок – третичная структура.

Правильный ответ указан под номером: 1

Ответ: 1

9. Какую функцию выполняют белки, вырабатываемые в организме при проникновении в него бактерий или вирусов

1) регуляторную
2) сигнальную
3) защитную
4) ферментативную

Пояснение.

Лимфоциты вырабатывают антитела, которые представлены белками, поэтому белки выполняют защитную функцию в организме.

Правильный ответ указан под номером: 3

Ответ: 3

10. Разнообразные функции в клетке выполняют молекулы

1) ДНК
2) белков
3) иРНК
4) АТФ

11. Минеральные вещества в организме НЕ участвуют в

1) построении скелета
2) освобождении энергии за счет биологического окисления
3) регуляции сердечной деятельности
4) поддержании кислотно-щелочного равновесия Пояснение.

Энергия освобождается при окислении глюкозы, во всех остальных перечисленных процессах принимают участие минеральные вещества.

Правильный ответ указан под номером: 2

Ответ: 2

12. Вода играет большую роль в жизни клетки, так как она

1) участвует во многих химических реакциях
2) обеспечивает нормальную кислотность среды
3) ускоряет химические реакции
4) входит в состав мембран

Пояснение.

Вода является непосредственным участником многих химических процессов в клетке. Например, участвует в фотолизе воды при фотосинтезе.

Правильный ответ указан под номером: 1

Ответ: 1

13. Вода участвует в теплорегуляции благодаря

1) полярности молекул
2) низкой теплоемкости
3) высокой теплоемкости
4) небольшим размерам молекул

14 .Гуанин относится к основаниям:

1) пуриновым

2) пиримидиновым

3) анилиновым

4) нафталиновым

15. Что не входит в состав ДНК?

1) тимин

2) урацил

3) гуанин

4) цитозин

16.Сахароза – это:

1) полимер

2) мономер

3) димер

4) вата

17. Какие из перечисленных ниже веществ являются полимерами:

1) глюкоза

2) гликоген

3) холестерин

4) ДНК

5) гемоглобин

Тест по теме «Химический состав клетки. Нуклеиновые кислоты».

Вариант №3

Задача 1.

Известны молекулярные массы четырех белков:

А)3000 у.е.; Б)4600 у.е.; В)78000 у.е.; Г) 3500 у.е.

Определите длины соответствующих генов.

Задача 2.

Фрагмент молекулы ДНК содержит 2348 нуклеотидов, из них адениновых – 420. Сколько содержится других нуклеотидов? Найдите массу и длину фрагмент а ДНК?

1. Фосфолипиды - это

1) ферменты, отвечающие за расщепление жиров
2) нейромедиаторы, синтезируемые нервными клетками
3) структурный компонент клеточных мембран
4) запасное вещество клетки

Пояснение.

Фосфолипиды составляют двойной слой в мембране, выполняют структурную функцию.

Правильный ответ указан под номером: 3

Ответ: 3

2. рРНК - это

1) переносчик генетической информации
2) переносчик аминокислот
3) компонент клеточного ядра
4) компонент рибосом

Пояснение.

иРНК - переносчик генетической информации, тРНК - переносчик аминокислот, ДНК - компонент ядра, рРНК - компонент рибосом.

Правильный ответ указан под номером: 4

Ответ: 4

3. Пептидная связь возникает между

1) аминокислотами
2) остатками глюкозы
3) молекулами воды
4) нуклеотидами

Пояснение.

Пептидная связь возникает между аминокислотами - т. е. возникает при образовании белков и пептидов в результате взаимодействия α-аминогруппы (-NH2) одной аминокислоты с α-карбоксильной группой (- СООН) др. аминокислоты

Между остатками глюкозы, и между нуклеотидами - связь ковалентная полярная.

Между молекулами воды возникает водородная связь. Эта химическая связь – межмолекулярная.

Правильный ответ указан под номером: 1

Ответ: 1

4. Сколько водородных связей связывают аденин с тимином в молекуле ДНК?

1) 1
2) 2
3) 3
4) 4

Пояснение.

Водородные связи между нуклеотидами двух цепочек ДНК: аденин-тимин (А-Т) - двойная; гуанин-цитозин (Г-Ц) - тройная.

Правильный ответ указан под номером: 2

Ответ: 2

5. Сигнальную, двигательную, транспортную и защитную функции в клетке выполняют

1) белки
2) углеводы
3) липиды
4) ДНК

Пояснение.

Функции белков разнообразны.

- Строительный материал – белки участвуют в образовании оболочки клетки, органоидов и мембран клетки. Из белков построены кровеносные сосуды, сухожилия, волосы.

- Каталитическая роль – все клеточные катализаторы – белки (активные центры фермента). Структура активного центра фермента и структура субстрата точно соответствуют друг другу, как ключ и замок.

- Двигательная функция – сократительные белки вызывают всякое движение.

- Транспортная функция – белок крови гемоглобин присоединяет кислород и разносит его по всем тканям.

- Защитная роль – выработка белковых тел и антител для обезвреживания чужеродных веществ.

- Энергетическая функция – 1 г белка эквивалентен 17,6 кДж.

И если по отдельности некоторые перечисленные функции могут быть присущи и липидам, и углеводам, то вместе - только белкам.

Правильный ответ указан под номером: 1

Ответ: 1

6. Вторичная структура белка поддерживается

1) ковалентными связями
2) электростатическими взаимодействиями
3) водородными связями
4) гидрофобными взаимодействиями

Пояснение.

Вторичная структура - локальное упорядочивание фрагмента полипептидной цепи, стабилизированное водородными связями.

Правильный ответ указан под номером: 3

Ответ: 3

7. Богатые энергией связи между остатками фосфорной кислоты имеются в молекуле

1) АТФ
2) ДНК
3) иРНК
4) белка

Пояснение.

АТФ - эти связи называют макроэнергетическими, т.к. при их разрыве выделяется 40 кДЖ энергии. АТФ представляет собой аденозинфосфорную кислоту, содержащую 3 остатка фосфорной кислоты (или фосфатных остатка), служит универсальным переносчиком и основным аккумулятором химической энергии в живых клетках

Правильный ответ указан под номером: 1

Ответ: 1

8. В процессе фотосинтеза энергия света идёт на синтез молекул

1) ДНК
2) белков
3) жиров
4) АТФ

Пояснение.

В ходе световой фазы хлорофиллом поглощается квант света, в результате чего образуются молекулы АТФ и НАДФН. Вода при этом распадается, образуя ионы водорода и выделяя молекулу кислорода.

Правильный ответ указан под номером: 4

Ответ: 4

9. Белки наружной плазматической мембраны обеспечивают

1) транспорт веществ в клетку
2) окисление веществ
3) её полную проницаемость
4) упругость и тургор клетки

Пояснение.

Основными функциями клеточной мембраны (плазмалеммы) являются следующие: 1) барьерная, 2) рецепторная, 3) обменная, 4)транспортная.

Мембрана обеспечивает избирательное проникновение в клетку и из клетки в окружающую среду различных химических веществ. Существует два основных способа поступления веществ в клетку и вывода из клетки во внешнюю среду: пассивный транспорт, активный транспорт.

При облегченной диффузии в транспорте веществ участвуют белки – переносчики, работающие по принципу «пинг-понг». Белок при этом существует в двух конформационных состояниях: в состоянии «понг» участки связывания транспортируемого вещества открыты с наружной стороны бислоя, а в состоянии «пинг» такие же участки открываются с другой стороны. Этот процесс обратимый. С какой же стороны в данный момент времени будет открыт участок связывания вещества, зависит от градиента концентрации, этого вещества.

Таким способом через мембрану проходят сахара и аминокислоты.

Правильный ответ указан под номером: 1

Ответ: 1

10. Ферментативную, строительную, транспортную, защитную функции в клетке выполняют молекулы

1) липидов
2) углеводов
3) ДНК
4) белков

11. Ионы какого химического элемента необходимы для процесса свертывания крови?

1) натрия
2) магния
3) железа
4) кальция

12. В процессе свертывания крови одним из факторов является кальций.

Правильный ответ указан под номером: 4

Ответ: 4

Какое свойство воды делает её хорошим растворителем в биологических системах?

1) высокая теплопроводность
2) медленный нагрев и остывание
3) высокая теплоемкость
4) полярность молекул

13. Пояснение.

Молекула воды дипольна, поэтому она хороший растворитель.

Правильный ответ указан под номером: 4

Ответ: 4

Одним из элементов, обуславливающих активный ионный транспорт через клеточные мембраны, является

1) калий
2) фосфор
3) железо
4) азот

14. В состав ДНК не входит:

1) дезоксирибоза

2) аденин

3) урацил

4) фосфат

15 .Из нижеперечисленных веществ выберите полимеры:

1) глюкоза

2) целлюлоза

3) холестерин

4) РНК

5) гемоглобин

16. Сколько видов аминокислот входит в состав белка?

1) 12

2) 25

3) 20

4) сколько угодно

17 .Белки, входящие в состав хромосом, называются:

1) гистоны

2) протоны

3) хроматины

4) буратины

Ответы к тесту « Химический состав клетки. Нуклеиновые кислоты » .

№ теста

Вариант №1

Вариант №2

1,3

Вариант №3

3

4

1

2

1

3

1

4

1

4

4

4

1

3

2,4,5

3

1

1. Какие вещества являются биологическими полимерами? Какие вещества являются мономерами для построения молекул биополимеров?

а, г, е – являются мономерами; б, в, д – полимеры

2. Какие функциональные группы характерны для всех аминокислот? Какими свойствами обладают эти группы?

Аминокислота - органическое соединение, содержащее одновременно аминогруппу (NН2), для которой характерны основные свойства, и карбоксильную группу (СООН) с кислотными свойствами. Также в состав аминокислоты входит радикал (R), у разных аминокислот он имеет различное строение, что и придает разным аминокислотам особые свойства.

3. Сколько аминокислот участвует в образовании природных белков? Назовите общие черты строения этих аминокислот. Чем они различаются?

В образовании природных белков участвует только 20. Такие аминокислоты называются белок-образующими. Общие черты строения для них – наличие аминогруппы и карбоксильной группы, а отличие заключается в различных радикалах.

4. Каким образом аминокислоты соединяются в полипептидную цепь? Постройте дипептид и трипептид. Для выполнения задания используйте структурные формулы аминокислот, показанные на рисунке.

Аминогруппа (–NH2) одной аминокислоты взаимодействует с карбоксильной группой (–СООН) другой аминокислоты и между атомом азота аминогруппы и атомом углерода карбоксильной группы возникает пептидная связь. Образующаяся молекула представляет собой дипептид, на одном конце которого находится свободная аминогруппа, а на другом – свободная карбоксильная группа. Благодаря этому дипептид может присоединять к себе другие аминокислоты, образуя трипептиды и т. д.

5. Охарактеризуйте уровни структурной организации белков. Какие химические связи обусловливают различные уровни структурной организации белковых молекул?

Молекулы белков могут принимать различные пространственные формы, которые представляют собой четыре уровня их структурной организации. 1) Цепочка из множества аминокислотных остатков, соединенных пептидными связями, представляет собой первичную структуру белковой молекулы. На основе первичной структуры создаются другие виды структур. 2) Вторичная структура белка возникает в результате образования водородных связей между атомами водорода NH-групп и атомами кислорода CO-групп разных аминокислотных остатков полипептидной цепи. Полипептидная цепь при этом закручивается в спираль. Водородные связи слабые, но благодаря значительному количеству они обеспечивают стабильность этой структуры. 3) Третичная структура формируется за счет образования водородных, ионных и других связей, возникающих между разными группами атомов белковой молекулы в водной среде. У некоторых белков важную роль в образовании третичной структуры играют S S связи (дисульфидные связи) между остатками цистеина (аминокислоты, содержащей серу). При этом поли пептидная спираль укладывается в своеобразный клубок (глобулу) таким образом, что гидрофобные аминокислотные радикалы погружаются внутрь глобулы, а гидрофильные располагаются на поверхности и взаимодействуют с молекулами воды. 4) В состав молекул некоторых белков входит не один, а несколько полипептидов (глобул), образующих единый комплекс. Так формируется четвертичная структура.

6. Человек и животные получают аминокислоты из пищи. Из чего могут синтезироваться аминокислоты у растений?

Автотрофные организмы синтезируют все необходимые им аминокислоты из первичных продуктов фотосинтеза и азотсодержащих неорганических соединений.

7. Сколько разных трипептидов можно построить из трех молекул аминокислот (например, аланина, лизина и глутаминовой кислоты), если каждую аминокислоту можно использовать только один раз? Будут ли эти пептиды обладать одинаковыми свойствами?

Из данных аминокислот можно построить 6 трипептидов и у каждого будут свои свойства, так как последовательность аминокислот разная.

8. Для разделения смеси белков на компоненты используется метод электрофореза: в электрическом поле отдельные белковые молекулы с определенной скоростью перемещаются к одному из электродов. При этом одни белки двигаются в сторону катода, другие перемещаются к аноду. Как строение молекулы белка связано с его способностью двигаться в электрическом поле? От чего зависит направление движения белковых молекул? От чего зависит их скорость?

Заряд молекулы белка зависит от соотношения остатков кислых и основных аминокислот. Карбоксильная группа и аминогруппа приобретают различный заряд (отрицательный и положительный) в связи с тем, что в водных растворах карбоксильная группа диссоцииует на СОО– + Н+ и имеет отрицательный заряд, а аминогруппа за счёт присоединения ионов водорода положительный. В результате формируется суммарный заряд, что и обусловливает движение белковой молекулы. Если преобладают остатки кислых аминокислот - заряд молекулы отрицательный и движется в сторону анода, если же преобладают остатки основных аминокислот - заряд молекулы положительный и она движется в сторону катода. Скорость движения зависит от величины заряда, массы белка и пространственной конфигурации.

Органические вещества. Понятие о биополимерах. Как уже отмечалось, в состав живых организмов, кроме неорганических, входят различные органические вещества: белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты и др. Они образованы, прежде всего, четырьмя химическими элементами: углеродом, водородом, кислородом и азотом. В составе белков к этим элементам добавляется сера, а в нуклеиновых кислотах - фосфор.

В живых организмах органические вещества представлены как небольшими, с относительно низкой молекулярной массой, молекулами, так и макромолекулами. К низкомолекулярным соединениям относятся аминокислоты, моносахариды, нуклеотиды, карбоновые кислоты, спирты и некоторые другие. Макромолекулы (от греч. макрос - большой) представлены белками, полисахаридами и нуклеиновыми кислотами. Это сложные по структуре соединения с большой молекулярной массой. Так, относительная молекулярная масса большинства белков составляет от 5000 до 1 000 000. Как вы знаете из курса химии, относительная молекулярная масса (Л4 Г) равна отношению массы одной молекулы вещества к части массы атома углерода и, следовательно, является величиной безразмерной. Значение Л4 Г показывает, во сколько раз масса молекулы данного вещества больше атомной единицы массы.

Молекулы белков, полисахаридов и нуклеиновых кислот состоят из большого числа одинаковых или различных по составу повторяющихся звеньев. Как вы знаете из курса химии, подобные соединения называются полимерами. Простые молекулы, из остатков которых состоят полимеры, называются мономерами. Мономерами белков являются аминокислоты, мономерами полисахаридов - моносахариды, молекулы нуклеиновых кислот построены из нуклеотидов. Белки, полисахариды и нуклеиновые кислоты содержатся в клетках всех живых организмов и выполняют исключительно важные биологические функции, поэтому их называют биологическими полимерами (биополимерами).

В клетках различных живых организмов содержание тех или иных органических соединений разное. Например, в клетках животных преобладают белки и липиды, а в клетках растений - углеводы. Однако в различных клетках определенные органические соединения выполняют схожие функции.

В живых организмах среди макромолекул по функциональному значению ведущая роль принадлежит белкам. Белки во многих организмах преобладают и количественно. Так, в организме животных они составляют 40-50 %, в организме растений - 20-35 % сухой массы. Белки - это полимеры, мономерами которых являются аминокислоты.

Аминокислоты - «кирпичики» белковых молекул. Аминокислоты - органические соединения, содержащие одновременно аминогруппу (-NH 2), для которой характерны основные свойства, и карбоксильную группу (-СООН) с кислотными свойствами. Известно около 200 аминокислот, но в образовании природных белков участвует только 20. Такие аминокислоты называются белок-образующими. В таблице 2 приведены полные и сокращенные названия этих аминокислот (не для запоминания).

Таблица 2. Белокобразующие аминокислоты и их сокращенные обозначения

В молекулах белокобразующих аминокислот карбоксильная группа и аминогруппа связаны с одним и тем же атомом углерода. По этому признаку 20 аминокислот сходны между собой. Другая часть молекулы, называемая радикалом (R), у разных аминокислот имеет различное строение (рис. 6). Радикал может быть неполярным или полярным, гидрофобным или гидрофильным, что и придает разным аминокислотам особые свойства.

У большей части белокобразующих аминокислот имеется одна карбоксильная группа и одна аминогруппа - такие аминокислоты называются нейтральными (см. рис. 6). Существуют также основные аминокислоты, с более чем одной аминогруппой, и кислые аминокислоты, с более чем одной карбоксильной группой. Наличие дополнительной амино- или карбоксильной группы оказывает влияние на свойства аминокислоты, которые играют определяющую роль в формировании пространственной структуры белка. В состав радикала некоторых аминокислот (например, цистеина) входят атомы серы.

Автотрофные организмы синтезируют все необходимые им аминокислоты из первичных продуктов фотосинтеза и азотсодержащих неорганических соединений. Для гетеротрофных организмов источником аминокислот является пища. В организме человека и животных некоторые аминокислоты могут синтезироваться из продуктов обмена веществ (в первую очередь - из других аминокислот). Такие аминокислоты называются заменимыми. Другие же, так называемые незаменимые аминокислоты, не могут быть синтезированы в организме и поэтому должны постоянно поступать в него в составе белков пищи. Белки пищи, содержащие остатки всех незаменимых аминокислот, называются полноценными, в отличие от неполноценных, в составе которых отсутствуют остатки тех или иных незаменимых аминокислот.

Незаменимыми аминокислотами для человека являются: триптофан, лизин, валин, изолейцин, треонин, фенилаланин, метионин и лейцин. Для детей незаменимыми являются также аргинин и гистидин.

Наличие как основной, так и кислотной групп обусловливает амфотерность и высокую реакционную способность аминокислот. Аминогруппа (-NH 2) одной аминокислоты способна взаимодействовать с карбоксильной группой (-СООН) другой аминокислоты. При этом выделяется молекула воды, а между атомом азота аминогруппы и атомом углерода карбоксильной группы возникает ковалентная связь, которая называется пептидной связью. Образующаяся молекула представляет собой дипептид (рис. 7). На одном конце молекулы дипептида находится свободная аминогруппа, а на другом - свободная карбоксильная группа. Благодаря этому дипептид может присоединять к себе другие аминокислоты, образуя олигопептиды. Если таким образом соединяется более 10 остатков аминокислот, то образуется полипептид.

Пептиды играют важную роль в организме человека. Многие гормоны (глюкагон, ва-зопрессин, о кс и то ц и н и др.), антибиотики (например, грамицидин), токсины (например, дифтерийный токсин) по химической природе являются олиго- и полипептидами.

Белки. Уровни организации белковой молекулы. Полипептидные цепи могут быть очень длинными и включать самые разные комбинации аминокислотных остатков. Полипептиды, в состав молекул которых входит от 50 до нескольких тысяч остатков аминокислот, называются белками. Каждый конкретный белок характеризуется строго постоянным составом и последовательностью аминокислотных остатков.

Белки, образованные только остатками аминокислот, называются простыми. Сложными являются белки, имеющие в своем составе компонент неаминокислотной природы. Это могут быть ионы металлов (Fe 2+ , Zn 2+ , Mg 2 ^ Мп 2+), липиды, нуклеотиды, сахара и др. Простыми белками являются альбумины крови, фибрин, некоторые ферменты (трипсин) и др. Сложные белки - это большинство ферментов, иммуноглобулины (антитела).

Молекулы белков могут принимать различные пространственные формы, которые представляют собой четыре уровня их структурной организации (рис. 8).

Цепочка из множества аминокислотных остатков, соединенных пептидными связями, представляет собой первичную структуру белковой молекулы. Это наиболее важная структура, так как именно она определяет форму, свойства и функции белка. На основе первичной структуры создаются другие виды структур. Каждый белок организма имеет уникальную первичную структуру.

Вторичная структура белка возникает в результате образования водородных связей между атомами водорода NH-групп и атомами кислорода СО-групп разных аминокислотных остатков полипептидной цепи. Полипептидная цепь при этом закручивается в спираль. Водородные связи слабые, но благодаря значительному количеству они обеспечивают стабильность этой структуры. Полностью спиральную конфигурацию имеют, например, молекулы кератина - основного белка волос и ногтей человека. Спиральная вторичная структура характерна и для некоторых других белков, например для миозина

Вторичная структура белка, помимо спирали, может быть представлена складчатым слоем. В этом случае несколько полипептидных цепей (или участков одной полипептидной цепи) размещаются параллельно, образуя структуру, сложенную наподобие гармошки (см. рис. 8). Такую конфигурацию имеет, например, белок фиброин, составляющий основу волокон натурального шелка.

Третичная структура формируется за счет образования водородных, ионных и других связей, возникающих между разными группами атомов белковой молекулы в водной среде. У некоторых белков важную роль в образовании третичной структуры играют S - S связи (дисульфидные связи) между остатками цистеина (аминокислоты, содержащей серу). При этом полипептидная спираль укладывается в своеобразный клубок (глобулу) таким образом, что гидрофобные аминокислотные радикалы погружаются внутрь глобулы, а гидрофильные располагаются на поверхности и взаимодействуют с молекулами воды. Третичной структурой определяются специфичность белковых молекул, их биологическая активность. Третичную структуру имеют многие белки, например миоглобин (белок, который участвует в создании запаса кислорода в мышцах) и трипсин (фермент, расщепляющий белки пищи в кишечнике).

В состав молекул некоторых белков входит не один, а несколько полипептидов, образующих единый комплекс. Так формируется четвертичная структура. Полипептиды (они могут иметь одинаковое или разное строение) не связываются ковалентными связями. Прочность четвертичной структуры обеспечивается взаимодействием слабых межмолекулярных сил. Например, четвертичная структура характерна для белка гемоглобина. Его молекула состоит из четырех структурных элементов - субъединиц, в состав каждой субъединицы входит полипептидная цепь и небелковый компонент - гем.

Урок-лекция «Молекулярная структура живого»

Оборудование: мультимедийная презентация.

I. Актуализация знаний

Слайд 1. «Ключевые слова (элементарный состав клетки, вода, белки, ДНК, РНК, репликация)».

Контрольный тест

1. Нуклеиновые кислоты выполняют в клетке следующие функции:

а) хранение и передача наследственных свойств;
б) контроль за синтезом белка;
в) регуляция биохимических процессов;
г) деление клеток;
д) все перечисленное.

Статья опубликована при поддержке компании "Евина" . Компания занимается изготовлением и реставрацией лепнины, установка интерьерной и фасадной лепнины. Высококачественная лепнина из гипса для фасадов и интерьеров, услуга изготовления лепнины по индивидуальному проекту. Узнать подробную информацию о компании, посмотреть каталог, цены и контакты Вы сможете на сайте, который располагается по адресу: http://www.evina.ru.

2. Мономерами нуклеиновых кислот являются:

а) аминокислоты;
б) нуклеотиды;
в) молекулы белка;
г) молекулы глюкозы.

3. Группа веществ, к которым относится рибоза:

а) белки;
б) жиры;
в) углеводы.

4. Мономером молекулы белка являются:

а) глюкоза;
б) глицерин;
в) жирная кислота;
г) аминокислота.

5. Растворителем жиров могут быть:

а) вода;
б) спирт;
в) эфир;
г) бензин.

II. Изучение нового материала

На уроках естествознания вы прикоснулись к раскрытию тайны живого, пытаясь ответить на вопрос: «Что такое жизнь?». Явление жизни мы в первую очередь связываем с теми веществами, из которых построены живые организмы: углеводами, жирами, нуклеиновыми кислотами и, конечно же, белками.

1. Элементный и молекулярный состав живого

В организме человека находится 81 химический элемент из 92 встречающихся в природе. (Слайд 2. «Содержание химических элементов в клетке».) Человеческий организм – сложная химическая лаборатория. Трудно себе представить, что ежедневно наше самочувствие, настроение и даже аппетит могут зависеть от минеральных веществ. Без них бесполезными оказываются витамины, невозможны синтез и распад белков, жиров и углеводов.

На столах у учеников таблицы «Биологическая роль химических элементов» (табл. 1). После самостоятельного ознакомления с ней ученики вместе с учителем анализируют таблицу.

Таблица 1. Биологическая роль химических элементов

Химические элементы		Функциональная роль
Калий, натрий
	Пектат кальция
	Хлорофилл
	Нуклеиновые кислоты, АТФ
	Гемоглобин
	Цитохромы
Марганец	Декарбоксилазы, дегидрогеназы
	Гемоцианин
	Тирозиназа
	Витамин В 12
	Алкогольдегидрогеназа
	Карбоангидраза
	Фторид кальция
	Тироксин
Молибден	Нитрогеназа	Обеспечивает фиксацию азота

Основу жизни составляют шесть элементов первых трех периодов – H, C, N, О, Р, S. Эти элементы называют биогенными, и на их долю приходится 98% массы живого вещества (т.е. остальные элементы периодической системы составляют не более 2%).

Три основных признака биогенных элементов:

– малый размер атомов,
– небольшая относительная атомная масса,
– способность образовывать прочные ковалентные связи.

Ученикам раздаются тексты. Задание: внимательно прочитать текст; выделить элементы, необходимые для жизни, и элементы, опасные для живых организмов; найти их в периодической системе элементов и объяснить их роль.

После выполнения задания несколько учеников проводят анализ разных текстов.

Текст 1

Химический элемент кальций участвует в образовании костной ткани животных и человека, в белковом обмене. Магний входит в состав хлорофилла растений, регулирует кровяное давление. Он необходим для вырабатывания энергии организмом.

Барий – элемент этой же подгруппы, даже в небольших количествах он опасен для организма. Соли бария очень ядовиты. При остром отравлении ими поражается нервная система, сосуды, а при хроническом – костная ткань, костный мозг, печень. Барий вытесняет из костей кальций и фосфор – это приводит к размягчению костей.

Текст 2

Элемент побочной подгруппы II группы цинк – незаменимый для живых организмов микроэлемент. Он входит в состав ферментов и гормонов (например, инсулина, вырабатываемого поджелудочной железой). Цинк влияет на рост растений и животных (недостаток его вызывает карликовость), участвует в анаэробном дыхании растений (спиртовое брожение), в транспорте углекислого газа в крови позвоночных, в усвоении белков.

Содержание кадмия и ртути в живом организме минимально. Кадмий проявляет канцерогенные свойства. Его растворимые соединения после всасывания в кровь поражают центральную нервную систему, печень, почки. Этот элемент попадает в биосферу с минеральными удобрениями (как примесь в составе суперфосфата), при сжигании мусора, содержащего изделия из пластмассы. В легкие человека, выкурившего одну сигарету, попадает 1–2 мкг кадмия и 25% от этого количества остается в организме.

Ионы ртути в микроколичествах участвуют в образовании белков и передаче наследственной информации. В то же время в несколько больших дозах они разрушают белковые молекулы, вызывают расстройства нервной системы, ухудшают работу сердца, угнетают жизнедеятельность фитопланктона (водорослей) и т.д.

Текст 3

Бор – элемент главной подгруппы III группы – обязательный для организма микроэлемент (содержание его составляет 10–3%). Этот элемент положительно влияет на рост растений, процессы дыхания, углеводный обмен. Недостаток бора приводит к отмиранию у растений точек роста стеблей и корней.

Концентрации галлия, таллия в организме человека составляют 10–6% и 10–12% соответственно. Таллий – сильный яд, его действие проявляется в неврологических расстройствах, выпадении волос.

Текст 4

Среди элементов IV группы углерод – основа жизни (концентрация его в организме человека – 10%), а свинец (10–6–10–12%), и его соединения – яды, вызывающие рак почек и желудочно-кишечного тракта, препятствующие газообмену у рыб (уплотняют слизь, покрывающую жабры). Наличие свинца в природной среде связано с использованием его в промышленности. Основной вид использования свинца, при котором он широко рассеивается, – производство и применение алкилсвинцовых присадок к топливу. Большие количества свинца попадают с отходами в почву и воду при добыче и переработке руд, производстве стали, аккумуляторных батарей, типографских шрифтов, пигментов, взрывчатых веществ, нефтепродуктов, фотоматериалов, стекла. Для снижения выбросов свинца переходят к широкому использованию на транспорте электричества, ведут работы по сокращению содержания свинца в автомобильном бензине и переходу на альтернативные виды топлива. Совершенствуются двигатели внутреннего сгорания, создаются новые системы двигателей и электромобили. В «свинцовую» промышленность внедряют безотходные технологии. Хроническое свинцовое отравление сказывается прежде всего на функциях центральной нервной системы.

Текст 5

Элементы V группы – азот и фосфор – истинные биогены, т.е. входят в состав всех организмов. Их содержание в организме – по 0,1%. Их сосед по группе – мышьяк (10–6%) изменяет толщину стенок сосудов, вызывает расстройства сердечной деятельности, обезвоживание организма и потерю солей, нарушение переноса кислорода гемоглобином крови (развивается анемия). Отравление мышьяком повышает вероятность возникновения рака кожи, заболеваний лимфатической системы и желудочно-кишечного тракта. Предполагается, что мышьяк замещает в организме фосфор в молекуле ДНК и нарушает передачу наследственной информации. Соединения мышьяка содержатся в отходящих доменных газах, в угольной золе, в отходах медеплавильного и сернокислотного производств.

2. Строение молекулы воды и ее свойства

(Учащиеся анализируют факты, вспоминают о функциях воды (рис. 1), делают вывод о соответствии содержания воды, интенсивности процесса обмена веществ.)

Рис. 1. Функции воды

Демонстрация опытов

1. Растворить в воде следующие вещества: поваренную соль, этиловый спирт, сахарозу, растительное масло.
2. Опустить кусочек льда в стакан с водой.
3. В пробирку с хлопьями яичного белка добавить желудочный сок.

Ответьте на следующие вопросы:

Почему одни вещества растворяются в воде, а другие нет?
Что вы можете сказать о плотности воды и льда?
Какие реакции вы наблюдали в опыте?
Какие свойства воды вы наблюдали?

(Учитель комментирует ответы, учащиеся делают записи в тетрадях.)

3. Аминокислоты и белки

Все организмы – грибы, растения, животные, бактерии – содержат белки.

Белки – высокомолекулярные органические вещества, построенные из остатков 20 различных аминокислот. Известно более 150 аминокислот, но из них лишь 20 представлены в белках. Аминокислоты могут существовать в двух изомерных формах, L и D, являющихся зеркальными отображениями друг друга. В состав белков входят только L-изомеры, а включение D-изомера нарушает структуру белка.

Рис. 2. Уровни организации белковой молекулы

Белки – важнейший компонент нашей пищи. У человека белки составляют четверть массы тела. Единственным источником их образования в организме являются аминокислоты белков в пище. Вот почему белки незаменимы в питании человека.

Молекулярная масса белков колеблется от 5 тыс. до 1 млн и выше. В природе существует только малая часть теоретически возможного количества белка.

Белки – основа жизни клетки. Во всех частях тела организма есть белки. В крови и мышцах белки составляют 1/5 от их общей массы, в мозге 1/12, а в эмали зубов 1% от общей ее массы. В разных органах белки составляют 45–85% сухой массы вещества.

Белки образуются при поликонденсации α-аминокислот, при которой возникает полипептидная связь. Поэтому белки состоят из тех же элементов, что и аминокислоты: углерод, водород, азот, кислород и сера (табл. 2).

Таблица 2. Элементный состав белков

Химические элементы	Вещества, в которых химический элемент содержится	Функциональная роль
Углерод, водород, кислород, азот	Белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы и др. органические вещества	Необходимы для синтеза органических веществ и выполнения функций, осуществляемых этими органическими веществами
Калий, натрий	Na + – главный внеклеточный ион, К + – преобладающий ион внутри клеток	Обеспечивают функции мембран, проведение нервных импульсов
		Участвует в процессах свертывания крови, сокращении мышц
	Фосфат кальция, карбонат кальция	Входят в состав костной ткани, зубной эмали, раковин моллюсков
	Пектат кальция	Участвует в формировании клеточной стенки у растений
	Хлорофилл	Участвует в процессе фотосинтеза, активирует работу ферментов
		Участвует в формировании пространственной структуры белка
	Нуклеиновые кислоты, АТФ	Синтез нуклеиновых кислот (ДНК, РНК); входит в состав костей
		Участвует в проведении нервных импульсов
		Активирует работу пищеварительных ферментов желудочного сока
	Гемоглобин	Транспорт кислорода и углекислого газа
	Цитохромы	Участвует в процессах фотосинтеза и дыхания
Марганец	Декарбоксилазы, дегидрогеназы	Окисление жирных кислот, участвует в процессах дыхания и фотосинтеза
	Гемоцианин	Обеспечивает транспорт кислорода у некоторых беспозвоночных
	Тирозиназа	Участвует в синтезе меланина – пигмента кожи
	Витамин В 12	Необходим для формирования эритроцитов (красных кровяных телец)
	Алкогольдегидрогеназа	Участвует в гликолизе у дрожжей
	Карбоангидраза	Обеспечивает баланс СО 2 и H 2 CO 3 у позвоночных, участвует в регуляции рН
	Фторид кальция	Входит в состав костной ткани, зубной эмали
	Тироксин	Участвует в регуляции основного обмена веществ
Молибден	Нитрогеназа	Обеспечивает фиксацию азота

Лабораторная работа «Химический состав клетки»

Чтобы доказать, что в состав белков входит азот, к водному раствору белка куриного яйца добавим раствор щелочи и нагреем. Универсальную индикаторную бумагу, смоченную водой, поднесем к отверстию пробирки – бумажка синеет, так как из раствора при щелочном гидролизе белка выделяется газ аммиак NH 3 . Следовательно, в состав белка входит азот.

Все белки, растительные и животные, состоят из аминокислот. Белки, поступающие с пищей, под влиянием ферментов подвергаются гидролизу.

Гидролиз – это разложение веществ с присоединением молекул воды. В кислой среде желудка под действием протеолитических ферментов (ферментов, ускоряющих гидролиз белков) белки расщепляются до аминокислот. Аминокислоты всасываются ворсинками кишечника, поступают в кровь, а с нею – во все ткани организма. Затем основная масса аминокислот идет на синтез собственных белков организма.

Синтез идет с поглощением энергии. Такие реакции называются эндотермическими. Часть аминокислот подвергается распаду и окислению, при этом азот отщепляется в виде аммиака, который превращается в мочевину и выводится с мочой. Углерод и водород окисляются до углекислого газа и воды. Эти реакции идут с выделением энергии и являются экзотермическими.

В процессе обмена белков происходит обмен энергии. Синтез белков организма в клетке сопровождается поглощением энергии (ассимиляция), а при расщеплении белков и аминокислот энергия выделяется (процесс диссимиляции).

4. Нуклеотиды и нуклеиновые кислоты

Существует два типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты), РНК (рибонуклеиновые кислоты). Подобно углеводам и белкам, это полимеры. Как и белки, нуклеиновые кислоты являются линейными полимерами. Однако их мономеры – нуклеотиды – являются сложными веществами, в отличие от достаточно простых сахаров и аминокислот.

Нуклеотиды состоят из трех компонентов: азотистого основания, сахара-пентозы и остатка фосфорной кислоты. В состав нуклеиновых кислот входят азотистые основания пяти типов: аденин, гуанин, урацил, тимин, цитозин. Помимо азотистых оснований в образовании нуклеотидов принимают участие два сахара: рибоза в РНК и дезоксирибоза в ДНК. Третьим компонентом нуклеотидов, как в ДНК, так и в РНК, является остаток фосфорной кислоты – фосфат.

Комплекс азотистого основания с сахаром называется нуклеозидом, а при присоединении к последнему фосфата образуется нуклеотид. Названия нуклеотидов немного отличаются от названий соответствующих оснований. И те и другие принято обозначать заглавными буквами:

цитозин, цитидин – Ц;
урацил, уридин – У;
аденин, аденозин – А;
тимин, тимидин – Т;
гуанин, гуанозин – Г.

Строение ДНК

ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота – высокомолекулярный линейный полимер, состоящий из двух полинуклеотидных цепей. Каждая из цепей ДНК является линейным полимером, в котором нуклеотиды последовательно соединены друг с другом при помощи ковалентной фосфодиэфирной связи между остатком дезоксирибозы одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого нуклеотида (рис. 3).

Рис. 3. Структура ДНК

В состав ДНК входят нуклеотиды четырех типов: А, Т, Г и Ц. В цепи ДНК нуклеотиды одного типа могут повторяться бесчисленное количество раз. Молекулы ДНК могут достигать гигантских размеров. Так, например, 23 пары хромосом человека (состоящие из ДНК) содержат в себе более 3 млрд пар нуклеотидов!

ДНК в клетке чаще всего встречается в виде особой структуры – двойной спирали, в которой цепи (молекулы ДНК) прочно связаны друг с другом. Существование подобной структуры возможно благодаря особенностям строения нуклеотидов, которые легко образуют комплементарные пары: напротив А всегда располагается Т, а напротив Г – Ц. Цепи ДНК ориентированы строго определенным образом: азотистые основания нуклеотидов обеих цепей обращены внутрь, а сахара и фосфаты – наружу; кроме того, цепи расположены очень близко друг к другу (около 1,8 нм).

Между азотистыми основаниями пары А и Т образуются 2 водородные связи, а между Г и Ц – 3, поэтому прочность связи Г–Ц выше, чем А–Т.

Функцией ДНК является хранение, передача и воспроизведение в ряду поколений генетической информации. В организме ДНК, являясь основой уникальности индивидуальной формы, определяет, какие белки и в каких количествах необходимо синтезировать.

Репликация ДНК

Существование механизма «размножения» молекул ДНК, благодаря которому воспроизводятся точные копии исходных молекул, делает возможным передачу генетической информации от материнской клетки дочерним во время деления.

Процесс удвоения количества молекул ДНК называется репликацией. Это сложный процесс, осуществляемый ферментами, полное название которых – ДНК-зависимые-ДНК-полимеразы типа I, II, III (или просто ДНК-полимеразы).

В основе репликации лежит способность нуклеотидов к комплементарному взаимодействию с образованием водородных связей между А и Т, Г и Ц.

Специальные белки разрывают связи между цепями и «расплетают» молекулу ДНК, так что ее цепи разделяются. Это расплетание осуществляется на небольшом отрезке в несколько десятков нуклеотидов. На расплетенном участке ДНК-полимеразы строят дочерние цепи ДНК. При этом материнские цепи выступают в роли матриц, по которым ферменты, подбирая комплементарные нуклеотиды один за одним, выстраивают дочерние цепи. После того как дочерние цепи ДНК построены и комплементарно соединены с материнскими, происходит расплетание нового отрезка, и цикл репликации повторяется (рис. 4).

Такой способ репликации, при котором в каждую дочернюю клетку отходит двухцепочечная ДНК, одна цепь которой является старой, материнской, а другая вновь синтезированной, называется полуконсервативным способом репликации ДНК. Точность воспроизведения информации (точность синтеза дочерних цепей) при репликации почти абсолютная – малейшая ошибка может привести к серьезным последствиям. Биологический смысл репликации заключается в точной передаче наследственной информации от материнской молекулы к дочерней, что и происходит при делении соматических клеток.

Однако ошибки встречаются и здесь, приводя к спонтанным мутациям. Для повышения надежности сохранения информации в клетке имеются системы репарации , восстанавливающие поврежденную цепь ДНК по неповрежденной. Репарация ДНК – механизм, обеспечивающий способность к исправлению нарушенной последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Изменение обычно происходит в одной из цепей ДНК, вторая цепь остается неизменной. Все реакции репарации осуществляются ферментами. Поврежденный участок цепи «вырезается» с помощью ферментов – ДНК-репарирующих нуклеаз. Другой фермент – ДНК-полимераза копирует информацию с неповрежденной цепи, вставляя необходимые нуклеотиды в поврежденную цепь. Затем ДНК-лигаза «сшивает» молекулу ДНК, и поврежденная молекула восстанавливается.

Строение РНК

Хотя строение молекул РНК во многом сходно со строением молекул ДНК, тем не менее имеется ряд существенных отличий. В состав нуклеотидов РНК вместо дезоксирибозы входит сахар рибоза, а вместо тимина используется урацил. Главное отличие РНК от ДНК состоит в том, что РНК имеет лишь одну цепь. Из-за этого химически РНК менее стабильна, чем ДНК, и в водных растворах РНК быстро расщепляется. Поэтому РНК менее подходит для долговременного хранения информации.

Существует три основных вида РНК (рис. 5). Информационная (матричная) РНК – мРНК – наиболее разнородная по размерам, структуре и стабильности группа молекул РНК с длиной цепи 75–3000 нуклеотидов. мРНК представляет собой полинуклеотидную незамкнутую цепь. Единой пространственной структуры, характерной хотя бы для большинства мРНК, не обнаружено. Все мРНК объединяет их функция – они служат в качестве матриц для синтеза белков (рис. 7), передавая информацию об их структуре с молекул ДНК.

Рис. 7. Схема синтеза белка

Транспортная (акцепторная) РНК – тРНК – состоит из 75–100 нуклеотидов. Функция тРНК – перенос аминокислот на рибосому к синтезируемой молекуле белка. Число различных видов тРНК в клетке невелико: 20–61. Все они имеют сходную пространственную организацию.

Рибосомная РНК – рРНК – одноцепочечная нуклеиновая кислота, которая в комплексе с рибосомными белками образует рибосомы – органеллы, на которых происходит синтез белка (рис. 6). Известно много типов рРНК – это разнородная группа молекул с длиной цепи 120–3500 нуклеотидов. В клетке больше всего содержится рРНК, значительно меньше тРНК и совсем немного мРНК. Так, у кишечной палочки E.coli соотношение этих видов РНК составляет примерно 82, 16 и 2% соответственно.

III. Закрепление

Заполнение таблиц.

Сравнительная характеристика ДНК и РНК.

IV. Рефлексия. Подведение итогов урока

V. Домашняя работа

Уровень1. Ответьте на вопросы на с. 93 учебника.

Уровень 2. Постройте пространственную модель небольшого фрагмента молекулы ДНК, используя спички и шарики из пластилина.

Уровень 3. Соберите дополнительный материал по следующим темам: «Геном человека», «Наследственные болезни», «Клонирование животных», «Геном человека в медицине», «История открытия нуклеиновых кислот».

ЛИТЕРАТУРА

1. Биология. Газета ИД «Первое сентября», 1998–2005.
2. Богданова Т.Г., Солодова Е.А. Справочник для старшеклассников и поступающих в вузы. – М.: Аст-Пресс, 2003.
3. Диск 1С: Репетитор. Биология. – М., 2002.
4. Диск «Энциклопедия Кирилла и Мефодия». – М., 2004.
5. Закиев Р.К. Избранные главы общей генетики. – Казань, 1991.
6. Киселева З.С., Мягкова А.Н. Генетика. – М.: Просвещение, 1983.
7. Мамонтов С.Г. Биология. – М.: Школа-пресс, 1994.
8. Павлов И.Ю., Вахненко Д.В., Москвичев Д.В. Биология, репетитор для поступления в вузы. – Ростов-на-Дону, 2002.
9. Роберт И.В. Современные образовательные технологии. – М.: Школа-пресс, 1994.
10. Сапин М.Р., Билич Г.Л. Анатомия человека. – М.: Высшая школа, 1989.
11. Селевко Г.К. Современные образовательные технологии. – М.: Народное образование, 1998.
12. Франк-Каменецкий М.Д. Самая главная молекула. – М.: Наука, 1988.
13. Шерстнев М.П., Комаров О.С. Химия и биология нуклеиновых кислот. – М.: Просвещение, 1990.
14. Шлегель Г. Общая микробиология. – М.: Мир, 1987.