Химические связи решают всё - ЦИТОЛОГИЯ.РЕГУЛЯЦИЯ НА КЛЕТОЧНОМ УРОВНЕ

Постановка проблемы урока

Реклама: Наш чудодейственный препарат не содержит никакой химии...

Бабушка: Это как раз то, что мне нужно! Химией - только тараканов травить.

Девятиклассница: Интересно, что же ещё он может содержать?!

Мама: Может быть, в нём особые вещества, природные?

• Что вас удивило? (Что каждый подразумевает под словом “химия”?) Сформулируйте главный вопрос урока. (Сравните с авторским вариантом на с. 349.)

Необходимые базовые знания

• Какие химические элементы составляют основу органических веществ? (8 класс)

• Чем органические вещества отличаются от неорганических? (8 класс)

• Какие основные классы органических веществ вам знакомы? (8 класс)

• Почему содержание воды в живых организмах очень велико? (8 класс)

Решение проблемы

В чём сила слабой связи?

Вода жизненно необходима всем организмам. Удивительные свойства воды обусловлены строением её молекулы. Она состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. При взаимодействии этих атомов на атоме кислорода образуется частичный отрицательный заряд, в то время как на атомах водорода — частичный положительный заряд. Как известно, разноимённые заряды притягиваются, поэтому соседние молекулы воды вступают во взаимодействие, называемое водородной связью (рис. 6.1, 6.2).

6.1. Строение молекулы воды.

6.2. Образование водородных связей.

Несмотря на то что эта связь значительно слабее других типов связи, с её помощью молекулы воды образуют единую пространственную решётку. За счёт слабости связей она подвижна. Водородные связи определяют многие уникальные свойства воды, например, её взаимодействие с полярными и неполярными молекулами.

6.3. Полярные молекулы, на поверхности которых тоже есть электрический заряд, попав в воду, образуют с ней комплекс. Эти вещества называются гидрофильными.

6.4. Неполярные молекулы не взаимодействуют с молекулами воды - отталкиваются ими и не смачиваются, как капли жира. Это - гидрофобные вещества.

Строение молекулы воды определяет те свойства, которые делают её “главным веществом жизни”. Вода в клетке — это:

- растворитель, среда для всех химических реакций;

- участник многих реакций (таких, как фотосинтез);

- переносчик веществ-реагентов и продуктов реакций;

- распространитель тепла;

- упругая основа, поддерживающая форму клеток.

Углеводы

Название “углеводы” говорит само за себя: в составе этих соединений на один атом углерода приходится одна молекула воды. Углеводы делятся на две группы: простые (моносахариды) и сложные (олигосахариды и полисахариды).

6.5. Глюкоза.

6.6. Молекулы многих простых сахаров содержат 5-6 атомов углерода, замкнутых в кольцо. Их можно изобразить по-разному.

6.7. Молекулы простых сахаров соединяются друг с другом в длинные цепочки – полисахариды.

Органические молекулы - объёмные структуры. Поэтому для каждого вещества может существовать его стереоизомер - зеркальная копия, похожая, как левая перчатка на правую. Однако в живой природе все вещества, как правило, представлены только одним стереоизомером.

6.8. Свойства олигосахаридов и полисахаридов зависят от типа связи между моносахаридами.

Простые углеводы (глюкоза, фруктоза) и дисахариды в большинстве клеток образуют легкодоступный запас энергии. Для длительного хранения они полимеризуются в сложные молекулы (крахмал, гликоген). Другие полимерные углеводы (целлюлоза, хитин) используются как строительный материал. Моносахариды (например, рибоза) входят в состав структурных блоков более сложных макромолекул АТФ, ДНК, РНК.

Нуклеотиды - субъединицы ДНК и РНК

Строительными блоками (мономерами) для больших, а часто и огромных молекул нуклеиновых кислот служат нуклеотиды (рис. 6.9). Каждый нуклеотид, в свою очередь, состоит из трёх частей: азотистого основания, простого углевода и фосфатной группы (остатка фосфорной кислоты). В зависимости от углевода в составе нуклеотидов — рибозы или дезоксирибозы ~ различают два основных типа нуклеиновых кислот: соответственно РНК и ДНК.

6.9. Строение нуклеотида.

Функциональная группа нуклеотида - азотистое основание. Главная его функция — не просто химическая, а информационная. В состав каждого нуклеотида ДНК входит одно из четырёх оснований: Аденин, Гуанин, Цитозин или Тимин. Они играют такую же информационную роль, как в языке — буквы алфавита. В состав РНК входят те же три первых основания, а вместо тимина ^— Урацил.

Двойная спираль ДНК

Молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) (рис. 6.10) представляет собой двойной ряд нуклеотидов, “сшитых” в продольном и поперечном направлении. Каркасом её структуры служат углеводы, надёжно связанные фосфатными группами в две цепи. Между цепями лесенкой расположены азотистые основания, притянутые друг к другу слабыми водородными связями.

6.10. Строение молекулы ДНК.

Азотистые основания различаются числом возможных водородных связей и размером.

Поэтому друг против друга в этой “лесенке” могут разместиться только комплементарные (взаимно дополняющие) пары А=Т и Г=Ц. Последовательность оснований в одной из цепочек образует наследственный код, а другая цепочка предохраняет код от считывания.

В чём смысл кодирования? В том, чтобы в короткой записи зашифровать большое количество неповторимых сочетаний. Каждое из них может служить командой к какому-нибудь действию или выбору определённого предмета. Программисты знают, что самый простой способ кодирования - двоичный код. Его можно записывать двумя значками (например, О и 1), а передавать включением (1) и отключением (О) тока на очень короткий промежуток времени. Тогда один импульс может закодировать две команды (О или 1), то есть 1 бит информации. Последовательность из двух импульсов кодирует 2² = 4 команды (00, 01, 10 или 11), а 10 импульсов - более тысячи (0000000000, 0000000001 и т.д.), всего 2¹⁰ = 1024 команды, то есть 1 килобит информации. Мы пользуемся десятичной системой кодирования чисел с помощью 10 знаков - цифр. Она удобнее для записи: тысяча сочетаний (от 0 до 999) укладывается в трёхразрядное число. В компьютерном программировании используют ещё более компактный шестнадцатиричный код. Он кодирует двухразрядным числом все символы русской и латинской клавиатуры и другие специальные знаки.

В молекуле ДНК используется четверичное кодирование - с помощью четырёх азотистых оснований. Нетрудно подсчитать, что последовательность из пяти нуклеотидов способна закодировать 1 килобит информации. А молекула, состоящая всего из 27 нуклеотидов, позволяет закодировать столько различных сочетаний, сколько секунд прошло с момента возникновения жизни на Земле.

Американский биолог Джеймс Уотсон и английский физик Френсис Крик в середине XX в. впервые установили, что молекула ДНК имеет вид двойной спирали, а последовательность нуклеотидов в ней хранит наследственную информацию. Эта информация прямо или косвенно описывает все наследуемые признаки данного организма. Специальный фермент, разрывающий водородные связи, способен “расстёгивать” ДНК, как застёжку-молнию. Тогда информация, зашифрованная в ней, становится доступной для считывания.

Другие нуклеиновые кислоты

Молекулы РНК (рибонуклеиновой кислоты) очень похожи на ДНК, но состоят из одинарной цепочки нуклеотидов. Их каркас образует другой углевод — рибозу, а одно из азотистых оснований (тимин) замещено урацилом. Любая молекула РНК собирается на “расстёгнутом” участке ДНК путём подстановки комплементарных нуклеотидов. Таким образом информация с доступного участка ДНК считывается с помощью РНК и разносится в другие части клетки как рабочая инструкция. В клетке присутствуют различные типы РНК: информационная (иРНК), транспортная (тРНК), рибосомная (рРНК).

Нуклеиновая кислота аденозинтрифосфат (АТФ) состоит из одного-единственного нуклеотида и содержит две макроэргические (богатые энергией) связи между фосфатными группами. АТФ совершенно необходима в каждой клетке, так как играет роль биологического аккумулятора - переносчика энергии. Она нужна везде, где происходит запасание энергии или её освобождение и использование, то есть практически в любой биохимической реакции. Поскольку подобные реакции происходят в каждой клетке почти непрерывно, каждая молекула АТФ разряжается и вновь заряжается, например, в организме человека в среднем один раз в минуту.

6.11. Строение РНК.

6.12. Строение АТФ.

Аминокислоты - субъединицы белков

Все аминокислоты (как следует из названия) содержат две функциональные группы: кислотную и аминогруппу. С их помощью они соединяются между собой прочной пептидной связью в очень длинные цепи. Аминокислоты более разнообразны: всего их 20, каждая со своими особенностями. Одни способны притягивать, другие — отталкивать, третьи — присоединять аминокислоты и другие вещества. Однако белки всех живых организмов — от вирусов до человека — состоят из одних и тех же 20 аминокислот.

6.13. Строение аминокислоты.

Белки - основа разнообразия форм жизни

Соединяясь в различной последовательности, аминокислоты образуют бесконечное множество сочетаний, подобных сочетанию букв в словах. Но не любое сочетание букв образует слово. Так же и в белках аминокислоты связаны друг с другом в определённом порядке. Этот порядок, называемый первичной структурой белка, определяет места сцепления, скручивания, складывания молекулы, придающие ей окончательную форму (рис. 6.14). А форма молекулы белка определяет его функции.

6.14. Структуры белка: А - первичная; Б - вторичная; В - третичная; Г – четвертичная.

Сложная форма молекулы белка и расположение на ней активных участков нужны для того, чтобы вступать в химические реакции с другими молекулами строго определённой формы. Чтобы такая реакция состоялась, молекулы должны подходить друг другу, как ключ к замку.

Количество и важность функций, выполняемых белками, по праву обеспечивают им статус “главных” молекул в клетке. Они служат строительным материалом, ускоряют химические реакции (рис. 6.15), управляют их последовательностью. В конечном счёте они обусловливают всё разнообразие свойств живых организмов.

6.15. Ферментативное расщепление молекулы.

Надо заметить, что своей формой и способностью трансформироваться белковые молекулы во многом обязаны уже упомянутым водородным связям. Химические свойства макромолекул обусловлены свойствами активных центров на их поверхности. Они проявляются только в отношении молекул определённой формы. Остальная часть массы белковой молекулы химически нейтральна и предназначена для регуляции течения реакции.

Липиды - не только запас энергии

Основа всех липидов — длинная углеводородная цепь (или 2 — 3 таких цепи вместе) — отличается гидрофобными свойствами и не смачивается водой. Жиры в таком виде образуют капельку, не растворимую без специальных ферментов, и могут долго храниться в клетке как энергетический резерв: ведь в одном грамме жира вдвое больше энергии, чем в грамме белка или углевода.

6.16. Молекула липида.

Липиды, у которых к одному концу углеводородной цепи прикреплена гидрофильная группа (фосфат или сахар), меняют свои свойства. При соприкосновении с водой все молекулы поворачиваются к ней гидрофильным концом и образуют тонкую плёнку. Если такую плёнку погрузить под воду, она становится двухслойной: молекулы в ней обращены друг к другу гидрофобным полюсом, а к воде - гидрофильным. Это — почти готовая клеточная мембрана. Молекулы воды не отталкиваются от её поверхности, а смачивают — образуют временные водородные связи. Внутренний гидрофобный слой непроницаем для воды.

6.17. В воде молекулы липидов образуют двухслойную плёнку.

6.18. Липидный пузырёк.

Наиболее правдоподобная гипотеза о происхождении жизни исходит из предположения, что капельки белкового вещества, обёрнутые двойной плёнкой из липидов, могли стать первыми существами на Земле. Для этого им надо было обзавестись небольшим количеством нуклеиновых кислот, способных передавать информацию.

Обобщение новых знаний

Реакции обмена веществ проходят в водной среде, которая определяет ориентацию молекул. Важнейшие вещества клетки состоят из определённого набора простых органических соединений, собранных в полимерную макромолекулу со сложной многоуровневой структурой. Их окончательная форма определяется слабыми водородными связями. Химические взаимодействия в клетке проходят под контролем органических макромолекул, поддерживающих постоянство внутренней среды.

Углеводы, нуклеотиды, ДНК, РНК, белки, липиды

Применение знаний

1. Какую роль в жизни клетки играют водородные связи?

2. Какие основные функции выполняют простые и сложные углеводы?

3. Какие элементы строения ДНК и РНК позволяют им кодировать информацию?

4. Чем обеспечивается способность молекулы белка к самосборке из полипептидной цепи?

5. Почему липиды в воде самоорганизуются в плёнку из двойного слоя молекул?

6. Сравните структуру белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Найдите черты сходства и различия.

7. Докажите, что обе нити ДНК несут равноценную однозначную информацию.

8. Определите состав пищевых продуктов, которые вы потребляете (анализ этикеток).

Мои биологические исследования

Каталитическая активность ферментов в живых тканях

Приготовьте три пробирки и поместите в первую немного песка, во вторую - кусочек сырого картофеля, а в третью - варёного картофеля (можно также использовать кусочки сырого и варёного мяса). Капните в каждую пробирку немного 3%-ного раствора пероксида водорода. Понаблюдайте, что будет происходить в них.

В каких пробирках проявилась активность ферментов? Как проявилась активность в живых и мёртвых тканях?