Тексты лекций для студентов специальности 1 31 04 01- 02 «Физика ( научно-производственная деятельность)» icon

Тексты лекций для студентов специальности 1 31 04 01- 02 «Физика ( научно-производственная деятельность)»





Скачать 1.85 Mb.
Название Тексты лекций для студентов специальности 1 31 04 01- 02 «Физика ( научно-производственная деятельность)»
страница 5/10
Дата 07.04.2013
Размер 1.85 Mb.
Тип Документы
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10
^


Гидрофобные взаимодействия



Итак, нужно найти силы, ответственные за мицеллообразование. Как уже отмечалось, взаимодействие меду молекулами воды довольно сильное вследствие образования водородных связей. Введение неполярных молекул в воду оказывает сильное воздействие на сетку водородных связей, что приводит к уменьшению энергии взаимодействия. Энергетический проигрыш может быть минимизирован, если молекулы воды каким-то образом организуются вокруг молекулы растворенного вещества. Ценою этому будет проигрыш в энтропии. И свободная энергия переноса неполярной молекулы в воду при комнатной температуре будет определяться большим вкладом энтропии. При растворении неполярных молекул они будут стремиться минимизировать воздействие на сетку водородных связей за счет самоагрегирования. Рис. иллюстрирует силы притяжения между двумя атомами неона в воде. Притяжение возникает как результат эффектов сольватации. Сближение атомов неона вызывается растворителем. Притяжение между двумя атомами неона в газовой фазе характеризуется намного менее глубоким минимумом. На рис. показано, что замена одного из атомов неона на бесконечную гидрофобную стенку, как и следовало ожидать, приводит к еще большему притяжению в воде. Таким образом, можно сделать вывод о том, что гидрофобные взаимодействия обусловливают мицеллообразование.

Простой способ оценки энергии переноса молекулы углеводорода из неполярного окружения в воду задается уравнением





где R - радиус молекулы растворенного вещества. Подобное выражение можно использовать для оценки гидрофобного взаимодействия между двумя контактирующими молекулами неполярных растворенных веществ:



где r - радиус молекулы воды.

Критическая концентрация мицеллообразования алкилсульфатов с различной длиной алкильной цепи.

Моделирование гидрофобного эффекта методом Монте-Карло: а - свободная энергия гидратации для леннард-джонсовской частицы в воде. Параметр е принят постоянным и равным 0.62 кДж/моль; параметр у - варьируемая величина. Энтропийный и энергетический вклады показаны отдельно. б - Свободная энергия взаимодействия между двумя атомами неона в воде. Сплошная линия - то же для взаимодействия двух атомов неона в газовой фазе, в - Свободная энергия взаимодействия атома неона с гидрофобной стенкой в воде. Сплошная линия - взаимодействие двух атомов неона в воде. С разрешения American Institute of Physics

Полуколичественной мерой способности растворителя растворять неполярные соединения является так называемый параметр Гордона, равный , где г - поверхностное натяжение растворителя, V - его молярный объем. У воды параметр Гордона очень высокий, а у гексана - очень низкий.

Эти данные подтверждают, что природа гидрофобных взаимодействий заключается в высокой плотности энергии когезии воды. Следует также отметить, что вода - более хороший растворитель, чем предсказывает параметр Гордона. Это означает, что вода до некоторой степени способна компенсировать проигрыш когезионной энергии при растворении неполярного вещества. Кроме того, гидрофобные взаимодействия можно качественно объяснить на основе теории регулярных растворов.

Еще один тип взаимодействий, имеющий место в биополимерах – водородная связь – тип связи, промежуточной между ковалентной хими- ческой связью и невалентным межатомным взаимодействием. Она воз- никает с участием атома водорода, расположенного либо между молеку- лами, либо внутри молекулы. Энергия водородной связи 10÷30 кДж/моль (иногда и более) сравнима с энергией ван-дер-ваальсовых взаимодействий как правило не более 10 кДж/моль., в то время как энергии обычных химических связей от 150 до 900 кДж/моль и более. Т.е. ее следует отне- сти к числу слабых химических взаимодействий. Однако водородная связь играет весьма важную роль в стабилизации конденсированных со- стояний многих молекулярных систем, начиная с воды, и заканчивая биополимерами.

Лекция 3 Строение, функции и свойства клеток


3.1 Строение клетки

3.2 Функции и свойства клеток


3.1 Строение клетки


Как уже говорилось выше, клетка простейшая самостоятельная живая биосистема, являющаяся элементарной структурной, функциональной и генетической единицей биосистем более высокого иерархического уровня. В сложных организмах они специализированы, имеют различную форму и особенности строения и выполняют различные функции. Тем не менее, в любом организме клетки имеют, с учетом их подразделения на эукариот и прокариот, сходную структурно-функцио-нальную организацию (рисунок 3.1)




Рисунок 3.1  Примерное строение клеток и некоторых ее подсистем


Содержимое живой клетки – протоплазма – включает в себя цитоплазму и ядро, а также многие неклеточные образования. В протоплазме осуществляются все жизненные процессы. Цитоплазма состоит из гиалоплазмы, в которой содержатся органоиды и клеточные включения, и эндоплазматической сети. Все внутриклеточные структуры представляют собой замкнутые мембранные везикулы (пузырьки).

Протоплазма любой живой клетки окружена клеточной (цитоплазматической) мембраной (плазмалеммой) – тончайшей (около 6 нм) пленкой. У некоторых клеток наружная оболочка клетки помимо клеточной мембраны состоит еще из нескольких оболочек. Две (наружная и внутренняя) мембраны имеются у ядра. Все содержимое клетки, за исключением клеточной оболочки, называется протопласт. Плазмалемма и внутренние мемб­раны составляющих клетки служат барьерами, отделяющими одни внутриклеточные отсеки от других. Мембраны являются важнейшими преобразователями и аккумуляторами энергии в клетке.


Имея в виду структурно-функциональные свойства клетки, представим ее строение в виде таблицы 3.1:

Таблица 3.1 – Структурно-функциональные свойства клетки


Подсистема

Строение

^ Функции и свойства

Подсистемы цитоплазмы клетки

1 Клеточная и внутриклеточные

мембраны



Белково-липидные структуры молекулярной толщины на поверхности клетки или внутриклеточных частиц (митохондрий, ядра и др). Содержит мембранные поры, образованные белками-поринами. Образованные разными поринами поры обладают разной проницаемостью.



Изолируют клетку и ее подсистемы от окружающей среды, селективно проницаемы. Обеспечивают и регулируют метаболизм, в частности  водный баланс, концентрацию солей, сахаров, аминокислот и других продуктов обмена веществ; участвуют в эндоцитозе1; регулируют клетки и выводят из них конечные продукты жизнедеятельности. Способствуют соединению клеток в ткани.

Продолжение таблицы 3.1

Подсистема

Строение

Функции и свойства

2 Эндоплазмати-ческая сеть (ЭС)

или

Эндоплазматический ретикулум (Эндоплазматический ретикулярный аппарат)

Органоид-эукариот.

Совокупность сообща-ющихся вакуолей1, канальцев, цистерн (мембранных мешочков).

Различают гладкую ЭС (лишенную рибосом) и гранулярную ЭС (рибосомы покрывают мембранные мешочки).

Делит клетку на отдельные “секции”, в которых одновременно происходят различные биохимические и физиологические процессы. Обеспечивает транспорт веществ внутри клетки и между клетками; осуществляет синтез белка (гранулярная ЭС); выполняет регуляторные функции. В каналах ЭС образуются сложные белковые структуры, синтезируются жиры, транспортируется АТФ.

3 Митохондрия

(Хондриосома)

Органоид цитоплазмы в виде нитевидных или гранулярных образований, имеет двухмембранное строение. В матриксе митохондрии (полужидком веществе) находятся ферменты, рибосомы, ДНК, РНК2.

Дыхательный центр и производитель энергии (при окислительной диссимиляции в матриксе происходит ферментативное расщепление органических веществ). Осуществляет в синтез АТФ, который ведется на кристаллах выростах на внешней мембране митохондрии.

4 Рибосома

Органоид грибовидной или формы, не имеющий мембранной оболочки и состоящие из рРНК и белков. Их структура представлена двумя элементами  субъединицами, образующимися в ядрышке.



Принимает участие в синтезе белков по принципу матричного синтеза: находящиеся в цитоплазме свободные рибосомы объединяются вдоль молекулы иРНК в полипептидные цепочки, представляющие первичные структуры молекулы белка.

Продолжение таблицы 3.1

Подсистема

Строение

Функции и свойства

5 Аппарат Гольджи (комплекс Гольджи; Внутриклеточный сетчатый аппарат)

Органоид клетки, образованный цитоплазматическими мембранами, лишенными рибосом, и состоящий из пачек плоских цистерн, по краям которых ответвляются трубочки и

отделяются пузырьки.

Участвует в синтезе гликопротеинов, формирует лизосомы и некоторые продукты жизнедеятельности клетки: различные секреты, коллаген, гликоген, липиды и др. Играет роль хранилища. Продукты метаболизма, поступившие и выводимые из клетки вещества накапливаются в цистернах. Упакованные впузырьки материалы для синтеза и про дукты распада поступают в цитоплазму: одни используются, другие выводятся наружу. В растительной клетке участвует в построении клеточной стенки. Характеризуется высокой подвижностью и изменчивостью.

6 Клеточный
центр

(Центросома)


Органоид немембранного строения – участок цитоплазмы, включающий две перпендикулярно расположенные центриоли, имеющий постоянную структуру из девяти микроскопических палочковидных образований.

Принимает участие в делении клеток. В профазе (начальной стадии деления) центриоли расходятся к разным полюсам клетки. От центриолей к центромерам хромосом отходят нити веретена деления. В анафазе эти нити притягивают хроматиды к полюсам. После окончания деления центриоли остаются в дочерних клетках, удваиваются и образуют клеточный центр.

7 Лизосома

Одномембранный органоид округлой формы – мембранный пузырек с расщепляющими ферментами.

Обеспечивеют внутриклеточное пищеварение, разрушение (автолиз) ненужных клеточных структур, выделение ферментов из клетки наружу, защитные функции.

8 Пероксисома

Одномембранный орга-ноид овальной формы, содержащий гранулярный матрикс, в котором наблюдаются кристаллоподобные структуры, состоящие из фибрилл1 и трубок (сердцевина).

Принимают участие в окислительном метаболизме. Содержат один из самых быстродействующих ферментов – каталазу, разлагающую токсичные продукты окислительных процессов (в частности пероксид водорода на воду и кислород, отсюда название), протекающих в клетке.





Продолжение таблицы 3.1

Подсистема

Строение

Функции и свойства

9 Пластиды


__________


Лейкопласт


__________


Хромопласт


__________


Хлоропласт

Органоиды клеток растений, имеющие гладкую наружную мембра мембрану и внутреннюю мембрану, образующую выросты.

Подразделяются на:

лейкопласты, хромопласты и хлоропласты.


Бесцветная, сферическая пластида, встречается в клетках эпидермиса, клубнях, корневищах и других частях растений.


Чечевицеобразная желтая или зеленая пластида. Внутренняя мембрана образует систему двухслойных пластин  тилакоидов стромы и тилакоидов гран2. В мембранах тилакоидов гран находятся пигменты (хлорофилл и каротиноиды), в строме  рибосомы, ДНК и РНК.


Красная, оранжевая или желтая пластида, содержащая каротиноиды1.



Содержит ферменты, с помощью которых из глюкозы, образованной в процессе фотосинтеза, Ферментативный синтез синтезируется крахмала из глюкозы. На свету меняет структуру и превращается в хлоропласт.


Синтез собственных белков и фотосинтез, при наличии хлорофилла, углеводов и свободного кислорода из неорганических веществ (СО2 и Н2О). Окраска клеток. Превращается в хлоропласт.


Фотосинтез и окраска клетки. Наличие собственного генетического аппарата и белоксинтезирующей системы обеспечивают хлоропластам относительную автономию.



Продолжение таблицы 3.1

Подсистемы клеточного ядра системы генетической детерминации и регуляции белкового синтеза

Подсистема

Строение

Функции и свойства

10 Ядерная

оболочка

Состоит из внешней и внутренней мембран, разделенных цистерной ядерной оболочки (перинуклеарным пространством); содержит ядерные поры. Внешняя мембрана, контактирующая с цитоплазмой, имеет ряд особенностей, что позволяет отнести ее к мембранной подсистеме эндоплазматической сети: на ней со стороны гиалоплазмы расположены полирибосомы. Внешняя мембрана может прямо переходить в мембраны эндоплазматической сети. Внутренняя мембрана связана с хромосомным материалом ядра. Поры образуются за счет слияния ядерных мембран, заполнены глобулярными и фибриллярными структурами. Совокупность этих структур и мембранных перфораций называется комплексом поры.

Отделяет ядро от цитоплазмы, регулирует транспорт веществ из ядра в цитоплазму (РНК, субъединицы рибосом) и из цитоплазмы в ядро (белки, жиры, углеводы, АТФ, вода, ионы)

11 Хроматин


Ядерный геном клеток. В спокойном состоянии (интерфазе) клетки  нитевидная мелкозернистая структура из ДНК и белковой облочки, включающая РНК, липиды и микроэлементы. При де-лении клетки спирализуются и образуют хромосомы. Хромосома со состоит из двух хроматид2 и после деления ядра становится однохроматидной. К началу следующего деления к хромосоме достраивается другая хроматида. Хромосомы имеют первичную перетяжку, на которой расположена центромера; перетяжка делит хромосому на два плеча одинаковой или разной длины. У ядрышковых хромосом есть вторичная перетяжка.


Синтез ДНК и РНК. Хранение и поддержание наследственной информации в виде неизменной структуры ДНК, ликвидация спонтанных повреждений ДНК; участие в транскрипции и редупликация молекул ДНК, в распределении и переносе генетического материала в дочерние клетки.

Окончание таблицы 3.1

Подсистема

Строение

Функции и свойства

12 Ядрышко

Шаровидное тело, самая плотная компонента ядра неоднородной (гранулярной в центре и фибриллярной на периферии) волокнистой структуры. Не является самостоятельной структурой или органоидом. Состоит из белка и РНК. Образуется на вторичной перетяжке ядрышковой хромосомы. При делении клеток распадается.

Формирование половинок рибосом из рРНК, на которых происходит синтез полипептидных цепей в цитоплазме, и белка.

^ 13 Кариоплазма

(Кариолимфа,
Ядерный сок)

Однородное полужидкое вещество в пространстве между структурами клеточного ядра, во время деления клеток смешивается с цитоплазмой. Представляет собой коллоидный раствор белков, нуклеиновых кислот, углеводов и минеральных солей.

Транспорт веществ и ядерных структур.

Подсистемы движения клетки

14 Цитоплазма

Органоиды и клеточные включения, эндоплазматическая сеть.

Перемещение органоидов относительно источников тепла, света, химического возбуждения и т.д. Реализуют струйное и круговое движение.

15 Реснички

Множественные цитоплазматические выросты на поверхности мембраны. Внутренняя часть (аксонема)  сложная структура, состоящая в основном из микротрубочек. Внешняя часть (базальное тело) по структуре сходна с центриолью и погружена в цитоплазму.



Передвижение (одноклеточные организмы).

У многоклеточных  удаление пыли (реснитчатый эпителий верхних дыхательных путей).


16 Жгутики

Единичные цитоплазматические выросты на поверхности клетки. Структура подобна структуре ресничек.

Передвижение (сперматозоиды, зооспоры, одноклеточные организмы)

17 Ложноножки (Псевдоподии)

Амебовидные выступы цитоплазмы. Образуются у животных.

Передвижение, захвата пищи.

18 Миофибриллы


Тонкие нити длиной до одного см и более, состоящие из цепочек молекул целлюлозы, упорядочено расположенных в мицеллах.

Сокращение мышечных волокон, вдоль которых они расположены


^ 3.2 Функции клетки и свойства клеток


Клетка обладает различными функциями: деление клетки, обмен веществ и раздражимость.


Деление клетки.


Деление – это вид размножения клеток. Во время деления клетки хорошо заметны хромосомы. Набор хромосом в клетках тела, характерный для данного вида растений и животных, называется кариотипом.

В любом многоклеточном организме существует два вида клеток – соматические (клетки тела) и половые клетки или гаметы. В половых клетках число хромосом в два раза меньше, чем в соматических. В соматических клетках все хромосомы представлены парами – такой набор называется диплоидным и обозначается 2n. Парные хромосомы (одинаковые по величине, форме, строению) называются гомологичными.

В половых клетках каждая из хромосом в одинарном числе. Такой набор называется гаплоидным и обозначается n.

Наиболее распространённым способом деления соматических клеток является митоз. Во время митоза клетка проходит ряд последовательных стадий или фаз, в результате которых каждая дочерняя клетка получает такой же набор хромосом, какой был у материнской клетки.

Во время подготовки клетки к делению – в период интерфазы (период между двумя актами деления) число хромосом удваивается. Вдоль каждой исходной хромосомы из имеющихся в клетке химических соединений синтезируется её точная копия. Удвоенная хромосома состоит из двух половинок – хроматид. Каждая из хроматид содержит одну молекулу ДНК. В период интерфазы в клетке происходит процесс биосинтеза белка, удваиваются также все важнейшие структуры клетки. Продолжительность интерфазы в среднем 10-20 часов. Затем наступает процесс деления клетки – митоз.

Во время митоза клетка проходит следующие четыре фазы: профаза, метафаза, анафаза и телофаза.

В профазе хорошо видны центриоли – органоиды, играющие определённую роль в делении дочерних хромосом. Центриоли делятся и расходятся к разным полюсам. От них протягиваются нити, образующие веретено деления, которое регулирует расхождение хромосом к полюсам делящейся клетки. В конце профазы ядерная оболочка распадается, исчезает ядрышко, хромосомы спирализуются и укорачиваются.

Метафаза характеризуется наличием хорошо видимых хромосом, располагающихся в экваториальной плоскости клетки. Каждая хромосома состоит из двух хроматид и имеет перетяжку – центромеру, к которой прикрепляются нити веретена деления. После деления центромеры каждая хроматида становится самостоятельной дочерней хромосомой.

В анафазе дочерние хромосомы расходятся к разным полюсам клетки.

В последней стадии – телофазе – хромосомы вновь раскручиваются и приобретают вид длинных тонких нитей. Вокруг них возникает ядерная оболочка, в ядре формируется ядрышко.

В процессе деления цитоплазмы все её органоиды равномерно распределяются между дочерними клетками. Весь процесс митоза продолжается обычно 1-2 часа.

В результате митоза все дочерние клетки содержат одинаковый набор хромосом и одни и те же гены. Следовательно, митоз – это способ деления клетки, заключающийся в точном распределении генетического материала между дочерними клетками, обе дочерние клетки получают диплоидный набор хромосом.

Биологическое значение митоза огромно. Функционирование органов и тканей многоклеточного организма было бы невозможно без сохранения одинакового генетического материала в бесчисленных клеточных поколениях. Митоз обеспечивает такие важные процессы жизнедеятельности, как эмбриональное развитие, рост, поддержание структурной целостности тканей при постоянной утрате клеток в процессе их функционирования (замещение погибших эритроцитов, эпителия кишечника и пр.), восстановление органов и тканей после повреждения.


^ Обмен веществ.


Основная функция клетки – обмен веществ. Из межклеточного вещества в клетки постоянно поступают питательные вещества и кислород и выделяются продукты распада. Так, клетки человека поглощают кислород, воду, глюкозу, аминокислоты, минеральные соли, витамины, а выводят углекислый газ, воду, мочевину, мочевую кислоту и т.д.

Набор веществ, свойственный клеткам человека, присущ и многим другим клеткам живых организмов: всем животным клеткам, некоторым микроорганизмам. У клеток зелёных растений характер веществ существенно иной: пищевые вещества у них составляют углекислый газ и вода, а выделяется кислород. У некоторых бактерий, обитающих на корнях бобовых растений (вика, горох, клевер, соя), пищевым веществом служит азот атмосферы, а выводятся соли азотной кислоты. У микроорганизма, селящегося в выгребных ямах и на болотах, пищевым веществом служит сероводород, а выделяется сера, покрывая поверхность воды и почвы жёлтым налётом серы.

Таким образом, у клеток разных организмов характер пищевых и выделяемых веществ различается, но общий закон действителен для всех: пока клетка жива, происходит непрерывное движение веществ – из внешней среды в клетку и из клетки во внешнюю среду.

Обмен веществ выполняет две функции. Первая функция – обеспечение клетки строительным материалом. Из веществ, поступающих в клетку, - аминокислот, глюкозы, органических кислот, нуклеотидов – в клетке непрерывно происходит биосинтез белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот. Биосинтез – это образование белков, жиров, углеводов и их соединений из более простых веществ. В процессе биосинтеза образуются вещества, свойственные определённым клеткам организма. Например, в клетках мышц синтезируются белки, обеспечивающие их сокращение. Из белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот формируется тело клетки, её мембраны, органоиды. Реакции биосинтеза особенно активно идут в молодых, растущих клетках. Однако биосинтез веществ постоянно происходит в клетках, закончивших рост и развитие, так как химический состав клетки в течение её жизни многократно обновляется. Обнаружено, что «продолжительность жизни» молекул белков клетки колеблется от 2-3 часов до нескольких дней. После этого срока они разрушаются и заменяются вновь синтезированными. Таким образом, клетка сохраняет функции и химический состав.

Совокупность реакций, способствующих построению клетки и обновлению её состава, носит название пластического обмена (греч. «пластикос» - лепной, скульптурный).

Вторая функция обмена веществ – обеспечение клетки энергией. Любое проявление жизнедеятельности (движение, биосинтез веществ, генерация тепла и др.) нуждаются в затрате энергии. Для энергообеспечения клетки используется энергия химических реакций, которая освобождается в результате расщепления поступающих веществ. Эта энергия преобразуется в другие виды энергии. Совокупность реакций, обеспечивающих клетки энергией, называют энергетическим обменом.

Пластический и энергетический обмены неразрывно связаны между собой. С одной стороны, все реакции пластического обмена нуждаются в затрате энергии. С другой стороны, для осуществления реакции энергетического обмена необходим постоянный синтез ферментов, так как «продолжительность жизни» молекул ферментов невелика.

Через пластический и энергетический обмены осуществляется связь клетки с внешней средой. Эти процессы являются основным условием поддержания жизни клетки, источником её роста, развития и функционирования.

Живая клетка представляет собой открытую систему, поскольку между клеткой и окружающей средой постоянно происходит обмен веществ и энергии.


Раздражимость.


Живые клетки способны реагировать на физические и химические изменения окружающей их среды. Это свойство клеток называется раздражимостью или возбудимостью. При этом из состояния покоя клетка переходит в рабочее состояние – возбуждение. При возбуждении в клетках меняется скорость биосинтеза и распада веществ, потребление кислорода, температура. В возбуждённом состоянии разные клетки выполняют свойственные им функции. Железистые клетки образуют и выделяют вещества, мышечные клетки сокращаются, в нервных клетках возникает слабый электрический сигнал – нервный импульс, который может распространяться по клеточным мембранам.


^ Роль органических соединений в осуществлении функций клетки.

Главная роль в осуществлении функций клетки принадлежит органическим соединениям. Среди них наибольшее значение имеют белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты.

Белки представляют собой большие молекулы, состоящие из сотен и тысяч элементарных звеньев – аминокислот. Всего в живой клетке известно 20 видов аминокислот. Название аминокислоты получили из-за содержания в своём составе аминной группы NH2.

Белки в обмене веществ занимают особое место. Ф. Энгельс так оценил эту роль белков: «Жизнь – это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причём с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка». И на самом деле, везде, где есть жизнь, находят белки.

Белки входят в состав цитоплазмы, гемоглобина, плазмы крови, многих гормонов, иммунных тел, поддерживают постоянство водно-солевой среды организма. Без белков нет роста. Ферменты, обязательно участвующие во всех этапах обмена веществ, имеют белковую природу.

Углеводы поступают в организм в виде крахмала. Расщепившись в пищеварительном тракте до глюкозы, углеводы всасываются в кровь и усваиваются клетками.

Углеводы – главный источник энергии, особенно при усиленной мышечной работе. Больше половины энергии организм взрослых людей получает за счёт углеводов. Конечные продукты обмена углеводов – углекислый газ и вода.

В крови количество глюкозы поддерживается на относительно постоянном уровне (около 0,11%). Уменьшение содержания глюкозы вызывает понижение температуры тела, расстройство деятельности нервной системы, утомление. Повышение количества глюкозы вызывает её отложение в печени в виде запасного животного крахмала – гликогена. Значение глюкозы для организма не исчерпывается её ролью как источника энергии. Глюкоза входит в состав цитоплазмы и, следовательно, необходима при образовании новых клеток, особенно в период роста.

Углеводы имеют важное значение и в обмене веществ центральной нервной системы. При резком снижении количества сахара в крови отмечаются расстройства деятельности нервной системы. Наступают судороги, бред, потеря сознания, изменение деятельности сердца.

Поступивший с пищей жир в пищеварительном тракте расщепляется на глицерин и жирные кислоты, которые всасываются в основном в лимфу и лишь частично в кровь.

Жир используется организмом как богатый источник энергии. При распаде одного грамма жира в организме освобождается энергии в два раза больше, чем при распаде такого же количества белков и углеводов. Жиры входят и в состав клеток (цитоплазма, ядро, клеточные мембраны), где их количество устойчиво и постоянно.

Скопления жира могут выполнять и другие функции. Например, подкожный жир препятствует усиленной отдаче тепла, околопочечный жир предохраняет почку от ушибов и т.д.

Недостаток жиров в пище нарушает деятельность центральной нервной системы и органов размножения, снижает выносливость к различным заболеваниям.

С жирами в организм поступают растворимые в них витамины (витамины A, D, E и др.), имеющие для человека жизненно важное значение.

Нуклеиновые кислоты образуются в клеточном ядре. Отсюда и произошло название (лат. «нуклеус» - ядро). Входя в состав хромосом, нуклеиновые кислоты участвуют в хранении и передаче наследственных свойств клетки. Нуклеиновые кислоты обеспечивают образование белков.

Лекция 4 Структура, свойства и функции белков. Физика ферментов


4.1 Белки и их виды

4.2 Классификация белков

4.3 Функции белков

4.4 Ферменты как биологические катализаторы


^ 4.1 Белки и их виды


Во всех растениях и животных присутствует некое вещество, которое без сомнения является наиболее важным из всех известных веществ живой природы и без которого жизнь была бы на нашей планете невозможна. Это вещество я наименовал - протеин". Так писал еще в 1838 году голландский биохимик Жерар Мюльдер, который впервые открыл существование в природе белковых тел и сформулировал свою теорию протеина. Слово "протеин" (белок) происходит от греческого слова "протейос", что означает "занимающий первое место". И в самом деле, все живое на земле содержит белки. Они составляют около 50% сухого веса тела всех организмов. У вирусов содержание белков колеблется в пределах от 45 до 95%.

Белки являются одними из четырех основных органических веществ живой материи (белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры), но по своему значению и биологическим функциям они занимают в ней особое место. Около 30% всех белков человеческого тела находится в мышцах, около 20% - в костях и сухожилиях и около 10% - в коже. Но наиболее важными белками всех организмов являются ферменты, которые, холя и присутствуют в их теле и в каждой клетке тела в малом количестве, тем не менее управляют рядом существенно важных для жизни химических реакций. Все процессы, происходящие в организме: переваривание пищи, окислительные реакции, активность желез внутренней секреции, мышечная деятельность и работа мозга регулируется ферментами. Разнообразие ферментов в теле организмов огромно. Даже в маленькой бактерии их насчитываются многие сотни.

Белки, или, как их иначе называют, протеины, имеют очень сложное строение и являются наиболее сложными из питательных веществ. Белки - обязательная составная часть всех живых клеток. В состав белков входят: углерод, водород, кислород, азот, сера и иногда фосфор. Наиболее характерно для белка наличие в его молекуле азота. Другие питательные вещества азота не содержат. Поэтому белок называют азотосодержащим веществом.

Основные азотосодержащие вещества, из которых состоят белки, - это аминокислоты. Количество аминокислот невелико - их известно только 28. Все громадное разнообразие содержащихся в природе белков представляет собой различное сочетание известных аминокислот. От их сочетания зависят свойства и качества белков.

Белки играют исключительно важную роль в живой природе. Жизнь немыслима без различных по строению и функциям белков. Белки - это биополимеры сложного строения, мак­ромолекулы (протеины) которых, состоят из остатков аминокислот, соединен­ных между собой амидной (пептидной) связью. Кроме длинных полимерных цепей, построенных из остатков аминокислот (полипептидных цепей), в макромолекулу белка могут входить также остат­ки или молекулы других органических соединений. На одном кольце каждой пептидной цепи имеется свободная или ацилированная аминогруппа, на другом - свободная или амидированная карбоксильная группа.

Конец цепи с аминогруппой называется М-концом, конец цепи с карбоксильной группой — С-концом пептидной цепи. Между СО-груп­пой одной пептидной группировки и NH-группой другой пептидной группировки могут легко образовываться водородные связи.

Группы, входящие в состав радикала R аминокислот, могут вступать во вза­имодействие друг с другом, с посторонними веществами и с сосед­ними белковыми и иными молекулами, образуя сложные и разнооб­разные структуры.

В макромолекулу белка вхо­дит одна или несколько пептид­ных цепей, связанных друг с другом поперечными химически­ми связями, чаще всего через се­ру (дисульфидные мостики, обра­зуемые остатками цистеина). Химическую структуру пептидных цепей принято назы­вать первичной структу­рой белка или секвенцией.

Для построения простран­ственной структуры бел­ка пептидные цепи должны при­нять определенную, свойственную данному белку конфигурацию, ко­торая закрепляется водородными связями, возникающими между пептидными группировками от­дельных участков молекулярной цепи. По мере образования водо­родных связей пептидные цепи закручиваются в спирали, стремясь к образованию максималь­ного числа водородных связей и соответственно к энергетически наиболее выгодной конфигурации.

Впервые та­кая структура на основе рентгеноструктурного анализа была обнаружена при изучении главного белка волос и шер­сти—кератина Полингом американским физиком и химиком... Ее наз­вали а-структурой или а-спиралью. На один виток спирали приходится по 3,6—3,7 остатков аминокислот. Рас­стояние между витками около 0,54 миллиардной доле метра. Строение спирали стабилизируется внут­римолекулярными водородными связями.

При растяжении спираль мак­ромолекулы белка превращается в дру­гую структуру, напоминающую линей­ную.

Но образованию правильной спирали часто мешают силы отталкива­ния или притяжения, возникающие между группами аминокислот, или стерические препятствия, например, за счет образования пирролидиновых колец пролина и оксипролина, которые заставляют пептидную цепь резко изгибаться и препятствуют образованию спирали на некоторых ее участках. Далее отдельные участки макромолекулы белка ориентируются в пространстве, принимая в некоторых случаях достаточно вытянутую форму, а иногда сильноизогнутую, свернутую пространственную структуру.

Пространственная структура закреплена вследствие взаимодействия радикалов R и аминокислот с образованием дисульфидных мостиков, водородных связей, ионных пар или других химических либо физических связей. Именно пространственная структура белка определяет хими­ческие и биологические свойства белков.

В зависимости от пространственной структуры все белки делятся на два больших класса: фибриллярные (они используются природой как структурный материал) и глобулярные (ферменты, антитела, некоторые гормоны и др.).

Полипептидные цепи фибриллярных белков имеют форму спи­рали, которая закреплена расположенными вдоль цепи внутримоле­кулярными водородными связями. В волокнах фибриллярных белков закрученные пептидные цепи расположены параллельно оси волокна, они как бы ориентированы относительно друг друга, располагаются рядом, образуя нитевидные структу­ры и имеют высокую степень асимметрии. Фибриллярные белки плохо растворимы или совсем нерастворимы в воде. При растворении в воде они образуют растворы высокой вязкости. К фибриллярным белкам относятся белки, входящие в состав тканей и покровных образований. Это мио­зин—белок мышечных тканей; коллаген, являющийся основой седиментационных тканей и кожных покровов; кератин, входящий в со­став волос, роговых покровов, шерсти и перьев. К этому же классу белков относится белок натурального шелка - фиброин, вязкая сиропообразная жидкость, за­твердевающая на воздухе в прочную нерастворимую нить. Этот белок имеет вытянутые по­липептидные цепи, соединенные друг с другом межмолекулярными водородными связями, что и определяет, по-видимому, высокую механическую прочность натурального шелка.

Пептидные цепи глобулярных белков сильно изогнуты, свернуты и часто имеют форму жестких шариков—глобул. Молекулы глобу­лярных белков обладают низкой степенью асимметрии, они хорошо растворимы в воде, причем вязкость их растворов невелика. Это прежде всего белки крови—гемоглобин, альбумин, глобулин и др.

Следует отметить условность деления белков на фибриллярные и глобулярные, так как существует большое число белков с проме­жуточной структурой.

Свойства белка могут сильно изменяться при за­мене одной аминокислоты другой. Это объясняется изменением кон­фигураций пептидных цепей и условий образования пространствен­ной структуры белка, которая в конечном счете определяет его функ­ции в организме.

Число аминокислотных остатков, входящих в молекулы отдельных белков, весьма различно: в инсулине 51, в миоглобине - около 140. Поэтому и относительная молекулярная масса белков колеблется в очень широких пределах - от 10 тысяч до многих миллионов На основе определения относительной молекулярной массы и элементарного анализа установлена эмпирическая формула белковой молекулы - гемоглобина крови (C738H1166O208S2Fe)4 Меньшая молекулярная масса может быть у простейших ферментов и некоторых гормонов белковой природы. Например, молекулярная масса гормона инсулина около 6500, а белка вируса гриппа — 320 000 000. Вещества белковой природы (состоящие из остатков аминокислот, соединенных между собой пептидной связью), имею­щие относительно меньшую молекулярную массу и меньшую сте­пень пространственной организации макромолекулы, называются полипептидами. Провести резкую границу между белками и полипептидами трудно. В большинстве случаев белки отличаются от других природных полимеров (каучука, крахмала, целлюлозы), тем, что чистый инди­видуальный белок содержит только молекулы одинакового строения и массы. Исключением является, например, желатина, в составе которой входят макромолекулы с молекулярной массой 12 000— 70000.

Строением белков объясняются их весьма разнообразные свой­ства. Они имеют разную растворимость: некоторые растворяются в воде, другие — в разбавленных растворах нейтральных солей, а некоторые совсем не обладают свойством растворимости (например, белки покровных тканей). При растворении белков в воде образуется своеобразная молекулярно-дисперсная система (раствор высокомолекулярного вещества). Некоторые белки могут быть вы­делены в виде кристаллов (белок куриного яйца, гемоглобина крови).

Белки играют важней­шую роль в жизнедеятельности всех организмов. При пищеварении белковые молекулы перевариваются до аминокислот, которые, будучи хорошо растворимы в водной среде, проникают в кровь и поступают во все ткани и клетки организма. Здесь наи­большая часть аминокислот расходуется на синтез белков различ­ных органов и тканей, часть—на синтез гормонов, ферментов и других биологически важных веществ, а остальные служат как энергетический материал. Т.е. белки выполняют каталитические (фермен­ты), регуляторные (гормоны), транспорт­ные (гемоглобин, церулоплазмин и др.), защитные (антитела, тромбин и др.) функции

Белки — важнейшие компоненты пищи человека и корма животных. Совокупность непрерывно протекающих химищеский превращений белков зани­мает ведущее место в обмене веществ орга­низмов. Скорость обновления белков у живых организмов зависит от содержания белков в пище, а также его биологической ценности, которая определяется наличием и соотношением незаменимых аминокислот

Белки растений беднее белков животного происхождения по содержа­нию незаменимых аминокислот, особен­но лизина, метионина, триптофана. Белки сои и картофеля по аминокислотному со­ставу наиболее близки белкам животных. Отсутствие в корме незаменимых аминокислот при­ходит к тяжёлым нарушениям азотистого обмена. Поэтому селекция зерновых культур направлена, в частности, и на повышение качества белкового состава зерна.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:

Похожие:

Тексты лекций для студентов специальности 1 31 04 01- 02 «Физика ( научно-производственная деятельность)» icon Тексты лекций по разделу «химия элементов» для студентов 1 курса специальности 1 31 01 01 «Биология

Тексты лекций для студентов специальности 1 31 04 01- 02 «Физика ( научно-производственная деятельность)» icon Учебная программа для специальности: 1-31 01 01 Биология (по направлениям) направлений 1-31 01 01-01

Тексты лекций для студентов специальности 1 31 04 01- 02 «Физика ( научно-производственная деятельность)» icon Примерная программа дисциплины физика и математика для студентов, обучающихся по: специальности Стоматология

Тексты лекций для студентов специальности 1 31 04 01- 02 «Физика ( научно-производственная деятельность)» icon Рекомендации для врачей Центральный Научно-исследовательский институт Гастроэнтерологии ООО «НАучно-производственная

Тексты лекций для студентов специальности 1 31 04 01- 02 «Физика ( научно-производственная деятельность)» icon Научно-образовательный комплекс по кредитной технологии обучения опорные конспекты лекций по дисциплине

Тексты лекций для студентов специальности 1 31 04 01- 02 «Физика ( научно-производственная деятельность)» icon Учебно-методический комплекс для студентов специальности 071401. 65 «Социально-культурная деятельность»

Тексты лекций для студентов специальности 1 31 04 01- 02 «Физика ( научно-производственная деятельность)» icon Производственная практика для студентов II, III, IV, Vкурсов

Тексты лекций для студентов специальности 1 31 04 01- 02 «Физика ( научно-производственная деятельность)» icon Инструкция №002/2005 по применению средства дезинфицирующего «форимикс» для целей дезинфекции и предстерилизационной

Тексты лекций для студентов специальности 1 31 04 01- 02 «Физика ( научно-производственная деятельность)» icon Инструкция №005/2005 по применению средства «форицид-форте» для дезинфекции и стерилизации изделий

Тексты лекций для студентов специальности 1 31 04 01- 02 «Физика ( научно-производственная деятельность)» icon Вопросы к зачёту по дисциплине «Медицинская и социальная деонтология» для студентов 6 курса специальности

Разместите кнопку на своём сайте:
Медицина


База данных защищена авторским правом ©MedZnate 2000-2016
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
Документы