Углеводы нерастворимые в воде. Растворимые углеводы и сырая клетчатка в кормах. Виды простых и сложных углеводов и их источники
служат основным источником энергии. Примерно 60% энергии организм получает за счет углеводов, остальную часть - за счет белков и жиров. Углеводы содержатся преимущественно в продуктах растительного происхождения.
В зависимости от сложности строения, растворимости, быстроты усвоения углеводы пищевых продуктов делятся на:
простые углеводы - моносахариды (глюкоза, фруктоза, галактоза), дисахариды (сахароза, лактоза);
сложные углеводы - полисахариды (крахмал, гликоген, пектиновые вещества, клетчатка).
Простые углеводы легко растворяются в воде и быстро усваиваются. Они обладают выраженным сладким вкусом и относятся к сахарам.
Простые углеводы. Моносахариды.
Моносахариды - самый быстрый и качественный источник энергии для процессов, происходящих в клетке.
Глюкоза - наиболее распространенный моносахарид. Она содержится во многих плодах и ягодах, а также образуется в организме в результате расщепления дисахаридов и крахмала пищи. Глюкоза наиболее быстро и легко используется в организме для образования гликогена, для питания тканей мозга, работающих мышц (в том числе и сердечной мышцы), для поддержания необходимого уровня сахара в крови и создания запасов гликогена печени. Во всех случаях при большом физическом напряжении глюкоза может использоваться как источник энергии.
Фруктоза обладает теми же свойствами, что и глюкоза, и может рассматриваться как ценный, легкоусвояемый сахар. Однако она медленнее усваивается в кишечнике и, поступая в кровь, быстро покидает кровяное русло. Фруктоза в значительном количестве (до 70 - 80%) задерживается в печени и не вызывает перенасыщение крови сахаром. В печени фруктоза более легко превращается в гликоген по сравнению с глюкозой. Фруктоза усваивается лучше сахарозы и отличается большей сладостью. Высокая сладость фруктозы позволяет использовать меньшие ее количества для достижения необходимого уровня сладости продуктов и таким образом снизить общее потребление сахаров, что имеет значение при построении пищевых рационов ограниченной калорийности. Основными источниками фруктозы являются фрукты, ягоды, сладкие овощи.
Основными пищевыми источниками глюкозы и фруктозы служит мед: содержание глюкозы достигает 36.2%, фруктозы - 37.1%. В арбузах весь сахар представлен фруктозой, количество которой составляет 8%. В семечковых преобладает фруктоза, а в косточковых (абрикосы, персики, сливы) - глюкоза.
Галактоза является продуктом расщепления основного углевода молока - лактозы. Галактоза в свободном виде в пищевых продуктах не встречается.
Простые углеводы. Дисахариды.
Из дисахаридов в питании человека основное значение имеет сахароза, которая при гидролизе распадается на глюкозу и фруктозу.
Сахароза. Важнейший пищевой источник ее тростниковый и свекловичный сахар. Содержание сахарозы в сахаре-песке составляет 99.75%. Натуральными источниками сахарозы являются бахчевые, некоторые овощи и фрукты. Попадая в организм, она легко разлагается на моносахариды. Но это возможно, если мы потребляем сырой свекольный или тростниковый сок. Обыкновенный сахар имеет на много более сложный процесс усвоения.
Это важно! Избыток сахарозы оказывает влияние на жировой обмен, усиливая жирообразование. Установлено, что при избыточном поступлении сахара усиливается превращение в жир всех пищевых веществ (крахмала, жира, пищи, частично и белка). Таким образом, количество поступающего сахара может служить в известной степени фактором, регулирующим жировой обмен. Обильное потребление сахара приводит к нарушению обмена холестерина и повышению его уровня в сыворотке крови. Избыток сахара отрицательно сказывается на функции кишечной микрофлоры. При этом повышается удельный вес гнилостных микроорганизмов, усиливается интенсивность гнилостных процессов в кишечнике, развивается метеоризм. Установлено, что в наименьшей степени эти недостатки проявляются при потреблении фруктозы.
Лактоза (молочный сахар) - основной углевод молока и молочных продуктов. Ее роль весьма значительна в раннем детском возрасте, когда молоко служит основным продуктом питания. При отсутствии или уменьшении фермента лактозы, расщепляющей лактозу до глюкозы и галактозы, в желудочно-кишечном тракте наступает непереносимость молока.
Сложные углеводы. Полисахариды.
Сложные углеводы, или полисахариды, характеризуются усложненным строением молекулы и плохой растворимостью в воде. К сложным углеводам относятся крахмал, гликоген, пектиновые вещества и клетчатка.
Мальтоза (солодовый сахар) - промежуточный продукт расщепления крахмала и гликогена в желудочно-кишечном тракте. В свободном виде в пищевых продуктах она встречается в меде, солоде, пиве, патоке и проросшем зерне.
Крахмал - важнейший поставщик углеводов. Он образуется и накапливается в хлоропластах зеленых частей растения в форме маленьких зернышек, откуда путем гидролизных процессов переходит в водорастворимые сахара, которые легко переносятся через клеточные мембраны и таким образом попадают в другие части растения, в семена, корни, клубни и другие. В организме человека крахмал сырых растений постепенно распадается в пищеварительном тракте, при этом распад начинается еще во рту. Слюна во рту частично превращает его в мальтозу. Вот почему хорошее пережевывание пищи и смачивание ее слюной имеет исключительно важное значение. Старайтесь в своем питании чаще использовать продукты, содержащие естественную глюкозу, фруктозу и сахарозу. Наибольшее количество сахара содержится в овощах, фруктах и сухофруктах, а также проросшем зерне.
Крахмал имеет основное пищевое значение. Высоким его содержанием в значительной степени обуславливается пищевая ценность зерновых продуктов. В пищевых рационах человека на долю крахмала приходится около 80% общего количества потребляемых углеводов. Превращение крахмала в организме в основном направлено на удовлетворение потребности в сахаре.
Гликоген в организме используется в качестве энергетического материала для питания работающих мышц, органов и систем. Восстановление гликогена происходит путем его его ресинтеза за счет глюкозы.
Пектины относятся к растворимым веществам, усваивающимися в организме. Современными исследованиями показано несомненное значение пектиновых веществ в питании здорового человека, а также возможность использовать их с терапевтической целью при некоторых заболеваниях преимущественно желудочно-кишечного тракта.
Клетчатка по химической структуре весьма близка к полисахаридам. Высоким содержанием клетчатки характеризуются зерновые продукты. Однако помимо общего количества клетчатки, важное значение имеет ее качество. Менее грубая, нежная клетчатка хорошо расщепляется в кишечнике и лучше усваивается. Такими свойствами обладает клетчатка картофеля и овощей. Клетчатка способствует выведению из организма холестерина.
Потребность в углеводах определяется величиной энергетических затрат. Средняя потребность в углеводах для тех, кто не занят тяжелым физическим трудом, 400 - 500 г. в сутки. У спортсменов по мере увеличения интенсивности и тяжести физических нагрузок потребность в углеводах увеличивается и может возрастать до 800 г в сутки.
Это важно! Способность углеводов быть высокоэффективным источником энергии лежит в основе их сберегающего белок действия. При поступлении с пищей достаточного количества углеводов аминокислоты лишь в незначительной степени используются в организме как энергетический материал. Хотя углеводы не принадлежат к числу незаменимых факторов питания и могут образовываться в организме из аминокислот и глицерина, минимальное количество углеводов суточного рациона не должно быть ниже 50 - 60г., чтобы избежать кетоза, кислого состояния крови, которое может развиться, если для образования энергии используются преимущественно запасы жира. Дальнейшее снижение количества углеводов ведет к резким нарушениям метаболических процессов.
Если употреблять слишком много углеводов, больше, чем организм может преобразоваться в глюкозу или гликоген, то в результате, это ведет к ожирению. Когда телу нужно больше энергии, то жир преобразуется обратно в глюкозу, и вес тела снижается. При построении пищевых рационов чрезвычайно важно не только удовлетворить потребности человека в необходимом количестве углеводов, но и подобрать оптимальные соотношения качественно различных типов углеводов. Наиболее важно учитывать соотношение в рационе легкоусвояемых углеводов (сахаров) и медленно всасывающихся (крахмал, гликоген).
При поступлении с пищей значительных количеств сахаров они не могут полностью откладываться в виде гликогена, и их избыток превращается в триглицериды, способствуя усиленному развитию жировой ткани. Повышенное содержание в крови инсулина способствует ускорению этого процесса, поскольку инсулин оказывает мощное стимулирующее действие на жироотложение.
В отличие от сахаров крахмал и гликоген медленно расщепляются в кишечнике. Содержание сахара в крови при этом нарастает постепенно. В связи с этим целесообразно удовлетворять потребности в углеводах в основном за счет медленно всасывающихся углеводов. На их долю должно приходиться 80 - 90% от общего количества потребляемых углеводов. Ограничение легкоусвояемых углеводов приобретает особое значение для тех, кто страдает атеросклерозом, сердечно-сосудистыми заболеваниями, сахарным диабетом, ожирением.
Будет здорово, если вы напишете комментарий:
Липиды. Углеводы.
Кроме неорганических веществ и их ионов все клеточные структуры также состоят из органических соединений- белков, липидов, углеводов и нуклеиновых кислот.
Углеводы и липиды.
Углеводы (сахара) -биоорганические соединения углерода и воды, входящие в состав всех живых организмов: Общая формула- Сn (Н2О)n.
Растворимые в воде углеводы.
Моносахариды:
глюкоза- основной источник энергии для клеточного дыхания;
фруктоза - составная часть нектара цветов и фруктовых соков;
рибоза и дезоксирибоза - структурные элементы нуклеотидов, являющихся мономерами РНК и ДНК;
Дисахариды :
сахароза (глюкоза + фруктоза) - основной продукт фотосинтеза, транспортируемый в растениях;
лактоза (глюкоза-Н галактоза)- входит в состав молока млекопитающих;
мальтоза (глюкоза + глюкоза) - источник энергии в прорастающих семенах.
Функции растворимых углеводов: транспортная, защитная, сигнальная, энергетическая.
Не растворимые в воде углеводы:
Крахмал - смесь двух полимеров: амилозы и амилопектина. Разветвленная спирализованная молекула, служащая запасным веществом в тканях растений;
Целлюлоза (клетчатка) - полимер, состоящий из нескольких прямых параллельных цепей, соединенных водородными связями. Такая структура препятствует проникновению воды и обеспечивает устойчивость целлюлозных оболочек растительных клеток;
Хитин - основной структурный элемент покровов членистоногих и клеточных стенок грибов;
Гликоген - запасное вещество животной клетки. Мономером является а-глюкоза.
Функции нерастворимых углеводов: структурная, запасающая, энергетическая, защитная.
Липиды - органические соединения, большинство которых являются сложными эфирами глицерина и жирных кислот.
Нерастворимы в воде, но растворимы в неполярных растворителях. Присутствуют во всех клетках. Липиды состоят из атомов водорода, кислорода и углерода.
Виды липидов : жиры, воска, фосфолипиды, стероиды.
Функции липидов :
Запасающая- жиры откладываются в запас в тканях позвоночных животных;
Энергетическая- половина энергии, потребляемой клетками позвоночных животных в состоянии покоя, образуется в результате окисления жиров. Жиры используются и как источник воды
Защитная - подкожный жировой слой защищает организм от механических повреждений;
Структурная - фосфолипиды входят в состав клеточных мембран;
Теплоизоляционная - подкожный жир помогает сохранить тепло;
Электроизоляционная - миелин, выделяемый клетками Шванна, изолирует некоторые нейроны, что во много раз ускоряет передачу нервных импульсов;
Питательная- желчные кислоты и витамин D образуются из стероидов;
Смазывающая- воска покрывают кожу, шерсть, перья и предохраняют их от воды. Восковым налетом покрыты листья многих растений, воск используется в строительстве пчелиных сот;
Гормональная - гормон надпочечников - кортизон - и половые гормоны имеют липидную природу. Их молекулы не содержат жирных кислот.
Углеводы - это органические соединения, в состав которых входят в основном три химических элемента - углерод, водород и кислород, хотя целый ряд углеводов содержит также азот или серу. Общая формула углеводов - С m (Н 2 0) n . Их делят на простые и сложные углеводы.
Простые углеводы (моносахариды) содержат единственную молекулу сахара, которую невозможно расщепить на более простые. Это кристаллические вещества, сладкие на вкус и хорошо растворимые в воде. Моносахариды принимают активное участие в обмене веществ в клетке и входят в состав сложных углеводов - олигосахаридов и полисахаридов.
Моносахариды классифицируют по количеству углеродных атомов (С 3 -С 9), например, пентозы (С 5) и гексозы (С 6). К пентозам относятся рибоза и дезоксирибоза. Рибоза входит в состав РНК и АТФ. Дезоксирибоза является компонентом ДНК. Гексозы (С 6 Н 12 0 6) - это глюкоза, фруктоза, галактоза и др.
Глюкоза (виноградный сахар) (рис. 2.7) встречается во всех организмах, в том числе в крови человека, поскольку является энергетическим резервом. Она входит в состав многих сложных Сахаров: сахарозы, лактозы, мальтозы, крахмала, целлюлозы и др.
Фруктоза (плодовый сахар) в наибольших концентрациях содержится в плодах, меде, корнеплодах сахарной свеклы. Она не только принимает активное участие в процессах обмена веществ, но и входит в состав сахарозы и некоторых полисахаридов, например инсулина.
Большинство моносахаридов способно давать реакцию «серебряного зеркала» и восстанавливать медь при добавлении фелинговой жидкости (смесь растворов сульфата меди (II) и калий-натрий виннокислого) и кипячении.
К олигосахаридам относят углеводы, образованные несколькими остатками моносахаридов. Они в основном также хорошо растворимы в воде и сладки на вкус. В зависимости от количества этих остатков различают дисахариды (два остатка),
Рис. 2.7. Строение молекулы глюкозы
трисахариды (три) и др. К дисахаридам относятся сахароза, лактоза, мальтоза и др.
Сахароза (свекловичный или тростниковый сахар) состоит из остатков глюкозы и фруктозы (рис. 2.8), она встречается в запасающих органах некоторых растений. Особенно много сахарозы в корнеплодах сахарной свеклы и сахарного тростника, откуда их получают промышленным способом. Она служит эталоном сладости углеводов.
Лактоза, или молочный сахар, образована остатками глюкозы и галактозы, содержится в материнском и коровьем молоке.
Мальтоза (солодовый сахар) состоит из двух остатков глюкозы. Она образуется в процессе расщепления полисахаридов в семенах растений и в пищеварительной системе человека, используется при производстве пива.
Полисахариды - это биополимеры, мономерами которых являются остатки моно- или ди- сахаридов. Большинство полисахаридов нерастворимы в воде и несладкие на вкус. К ним относятся крахмал, гликоген, целлюлоза и хитин.
Крахмал - это белое порошкообразное вещество, не смачиваемое водой, но образующее при заваривании горячей водой взвесь - клейстер. В действительности крахмал состоит из двух полимеров - менее разветвленной амилозы и более разветвленного амилопектина (рис. 2.9). Мономером как амилозы, так и амилопектина является глюкоза. Крахмал - основное запасное вещество растений, которое в огромных количествах накапливается в семенах, плодах, клубнях, корневищах и других запасающих органах растений. Качественной реакцией на крахмал является реакция с йодом, при которой крахмал окрашивается в сине-фиолетовый цвет.
Гликоген (животный крахмал) - это запасной полисахарид животных и грибов, который у человека в наибольших количествах накапливается в мышцах и печени. Он также нерастворим в воде и несладок на вкус. Мономером гликогена является глюкоза. По сравнению с молекулами крахмала, молекулы гликогена еще более разветвлены.
Целлюлоза, или клетчатка, - основной опорный полисахарид растений. Мономером целлюлозы является глюкоза (рис. 2.10). Неразветвленные молекулы целлюлозы образуют пучки, которые входят в состав клеточных стенок растений и некоторых грибов. Целлюлоза является основой древесины, она используется в строительстве, при производстве тканей, бумаги, спирта и многих органических веществ. Целлюлоза химически инертна и не растворяется ни в кислотах, ни в щелочах. Она также не расщепляется ферментами пищеварительной системы человека, однако ее перевариванию способствуют бактерии толстого кишечника. Кроме того, клетчатка стимулирует сокращения стенок желудочно-кишечного тракта, способствуя улучшению его работы.
Хитин - это полисахарид, мономером которого является азотсодержащий моносахарид. Он входит в состав клеточных стенок грибов и панцирей членистоногих. В пищеварительной системе человека также отсутствует фермент переваривания хитина, его имеют лишь некоторые бактерии.
Функции углеводов. Углеводы выполняют в клетке пластическую (строительную), энергетическую, запасающую и опорную функции. Они образуют клеточные стенки растений и грибов. Энергетическая ценность расщепления 1 г углеводов составляет 17,2 кДж. Глюкоза, фруктоза, сахароза, крахмал и гликоген являются запасными веществами. Углеводы могут также входить в состав сложных липидов и белков, образуя гликолипиды и гликопротеины, в частности в клеточных мембранах. Не менее важной представляется роль углеводов в межклеточном узнавании и восприятии сигналов внешней среды, поскольку они в составе гликопротеинов выполняют функции рецепторов.
Липиды - это разнородная в химическом отношении группа низкомолекулярных веществ с гидрофобными свойствами. Данные вещества нерастворимы в воде, образуют в ней эмульсии, но при этом хорошо растворяются в органических растворителях. Липиды маслянисты на ощупь, многие из них оставляют на бумаге характерные невысыхающие следы. Вместе с белками и углеводами они являются одними из основных компонентов клеток. Содержание липидов в различных клетках неодинаково, особенно много их в семенах и плодах некоторых растений, в печени, сердце, крови.
В зависимости от строения молекулы липиды делят на простые и сложные . К простым липидам относятся нейтральные липиды (жиры), воски, стерины и стероиды. Сложные липиды содержат и другой, нелипидный компонент. Наиболее важными из них являются фосфолипиды, гликолипиды и др.
Жиры являются производными трехатомного спирта глицерина и высших жирных кислот (рис. 2.11). Большинство жирных кислот содержит 14-22 углеродных атома. Среди них есть как насыщенные, так и ненасыщенные, то есть содержащие двойные связи. Из насыщенных жирных кислот чаще всего встречаются пальмитиновая и стеариновая, а из ненасыщенных - олеиновая. Некоторые ненасыщенные жирные кислоты не синтезируются в организме человека или синтезируются в недостаточном количестве, и поэтому являются незаменимыми. Остатки глицерина образуют гидрофильные «головки», а остатки жирных кислот - «хвосты».
Жиры выполняют в клетках в основном запасающую функцию и служат источником энергии. Ими богата подкожная жировая клетчатка, выполняющая амортизационную и термоизоляционную функции, а у водных животных - еще и повышающая плавучесть. Жиры растений большей частью содержат ненасыщенные жирные кислоты, вследствие чего они являются жидкими и называются маслами. Масла содержатся в семенах многих растений, таких как подсолнечник, соя, рапс и др.
Воски - это сложные смеси жирных кислот и жирных спиртов. У растений они образуют пленку на поверхности листа, которая защищает от испарения, проникновения патогенов и т. п. У ряда животных они покрывают тело или служат для построения сот.
К стеринам относится такой липид, как холестерол - обязательный компонент клеточных мембран, а к стероидам - половые гормоны эстрадиол, тестостерон и др.
Фосфолипиды, помимо остатков глицерина и жирных кислот, содержат остаток ортофосфор- ной кислоты. Они входят в состав клеточных мембран и обеспечивают их барьерные свойства.
Гликолипиды также являются компонентами мембран, но их содержание там невелико. Не- липидной частью гликолипидов являются углеводы.
Функции липидов. Липиды выполняют в клетке пластическую (строительную), энергетическую, запасающую, защитную и регуляторную функции, кроме того, они являются растворителями для ряда витаминов. Это обязательный компонент клеточных мембран. При расщеплении 1 г липидов выделяется 38,9 кДж энергии. Они откладываются в запас в различных органах растений и животных. К тому же подкожная жировая клетчатка защищает внутренние органы от переохлаждения или перегревания, а также ударов. Регуляторная функция липидов связана с тем, что некоторые из них являются гормонами.
Назовите растворимые в воде углеводы. Какие особенности строения их молекул обеспечивают свойство растворимости?
- Углево#769;ды (синонимы: глициды, глюциды, сахариды, сахара)
обширный, наиболее распространенный на Земле класс органических соединений, входящих в состав клеток всех организмов и абсолютно необходимых для их жизнедеятельности. Углеводы являются первичными продуктами фотосинтеза. Во всех живых клетках У. и их производные играют роль пластического и структурного материала, поставщика энергии, субстратов и регуляторов жизненно важных биохимических процессов. Качественное или количественное изменение содержания различных У. в крови, моче и других биологических жидкостях человека является информативным диагностическим признаком нарушений углеводного обмена, носящих наследственный характер или развившихся вторично вследствие различных патологических состояний. В питании человека У. являются одной из основных групп пищевых веществ наряду с белками и жирами (см. Питание) . Термин углеводы (углерод + вода) был предложен в 1844 г. Шмидтом (С. Schmidt), т. к. формулы известных в то время представителей этого класса веществ соответствовали общей формуле Cn (Н2О) m, однако позже оказалось, что подобную формулу могут иметь не только У. , но и, например, молочная кислота. Кроме того, к У. стали относить различные, сходные по свойствам их производные с иной общей формулой.
Класс У. включает самые разнообразные соединения от низкомолекулярных веществ до высокомолекулярных полимеров. Условно У. делят на три большие группы: моносахариды, олигосахариды и полисахариды. Отдельно рассматривают группу смешанных биополимеров, молекулы которых содержат наряду с олигосахаридной или полисахаридной цепью белковые, липидные и другие компоненты (см. Гликоконъюгаты) . К моносахаридам (монозам, или простым сахарам) относят полиоксиальдегиды (альдозы, или альдосахара) и полиоксикетоны (кетозы, или кетосахара) . По числу углеродных атомов моносахариды делят на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы, октозы, нонозы. Наиболее распространены в природе и важны для человека гексозы и пентозы. По взаимному пространственному расположению водорода и гидроксильной группы у последнего асимметричного углеродного атома в молекуле все моносахариды относят к D- или L-ряду (вращают плоскость поляризованного луча света соответственно вправо или влево) . Моносахариды, распространенные в природе как в свободном виде, так и входящие в состав многочисленных соединений, относятся главным образом к D-ряду; моносахариды в твердом состоянии находятся в виде циклических полуацеталей пятичленных (фураноз) или шестичленных (пираноз) . Моносахариды существуют в виде #945;- и #946;-изомеров, различающихся по конфигурации асимметричного центра у карбонильного углерода. В растворе между этими формами устанавливается подвижное равновесие, кроме того, в нем присутствует наиболее реакционно-способная ациклическая форма моносахарида. Циклы моносахаридов могут приобретать различные геометрические формы, называемые конформациями. К моносахаридам относятся также дезоксисахара (гидроксильная группа замещена водородом) , аминосахара (содержат аминогруппу) , уроновые, альдоновые и сахарные кислоты (содержат карбоксильные группы) , многоатомные спирты, эфиры моносахаридов, гликозиды, сиаловые кислоты и др.
К олигосахаридам относят соединения, молекулы которых построены из остатков циклических форм моносахаридов, соединенных О-гликозидными связями. Число остатков моносахаридов в молекулах олигосахаридов не превышает 10. Олигосахариды делятся на ди-, три-, тетрасахариды и т. д. по числу входящих в них остатков моносахаридов. Если молекула олигосахарида построена из остатков одного и того же моносахарида, то его называют гомоолигосахаридом; если же такая молекула построена из остатков разных моносахаридов гетероолигосахаридом. Олигосахариды бывают линейными, разветвленными, циклическими, редуцирующими (обладающими способностью к химической реакции восстановления) и нередуцирующими; они различаются также по типу связи между остатками моносахаридов. - простые углеводы: фруктоза, глюкоза...
- за счет полярных связей. вода (диполь) образует сальватную оболочку и разрывает связь.
- Хорошо растворимы в воде практически все (!) углеводы. В жизни хорошо известен один, по крайней мере, - сахароза (дисахарид) , или обычный сахар.
Растворимость в воде обусловлена схожестью строения - наличия гидроксильных групп, способных образовывать водородные связи между молекулами по типу:
R-O-H....O-R
Атом водорода гидроксильной группы способен образовывать НЕКОВАЛЕНТНУЮ (электростатическую) связь с атомами кислорода, фтора или азота
Функции растворимых углеводов : транспортная, защитная, сигнальная, энергетическая.
Моносахариды: глюкоза – основной источник энергии для клеточного дыхания. Фруктоза – составная часть нектара цветов и фруктовых соков. Рибоза и дезоксирибоза – структурные элементы нуклеотидов, являющихся мономерами РНК и ДНК.
Дисахариды: сахароза (глюкоза + фруктоза) – основной продукт фотосинтеза, транспортируемый в растениях. Лактоза (глюкоза + галактоза) – входит в состав молока млекопитающих. Мальтоза (глюкоза + глюкоза) – источник энергии в прорастающих семенах.
Полимерные углеводы : крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин. Они не растворимы в воде.
Функции полимерных углеводов : структурная, запасающая, энергетическая, защитная.
Крахмал состоит из разветвленных спирализованных молекул, образующих запасные вещества в тканях растений.
Целлюлоза – полимер, образованный остатками глюкозы, состоящими из нескольких прямых параллельных цепей, соединенных водородными связями. Такая структура препятствует проникновению воды и обеспечивает устойчивость целлюлозных оболочек растительных клеток.
Хитин состоит из аминопроизводных глюкозы. Основной структурный элемент покровов членистоногих и клеточных стенок грибов.
Гликоген – запасное вещество животной клетки. Гликоген еще более ветвистый, чем крахмал и хорошо растворимы в воде.
Липиды – сложные эфиры жирных кислот и глицерина. Нерастворимы в воде, но растворимы в неполярных растворителях. Присутствуют во всех клетках. Липиды состоят из атомов водорода, кислорода и углерода. Виды липидов: жиры, воска, фосфолипиды. Функции липидов: запасающая – жиры, откладываются в запас в тканях позвоночных животных. Энергетическая – половина энергии, потребляемой клетками позвоночных животных в состоянии покоя, образуется в результате окисления жиров. Жиры используются и как источник воды. Энергетический эффект от расщепления 1 г жира – 39 кДж, что в два раза больше энергетического эффекта от расщепления 1 г глюкозы или белка. Защитная – подкожный жировой слой защищает организм от механических повреждений. Структурная – фосфолипиды входят в состав клеточных мембран. Теплоизоляционная – подкожный жир помогает сохранить тепло. Электроизоляционная – миелин, выделяемый клетками Шванна (образуют оболочки нервных волокон), изолирует некоторые нейроны, что во много раз ускоряет передачу нервных импульсов. Питательная – некоторые липидоподобные вещества способствуют наращиванию мышечной массы, поддержанию тонуса организма. Смазывающая – воски покрывают кожу, шерсть, перья и предохраняют их от воды. Восковым налетом покрыты листья многих растений, воск используется в строительстве пчелиных сот. Гормональная – гормон надпочечников – кортизон и половые гормоны имеют липидную природу.
14. Ферменты, их роль в клетке.
Ферменты (энзимы) - это специфические белки, которые присутствуют во всех живых организмах и играют роль биологических катализаторов.
Химические реакции в живой клетке протекают при определенной температуре, нормальном давлении и определенной кислотности среды. В таких условиях реакции синтеза ила распада веществ протекали бы в клетке очень медленно, если бы не подвергались воздействиям ферментов.
Все процессы в живом организме прямо или косвенно осуществляются с участием ферментов. Например, под их действием составные компоненты пищи (белки, углеводы, липиды) расщепляются до более простых соединений, из которых синтезируются новые, свойственные данному виду макромолекулы. Поэтому нарушения образования и активности ферментов нередко ведут к возникновению тяжелых болезней.
По пространственной организации ферменты состоят из нескольких полипептидных цепей и обычно обладают четвертичной структурой.
Кроме того, ферменты в своем составе могут иметь и небелковые структуры. Белковая часть носит название апофермент , а небелковая - кофактор или кофермент (коэнзим ).
Предшественниками многих коферментов являются витамины.
Ферментативный катализ подчиняется тем же законам, что и неферментативный (в химической промышленности), однако в отличие от него характеризуется высокой степенью специфичности (фермент катализирует только определенную реакцию или действует только на один тип связи). Этим обеспечивается тонкая регуляция всех жизненно важных процессов (дыхание, пищеварение, фотосинтез и др.), протекающих в клетке и организме. Например, фермент уреаза катализирует расщепление лишь одного вещества - мочевины (H 2 N-СО-NH 2 + Н 2 O → 2NH 3 + СO 2), не оказывая каталитического действия на структурно-родственные соединения.
Специфичность действия ферментов объясняет теория активного центра . Согласно ей, в молекуле каждого фермента имеется один или более участков, обеспечивающих специфическое взаимодействие фермента и вещества (субстрата). Активным центром выступает или функциональная группа (например, ОН-группа серина), или отдельная аминокислота. Обычно же для каталитического действия необходимо сочетание нескольких (в среднем от 3 до 12) расположенных в определенном порядке аминокислотных остатков. Активный центр может также формироваться ионами металлов, витаминами и другими соединениями небелковой природы - коферментами, или кофакторами. Под действием фермента происходит ослабление химических связей субстрата, и катализируемая реакция протекаете меньшей начальной затратой энергии, а следовательно, с большей скоростью. Например, одна молекула фермента каталазы может расщепить за 1 мин. более 5 млн молекул пероксида водорода (H 2 O 2), являющегося продуктом окисления в организме различных соединений.
На заключительном этапе химической реакции фермент-субстратный комплекс распадается с образованием конечных продуктов и свободного фермента, который вновь связывается с молекулами субстрата.
Скорость ферментативных реакций зависит от многих факторов: природы и концентрации фермента и субстрата, температуры, давления, кислотности среды, наличия ингибиторов и т. д. Например, при температурах, близких к нулю, скорость биохимических реакций замедляется до минимума. Это свойство широко используется в различных отраслях народного хозяйства, особенно в сельском хозяйстве и медицине. В частности, консервация различных органов (почки, сердце, селезенка, печень) перед их пересадкой больному происходит при охлаждении, чтобы снизить интенсивность биохимических реакций и тем самым продлить время жизни органов.
15. Строение и функции частей и органоидов клетки, их взаимосвязи как основа ее целостности.
Каждая из частей клетки, с одной стороны, является обособленной структурой со специфическим строением и функциями, а с другой - компонентом более сложной системы, называемой клеткой. Большая часть наследственной информации эукариотической клетки сосредоточена в ядре, однако само ядро не в состоянии обеспечить ее реализацию, поскольку для этого необходимы как минимум цитоплазма, выступающая как основное вещество, и рибосомы, на которых и происходит этот синтез. Большинство рибосом расположено на гранулярной эндоплазматической сети, откуда белки чаще всего транспортируются в комплекс Гольджи, а затем после модификации - в те части клетки, для которых они предназначены. Мембранные упаковки белков и углеводов могут встраиваться в мембраны органоидов и цитоплазматическую мембрану, обеспечивая их постоянное обновление. От комплекса Гольджи отшнуровываются также выполняющие важнейшие функции лизосомы и вакуоли. Например, без лизосом клетки быстро превратились бы в своеобразную свалку отработанных молекул и структур.
Протекание всех этих процессов требует энергии, вырабатываемой митохондриями, а у растений - и хлоропластами. И хотя эти органоиды являются относительно автономными, т. к. имеют собственные молекулы ДНК, часть их белков все равно кодируется ядерным геномом и синтезируется в цитоплазме.
Таким образом, клетка представляет собой неразрывное единство составляющих ее компонентов, каждый из которых выполняет свою уникальную функцию.
Метаболизм: энергетический и пластический обмен, их взаимосвязь. Ферменты, их химическая природа, роль в метаболизме. Стадии энергетического обмена. Брожение и дыхание. Фотосинтез, его значение, космическая роль. Фазы фотосинтеза. Световые и темновые реакции фотосинтеза, их взаимосвязь. Хемосинтез. Роль хемосинтезирующих бактерий на Земле.
16. Многообразие клеток.
17. Вирусы - доклеточная форма, возбудители заболеваний.
1. Вирусы - живые существа или неживые объекты? Особенность - неклеточное строение вирусов; состоят из молекулы ДНК или иРНК, окруженной молекулами белка подобно оболочке.
2. Проявление вирусами признаков жизнедеятельности только в клетках других организмов, отсутствие собственного обмена веществ, способности самостоятельно размножаться вне клеток других организмов, существование в форме кристалла.
4. Вирусы - возбудители многих тяжелых заболеваний: СПИДа, бешенства, полиомиелита, гриппа, оспы и др., инфекционность- характерный признак вирусов.
5. Пути заражения ВИЧ-инфекцией, бешенством, полиомиелитом, оспой и меры профилактики заболеваний, вызываемых вирусами.
18. Профилактика ВИЧ-инфекции и заболевания СПИДом.
ВИЧ-инфекция - это медленно прогрессирующее вирусное заболевание иммунной системы, приводящее к ослаблению иммунной защиты от опухолей и инфекций. Стадия ВИЧ-инфекции, при которой из-за снижения иммунитета у человека появляются вторичные инфекционные или опухолевые заболевания, называется синдромом приобретенного иммунодефицита (СПИД).
Если при ВИЧ лечения не проводится, он почти всегда истощает иммунную систему. В результате организм становится уязвимым к одному или нескольким опасным для жизни заболеваниям, которые обычно не воздействуют на здоровых людей. Эта стадия ВИЧ-инфекции называется СПИДом или синдромом приобретенного иммунодефицита. Чем сильнее повреждена иммунная система, тем выше риск смерти в результате оппортунистических инфекций.
Эксперты договорились об использовании термина «СПИД» в начале 1980-х годов, до открытия ВИЧ, для описания впервые появившегося синдрома сильного подавления иммунной системы. Сегодня СПИД считается более поздней стадией развития ВИЧ-инфекции и заболевания.
В отсутствии лечения время развития ВИЧ в стадию СПИДа составляет обычно 8-10 лет. В то же время промежуток между появлением инфекции и возникновением симптомов колеблется – он, как правило, короче у лиц, инфицированных в результате переливания крови, и у больных детей. Факторы, которые изменяют естественную историю развития ВИЧ-инфекции, называют «кофакторами», определяющими прогрессирование заболевания. Были исследованы различные потенциальные кофакторы, включая генетические факторы, возраст, пол, путь передачи инфекции, курение, диету и другие инфекционные заболевания. Имеются обоснованные данные о том, что заболевание прогрессирует быстрее, если заражение ВИЧ-инфекцией произошло в более позднем возрасте.
В современных условиях именно с помощью усиления профилактики ВИЧ существует шанс для «купирования» эпидемии, чтобы обеспечить сохранение человеческих жизней и нормальное функционирование экономики.
Уровни профилактики:
Личностный уровень – воздействие, направленное на отдельного человека с целью сохранения его здоровья.
Семейный уровень (уровень ближайшего окружения) – воздействие, направленное на семью человека и его ближайшее окружение (друзья и все, кто непосредственно взаимодействует с человеком) с целью создания условий, при которых сама среда будет носить безопасный характер и помогать формировать ценности здоровья, заботы о себе.
Социальный уровень – воздействие на общество в целом, с целью изменения общественных норм по отношению к социально-нежелательным (рискованным) практикам.
19. Клеточный метаболизм.
Что такое метаболизм?
Метаболизм, или обмен веществ, - это совокупность процессов поступления веществ из окружающей среды, их превращений в организме и выведения из организма продуктов жизнедеятельности. В результате обмена веществ в организме сохраняется постоянство состава клеток и клеточных структур путем обновления их по мере необходимости, а также поддерживается их энергетический баланс. Процессы обмена веществ в клетках характеризуются высокой упорядоченностью и строгой последовательностью идущих в них биохимических реакций, участием в них различных ферментов и всех клеточных структур.
Обмен веществ (смотрите также Метаболизм) - совокупность протекающих в живых организмах химических превращений, которые обеспечивают их рост, жизнедеятельность, воспроизведение, постоянный контакт и обмен с окружающей средой. Схема обмена веществ живого организма Благодаря обмену веществ происходит расщепление и синтез молекул, что входят в состав клеток, образование, разрушение и обновление клеточных структур и межклеточного вещества. Например, у человека половина всех тканевых белков расщепляется и строится заново в среднем в течение 80 суток, белки печени и сыворотки крови наполовину обновляются каждые 10 суток, а белки мышц - 180, отдельные ферменты печени - каждые 2-4 часа. Обмен веществ неотделим от процессов превращения энергии: потенциальная энергия химических связей сложных органических молекул в результате химических превращений переходит в другие виды энергии, используемой на синтез новых соединений, для поддержания структуры и функции клеток, температуры тела, для совершения работы и т.д. Все реакции обмена веществ и превращения энергии протекают при участии биологических катализаторов-ферментов. У самых разных организмов обмен веществ отличается упорядоченностью и сходством последовательности ферментативных превращений, несмотря на большой ассортимент химических соединений, вовлекаемых в обмен. В то же время для каждого вида характерен особый, закрепленный генетически тип обмена веществ, обусловленный условиями его существования. Обмен веществ складывается из двух взаимосвязанных, одновременно протекающих в организме процессов: ассимиляции или анаболизма, диссимиляции или катаболизма. В ходе катаболических превращений происходит расщепление крупных органических молекул до простых соединений с одновременным выделением энергии, которая запасается в форме богатых энергией фосфатных связей, главным образом в молекуле АТФ. Катаболические превращения обычно осуществляются в результате гидролитических и окислительных реакций и протекают как в отсутствие кислорода (анаэробный путь - гликолиз, брожение), так и при его участии (аэробный путь - дыхание). Второй путь эволюционно более молодой и в энергетическом отношении более выгодный. Он обеспечивает полное расщепление органических веществ до CO2 и H2O. Разнообразные органические соединения в ходе катаболических процессов превращаются в ограниченное число небольших молекул (помимо CO2 и H2O); например, углеводы - в триозофосфаты и пируват. Конечные продукты азотистого обмена - мочевина, аммиак, мочевая кислота. В ходе анаболических превращений происходит биосинтез сложных молекул из простых молекул-предшественников. Автотрофные организмы (зеленые растения и некоторые бактерии) могут осуществлять первичный синтез органических соединений из CO2 с использованием энергии солнечного света - фотосинтез. Гетеротрофы синтезируют органические соединения только за счет энергии и продуктов, образующихся в результате катаболических превращений. Исходным сырьем для процессов биосинтеза являются простые органические соединения. Каждая клетка синтезирует характерные для нее белки, жиры, углеводы и другие соединения. Например, гликоген мышц синтезируется в мышечных клетках, а не доставляется кровью из печени. Совокупность катаболических и анаболических реакций, протекающих в клетке в любой данный момент, составляет ее метаболизм.
Источник: www.bioaa.info
20. Энергетический обмен.
В процессе брожения энергетический обмен обычно подразделяется на три этапа. Первый этап - подготовительный. На этом этапе молекулы сложных углеводов, жиров и белков распадаются на мелкие - глюкозу, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты; крупные молекулы нуклеиновых кислот - на нуклеотиды. В этих реакциях выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде теплоты.
Второй этап - неполный , во время которого осуществляется бескислородное расщепление, протекает в цитоплазме клетки. Он называется также анаэробным дыханием (гликолиз) или брожением . Термин «брожение» обычно применяют к процессам, протекающим в клетках растений или микроорганизмов. На этом этапе продолжается дальнейшее расщепление веществ при участии ферментов. Например, в мышцах в результате анаэробного дыхания молекула глюкозы распадается на две молекулы молочной кислоты. В реакциях расщепления глюкозы участвуют фосфорная кислота и АДФ и за счет энергии, выделившейся в результате их расщепления, образуются молекулы АТФ.
У дрожжевых грибов молекула глюкозы в бескислородных условиях расщепляется на этиловый спирт и диоксид углерода. Этот процесс называется спиртовым брожением .
У других микроорганизмов процесс гликолиза завершается образованием ацетона, уксусной кислоты и др. Во всех случаях распад одной молекулы глюкозы сопровождается образованием двух молекул АТФ. При бескислородном расщеплении глюкозы до образования молочной кислоты 40% выделяемой энергии сохраняется в молекуле АТФ, а остальная энергия рассеивается в виде теплоты.
Третий этап энергетического обмена называется аэробным дыханием , или кислородным расщеплением . Этот этап энергетического обмена также ускоряется с помощью ферментов. Вещества, образовавшиеся в клетке на предыдущих этапах, при участии кислорода распадаются на конечные продукты СО 2 и Н 2 О. В процессе кислородного дыхания выделяется большое количество энергии, которая накапливается в молекулах АТФ. При расщеплении двух молекул молочной кислоты при доступе кислорода образуются 36 молекул АТФ. Следовательно, основную роль в обеспечении клетки энергией играет аэробное дыхание. Все живые организмы по способу получения энергии делятся на две большие группы: автотрофные и гетеротрофные .
21. Преобразование энергии и клетке.
Обязательным условием существования любого организма является постоянный приток питательных веществ и постоянное выделение конечных продуктов химических реакций, происходящих в клетках. Питательные вещества используются организмами в качестве источника атомов химических элементов (прежде всего атомов углерода), из которых строятся либо обновляются все структуры. В организм, кроме питательных веществ, поступают также вода, кислород, минеральные соли.
Поступившие в клетки органические вещества (или синтезированные в ходе фотосинтеза) расщепляются на строительные блоки - мономеры и направляются во все клетки организма. Часть молекул этих веществ расходуется на синтез специфических органических веществ, присущих данному организму. В клетках синтезируются белки, личиды, углеводы, нуклеиновые кислоты и другие вещества, которые выполняют различные функции (строительную, каталитическую, регуляторную, защитную и т. д.).
Другая часть низкомолекулярных органических соединений, поступивших в клетки, идет на образование АТФ, в молекулах которой заключена энергия, предназначенная непосредственно для выполнения работы. Энергия необходима для синтеза всех специфических веществ организма, поддержания его высокоуно-рядоченной организации, активного транспорта веществ внутри клеток, из одних клеток в другие, из одной части организма в другую, для передачи нервных импульсов, передвижения организмов, поддержания постоянной температуры тела (у птиц и млекопитающих) и для других целей.
В ходе превращения веществ в клетках образуются конечные продукты обмена, которые могут быть токсичными для организма и выводятся из него (например, аммиак). Таким образом, все живые организмы постоянно потребляют из окружающей среды определенные вещества, преобразуют их и выделяют в среду конечные продукты.
Совокупность химических реакций, происходящих в организме, называется обменом веществ нли метаболизмом. В зависимости от общей направленности процессов выделяют катаболизм и анаболизм.
Катаболизм (диссимиляция) -совокупность реакций, приводящих к образованию простых соединений из более сложных. К катаболическим относят, например, реакции гидролиза полимеров до мономеров и расщепление последних до углекислого газа, воды, аммиака, т. е. реакции энергетического обмена, в ходе которого происходит окисление органических веществ и синтез АТФ.
Анаболизм (ассимиляция) - совокупность реакций синтеза сложных органических веществ из более простых. Сюда можно отнести, например, фиксацию азота и биосинтез белка, синтез углеводов из углекислого газа и воды в ходе фотосинтеза, синтез полисахаридов, липидов, нуклеотидов, ДНК, РНК и других веществ.
Синтез веществ в клетках живых организмов часто обозначают понятием пластический обмеи, а расщепление веществ и их окисление, сопровождающееся синтезом АТФ, -энергетическим обменом. Оба вида обмена составляют основу жизнедеятельности любой клетки, а следовательно, и любого организма и тесно связаны между собой. С одной стороны, все реакции пластического обмена нуждаются в затрате энергии. С другой стороны, для осуществления реакций энергетического обмена необходим постоянный синтез ферментов, так как продолжительность их жизни невелика. Кроме того, вещества, используемые для дыхания, образуются в ходе пластического обмена (например, в процессе фотосинтеза).
22. Значение АТФ.
В цитоплазме каждой клетки, а также в митохондриях, хлоропластах и ядрах содержится аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Она поставляет энергию для большинства реакций, происходящих в клетке. С помощью АТФ клетка синтезирует новые молекулы белков, углеводов, жиров, избавляется от отходов, осуществляет активный транспорт веществ, биение жгутиков и ресничек и т. д.
Молекула АТФ представляет собой нуклеотид, образованный азотистым основанием аденином, пятиуглеродным сахаром рибозой и тремя остатками фосфорной кислоты. Фосфатные группы в молекуле АТФ соединены между собой высокоэнергетическими (макроэргическими) связями:
Связи между фосфатными группами не очень прочные, и при их разрыве выделяется большое количество энергии. В результате гидролитического отщепления от АТФ фосфатной группы образуется аденозиндифосфорная кислота (АДФ) н высвобождается порция энергии:
АДФ также может подвергаться дальнейшему гидролизу с отщеплением еще одной фосфатной группы и выделением второй порции энергии; при этом АДФ преобразуется в аденозин-монофосфат (АМФ), который далее не гидролизуется:
АТФ образуется из АДФ и неорганического фосфата за счет энергии, освобождающейся при окислении органических веществ и в процессе фотосинтеза. Этот процесс называется фосфорилированием. При этом должно быть затрачено не менее 40 кДж/моль энергии, которая аккумулируется в макроэргических связях:
Следовательно, основное значение процессов дыхания и фотосинтеза определяется тем, что они поставляют энергию для синтеза АТФ, с участием которой в клетке выполняется большая часть работы.
Таким образом, АТФ - это главный универсальный поставщик энергии в клетках всех живых организмов.
АТФ чрезвычайно быстро обновляется. У человека, например, каждая молекула АТФ расщепляется и вновь восстанавливается 2 400 раз в сутки, так что ее средняя продолжительность жизни менее 1 мин. Синтез АТФ осуществляется главным образом в митохондриях и хлоропластах (частично в цитоплазме). Образовавшаяся здесь АТФ направляется в те участки клетки, где возникает потребность в энергии.
23. Пластический обмен.
Получаемый кислород, органические вещества, вода и минеральные соли преобразуются, и человек выделяет наружу конечные продукты метаболизма, как вода, креатинин, азотосодержащие соединения, соли мочевой кислоты и другие излишки, поддерживая этим основную функцию обмена веществ. Метаболизм человека состоит из противоположных, но неотделимых действий ассимиляции (пластического обмена) и диссимиляции (энергетического обмена).
Организм, вследствие расщепления, пополняется необходимой энергией, частью которой делиться с окружающей средой в виде рассеивания тепла. Сочетание таких процессов, определяющих условия усвоения и накопления необходимой энергии, составляют суть пластического обмена и жизнедеятельности в целом.
24. Биосинтез белка.
Биосинтез белка – один из важнейших процессов обмена веществ в клетке. В ходе такого синтеза формируются биополимеры – сложные молекулы белков, состоящие из мономеров – аминокислот (см. § 4). Биосинтез белков протекает в цитоплазме клетки, а точнее – на рибосомах с участием матричной РНК – мРНК (еще ее называют информационной РНК – иРНК) и транспортной РНК (тРНК) под контролем ДНК ядра.
Выяснение роли ДНК и РНК в процессе биосинтеза белков в клетке – одно из замечательных достижений биологической науки середины XX в.
Биосинтез белков включает два этапа: транскрипцию и трансляцию.
Транскрипция . Транскрипция (от лат. transcriptio – переписывание) – это биосинтез молекул матричной РНК (мРНК), происходящий в ядре на основе молекулы ДНК.
В ходе транскрипции фермент РНК-полимераза передвигается вдоль молекулы ДНК. При этом фермент удерживает на себе нуклеотиды растущей цепи мРНК, которая синтезируется на основе одной из цепей молекулы ДНК из нуклеотидов, находящихся в ядерном матриксе (рис. 16).
Рис. 16.
Схема биосинтеза белка
Матричная РНК (мРНК) – это одноцепочечная структура, и транскрипция идет с одной цепи молекулы ДНК. В результате транскрипции образуется молекула мРНК, представляющая собой точную копию участка одной из цепей ДНК (напомним, что в молекуле РНК азотистое основание тимин заменено на урацил). По длине каждая из молекул мРНК в сотни раз короче, чем молекула ДНК. Это связано с тем, что каждая мРНК является копией не всей молекулы ДНК, а только ее части – одного гена или группы рядом стоящих генов, содержащих информацию о структурах белков, необходимых для выполнения одинаковых функций.
При участии ферментов на соответствующих участках молекулы ДНК синтезируется не только мРНК, но и другие РНК – транспортная (тРНК), рибосомальная (рРНК). Затем синтезированные РНК направляются из ядра через ядерные поры в цитоплазму, к месту синтеза белка – рибосомам.
Трансляция . В рибосомах синтезируются полипептидные цепи белков на матрице мРНК, т. е. осуществляется трансляция (лат. translatio – перевод, перенесение).
Сборка белковых молекул происходит в рибосомах. При атом одна мРНК связывается с несколькими рибосомами, образуя сложную структуру – полисому. На полисоме одновременно идет синтез многих молекул одного белка.
Аминокислоты, из которых синтезируются белковые молекулы, доставляются к рибосомам молекулами тРНК. Они имеют относительно небольшие размеры (в них входят от 70 до 90 нуклеотидов) и напоминают по форме лист клевера (см. рис. 16).
На вершине «листа» каждой тРНК (напомним, что разновидностей тРНК столько, сколько существует триплетов, шифрующих аминокислоты) имеется антикодон. Он представляет собой последовательность трех нуклеотидов, комплементарных нуклеотидам триплета в мРНК. Специальный фермент опознает тРНК и присоединяет к «черешку» листа ту из аминокислот, которая кодируется одним из триплетов мРНК.
Транспортные РНК поступают в рибосомы. Участок рибосомы, в котором происходит сборка белковых молекул, называется функциональным центром рибосомы (ФЦР). В ФЦР всегда расположены только два триплета мРНК. К каждому триплету (кодону) мРНК присоединяется тРНК с комплементарным антикодоном (см. рис. 15).
Между аминокислотами под влиянием ферментов образуется пептидная связь, и аминокислота с первой тРНК (обозначим для удобства тРНК порядковыми номерами) оказывается присоединенной ко второй тРНК. Первая тРНК, освободившись от аминокислоты, выходит из рибосомы. Затем рибосома перемещается по мРНК на расстояние, равное одному триплету, и в ФЦР оказывается уже следующий триплет. Процесс сборки продолжается: пептидная связь возникает между аминокислотами, доставленными второй и третьей тРНК и т. д.
Пептидная цепочка удлиняется до тех пор, пока процесс трансляции не доходит до одного из стоп-кодонов – УАА, УАГ, УГА, которые информации об аминокислотах не несут. Как только это происходит, трансляция завершается и полипептидная цепочка покидает рибосому, погружаясь в канал эндоплазматической сети.
Каждый раз в результате трансляции синтезируется полипептидная цепь молекулы белка, точно соответствующая наследственной информации, записанной в ДНК. Скорость сборки одной молекулы белка, состоящей из 200 – 300 аминокислот, равна 1 – 2 мин. Общая схема биосинтеза белка может быть представлена следующим образом:
ДНК → (транскрипция) → мРНК → (трансляция) → белок.
Реакции матричного синтеза. Процессы трансляции, транскрипции и репликации (самоудвоения) ДНК называют реакциями матричного синтеза (от лат. matrix – штамп, форма с углублением). Эти реакции осуществляются только в живых клетках и в точном соответствии с планом, заложенным в структуре уже существующих молекул, которые играют роль матриц. Такими молекулами являются молекулы ДНК (во время репликации и транскрипции) и мРНК (во время трансляции). Таким образом, роль матрицы могут выполнять как молекулы ДНК, так и молекулы РНК.
Матричный синтез обеспечивает высокую точность передачи наследственной информации и высокую скорость синтеза макромолекул. В основе матричного синтеза лежит принцип комплементарности.
В настоящее время в науке достаточно подробно исследован механизм передачи наследственной информации. Однако остается целый ряд еще не решенных проблем. Одна из них – изучение механизмов, регулирующих активность генов. Все клетки многоклеточного организма имеют одинаковый набор генов. И тем не менее клетки разных тканей отличаются по строению, функциям, составу белков.
Специализация клетки определяется не всеми имеющимися в ней генами, а только теми, с которых была осуществлена транскрипция на мРНК и наследственная информация реализована в виде белков. Даже в одной и той же клетке скорость синтеза белковых молекул может быть различной в зависимости от условий среды и потребности в белке самой клетки.
Вероятно, существует какой-то механизм, регулирующий «включение» и «выключение» генов на разных этапах жизни клетки. Впервые объяснение этого механизма в 1961 г. предприняли французские биологи Ф. Жакоб, А. Львов и Ж. Моно на примере регуляции белкового синтеза у бактерий. За свою работу эти ученые удостоены Нобелевской премии.
Как происходит регуляция активности генов в эукариотических клетках, до сих пор неясно. Познание регуляторных механизмов транскрипции и трансляции необход