Органические вещества в живой природе
Органические вещества лежат в основе всей живой природы. Растения и животные, микроорганизмы и вирусы - все живые существа состоят из огромного количества различных органических веществ и сравнительно небольшого числа неорганических. Именно соединения углерода, благодаря их великому разнообразию и способности к многочисленным химическим превращениям, явились той основой, на которой возникла жизнь во всех ее проявлениях. Носителями тех свойств, которые включаются в понятие «жизнь», являются сложные органические вещества, молекулы которых содержат цепи из многих тысяч атомов - биополимеры.
Прежде всего это белки - носители жизни, основа живой клетки. Сложные органические полимеры - белки состоят главным образом из углерода, водорода, кислорода, азота и серы. Их молекулы образованы соединением очень большого числа простых молекул - так называемых аминокислот (см. ст. «Химия жизни»).
Существует очень много разных белков. Есть белки опорные, или структурные. Такие белки входят в состав костей, образуют хрящи, кожу, волосы, рога, копыта, перья, чешую рыб. В состав мышц структурные белки входят вместе с белками, выполняющими сократительные функции. Сокращение мышц (важнейшая роль белков этого типа) - это превращение части химической энергии таких белков в механическую работу. Очень большая группа белков регулирует химические реакции в организмах. Это ферменты (биологические катализаторы). В настоящее время их известно более тысячи. Высокоразвитые организмы умеют вырабатывать еще и защитные белки - так называемые антитела, которые способны осаждать или связывать и тем обезвреживать проникшие извне в организм посторонние вещества и тела.
Наряду с белками важнейшие функции жизни несут нуклеиновые кислоты. В живом организме всегда происходит обмен веществ. Постоянно обновляется состав почти всех его клеток. Обновляются и белки клеток. Но ведь для каждого органа, для каждой ткани нужно изготовить свой особенный белок, со своим неповторимым порядком аминокислот в цепи. Хранители этого порядка - нуклеиновые кислоты. Нуклеиновые кислоты являются своего рода шаблонами, по которым организмы строят свои белки. Часто образно говорят, что в них записан код синтеза белка. Для каждого белка - свой код, свой шаблон. У нуклеиновых кислот есть еще одна функция. Они шаблоны и для самих нуклеиновых кислот. Это своего рода «запоминающее устройство», при помощи которого каждый вид живых существ передает из поколения в поколение коды построения своих белков (см. ст. «Химия жизни»).
Опорные функции в живой природе выполняют не только белки. В растениях, например, опорные, скелетные вещества - целлюлоза и лигнин. Это тоже полимерные вещества, но совсем другого типа. Длинные цепи атомов целлюлозы построены из молекул глюкозы, относящейся к группе Сахаров. Поэтому целлюлозу относят к полисахаридам. Строение лигнина до сих пор окончательно не установлено. Это тоже полимер, по-видимому, с сетчатыми молекулами. А у насекомых опорные функции выполняет хитин - тоже полисахарид.
Есть большая группа веществ (жиры, сахара, или углеводы), которые переносят и запасают химическую энергию. Они (вместе с белками пищи) являются запасным строительным материалом, необходимым для образования новых клеток (см. ст. «Химия пищи»). Множество органических веществ (витамины, гормоны) в живых организмах играют роль регуляторов жизнедеятельности. Одни регулируют дыхание или пищеварение, другие - рост и деление клеток, третьи - деятельность нервной системы и т. п. В живых организмах содержатся многочисленные вещества самых разнообразных назначений: красящие, которым мир цветов обязан своей красотой, пахучие - привлекающие или отпугивающие, защищающие от внешних врагов, и много других. Растения и животные, даже каждая отдельная клетка - это маленькие, но очень сложные лаборатории, в которых возникают, превращаются и разлагаются тысячи органических веществ. Многочисленные и разнообразные химические реакции протекают в этих лабораториях в строго определенной последовательности. Создаются, растут и затем распадаются сложнейшие структуры...
Мир органических веществ окружает нас, мы сами состоим из них, и вся живая природа, среди которой мы живем и которую мы постоянно используем, состоит из органических веществ.
Строение природного полимера - белка фиброина шелка. Отдельные полимерные цепи соединены между собой водородными связями (пунктир).
От неживой материи вирусы отличаются двумя свойствами: способностью воспроизводить себе подобные формы (размножаться) и обладанием наследственностью и изменчивостью.
Устроены вирусы очень просто. Каждая вирусная частица состоит из РНК или ДНК, заключенной в белковую оболочку, которую называют капсидом (рис. 16).
2. Жизнедеятельность вирусов.
Проникнув в клетку, вирус изменяет в ней обмен веществ, направляя всю ее деятельность на производство вирусной нуклеиновой кислоты и вирусных белков. Внутри клетки происходит самосборка вирусных частиц из синтезированных молекул нуклеиновой кислоты и белков. До момента гибели в клетке успевает синтезироваться огромное число вирусных частиц. В конечном итоге клетка гибнет, оболочка ее лопается и вирусы выходят из клетки-хозяина (рис. 17).
Поселяясь в клетках живых организмов, вирусы вызывают многие опасные заболевания: у человека грипп, оспу, корь, полиомиелит, свинку, бешенство, СПИД и многие другие; у растений мозаичную болезнь табака, томатов, огурцов, скручивание листьев, карликовость и др.; у животных ящур, чуму свиней и птиц, инфекционную анемию лошадей и др.
Вопросы к зачету по разделу «Молекулярный уровень живой природы»
Каждому варианту будет предложено 10 вопросов
на каждый вопрос нужно дать ответ одним полным предложением
- Какие элементы входят в состав углеводов? Запишите общую формулу углеводов.
- Какие углеводы входят в состав нуклеиновых кислот (ДНК и РНК)?
- Запишите названия наиболее важных дисахаридов.
- Запишите названия наиболее важных полисахаридов.
- Какие полисахариды входят в состав клеточных стенок клеток растений и грибов?
- Какие углеводы накапливаются в клетках растений и животных в качестве запасных веществ?
- Запишите общую формулу аминокислоты.
- Чем представлены первичная и вторичная структуры белков?
- Чем представлены третичная и четвертичная структуры белков?
- Что такое денатурация?
- Какие молекулы относятся к биополимерам?
- Что такое ферменты?
- Как называется участок фермента, взаимодействующий с молекулой субстрата?
- Где в клетке находятся молекулы ДНК?
- Какие азотистые основания входят в состав нуклеотидов ДНК? РНК?
- Сколько водородных связей образуется между комплементарными азотистыми основаниями в ДНК?
- Какие функции выполняют ДНК и РНК в клетке?
- Какие углеводы входят в состав нуклеотидов ДНК? РНК?
- Какие органические молекулы, кроме белков, обладают каталитической активностью?
- Какие виды РНК различают в клетке?
- Где в клетке находятся молекулы РНК?
- Из остатков каких молекул состоят жиры?
- Сколько энергии выделяется при окислении жира по сравнению с углеводами?
- Какие молекулы являются хранителями генетической информации?
- Какие молекулы главный строительный материал клетки? Основной и запасной источник энергии?
- Какой углевод и какое азотистое основание входят в состав АТФ?
- Какое количество энергии выделяется при распаде АТФ до АМФ и 2 молекул Н 3 РО 4 ?
- Почему для нормального обмена веществ организму необходимы витамины?
- Какие нуклеиновые кислоты могут встречаться в вирусах?
- Перечислите 5 заболеваний человека, вызываемых вирусами.
Молекулярный уровень – начальный, наиболее глубинный уровень организации живого Каждый организм состоит из молекул органических веществ, находящихся в клетке – это биологические молекулы Живые организмы состоят из тех же химических элементов, что и неживые. В настоящее время известно более 100 элементов, большая часть их содержится в живых организмах Наиболее распространенные в живой природе: углевод (С), кислород (О), водород (Н) и азот (N) Основой всех органических соединений служит углерод, он вступает в связь с многими атомами и их группами – образует цепочки, различные по химическому составу, длине и форме.
Мономеры – группы атомов, относительно просто устроенная, входящая в состав сложных химических соединений Полимер – цепь, состоящая из многочисленных звеньев – мономеров Биополимеры – полимеры, входящие в состав живых организмов Молекула полимера состоит из тысяч соединенных между собой мономеров (одинаковых или разных) Свойства биополимеров зависят от: строения мономеров числа мономеров разнообразия мономеров Биополимеры универсальны, т.к. построены по одному плану у всех живых организмов.
История исследований
Впервые существование вируса (как нового типа возбудителя болезней) доказал в 1892 году русский учёный Д. И. Ивановский и др . После многолетних исследований заболеваний табачных растений , в работе, датированной 1892 годом, Д. И. Ивановский приходит к выводу, что табачная мозаика вызывается «бактериями, проходящими через фильтр Шамберлана, которые, однако, не способны расти на искусственных субстратах».
Пять лет спустя, при изучении заболеваний крупного рогатого скота, а именно - ящура, был выделен аналогичный фильтрующийся микроорганизм. А в 1898 году, при воспроизведении опытов Д. Ивановского голландским ботаником М. Бейеринком , он назвал такие микроорганизмы «фильтрующимися вирусами». В сокращённом виде, это название и стало обозначать данную группу микроорганизмов.
В последующие годы изучение вирусов сыграло важнейшую роль в развитии эпидемиологии , иммунологии , молекулярной генетики и других разделов биологии. Так, эксперимент Херши - Чейз стал решающим доказательством роли ДНК в передаче наследственных свойств. В разные годы ещё как минимум шесть Нобелевских премий по физиологии и медицине и три Нобелевских премии по химии были вручены за исследования, непосредственно связанные с изучением вирусов.
Строение
Просто организованные вирусы состоят из нуклеиновой кислоты и нескольких белков, образующих вокруг неё оболочку - капсид . Примером таких вирусов является вирус табачной мозаики. Его капсид содержит один вид белка с небольшой молекулярной массой. Сложно организованные вирусы имеют дополнительную оболочку - белковую или липопротеиновую; иногда в наружных оболочках сложных вирусов помимо белков содержатся углеводы . Примером сложно организованных вирусов служат возбудители гриппа и герпеса . Их наружная оболочка - это фрагмент ядерной или цитоплазматической мембраны клетки-хозяина, из которой вирус выходит во внеклеточную среду.
Роль вирусов в биосфере
Вирусы являются одной из самых распространённых форм существования органической материи на планете по численности: воды мирового океана содержат колоссальное количество бактериофагов (около 250 миллионов частиц на миллилитр воды), их общая численность в океане - около 4·10 30 , а численность вирусов (бактериофагов) в донных отложениях океана практически не зависит от глубины и всюду очень высока . В океане обитают сотни тысяч видов (штаммов) вирусов, подавляющее большинство которых не описаны и тем более не изучены . Вирусы играют важную роль в регуляции численности популяций некоторых видов живых организмов (например, вирус дикования с периодом в несколько лет сокращает численность песцов в несколько раз).
Положение вирусов в системе живого
Происхождение вирусов
Вирусы - сборная группа, не имеющая общего предка. В настоящее время существует несколько гипотез, объясняющих происхождение вирусов.
Происхождение некоторых РНК-содержащих вирусов связывают с вироидами . Вироиды представляют собой высокоструктурированные кольцевые фрагменты РНК, реплицируемые клеточной РНК-полимеразой . Считается, что вироиды представляют собой «сбежавшие интроны » - вырезанные в ходе сплайсинга незначащие участки мРНК , которые случайно приобрели способность к репликации . Белков вироиды не кодируют. Считается, что приобретение вироидами кодирующих участков (открытой рамки считывания) и привело к появлению первых РНК-содержащих вирусов. И действительно, известны примеры вирусов, содержащих выраженные вироид-подобные участки (вирус гепатита Дельта).
Примеры структур икосаэдрических вирионов.
А. Вирус, не имеющий липидной оболочки (например, пикорнавирус).
B. Оболочечный вирус (например, герпесвирус).
Цифрами обозначены: (1) капсид, (2) геномная нуклеиновая кислота, (3) капсомер, (4) нуклеокапсид, (5) вирион, (6) липидная оболочка, (7) мембранные белки оболочки.
Классификация Балтимора
Нобелевский лауреат, биолог Дэвид Балтимор, предложил свою схему классификации вирусов, основываясь на различиях в механизме продукции мРНК. Эта система включает в себя семь основных групп :
- (I) Вирусы, содержащие двуцепочечную ДНК и не имеющие РНК-стадии (например, герпесвирусы , поксвирусы , паповавирусы, мимивирус).
- (II) Вирусы, содержащие двуцепочечную РНК (например, ротавирусы).
- (III) Вирусы, содержащие одноцепочечную молекулу ДНК (например, парвовирусы).
- (IV) Вирусы, содержащие одноцепочечную молекулу РНК положительной полярности (например, пикорнавирусы , флавивирусы).
- (V) Вирусы, содержащие одноцепочечную молекулу РНК негативной или двойной полярности (например, ортомиксовирусы, филовирусы).
- (VI) Вирусы, содержащие одноцепочечную молекулу РНК и имеющие в своем жизненном цикле стадию синтеза ДНК на матрице РНК, ретровирусы (например, ВИЧ).
- (VII) Вирусы, содержащие двуцепочечную ДНК и имеющие в своём жизненном цикле стадию синтеза ДНК на матрице РНК, ретроидные вирусы (например, вирус гепатита B).
В настоящее время, для классификации вирусов используются обе системы одновременно, как дополняющие друг друга .
Дальнейшее деление производится на основе таких признаков как структура генома (наличие сегментов, кольцевая или линейная молекула), генетическое сходство с другими вирусами, наличие липидной оболочки, таксономическая принадлежность организма-хозяина и так далее.
Вирусы в массовой культуре
В литературе
- S.T.A.L.K.E.R. (фантастический роман)
В кинематографе
- Обитель зла » и его продолжениях.
- В фантастическом фильме ужасов «28 дней спустя » и его продолжениях.
- В сюжете фильма-катастрофы «Эпидемия » присутствует вымышленный вирус «мотаба», описание которого напоминает реальный вирус Эбола .
- В фильме «Добро пожаловать в Зомбилэнд ».
- В фильме «Лиловый шар ».
- В фильме «Носители ».
- В фильме «Я - Легенда ».
- В фильме «Заражение ».
- В фильме «Репортаж ».
- В фильме «Карантин ».
- В фильме «Карантин 2: Терминал ».
- В сериале «Регенезис ».
- В телесериале «Ходячие мертвецы ».
- В телесериале «Закрытая школа ».
- В фильме «Носители ».
В мультипликации
В последние годы вирусы нередко становятся «героями» мультфильмов и мультсериалов, среди которых следует назвать, например, «Осмозис Джонс» (США), 2001), «Оззи и Дрикс» (США , 2002-2004 гг.) и «Вирус атакует » (Италия , 2011).
Примечания
- На английском языке . В латинском языке вопрос о множественном числе данного слова является спорным. Слово лат. virus принадлежит редкой разновидности II склонения, словам среднего рода на -us: Nom.Acc.Voc. virus, Gen. viri, Dat.Abl. viro. Так же склоняются лат. vulgus и лат. pelagus ; в классической латыни множественное число зафиксировано только у последнего: лат. pelage , форма древнегреческого происхождения, где η<εα.
- Таксономия вирусов на сайте Международного комитета по таксономии вирусов (ICTV) .
- (англ.) )
- Cello J, Paul AV, Wimmer E (2002). «Chemical synthesis of poliovirus cDNA: generation of infectious virus in the absence of natural template». Science 297 (5583): 1016–8. DOI :10.1126/science.1072266 . PMID 12114528 .
- Bergh O, Børsheim KY, Bratbak G, Heldal M (August 1989). «High abundance of viruses found in aquatic environments». Nature 340 (6233): 467–8. DOI :10.1038/340467a0 . PMID 2755508 .
- Элементы - новости науки: Разрушая бактериальные клетки, вирусы активно участвуют в круговороте веществ в глубинах океана
Задания части А. Выберите один правильный ответ из четырех предложенных
А1. Низшим уровнем организации живого является:
1) атомный
2) клеточный
3) молекулярный
4) организменный
А2. Среди пеерчисленных веществ не является биологическим полимером:
2) глюкоза
3) гликоген
4) гемоглобин
А3. Неорганическими веществами клетки являются:
1) углеводы и жиры
2) нуклеиновые кислоты и вода
3) белки и жиры
4) вода и минеральная вода
А4. Органические вещества клетки, обеспечивающие хранение наследственной информации и передачу ее потомкам, основа ее генетического аппарата:
3) углеводы
4) нуклеиновые кислоты
А5. Из перечисленных углеводом моносахаридом является:
2) крахмал
3) сахароза
4) фруктоза
А6. Молекулы липидов состоят из:
1) аминоксилот
2) моносахаридов
3) воды и минеральных веществ
4) глицерина и высших жирных кислот
А7. По сравнению с окислением 1 г углеродов при оксилении жиров такой же массы образуется энергии:
1) меньше в два раза
2) больше в два раза
3) больше в четыре раза
4) одинаковое количество
А8. Органические вещества, являющиеся основным строительным материалом структур клетки и принимающие участие в регуляции процессов ее жизнедеятельности, - это:
1) белки
3) углеводы
4) нуклеиновые кислоты
А9. Все многообразие белков образуется за счет различного сочетания в их молекулах:
1) 4 аминокислот
2) 20 аминокислот
3) 28 аминокислот
4) 56 аминокислот
А10. Нивысший уровень пространственной структурной конфигурации молекулы гемоглобина:
1) первичный
2) вторичный
3) третичный
4) четвертичный
А11. Мономерами молекул нуклеиновых кислот являются:
1) нуклеотиды
2) моносахариды
3) аминоксилоты
4) высшие жирные кислоты
А12. В состав ДНК входит сахар:
2) глюкоза
3) фруктоза
4) дезоксирибоза
А13. Укажите пару комплементарный нуклеотидов в молекуле ДНК:
2) А-Т
А14. Для участка ДНК АЦЦГТААТГ укажите комплементарую цепь:
1) ААГГТЦАГТ
2) ТГГЦТААЦЦ
3) ТЦЦГТТАЦГ
4) ТГГЦАТТАЦ
А15. В состав АТФ входиьт:
1) рибоза, аденин, три остатка фосфорной кислоты
2) рибоза, аденин, один остаток фосфорной кислоты
3) рибоза, дезоксирибоза, три остатка фосфорной кислоты
4) дезоксирибоза, аденин, три остатка фосфорной кислоты
А16. АТФ играет важную роль в метаболизме организмов, так как:
1) является структурной основой нуклеотидов
2) содержит микроэнергический связи
3) обычно является конечным продуктом обмена веществ
4) ее можно быстро получить из среды, окружающей организм
А17. К водорастворимым относится витамин:
2) С
А18. По химическому составу большинство ферментов являются:
2) белками
3) углеводами
4) нуклеиновыми кислотами
2) вирусы
3) бактерии
4) одноклеточные растения
А20. Вирусы состоят из:
1) целлюлозной оболочки, цитоплазмы, ядра
2) белковой оболочки и цитоплазмы
3) нуклеиновой кислоты и белковой оболочки
4) нескольктх микроскопических клеток
Задания части В. Выберите три правильных ответа из шести предложенных
В1. Молекула ДНК отличается от иРНК тем, что:
1) она свернута в спираль
2) состоит из двух полинуклеотидных цепочек
3) состоит из одной полинуклеотидной цепочки
4) обладает способностью самоудваивания
5) не обладает способностью самоудваивания
6) служит матрицей для сборки полипептидной цепи
В2. Для углеводов характерны следующие функции:
1) сигнальная
2) структурная
3) транспортная
4) регуляторная
5) энергетическая
6) ферментативная
Установите соответствие между содержанием первого и второго столбцов
В3. Соотнесите органическое вещество и функцию, выполняемую им в клетке и/или в организме
а б в г д 5 1 4 2 3
Установите правильную последовательность биологических процессов, явлений, практических действий
В4. Установите последовательность образования структуры молекулы белка гемоглобина
а) скручивание молекул белка в спираль
б) образование пептидных связей между аминокислотами и формирование пептидной цепи
в) объединение нескольких глобул
г) скручивание молекулы белка в клубок