Amerikanischen Wissenschaftlern ist es gelungen, ein Molekül zu erschaffen, das der Vorfahr moderner molekularer Träger erblicher Informationen in einer lebenden Zelle sein könnte – Nukleinsäuren. Es wurde TNK genannt, weil es den aus vier Kohlenstoffatomen bestehenden Zucker Tetrose enthält. Es wird angenommen, dass im Laufe der Evolution die uns bekannte DNA und RNA daraus entstanden ist.

Bisher können Wissenschaftler, die sich mit der Rekonstruktion von Ereignissen auf der Erde vor etwa vier Milliarden Jahren befassen, eine einfache und zugleich sehr wichtige Frage nicht beantworten: Wie entstand Desoxyribonukleinsäure oder einfacher DNA?

Denn ohne dieses Molekül könnten die ersten lebenden Zellen (oder ihre Vorgänger) keine Informationen über die Struktur von Proteinen speichern, die für die Selbstreproduktion notwendig sind. Das heißt, ohne DNA wäre das Leben einfach nicht in der Lage, sich räumlich und zeitlich auf unserem Planeten auszubreiten.

Zahlreiche Experimente haben gezeigt, dass sich die DNA selbst nicht zusammensetzen kann, egal unter welchen Bedingungen alle ihre „Ersatzteile“ platziert werden. Um dieses Molekül zu erzeugen, ist die Aktivität von mehreren Dutzend Enzymproteinen erforderlich. Und wenn ja, dann entsteht in der Argumentation der Evolutionisten sofort ein Teufelskreis, wie das Problem des Vorrangs von Huhn und Ei: Wo könnten Enzyme herkommen, wenn es selbst keine DNA gibt? Denn genau in diesem komplexen Molekül sind Informationen über ihre Struktur festgehalten.

Zwar haben kürzlich einige Molekularbiologen einen Ausweg aus dieser Sackgasse vorgeschlagen: Sie glauben, dass zuvor erbliche Informationen in der „Schwester“-DNA, Ribonukleinsäure oder RNA, gespeichert waren. Nun, dieses Molekül ist unter bestimmten Bedingungen in der Lage, sich selbst zu kopieren, und zahlreiche Experimente bestätigen dies (mehr dazu lesen Sie im Artikel „Am Anfang war... Ribonukleinsäure“).

Es scheint, dass eine Lösung gefunden wurde – zunächst kopierten sich Ribozyme (die sogenannten RNA-Moleküle mit enzymatischer Aktivität) und „erhielten“ nebenbei durch Mutation Informationen über neue nützliche Proteine. Nach einiger Zeit sammelten sich diese Informationen so stark an, dass die RNA eine einfache Sache „verstand“ – nun muss sie die ziemlich komplexe Arbeit des Selbstkopierens nicht mehr leisten. Und bald verwandelte der nächste Mutationszyklus die RNA in eine komplexere, aber gleichzeitig stabilere DNA, die solchen „Unsinn“ nicht mehr machte.

Eine endgültige Antwort auf die Frage, wie Nukleinsäuren entstanden, wurde jedoch nicht gefunden. Denn es blieb noch unklar, wie die allererste RNA mit der Fähigkeit, sich selbst zu kopieren, entstand. Denn selbst es ist, wie Experimente gezeigt haben, nicht zur Selbstorganisation fähig – sein Molekül ist dafür auch sehr komplex.

Einige Molekularbiologen vermuteten jedoch, dass es in jenen fernen Zeiten vielleicht eine andere Nukleinsäure gegeben haben könnte, deren Struktur einfacher war als DNA und RNA. Und sie war zunächst das Molekül, das Informationen speicherte.

Es ist jedoch recht schwierig, eine solche Annahme zu überprüfen, da es derzeit außer DNA und RNA keine anderen „Bewahrer“ von Informationen aus der Gruppe dieser Säuren gibt. Moderne Methoden der Biochemie ermöglichen es jedoch, eine solche Verbindung nachzubilden und dann experimentell zu testen, ob sie für die Rolle des „Hauptmoleküls des Lebens“ geeignet ist oder nicht.

Und kürzlich haben Wissenschaftler der University of Arizona (USA) vorgeschlagen, dass der gemeinsame Vorfahre von DNA und RNA TNA oder Tetrosonukleinsäure sein könnte. Es unterscheidet sich von seinen Nachkommen dadurch, dass die „Zucker-Phosphat-Brücke“ dieser Substanz, die stickstoffhaltige Basen (oder Nukleotide) zusammenhält, keine Pentose enthält – einen Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen, sondern eine Tetrose mit vier Kohlenstoffatomen. Und diese Zuckerart ist viel einfacher als die Fünf-Kohlenstoff-Ringe der DNA und RNA. Und was am wichtigsten ist: Sie können selbst zusammengebaut werden – aus zwei identischen Zwei-Kohlenstoff-Teilen.

Amerikanische Biochemiker versuchten, mehrere kurze Tetrosemoleküle zu erzeugen, und stellten dabei fest, dass dies nicht den Einsatz eines massiven und komplexen enzymatischen Apparats erforderte – unter bestimmten Bedingungen wurde die Säure nur in einer gesättigten Lösung aus „Ersatzteilen“ gesammelt zwei Enzyme.

Das heißt, es könnte tatsächlich ganz am Anfang der Entstehung des Lebens aufgetreten sein. Und bis es den ersten lebenden Organismen gelang, einen Enzymapparat zu erwerben, der in der Lage war, RNA und DNA zu synthetisieren, war der TNC der Hüter der Erbinformationen.

Aber könnte dieses Molekül grundsätzlich eine so wichtige Rolle spielen? Nun ist es unmöglich, dies direkt zu testen, da es keine Proteine ​​gibt, die in der Lage sind, Informationen von TNCs zu lesen. Die Molekularbiologen aus Arizona entschieden sich jedoch für einen anderen Weg. Sie führten ein interessantes Experiment durch – sie versuchten, DNA- und TNC-Stränge miteinander zu verbinden. Das Ergebnis war ein Hybridmolekül – in der Mitte der DNA-Kette befand sich ein 70 Nukleotide langes TNA-Fragment. Interessanterweise war dieses Molekül zur Replikation, also zur Selbstkopie, fähig. Und diese Eigenschaft ist die wichtigste für jeden molekularen Informationsträger.

Darüber hinaus haben Wissenschaftler gezeigt, dass sich das TNA-Molekül leicht mit einem Protein verbinden kann und dementsprechend enzymatische Eigenschaften erhält. Die Forscher führten eine Reihe von Experimenten durch, die zeigten, dass TNC eine Struktur erzeugen kann, die spezifisch an das Protein Thrombin bindet: Auf einer DNA-Kette wurde eine TNC-Kette gebildet, aber nachdem die DNA sie verlassen hatte, verlor sie die Merkmale ihrer Struktur nicht und setzte sich fort um das Protein gezielt festzuhalten.

Das TNK-Fragment war 70 Nukleotide lang, was ausreicht, um einzigartige „Sitze“ für Enzymproteine ​​zu schaffen. Das heißt, so etwas wie ein Ribozym könnte auch aus TNCs gewonnen werden (ich möchte Sie daran erinnern, dass es aus RNA besteht, die mit einem Protein verbunden ist).

Experimente haben also gezeigt, dass TNK durchaus der Vorfahre von DNA und RNA sein könnte. Letztere könnten sich aufgrund einer Reihe von Mutationen, die zum Ersatz von Tetrose durch Pentose führten, etwas früher gebildet haben. Und dann stellte sich mit Hilfe der natürlichen Selektion heraus, dass Ribonukleinsäure stabiler und stabiler ist als ihr Tetrose-Vorgänger (Tetrose ist tatsächlich gegenüber einer Reihe chemischer Einflüsse sehr instabil). Und so verdrängte der Nachkomme seinen Vorfahren konkurrenzfähig aus der Nische eines molekularen Informationsträgers.

Es stellt sich die Frage: Könnten TNCs Vorfahren gehabt haben, die einen einfacheren Zucker als Tetrose enthielten? Höchstwahrscheinlich nicht, und hier ist der Grund dafür. Zucker können erst ab vier Kohlenstoffatomen zyklische Strukturen bilden; Kohlenhydrate mit drei Kohlenstoffatomen sind dazu nicht in der Lage. Nun, ohne dies wird keine Nukleinsäure gebildet – nur zyklische Zuckermoleküle sind in der Lage, alle anderen Bestandteile dieser Substanz zu halten. Es scheint also, dass TNK tatsächlich der Erste war.

Anzumerken ist, dass die Autoren des Werkes keineswegs behaupten, dass „es genau so passiert ist“. Streng genommen bewiesen sie lediglich die Möglichkeit der Existenz einer Urform von Ribonukleinsäuren wie TNA (die übrigens in der natürlichen Umgebung der modernen Welt nicht vorkommt). Der Wert der Entdeckung liegt darin, dass einer der wahrscheinlichen Evolutionswege molekularer Träger erblicher Informationen aufgezeigt wurde. Nun, und schließlich ist der alte Streit darüber, was zuerst kam – Nukleinsäure oder Protein – beigelegt …

Frage 1. Welche Prozesse untersuchen Wissenschaftler auf molekularer Ebene?

Auf molekularer Ebene werden die wichtigsten Prozesse des Körpers untersucht: Wachstum und Entwicklung, Stoffwechsel und Energieumwandlung, Speicherung und Übertragung von Erbinformationen, Variabilität.

Frage 2. Welche Elemente dominieren in der Zusammensetzung lebender Organismen?

Ein lebender Organismus enthält mehr als 70-80 chemische Elemente, wobei Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff überwiegen.

Frage 3. Warum gelten Protein-, Nukleinsäure-, Kohlenhydrat- und Lipidmoleküle nur in der Zelle als Biopolymere?

Moleküle aus Proteinen, Nukleinsäuren, Kohlenhydraten und Lipiden sind Polymere, weil sie aus sich wiederholenden Monomeren bestehen. Aber nur in einem lebenden System (Zelle, Organismus) entfalten diese Stoffe ihr biologisches Wesen, besitzen eine Reihe spezifischer Eigenschaften und erfüllen viele wichtige Funktionen. Daher werden solche Substanzen in lebenden Systemen als Biopolymere bezeichnet. Außerhalb eines lebenden Systems verlieren diese Stoffe ihre biologischen Eigenschaften und sind keine Biopolymere.

Frage 4. Was versteht man unter der Universalität von Biopolymermolekülen?

Die Eigenschaften von Biopolymeren hängen von der Anzahl, Zusammensetzung und Anordnungsreihenfolge ihrer Monomerbestandteile ab. Die Möglichkeit, die Zusammensetzung und Reihenfolge der Monomere in der Polymerstruktur zu ändern, ermöglicht die Existenz einer großen Vielfalt an Biopolymeroptionen, unabhängig von der Art des Organismus. In allen lebenden Organismen werden Biopolymere nach einem einzigen Plan aufgebaut.

1.1. Molekulare Ebene: allgemeine Eigenschaften

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• Welche Prozesse untersuchen Wissenschaftler auf molekularer Ebene?
• Was versteht man unter der Universalität von Biopolymermolekülen?
• welche Elemente in lebenden Organismen vorherrschen
• warum Moleküle aus Proteinen, Nukleinsäuren, Kohlenhydraten und Lipiden nur in der Zelle als Biopolymere betrachtet werden
• warum Moleküle Proteine ​​Nukleinsäuren Kohlenhydrate und Lipide

Welche Elemente überwiegen in lebenden Organismen?
Warum gelten Moleküle aus Proteinen, Nukleinsäuren, Kohlenhydraten und Lipiden nur in der Zelle als Biopolymere?
Was versteht man unter dem Wort Universalität von Biopolymermolekülen?

1.Welche Substanz ist in Wasser gut löslich? a) Ballaststoffe b) Protein c) Glukose d) Lipide 2. Proteinmoleküle unterscheiden sich voneinander

a) Sequenz des Aminosäurewechsels

b) die Anzahl der Aminosäuren im Molekül

c) die Form der Tertiärstruktur

d) alle angegebenen Funktionen

3. In welchem ​​Fall wird die Zusammensetzung eines DNA-Nukleotids korrekt angegeben?

a) Ribose, Phosphorsäurerest, Thymin

b) Phosphorsäure, Uracil, Desoxyribose

c) Phosphorsäurerest, Desoxyribose, Adenin

d) Phosphorsäure, Ribose, Guanin

4. Monomere von Nukleinsäuren sind:

a) stickstoffhaltige Basen

b) Ribose oder Desoxyribose

c) Desoxyribose- und Phosphatgruppen

d) Nukleotide

5. Aminosäuren in einem Proteinmolekül sind verbunden durch:

a) Ionenbindung

b) Peptidbindung

c) Wasserstoffbindung

d) kovalente Bindung

6. Welche Funktion hat Transfer-RNA?

a) überträgt Aminosäuren auf Ribosomen

b) überträgt Informationen aus der DNA

c) bildet Ribosomen

d) alle aufgeführten Funktionen

7. Enzyme sind Biokatalysatoren bestehend aus:

a) Proteine, b) Nukleotide, c) Lipide, c) Fette

8. Zu den Polysacchariden gehören:

a) Stärke, Ribose

b) Glykogen, Glukose

c) Zellulose, Stärke

d) Stärke, Saccharose

9. Kohlenstoff als Element ist enthalten in:

a) Proteine ​​und Kohlenhydrate

b) Kohlenhydrate und Lipide

c) Kohlenhydrate und Nukleinsäuren

d) alle organischen Verbindungen der Zelle

10. Die Zelle enthält DNA:

a) im Zellkern und in den Mitochondrien

b) im Zellkern, Zytoplasma und verschiedenen Organellen

c) im Zellkern, in den Mitochondrien und im Zytoplasma

d) im Zellkern, Mitochondrien, Chloroplasten

WAS IST EIN NUKLEINSÄUREMONOMETER? OPTIONEN (AMINOSÄURE, NUKLEOTID, PROTEINMOLEKÜL?) WAS IST ENTHALTEN

NUKLEOTIDZUSAMMENSETZUNG

OPTIONEN: (AMINOSÄURE, STICKSTOFFBASIS, PHOSPHORSÄURERÜCKSTÄNDE, KOHLENHYDRAT?)

Helfen Sie mir bitte!

1. Die Wissenschaft, die Zellen untersucht, heißt:
A) Genetik;
B) Auswahl;
B) Ökologie;
B) Zytologie.
2. Organische Substanzen der Zelle:
A) Wasser, Mineralien, Fette;
B) Kohlenhydrate, Lipide, Proteine, Nukleinsäuren;
C) Kohlenhydrate, Mineralien, Fette;
D) Wasser, Mineralien, Proteine.
3. Von allen organischen Substanzen besteht der Großteil der Zelle aus:
A) Proteine.
B) Kohlenhydrate
B) Fette
D) Wasser.
4. Ersetzen Sie die hervorgehobenen Wörter durch ein Wort:
A) Kleine Moleküle organischer Substanzen bilden in der Zelle komplexe Moleküle.
B) Die permanenten Strukturbestandteile der Zelle erfüllen lebenswichtige Funktionen für die Zelle.
C) Die hochgeordnete, halbflüssige innere Umgebung der Zelle gewährleistet die chemische Interaktion aller Zellstrukturen.
D) Das wichtigste photosynthetische Pigment verleiht Chloroplasten die grüne Farbe.
5. Die Anreicherung und Verpackung chemischer Verbindungen im Stick erfolgt:
A) Mitochondrien;
B) Ribosomen;
B) Lysosomen;
D) Golgi-Komplex.
6. Die Funktionen der intrazellulären Verdauung werden erfüllt von:
A) Mitochondrien;
B) Ribosomen;
B) Lysosomen;
D) Golgi-Komplex.
7. Der „Zusammenbau“ eines polymeren Proteinmoleküls erfolgt:
A) Mitochondrien;
B) Ribosomen;
B) Lysosomen;
D) Golgi-Komplex.
8. Die Reihe chemischer Reaktionen, die zum Abbau organischer Substanzen und zur Freisetzung von Energie führen, heißt:
A) Katabolismus;
B) Anabolismus;
B) Stoffwechsel;
D) Assimilation
9. Das „Kopieren“ genetischer Informationen aus einem DNA-Molekül durch die Erzeugung von mRNA wird genannt:
Eine Übertragung;
B) Transkription;
B) Biosynthese;
D) Glykolyse.
10. Der Prozess der Bildung organischer Substanzen unter Licht in Chloroplasten unter Verwendung von Wasser und Kohlendioxid heißt:
A) Photosynthese;
B) Transkription;
B) Biosynthese;
D) Glykolyse.
11. Der enzymatische und sauerstofffreie Prozess der Zersetzung organischer Stoffe heißt:
A) Photosynthese;
B) Transkription;
B) Biosynthese;
D) Glykolyse.
12. Nennen Sie die wichtigsten Bestimmungen der Zelltheorie.

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Biologie– Life Science ist eine der ältesten Wissenschaften. Der Mensch hat über Jahrtausende hinweg Wissen über lebende Organismen gesammelt. Mit der Anhäufung von Wissen differenzierte sich die Biologie in eigenständige Wissenschaften (Botanik, Zoologie, Mikrobiologie, Genetik usw.). Die Bedeutung von Grenzdisziplinen, die die Biologie mit anderen Wissenschaften verbinden – Physik, Chemie, Mathematik etc. – nimmt zunehmend zu. Durch die Integration entstanden Biophysik, Biochemie, Weltraumbiologie etc.

Derzeit ist die Biologie eine komplexe Wissenschaft, die durch die Differenzierung und Integration verschiedener Disziplinen entstanden ist.

In der Biologie kommen verschiedene Forschungsmethoden zum Einsatz: Beobachtung, Experiment, Vergleich usw.

Die Biologie untersucht lebende Organismen. Es handelt sich um offene biologische Systeme, die Energie und Nährstoffe aus der Umwelt aufnehmen. Lebende Organismen reagieren auf äußere Einflüsse, enthalten alle Informationen, die sie für Entwicklung und Fortpflanzung benötigen, und sind an einen bestimmten Lebensraum angepasst.

Alle lebenden Systeme, unabhängig von der Organisationsebene, weisen gemeinsame Merkmale auf und die Systeme selbst stehen in ständiger Interaktion. Wissenschaftler unterscheiden die folgenden Organisationsebenen der lebenden Natur: molekular, zellulär, Organismus, Populationsart, Ökosystem und Biosphäre.

Kapitel 1. Molekulare Ebene

Die molekulare Ebene kann als die anfängliche, tiefste Organisationsebene von Lebewesen bezeichnet werden. Jeder lebende Organismus besteht aus Molekülen organischer Substanzen – Proteinen, Nukleinsäuren, Kohlenhydraten, Fetten (Lipiden), sogenannten biologischen Molekülen. Biologen untersuchen die Rolle dieser lebenswichtigen biologischen Verbindungen beim Wachstum und der Entwicklung von Organismen, der Speicherung und Übertragung von Erbinformationen, dem Stoffwechsel und der Energieumwandlung in lebenden Zellen und anderen Prozessen.

In diesem Kapitel lernen Sie

Was sind Biopolymere?

Welche Struktur haben Biomoleküle?

Welche Funktionen erfüllen Biomoleküle?

Was sind Viren und was sind ihre Merkmale?

§ 4. Molekulare Ebene: allgemeine Merkmale

1. Was ist ein chemisches Element?

2. Wie nennt man ein Atom und ein Molekül?

3. Welche organischen Stoffe kennen Sie?

Jedes lebende System, egal wie komplex es organisiert ist, manifestiert sich auf der Funktionsebene biologischer Makromoleküle.

Durch die Untersuchung lebender Organismen haben Sie erfahren, dass sie aus denselben chemischen Elementen bestehen wie nichtlebende. Derzeit sind mehr als 100 Elemente bekannt, die meisten davon kommen in lebenden Organismen vor. Zu den häufigsten Elementen in der belebten Natur gehören Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff. Es sind diese Elemente, die Moleküle (Verbindungen) der sogenannten bilden organische Substanz.

Die Basis aller organischen Verbindungen ist Kohlenstoff. Es kann mit vielen Atomen und ihren Gruppen interagieren und Ketten bilden, die sich in chemischer Zusammensetzung, Struktur, Länge und Form unterscheiden. Aus Gruppen von Atomen werden Moleküle gebildet, und aus letzteren entstehen komplexere Moleküle, die sich in Struktur und Funktion unterscheiden. Diese organischen Verbindungen, aus denen die Zellen lebender Organismen bestehen, werden genannt biologische Polymere oder Biopolymere.

Polymer(aus dem Griechischen Richtlinien- zahlreich) - eine Kette bestehend aus zahlreichen Gliedern - Monomere, von denen jedes relativ einfach ist. Ein Polymermolekül kann aus vielen tausend miteinander verbundenen Monomeren bestehen, die gleich oder unterschiedlich sein können (Abb. 4).

Reis. 4. Schema der Struktur von Monomeren und Polymeren

Die Eigenschaften von Biopolymeren hängen von der Struktur ihrer Moleküle ab: von der Anzahl und Vielfalt der Monomereinheiten, die das Polymer bilden. Sie alle sind universell, da sie für alle lebenden Organismen, unabhängig von der Art, nach dem gleichen Plan aufgebaut sind.

Jede Art von Biopolymer zeichnet sich durch eine spezifische Struktur und Funktion aus. Ja, Moleküle Proteine Sie sind die wichtigsten Strukturelemente von Zellen und regulieren die in ihnen ablaufenden Prozesse. Nukleinsäuren an der Übertragung genetischer (erblicher) Informationen von Zelle zu Zelle, von Organismus zu Organismus beteiligt sein. Kohlenhydrate Und Fette Sie sind die wichtigsten Energiequellen, die für das Leben von Organismen notwendig sind.

Auf molekularer Ebene findet die Umwandlung aller Arten von Energie und Stoffwechsel in der Zelle statt. Die Mechanismen dieser Prozesse sind auch für alle lebenden Organismen universell.

Gleichzeitig stellte sich heraus, dass die vielfältigen Eigenschaften der Biopolymere, aus denen alle Organismen bestehen, auf unterschiedliche Kombinationen weniger Arten von Monomeren zurückzuführen sind, die viele Varianten langer Polymerketten bilden. Dieses Prinzip liegt der Vielfalt des Lebens auf unserem Planeten zugrunde.

Die spezifischen Eigenschaften von Biopolymeren treten nur in einer lebenden Zelle auf. Sobald Biopolymermoleküle aus Zellen isoliert werden, verlieren sie ihre biologische Essenz und werden nur durch die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Verbindungsklasse charakterisiert, zu der sie gehören.

Nur durch das Studium der molekularen Ebene kann man verstehen, wie die Prozesse der Entstehung und Entwicklung des Lebens auf unserem Planeten abliefen, was die molekularen Grundlagen der Vererbung und der Stoffwechselprozesse in einem lebenden Organismus sind.

Die Kontinuität zwischen der molekularen Ebene und der nächsten zellulären Ebene wird dadurch gewährleistet, dass biologische Moleküle das Material sind, aus dem supramolekulare – zelluläre – Strukturen gebildet werden.

Organische Substanzen: Proteine, Nukleinsäuren, Kohlenhydrate, Fette (Lipide). Biopolymere. Monomere

Fragen

1. Welche Prozesse untersuchen Wissenschaftler auf molekularer Ebene?

2. Welche Elemente dominieren in der Zusammensetzung lebender Organismen?

3. Warum gelten Protein-, Nukleinsäure-, Kohlenhydrat- und Lipidmoleküle nur in der Zelle als Biopolymere?

4. Was versteht man unter der Universalität von Biopolymermolekülen?

5. Wie wird die Vielfalt der Eigenschaften von Biopolymeren erreicht, aus denen lebende Organismen bestehen?

Aufgaben

Welche biologischen Muster lassen sich anhand der Textanalyse des Absatzes formulieren? Besprechen Sie sie mit den Kursteilnehmern.

§ 5. Kohlenhydrate

1. Welche mit Kohlenhydraten verwandten Stoffe kennen Sie?

2. Welche Rolle spielen Kohlenhydrate in einem lebenden Organismus?

3. Durch welchen Prozess entstehen Kohlenhydrate in den Zellen grüner Pflanzen?

Kohlenhydrate, oder Saccharide ist eine der Hauptgruppen organischer Verbindungen. Sie sind Teil der Zellen aller lebenden Organismen.

Kohlenhydrate bestehen aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Sie erhielten den Namen „Kohlenhydrate“, weil die meisten von ihnen im Molekül das gleiche Verhältnis von Wasserstoff und Sauerstoff aufweisen wie im Wassermolekül. Die allgemeine Formel von Kohlenhydraten lautet C n (H 2 0) m.

Alle Kohlenhydrate werden in einfache oder unterteilt Monosaccharide, und komplex, oder Polysaccharide(Abb. 5). Von den Monosacchariden sind sie die wichtigsten für lebende Organismen Ribose, Desoxyribose, Glucose, Fructose, Galactose.

Reis. 5. Die Struktur von Molekülen einfacher und komplexer Kohlenhydrate

Di- Und Polysaccharide werden durch die Kombination von zwei oder mehr Monosaccharidmolekülen gebildet. Also, Saccharose(Rohrzucker), Maltose(Malzzucker), Laktose(Milch Zucker) - Disaccharide, entsteht durch die Fusion zweier Monosaccharidmoleküle. Disaccharide haben ähnliche Eigenschaften wie Monosaccharide. Beide Horony sind beispielsweise wasserlöslich und haben einen süßen Geschmack.

Polysaccharide bestehen aus einer Vielzahl von Monosacchariden. Diese beinhalten Stärke, Glykogen, Cellulose, Chitin usw. (Abb. 6). Mit zunehmender Monomerzahl nimmt die Löslichkeit der Polysaccharide ab und der süße Geschmack verschwindet.

Die Hauptfunktion von Kohlenhydraten ist Energie. Beim Abbau und der Oxidation von Kohlenhydratmolekülen wird Energie freigesetzt (beim Abbau von 1 g Kohlenhydraten – 17,6 kJ), die die lebenswichtigen Funktionen des Körpers sicherstellt. Bei einem Überschuss an Kohlenhydraten reichern sich diese als Reservestoffe (Stärke, Glykogen) in der Zelle an und werden bei Bedarf vom Körper als Energiequelle genutzt. Ein verstärkter Kohlenhydratabbau in den Zellen kann beispielsweise bei der Samenkeimung, intensiver Muskelarbeit und längerem Fasten beobachtet werden.

Kohlenhydrate werden auch als verwendet Baumaterial. Somit ist Cellulose ein wichtiger Strukturbestandteil der Zellwände vieler Einzeller, Pilze und Pflanzen. Aufgrund seiner besonderen Struktur ist Cellulose wasserunlöslich und weist eine hohe Festigkeit auf. Durchschnittlich besteht das Material pflanzlicher Zellwände zu 20–40 % aus Zellulose, und Baumwollfasern bestehen nahezu aus reiner Zellulose, weshalb sie zur Herstellung von Textilien verwendet werden.

Reis. 6. Schema der Struktur von Polysacchariden

Chitin ist Teil der Zellwände einiger Protozoen und Pilze; es kommt auch in bestimmten Tiergruppen vor, beispielsweise bei Arthropoden, als wichtiger Bestandteil ihres Exoskeletts.

Bekannt sind auch komplexe Polysaccharide, die aus zwei Arten von Einfachzuckern bestehen, die sich in langen Ketten regelmäßig abwechseln. Solche Polysaccharide erfüllen strukturelle Funktionen im Stützgewebe von Tieren. Sie sind Teil der Interzellularsubstanz der Haut, Sehnen und Knorpel und verleihen ihnen Festigkeit und Elastizität.

Einige Polysaccharide sind Teil der Zellmembranen und dienen als Rezeptoren, die es den Zellen ermöglichen, sich gegenseitig zu erkennen und zu interagieren.

Kohlenhydrate oder Saccharide. Monosaccharide. Disaccharide. Polysaccharide. Ribose. Desoxyribose. Glucose. Fruktose. Galaktose. Saccharose. Maltose. Laktose. Stärke. Glykogen. Chitin

Fragen

1. Welche Zusammensetzung und Struktur haben Kohlenhydratmoleküle?

2. Welche Kohlenhydrate werden Mono-, Di- und Polysaccharide genannt?

3. Welche Funktionen erfüllen Kohlenhydrate in lebenden Organismen?

Aufgaben

Analysieren Sie Abbildung 6 „Strukturdiagramm von Polysacchariden“ und den Text des Absatzes. Welche Annahmen können Sie aufgrund eines Vergleichs der Strukturmerkmale der Moleküle und der Funktionen von Stärke, Glykogen und Cellulose in einem lebenden Organismus treffen? Besprechen Sie dieses Thema mit Ihren Klassenkameraden.

§ 6. Lipide

1. Welche fettähnlichen Substanzen kennen Sie?

2. Welche Lebensmittel sind reich an Fett?

3. Welche Rolle spielen Fette im Körper?

Lipide(aus dem Griechischen Lipos- Fett) ist eine große Gruppe fettähnlicher Substanzen, die in Wasser unlöslich sind. Die meisten Lipide bestehen aus hochmolekularen Fettsäuren und dem dreiwertigen Alkohol Glycerin (Abb. 7).

Lipide kommen ausnahmslos in allen Zellen vor und erfüllen bestimmte biologische Funktionen.

Fette- die einfachsten und am weitesten verbreiteten Lipide - spielen dabei eine wichtige Rolle Energiequelle. Wenn sie oxidiert werden, liefern sie mehr als doppelt so viel Energie wie Kohlenhydrate (38,9 kJ beim Abbau von 1 g Fett).

Reis. 7. Struktur des Triglyceridmoleküls

Fette sind die Hauptform Lipidspeicherung in einem Käfig. Bei Wirbeltieren stammt etwa die Hälfte der von ruhenden Zellen verbrauchten Energie aus der Fettoxidation. Fette können auch als Wasserquelle genutzt werden (bei der Oxidation von 1 g Fett entsteht mehr als 1 g Wasser). Dies ist besonders wertvoll für Tiere in der Arktis und in der Wüste, die unter Bedingungen der Knappheit an freiem Wasser leben.

Aufgrund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit sind Lipide leistungsstark Schutzfunktionen, d.h. sie dienen der Wärmeisolierung von Organismen. Viele Wirbeltiere verfügen beispielsweise über eine gut definierte Unterhautfettschicht, die ihnen das Leben in kalten Klimazonen ermöglicht, und bei Walen spielt sie noch eine andere Rolle – sie fördert den Auftrieb.

Lipide leisten und Konstruktionsfunktion, da sie aufgrund ihrer Wasserunlöslichkeit wesentliche Bestandteile der Zellmembranen sind.

Viele Hormone(z. B. Nebennierenrinde, Gonaden) sind Lipidderivate. Daher werden Lipide charakterisiert Regulierungsfunktion.

Lipide. Fette. Hormone. Funktionen von Lipiden: Energie, Speicherung, Schutz, Aufbau, Regulierung

Fragen

1. Welche Stoffe sind Lipide?

2. Welche Struktur haben die meisten Lipide?

3. Welche Funktionen erfüllen Lipide?

4. Welche Zellen und Gewebe sind am reichsten an Lipiden?

Aufgaben

Erklären Sie nach der Analyse des Texts des Absatzes, warum viele Tiere vor dem Winter und Wanderfische vor dem Laichen dazu neigen, mehr Fett anzusammeln. Nennen Sie Beispiele für Tiere und Pflanzen, bei denen dieses Phänomen am stärksten ausgeprägt ist. Ist überschüssiges Fett immer gut für den Körper? Besprechen Sie dieses Problem im Unterricht.

§ 7. Zusammensetzung und Struktur von Proteinen

1. Welche Rolle spielen Proteine ​​im Körper?

2. Welche Lebensmittel sind reich an Proteinen?

Unter organischen Substanzen Eichhörnchen, oder Proteine sind die zahlreichsten, vielfältigsten und wichtigsten Biopolymere. Sie machen 50–80 % der Trockenmasse der Zelle aus.

Proteinmoleküle sind groß und werden deshalb so genannt Makromoleküle. Neben Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff können Proteine ​​auch Schwefel, Phosphor und Eisen enthalten. Proteine ​​unterscheiden sich voneinander in der Anzahl (von einhundert bis mehreren tausend), der Zusammensetzung und der Reihenfolge der Monomere. Proteinmonomere sind Aminosäuren (Abb. 8).

Durch unterschiedliche Kombinationen von nur 20 Aminosäuren entsteht eine unendliche Vielfalt an Proteinen. Jede Aminosäure hat ihren eigenen Namen, ihre besondere Struktur und ihre eigenen Eigenschaften. Ihre allgemeine Formel lässt sich wie folgt darstellen:

Ein Aminosäuremolekül besteht aus zwei Teilen, die mit allen Aminosäuren identisch sind, von denen einer eine Aminogruppe (-NH 2) mit basischen Eigenschaften und der andere eine Carboxylgruppe (-COOH) mit sauren Eigenschaften ist. Der als Rest (R) bezeichnete Teil des Moleküls hat für verschiedene Aminosäuren eine unterschiedliche Struktur. Das Vorhandensein basischer und saurer Gruppen in einem Aminosäuremolekül bestimmt ihre hohe Reaktivität. Durch diese Gruppen werden Aminosäuren zu Proteinen zusammengefasst. Dabei entsteht ein Wassermolekül und die freigesetzten Elektronen bilden sich Peptidbindung. Deshalb werden Proteine ​​genannt Polypeptide.

Reis. 8. Beispiele für die Struktur von Aminosäuren – Monomeren von Proteinmolekülen

Proteinmoleküle können unterschiedliche räumliche Konfigurationen haben - Proteinstruktur, und in ihrer Struktur gibt es vier Ebenen der strukturellen Organisation (Abb. 9).

Die Reihenfolge der Aminosäuren in einer Polypeptidkette ist Primärstruktur Eichhörnchen. Es ist für jedes Protein einzigartig und bestimmt dessen Form, Eigenschaften und Funktionen.

Die meisten Proteine ​​​​haben aufgrund der Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen CO- und NH-Gruppen verschiedener Aminosäurereste der Polypeptidkette eine Spiralform. Wasserstoffbrückenbindungen sind schwach, aber zusammen ergeben sie eine ziemlich starke Struktur. Diese Spirale ist Sekundärstruktur Eichhörnchen.

Tertiärstruktur– dreidimensionale räumliche „Verpackung“ einer Polypeptidkette. Das Ergebnis ist eine bizarre, aber spezifische Konfiguration für jedes Protein – Kügelchen. Die Festigkeit der Tertiärstruktur wird durch die verschiedenen Bindungen gewährleistet, die zwischen Aminosäureresten entstehen.

Reis. 9. Schema der Struktur eines Proteinmoleküls: I, II, III, IV – Primär-, Sekundär-, Tertiär-, Quartärstrukturen

Quartärstruktur nicht typisch für alle Proteine. Es entsteht durch die Kombination mehrerer Makromoleküle mit Tertiärstruktur zu einem komplexen Komplex. Beispielsweise ist Hämoglobin im menschlichen Blut ein Komplex aus vier Proteinmakromolekülen (Abb. 10).

Diese Komplexität der Struktur von Proteinmolekülen hängt mit der Funktionsvielfalt dieser Biopolymere zusammen.

Als Verletzung der natürlichen Struktur eines Proteins wird bezeichnet Denaturierung(Abb. 11). Es kann unter dem Einfluss von Temperatur, Chemikalien, Strahlungsenergie und anderen Faktoren auftreten. Bei schwacher Einwirkung zerfällt nur die Quartärstruktur, bei stärkerer Einwirkung erst die Tertiär- und dann die Sekundärstruktur und das Protein verbleibt in Form einer Polypeptidkette.

Reis. 10. Schema der Struktur des Hämoglobinmoleküls

Dieser Vorgang ist teilweise reversibel: Wird die Primärstruktur nicht zerstört, kann das denaturierte Protein seine Struktur wiederherstellen. Daraus folgt, dass alle Strukturmerkmale eines Proteinmakromoleküls durch seine Primärstruktur bestimmt werden.

Außer einfache Proteine, die nur aus Aminosäuren bestehen, gibt es auch komplexe Proteine, das Kohlenhydrate enthalten kann ( Glykoproteine), Fette ( Lipoproteine), Nukleinsäuren ( Nukleoproteine) usw.

Die Rolle von Proteinen im Leben einer Zelle ist enorm. Die moderne Biologie hat gezeigt, dass die Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen Organismen letztendlich durch eine Reihe von Proteinen bestimmt werden. Je näher Organismen in ihrer systematischen Anordnung zueinander stehen, desto ähnlicher sind ihre Proteine.

Reis. 11. Denaturierung von Proteinen

Proteine ​​oder Proteine. Einfache und komplexe Proteine. Aminosäuren. Polypeptid. Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstrukturen von Proteinen

Fragen

1. Welche Stoffe werden Proteine ​​oder Proteine ​​genannt?

2. Wie ist die Primärstruktur eines Proteins?

3. Wie entstehen sekundäre, tertiäre und quartäre Proteinstrukturen?

4. Was ist Proteindenaturierung?

5. Auf welcher Grundlage werden Proteine ​​in einfache und komplexe unterteilt?

Aufgaben

Sie wissen, dass das Eiweiß eines Hühnereis hauptsächlich aus Proteinen besteht. Überlegen Sie, was die Veränderung der Proteinstruktur eines gekochten Eies erklärt. Nennen Sie andere Ihnen bekannte Beispiele dafür, wo sich die Proteinstruktur ändern kann.

§ 8. Funktionen von Proteinen

1. Welche Funktion haben Kohlenhydrate?

2. Welche Funktionen von Proteinen kennen Sie?

Proteine ​​erfüllen äußerst wichtige und vielfältige Funktionen. Dies ist vor allem aufgrund der Vielfalt an Formen und Zusammensetzung der Proteine ​​selbst möglich.

Eine der wichtigsten Funktionen von Proteinmolekülen ist Konstruktion (Plastik). Proteine ​​sind Bestandteil aller Zellmembranen und Zellorganellen. Die Wände von Blutgefäßen, Knorpel, Sehnen, Haaren und Nägeln bestehen überwiegend aus Eiweiß.

Von großer Wichtigkeit katalytisch, oder enzymatische Proteinfunktion. Spezielle Proteine ​​– Enzyme sind in der Lage, biochemische Reaktionen in Zellen um das Zehn- und Hundertmillionenfache zu beschleunigen. Es sind etwa tausend Enzyme bekannt. Jede Reaktion wird durch ein bestimmtes Enzym katalysiert. Mehr dazu erfahren Sie weiter unten.

Motor Funktion Führen Sie spezielle kontraktile Proteine ​​aus. Dank ihnen bewegen sich Zilien und Flagellen bei Protozoen, Chromosomen bewegen sich bei der Zellteilung, Muskeln ziehen sich bei vielzelligen Organismen zusammen und andere Bewegungsarten in lebenden Organismen werden verbessert.

es ist wichtig Transportfunktion Proteine. Somit transportiert Hämoglobin Sauerstoff von der Lunge zu den Zellen anderer Gewebe und Organe. In den Muskeln gibt es neben Hämoglobin ein weiteres Gastransportprotein – Myoglobin. Serumproteine ​​fördern die Übertragung von Lipiden und Fettsäuren sowie verschiedenen biologisch aktiven Substanzen. Transportproteine ​​in der Außenmembran von Zellen transportieren verschiedene Stoffe aus der Umgebung in das Zytoplasma.

Bestimmte Proteine ​​leisten Leistung Schutzfunktion. Sie schützen den Körper vor dem Eindringen fremder Proteine ​​und Mikroorganismen sowie vor Schäden. So blockieren von Lymphozyten produzierte Antikörper fremde Proteine; Fibrin und Thrombin schützen den Körper vor Blutverlust.

Regulierungsfunktion inhärent in Proteinen - Hormone. Sie halten die Konzentration von Substanzen im Blut und in den Zellen konstant und sind an Wachstum, Fortpflanzung und anderen lebenswichtigen Prozessen beteiligt. Insulin reguliert beispielsweise den Blutzucker.

Proteine ​​haben auch Signalisierungsfunktion. Die Zellmembran enthält Proteine, die als Reaktion auf Umweltfaktoren ihre Tertiärstruktur verändern können. Auf diese Weise werden Signale aus der äußeren Umgebung empfangen und Informationen in die Zelle weitergeleitet.

Proteine ​​können Leistung erbringen Energiefunktion Es ist eine der Energiequellen in der Zelle. Wenn 1 g Protein vollständig in Endprodukte zerlegt wird, werden 17,6 kJ Energie freigesetzt. Allerdings werden Proteine ​​als Energiequelle äußerst selten genutzt. Aminosäuren, die beim Abbau von Proteinmolekülen freigesetzt werden, werden zum Aufbau neuer Proteine ​​verwendet.

Funktionen von Proteinen: Aufbau, Motor, Transport, Schutz, Regulierung, Signalübertragung, Energie, Katalyse. Hormon. Enzym

Fragen

1. Was erklärt die Vielfalt der Proteinfunktionen?

2. Welche Funktionen von Proteinen kennen Sie?

3. Welche Rolle spielen Hormonproteine?

4. Welche Funktion erfüllen Enzymproteine?

5. Warum werden Proteine ​​selten als Energiequelle genutzt?

§ 9. Nukleinsäuren

1. Welche Rolle spielt der Zellkern in einer Zelle?

2. Mit welchen Zellorganellen ist die Übertragung erblicher Merkmale verbunden?

3. Welche Stoffe nennt man Säuren?

Nukleinsäuren(von lat. Kern– Kern) wurden erstmals in den Kernen von Leukozyten entdeckt. Anschließend wurde festgestellt, dass Nukleinsäuren in allen Zellen enthalten sind, nicht nur im Zellkern, sondern auch im Zytoplasma und verschiedenen Organellen.

Es gibt zwei Arten von Nukleinsäuren – Desoxyribonukleinsäure(abgekürzt DNA) Und Ribonukleär(abgekürzt RNA). Der Namensunterschied erklärt sich aus der Tatsache, dass das DNA-Molekül ein Kohlenhydrat enthält Desoxyribose, und das RNA-Molekül ist Ribose.

Nukleinsäuren sind Biopolymere, die aus Monomeren bestehen – Nukleotide. Die Nukleotidmonomere von DNA und RNA haben eine ähnliche Struktur.

Jedes Nukleotid besteht aus drei Komponenten, die durch starke chemische Bindungen verbunden sind. Das stickstoffhaltige Base, Kohlenhydrat(Ribose oder Desoxyribose) und Phosphorsäurereste(Abb. 12).

Teil DNA-Moleküle Es gibt vier Arten stickstoffhaltiger Basen: Adenin, Guanin, Cytosin oder Thymin. Sie bestimmen die Namen der entsprechenden Nukleotide: Adenyl (A), Guanyl (G), Cytidyl (C) und Thymidyl (T) (Abb. 13).

Reis. 12. Schema der Struktur von Nukleotiden – DNA- (A) und RNA- (B) Monomere

Jeder DNA-Strang ist ein Polynukleotid, das aus mehreren Zehntausend Nukleotiden besteht.

Das DNA-Molekül hat eine komplexe Struktur. Es besteht aus zwei helikal verdrillten Ketten, die über ihre gesamte Länge durch Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbunden sind. Diese nur für DNA-Moleküle charakteristische Struktur wird aufgerufen Doppelhelix.

Reis. 13. DNA-Nukleotide

Reis. 14. Komplementäre Verbindung von Nukleotiden

Bei der Bildung einer DNA-Doppelhelix werden die stickstoffhaltigen Basen einer Kette in einer genau definierten Reihenfolge gegenüber den stickstoffhaltigen Basen der anderen angeordnet. In diesem Fall zeigt sich ein wichtiges Muster: Thymin einer anderen Kette befindet sich immer gegenüber dem Adenin einer Kette, Cytosin befindet sich immer gegenüber Guanin und umgekehrt. Dies erklärt sich dadurch, dass die Nukleotidpaare Adenin und Thymin sowie Guanin und Cytosin einander streng entsprechen und komplementär sind, bzw komplementär(von lat. Komplementum- Addition), einander. Und das Muster selbst heißt Prinzip der Komplementarität. In diesem Fall entstehen immer zwei Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Adenin und Thymin und drei zwischen Guanin und Cytosin (Abb. 14).

Folglich ist in jedem Organismus die Anzahl der Adenylnukleotide gleich der Anzahl der Thymidylnukleotide und die Anzahl der Guanylnukleotide ist gleich der Anzahl der Cytidylnukleotide. Wenn man die Reihenfolge der Nukleotide in einer DNA-Kette kennt, kann das Prinzip der Komplementarität genutzt werden, um die Reihenfolge der Nukleotide in einer anderen Kette festzulegen.

Mit Hilfe von vier Arten von Nukleotiden zeichnet die DNA alle Informationen über den Körper auf, die an nachfolgende Generationen weitergegeben werden. Mit anderen Worten: Die DNA ist der Träger der Erbinformation.

DNA-Moleküle kommen hauptsächlich in Zellkernen vor, geringe Mengen kommen jedoch auch in Mitochondrien und Plastiden vor.

Ein RNA-Molekül ist im Gegensatz zu einem DNA-Molekül ein Polymer, das aus einer einzelnen Kette mit viel kleineren Abmessungen besteht.

RNA-Monomere sind Nukleotide, die aus Ribose, einem Phosphorsäurerest und einer von vier stickstoffhaltigen Basen bestehen. Drei stickstoffhaltige Basen – Adenin, Guanin und Cytosin – sind mit denen der DNA identisch, und die vierte – Uracil.

Die Bildung eines RNA-Polymers erfolgt durch kovalente Bindungen zwischen Ribose und dem Phosphorsäurerest benachbarter Nukleotide.

Es gibt drei Arten von RNA, die sich in Struktur, Molekülgröße, Lage in der Zelle und ausgeführten Funktionen unterscheiden.

Ribosomale RNA (rRNA) sind Teil von Ribosomen und an der Bildung ihrer aktiven Zentren beteiligt, in denen der Prozess der Proteinbiosynthese stattfindet.

RNAs übertragen (tRNA) – die kleinsten – transportieren Aminosäuren zum Ort der Proteinsynthese.

Information, oder Vorlage, RNA (mRNA) werden an einem Abschnitt einer der Ketten des DNA-Moleküls synthetisiert und übertragen Informationen über die Struktur des Proteins vom Zellkern an die Ribosomen, wo diese Informationen umgesetzt werden.

Somit stellen verschiedene Arten von RNA ein einziges funktionelles System dar, das darauf abzielt, Erbinformationen durch Proteinsynthese umzusetzen.

RNA-Moleküle kommen im Zellkern, Zytoplasma, Ribosomen, Mitochondrien und Plastiden der Zelle vor.

Nukleinsäure. Desoxyribonukleinsäure oder DNA. Ribonukleinsäure oder RNA. Stickstoffbasen: Adenin, Guanin, Cytosin, Thymin, Uracil, Nukleotid. Doppelhelix. Komplementarität. Transfer-RNA (tRNA). Ribosomale RNA (rRNA). Messenger-RNA (mRNA)

Fragen

1. Wie ist ein Nukleotid aufgebaut?

2. Wie ist die Struktur des DNA-Moleküls?

3. Was ist das Prinzip der Komplementarität?

4. Welche Gemeinsamkeiten und Unterschiede gibt es in der Struktur von DNA- und RNA-Molekülen?

5. Welche Arten von RNA-Molekülen kennen Sie? Was sind ihre Funktionen?

Aufgaben

1. Skizzieren Sie Ihren Absatz.

2. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass ein Fragment einer DNA-Kette die folgende Zusammensetzung hat: C-G G A A A T T C C. Vervollständigen Sie die zweite Kette mithilfe des Komplementaritätsprinzips.

3. Während der Studie wurde festgestellt, dass Adenine im untersuchten DNA-Molekül 26 % der Gesamtzahl der stickstoffhaltigen Basen ausmachen. Zählen Sie die Anzahl der anderen stickstoffhaltigen Basen in diesem Molekül.

Schauen Sie auf die Wurzel!
Kozma Prutkov

Aus welchen chemischen Elementen besteht eine lebende Zelle? Welche Rolle spielen Zucker und Lipide? Wie sind Proteine ​​aufgebaut und wie erhalten ihre Moleküle eine bestimmte räumliche Form? Was sind Enzyme und wie erkennen sie ihre Substrate? Wie ist die Struktur von RNA- und DNA-Molekülen? Welche Eigenschaften des DNA-Moleküls ermöglichen es ihm, die Rolle eines Trägers genetischer Informationen zu spielen?

Unterrichtsvorlesung

ELEMENTARE UND MOLEKULARE ZUSAMMENSETZUNG LEBENDER DINGE. Wir beginnen unsere Bekanntschaft mit lebenden Systemen auf der molekulargenetischen Ebene. Dies ist die Ebene der Moleküle, die die strukturelle und funktionelle Grundlage der Zellen lebender Organismen bilden.

Retrovirus. Viren zeigen erstaunliche geometrische Formen!

Erinnern wir uns daran, dass von allen bekannten Elementen im Periodensystem von D. I. Mendeleev etwa 80 in einer lebenden Zelle gefunden wurden. Darüber hinaus gibt es unter ihnen kein einziges, das in der unbelebten Natur fehlt. Dies ist einer der Beweise für die Gemeinsamkeit von belebter und unbelebter Natur.

Mehr als 90 % der Masse einer Zelle besteht aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff. Schwefel, Phosphor, Kalium, Natrium, Kalzium, Magnesium, Eisen und Chlor kommen in der Zelle in deutlich geringeren Mengen vor. Alle anderen Elemente (Zink, Kupfer, Jod, Fluor, Kobalt, Mangan usw.) machen zusammen nicht mehr als 0,02 % der Zellmasse aus. Deshalb werden sie Mikroelemente genannt. Mikroelemente sind Bestandteil von Hormonen, Enzymen und Vitaminen, also Verbindungen mit hoher biologischer Aktivität.

Beispielsweise führt ein Mangel an Jod im Körper, das für die Produktion des Schilddrüsenhormons Thyroxin notwendig ist, zu einer Verringerung der Produktion dieses Hormons und in der Folge zur Entwicklung schwerer Krankheiten, einschließlich Kretinismus.

Der größte Teil des Zellinhalts besteht aus Wasser. Viele Substanzen gelangen in Form wässriger Lösungen in die Zelle oder verlassen sie; die meisten intrazellulären Reaktionen finden auch in einer wässrigen Umgebung statt. Darüber hinaus nimmt Wasser auch direkt an einer Reihe chemischer Reaktionen teil und gibt H + - oder OH - -Ionen an die resultierenden Verbindungen ab. Aufgrund seiner hohen Wärmekapazität stabilisiert Wasser die Temperatur im Inneren der Zelle und macht sie so unabhängiger von Temperaturschwankungen in der Umgebung der Zelle.

Es enthält neben Wasser, das 70 % des Zellvolumens ausmacht, auch organische Stoffe – Kohlenstoffverbindungen. Darunter sind kleine Moleküle mit bis zu 30 Kohlenstoffatomen und Makromoleküle. Zu ersteren zählen einfache Zucker (Monosaccharide), Lipide, Aminosäuren und Nukleotide. Sie dienen als Strukturbestandteile für den Aufbau von Makromolekülen und spielen darüber hinaus eine wichtige Rolle bei den Stoffwechselprozessen und der Energieversorgung einer lebenden Zelle.

Und doch sind Proteine ​​und Nukleinsäuren die Grundlage des Lebens auf molekularer Ebene, auf die wir noch näher eingehen werden.

AMINOSÄUREN UND PROTEINE. Eichhörnchen spielen in der belebten Natur eine besondere Rolle. Sie dienen als Baumaterial der Zelle und fast keiner der in Zellen ablaufenden Prozesse kann ohne ihre Beteiligung ablaufen.

Ein Proteinmolekül ist eine Kette aus Aminosäuren, und die Anzahl der Glieder in einer solchen Kette kann zwischen zehn und mehreren Tausend liegen. Benachbarte Aminosäuren sind durch eine spezielle Art chemischer Bindung miteinander verbunden Peptid. Diese Bindung entsteht im Prozess der Proteinsynthese, wenn die Carboxylgruppe einer Aminosäure an die benachbarte Aminogruppe einer anderen Aminosäure bindet (Abb. 32).

Reis. 32. Peptidbindung

Alle 20 Arten von Aminosäuren sind am Aufbau von Proteinen beteiligt. Die Reihenfolge ihres Wechsels in der Proteinkette ist jedoch sehr unterschiedlich, was die Möglichkeit für eine Vielzahl von Kombinationen und damit für den Aufbau zahlreicher Arten von Proteinmolekülen bietet. Es ist zu beachten, dass nur Pflanzen in der Lage sind, alle 20 Aminosäuren zu synthetisieren, die zum Aufbau von Proteinen notwendig sind. Tiere nehmen durch den Verzehr von Pflanzen eine Reihe von Aminosäuren, sogenannte essentielle Aminosäuren, auf.

Die Reihenfolge der Aminosäuren in einem Proteinmolekül wird als bezeichnet Primärstruktur Eichhörnchen (Abb. 33). es gibt auch Sekundärstruktur Protein, worunter man die Art der räumlichen Anordnung einzelner Fragmente der Aminosäurekette versteht. In der Sekundärstruktur haben Abschnitte des Proteinmoleküls die Form von Helices oder gefalteten Schichten. Bei ihrer Bildung spielen Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Sauerstoff und Wasserstoff von Peptidbindungen (-N-H...0=C-) verschiedener Aminosäuren eine wichtige Rolle.

Reis. 33. Proteinstruktur

Unter Tertiärstruktur Unter Protein versteht man die räumliche Anordnung der gesamten Aminosäurekette.

Die Tertiärstruktur hat einen direkten Einfluss auf die Form des Proteinmoleküls, das fadenförmig oder rund sein kann. Im letzteren Fall ist das Molekül so gefaltet, dass seine hydrophoben Bereiche im Inneren und seine polaren hydrophilen Gruppen an der Oberfläche liegen. Die resultierende räumliche Struktur wird aufgerufen Kügelchen.

Schließlich können einige Proteine ​​mehrere Kügelchen enthalten, von denen jedes aus einer unabhängigen Kette von Aminosäuren besteht. Mit dem Begriff wird die Zusammenfassung mehrerer Kügelchen zu einem einzigen Komplex bezeichnet Quartärstruktur Eichhörnchen. Beispielsweise besteht das Hämoglobin-Proteinmolekül aus vier Kügelchen, die einen Nicht-Protein-Anteil enthalten – Häm.

Ein Proteinmolekül ist in der Lage, sich selbst zu einer komplexen räumlichen Struktur zu organisieren, deren Konfiguration spezifisch ist und durch die Aminosäuresequenz, d. h. die Primärstruktur des Proteins, bestimmt wird.

Selbstorganisation ist eine der einzigartigen Eigenschaften von Proteinen, die vielen ihrer Funktionen zugrunde liegt. Insbesondere der Erkennungsmechanismus durch Enzyme (biologische Katalysatoren) basiert auf der Spezifität der räumlichen Struktur des Proteinmoleküls. Substrat, d.h. ein Molekül, das nach der Wechselwirkung mit einem Enzym bestimmte chemische Umwandlungen durchläuft und sich in verwandelt Produkt.

Enzyme sind Proteine, bei denen ein bestimmter Teil des Moleküls das aktive Zentrum bildet. Es bindet ein für ein bestimmtes Enzym spezifisches Substrat und wandelt es in ein Produkt um. In diesem Fall ist das Enzym aufgrund der speziellen räumlichen Konfiguration des aktiven Zentrums, die für jedes Enzym spezifisch ist, in der Lage, sein Substrat zu unterscheiden. Sie können sich vorstellen, dass das Substrat wie ein Schlüssel zu einem Schloss zum Enzym passt.

Sie sind davon überzeugt, dass alle Eigenschaften eines Proteins auf seiner Primärstruktur – der Abfolge der Aminosäuren im Molekül – beruhen. Es kann mit einem Wort verglichen werden, das in einem Alphabet geschrieben ist, das aus 20 Aminosäurebuchstaben besteht. Und wenn es Wörter gibt, dann gibt es möglicherweise eine Chiffre, mit der diese Wörter verschlüsselt werden können. Auf welche Weise? Die Kenntnis der Struktur von Nukleinsäuren hilft bei der Beantwortung dieser Frage.

NUKLEOTIDE UND NUKLEINSÄUREN. Nukleotide bestehen aus einer stickstoffhaltigen zyklischen Verbindung (Stickstoffbase), einem Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen und einem Phosphorsäurerest. Aus ihnen werden Nukleinsäure-Makromoleküle aufgebaut.

Die Zusammensetzung von Molekülen RNA(Ribonukleinsäure) umfasst Nukleotide, die auf dem Zucker Ribose aufgebaut sind und Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Uracil (U) als stickstoffhaltige Basen enthalten. Nukleotide, aus denen ein Molekül besteht DNA(Desoxyribonukleinsäure), enthalten Desoxyribose und anstelle von Uracil - Thymin (T).

Die Verbindung von Nukleotiden untereinander in einem DNA-(RNA-)Molekül erfolgt durch die Verbindung des Phosphorrestes eines Nukleotids mit der Desoxyribose (Ribose) eines anderen (Abb. 34).

Reis. 34. Kettenzusammensetzung und Struktur des DNA-Moleküls

Bei der Untersuchung der Zusammensetzung von DNA-Molekülen wurde festgestellt, dass in jedem von ihnen die Anzahl der Adenin-Stickstoffbasen (A) gleich der Anzahl an Thymin (T) und die Anzahl an Guanin (G) gleich ist zur Zahl von Cytosin (C). Diese Entdeckung diente als Voraussetzung für die Erstellung eines Modells des DNA-Moleküls durch J. Watson und F. Crick im Jahr 1953 – die berühmte Doppelhelix.

Nach diesem Modell besteht das DNA-Molekül aus zwei Ketten, die zu einer rechtsdrehenden Spirale gefaltet sind (Abb. 35).

Reis. 35. DNA-Strukturmodell

Jede Kette enthält eine Nukleotidsequenz, die genau der Sequenz der anderen Kette entspricht (komplementär ist). Diese Entsprechung wird durch das Vorhandensein von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den stickstoffhaltigen Basen zweier zueinander gerichteter Ketten – A und T oder G und C – erreicht.

Eine Kommunikation zwischen anderen Paaren stickstoffhaltiger Basen ist unmöglich, da die räumliche Struktur der Moleküle stickstoffhaltiger Basen so ist, dass nur A und T sowie G und C einander nahe genug kommen können, um Wasserstoffbrückenbindungen miteinander zu bilden.

Das wichtigste Merkmal der DNA ist die Möglichkeit ihrer Selbstvervielfältigung – Reproduzieren, die unter Beteiligung einer Gruppe von Enzymen durchgeführt wird (Abb. 36).

Reis. 36. DNA-Replikationsschema

In bestimmten Bereichen, auch an einem der Enden, eines doppelsträngigen helikalen DNA-Moleküls werden Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Ketten aufgebrochen. Sie trennen sich und entspannen sich.

Dieser Prozess übernimmt nach und nach das gesamte Molekül. Wenn die Ketten des Elternmoleküls auseinanderlaufen, werden auf ihnen Tochterketten aufgebaut, wie auf einer Matrix, aus den in der Umgebung verfügbaren Nukleotiden. Der Aufbau einer neuen Kette erfolgt streng nach dem Komplementaritätsprinzip: Gegen jedes A steht ein T, gegen G - C usw. Dadurch entstehen zwei neue DNA-Moleküle, von denen jeweils eine Kette übrig bleibt das ursprüngliche DNA-Molekül, und das zweite ist ein neues. In diesem Fall sind die beiden bei der Replikation gebildeten DNA-Moleküle mit dem Original identisch.

Die Fähigkeit des DNA-Moleküls zur Selbstkopie ist die Grundlage für die Übertragung von Erbinformationen durch lebende Organismen. Die Sequenz der Nukleotidbasen in einem DNA-Molekül dient als Code, der Informationen über die Proteine ​​kodiert, die für das Funktionieren des Körpers notwendig sind.

Im Gegensatz zur DNA besteht ein RNA-Molekül aus einer einzelnen Polynukleotidkette. Es gibt verschiedene Arten von RNA, die in der Zelle unterschiedliche Funktionen erfüllen. Eine RNA-Kopie eines Abschnitts einer DNA-Kette wird als Information oder bezeichnet Boten-RNA(mRNA) und spielt die Rolle eines Vermittlers bei der Übertragung genetischer Informationen von der DNA auf Zellstrukturen, die Proteine ​​synthetisieren – Ribosomen. Darüber hinaus enthält die Zelle ribosomale RNA(rRNA), die zusammen mit Proteinen Ribosomen bilden, Transfer-RNAs(tRNA), Transport von Aminosäuren zum Ort der Proteinsynthese und einige andere.

Das DNA-Molekül besteht aus zwei komplementären Nukleotidsträngen, die spiralförmig gewickelt sind und durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten werden, die A-T- und G-C-Basenpaare bilden. Die Nukleotidsequenz einer DNA-Kette dient als Code, der genetische Informationen kodiert. Die Entschlüsselung dieser Informationen erfolgt unter Beteiligung von RNA-Molekülen. Die Fähigkeit der DNA, sich selbst zu kopieren (zu replizieren), bietet die Möglichkeit, genetische Informationen in der belebten Natur zu übertragen.

• Warum werden Proteine ​​Moleküle des Lebens genannt?
• Welche Rolle spielen die räumlichen Strukturen von Proteinen in den Lebensvorgängen einer Zelle?
• Welches Prinzip liegt den DNA-Replikationsprozessen zugrunde?