Молекулярно-генетический (субклеточный) уровень
Простые органические молекулы (органические кислоты, сахара) представляют собой элементы первичного синтеза, например глюкоза (C6H12O6) как продукт фотосинтеза у растений, а у животных это продукты разложения пищи или промежуточного обмена более сложных органических молекул. Простые органические молекулы уже могут быть исполнителями некоторых жизненных функций (глюкоза как источник энергии… Читать ещё >
Молекулярно-генетический (субклеточный) уровень (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
В составе «живого вещества» основные функции исполняют органические молекулы — химические соединения на основе углерода. Минеральные вещества — вода, соли, кислород, оксиды и др., хотя и составляют более 80% массы организма, выполняют в основном роль промежуточных метаболитов и среды, в которой работают органические молекулы.
Простые органические молекулы (органические кислоты, сахара) представляют собой элементы первичного синтеза, например глюкоза (C6H12O6) как продукт фотосинтеза у растений, а у животных это продукты разложения пищи или промежуточного обмена более сложных органических молекул. Простые органические молекулы уже могут быть исполнителями некоторых жизненных функций (глюкоза как источник энергии, некоторые аминокислоты в качестве сигнальных молекул). Однако их основной поток направляется на синтез более сложных соединений — органических макромолекул. Макромолекулами называют очень крупные (высокомолекулярные), обычно полимерные (многозвенные) соединения. Органические молекулы, как простые, так и сложные, в тесном взаимодействии с водой и солями образуют химическую основу клеток. Многие из них входят также в состав межклеточного вещества (плазма крови, основное вещество соединительной ткани, хряща, кости). Таким образом, специфический химический состав, включающий макромолекулярные органические вещества, — важнейшее отличие живой материи от неживой.
В живых организмах различают четыре типа органических веществ: углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты.
Углеводы бывают простые и сложные (рис. 2.2 — углеводы). К простым углеводам относятся моносахариды (уже упомянутая 6-углеродная глюкоза, подобная ей фруктоза). Сложные углеводы — это соединения из двух или более моносахаридов. Так, дисахариды (сахароза, мальтоза, лактоза) состоят из двух мономеров, подобных глюкозе, а полисахариды образованы сотнями и тысячами соединенных моносахаридов. Некоторые полисахариды выполняют опорную функцию: целлюлоза (клетчатка) — в клеточных стенках растений, хитин — у ракообразных, насекомых, грибов. В основном же углеводы выполняют энергетическую функцию, т. е. используются как «топливо» для получения энергии: глюкоза и ее полимеры — крахмал, гликоген.
Липиды — это жиры и жироподобные вещества. Липидная молекула состоит из полярной «головки» — видоизмененной молекулы глицерина, часто с включением фосфорной кислоты, и прикрепленных к ней двух-трех «хвостов» — углеводородных цепочек жирных кислот (см. рис. 2.2 — липиды). Головки гидрофильны, т. е. притягивают воду, а хвосты, напротив, гидрофобны — воду отталкивают, поэтому два слоя липидных молекул, обращенные друг к другу гидрофобными поверхностями, образуют водои иононепроницаемую пленку — мембрану. Билипидная мембрана, обогащенная белками и углеводами, образует основу поверхностного аппарата клетки (плазматическая мембрана); мембранное строение имеют также многие клеточные органеллы. Липиды, как и углеводы, заключают в себе много энергии, легко расщепляются и поэтому используются в энергетическом обмене.
Белки (или протеины) — основные биополимеры, они выполняют большинство жизненных функций. Белковая цепь, полипептид, сложена из большого числа (50−100−500 и более) мономеров — аминокислот (рис. 2.2 — белки). Имеются 20 разновидностей аминокислот, различающихся своей активной группой — радикалом. Их чередование в молекуле белка не имеет какой-либо периодичности, но строго определено для каждого вида белка, как определен порядок букв в словах нашего языка. Поскольку 20 «букв-аминокислот» в белках разного типа выстраиваются в самых разных комбинациях, разнообразие белков при длине цепей в 100 300 аминокислот может быть бесконечно великим. Это структурное разнообразие и дает возможность белкам выполнять очень разные функции.
Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus — ядро) впервые были выделены из клеточных ядер и представляют собой самые крупные, очень длинные полимерные макромолекулы. Различают рибонуклеиновую кислоту (РНК) и дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК). РНК — одноцепочечный полимер, ДНК — двухцепочечный. Мономерами в обоих случаях являются довольно сложные молекулы — нуклеотиды (рис. 2.2 — нуклеиновые кислоты; приведены лишь «скелеты» этих формул). Как аминокислоты в белках различаются своими радикалами, так и нуклеотиды в нуклеиновых кислотах отличаются друг от друга строением азотистых оснований. В ДНК это аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц), в РНК те же основания, только вместо тимина присутствует подобный ему урацил (У).
Уже в самой структуре молекулы ДНК, при ее воспроизводстве (репликация), а также при синтезе РНК (транскрипция) используется известный принцип комплементарности, или структурно-химической дополнительности, согласно которому нуклеотиды параллельных цепей взаимодействуют по схеме: А-Т (У), Г-Ц. Именно благодаря принципу комплементарности ДНК способна хранить и передавать информацию о структуре клеточных белков, а РНК способствует ее реализации в момент синтеза новых белков. Фрагмент молекулы ДНК, кодирующий структуру одной молекулы белка (полипептида), составляет единицу наследственности — один ген.
Макромолекулы разного типа обычно объединяются в молекулярные комплексы, из которых, в свою очередь, образуются обособленные рабочие структуры клетки, называемые (по аналогии с органами сложного организма) органоидами, или органеллами. Соответственно этому мы выделяем надмолекулярный и органоидный подуровни организации. Так, рибосомы производят в клетках синтез разнообразных белков. Хромосомы — микроскопические тельца, образованные молекулами ДНК в связке с регуляторными белками, являются хранилищем генов и обеспечивают их дозированную активность. Митохондрии и пластиды задействованы в энергетическом обмене. Заметим, что макромолекулы, надмолекулярные комплексы, хромосомы, клеточные органоиды отвечают за отдельные свойства жизни: синтезы, наследственность, энергетический обмен и др. Но, взятые по отдельности, эти свойства еще не представляют того цельного явления, которое называется жизнью, да и проявляются они только в системе целостной клетки.
К молекулярно-генетическому уровню организации следует отнести и вирусы, которые считаются неклеточными формами жизни, так как не имеют клеточного строения. Вирусы — это мельчайшие (0,02−0,2 мкм) частицы, содержащие генетический материал (ДНК или РНК) и белковую оболочку. У вирусов отсутствуют многие жизнеобеспечивающие структуры, поэтому вне клетки они не способны размножаться, синтезировать белки, усваивать энергию. Вирус «оживает» и размножается, только попадая внутрь клетки-хозяина (бактерии, гриба, растения или животного, а также и человека).
Таким образом, отдельные молекулярно-генетические структуры, включая вирусы, и даже клеточные органоиды не обеспечивают того критического уровня сложности, который можно было бы назвать полноценной жизнью. Для создания законченной живой системы требуется повышение уровня сложности еще на одну ступень.