Підручник з Біології і екології. 10 клас. Соболь - Нова програма

Значення біохімії полягає в тому, що вона дає фундаментальне розуміння того, як функціонують біологічні системи.

Н. Грін, У. Стаут, Д. Тейлор. Біологія

§ 20. БІООРГАНІЧНІ РЕЧОВИНИ. БІЛКИ, НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ: ОГЛЯД БУДОВИ Й БІОЛОГІЧНОЇ РОЛІ

Основні поняття й ключові терміни: БІООРГАНІЧНІ РЕЧОВИНИ. БІЛКИ. НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ.

Пригадайте! Що таке речовини?

Поміркуйте!

Органічні речовини — речовини, що мають ковалентно зв'язані ланцюжки з Карбону. Сьогодні відомо понад 20 мільйонів органічних речовин, серед яких є природні й штучні. Цікаво, а чим біоорганічні речовини відрізняються від інших органічних?

БІООРГАНІЧНІ РЕЧОВИНИ

Малі молекули

Макромолекули

Мономери біополімерів: моносахариди, амінокислоти, нуклеотиди. Вищі жирні кислоти

Біополімери: полісахариди, білки, нуклеїнові кислоти. Ліпідні комплекси

ЗМІСТ

Які особливості та роль біомолекул в обміні речовин й енергії?

БІООРГАНІЧНІ РЕЧОВИНИ — речовини, що входять до складу живої природи та беруть участь у перетвореннях речовин, енергії та інформації. Ці органічні речовини живого мають певні особливості, що тісно пов'язані із їхніми функціями. Біомолекули мають високу енергоємність завдяки численним зв'язкам, здатність до окиснення з виділенням великої кількості енергії, здатність до гідролітичного розкладу за участі води, залежну від умов змінну активність з визначальним впливом ферментів та ін. Для біомолекул характерні й складні взаємоперетворення. Наприклад, з вуглеводів утворюються й відкладаються жири, з білків можуть формуватися вуглеводи й жири, з жирів — вуглеводи. Взаємозв'язок між обміном білків, жирів і вуглеводів виникає на основі спільності проміжних продуктів та універсальної енергетичної ролі АТФ. Для біомолекул характерною є взаємодія з біонеорганічними речовинами. Так, у автотрофів біомолекули утворюються з СО2 й Н2О, розклад біомолекул у реакціях окиснення відбувається з утворенням СО2 , Н2О та амоніаку.

Основними функціями біоорганічних речовин в обміні речовин є: 1) структурна — участь у реакціях синтезу з утворенням різних нових молекул; 2) енергетична — участь у реакціях розкладу та забезпеченні енергетичних потреб живого (глюкоза, фруктоза, АТФ); 3) регуляторна — участь у регуляції біохімічних процесів та функцій (ферменти, вітаміни, гормони); 4) резервна — хімічна інертність та нерозчинність у воді зумовлюють відкладання певних біомолекул про запас (крохмаль, глікоген, жири, олії); 5) захисна — біомолекули знешкоджують внутрішні й зовнішні шкідливі речовини, захищають від ультрафіолетового випромінювання, хвороботворних вірусів, бактерій (лізоцим); 6) інформаційна — участь у процесах сприймання, збереження й реалізації інформації (рецепторні білки, РНК, ДНК).

Отже, найзагальнішими функціями біоорганічних речовин є структурна, енергетична, регуляторна, захисна, резервна та інформаційна.

Яка будова та біологічна роль білків в обміні речовин?

БІЛКИ — це високомолекулярні біополімерні органічні сполуки, мономерами яких є амінокислоти. Білки є біополімерами з 20 різних мономерів — природних основних (протеїногенних) амінокислот, сполучених у макромолекули в специфічній кількості, складі й послідовності за допомогою пептидних зв'язків. Порядок розташування амінокислот у молекулах білків визначається послідовністю нуклеотидів в генах. Білки поділяють за хімічним складом на прості та складні. Прості білки (кератин, колаген) побудовані лише з амінокислотних залишків, а складні (муцин, гемоглобін) містять ще й небілкові компоненти (атоми металів, молекули ліпідів, вуглеводів, нуклеїнових кислот тощо). Виокремлюють чотири рівні структури білків: первинну, вторинну, третинну й четвертинну.

Іл. 56. Структурна організація білків: 1 — первинна структура (ланцюг); 2 — вторинна структура (спіраль); 3 — третинна структура (глобула); 4 — четвертинна структура (мультимер)

Більшість білків набуває правильної структури лише в певних умовах середовища. Зі зміною цих умов білок змінює свою структуру, або денатурує. Денатурація — процес порушення природної структури білків із збереженням первинної. Чинниками, що спричиняють зміну конформації білків, є: нагрівання, випромінювання, сильні кислоти, сильні основи, концентровані солі, важкі метали, органічні розчинники тощо. За умови збереження первинної структури відбувається ренатурація — відновлення втраченої природної структури білків. Таким чином, особливості білка визначаються його первинною структурою. А ось процес руйнування первинної структури білків завжди є необоротним. Це вже деструкція.

Біологічна роль білків виявляється на кожному з етапів метаболізму. Надходження речовин, енергії та інформації у біосистеми забезпечується білками, що здійснюють транспортну, рухову, захисну, поживну функції. Анаболічні й катаболічні перетворення всередині біосистем реалізуються завдяки пластичній, енергетичній, каталітичній, резервній, регуляторній функціям білків. У видаленні й знешкодженні продуктів обміну беруть участь захисні білки.

Отже, обмін білків посідає центральне місце у всьому різноманітті обмінних процесів біосистем.

Яка біологічна роль нуклеїнових кислот у метаболізмі?

НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ — складні високомолекулярні біополімери, побудовані з нуклеотидів. У всіх живих організмах нуклеїнові кислоти виконують роль збереження, передачі й реалізації спадкової інформації. Вперше їх виявлено в ядрі клітини, звідки й походить назва цих сполук (від лат. nucleos — ядро). Це інформаційні «молекули життя»: ДНК зберігає генетичну інформацію, а різні типи РНК сприяють її реалізації. Нуклеїновим кислотам, як і білкам, притаманна первинна структура — певна послідовність розташування нуклеотидів, а також складніші вторинна і третинна структури, які формуються за допомогою водневих зв'язків, електростатичних, гідрофобних та інших взаємодій.

Нуклеїнові кислоти — основні «дійові особи» синтезу білкових молекул. Все, що необхідно клітині для життя, запрограмовано в ділянках молекул ДНК — генах. Закодована в них інформація реалізується молекулами РНК: іРНК переписує інформацію з гена й переносить її на рибосоми, в утворенні яких беруть участь рРНК. На молекулі іРНК, як на матриці, синтезується молекула певного білка, а окремі амінокислоти для його синтезу постачаються транспортною РНК (тРНК) (іл. 57, табл. 1).

Іл. 57. Особливості будови і структури РНК і ДНК

Таблиця 1. ПОРІВНЯЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДНК ТА РНК

Ознаки

ДНК

РНК

Мономери

Дезоксирибонуклеотиди: аденілові, тимідилові, гуанілові, цитидилові

Рибонуклеотиди: аденілові, уридилові, гуанілові, цитидилові

Склад нуклеотидів

Нітрогеновмісні основи: аденін, гуанін, тимін, цитозин.

Вуглевод — дезоксирибоза

Ортофосфатна кислота

Нітрогеновмісні основи: аденін, гуанін, урацил, цитозин.

Вуглевод — рибоза.

Ортофосфатна кислота

Структура

Подвійна спіраль

Одинарний ланцюг

Властивості

Здатність до реплікації й репарації

Нездатні до реплікації й ренатурації

Функції

Спадкова

Інформаційна (іРНК), транспортна (тРНК), структурна (рРНК)

Отже, нуклеїнові кислоти разом з білками зберігають й реалізують генетичну інформацію, що є основою обміну речовин і перетворення енергії в біосистемах.

ДІЯЛЬНІСТЬ

Завдання на застосування знань «Функції білків»

Зіставте названі функції з тими білками, що їх реалізують. Заповніть таблицю відповідей та отримайте назву цілого класу білків, що забезпечують умови для зсідання білків, витривалість клітин в умовах високої температури. Підготуйте повідомлення про ці білки.

Функція білків

Приклади білків

1 Пластична

А Пепсин, трипсин, мальтаза

2 Каталітична

Е Родопсин, йодопсин

3 Регуляторна

И Казеїн молока

4 Рецепторна

Н Актин, міозин, тубулін

5 Захисна

О Білки клейковини

6 Резервна

П Інсулін, вазопресин

7 Рухова

Р Фібрин, антитіла

8 Поживна

Ш Колаген, кератин, осеїн

1

2

3

4

5

6

7

8

Біологія + Англійська мова. Нуклеотиди й життя

Перекладіть текст і поясніть значення нуклеотидів для життя.

«Nucleotides are organic molecules that serve as the monomer units for forming the nucleic acid polymers deoxyribonucleic acid (DNA) and ribonucleic acid (RNA), both of which are essential biomolecules in all life-forms on Earth. Nucleotides are the building blocks of nucleic acids; they are composed of three subunit molecules: a nitrogenous base, a five-carbon sugar (ribose or deoxyribose), and at least one phosphate group. Nucleotides also play a central role in life-form metabolism at the fundamental, cellular level. They carry packets of chemical energy — in the form of the nucleoside triphosphates ATP, GTP, CTP and UTP — throughout the cell to the many cellular functions that demand energy, which include synthesizing amino acids, proteins and cell membranes and parts; moving the cell and moving cell parts, both internally and intercellularly; dividing the cell, etc. In addition, nucleotides participate in cell signaling (cGMP and cAMP), and are incorporated into important cofactors of enzymatic reactions (e.g. coenzyme A, FAD, NAD, NADP).

СТАВЛЕННЯ

Біологія + Хімія. Кріоелектронна мікроскопія

Нобелівську премію в галузі хімії у 2017 р. отримали науковці Ж. Дюбоше, Й. Франк і Р. Хендерсон, яких відзначено за «розвиток кріоелектронної мікроскопії, яка спрощує та поліпшує визначення структури біомолекул». Кріоелектронна мікроскопія дає змогу заморозити біомолекули під час руху та візуалізувати процеси, що є вирішальними для розуміння хімії життя. Що таке кріоелектронна мікроскопія? Яке значення може мати цей метод досліджень для розв'язування проблем збереження здоров’я людини?

Ж. Дюбоше

Й. Франк

Р. Хендерсон

РЕЗУЛЬТАТ

Оцінка

Завдання для самоконтролю

1—6

1. Що таке біомолекули? 2. Назвіть групи та функції біомолекул. 3. Що таке білки? 4. Назвіть функції білків у біосистемах. 5. Що таке ДНК? 6. Що таке РНК?

7—9

7. Які особливості та роль біомолекул в обміні речовин й енергії? 8. Яка будова та біологічна роль білків в обміні речовин? 9. Яка біологічна роль нуклеїнових кислот у метаболізмі?

10—12

10. Від чого залежать властивості й функції білків і нуклеїнових кислот?