Сущность и свойства жизни.

Лекция 4.

В настоящее время в качестве жизни понимается процесс, конечным результатом которого является самообновление, проявляющееся в самовоспроизведении. В основе самовоспроизведения лежит координация физико-химических явлений и которое обеспечивается передачей генетической информацией от одного поколения к другому.

Живое вещество представлено из тех же химических элементов, что и живое. В клетках они находятся в виде органических соединений. Однако живое вещество имеет особенности, отличающие его от неживого. В своем составе живые клетки имеют такие специфические вещества как нуклеопротеиды, из которых построены хромосомы и рибосомы – клеточные образования, ответственные за синтез белка, сохранение и передачу наследственной информации. Они обнаружены во всех клетках представителей органического мира, от вирусов до человека. Важно отметить что нуклеопротеиды являются субстратом жизни только тогда, когда находятся в клетках, вне которых они являются обычными клеточными соединениями.

Для живого характерно ряд свойств, совокупность которых и «делает» живое живым. К таким свойствам относятся:

· Самовоспроизведение - важнейшее из всех свойств, особенностью которого является то, что оно повторяется в большом количестве поколений. На молекулярном уровне оно осуществляется путем синтеза ДНК, программирующей синтез специфичных для данного вида и особи белков.

· Специфичность организации характерна для любых организмов, в результате чего они имеют определенную структурную организацию. Единицей организации является клетка. Специфичностью организации обладают все уровни организации живой материи (ткани, органы, организмы, виды, популяции ит.д.).

· Упорядоченность структур проявляется в четкой организации на всех уровнях, приводящая к образованию молекулярных и надмолекулярных соединений

· Целостность и дискретность. Жизнь непрерывна и прерывна как структурно, так, и функционально. Любой организм представляет целостеную структуру, но он дискретен, так как состоит из дискретных единиц – клеток, тканей, органов. Органический мир целостен, потому что существование одних организмов невозможна без других, но и дискретен – он состоит из отдельных организмов.

· Рост и развитие. Рост организмов происходит за счет увеличения размеров и числа клеток. Развитие проявляется в дифференцировке клеток, усложнения структуры и функций.

· Обмен веществ и энергии обеспечивает взаимодействие с окружающей средой и сохранение гомеостаза системы. Живой организм является уравновешенной системой, где процессы анаболизма и катаболизма уравновешены.

· Наследственность и изменчивость. Наследственность обеспечивает преемственность между поколениями, а изменчивость обеспечивает появление у организма новых признаков, отличных от родительских. Наследственность и изменчивость лежат в основе эволюционных процессов.

· Раздражимость – ответ организма на изменения внешней среды. Это свойство позволяет живому сохранять жизнеспособность, вырабатывая ответ на раздражение.

· Способностью к движению обладают все живые организмы, клетки и некоторые клеточные органеллы.

· Саморегуляция обеспечивается на уровне обратимых химических реакций под действием ферментов. Регуляция действия ферментов осуществляется по принципу обратной связи и тормозится количеством конечного продукта реакции

· Стремление заполнить собой все пространство обусловлено способностью к бесконечному размножению и способностью к росту.

· Высокая скорость обновления живого вещества.

Свойства живого вещества во многом определяют его функции в планетарном масштабе.

Согласно учению о биосфере В.И. Вернадского, выделяют следующие функции живого вещества в биосфере:

Газовая функция – формирование на ранних геологических этапах атмосферы планеты и поддержания в настоящее время газового состава атмосферы.
Окислительно-восстановительная заключается в способности многих живых организмов преобразовывать химические вещества путем биохимических реакций.
Энергетическая – преобразование космической энергии солнечного света в энергию химических реакций и передача этой энергии ниже по трофическим цепям.
Транспортная функция заключается в способности живых организмов передавать по пищевым цепям не только энергию, но химические вещества в виде атомов и молекул.
Рассеивающая функция – это способность распределять потоки вещества и энергии по всей площади планеты.
Деструктивная функция заключается в способности не только синтезировать, но и разрушать сложные органические соединения до простых.
Под средообразующей функцией предполагают способность сообществ живых организмов формировать условия среды не только для своего вида, но и для других видов.

Лекция 5.

Химический состав клетки.

Все химические элементы, входящие в состав биологических систем принято делить на три основных группы. Подобное деление основывается на процентном содержании данного химического элемента и на его биологической и химической роли в клетке. Наиболее общим и универсальным для клеток представителей всех царств является химический состав протопласта, который содержит около 80 % воды, 10 % органических веществ и 1 % солей.

Первая по значимости группа – так называемые органогееные элементы, то есть те элементы, которые лежат в основе всех органических соединений. К ним относятся углерод, кислород и водород. Ко второй группе относится достаточное большое количеств элементов, входящих в состав большинства химических соединений в живых организмах, обеспечивающие их жизнедеятельность. К таким элементам относятся азот, фосфор, железо, магний, натрий, калий, кальций, сера, хлор. Третью группу элементов составляют так называемы микроэлементы, содержащиеся в клетке в микроколичествах, но обеспечивающие полноценное функционирование живых организмов. Сюда можно отнести марганец, медь, йод, кобальт, фтор и многие другие. Всего же в составе живых организмов обнаружено до 70 различных химических элементов.

В клетках химические вещества находятся в виде катионов, например катионы натрия, калия, кальция, магния, железа; анионы хлора, фосфорной кислоты, угольной кислоты, а так же в виде различных молекул.

Одним из важнейших химических соединений в живых организмах является вода. Содержание воды в различных клетка колеблется от 60 до 98 процентов. Такое большое значение этого соединения в клетке объясняется уникальными химическими и физическими свойствами молекулы воды. Благодаря своей дипольности и угловой конфигурации вода является уникальным растворителем, источников катионов водорода и анионов гидроокисгруппа. Такие физические свойства как высокая теплоемкость и низкая теплопроводность делают воду одним из участников процесса терморегуляции. Кроме того вода обеспечивает тургор (внутреннее давление в клетке), регулирует осмотическое давление, является средой для физиологических и биохимических процессов, происходящих в клетке, обеспечивает транспорт веществ через мембрану клетки, и имея максимальную плотность при температуре 4^оС, дает возможность выжить организмам, обитающим в водной среде.

Из органических веществ выделяют:

- углеводы. М оносахариды - пентозы – синтез нуклеиновых кислот и коферментов, глюкозы – галактоза, фруктоза – поставщики энергии. О лигосахариды – мальтоза – глюкоза+глюкоза, сахароза – содержится в растениях, лактоза – в молоке. О олисахариды – крахмал (у растений) и гликоген (у животных) –полимеры глюкозы – откладываются в клетках как запасные вещества и используются в качестве строительного материала, и целлюлоза и хитин – используются в качестве укрепляющих опорных структур в оболочках клеток.

- липиды. Жиры – служат энергетическим депо, используются для теплоизоляции, повышения плавучести и запасания воды. У растений откладываются в виде масел. Воска – предохраняют покровы животных от намокания, повреждений и проникновения бактерий – листья, плоды у планктона. Фосфолипиды – входят в состав мембран. Стероиды – липиды без жирных кислот – гормоны, холестерин. Липиды входят в состав биомембран, выполняют энергетическую функцию (при расщеплении 1 г жира выделяется 38,9 кДж энергии), защитную функцию (подкожный слой жира), запасные питательные вещества, терморегуляция, поставщики экзогенной воды и гормональную функции (входят в состав половых гормонов).

- белки. Простые – состоят только из аминокислот. Сложные – включают небелковый материал. Имеют первичную, вторичную и третичную структуры. Могут денатурировать- изменять структуру. Если при этом сохранилась первичная структура белка то возможна ренатурация – приобретение вновь природной структуры.. Выполняют ферментативную функцию (большинство из них катализаторы химических реакций – амилаза расщепляет крахмал, трипсин – белки), структурную функцию – входят в состав мембран и органелл и опорных образований (коллаген хрящей и сухожилий, кератин волос), сократительную функцию - за счет изменения третичной структуры обеспечивают движение внутриклеточных структур, клеток (актин, миозин), регуляторную функцию – регулируют физиологические процессы (инсулин- обмен глюкозы, гистоны –генную активность), транспортную функцию (гемоглобин переносит кислород, альбумин – липиды и жирные кислоты), запасную (питательную) функцию - обеспечивают питание зародыша, детеныша (козеин молока, альбумин белка яйца), и защитную функцию – антитела связываются с чужеродными агентами, фибриоген и тромбин участвуют в свертывании крови.

Нуклеиновые кислоты. ДНК

Впервые обнаружены Ф. Мишером в 1869 г. Структурное строение нуклеиновых кислот открыто в 1953 г. Джеймсоном Уотсоном и Френсисом Криком.

Нуклеиновые кислоты состоят из фосфорной кислоты, пентозы и азотистого основания; соединяясь, они образуют нуклеотиды. При этом с фосфорной кислотой пентоза связана эфирной связью, с основанием - глюкозидной. Нуклеиновые кислоты представляют собой полинуклеотиды, т. е. продукты полимеризации большого количества нуклеотидов. Связь между нуклеотидами в нуклеиновой кислоте осуществляется через фосфорную кислоту.

В природе существует 2 типа нуклеиновых кислот - рибонуклеиновая (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК). Они отличаются по углеродному компоненту и набору азотистых оснований. В РНК - рибоза, азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин, урацил. В ДНК углеродный компонент - дезоксирибоза, азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин, тимин. Азотистые основания нуклеиновых кислот - производные пурина (аденин и гуанин) и пиримидина (цитозин, тимин, урацил). В зависимости от наличия азотистого основания нуклеотиды называются адениновый, цитозиновый, гуаниновый, тиминовый, урациловый.

Нуклеиновые кислоты обеспечивают:

1) синтез белка;

2) рост и деление клетки;

3) образование клеточных структур;

4) формообразование и наследственность организма.

Строение молекулы ДНК

Молекула ДНК представляет собой 2 спирально идущие полинуклеотидные цепи, закрученные вокруг общей оси и обращенные друг к другу азотистыми основаниями, которые скрепляют обе цепи. В молекуле ДНК возможны только два сочетания: аденин-тимин и гуанин-цитозин (принцип комплементарных оснований). По ходу спирали в макромолекуле образуются два «желобка»: малый, расположенный между двумя полинуклеотидными цепями, и большой - представляет проем между витками. Расстояние между парами оснований по оси молекулы ДНК составляет 3,4 А. В один ход спирали укладывается 10 пар нуклеотидов. Диаметр поперечного сечения спирали равен 20 А. ДНК эукариот содержится в ядре клетки, где входит в состав хромосом, в митохондриях и хлоропластах.

Особое свойство ДНК - ее способность удваиваться (репликация). Этот процесс определяет передачу наследственных свойств от материнской клетки к дочерним. Синтезу ДНК предшествует переход ее структуры от двуцепочечной к одноцепочечной. После этого на каждой полинуклеотидной цепи, как на матрице, формируется новая полинуклеотидная цепь, нуклеотидная последовательность в которой соответствует исходной по принципу комплементарное™ оснований.