Уровни организации живой материи

Уровни организации живой материи

Предмет и задачи биохимии растений

Лекция №1

МОДУЛЬ I Уровни организации живой материи. Статическая биохимия: аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты

(2 часа)

Предмет биохимии растений

Уровни организации живой материи

Прокариотная и эукариотная организация клеток

Отличие растительной клетки от животной

Биохимия растений – это наука о химических и физико-химических процессах, протекающих в живых растительных организмах и лежащих в основе всех проявлений их жизнедеятельности.

Основные положения биохимии:

- все живые организмы построены из однотипных химических макромолекул;

- универсальной единицей биологической энергии служит АТФ;

- в основе физиологического разнообразия живых существ лежит несколько основных метаболических путей;

- у всех клеточных типов жизни существует единство системы передачи генетической информации.

Разделы биохимии:

- структурная биохимия – изучает химическое строение биомолекул;

- метаболическая биохимия – изучает обмен веществ и энергии;

- функциональная биохимия – изучает взаимосвязь между химическими превращениями веществ в организме и их биологическими функциями.

В зависимости от объекта изучения выделяют: медицинскую, фармацевтическую биохимию, биохимия животных, человека, растений, микроорганизмов, биохимическая экология и фармакология. Многие разделы биохимии развились в самостоятельные науки: биотехнология, генная инженерия, биохимическая генетика, экологическая биохимия, космическая биохимия.

Задачи биохимии растений – изучение закономерностей функционирования живых растительных организмов на молекулярном уровне.

Общее происхождение живой материи, подобие химического строения наводят на мысль, что во всех живых организмах протекают очень схожие процессы. Однако растения обладают поразительным разнообразием и способны синтезировать из углекислоты, воды и неорганических солей огромное количество самых различных соединений (например, такие специфические для растений соединения, как алкалоиды, терпеноиды, фенольные вещества).

В живых организмах обнаружены около 70 элементов таблицы Менделеева, однако их содержание неодинаково. По количественному содержанию в организме принято различать 3 группы элементов:

- макробиогенные (главные) – О, С, N, H, Ca, P, K, CI, S, Mg, Na, Fe и др. Содержание в организме выше 0,001 %;

- микробиогенные – Zn, Mn, Co, Cu, B, J, Md и др. Содержание в организме 0,001-0,000001 %;

- ультрамикробиогенные – Pb, V, Au, Si, Ni, Cr, Se, Ti, Hg, Ag и др. Содержание в организме менее 0.000001 %.

Из химических элементов в живом организме строятся молекулы типичных для него соединений. Основой таких соединений являются: О, С, N, Н и Р. Как правило, в живом растениях все основные пластические и органические соединения построены из этих элементов. Некоторые органы и ткани растений, в силу специфики их функционирования, обладают способностью накапливать в большей или меньшей степени определенные биомолекулы и химические элементы. Например, семена накапливают липиды, клеточная стенка – полисахариды и т.д. Различные физиологические и экологические факторы оказывают существенное влияние на количество отдельных химических элементов в растительном организме, но, по крайней мере, в пределах одного биологического вида химический состав практически стабилен.

Каждый растительный организм содержит определенные количества органических и неорганических соединений. Количество минеральных веществ в организме может составлять до 10% общей массы. Остальная часть массы живых организмов приходится на долю органических соединений. Среди них 40-50 % - это белки, а 50-60 % - нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы и др. Значительно отличаются по содержанию химических компонентов различные органы и ткани растений.

Неорганическая фаза представлена главным образом водой (как минимум 60 %) и минеральными веществами. За очень немногими исключениями, вода является преобладающим компонентом живых клеток. Вода является (как в свободном состоянии, так и в структурированном виде) основной средой организмов, в которой осуществляются все обменные процессы. Вода служит источником ионов водорода при фотосинтезе. Вода в клетке находится в двух формах: свободной и связанной. Свободная вода составляет 95 % всей воды в клетке и используется главным образом как растворитель и как дисперсионная среда коллоидной системы протоплазмы. Связанная вода, на долю которой приходится всего 4 % всей воды клетки, непрочно соединена с белками водородными связями. Из-за асимметричного распределения зарядов молекула воды действует как диполь и потому может быть связана как положительно, так и отрицательно заряженными группами белка. Дипольным свойством молекулы воды объясняется способность ее ориентироваться в электрическом поле, присоединяться к различным молекулам и участкам молекул, несущим заряд. В результате этого образуются гидраты. Благодаря своей высокой теплоемкости вода поглощает тепло и тем самым предотвращает резкие колебания температуры в клетке. Содержание воды в различных тканях варьируется в зависимости от их метаболической активности. Вода - основное средство перемещения веществ в организме и в клетке. Вода необходима для метаболизма (обмена) клетки, так как физиологические процессы происходят исключительно в водной среде. Молекулы воды участвуют во многих ферментативных реакциях клетки (например, расщепление белков). Такие реакции называются реакциями гидролиза.

В водной среде минеральные вещества выступают преимущественно в виде ионов, реже (например, в костной ткани) – в виде солей. Из катионов важны К⁺, Na⁺, Са^2-, Mg²⁺, а из анионов H₂PO₄^-, Cl^-, НСО₃^-. Концентрация различных ионов неодинакова в различных частях клетки и особенно в клетке и окружающей среде. Так, концентрация ионов натрия всегда во много раз выше во внеклеточной среде, чем в клетке, а ионы калия и магния концентрируются в значительно большем количестве внутри клетки. От концентрации солей внутри клетки зависят буферные свойства цитоплазмы, т.е. способность клетки сохранять определенную концентрацию водородных ионов.

Все химические элементы можно расположить по сложности строения и получить уровни организации живой материи:

1. Низкомолекулярные предшественники клеточных компонентов: Н₂О, СО₂, О₂ и N₂, неорганические ионы, ряд химических элементов.

2. Промежуточные химические соединения: аммиак, органические кислоты, рибоза, карбомоилфосфат и др.

3. Биологические мономеры: сахара, жирные кислоты, аминокислоты, нуклеотиды. Они строятся из соединений первого, второго уровней и являются строительным материалом для биополимеров.

4. Витамины и коферменты – по молекулярной массе близки к мономерам, но не являются строительным звеном для полимеров.

5. Биополимеры – нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды, липиды.

6. Сложные макромолекулы – образуются путем ковалентного связывания биополимеров: липопротеины, нуклеопротеины, гликопротеины, гликолипиды.

7. Надмолекулярные структуры – образуются при взаимодействии простых и сложных молекул – мультиэнзимные комплексы.

8. Клеточные органеллы – митохондрии, ядро, рибосомы, хлоропласты, аппарат Гольджи и т.д.

9. Клетка – система органелл.