Методические рекомендации для студентов по изучению раздела: «Учение о клетке» Тема: «Химический состав клетки».

Министерство образования Пензенской области

Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение ПО

«Пензенский колледж архитектуры и строительства»

Методические рекомендации для студентов по изучению раздела:

«Учение о клетке»

Тема: «Химический состав клетки».

Выполнила преподаватель:

Андронова Нина Михайловна.

г. Пенза, 2018г.

Методические рекомендации по изучению материала.

Основная цель методических рекомендаций – помочь студентам разобраться в сложном содержании большого по объёму раздела. Они помогут лучше усвоить материал, активизировать умственную деятельность, закрепить навыки самообразования.

Общие рекомендации:

При изучении раздела «Химический состав клетки» обратите внимание на следующие понятия:

1.Биополимеры. Углеводы. Липиды. Белки.

2.Нуклеиновые кислоты.

В результате освоения раздела Вы должны знать/понимать:

- атомный состав клетки;

- молекулярный состав клетки;

- неорганические вещества клетки;

- роль химических элементов в жизни клетки и организма, особенности строения и функции органических веществ: углеводов, липидов, белков;

- строение и функции молекул ДНК, РНК;

- принцип репликации и репарации.

Умейте давать сравнительную характеристику ДНК и РНК.

Научитесь решать биологические задачи.

Химическийсостав клетки.

1.Атомный состав клетки.

Из I Ю элементов Периодической системы Менделеева и состав организмов входит более полонимы, причем 24 из них являются обязательными и обнаруживаются почти во всех типах клеток. По процентному содержанию в клетке химические элементы делятся натри группы; макро-, микро - и ультрамикроэлементы,

Макроэлементы составляют в сумме порядка 98% всех элементов клетки и входят в состав жизненно важных биологических веществ. К ним относят водород (60%), кислород (~ 25%), углерод (-10%), азот (-3%).

К микроэлементам принадлежит 8 элементов, содержание которых в клетке составляет менее 2-3 %. Это магний (М&), натрии (Ыа), кальций К'а). железо (Ре), калин (К), сера (8) , фосфор (Г), хлор (С!).

К группе ультрамикроэлементов относят цинк, медь, йод, фтор, марганец, кобальт, кремний и другие элементы, содержащиеся в клетке в исключительно малых количествах (суммарное содержание порядка 0,1%).

Несмотря па низкое содержание в живых организмах, микро - и ультрамикроэлементы играют чрезвычайно важную роль: они входят в состав различных ферментов, гормонов, витаминов и обуславливают тем самым нормальное развитие и функционирование клетки и всего организма в целом. Так, например, медь является составной частью ферментов, занятых в процессах тканевого дыхания. Цинк - необходимый компонент почти ста ферментов, например, он содержится в гормоне поджелудочной железы- инсулине. Кобальт входит в состав витамина И12, регулирующего кроветворную функцию. Железо является компонентом гемоглобина, а йод- гормона щитовидной железы-тироксина,

Роль ряда ульграмикроэлементов в организме еще не уточнена или даже неизвестна (мышьяк).

2.Молекулярный состав клетки.

Химический элементы входил- в состав клеток в виде ионов или компонентов молекул неорганических и органических веществ.

Неорганические вещества.

Вода - одно из самых распространенных веществ на Земле и преобладающий компонент всех живых организмов. Среднее количество воды в клетках большинства живых организмов составляет порядка 70% (в клетках медузы - 95%).

Вода в клетке находился в двух формах: свободной и связанной. Свободная вода составляет 95 % всей воды клетки; па долю связанной воды, входящей в состав фибриллярных структур и соединенной с некоторыми белками, приходится около 4-5 %%.

Вода обладает рядом свойств, имеющих исключительно важное значение для живых организмом. Исключительные свойства воды определяются структурой ее молекул. Молекула воды является диполем. Атом кислорода в ней ковалентно связан с двумя атомами водорода. Положительные заряды сосредоточены у атомов водорода, т.к. кислород электроотрицательное водорода.

Из-за высокой полярности молекул вода является лучшим из известных растворителей. Вещества, хорошо растворимые в воде называют гидрофильными. К ним относят многие кристаллические соли, ряд органических веществ - спирты, сахара, некоторые белки (например, альбумины, гистоны). Вещества, плохо или совсем нерастворимые в воде, называют гидрофобными. К ним относятся жиры, нуклеиновые кислоты, некоторые белки (глобулины, фибриллярные белки).

Углеводы.

Содержание углеводов в животных клетках составляет 1-5%, а в некоторых клетках растении достигает 70%.

Различают три основных класса углеводов: моносахариды, олигосахариды и полисахариды, различающиеся числом мономерных звеньев.

Моносахариды - бесцветные, твердые кристаллические вещества, легко растворимые в воде, но нерастворимые в неполяриых растворителях, имеющие, как правило, сладковатый вкус. В зависимости от числа атомов различают триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и гептозы. Наиболее распространены в природе гексозы (глюкоза, фруктоза) -основные источники энергии в клетках (при полном расщеплении 1г глюкозы высвобождается 17,6 кДж энергии) и пентозы (рибоза, дезоксирибоза), входящие в состав нуклеиновых кислот.

Два или несколько ковалентно связанных друг с другом с помощью гликозидиой связи моносахарида образуют ди - или олигосахариды. Дисахариды также широко распространены в природе: наиболее часто встречается мальтоза, или солодовый сахар, состоящий из двух молекул глюкозы.

Биологическое значение углеводов состоит в том, что они являются мощным и богатым источником энергии, необходимой клетке для осуществления различных форм активности. Полисахариды - удобная форма накопления энергоемких моносахаридов, а также незаменимый защитный и структурный компонент клеток и тканей животных, растений и микроорганизмов. Некоторые полисахариды входят в состав клеточных мембран и служат рецепторами, обеспечивая узнавание клеток друг другом и их взаимодействие.

Липиды.

Липиды представляют собой органические вещества, не растворимые в воде, но растворимые в неполярных растворителях - эфире, хлороформе, бензоле. Они обнаруживаются во всех без исключения клетках и разделены на несколько классов, выполняющих специфические биологические функции. Наиболее распространенными в составе живой природы являются нейтральные жиры, пли триацилглицерины, воска, фосфоролипиды, стеролы,

Содержание липидов в разных клетках сильно варьирует: от 2-3 до 50 - 90 % в клетках семян растении и жировой ткани животных.

Структурными компонентами большинства липидов являются жирные кислоты. Жирные кислоты являются цепным источником энергии. При окислении 1г жирных кислот высвобождается 38 кДж энергии и синтезируется в два раза большее количество АТФ, чем при расщеплении такого же количества глюкозы.

Жиры - наиболее простые и широко распространенные липиды. Жиры являются основной формой запасания липидов в клетке. Жиры используются также в качестве источника воды (при сгорании 1г жира образуется 1,1 г воды). У многих млекопитающих под кожей откладывается толстый слой подкожного жира, который защищает организм от переохлаждения.

Воска - это сложные эфиры, образуемые жирными кислотами и многоатомными спиртами. У позвоночных животных секретируются кожными железами. Покрывая кожу и её производные (волосы, мех, шерсть, перья), воска смягчают их и предохраняют от действия воды.

Фосфолипиды в состав молекул, которых входит остаток фосфорной кислоты, являются основой всех клеточных мембран.

Стероиды составляют группу липидов, не содержащих жирных кислот и имеющих особую структуру. К ним относится ряд гормонов, в частности кортизон, вырабатываемый корой надпочечников, различные половые гормоны, а также холестерин - важный компонент клеточных мембран у животных.

Белки,

Белки представляют собой самый многочисленный и наиболее разнообразный класс органических соединений клетки. Белки - это биологические гетерополимеры, мономерами которых являются аминокислоты.

Среди белков организма выделяют простые белки, состоящие только из аминокислот, и сложные, включающие помимо аминокислот, так называемые простатические группы различной химической природы. Липопротеины имеют в своем составе липидный компонент, гликопротеины - углеводный. В состав фосфопротеинов входит одна или несколько фосфатных групп. Металлопротеииы содержат различные металлы; нуклеопротеины - нуклеиновые кислоты.

Белки выполняют в организме чрезвычайно важные и многообразные функции, перечисленные в нижеследующей таблице, по несомненно наиболее значительной является каталитическая, или ферментативная, функция.

а) В пробирку е 2 мл р-ра (куриного) белка добавить 2 мл сильного раствора шёлочи (КОН или NаОН). Осторожно нагреть пробирку (соблюдая все правила ТБ). К отверстию в пробирке поднести влажную красную лакмусовую бумажку - она посинеет. Вывод: В процессе опыта выявлено наличие NН2 группы амино­кислоты по лакмусовой бумажке и характерному запаху аммиака.

б) Используя таблицу изобразите графически структуры белка.

Нуклеиновые кислоты.

Нуклеиновые кислоты составляют 1 - 5 % сухой массы клетки и представлены моно-и полинукдеотидами. Мононуклеотид состоит из одного пуринового (аденин - А, гуанин - Г) или пиримидиного (цитозин - Ц, тимии - Т, урацил - У), азотистого основания. пятиуглеродного сахара (рибоза или дизоксорибоза) и 1- 3 остатков фосфорной кислоты.

Мононуклеотиды выполняют в клетке исключительно важные функций. Они выступают в качестве источников энергии, причем А'ГФ является универсальным соединением, энергия которого используется почти во всех внутриклеточных реакциях, энергия ГТФ необходима в белоксинтезирующей деятельности рибосом. Производные нуклеотидов служат также переносчиками некоторых химических групп, например НАД(никотинамиддинуклеотид) переносчик атомов водорода.

Однако наиболее важная роль нуклеотидов состоит в том, что они служат строительными блоками для сборки полпнуклеотидов РНК и ДНК (рибонуклеиновых и дезоксирибонуклеиновых кислот).

РНК и ДНК - это линейные полимеры, содержащие от 70 - 80 до К) в 9 степени мононуклеидов.

Нуклеотид РНК - содержит пятиугольный сахар - рибозу, одно из четырех азотистых оснований (гуанин, урацил, аденин или цитозин) и остаток фосфорной кислоты. Нуклеотиды, входящие в состав ДНК, содержат пятиугольный сахар - дезоксирибозу, одно из четырех основании (гуанин, химии, аденин или цитозин) и остаток фосфорной кислоты.

Данные рентгеноструктурного анализа показали, что молекулы ДНК большинства живых организмов, за исключением некоторых фагов, состоят из двух полииуклеотидных цепей, антипараллельно направленных. Молекула ДНК имеет форму двойной спирали, в которой полипуклеотндные цепи закручены вокруг воображаемой центральной оси. Спираль ДНК характеризуется рядом параметров. Ширина спирали около 2 им. Шаг или полный оборот спирали составляет 3,4 им и содержит 10 пар комплементарных нуклеотидов.

ДНК обладает уникальными свойствами: способностью к самоудвоению (репликации) и способностью к самовосстановлению (репарации).

Репликации осуществляется под контролем ряда ферментов и протекает в несколько этапов. Она начинается в определенных точках молекулы ДНК. Специальные ферменты разрывают водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями, и спираль раскручивается. Полинуклеотидпые цепи материнской молекулы удерживаются в раскрученном состоянии и служат матрицами для синтеза новых цепей.

С помощью фермента ДНК-полимеразы из имеющихся в среде трифосфатов дезоксиринуклеотидов (дАТФ, дГТФ, дЦТФ, д'П'Ф) комплементарно материнским цепям собираются дочерние цепи. Репликация осуществляется одновременно на обеих материнских цепях, по с разной скоростью и некоторыми отличиями. На одной из цепей (лидирующей) сборка дочерней цени идет непрерывно, на другой (отстающей) -фрагментарно. В последующем синтезируемые фрагменты сшиваются с помощью фермента ДНК лигазы. В результате из одной молекулы ДНК образуется две, каждая из которых имеет материнскую и дочернюю цени. Синтезируемые молекулы являются точными копиями друг друга и исходной молекулы ДНК. Такой способ репликации называется полуконсервативным и обеспечивает точное воспроизведение в дочерних молекулах той информации, которая была в материнской молекуле.

Репарацией называют способность молекулы ДНК «исправлять» возникающие в сё цепях изменения. В восстановлении исходной структуры участвуют не менее 20 белков:

узнающих измененные участки /ДНК и удаляющих их из цепи, восстанавливающих правильную последовательность нуклсотидов и сшивающих восстановленный фрагмент с остальной молекулой ДНК.

Перечисленные особенности химической структуры и свойств ДНК обусловливают выполняемые ей функции. ДНК записывает, хранит, воспроизводит генетическую информацию, участвует 15 процессах ее реализации между новыми поколениями клеток и организмов.

Рибонуклеиновые кислоты - РНК - представлены разнообразными по размерам, структура и выполняемым функциям молекулами. Все молекулы РНК являются копиями определенных участков молекулы ДНК и, помимо уже указанных отличий, оказываются короче ее и состоят из одной цепи. Между отдельными комплементарными друг другу участками одной цепи РНК возможно спаривание основании (А с У, Г с Ц) и образование спиральных участков. В результате молекулы приобретают специфическую конформацию.

Матричная, или информационная, РНК (мРНК, иРНК) синтезируются в ядре под контролем фермента РНК-подимеразы комплементарно информационным последовательностям ДНК, переносит эту информацию на рибосомы, где становится матрицей для синтеза белковой молекулы. В зависимости от объема копируемой информации молекула мРНК может иметь различную длину и составляет около 5% всей клеточной РНК.

Ридосомная РНК (рРНК) синтезируется в основном в ядрышке, в области генов рРНК и представлена разнообразными по молекулярной массе молекулами, входящими в состав большой и малой субчастиц рибосом. На долю рРНК приходится 85% всей РНК клетки.

Транспортная РНК (тРНК) составляет около 10% клеточной РНК. Существует более 40 видов тРНК. При реализации генетической информации каждая тРНК присоединяет определенную аминокислоту и траспортирует ее к месту сборки полипептида. У эукарнот тРНК состоят из 70-90 нуклеотидов.

....-.■•'"

Схема репликации ДНК

Репликация – это процесс самоудвоения молекул ДНК, происходящий под контролем ферментов. Репликация осуществляется перед каждым делением ядра. Начинается она с того, что спираль ДНК временно раскручивается под действием фермента ДНК – полимеразы. На каждой из цепей по принципу комплементарности синтезируется дочерняя цепь ДНК.

Сравнительная характеристика ДНК и РНК.

Тест № 10. Решение задач на строении и свойства ДНК и РНК.

Задача№1

Одна из пеней фрагмента молекулы ДНК имеет следующее строение:

Г-Г-Г-А-Т-А-А-Ц-А-Г-А-Т.

А)Укажите строение противоположной цепи.

Б) Укажите последовательность нуклеотидов в

молекуле и - РНК, построенной на этом участке цепи ДНК.

Решение:

1 цепь ДНК Г- Г- Г- А- Т -А -А -Ц-А-Г-А- Т

Ц-Ц-Ц-Т-А- Т- Т- Г-Т-Ц-Т- А

(по принципу комплементарности)

и –РНК Г-Г-Г-А-У-А-А-Ц-А- Г- Ц- У

Задача №2

Переведите приведённую ниже последовательность на язык аминокислот : А У Г У Ц Ц А Г А Г Ц А У А Ц Ц Ц Г У А УУ Ц У…

Задача №3

Фрагменты одной из цепей ДНК имеет следующий состав:

Ц - А -А -Г -А –Т-Т- А- Ц….

В соответствии с принципом комплементарности достройте фрагменты второй цепи.

Задача №4

Условие: на фрагменте одной цепи ДНК нуклеотиды расположены в последовательности: А-А-Г-Т-Ц-Т-А-Ц-Г-Т-А-Т…

1. Нарисуйте схему структуры двухцепочечной ДНК.

2. Объясните, каким свойством ДНК при этом вы руководствовались?

Вопросы для самоконтроля.

1. В каких клетках содержится больше углеводов?

а) В растительных

б) В животных

в) Одинаковое количество в тех и в других.

2. Какими свойствами обладают полисахариды?

а) Хорошо растворимы в воде, сладкие на вкус.

б) Плохо растворим в воде, сладкие на вкус.

в) Теряют сладкий вкус и способность растворяться в воде.

3. Основные биологические функции углеводов.

а) Защитная.

б) Энергетическая и строительная.

в) Энергетическая и защитная.

4. При окислении каких веществ освобождается больше энергии:

а) глюкозы;

б) жиров;

в) белков

5. Структура молекулы ДНК представляет собой :

а) Одну прямую полипептидную нить.

б) Две спирально закрученные полипептидные нити.

в) Одну спирально закрученную полипептидную нить.

6. Какого азотистого основания нет в молекуле ДНК:

а) А;

б) Ц;

в) Т;

г) У;

Тест № 4 Тема: «Химия клетки»

Решение задач на строении и свойства ДНК и РНК.

Задача№1

Одна из пеней фрагмента молекулы ДНК имеет следующее строение:

Г-Г-Г-А-Т-А-А-Ц-А-Г-А-Т.

А)Укажите строение противоположной цепи.

Б) Укажите последовательность нуклеотидов в

молекуле и - РНК, построенной на этом участке цепи ДНК.

Задача №2

Переведите приведённую ниже последовательность на язык аминокислот : А У Г У Ц Ц А Г А Г Ц А У А Ц Ц Ц Г У А УУ Ц У…

Задача №3

Фрагменты одной из цепей ДНК имеет следующий состав:

Ц - А -А -Г -А –Т-Т- А- Ц….

В соответствии с принципом комплементарности достройте фрагменты второй цепи.

Задача №4

Условие: на фрагменте одной цепи ДНК нуклеотиды расположены в последовательности: А-А-Г-Т-Ц-Т-А-Ц-Г-Т-А-Т…

1. Нарисуйте схему структуры двухцепочечной ДНК.

2. Объясните, каким свойством ДНК при этом вы руководствовались?

Тест № 4 Тема: «Химия клетки»

Часть1.А

1.В каких клетках содержится больше углеводов?

а) В растительных

б) В животных

в) Одинаковое количество в тех и в других.

2. Какими свойствами обладают полисахариды?

а) Хорошо растворимы в воде, сладкие на вкус.

б) Плохо растворим в воде, сладкие на вкус.

в) Теряют сладкий вкус и способность растворяться в воде.

3. Основные биологические функции углеводов.

а) Защитная.

б) Энергетическая и строительная.

в) Энергетическая и защитная.

4. При окислении каких веществ освобождается больше энергии:

а) глюкозы;

б) жиров;

в) белков

5. Структура молекулы ДНК представляет собой :

а) Одну прямую полипептидную нить.

б) Две спирально закрученные полипептидные нити.

в) Одну спирально закрученную полипептидную нить.

6. Какого азотистого основания нет в молекуле ДНК:

а) А;

б) Ц;

в) Т;

г) У;

ЧастьС.

7. Решение задач на строении и свойства ДНК и РНК.

Задача№1

Одна из пеней фрагмента молекулы ДНК имеет следующее строение:

Г-Г-Г-А-Т-А-А-Ц-А-Г-А-Т.

А)Укажите строение противоположной цепи.

Б) Укажите последовательность нуклеотидов в

молекуле и - РНК, построенной на этом участке цепи ДНК.

Задача №2

Переведите приведённую ниже последовательность на язык аминокислот : А У Г У Ц Ц А Г А Г Ц А У А Ц Ц Ц Г У А УУ Ц У…

Задача №3

Фрагменты одной из цепей ДНК имеет следующий состав:

Ц - А -А -Г -А –Т-Т- А- Ц….

В соответствии с принципом комплементарности достройте фрагменты второй цепи.

Задача №4

Условие: на фрагменте одной цепи ДНК нуклеотиды расположены в последовательности: А-А-Г-Т-Ц-Т-А-Ц-Г-Т-А-Т…

1. Нарисуйте схему структуры двухцепочечной ДНК.

2. Объясните, каким свойством ДНК при этом вы руководствовались?