Новосибирский государственный университет Факультет естественных наук Кафедра цитологии и генетики презентация к курсу лекций ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЖИЗНИ К.б.н. Владимир Александрович Трифонов Пособие разработано в рамках реализации Программы развития НИУ-НГУ

Лекция 1. План. 1)Введение в дисциплину. 2)Определение жизни. 3)Уровни организации живых систем. 4) Химический состав организмов. 5) Липиды. Строение и биологические функции. 6) Биополимеры, их строение и свойства

Что такое жизнь? Попытки определения понятия: «магнит одушевлен, т.к. способен притягивать железо» «одушевлены все тела природы» Фалес VI век до н.э. Б. Спиноза (XVII в)

«Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных этих тел» «Всеобщность молекулярного обновления (обмена веществ) у растений и животных и во всех их частях, его постоянство, не допускающее остановки, делают из этого явления всеобщий признак жизни» Клод Бернар (XIX в) Ф.Энгельс (XIX в)

Жизнь - … это работа специальным образом организованной системы, направленная на понижение собственной энтропии за счет повышения энтропии окружающей среды «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот» Эрвин Шредингер ( ) М.В. Волькенштейн ( )

Живые организмы как открытые системы Система – множество элементов, находящихся в определенных отношениях друг с другом и связанных прямыми и обратными связями, образуя целостность. Открытые системы: обмениваются энергией, веществом и информацией с окружающей средой. Открытые системы: явления самоорганизации, усложнения или спонтанного возникновения порядка.

Общая теория систем Людвиг фон Берталафани ( ) Свойства систем Синергичность однонаправленность действий компонентов усиливает эффективность функционирования системы. Эмерджентность функции компонентов системы не всегда совпадают с функциями системы. Целостность первичность целого по отношению к частям. Иерархичность каждый компонент системы может рассматриваться как система (подсистема) более широкой глобальной системы Адаптивность стремление к состоянию устойчивого равновесия, которое предполагает адаптацию параметров системы к изменяющимся параметрам внешней среды

Неравновесные системы Предпочтительность одних состояний другим – явление упорядоченности, т.е. убывание энтропии. Самоорганизация в неравновесных системах Последовательность состояний системы – ТРАЕКТОРИЯ СИСТЕМЫ Наиболее вероятные состояния системы - АТТРАКТОРЫ «Неравновесность может стать источником упорядоченности» Существует точка зрения, что жизнь можно рассматривать как результат специфического отбора на пути длительной эволюции, который прошли самоорганизующиеся системы. Илья Пригожин ( )

Свойства живых систем 1) Примерно одинаковый химический состав 2) Обмен веществом и энергией 3) Самовоспроизведение 4) Способность к росту и развитию 5) Раздражимость 6) Дискретность

Уровни организации живой материи Элементарные частицы атомы молекулы мономеры биополимеры

Уровни организации живой материи Клетка Ткани Органы и сиcтемы органов

Уровни организации живой материи организм популяция вид

Уровни организации живой материи Экосистема, биогеоценоз Биосфера

Химический состав живых организмов Всего обнаружено 80 элементов, но только для 30 известны функции

Макроэлементы Содержание которых в живых организмах составляет больше 0,001 % на сухую массу. Составляют 99% сухой массы клетки Из них на биогенные макроэлементы приходится 98%: кислород (65-75%), углерод (15-18%), азот(1,5-3%) и водород (8-10%) O C H N Ca P K S Cl Mg Na Fe

Микроэлементы Содержание в организме % Могут входить в состав гормонов, ферментов и других важных компонентов клетки Zn Cu I F B Co Mo V Br Cr Mn Se Si Ge Ni

Co Ковалентная связь углерод-кобальт - единственный в природе пример ковалентной связи металл-углерод.

Ультрамикроэлементы Концентрация меньше % Физиологическая роль не установлена Au Hg U Be Cs Ra и др.

Состав химических соединений живой клетки Неогранические вещества Вода от 50 до 90% Соли и др. неорг. вещ-ва 1-1.5% Низкомолекулярные органические вещества липиды 1.5% прочие0.1% Высокомолекулярные органические вещества Белки10-20% Углеводы0.2-20% Нуклеиновые кислоты1-2%

Роль воды Универсальный растворитель Водородные связи Высокая теплоемкость Участник многих реакций Транспорт веществ в организме Осмос

Значение осмоса в биологических процессах Мембрана клетки полупронецаема! =>Белки остаются внутри клетки. Растения - осмос увеличивает объём вакуоли, и она распирает стенки клетки (тургорное давление). Осмос участвует в переносе питательных веществ в стволах высоких деревьев.

Ионы в клетке Важнейшие анионы: Cl -, HCO 3 -, H 2 PO 4 - Важнейшие катионы: K +, Na +, Ca 2+, Mg 2+ Буферные свойства Нерастворимые соли в костной ткани и раковинах

Органические вещества клетки Белки 10-20% Углеводы 0.2-2% Нуклеиновые кислоты1-2% Липиды1-5%

Липиды большая группа веществ биологического происхождения, хорошо растворимых в органических растворителях: метанол, ацетон, хлороформ, бензол и т.д. Нейтральные жиры: эфиры глицерина и карбоновых кислот стеариновая пальмитиновая олеиновая

Карбоновые кислоты Незаменимые жирные кислоты не синтезируются в организме и должны поступать с пищей. Из Кольман, Рем «Наглядная биохимия»

Фосфолипиды Из Кольман, Рем «Наглядная биохимия»

Изопреноиды Все липиды произошли от одного предшественника ацетилкофермента А [ацетил-КоА (ацетилCoA)], представляющего собой активированную форму уксусной кислоты Из Кольман, Рем «Наглядная биохимия»

Витамин А Провитамин А – β каротин Витамин А - ретинол

Родопсин (белок с хромофорной группой) 1) Поглощение кванта света 2) хромофорная группа (11-цис-ретиналь) переходит в транс-форму 3) разложение родопсина 4) возбуждение зрительного нерва

СТЕРОИДЫ Из Кольман, Рем «Наглядная биохимия»

Стероиды Структура мембран, желчные кислоты, гормоны, витамины

Простагландины Е1 Е2 Липидные медиаторы – обнаружены во всех органах и тканях животных. Аспирин – ингибитор синтеза простогландинов.

Функции липидов 1) Структурная 2) Энергетическая 3) Запасная 4) Изоляционная 5) Регуляторная 6) Рецепторная

БИОПОЛИМЕРЫ Гомополимеры – один тип мономеров Гетерополимеры – более одного типа мономеров Регулярные –А-В-А-В-А-В- Нерегулярные-А-С-В-А-Г-А-

Литература