Білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи, ліпіди: огляд будови й біологічної ролі

Тема: Білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи, ліпіди: огляд будови й біологічної ролі

Мета:

освітня: розширити знання про різноманіття й функції вуглеводів, ліпідів, білків і нуклеїнових кислот,  встановити зв'язок між будовою молекул і виконуваними ними функ ціями; з'ясувати значення вуглеводів та ліпідів для живих організмів;

розвивальна: розвивати вміння логічно мислити та знаходити зв'язки між особливостями будови та функціями біологічних структур;

виховна: виховувати розуміння єдності всього живого і бережливе ставлення до природи.

Обладнання і матеріали: таблиці, які ілюструють особливості будови, різ­номаніття та функції ліпідів і вуглеводів, зразки ліпідів та вуглеводів.

Базові поняття і терміни: ліпіди, рослинні олії та тваринні жири, вуглево­ди, моносахариди, олігосахариди, полісахариди.

Ключові компетентності: спілкування державною мовою; наукове розу­міння природи; уміння аналізувати, формулювати висновки; знання та розуміння фундаментальних принципів біології.

План:

1. Огляд будови та біологічної ролі білків.

2. Нуклеїнові кислоти: будова і біологічна роль.

3. Вуглеводи: будова і біологічна роль.

4. Ліпіда: будова і біологічна роль

 

 

1. Огляд будови та біологічної ролі білків.

Органічні речовини – речовини, що мають ковалентно зв’язані ланцюжки з Карбону. Сьогодні відомо понад 20 мільйонів органічних речовин, серед яких є природні й штучні.             

 Білки – високомолекулярні нітрогеновмісні біополімери, мономерами яких є залишки амінокислот. Амінокислоти – це органічні кислоти, що містять аміногрупу (–NH2), якій притаманні лужні властивості, та карбоксильну групу (–СООН) з кислотними властивостями. Ці групи, як і атом Гідрогену, зв’язані з одним і тим самим атомом Карбону. Є у складі амінокислот й специфічні для кожної з них частини. Їх називають радикалами (R-групами).

До складу більшості білків входить до 25 різних амінокислот — похідних карбонових кислот, у вуглеводному ради­калі яких при а-атомі Карбону (найближчого до карбоксильної -СООН групи) один або кілька атомів Гідрогену заміщено на амі­ногрупу -МН₂. При цьому 20 з них присутні в кожній білковій молекулі.

Загальною формулою амінокислот є:

Амінокислоти бувають:

     Замінні амінокислоти — частина амінокислоти, яка може синтезуватися в організмі, з продуктів обміну речовин. До замінних амінокислот належать, наприклад, аланін, цистеїн, тирозин.

     Незамінні. З їжею людина отримує 8 незамінних амінокислот:

1.       лейцин,
2.       ізолейцин,
3.       лізин,
4.       фенілаланін,
5.       валін,
6.       триптофан,
7.       треонін
8.    ме­тіонін.

Незамінними вони є тому, що не можуть бути синтезовані організмом людини. Їх відсутність призводить до затримки росту, втрати ваги та, зрештою, загибелі організму. На сьогодні в приро­ді знайдено понад 300 різних амінокислот (зважте на те, що не всі іони є а-амінокислотами), близько 60 амінокислот та їх похідних міститься в організмі людини, але не всі вони входять до складу білків.

Білкові молекули мають чотири рівні структурної організації:

     первинна (послідовність амінокислот, з’єднаних між собою по- ліпептидним зв’язком);

     вторинна (впорядковане розташування окремих ділянок полі- пептидного ланцюга у вигляді спіралей або складок);

     третинна (скручування молекули вторинної структури у клу­бок);

     четвертинна (формується кількома молекулами третинної структури, утворюючи стійкий комплекс).

Прості білки ‑ протеїни	Складні  білки ‑ протеїди
Складаються тільки з амінокислот.	Складаються не тільки з амінокислот (білкового компонента), а й з небілкового матеріалу (простетична група).
Альбуміни, глобуліни ‑ білки крові. Склеропротеїни ‑ кератин волосся, пір'я. Колаген ‑ сухожилля.	Ліпопротеїди ‑ компоненти мембран. Хромопротеїди ‑ гемоглобін, цитохром. Фосфопротеїди ‑ казеїн молока. Глікопротеїди ‑ плазма крові, муцин слини. Нуклеопротеїди ‑ хромосоми, рибосоми.

 

Біологічними функціями білків є:

1. Структурна — білки входять до складу клітинних мембран, а також є основою цитоскелета, міжклітинного матриксу та де­яких спеціалізованих тканин.
2. Каталітична, або ферментативна — усі ферменти за своєю хі­мічною природою є білками або комплексами білків з низь­комолекулярними небілковими сполуками, які прискорюють біохімічні процеси, що відбуваються в живих організмах.
3. Транспортна — білки зв’язують та здійснюють внутрішньоклі­тинний та міжклітинний транспорт молекул.
4. Захисна — виконують функції імунного захисту завдяки здат­ності зв’язувати бактерії, токсини та віруси, протидіють кро­вотечі та тромбоутворенню, а також є захисним механічним бар’єром.
5. Скорочувальна — білки беруть участь у скороченні й розслаблен­ні м’язів, роботі серця, легенів, шлунка та інших внутрішніх органів.
6. Рецепторна — мембранні рецептори клітин, що відповідають за функції вибіркового впізнавання та приєднання окремих речо­вин, мають білкову природу.
7. Регуляторна — гормони, медіатори та модулятори ендокринної, імунної та нервової систем є білками.
8. Запасна та травна функції — білки є найважливішими компо­нентами їжі, а також резервними, запасними речовинами.

Приклади білків за виконуваними функціями

Функція	Приклади
Рецепторна	адренорецептор повідомляє клітині про приєднання адреналіну
Каталітична	амілаза розщеплює крохмаль до мальтози; каталаза розщеплює гідроген пероксид до води та кисню
Структурна	колаген надає пружності сполучній тканині, кісткам,и сухожиллям, хрящам
Скорочу­ вальна	актин та міозин входять до складу міофібрил
Транспортна	гемоглобін переносить кисень у крові хребетних тварин; альбумін сироватки крові транспортує жирні кислоти і ліпіди у крові
Захисна	антитіла (імуноглобуліни) приєднуються до антигенів, зменшуючи їхню активність
Регуляторна	інсулін та глюкагон регулюють обмін глюкози; гормон росту соматотропін прискорює ріст організму
Запасна	■ казеїн — білок молока; ■ яєчний альбумін — білок курячого яйця

2. Нуклеїнові кислоти: будова і біологічна роль

Нуклеїнові кислоти — складні біополімери, мономерами яких є нуклеотиди. Кожен нуклеотид складається з нітратної основи, п’ятикарбонового вуглеводу (пентози) та залишку ортофосфатної кислоти.

Нуклеотиди – це органічні речовини, що складаються з трьох хімічних компонентів, сполучених ковалентними зв’язками: моносахариду (пентози), ортофосфатної кислоти та нітрогеновмісної основи – речовини з циклічною будовою молекули.

До складу нуклеотиду може входити одна з п’яти нітрат­них основ: аденін (А), гуанін (Г), цитозин (Ц), тимін (Т) або урацил (У). Аденін та гуанін є пуриновими основами, цитозин, тимін та ура­цил — піримідиновими. Залежно від пентози у складі нуклеотидів розрізняють два типи нуклеїнових кислот: дезоксирибонуклеїнову (ДНК) та рибонуклеїнову (РНК). Нітратна основа тимін міститься лише у ДНК, а урацил — лише в РНК. Таким чином, до складу ДНК можуть входити Г, Ц, А та Т; до складу РНК — Г, Ц, А та У.

Молекула ДНК складається з двох полінуклеотидних ланцю­гів, сполучених між собою водневими зв’язками: між А та Т вини­кають два водневих зв’язки, між Г та Ц — три. Нуклеотиди утво­рюють пари (принцип комплементарності). Кількість Г = Ц, А = Т, А + Г = Т + Ц.

ДНК міститься в ядрі клітини, мітохондріях, пластидах. Функція ДНК — збереження спадкової інформації та передача її нащадкам.

Молекули РНК є одноланцюговими, однак можуть утворювати иодневі зв’язки всередині молекули. Вони значно коротші за ДНК. Існує кілька видів РНК, що відрізняються за розмірами, структу­ро та функціями.

 

Нуклеїнові кислоти

 

ДНК ‑ дезоксирибонуклеїнова                         РНК – рибонуклеїнова кислота                                                                                кислота

 

Порівняльна характеристика ДНК і РНК

	ДНК	РНК
Структура	Два полінуклеотидні ланцюги з'єднані між собою	Один полінуклеотидний ланцюг
Нітратні снови в нуклеотидах	Аденін (А), Гуанін (Г), цитозин (Ц), тимін (Т)	Аденін (А), гуанін (Г), і цитозин (Ц), урацил (У)
Моносахарид у нуклеотиді	Дезоксирибоза	Рибоза
Місце розташування в клітині	Ядро, мітохондрії, пластиди	Ядерце,цитоплазма
Спосіб синтезу	Редуплікація ‑ подвоєння за принципом комплементарності	Матричний синтез за принципом комплементарності на одному з ланцюгів ДНК
Комплементарність	А ‑ Т; Ц ‑ Г	А ‑ У; Ц ‑ Г
Функції	Збереження й передача спадкової інформації в ряді поколінь	Беруть участь у синтезі білка: і-РНК (м-РНК) переписують і передають інформацію про структуру білків із ядра до рибосоми; Р-РНК містяться в рибосомах; т-РНК беруть участь у транспортуванні амінокислот

 

3.Огляд будови й біологічної ролі вуглеводів.

 

Вуглево́ди — органічні сполуки , що складаються з карбону, оксигену й гідрогену та за хімічною природою є полігідроксиальдегідами або кетонами (тобто мають кілька гідроксильних груп й одну карбонільну), або перетворюються на них шляхом гідролізу.

У природі вуглеводи утворюються рослинами та деякими мі­кроорганізмами в процесі фотосинтезу. Вміст вуглеводів у росли­нах дорівнює приблизно 80 % від сухої маси, у тваринах — у се­редньому 1-2 %.

В організмах рослин та тварин вуглеводи задіяні в процесах і виконують важливі функції:

■       енергетичну — під час окиснення у процесі клітинного дихання 1 г вуглеводів вивільняється в середньому 17,2 кДж енергії, що застосовується у різних процесах в організмі (глюкоза, сахароза);

■       структурну — є основними структурними компонентами клі­тинних стінок рослин (целюлоза) та грибів (хітин);

■       запасаючу — полісахариди відкладаються у тканинах (крох­маль — у рослин, глікоген — у тварин і грибів), вивільняючи у разі необхідності глюкозу;

■       захисну — слиз, багатий на вуглеводи, змащує і захищає стінки органів (шлунка, кишечнику, бронхів) від механічних та хі­мічних впливів; полісахариди утворюють покрив, що захищає тіло зовні (зовнішній скелет із хітину членистоногих);

■       рецепторну — виконують роль рецепторів у складі глікопротеї- нів клітинних мембран;

■       осмотичну — беруть участь у регуляції осмотичного тиску в ор­ганізмі (глюкоза у крові).

Вуглеводи містять у складі молекул одну карбоксильну та кілька гідроксильних груп (тобто є альдегідо- або кетоноспирта- ми). За структурою молекул поділяють на прості (моносахариди) та складні (оліго- та полісахариди).

Значення і природні джерела моносахаридів:

■       рибоза входить до складу ДНК, ряду коферментів, глікозидів та антибіотиків;

■       галактоза входить до складу дисахариду лактози — молочного цукру;

■       глюкоза, декстроза, або винний цукор — один з найпоширені­ших у природі моносахаридів: у вільному стані він міститься у фруктах, рослинних соках, лімфі, крові та ін.; є основним джерелом енергії для більшості організмів;

■       фруктоза, левульоза, або плодовий, фруктовий цукор, міститься у фруктах, меді, входить до складу олігосахаридів (сахароза, ра- фіноза) та полісахаридів (інулін). У три рази солодша за глюкозу.

    4.Огляд будови й біологічна роль ліпідів.

Ліпіди, або жироподібні речовини — це природні органічні спо­луки, характерною ознакою яких є нерозчинність у воді та інших полярних розчинниках та здатність до розчинення в неполярних рідинах.

За будовою ліпіди поділяються на прості та складні. Прості є переважно естерами (органічні сполуки, що утворюються внаслідок взаємодії карбонових кислот¹ зі спиртами з відщепленням молекули води) різних спиртів і жирних кислот. До них належать жири, стероїди та воски. Складні є етерами жирних кис­лот і спиртів. До них належать фосфоліпіди, гліколіпіди та суль- фаліпіди.

Ліпіди містяться в усіх клітинах живих організмів і беруть участь у різних фізіологічних та біохімічних процесах. Біологічними функціями ліпідів є:

• структурна — фосфоліпіди беруть участь у побудові клітинних мембран;
• енергетична — під час розщеплення 1 г жиру вивільняється 38,9 кДж енергії (це вдвічі більше, ніж під час окиснення біл­ків і вуглеводів);
• запасаюча — у рослин відкладаються про запас олії, у тва­рин — жири; надлишок вуглеводів та білків також може пере­творюватися на жири і відкладатися про запас;
• теплоізоляційна — жирові капсули внутрішніх органів тварин та підшкірна жирова клітковина завдяки низькій теплопровід­ності запобігають утратам тепла;
• електроізоляційна — сфінгомієліни та глікосфінголіпіди міє­лінових клітин нервової тканини ізолюють деякі нейрони, що пришвидшує проходження нервового імпульсу;
• регулятивна — статеві гормони та гормони надниркових залоз є ліпідами; частина вітамінів є жиророзчинними (А, Б, Е, К);
• захисна — воски захищають рослин від утрати води, жири на­вколо внутрішніх органів тварин захищають від механічних впливів.

Приклади сполук, що належать до ліпідів: тваринні жири (сви­нячий, коров’ячий, баранячий, риб’ячий жири, вершкове мас­ло) та рослинні (соняшникова, горіхова, кукурудзяна, оливкова, пальмова) олії, тваринні та рослинні воски, стероїдні гормони.

 

Завдання для самоконтролю

1. Що таке білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи, ліпіди, ?

2. Назвіть функції цих речовин в обміні речовин.

3. Назвіть основні групи білків, ліпідів, вуглеводів .

5. Що таке ДНК, РНК?

6. Назвіть складники молекулярного рівня організації життя.

7. Яка будова та біологічна роль білків, ліпідів, вуглеводів, нуклеїнових кислот ?

8. Яке значення цих органічних речовин для обміну речовин й перетворення енергії?

9. У чому суть ієрархії молекулярного рівня організації життя.

10. Що є спільного й відмінного в обміні речовин та енергії різних організмів?

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

12. На конкретному прикладі доведіть твердження про залежність ролі жирів чи вуглеводів від структурних складників.

 

Рекомендована література:

Основна:                                                                                                                                  1. В.І. Соболь «Біологія і екологія (рівень стандарту)», 2018р.;                                                       2.  Остапченко, Л.І., Балан, П. Г., Компанець, Т. А., Рушковський, С. Р. «Біологія і екологія (рівень стандарту)», 2018р.

Додаткова:                                                                                                                                   3. «Біологія і екологія (рівень стандарту)» 10 клас, Андерсон, О.А.; Чернінський, О. А; Вихренко, М.А. (2018);

4. «Біологія і екологія (рівень стандарту)»: підручник для 10 класу закладів загальної середньої освіти, Задорожний, К. М. (2018);

5. «Біологія і екологія (рівень стандарту)»: підручник для 10 класу закладів загальної середньої освіти, Шаламов, Р.; Носов, Г; Каліберда, М.; Коміссаров, А. (2018).

6. Уварова І.О «Біологія і екологія». 10клас: плани-конспекти уроків. – Харків: Вид-то «Ранок», 2018.