Підручник Біологія 9 клас - О. А. Андерсон - Школяр 2017

Тема 1 ХІМІЧНИЙ СКЛАД КЛІТИНИ ТА БІОЛОГІЧНІ МОЛЕКУЛИ

§ 7. Нуклеїнові кислоти: структурна організація та функції. АТФ

Згадаємо!

Що таке біополімер?

Яка органічна молекула забезпечує збереження спадкової інформації?

Ріст і розвиток усіх організмів визначаються й контролюються генетичною програмою. Ви вже знаєте, що спадкова інформація зберігається в структурі молекул ДНК (дезоксирибонуклеїнової кислоти). Інші молекули - РНК (рибонуклеїнові кислоти) - беруть участь у реалізації цієї інформації, а саме в біосинтезі білка. Обидва зазначені типи молекул належать до нуклеїнових кислот.

! Нуклеїнові кислоти - біополімери, мономерами яких є нуклеотиди. 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 (рис. 29).

Різноманітність нуклеотидів. Усі нуклеотиди містять однакові залишки ортофосфатної кислоти. А різняться вони вуглеводними компонентами та нітрогеновмісними основами. Моносахаридами, що входять до складу нуклеотидів, можуть бути рибоза або дезоксирибоза. Нуклеотиди з рибозою утворюють молекули РНК, з дезоксирибозою - ДНК. Нітрогеновмісні основи, які можуть входити до складу нуклеотидів, називають аденіном, тиміном, урацилом, цитозином та гуаніном. Скорочено їх позначають першими літерами назв речовин: А, Т, У, Ц, Г.

Рис. 29. Будова молекули нуклеотиду (залишок моносахариду позначено синім кольором, залишок ортофосфатної кислоти - жовтим, залишок нітрогеновмісної основи - зеленим)

?! Прочитайте опис зображеного нуклеотиду: «Містить залишок ортофосфатної кислоти, вуглеводу рибози та нітрогеновмісної основи аденіну». До складу нуклеїнової кислоти якого типу він може входити?

Нуклеотиди здатні взаємодіяти один з одним, формуючи довгі ланцюги. Міцний ковалентний зв’язок утворюється між гідроксильною групою вуглеводу одного нуклеотиду та гідроксильною групою ортофосфатної кислоти іншого нуклеотиду. Унаслідок цього утворена сполука буде містити з одного боку залишок ортофосфатної кислоти, а з іншого - моносахариду, а тому може взаємодіяти з іншим нуклеотидом. Найбільша молекула ДНК клітин людини містить послідовно майже 250 млн нуклеотидів. Якщо цю молекулу розгорнути, її довжина становитиме 85 мм (пригадайте розміри клітини).

Послідовність «літер» нітрогеновмісних основ і є основою коду, яким записано інформацію в молекулах ДНК і РНК. Як він «працює», ми розглянемо згодом, а тепер розглянемо особливості будови цих речовин.

Молекула ДНК. Молекулу ДНК можна уявити як подвійну спіраль: вона складається з двох ланцюгів, що закручені один навколо одного. Нуклеоти- ди обох ланцюгів розташовані так, що нітрогеновмісні основи одного ланцюга містяться напроти нітрогеновмісних основ іншого, утворюючи пари. Між основами виникають слабкі водневі зв’язки. Незважаючи на слабкість, велика їх кількість (сотні тисяч та мільйони) зумовлює те, що обидва ланцюги міцно тримаються разом. Основи взаємодіють між собою так, що напроти А першого ланцюга завжди розташовується Т другого, а напроти Г - завжди Ц. Така відповідність у розташуванні нуклеотидів називається комплементарністю (рис. 30). Ця закономірність має важливе значення для забезпечення процесів копіювання молекул ДНК та переписування з них інформації на молекули РНК (§ 19 і 22). Водночас така особливість будови молекули ДНК зумовлює

Рис. 30. Модель молекули ДНК - подвійна спіраль. Фрагмент молекули

?! Полічіть кількість водневих зв’язків, що утворюються між комплементарними нуклеотидами зображеного фрагмента молекули ДНК.

те, що структура першого ланцюга комплементарно повторює структуру другого, тобто за послідовністю одного з них може відновлюватися послідовність іншого в разі його руйнування. Це важливо для захисту молекули ДНК від пошкоджень унаслідок негативних хімічних або фізичних впливів. Отже, така будова молекули ДНК забезпечує виконання своєї основної функції - збереження спадкової інформації. У клітинах, які мають ядра, молекули ДНК зв’язані з білками, що називаються гістонами.

Молекула РНК. Молекули РНК клітин прокаріотів та еукаріотів складаються з одного ланцюга. Існують три основні типи РНК, які різняться місцем розташування в клітині, структурою та функціями в біосинтезі білка. Інформаційна, або матрична, РНК (іРНК, або мРНК) переносить спадкову інформацію від ДНК до місця синтезу поліпептидного ланцюга. Транспортна РНК (тРНК), що з-поміж усіх молекул РНК має найменші розміри (складається з 70-90 нуклеотидів), транспортує амінокислоти до місця синтезу білкових молекул. Рибосомна РНК (рРНК) входить до складу особливих органел клітини - рибосом, які забезпечують синтез білкової молекули. Бувають й інші типи РНК.

Ядерна ДНК зберігається в ядрі, там же синтезуються молекули РНК. Далі РНК транспортуються з ядра в цитоплазму, де синтезуються білки. Наводимо порівняльну таблицю двох типів нуклеїнових кислот (табл. 1).

Інші функції нуклеотидів. АТФ. Деякі нуклеотиди функціонують у клітинах не лише як мономери нуклеїнових кислот, а мають додаткові, само стійні функції.

Найголовнішим з таких нуклеотидів є АТФ (аденозинтрифосфат). Цей нуклеотид складається з аденіну, рибози та трьох залишків ортофосфатної кислоти. Особливістю будови цієї молекули є те, що для приєднання наступних залишків ортофосфатної кислоти потрібно набагато більше енергії, ніж на приєднання першого - так у клітинах накопичується енергія (рис. 31). Від синтезованої молекули АТФ шляхом гідролізу відщеплюється третій залишок ортофосфатної кислоти, накопичена енергія вивільняється й використовується для перебігу різноманітних процесів (синтез чи розклад хімічних речовин, зміну їхньої структури, здійснення рухів тощо). Рівняння такої реакції:

АТФ + H2O АДФ +H3PO4 + Е (50 кДж/моль),

де АДФ - аденозиндифосфатна кислота; Е - енергія, що виділяється. Утворена АДФ може далі розщеплюватися до аденозинмонофосфатної кислоти (АМФ), але під час цієї реакції вивільняється менше енергії (~33-42 кДж/моль). АМФ є звичайним РНК-нуклеотидом, що не зберігає великої кількості енергії.

Порівняння нуклеїнових кислот

Т а б л и ц я 1

Особливості будови та локалізація в клітині

ДНК

РНК

Кількість ланцюгів

2

1

Нуклеотидний склад полімеру (назва нуклеотиду надається за назвою нітрогеновмісної основи)

(А) Аденіловий

(Г) Гуаніловий

(Т) Тимідиловий

(Ц) Цитидиловий

(А) Аденіловий

(Г) Гуаніловий

(У)Урациловий

(Ц) Цитидиловий

Речовини, що утворюють нуклеотид

Нітрогеновмісна основа

Ортофосфатна кислота

Вуглевод - дезоксирибоза

Нітрогеновмісна основа

Ортофосфатна кислота

Вуглевод - рибоза

Локалізація в еукаріотичній клітині

Ядро

Хлоропласти

Мітохондрії

Ядро

Цитоплазма

Рибосоми

Хлоропласти

Мітохондрії

! АТФ - це молекула, що є універсальним внутрішньоклітинним переносником енергії. Молекули АТФ можуть утворюватися за рахунок енергії, яка виділяється в реакціях безкисневого розщеплення глюкози або окиснення органічних речовин у мітохондріях, за рахунок енергії світла під час фотосинтезу тощо. Розщеплення АТФ відбувається завжди, коли клітині потрібна енергія для здійснення певної реакції.

Крім АТФ у клітинах «працюють» й інші нуклеотиди. До них належать нікотинамідаденіндинуклеотид (НАД) та нікотинамідаденіндинуклеотид-фосфат (НАДФ) (назви наведено не для запам’ятовування). Ці нуклеотиди переносять хімічні речовини і є важливими для роботи мітохондрій та фотосинтезу.

Рис. 31. Структурна формула молекули АТФ

ПОВТОРІТЬ, ПОМІРКУЙТЕ

1. Дайте означення поняття нуклеїнові кислоти.

2. Опишіть будову нуклеотиду.

3. Що таке принцип комплементарності?

4. Порівняйте будову молекул ДНК і РНК.

5. Чому АТФ називають акумулятором енергії в клітині?

Цікавинки

В організмі людини вода становить ~65 % за масою, а в деяких тварин, наприклад медузи, може сягати 98 %.

Пригадайте, як називається організм, зображений на фотографії.

Форамініфери - це переважно морські одноклітинні організми, що формують черепашку, основою якої є кальцій карбонат. Відмерлі форамініфери стають основою осадових порід. Цікаво, що їхні черепашки входять до складу крейди, якою пишуть на шкільних дошках.

Найбільший з відомих нам білків - тітин складається із 38 138 залишків амінокислот, а його молекулярна маса становить майже 3 млн а. о. м. Тітин є компонентом скелетних м’язів людини й виконує функцію «біологічної пружини», запобігаючи їх надмірному розтягненню.

Дослідниці та дослідники іноді дають відкритим ними хімічним речовинам кумедні назви, які часто застосовують поряд із традиційними. Наприклад, білок shh, що бере участь у регуляції ембріонального розвитку людини, названо на честь героя коміксів Їжачка Соніка (SonicHedgehog).

Ядро соматичної клітини організму людини містить 46 молекул ДНК. Вони утворені більш ніж трьома мільйонами пар нуклеотидів. Довжина ниток ДНК однієї клітини становить близько 2 м, а ДНК всього організму - 1011 м, що більше, ніж відстань від Землі до Сонця.

Практична робота Розв'язування елементарних вправ зі структури білків та нуклеїнових кислот

Мета: навчитися розв’язувати елементарні вправи зі структури білків та нуклеїнових кислот

Вправа 1.

Молекулярна маса білка становить 150 000. Визначте кількість амінокислот у наведеному білку, прийнявши молекулярну масу амінокислоти за 100.

Вправа 2.

Фрагмент одного з ланцюгів молекули ДНК має такий нуклеотидний склад:

1. Визначте й запишіть послідовність нуклеотидів фрагмента другого ланцюга молекули ДНК, використовуючи принцип комплементарності. (Не пишіть у підручнику!)

2. Визначте довжину наведеного фрагмента молекули ДНК. Відстань між двома нуклеотидами одного ланцюга - 0,34 нм.

3. Визначте (у відсотках) уміст кожного нуклеотиду в наведеному фрагменті молекули ДНК.

Вправа 3.

Фрагмент молекули ДНК містить 30 % гуанілових нуклеотидів. Визначте (у відсотках) уміст усіх інших нуклеотидів у наведеному фрагменті молекули ДНК.

Вправа 4.

Фрагмент молекули ДНК містить 20 % аденілових нуклеотидів. Визначте (у відсотках) уміст усіх інших нуклеотидів у наведеному фрагменті молекули ДНК.

Вправа 5.

Фрагмент молекули ДНК містить 440 цитидилових нуклеотидів, що становить 22 % від загальної кількості. Визначте кількість усіх інших нуклеотидів у наведеному фрагменті.

Самоконтроль рівня навчальних досягнень з теми «Вступ. Хімічний склад клітини та біологічні молекули»

ВАРІАНТ І

Тестові завдання з однією правильною відповіддю (0,5 бала)

1. Цей метод біологічних досліджень ґрунтується на вивченні біологічного об’єкта та подальшому виявленні рис подібності та відмінності з іншими об’єктами. У результаті біологи змогли систематизувати організми. Укажіть цей метод.

А порівняльно-описовий

Б експериментальний

В моделювання

Г моніторинг

2. Укажіть резервний вуглевод рослинної клітини.

А глюкоза

Б крохмаль

В глікоген

Г дезоксирибоза

3. Фрагмент одного з ланцюгів молекули ДНК має такий нуклеотидний склад: ГГЦАТ Укажіть послідовність нуклеотидів фрагмента другого ланцюга.

А ГГЦАТ

Б ТАЦГГ

В ЦЦГТА

Г ЦГТАГ

4. Макромолекули яких речовин складаються з моносахаридів?

А білків

Б ліпідів

В полісахаридів

Г нуклеїнових кислот

5. Вторинна структура білкової молекули підтримується за рахунок

А йонних зв’язків

Б водневих зв’язків

В ковалентних зв’язків

Г гідрофобних взаємодій

6. Укажіть функцію ДНК.

А сигнальна

Б енергетична

В універсальний розчинник

Г збереження спадкової інформації

Тестові завдання з однією правильною відповіддю (1 бал)

7. Укажіть усі правильні твердження щодо рівнів організації біологічних об’єктів, зображених на рисунку.

I. Об’єкти 1 і 2 перебувають на різних рівнях організації живого.

II. Об’єкт 2 порівняно з об’єктом 1 перебуває на вищому рівні організації.

А лише І

Б лише ІІ

В обидва правильні

Г обидва неправильні

8. На уроці біології для обговорення значення вуглеводів у життєдіяльності організмів клас поділили на дві групи. Перша група зазначила, що вуглеводи накопичуються в клітинах як джерело енергії. Друга група висловила судження про те, що резервною речовиною рослинних клітин є глікоген. Яка група висловила правильне судження?

А лише перша

Б лише друга

В обидві групи

Г жодна із груп

9. Прочитайте опис: «Мономерами ДНК є (1). Вони сполучаються між собою в ланцюги ковалентними зв’язками, утвореними між залишками дезоксирибози та (2)». Замість цифр необхідно вставити слова. Виберіть правильний варіант.

А 1 - амінокислоти

2 - нітрогеновмісної основи

Б 1 - нуклеотиди

2 - нітрогеновмісної основи

В 1 - амінокислоти

2 - ортофосфатної кислоти

Г 1 - нуклеотиди

2 - ортофосфатної кислоти

Тестове завдання з коротким описом (3 бали)

10. Схарактеризуйте білки за наведеними ознаками й укажіть речовину, яка належить до цієї групи органічних речовин.

Мономерами є

1 жирні кислоти

2 амінокислоти

3 нуклеотиди Функція в клітині

1 рухова

2 універсальний розчинник

3 збереження спадкової інформації

До білків належить

1 хітин

2 глікоген

3 гемоглобін

Дайте відповідь на вибране вами завдання (3 бали)

1. Виходячи із особливостей будови молекули ДНК, обґрунтуйте надійність збереження нею спадкової інформації.

2. Доведіть єдність живого на основі знань про хімічний склад організмів.

ВАРІАНТ ІІ

Тестові завдання з однією правильною відповіддю (0,5 бала)

1. Укажіть метод біологічних досліджень, що ґрунтується на багаторічних спостереженнях за перебігом процесів.

А моніторинг

Б моделювання

В порівняльно-описовий

Г експериментальний

2. Укажіть резервний вуглевод тваринної клітини.

А глюкоза

Б крохмаль

В глікоген

Г дезоксирибоза

3. Фрагмент одного з ланцюгів молекули ДНК має такий нуклеотидний склад: ТТАГЦ. Укажіть послідовність нуклеотидів фрагмента другого ланцюга.

А ТТАГЦ

Б ЦГАТТ

В ААТЦГ

Г ЦГТАГ

4. Укажіть мономери білків.

А моносахариди

Б жирні кислоти

В амінокислоти

Г нуклеотиди

5. Первинна структура білкової молекули утворюється за допомогою

А йонних зв’язків

Б водневих зв’язків

В ковалентних зв’язків

Г гідрофобних взаємодій

6. Укажіть одну із функцій РНК.

А транспортування кисню

Б універсальний розчинник

В перенесення спадкової інформації

Г забезпечення синтезу вуглеводів

Тестові завдання з однією правильною відповіддю (1 бал)

7. Укажіть усі правильні твердження щодо рівнів організації біологічних об’єктів, зображених на рисунку.

I. Об’єкти 1 і 2 перебувають на різних рівнях організації живого.

II. Об’єкт 2 порівняно з об’єктом 1 перебуває на вищому рівні організації.

А лише І

Б лише ІІ

В обидва правильні

Г обидва неправильні

8. На уроці біології для обговорення значення ліпідів у життєдіяльності організмів клас поділили на дві групи. Перша група зазначила, що запаси жирів організми використовують як резервні поживні речовини. Друга група висловила судження про те, що верблюд використовує жири також як джерело метаболічної води. Яка група висловила правильне судження?

А лише перша Б лише друга В обидві групи Г жодна із груп

9. Прочитайте опис: «Мономерами РНКє (1). Вони сполучаються між собою в ланцюг ковалентними зв’язками, утвореними між залишками рибози та (2)». Замість цифр необхідно вставити слова. Виберіть правильний варіант.

А 1 - амінокислоти

2 - нітрогеновмісної основи

Б 1 - нуклеотиди

2 - нітрогеновмісної основи

В 1 - амінокислоти

2 - ортофосфатної кислоти

Г 1 - нуклеотиди

2 - ортофосфатної кислоти

Тестове завдання з коротким описом (3 бали)

10. Схарактеризуйте полісахариди за наведеними ознаками й укажіть речовину, яка належить до цієї групи органічних речовин.

Мономерами є

1 жирні кислоти

2 моносахариди

3 нуклеотиди

Функція в клітині

1 енергетична

2 універсальний розчинник

3 збереження спадкової інформації

До полісахаридів належить

1 глюкоза

2 глікоген

3 гемоглобін

Дайте відповідь на вибране вами завдання (3 бали)

1. Виходячи із особливостей будови молекули ДНК, обґрунтуйте надійність збереження нею спадкової інформації.

2. Доведіть єдність живого на основі знань про хімічний склад організмів.

Тема 2 СТРУКТУРА КЛІТИНИ

З історії відкриттів

Наука, що вивчає будову та різноманітність клітин, називається цитологією. її становлення та розвиток пов’язані з іменами видатних учених.

Одним із перших винахідників мікроскопа був Захаріус Янсен, який створив його в 1595 р. Надалі мікроскоп удосконалив видатний англійський фізик Роберт Гук (1635-1703), що сприяло відкриттю ним клітинної будови організмів. Розглядаючи кіркову пробку, якою була закоркована пляшка, учений у 1665 р. вперше в історії людства спостерігав у полі зору мікроскопа клітини рослин. Голландський натураліст Антоні ван Левенгук (1632-1723) суттєво вдосконалив конструкцію мікроскопа, уперше спостерігав бактерії та найпростіші, описав пластиди, еритроцити, сперматозоїди. У 1827 р. Карл Бер описує яйцеклітини ссавців. Центральну структуру клітин рослин і тварин - ядро - відкрили в 1825 р. чеський дослідник Ян Пуркіньє (1787-1869) (у клітинах тварин) та в 1831 р. англієць Роберт Броун (1773-1858) (у клітинах рослин). Праці німецьких учених Матіаса Шлейдена (1804-1881), Теодора Шванна (1810-1882) та Рудольфа Вірхова (1821-1902) лягли в основу клітинної теорії - фундаментального узагальнення біології, яка визначала взаємозв’язок усіх проявів життя на Землі з клітиною, характеризувала клітину одночасно як цілісну самостійну живу систему та як складову багатоклітинних організмів рослин і тварин. У 1838 р. Т. Шванн опублікував три попередні повідомлення, а в 1839 р. з’явився його класичний твір «Мікроскопічні дослідження про відповідність у структурі й зростанні тварин і рослин», у самому заголовку якого висловлено основну думку клітинної теорії. Основні положення клітинної теорії:

• усі організми складаються з клітин;

• клітина є одиницею будови й розвитку всіх організмів;

• клітини як одноклітинних, так і багатоклітинних організмів загалом подібні за будовою та основними процесами життєдіяльності;

• утворення нових клітин є наслідком розмноження материнської клітини. Поступово заклалися основи науки, яка називається цитологією. Вона вивчає будову, процеси життєдіяльності та різноманітність клітин. Відкриття в цитології стали підґрунтям для розвитку медицини, ветеринарії, сучасних напрямів досліджень у галузі клітинної інженерії. З методами вивчення клітини та сучасними відкриттями в цитології ви ознайомитеся в параграфах цієї теми.

Мікроскоп Р. Гука

Малюнок мікроскопічної структури корка Р. Гука з праці «Мікрографії»





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити