Реферат: Сущность жизни

F
Сущность жизни
Живая материя качественно отличается от неживой огромной сложностью и высокой структурной и функциональной упорядоченностью .

Живая и неживая материя сходны на элементарном химическом уровне, т. е. состоят из одних химических элементов

Определение жизни .

Современное диалектико - материалистическое :

Жизнь - это качественно особая и высшая форма существования , развития и движения материи .

Жизнь - способ существования белковых тел , существенным моментом которого является постоянное самообновление химических составных частей этих тел . ( Ф. Энгельс « Анти - Дюринг « )

Живые тела , существующие на Земле , представляют собой открытые , саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы , построенные из биополимеров - белков и нуклеиновых кислот . ( М. В. Волькенштейн )

Жизнь - это макромолекулярная система с определённой иерархической организацией , способная к воспроизведению , обмену веществ и регулируемому потоку энергии . (К. Гробстейн )

Чёткого , ясного , принятого всеми определения жизни в настоящее время не существует .

Фундаментальные свойства живых систем.

Единство химического состава :

98% химических элементов живых организмов составляю С , О , N , Н - биогенные элементы

важное значение имеют элементы Na , K , Mg , Fe , Ca , P , S , Cl - микроэлементы ( эти же элементы входят в состав неживых обьектов , но в других соотношениях )

все живые организмы построены из 4 основных групп сложных органических молекул - биополимеров : нуклеиновых кислот , белков , полисахаридов , липидов , или жиров .

2 . Клеточное строение

все живые организмы имеют определённую организацию , структурной и функциональной единицей которой является клетка ( кроме вирусов ) .

Обмен веществ и энергии ( энергозависимость )

живые организмы - открытые системы , существующие и устойчивые только при условии непрерывного доступа к ней вещества и энергии извне (поглощение из окружающей среды необходимых веществ , синтез из них биополимеров и выделение продуктов жизнедеятельности )

осуществление потока веществ и энергии через организмы обусловлено свойствами белков ( особенно их каталитической активностью ) и нуклеиновых кислот

в результате распада сложных органических веществ выделяется энергия ,необходимая для реакций биосинтеза

обмен веществ обеспечивает постоянство химического состава и физико-химических особенностей организма - гомеостаз

живые системы находятся в состоянии динамического равновесия с собственными компонентами и внешней средой (обмен веществами также возможен в неживой природе - небиологический круговорот - физический перенос или изменение их агрегатного состояния )

4. Саморегуляция - способность поддерживать постоянство химического состава

физико-химических констант организма и интенсивность метаболизма - гомеостаз

осуществляется с помощью биологически активных веществ ( гормонов , ферментов , витаминов и т. д. ) и нервной системы по принципу обратной связи ( т. е. ингибирования процесса продуктами метаболизма )

при недостатке веществ - мобилизуются внутренние ресурсы организма , избыток - вызывает прекращение синтеза этих веществ

5. Размножение и репродукция

существование каждой отдельной биологической системы ограничено во времени , поэтому жизнь на любом уровне связана с репродукцией

размножение ( репродукция ) обеспечивает поддержание жизни в ряду поколений

на молекулярном уровне репродукция осуществляется на основе матричного синтеза ( самовоспроизведения молекул ДНК ) и тесно связано с явлением наследственностью

Наследственность - общее свойство всех живых организмов сохранять и передавать от предков потомкам признаки своего строения и жизнедеятельности

обеспечивает материальную преемственность ( поток информации ) между поколениями организмов

хранение и передача наследственной информации осуществляются на основе генетического кода нуклеиновыми кислотами - ДНК , РНК , обеспечивающие авторепродукцию жизни на молекулярном , субмолекулярном и клеточном уровне

Изменчивость - общее свойство всех организмов приобретать отличия в строении и жизнедеятельности от предков ( противоположное наследственности )

связана с нарушениями в процессе самовоспроизведения и аберрациями генетических структур ( ДНК , хромосом )

чаще всего носит негативный характер для организма в стабильных условиях внешней среды.

является элементарным фактором эволюции (поставляет материал для естественного отбора )

Индивидуальное развитие ( онтогенез ) - развитие организма от образования зиготы до смерти .

во время индивидуального развития происходит реализация наследственной информации

сопровождается ростом ( увеличением массы )

базируется на репродукции молекул , клеток и дифференцировке биологических структур ( необратимые процессы )

продолжительность жизни (онтогенеза ) ограничена процессами старения

Эволюционное развитие ( филогенез )

процесс исторического развития таксона , к которому принадлежит организм ( необратимый и направленный процесс )

реализация существования организма во времени

сопровождается видообразованием и прогрессивным усложнением

основные закономерности установлены Ч. Дарвином

результатом филогенеза является огромное многообразие форм жизни на Земле

Раздражимость - способность организма отвечать спецефическими реакциями на внешние воздействия

выражается в избирательных реакциях организма на внешние воздействия ( безусловные и условные рефлексы , таксисы , тропизмы , настии ) , необходимых для поддержания гомеостаза

связана с передачей информации из внешней среды любой биологической системе

всякое изменение окружающей среды является раздражителем

связана с изменением химических субстратов жизни

сочетания « раздражитель - реакция » могут накапливаться в виде опыта

Ритмичность - периодические изменения интенсивности физиологических функций с различными периодами колебания ( сек. , годы , столетия )

обеспечивает согласование функций организма с периодически изменяющимися условиями существования ( суточные , сезонные ритмы )

является адаптацией организмов к геофизическим циклам среды ( суточные ритмы сна и бодрствования у человека , сезонные ритмы активности и спячки у некоторых млекопитающих )

11. Дискретность и целостность

любая биологическая система состоит из обособленных или ограниченных в пространстве взаимодействующих сруктурно-функциональных частей ,образующих относительно автономную часть целого . связанную молекулами белков и нуклеиновых кислот

дискретность строения организма - основа его структурной упорядоченности

принцип дискретности лежит в основе представлений об уровнях организации живой материи

Помимо названных . иногда выделяют и чисто физиологические свойства , присущие живому – подвижность рост , выделение и т. д.

^ Уровни организации живой материи

Живая природа - упорядоченная , целостная , открытая , но неоднородная система , состоящая из дискретных единиц , которой свойственна иерархичность организации .

Система - целостность , состоящая из множества элементов , находящихся в закономерных отношениях . Иерархичная система - система , части которой расположены в порядке от низшего к высшему .

иерархический принцип организации живой материи позволяет выделить отдельные уровни ( на основе принципа дискретности жизни )

Уровень организации - это функциональное место биологической системы в общей системе органического мира

существование жизни на каждом уровне определяется и подготавливается структурой низшего уровня

иерархические уровни организации живого соответствуют узловым моментам эволюции органического мира

отдельные иерархические уровни определяются элементарной единицей и элементарным явлением

Элементарная единица - структура ( объект ) , изменение которой составляет элементарное явление ( вклад в сохранение и развитие жизни )

общими для всех уровней организации являются - дискретность, целостность, структурная организация , обмен веществ , энергии и информации

Иерархические уровни организации живой материи

I . Молекулярный ( молекулярно - генетический ) уровень

начальный ( самый низкий ) уровень организации живого

универсален для всех царств живой природы

с этого уровня начинаются обмен веществ и превращение энергии , изменчивость , передача наследственной информации и др. .

физико-химическая специфика этого уровня - основная масса химических элементов представлена С , Н , N , О - 98 %

является жизненным субстратом для всех животных , растений , вирусов и представлен :

а ) 20 видами одних и тех же аминокислот , образующих всё многообразие белков

б ) 5 одинаковых азотистых оснований , образующих нуклеиновые кислоты - ДНК , РНК - хранение изменение и реализация наследственной информации

в ) липидами ( жирами )

г ) полисахаридами

д ) аденозинтрифосфорными кислотами - АТФ , АДФ , АМФ - аккумуляторов биологической энергии

выделенные из клеток биологические молекулы являются неживыми

элементарная единица - ген

элементарное явление - генетическая конвариантная редупликация ( самовоспроизведение ) ДНК

механизм осуществления элементарного явления - матричный синтез

обуславливает возможность некоторых изменений информации гена - генные мутации

II . Субклеточный уровень

элементарная структура - клеточные компоненты - органоиды (специфичны по структуре и функциям)

элементарное явление - функциональная активность органоидов

III . Клеточный уровень

Клетка - элементарная самостоятельная структуро-функциональная единица , характерная для всех живых организмов ( прокариот и эукариот ) , единица размножения и развития

в структуре и функция клеток растений и животных нет принципиальных различий

с этого уровня начинается жизнь ( возможность матричного синтеза биополимеров)

обеспечивает структуры , процессы , энергетику и химические субстраты для реализации генетической информации

элементарное явление - реакции клеточного метаболизма - основа потоков энергии, вещества и информации , которые возможны только на клеточном уровне

характерная особенность клеточного уровня - специализация клеток и раздражимость

клеточный уровень у одноклеточных организмов совпадает с организменным

IV . Тканевый уровень

Ткань - совокупность клеток и межклеточных элементов с одинаковым типом происхождения и организаци ( строения , размеров , расположения и функций )

возник в ходе эволюционного развития вместе с многоклеточностью

у многоклеточных организмов образуется в процессе онтогенеза как следствие дифференциации клеток

ткани сходны на уровне многоклеточных животных - 5 основных тканей и растений - 6 основных тканей

совместно функционирующие клетки , относящиеся к разным тканям , образуют органы

Органный уровень

Орган - структурно-функциональное объединение нескольких типов тканей ( часть многоклеточного организма , выполняющая определённые функции

у более совершенных организмов имеются системы органов

VI . Организменный ( онтогенетический ) уровень

элементарная структура - особь - элементарная единица жизни ( представлена одноклеточными и многоклеточными организмами растительной и животной природы )

происходит от одного зачатка ( зиготы , споры , части другого организма )

элементарное явление - закономерное изменение организма в процессе индивидуального развития (онтогенеза ) - рост , дифференциация , интеграция частей , возможные только на этом уровне

воплощение фенотипа на основе генотипа ( декодирование и реализация наследственной информации )

существует в виде огромного разнообразия форм ( более миллиона видов животных и около 500 тысяч видов растений )

вне особей жизни в природе не существует

осуществляется саморегуляция гомеостаза с помощью нервной и эндокринной систем

подвержен действию эволюционных и экологических факторов

VII . Популяционно-видовой уровень

элементарная единица - популяция - совокупность свободно скрещивающихся особей одного вида образующих относительно изолированную самовоспроизводящуюся , территориальную открытую генетическую систему надорганизменного порядка

популяция - элементарная единица эволюционного процесса ( в ней начинаются процессы видообразования )

Вид - совокупность популяций , занимающая определённый ареал , особи которых способны к скрещиванию с образованием плодовитого потомства ( генетически стабильная система )

VIII . Биогеоценотический уровень ( экосистемный )

элементарная структура - биоценоз - исторически сложившиеся , устойчивые сообщества популяций разных видов , связанных между собой и окружающей неживой природой обменом веществ , энергии и информации ( биогеоценоз в случае учёта физических факторов )

на этом уровне осуществляются вещественно-энергетические круговороты , связанные с жизнедеятельностью организмов ( элементарное явление )

биогеоценозы составляют биосферу и обуславливают все процессы , происходящие в ней

IX . Биосферный уровень ( глобальный )

Биосфера - часть атмосферы , литосферы и гидросферы , занятая живыми организмами или следами их деятельности

самый высокий уровень организации живого ( живых систем )

обьединяет все вещественно-энергетические круговороты в единый глобальный , планетарный круговорот веществ и энергии

Общие замечания

на всех уровнях жизнь представляет из себя открытую систему , условием существования которой является непрерывный поток энергии и материи

для молекулярного и субклеточного ( надмолекулярного ) уровней окружающей средой является внутренняя среда клетки

для клеток , тканей и органов - внутренняя среда организма ( внешняя живая и неживая среда на этих уровнях воспринимается опосредованно , т.е. через изменение внутренней среды )

для организмов и их сообществ среду составляют другие организмы и условия неживой природы

между различными уровнями организации живого существует диалектическое единство ( при переходе от одного уровня к другому связан с сохранением функциональных механизмов предшествующих уровней и сопровождается возникновением новых структур и функций )

представление о биологической форме существования материи складывается только при комплексном изучении явлений жизни на всех уровнях



^ Уровни организации органического мира

Уровень системы Уровень организации Метод изучения

Биологические Молекулярный Физико-химический

микросистемы Субклеточный Микроскопический

Клеточный Цитологический

Биологические Тканевый Гистологический

мезосистемы Органный Анатомический

Организменный Физиолого-анатомический

Биологические Популяционно - Зоология , ботаника .

макросистемы видовой экология , эволюционный

Биогеоценотический Биогеоценология

Биосферный Биосферология


^ Химическая организация клетки

в состав клетки ( протоплазмы ) входит более 80 элементов ( все они встречаются и в неживой природе )

для 27 элементов известно , что они выполняют определённые функции

53 элемента , вероятно , попадают в организм случайно с водой , пищей , воздухом и не участвуют в жизнедеятельности

по содержанию в клетке элементы разделяются на три группы :

Макроэлементы (основные, биогенные) - С - 65% , О -20% , Н -10% , N -3%

в сумме они составляют 98 % от элементарного состава клетки

биологическое значение обусловлено их способностью к образованию прочных ковалентных связей

главные химические компоненты основных структурных и функциональных компонентов клетки

Макроэлементы - ( концентрация 0 , 1 - 0 , 01 % ) - K , Na , Ca , Mg , P , S , Cl , Fe

в сумме составляют около 1 % элементарного состава клетки

поступают в организм в виде солей

в клетке находятся в ионизированной форме

являются сырьём для синтеза биологически активных соединений

небольшое число основных структурообразующих элементов биологически более целесообразно , чем их большое количество ( способны образовывать сравнительно небольшое число типов связей что уменьшает количество необходимых ферментов до нескольких тысяч )

Микроэлементы - ( концентрация 0 , 001 % - 0 , 000001 % )-Cu , Co , Mn , Zn ,

B , Wa , J , Br , F , Ni , Si , и т. д.

в организме находятся в неионизированной форме

входят в состав ферментов , гормонов и других биологически активных соединений

их отсутствие негативно для биохимических процессов и даже приводит к смерти

Ультрамикроэлементы - ( концентрация менее 10 -6 % ) - Ra , Au , Ag , Hg , Ве , U , Se , Ze и др. .

физиологическая роль большинства не установлена

попадают в организм и клетку случайно

% содержание любого элемента в клетке не говорит о степени его необходимости

на атомарном уровне различие в химическом составе органического и неорганического мира отсутствует

Химические соединения ( вещества ) клетки

содержание ( концентрация ) химических веществ в клетке поддерживается на постоянном уровне ( строгий гомеостаз )

^ I . Неорганические вещества ( в % на сырую массу ) :

вода - 75 - 85 %

минеральные соли - 1 - 1,5 % ( находятся в клетке в определённых соотношениях )

II . Органические вещества :

белки - 10 - 20 %

жиры - 1 - 5 %

углеводы - 0.2 - 2 %

нуклеиновые кислоты - 1 - 2 %

АТФ и другие низкомолекулярные органические вещества - 0,1 - 0,5 %

все клетки имеют сходный элементарный и химический состав ( свидетельство общности происхождения )

Неорганические вещества клетки

Вода , её свойства и биологические функции

на первом месте по массе в клетке ( в среднем составляет 2 \ 3 массы клетки )

источники воды для клетки : 1) поступление из окружающей среды ( у растений )

образование в клетке в результате расщепления органических веществ - жиров , углеводов , белков и из внешней среды ( у животных )

местонахождение и преобразование в клетке - в цитоплазме , вакуолях , матриксе органелл , , ядерном соке , клеточной стенке , межклетниках

содержание воды в клетке зависит от фазы онтогенеза организма и активности клеточного метаболизма ( чем «моложе» клетка и интенсивнее её метаболизм - тем больше ) : в клетках эмбриона - 95 % , молодой организм - 80 % , клетках пожилых людей - 60 % , нейронах - 85 % , мышечные клетки - 76 % , жировая ткань - 40 % , костная ткань - 20%

с возрастом количество воды в клетках любого организма заметно снижается

потеря 20 % веса за счёт воды смертельна для организма

без воды и пищи организм может существовать не более 3 - 4 дней

роль воды в клетке определяется ее физико-химическими , химическими и структурными свойствами

Физико-химические особенности молекулы воды

1. Небольшой размер молекул ( легко проникает через клеточные мембраны по градиенту концентрации , поры )

Несжимаемость (придание формы сочным органам и тканям )

Способность к электролитической диссоциации ( НОН = Н+ + ОН+ )

Дипольная структура ( асимметричное распределение зарядов атомов + и - )

Способность к образованию Н - связей ( благодаря им все молекулы природной и клеточной воды ассоциированы , отдельные молекулы только при температуре 4000 С )

Н - связи в 20 раз слабее ковалентных

Высокая теплота испарения ( охлаждение организма )

Высокая теплопроводность ( быстрое и равномерное распределение тепла )

Большая удельная теплоёмкость ( самая большая из всех известных жидкостей )

защита тканей от быстрого и сильного повышения температуры

избыточная энергия ( тепло ) расходуется на разрыв Н - связей

Большая теплота плавления (уменьшает вероятность замерзания содержимого клеток и окружающих её жидкостей )

Поверхностное натяжение и когезия ( самое большое из всех жидкостей )

Когезия - сцепление молекул физического тела под действием сил притяжения

обеспечивает движение воды по сосудам ксилемы ( проводящей ткани растений )

передвижение растворов по тканям ( восходящий и нисходящий токи по растению , кровообращение и т. д. )

Прозрачность в видимом спектре ( фотосинтез , испарение )

Максимальная плотность при температуре 4 0 С

Способность растворять газы ( О2 , СО2 и др. . )

Биологические функции воды

все живые клетки могут существовать только в жидкой среде

Вода - универсальный растворитель ( для полярных молекул и неполярных соединений )

По степени растворимости вещества разделяются на :

Гидрофильные ( хорошо растворимы в воде ) - соли , моно - и дисахариды , простые спирты , кислоты , щёлочи , аминокислоты , пептиды

гидрофильность определяется наличием групп атомов ( радикалов ) - ОН- , СН3- , NН2- и др .

Гидрофобные (плохо растворимые или нерастворимые в воде ) - липиды , жиры , жироподобные вещества , каучук, некоторые органические растворители ( бензол , эфир ) , жирные кислот , полисахариды, глобулярные белки

гидрофобность определяется наличием неполярных молекулярных группировок :

СН3 - , СН2 - СН3 -

гидрофобные вещества могут разделять водные растворы на отдельные компартаменты(фракции)

гидрофобные вещества отталкиваются водой и притягиваются друг к другу (гидрофобные взаимодействия )

Амфифильные – фосфолипиды , жирные кислоты

имеют в составе молекулы и ОН- , NН2- , СООН- и СН3- , СН2 - СН3-

в волных растворах образуют бимолекулярный слой

2. Обеспечивает тургорные явления (тургесцентность ) в растительных клетках

Тургор - упругость растительных клеток , тканей и органов создаваемое внутриклеточной жидкостью

обуславливает форму , упругость клеток и рост клеток , движения устьиц , транспирацию (испарение воды ) , всасывание воды корнями

3. Среда для осуществления диффузии (простой и облегчённой )

4. Обуславливает осмотические явления и осморегуляцию

Осмос - процесс диффузии воды и растворённых в ней химических веществ сквозь полупроницаемую мембрану по градиенту концентрации ( в сторону повышенной концентрации )

лежит в основе транспорта гидрофильных веществ через мембрану клетки , всасывании продуктов пищеварения в кишечнике , воды корнями и т. д.

Поступление веществ в клетку (в основном в виде водного раствора )

Выведение метаболитов ( продуктов обмена веществ ) из клетки - экскреция

осуществляется преимущественно в виде водных растворов

7.Обеспечивает коллоидную консистенцию (систему ) цитоплазмы - дисперсность внутриклеточной среды

Обеспечивает стабильность клеточных биополимеров - белков , нуклеиновых кислот

Определяет функциональную активность макромолекул , которая зависит от толщины гидратной (водной ) оболочки вокруг них

Создаёт и поддерживает химическую среду для физиологических и биохимических процессов - const pH+ - строгий гомеостаз для оптимальной реализации функций ферментов

Создаёт среду для протекания химических реакций синтеза и распада ( большая часть протекает только в виде водных растворов )

Вода - химический реагент ( важнейший метаболит )

реакции гидролиза , расщепления и пищеварения белков , углеводов , липидов , запасных биополимеров , макроэргов – АТФ, нуклеиновых кислот

участвует в реакциях синтеза , окислительно-восстановительные реакциях

13. Основа образования жидкой внутренней среды организма - крови , лимфы , тканевой жидкости , ликвора

Обеспечивает транспорт неорганических ионов и органических молекул в клетке и организме ( по жидким средам организма , цитоплазме ,проводящей ткани - ксилеме , флоэме

Источник кислорода , выделяющегося при фотосинтезе

Донор атомов водорода , необходимого для восстановления продуктов ассимиляции СО2 в процессе фотосинтеза

Обеспечивает стабильность субклеточных структур ( клеточных органоидов ) и клеточных мембран

Терморегуляция (поглощение или выделение тепла вследствие разрыва или образования водородных связей) - const to C

Среда обитания одноклеточных организмов

Опорная функция ( гидростатистический скелет у животных )

Защитная функция (слезная жидкость , слизь )

Служит средой , в которой происходит оплодотворение

Распространение гамет , семян , личиночных стадий водных организмов

Способствует миграции организмов

^ Минеральные соли ( клеточные электролиты )

в клетке находятся в диссоциированном на катионы и анионы состоянии ( могут быть в твёрдом состоянии )

Катионы - К+ , Na+ , Са2 +, Mg2+, Fe2 +,Сu2+ и др.

Анионы ( преимущественно слабых и амфотерных кислот ) – НСО3 - , Н2РО4- , Сl - , NO2- и др.

Общие биологические функции солей

Сохранение кислотно-щелочного равновесие ( буферные свойства - карбонатный и фосфатный буфер )

Буферность - способность клетки сохранять определённую концентрацию водородных ионов - рН ( в клетке поддерживается слабощелочная реакция 7,2 )

2 . Активация ферментов ( через аллостерический центр фермента )

3 , Участие в создании мембранных потенциалов клеток и потенциалов действия ( ос-

нова раздражимости клетки )

4 . Участие в работе синапсов и проведении нервного импульса

5 . Осмотические явления в клетке

6 . Поддержание тургора

7 . Материал для синтеза металлорганических соединений (пигментов - хлорофилла , гемоглобина и др. )

8 . Образование внутреннего и наружного скелета ( раковины моллюсков , межклеточное вещество костной ткани , зубы )

важно не только содержание отдельных ионов , но и их пропорциональные соотношения

Биологические функции отдельных химических элементов

Na - ( примерное содержание 0 ,1 % ) - в клетке только в виде ионов Na+

регуляция частоты сердечных сокращений

синтез гормонов

К - ( 0 ,25 % ) - только в виде ионов К+

активизирует ферменты белкового синтеза

регуляция сердечной деятельности

участвует в процессах фотосинтеза

поступление веществ через мембрану клетки « калиевый насос»

проведение нервного импульса , создание мембранного потенциала

Са ( 2 , 5% ) - в виде ионов или кристаллов солей

образует межклеточное вещество и кристаллы в клетках растений

свёртывание крови

входит в состав костей , зубов , раковин , известковых скелетов коралловых полипов и животных

активирует сокращение мышечных волокон

функционирование межнейронных контактов ( синапсов )

Mg (0 , 07% ) - входит в состав молекул хлорофилла , костей , зубов

активирует энергетический обмен и синтез ДНК

Р ( 1 ,0% ) - входит в состав костной ткани и зубной эмали

входит в состав молекул нуклеиновых кислот ( ДНК ,РНК ) , АТФ , ферментов

входит в состав всех мембранных структур

^ S ( 0 , 25% ) - входит в состав аминокислот ( цистеина , цистина , метионина ) , витамина В1 , ферментов

I ( 0 , 01% ) - входит в состав гормонов щитовидной железы

Fe ( 0 , 01% ) - в составе многих ферментов , гемоглобина , миоглобина

участвует в синтезе хлорофилла ,процессе дыхания , фотосинтеза

Сu ( следы ) - входит в состав пигментов беспозвоночных ( гемоцианина ) , ферментов

участвует в кроветворении , фотосинтезе , синтезе гемоглобина

Cl ( 0 , 2% ) - преобладающий отрицательный ион в организме животных

компонент соляной кислоты в желудочном соке

Органические вещества клетки

Углеводы ( сахариды )

Общая формула Сx ( H2O )y , где x и y могут иметь разные значения

( чаще Сn (H2O )n , где n - число С - атомов )

Самое распространённое в природе органическое вещество ( входят в состав клеток всех царств живой природы )

Больше всего содержится в клетках растений - до 90% сухой массы (клубни картофеля , семена ) , в животных клетках не более 2 - 5%

Молекулы построены из трёх элементов С , Н , О

Все углеводы являются либо альдегидами , либо кетонами ( в их молекулах всегда имеются ОН - группы , определяющие их химические свойства )

Разделяются на два класса - моносахариды и полисахариды

Моносахариды (монозы , простые сахара )

Общая формула ( СН2О ) n или Сn ( H2 O )n , где n-целое число С-атомов от 3 до 9

Бесцветные , твёрдые , сладкие , гидрофильные , кристаллизуются , имеют постоянную молекулярную массу

Нельзя подвергнуть гидролизу

имеют большое структурное разнообразие и высокую химическую активность , относятся к группе редуцирующих ( восстанавливающих ) сахаров

способны к ферментативной полимеризации ( конденсации ) путём удаления молекулы воды с образованием ди - , три - тетра - и др . полисахаридов

присуща структурная и пространственная изомерия в зависимости от положения ОН группы у пятого С атома ( 2 формы - D и L )

В зависимости от содержания С - атомов имеют названия :

триозы ( С3 Н6 О3 ) - глицерин и его производные ( молочная кислота , пировиноградная кислота -ПВК - играют роль промежуточных продуктов в процессе дыхания , фотосинтезе , углеводном обмене )

тетрозы ( С4 Н 8 О4 ) - эритроза и др . ( встречаются в природе редко , главным образом у бактерий )

пентозы ( С5 Н10 О5 ) - ксилоза , арабиноза , рибоза , рибулоза , дезоксирибоза ( молекулы способны к образованию циклических структур ) - участвуют в синтезе нуклеиновых кислот , коферментов - НАД , НАДФ , ФАД , синтезе АТФ , полисахаридов , акцептор СО2 при фотосинтезе

гексозы ( С6 Н12 О6 ) - глюкоза ,фруктоза , галактоза , манноза (все гексозы являются по отношению друг к другу структурными изомерами , молекулы образуют циклические структуры : - и  - изомеры )

- наиболее распространённые моносахариды

- дыхательный субстрат , служат первичными источниками энергии , освобождаемой при дыхании

- участвуют в синтезе олиго - и полисахаридов ( гексозанов )

Производные моносахаридов

1. Сахарные спирты :

глицерол (глицерин ) - используется при синтезе липидов (жиров )

маннитол - запасная форма углеводов в некоторых плодах

2.Сахарные кислоты :

витамин С (аскорбиновая кислота )

глюкуроновая кислота - входит в состав смолы , слизи , клеточных стенок

3. Аминосахара :

глюкозамин - используется в синтезе хитина , входит в состав полисахаридов

галактозамин - используется при образовании хряща

Полисахариды I порядка ( олигосахариды )

образуются в результате реакции конденсации между моносахаридами ( обычно гексозами )

связь между остатками моносахаридов в полисахаридах называют гликозидной связью

содержат от 2 до 9 остатков моносахаридов, соединённых гликозидной связью

бесцветные, кристаллические, сладкие на вкус, гидрофильные, имеют постоянную молекулярную массу

способны к гидролизу с образованием простых сахаров ( чаще всего глюкозы и фруктозы )

в зависимости от содержания моноз различают ди - , три - , тетра - , пента - и т. д олигосахариды

Дисахариды ( сахароза , мальтоза , лактоза )

Общая формула С

Глюкоза + Фруктоза = Сахароза ( тростниковый сахар )

наиболее распространена в растениях , транспортируется по флоэме

откладывается в качестве запасного питательного вещества

метаболически инертна

Глюкоза + Глюкоза = Мальтоза (солодовый сахар ) , образуется из крахмала в процессе его переваривания под действием фермента гликозидазы или при прорастании семян

Глюкоза + Галактоза = Лактоза ( молочный сахар ) содержится только в молоке

Трисахариды - раффиноза

Тетрасахарид - стахиоза

Полисахариды ( полиозы )

высокомолекулярные полимеры моносахаридов ( более 10 мономерных звеньев ) , имеют огромную молекулярную массу - несколько миллионов дальтон (их цепи могут компактно свёртываться )

мономерами являются моносахариды ( чаще гексозы , очень редко пентозы ) соединеные гликозидными связями

практически нерастворимы в воде ( образуют коллоидный раствор ) , не имеют сладкого вкуса

способны гидролизоваться до олиго - и моносахаридов под действием гидролаз ( гликозидазы )

не оказывают на клетку ни осмотического , ни химического влияния

полимеры пентоз - ( пентозаны ) - арабаны , ксиланы ( входят в состав камедей )

полимеры гексоз – ( гексозаны ) - глюкозаны , инулин , гемицеллюлоза

полимеры , построенные из остатков глюкозы - глюкозаны (крахмал ,гликоген,

целлюлоза , каллоза )

различают гомополисахариды - состоят из одинаковых остатков моносахаридов

гетерополисахариды - состоят из остатков разных моносахаридов

Крахмал - полимер глюкозы

молекула состоит из двух компонентов - амилозы и амилопектина

амилоза - линейные цепи из нескольких тысяч остатков глюкозы , свёрнутые в спиральную форму - окрашивается йодом в синий цвет

амилопектин - состоит из вдвое большего количества остатков глюкозы , чем амилоза ( цепи интенсивно ветвятся ) - окрашивается йодом в красно-фиолетовый цвет

крахмал запасается в клетках в виде крахмальных зёрен ( в хлоропластах листьев , клубнях картофеля , семенах злаков и бобовых )

функционально является главным резервным полисахаридом растительных клеток

Гликоген - гомополисахарид глюкозы (глюкозан )

цепи очень сильно ветвятся

синтезируется из излишков глюкозы поглощенной пищи в животных организмах (встречается в клетках многих грибов )

содержится в печени и мышцах ( местах высокой метаболической активности )

способен к быстрому превращению в глюкозу под действием адреналина и глюкагона

в клетках отлагается в виде крошечных гранул в ЭПС

функционально является резервным полисахаридом животных и грибов ( источник глюкозы , используемой в процессе дыхания )

Целлюлоза ( клетчатка )- гомополисахарид глюкозы ( глюкозан )

занимает первое место среди всех органических соединений на Земле

содержит 50% всего углерода биосферы

всю целлюлозу на Земле поставляют растения ( может быть у некоторых беспозвоночных и грибов оомицетов )

целлюлозные волокна представляют длинные цепи из 10 000 остатков глюкозы , объединённые поперечными водородными связями в микрофибриллы , погружённые в цементирующий матрикс из других полисахаридов ( легко пропускают воду с растворёнными в ней веществами )

гидролизуется до глюкозы под действием фермента целлюлазы ( очень редко встречается в природе , отсутствует у животных , человека и высших растений )

при неполном расщеплении образуется дисахарид целлобиоза

повторное вовлечение целлюлозы в круговорот углерода возможно только с участием микроорганизмов и грибов (эндосимбионты кишечника фито- и полифагов )

функционально является важнейшим структурным компонентом растительных клеточных оболочек ( до 40% )

служит пищей для фитофагов , бактерий и грибов

Гемицеллюлоза - гетерополисахарид из разных гексоз ( глюкоза , манноза , галактоза ) и пентоз (ксилоза , арабиноза )

цепи не кристаллизуются и не образуют фибриллярных структур (часто образуют гели )

являются структурным и частично запасным полисахаридом матрикса клеточной оболочки растений

Инулин - монополисахарид фруктозы

играет роль резервного вещества в корнях и клубнях растений ( георгины )

Каллоза - аморфный полимер глюкозы

образуется в ответ на повреждение или неблагоприятное воздействие в разных частях растений

функционально связана с флоэмой ( ситовидными трубками )

Вещества полисахаридной природы

Мукополисахариды - молекулы включают моносахариды и их производные

( сахарные спирты и кислоты ) , основной компонент хряща , костной ткани , входит в состав роговицы

Хитин - нерастворимый в воде линейный гомополимер , главный волокнистый компонент клеточной ст