|
|
|
Характеристика общих свойств микроорганизмовольшинство существующих облигатных анаэробов среди эубактерий имеют вторичное происхождение как следствие повторной адаптации к анаэробным условиям, сопровождающейся, как правило, изменениями деградационного характера: потерей способности взаимодействовать с O2, утратой некоторых компонентов переноса электронов, большей зависимостью от готовых органических соединений среды обитания и т. д. Примером могут служить строго анаэробные эубактерии, составляющие основную микрофлору рубца и пищеварительного тракта животных и человека. Это в большинстве грамотрицательные кокки или палочки, способные сбраживать сахара и/или аминокислоты. У многих из них обнаружены цитохромы b и a и показана способность синтезировать АТФ по механизму мембранзависимого фосфорилирования.В представленном в этой главе материале проанализированы энергетические процессы, сформированные на первом этапе эволюции жизни на Земле. То, что брожение -- наиболее примитивный способ получения энергии организмами, в настоящее время никем не ставится под сомнение. Гораздо сложнее оценить, какой путь в процессе эволюции пройден теми или иными организмами. Очевидно, что при имеющихся возможностях обмена генетической информацией в мире прокариот сохранение их в первоначальном виде маловероятно. Описание представленных в этой главе нескольких групп анаэробных эубактерий, в первую очередь, пропионовокислых бактерий и клостридиев, служит иллюстрацией этого.Рис. 6717. Понятие о ферментах. Их значение и классификация.Ферменты (от лат. fermentum - брожение, закваска), специфические белки, присутствующие во всех живых клетках и играющие роль биологических катализаторов. Через их посредство реализуется генетическая информация и осуществляются все процессы обмена веществ и энергии в живых организмах. Ферменты бывают простыми или сложными белками, в состав которых наряду с белковым компонентом (апоферментом) входит небелковая часть - кофермент. Эффективность действия ферментов определяется значительным снижением энергии активации катализируемой реакции в результате образования промежуточных фермент-субстратных комплексов. Присоединение субстратов происходит в активных центрах, которые обладают сходством только с определенными субстратами, чем достигается высокая специфичность (избирательность) действия ферментов. Одна из особенностей ферментов - способность к направленному и регулируемому действию. За счёт этого контролируется согласованность всех звеньев обмена веществ. Эта способность определяется пространственность структурной молекулы ферментов. Она реализуется через изменение скорости действия ферментов и зависит от концентрации соответствующих субстратов и кофакторов, рH среды, температуры, а также от присутствия специфических активаторов и ингибиторов (например, адениловых нуклеотидов, карбонильных, сульфгидрильных соединений и др.). Некоторые ферменты помимо активных центров имеют дополнительные, т.н. аллостерические регуляторные центры. Биосинтез ферментов находится под контролем генов. Различают конститутивные ферменты, постоянно присутствующие в клетках, и индуцируемые ферменты, биосинтез которых активируется под влиянием соответствующих субстратов. Некоторые функционально взаимосвязанные ферменты образуют в клетке структурно организованные полиферментные комплексы. Многие ферменты и ферментные комплексы прочно связаны с мембранами клетки или её органоидов (митохондрий, лизосом, микросом и т.д.) и участвуют в активном транспорте веществ через мембраны. Известно более 20000 различных ферментов, из которых многие выделены из живых клеток и получены в индивидуальном состоянии. Первый кристаллический фермент (уреаза) выделен американским биохимиком Д.Самнером в 1926 г. Для ряда ферментов изучена последовательность аминокислот и выяснено расположение полипептидных цепей в трёхмерном пространстве. В лабораторных условиях осуществлен искусственный химический синтез фермента рибонуклеазы. Ферменты используют для количественного определения и получения различных веществ, для модификации молекул нуклеиновых кислот методами генной инженерии, диагностики и лечения ряда заболеваний, а также в ряде технологических процессов, применяемых в лёгкой, пищевой и фармацевтической промышленностях. Будучи белками, ферменты обладают всеми их свойствами. Вместе с тем биокатализаторы характеризуются рядом специфических качеств, тоже вытекающих из их белковой природы. Эти качества отличают ферменты от катализаторов обычного типа. Сюда относятся термолабильность ферментов, зависимость их действия от значения рН среды, специфичность и, наконец, подверженность влиянию активаторов и ингибиторов. По первой в истории изучения ферментов классификации их делили на две группы: гидролазы, ускоряющие гидролитические реакции, и десмолазы, ускоряющие реакции негидролитического распада. Затем была сделана попытка разбить ферменты на классы по числу субстратов, участвующих в реакции. В соответствии с этим ферменты классифицировали на три группы. 1. Катализирующие превращения двух субстратов одновременно в обоих направлениях: А+В)С+D. 2. Ускоряющие превращения двух субстратов в прямой реакции и одного в обратной: А+В)С. 3. Обеспечивающие каталитическое видоизменение одного субстрата как в прямой, так и в обратной реакции: А)В. Одновременно развивалось направление, где в основу классификации ферментов был положен тип реакции, подвергающейся каталитическому воздействию. Наряду с ферментами, ускоряющими реакции гидролиза (гидролазы), были изучены ферменты, участвующие в реакциях переноса атомов и атомных групп (феразы), в изомеризации (изомеразы), расщеплении (лиазы), различных синтезах (синтетазы) и т. д. Это направление в классификации ферментов оказалось наиболее плодотворным, так как объединяло ферменты в группы не по надуманным, формальным признакам, а по типу важнейших биохимических процессов, лежащих в основе жизнедеятельности любого организма. По этому принципу все ферменты делят на 6 классов. 1. Оксидоредуктазы - ускоряют реакции окисления - восстановления. 2. Трансферазы - ускоряют реакции переноса функциональных групп и молекулярных остатков. 3. Гидролазы - ускоряют реакции гидролитического распада. 4. Лиазы - ускоряют негидролитическое отщепление от субстратов определенных групп атомов с образованием двойной связи (или присоединяют группы атомов по двойной связи). 5. Изомеразы - ускоряют пространственные или структурные перестройки в пределах одной молекулы. 6. Лигазы - ускоряют реакции синтеза, сопряженные с распадом богатых энергией связей. Эти классы и положены в основу новой научной классификации ферментов. 18. Участие микроорганизмов в круговороте веществВ соответствии со своей ролью и функцией в балансе природы орга-низмы разделяются на три группы. Зеленые растения синтезируют орга-нические вещества, используя энергию солнца и углекислоту, поэтому их называют продуцентами. Животные являются потребителями (коису-ментами); они расходуют значительную часть первичной биомассы для построения своего тела. Тела животных и растений в конце концов под-вергаются разложению, при котором органические вещества превра-щаются в минеральные, неорганические соединения. Этот процесс, на-зываемый минерализацией, осуществляют в первую очередь грибы и бактерии; в балансе природы они служат деструкторами. Таким обра-зом, биоэлементы участвуют в циклических процессах. Здесь уместно коротко остановиться на биогеохимических круговоротах углерода, азо-та, фосфора и серы.Круговорот углерода. В круговороте углерода микроорганизмы вы-полняют функцию, очень важную для поддержания жизни на Земле. Они обеспечивают минерализацию углерода, переведенного зелеными растениями в органические соединения, и тем самым поддерживают весьма неустойчивое равновесие (рис. 1.1). Атмосферный воздух содер-жит чуть больше 0,03% двуокиси углерода (12 мкМ/л). Фотосинтетиче екая же продуктивность зеленых растений так велика, что запас С02 в атмосфере был бы исчерпан примерно за 20 лет. Это относительно короткий срок в человеческих масштабах времени; ведь считается, что запасов энергии и угля на Земле хватит на срок от 1000 до 3000 лет. Да-же если учесть запасы С02 в океанах, то этого газа хватило бы лишь примерно на 2000 лет.Зеленым растениям пришлось бы вскоре прекратить фиксацию С02, если бы низшие животные и микроорганизмы не обеспечивали возвра-щение этого газа в атмосферу в результате непрерывной минерализации органического материала. В общем балансе веществ на земном шаре почвенным бактериям и грибам принадлежит не меньшая роль, чем фо-тосинтезирующим зеленым растениям. Взаимозависимость всех живых существ на Земле находит наиболее яркое выражение в круговороте углерода.Рис. 1.1. Круговорот углерода в биосфере.Круговорот азота (рис. 1.2). Центральное место в круговороте азота занимает аммоний. Он является продуктом разложения белков и ами-нокислот, попадающих вместе с остатками животного и растительного происхождения в почву. В хорошо аэрируемых почвах аммоний подвер-гается нитрификации; бактерии родов Nitrosomonas и Nitrobacter окис ляют его до нитрита и нитрата. В качестве источника азота растения могут использовать и ассимилировать как аммоний, так и нитрат. В от-сутствие кислорода из нитрата рбразуется молекулярный азот (денитри-фикация). Бактерии, участвующие в этом процессе, используют при этом нитрат в качестве окислителя (акцептора водорода), т.е. «дышат» с помощью NO^ вместо 02; в этом случае говорят о «нитратном дыха-нии». Денитрификация ведет к потере азота почвой. Наряду с этим бак-терии способны и к фиксации молекулярного азота. Связывающие азот бактерии живут или свободно в почве (вне симбиоза), или в симбиозе с высшими растениями (симбиотические азотфиксаторы). Основную роль в круговороте азота наряду с животными и растениями играют бактерии.Рис. 1.2. Круговорот азота.Круговорот фосфора. В биосфере фосфор представлен почти исклю-чительно в виде фосфатов. В живых организмах фосфорная кислота су-ществует в форме эфиров. После отмирания клеток эти эфиры быстро разлагаются, что ведет к освобождению ионов фосфорной кислоты. До-ступной для растений формой фосфора в почве служат свободные ионы ортофосфорной кислоты (Н3Р04). Их концентрация часто очень низка; рост растений, как правило, лимитируется не общим недостатком фос-фата, а образованием малорастворимых его соединений, таких как апа-тит и комплексы с тяжелыми металлами. Запасы фосфатов в месторож-дениях, пригодных для разработки, велики, и в обозримом будущем производство сельскохозяйственной продукции не будет ограничиваться недостатком фосфора; однако фосфат должен быть переведен в раство римую форму. Во многих местах фосфат из удобрений попадает в про-точные водоемы и озера. Так как концентрация ионов железа, кальция и алюминия в водоемах невысока, фосфат остается в растворенной фор-ме, что приводит к эвтрофизации водоемов, особенно благоприятной для развития азотфиксирующих цианобактерий. В почвах же из-за обра-зования нерастворимых солей фосфаты чаще всего быстро становятся недоступными для усвоения.Круговорот серы (рис. 1.3). В живых клетках сера представлена главным образом сульфгидрильными группами в серусодержащих ами-нокислотах (цистеин, метионин, гомоцистеин). В сухом веществе орга-низмов доля серы составляет 1%. При анаэробном разложении органи-ческих веществ сульфгидрильные группы отщепляются десульфуразами; образование сероводорода при минерализации в анаэробных условиях называют также десульфурированием. Наибольшие количества встре-чающегося в природе сероводорода образуются, однако, при диссими-ляционном восстановлении сульфатов, осуществляемом сульфатредуци-рующими бактериями.Этот сероводород, образующийся в отсутствие молекулярного кис-лорода в осадках водоемов, может быть окислен анаэробными фото-трофными бактериями (Chromatiaceae) до серы и суль-фата. Когда сероводород проникает в зоны, содержащие 02, он окисляется либо абиотическим образом, либо аэробными серобактерия-ми до сульфата . Серу, необходимую для синтеза серусодер-жащих аминокислот, растения и часть микроорганизмов получают пу-тем ассимиляционной сульфатредукции; животные же получают восста-новленные соединения серы с пищей.Рис. 1.3. Круговорот серы.19. Общие принципы регуляции синтеза ферментов.Регулирование конечным продуктом активности аллостерического фермента определенного биосинтетического пути обеспечивает мгновенную реакцию, приводящую к изменению выхода этого продукта. Если последний оказывается ненужным, отпадает надобность и в ферментах, участвующих в его синтезе. Проявлением максимальной экономичности клеточного метаболизма служат выработанные клеткой механизмы, регулирующие ее ферментный состав. Очевидна целесообразность синтеза только тех ферментов, которые необходимы в конкретных условиях. Показано, что у прокариот в одних условиях фермент может содержаться в количестве не более 1 -- 2 молекул, в других -- составлять несколько процентов от клеточной массы.Количество определенного фермента в клетке может регулироваться на нескольких уровнях: на этапе транскрипции, трансляции, а также в процессе сборки и разрушения ферментного белка (см. рис. 28). В иерархии регуляторных воздействий наиболее сложный механизм, контролирующий количество ферментов в клетке, связан с процессом транскрипции. Специфические химические сигналы могут инициировать или блокировать транскрипцию определенного участка ДНК в иРНК. В случае индукции образованная иРНК участвует в определенной последовательности реакций, называемой трансляцией и заканчивающейся синтезом полипептидных цепей. Регуляция белкового синтеза на уровне трансляции может осуществляться на любом из ее этапов, например на этапе инициации, элонгации и др. Не исключена также возможность изменения времени жизни иРНК. под воздействием разных эффекторов, в том числе конечных продуктов метаболических путей. Хотя механизмы регуляции синтеза белка на уровне трансляции еще точно не установлены, ясно, что на этом этапе имеются широкие возможности для регуляции скорости синтеза различных белков.Известно, что фермент может выполнять метаболическую функцию после приобретения соответствующей структуры. Скорость образования структур высшего порядка также находится под контролем определенных молекул. Таким образом, контроль на уровне сборки функционально активного фермента может играть существенную роль в метаболической регуляции. Наконец, скорость разрушения фермента под воздействием специфических метаболических сигналов будет также определять его концентрацию в клетке.Регуляция синтеза ферментов на этапе транскрипции основана на том, что "считывание" бактериальных генов происходит избирательно и скорость образования копий соответствующих иРНК (а отсюда и дальнейшая их трансляция в белки) находится под сложным контрольным механизмом. Скорость синтеза ферментов, определяемая этой стадией, может меняться в разной степени. По данному признаку все ферменты делятся на два класса. Ферменты, синтез которых в растущей клетке происходит с постоянной скоростью в результате постоянного транскрибирования соответствующих генов и, следовательно, они присутствуют в клетке в более или менее постоянной концентрации, называются конститутивными. К ним относятся, например, гликолитические ферменты. Метаболические пути, функционирующие с участием конститутивных ферментов, контролируются посредством других регуляторных воздействий, например аллостерического ингибирования.Кроме этого в бактериальных клетках имеются ферменты, количества которых могут резко меняться в зависимости от состава питательных веществ среды. Это происходит в результате того, что гены, детерминирующие эти ферменты, включаются или выключаются по мере надобности. Их называют индуцибельными. При отсутствии в среде субстратов этих ферментов последние содержатся в клетке в следовых количествах. Если в среду добавить вещество, служащее субстратом определенного фермента, происходит быстрый синтез этого фермента в клетке, т. е. имеет место индукция синтеза фермента. Если же в питательной среде в готовом виде содержится вещество, являющееся конечным продуктом какого-либо биосинтетического пути, происходит быстрое прекращение синтеза ферментов этого пути. Это явление получило название репрессии конечным продуктом. Ферменты, синтез которых подавляется конечным продуктом, могут быть дерепрессированы, т. е. скорость их синтеза превысит обычную, если концентрация конечного продукта упадет до очень низкого уровня. Дерепрессия этих ферментов аналогична явлению индукции.Репрессия конечным продуктом. Все биосинтетические пути находятся под контролем механизма репрессии конечным продуктом. Точно так же образование большинства анаболических ферментов регулируется путем репрессии их синтеза. Репрессия осуществляется особыми присутствующими в клетке веществами -- репрессорами. Факторами, модифицирующими активность репрессоров, могут быть конечные продукты биосинтетических путей, а также промежуточные продукты некоторых катаболических или амфиболических путей.Репрессия может быть координированной, т. е. синтез каждого фермента данного пути в одинаковой степени подавляется конечным продуктом. Часто синтез ферментов одного пути репрессируется в разной степени. В разветвленных биосинтетических путях механизмы репрессии могут быть модифицированы (как и механизмы ингибирования), чтобы лучше обеспечить регуляцию нескольких конечных продуктов из общего исходного субстрата. Синтез многих ферментов в таких путях репрессируется только при совместном действии всех конечных продуктов. Если реакция на общем участке разветвленного пути катализируется изоферментами, синтез каждого из них находится под контролем "своего" конечного продукта.Механизм репрессии конечным продуктом на уровне транскрипции стал проясняться с 50-х гг. Большой вклад в это внесли работы Ф. Жакоба и Ж. Моно. Было показано, что наряду со структурными генами, кодирующими синтез ферментов, в бактериальном геноме существуют специальные регуляторные гены. Один из них -- ген-регулятор (ген R), функция которого заключается в регуляции процесса транскрипции структурного гена (или генов). Ген-регулятор кодирует синтез специфического аллостерического белка-репрессора, имеющего два центра связывания: один узнает определенную последовательность нуклеотидов на участке ДНК, называемом оператором (ген О), другой -- взаимодействует с эффектором. Ген-оператор расположен рядом со структурным геном (генами) и служит местом связывания репрессора. В отличие от операторных генов гены-регуляторы расположены на некотором расстоянии от структурных генов (продукты регулярных генов -- репрессоры являются свободно диффундирующими белковыми молекулами).Часто структурные гены, относящиеся к одному биохимическому пути, объединены в группу, составляющую вместе с оператором единицу транскрипции и регуляции -- оперон. Все структурные гены, объединенные в оперон, имеют один операторный участок, локализованной на краю оперона, и координирование регулируются одним репрессором. Оперон представляет собой весьма рациональную и эффективную систему регуляции метаболического пути.Индукция синтеза ферментов. В большинстве случаев регуляция путем индукции характерна для катаболических путей, где в качестве индукторов выступают обычно субстраты этих путей. Классический пример индуцибельного фермента -- (3-галактозидаза Е. coli. Оказалось, что если клетки Е. coli выращивать в среде, содержащей глюкозу, то они не могут использовать лактозу. Если такие клетки поместить в среду, где лактоза -- единственный источник углерода, после некоторого периода в них происходит интенсивный синтез фермента (3-галактозидазы, катализирующего гидролиз лактозы на D-глюкозу и D-галактозу. С помощью этого фермента Е. coli может теперь использовать лактозу в качестве единственного источника углерода. Если затем клетки, растущие на среде с лактозой, перенести на среду с глюкозой, синтез (3-галактозидазы прекращается.Изучение индукции (3-галактозидазы у Е. coli позволило установить, что рост клеток на среде с лактозой происходит не в результате отбора мутантов, у которых способность использовать лактозу есть следствие мутации. Способностью синтезировать этот фермент обладают все клетки. Было также показано, что в процессе индукции происходит не активирование уже имеющегося в клетках фермента (З-галактозидазы, а его синтез de novo из аминокислот.20. Характеристика химического состава белков.Изучая химический состав белков, необходимо выяснить, во-первых, из каких химических элементов они состоят, во-вторых, - строение их мономеров. Для ответа на первый вопрос определяют количественный и качественный состав химических элементов белка. Химический анализ показал наличие во всех белках углерода (50-55%), кислорода (21-23%), азота (15-17%), водорода (6-7%), серы (0,3-2,5%). В составе отдельных белков обнаружены также фосфор, йод, железо, медь и некоторые другие макро- и микроэлементы, в различных, часто очень малых количествах. Содержание основных химических элементов в белках может различаться, за исключением азота, концентрация которого характеризуется наибольшим постоянством и в среднем составляет 16%. Кроме того, содержание азота в других органических веществах мало. В соответствии с этим было предложено определять количество белка по входящему в его состав азоту. Зная, что 1г азота содержится в 6,25 г белка, найденное количество азота умножают коэффициент 6,25 и получают количество белка.Для определения химической природы мономеров белка необходимо решить две задачи: разделить белок на мономеры и выяснить их химический состав. Расщепление белка на его составные части достигается с помощью гидролиза - длительного кипячения белка с сильными минеральными кислотами (кислотный гидролиз) или основаниями (щелочной гидролиз). Наиболее часто применяется кипячение при 110 градусах Цельсия с HCl в течение 24 ч. На следующем этапе разделяют вещества, входящие в состав гидролизата. Для этой цели применяют различные методы, чаще всего - хроматографию. Главным частью разделенных гидролизатов оказываются аминокислоты. Белки являются одними из четырех основных органических веществ живой материи (белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры), но по своему значению и биологическим функциям они занимают в ней особое место. Около 30% всех белков человеческого тела находится в мышцах, около 20% - в костях и сухожилиях и около 10% - в коже. Но наиболее важными белками всех организмов являются ферменты, которые, холя и присутствуют в их теле и в каждой клетке тела в малом количестве, тем не менее управляют рядом существенно важных для жизни химических реакций. 21. Характеристика форм покоя у бактерий.Хорошо известно, что при попадании в неблагоприятные условия, многие бактерии способны переходить в покоящееся состояние. Это состояние характеризуется резким снижением метаболической, активности и полным» отсутствием деления. Ранее покоящееся состояние микроорганизмов связывали только со специализированными формами (спорами и цистами), образуемыми ограниченным числом бактерий. Однако сейчас становится ясно, что многие неспорулирующие; бактерии, в том числе и патогенные микроорганизмы, в определенных условиях могут переходить в покоящееся состояние, оставаясь при этом жизнеспособными. Под. покоящимся состоянием' мы понимаем такое, обратимое состояние бактериальной клетки, при котором уровень метаболической активности значительно снижен, а клетка может существовать в таком состоянии без деления длительное время.Такие покоящиеся клетки, как правило, изменяют свою форму, утолщают клеточную стенку и становятся менее чувствительными:к агрессивным внешним воздействиям. И; хотя обычные микробиологические: методы зачастую не могут выявить микроорганизмы, находящиеся в покоящемся состоянии, такие бактерии при наступлении благоприятных условий способны продолжить рост. До недавнего времени существование покоящегося состояния для микобактерий in vitro или in vivo не было установлено, хотя для ряда других неспорулирующих бактерий переход в покоящееся состояние экспериментально установлен.Основные признаки анабиотического или покоящегося состояния: 1) отсутствие или предельно заторможенный метаболизм, 2) сохранение структуры в течение продолжительного времени, 3) отсутствие в жидкой фазе заметных количеств свободной воды как непрерывной среды, 4) повышенная устойчивость против экстремальных факторов неделящееся, 5) способность восстанавливать процессы жизнедеятельности. Очевидно, что переход в покоящееся состояние может происходить под влиянием различных факторов и наряду с универсальными чертами обладать какими-то особенностями и уникальными механизмами регуляции. Кейлин объединил под названием гипобиоз любое неактивное неделящееся состояние жизнеспособного организма. В свою очередь, гипобиоз включает гипометаболизм и аметаболизи (или латентную жизнь). Гипометаболизм характеризуется крайне низкими, но все же измеряемыми, метаболическими активностями, примером его может служить зимняя спячка животных. Аметаболизм - полное отсутствие какого-либо метаболизма, например, в спорах. Для бактерий выделяют конститутивное (эндогенное) и экзогенное покоящиеся состояния . Специализированные покоящиеся формы микроорганизмов, такие как споры и цисты, относятся к первому состоянию. Экзогенное состояние покоя наступает под действием неблагоприятных факторов, при этом вегетативные неспорулирующие бактерии могут переходить в неактивное состояние.22. Характеристика водорастворимых витаминовТиамин (витамин В,)Рибофлавин (витамин В2)Пантотеновая кислота (витамин В3)Никотиновая кислота (витамин В5, РР)Пиридоксин (витамин В6)Цианкобаламин (витамин В12)Пангамовая кислота (витамин В15)Аскорбиновая кислота (витамин С)Цитрин (витамин Р)Биотин (витамин Н)Парааминобензойная кислота Фолиевая кислотаИнозит S-Метилметионин (витамин U)Характерным для этой группы витаминов является хорошая растворимость в воде и нерастворимость в жирах и органических растворителях.Как правило, витамины, растворимые в воде, содержатся в продуктах растительного происхождения; большинство из них в своем составе содержит азот. В отличие от жирорастворимых вита-минов они не накапливаются в животном организме и проявляют свое биологическое действие, входя в состав ферментов.Витамин В, (тиамин) является первым витамином, хими-ческий состав которого был подробно изучен. Название "тиамин" он получил благодаря наличию в его молекуле серы и азота:Отсутствие в пище витамина В, вызывает тяжелое заболевание полиневрит, или бери-бери, распространенное в странах, где ос-новным продуктом питания населения служит полированный рис.По химической природе витамин В2 представляет собой про-изводное азотистого основания -- изоаллоксазина, связанное с остатком спирта -- рибитола:При отсутствии витамина В2 у животных наблюдается задерж-ка роста, у человека -- выпадение волос. Характерным признаком авитаминоза В2 является заболевание глаз, сопровождающееся вас-куляризаиией роговицы (прорастание кровеносными сосудами). За-тем происходит воспаление роговицы и помутнение хрусталика.Витамин В3 (пантотеновая кислота). При изучении условий, необходимых для роста дрожжей, в рисовых отрубях было открыто вещество, которое оказалось фактором роста. Оно было названо пантотеновой кислотой (от греч. pamothen -- везде присутствую-щий). Такое название витамин В3 получил за свое широкое распро-странение в природе.Отсутствие пантотеновой кислоты в пище вызывает ряд расстройств в организме человека: нарушается деятельность сер-дца, нервной системы, почек, пищевого канала, развиваются дерматиты, обесцвечиваются волосы, снижается аппетит и т. д.Витамин В5, РР (никотиновая кислота).Биологическое значение витамина РР заключается'в том, что он является составной частью коферментов НАД и НАДФ. После-дние входят в состав многих дегидрогеназ -- ферментов, катализи-рующих реакции биологического окисления. Эту функцию фермен-ты (их известно около 100) выполняют благодаря наличию в соста-ве их молекул витамина РР, способного обратимо присоединять атомы водорода.Витамин В6 (пиридоксин).Биологической активностью обладают пиридоксаль и пири-доксамин, образующиеся из пиридоксола, который в связи с этим можно рассматривать скорее как провитамин В6.В организме пиридоксаль и пиридоксамин легко превращаются в фосфорилированную форму, образуя пиридоксальфосфат и пи-ридоксаминфосфат:Биологическая роль витамина В6 состоит в том, что он явля-ется коферментом так называемых трансаминаз или аминотранс-фераз. Это ферменты, участвующие в белковом обмене, в реакци-ях превращений а-аминокислот.Витамин В12 (цианкобаламин).Следует подчеркнуть, что цианкобаламин -- единственный известный в настоящее время витамин, содержащий в" своей моле-куле металл и практически не образующийся ни в растениях, ни в тканях животных.Витамин В12 синтезируется главным образом микроорганизма-ми, в том числе обитающими в кишках человека. Очень богаты этим витамином стоячие и сточные воды, почва, ил. Живущие в них ана-эробные бактерии отличаются высоким содержанием витамина В12.Витамин Ви (пангамовая кислота) принадлежит к числу недавно открытых витаминов. По химическому строению пангамо-вая кислота представляет собой эфир D-глюконовой и диметила-миноуксусной кислот:Витамин С (аскорбиновая кислота). По своему химическому строению аскорбиновая кислота близка к углеводам гексозам. 23. Характеристика жирорастворимых витаминов. Их значение.Ретинолы и каротиноиды (витамины группы А)Кальциферолы (витамины группы D)Токоферолы (витамины группы Е)Филохиноны (витамины группы К)Жирорастворимые витамины нерастворимы в воде, но раство-ряются в органических растворителях. Они термостабильны, устой-чивы к изменению рН среды. Особенностью всех жирорастворимых витаминов является их способность всасываться в кишках только в присутствии жиров, а также иногда накапливаться в организме в больших количествах, вызывая гипервитаминозы.Жирорастворимые витамины выполняют ряд функций: спо-собствуют формированию, росту и развитию эмбрионов, образова-нию и регенерации костной и эпителиальной тканей, свертыва-нию крови.С химической точки зрения они имеют.одну общую особенность: в состав их молекулы входят строительные блоки изопренового типа, что наиболее ярко выражено в молекулах витаминов А, Е и К, кото-рые составлены из изопреновых единиц Витамин А содержится только в животных тканях. Растения лишены этого витамина, однако они содержат группу веществ, которые в организме млекопитающих служат предшественниками витамина А -- каротиноиды. Они довольно широко распространены в природе. Каротинами богат стручковый перец, красная и кормо-вая морковь, зеленый клевер, абрикосы.Различают а-, р- и у- каротины, среди которых наиболее ценны-ми в биологическом отношении являются Р-каротины.В группу витамина А входит несколько витаминов, основным из которых является витамин А, (ретинол): Витамин D. Известно несколько витаминов группы D (D2, D3, D4, D5, D6, D7), имеющих сходное строение. Наибольшей био-логической активностью обладают витамины D2 (эргокальциферол) и D3 (холекальциферол). Витамины группы D содержатся главным образом в организме человека и животных.В последнее время получено много данных, свидетельствую-щих о том, что функция витамина D не ограничивается только регулированием обмена кальция и фосфора, а более многогран-на. Витамин D активирует деятельность фермента щелочной фос-фатазы в очагах окостенения и тем самым способствует образо-ванию костной ткани.Витамин D оказывает стимулирующее действие на синтез бел-ка, связывающего кальций, и ДНК-зависимый синтез РНК, что положительно отражается на биосинтезе белков-переносчиков, от-ветственных за всасывание кальция. Он способствует реабсорбции фосфатов, аминокислот и ионов Са2+ из первичной мочи в плазму крови, усиливает реакции окисления углеводов, пировиноградной кислоты, а также ускоряет реакции цикла трикарбоновых кислот.Витамин Е представлен целой группой витаминов, содер-жащихся в больших количествах в растительных маслах и называе-мых токоферолами. Отсутствие этих витаминов в пище отрицатель-но сказывается на способности организма к размножению. Поэто-му витамин Е называется также антистерильным витамином, или витамином размножения.Наиболее высокой биологи-ческой активностью обладает а-токоферол следующего строения:а-Токоферол -- триметилгидрохинон, соединенный с остатком спирта фитола. В настоящее время известно несколько витаминов группы К. Все они обладают сходной структурой и общим названием -- филлохиноны. Наиболее активным из этой группы является вита-мин К,, выделенный из люцерны:24. Особенности строения и значение нуклеиновых кислотНуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) относятся к сложным высокомолекулярным соединениям, состоят из небольшого числа индивидуальных химических компонентов более простого строения. Так, при полном гидролизе нуклеиновых кислот (нагревание в присутствии хлорной кислоты) в гидролизате обнаруживают пуриновые и пиримидиновые основания, углеводы (рибоза и дезоксирибоза) и фосфорную кислоту : В молекуле ДНК углевод представлен дезоксирибозой, а в молекуле РНК - рибозой, отсюда их названия: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК) кислоты. Кроме того, они содержат фосфорную кислоту, по два пуриновых и по два пиримидиновых основания; различия только в пиримидиновых основаниях: в ДНК содержится тимин, а в РНК - урацил. В составе ДНК и РНК открыты так называемые минорные (экзотические) азотистые основания (строение некоторых из них приводится далее). Углеводы (рибоза и дезоксирибоза) в молекулах ДНК и РНК находятся в в-D-рибофуранозной форме: В составе некоторых фаговых ДНК обнаружена молекула глюкозы, которая соединяется гликозидной связью с 5-оксиметилцитозином. Основу структуры пуриновых и пиримидиновых оснований составляют два ароматических гетероциклических соединения - пиримидин и пурин : Молекула пурина состоит из двух конденсированных колец: пиримидина и имидазола. В составе нуклеиновых кислот встречаются три главных пиримидиновых основания: цитозин, урацил и тимин. Помимо главных пиримидиновых оснований, в составе нуклеиновых кислот открыты минорные пиримидиновые основания, 5-метил- и 5-окси-метилцитозин, дигидроурацил, псевдоурацил, 1-метилурацил, оротовая кислота, 5-карбоксиурацил, 4-тиоурацил и др. Забегая несколько вперед, укажем, что только для тРНК список минорных оснований приближается к 50. На долю минорных оснований приходится до 10% всех нуклеотидов тРНК, что имеет, очевидно, важный физиологический смысл (защита молекулы РНК от действия гидролитических ферментов). Структурные формулы ряда минорных пиримидиновых оснований представлены в форме нуклеозидов - соединений с углеводным компонентом: Два пуриновых основания, постоянно встречающихся в гидролизатах нуклеиновых кислот, имеют следующее строение: К минорным нуклеозидам пуринового ряда, обнаруживаемым в составе ДНК и РНК, относятся инозин, N6-метиладенозин, N2-метилгуанозин, ксантин, гипоксантин, 7-метилгуанозин и др. Одним из важных свойств свободных азотистых оснований (содержащих оксигруппы) является возможность их существования в двух таутомерных формах, в частности лактим- и лактамной формах, в зависимости от значения рН среды: при рН 7,0 они представлены в лактамной форме, при снижении величины рН - в лактимной форме. Таутомерные превращения можно представить на примере урацила. Оказалось, что в составе природных нуклеиновых кислот все оксипроиз-водные пуринов и пиримидинов находятся в лактамной форме. О локализации и количественном содержании нуклеиновых кислот в клетках получены определенные данные. Доказано, что количественное содержание ДНК в клетках одного и того же организма отличается удивительным постоянством и исчисляется несколькими пикограммами, однако в клетках разных видов живых организмов имеются существенные количественные различия в содержании ДНК. Хорошо известно также, что ДНК преимущественно сосредоточена в ядре, а в митохондриях и хлоро-пластах содержится только небольшой процент клеточной ДНК. О количестве РНК нет точных данных, поскольку содержание ее в разных клетках в значительной степени определяется интенсивностью синтеза белка. На долю РНК приходится около 5-10% от общей массы клетки. Современная классификация различных типов клеточной РНК основывается на данных топографии, функции и молекулярной массы. Выделяют три главных вида РНК: матричную (информационную) - мРНК, которая составляет 2-3% от всей клеточной РНК; рибосомную - рРНК, составляющую 80-85% и транспортную - тРНК, которой около 16%. Эти 3 вида различаются нуклеотид-ным составом и функциями. Матричная РНК (мРНК) синтезируется в ядре на матрице ДНК, затем поступает в рибосому, выполняя матричную функцию при синтезе белка. По предположению акад. А.С. Спирина, часто мРНК при поступлении из ядра в цитоплазму образует со специфическими РНК-свя-зывающими белками комплексы - так называемые информосомы, способные к обратимой диссоциации. Информосомы рассматриваются как транспортная форма мРНК, способствующая образованию полирибосом в цитоплазме. Транспортные РНК (тРНК) имеют небольшую молекулярную массу и содержатся в растворимой фракции цитоплазмы, выполняя функцию переноса аминокислот к месту белкового синтеза - рибосоме. Рибосом-ные РНК (рРНК), как видно из данных табл. 3.1, имеют разную и значительно большую молекулярную массу. Они локализуются в двух субчастицах рибосом 50S и 30S у Е.coli и 60S и 40S в клетках животных (табл. 3.2). Субчастица 60S содержит три разных рРНК (5S, 5,8S и 28S рРНК), в то время как субчастица 40S - одну молекулу 18S рPHK. Детально роль рРНК в белковом синтезе пока не выяснена. Для понимания ряда особенностей структуры ДНК важное значение имели закономерности состава и количественного содержания азотистых оснований, установленные впервые Э. Чаргаффом. Оказалось, что азотистые основания ДНК обычно варьируют у разных видов организмов, однако почти не претерпевают изменений у одного и того же вида в процессе развития или в зависимости от изменений окружающей среды либо характера питания. Показано также, что ДНК, выделенная из разных тканей одного и того же вида, имеет одинаковый состав азотистых оснований. Полученные количественные соотношения были названы правилами Чар-гаффа. При анализе состава очищенной ДНК, выделенной из разных источников, были сделаны следующие выводы: 1) молярная доля пуринов равна молярной доле пиримидинов: 2) количество аденина и цитозина равно количеству гуанина и тимина: 3) количество аденина равно количеству тимина, а количество гуанина равно количеству цитозина: А = Т и Г = Ц; соответственно 4) существенным для характеристики вида (таксономическое значение) оказался так называемый коэффициент специфичности, отражающий отношение Это отношение часто выражают в молярных процентах (Г + Ц), или процентах ГЦ-пар. Для животных и большинства растений этот коэффициент ниже 1 (от 0,54 до 0,94), у микроорганизмов он колеблется в значительных пределах (от 0,45 до 2,57). Литература1. Прокариотические и эукариотические клетки (Т.А. Козлова, В.С. Кучменко. Биология в таблицах. М.,2000).2. Б.Албертс, Д.Брей, Дж.Льюис, М.Рэфф, К.Робертс, Дж.Уотсон. "Молекулярная биология клетки", 2-е издание, "Мир", 1994.3. С.Бейкер. Камень преткновения.Верна ли теория эволюции? - М., «Протестант», 1992.4. Гилберт С. Биология развития 3 томам., "Мир", 1993г.5. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д., Биология 3 тома, М, "Мир", 1990г. 6. Дубинин Н.П. Новое в современной генетики М, "Наука", 1989г. |
|
|||||||||||||||||||||||||||||
 |
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||
Рефераты бесплатно, реферат бесплатно, сочинения, курсовые работы, реферат, доклады, рефераты, рефераты скачать, рефераты на тему, курсовые, дипломы, научные работы и многое другое. |
||
При использовании материалов - ссылка на сайт обязательна. |
||
