3. GYVYBĖS SAMPRATA IR EGZISTAVIMO PAGRINDAI
Struktūra būdinga gyvoms būtybėms Dalių sumavimas
Gyvos būtybės gauna medžiagų ir energijos Homeostazė
Gyvos būtybės reaguojaGyvos būtybės dauginasi ir vystosi Gyvos būtybės prisitaiko Gyvybė ir vanduo
Pagrindiniai cheminiai elementai
Baltymai Baltymų struktūraNukleotidai ir nukleorūgštys Nukleotidų struktūra ir svarbiausi dariniai Nukleorūgščių struktūra ir funkcijosAngliavandeniai Lipidai
Riebalų rūgštys
Riebalai (triacilgliceroliai) Vaškai
Gyvoms būtybėms būdinga tam tikra struktūra, iš aplinkos jos ima medžiagas ir energiją, reaguoja į dirginimus, dauginasi ir vystosi, prisitaiko prie aplinkos.
Paskaitos temos
Struktūra būdinga gyvoms būtybėms
Sudėtinga gyvų būtybių struktūra prasideda ląstele, pagrindiniu gyvybės vienetu. Ląstelės sudarytos iš molekulių, kuriose yra atomai – mažiausi medžiagos vienetai, galintys jungtis chemiškai. Daugialąsčiuose organizmuose panašios ląstelės sudaro audinį, pavyzdžiui, nervinės ląstelės sudaro nervinį audinį. Audiniai sudaro organus, tarkim, susijungę įvairūs audiniai sudaro smegenis. Organai veikia organų sistemose: pavyzdžiui, nervų sistemą sudaro galvos smegenys, stuburo smegenys ir nervų tinklas. Daugialąstis organizmas turi kelias skirtingas organų sistemas.
Yra biologinės organizacijos lygmenų, aukštesnių už organizminį. Visi vienos rūšies organizmai tam tikroje vietovėje sudaro populiaciją. Kokiame nors vidutinės juostos lapuočių miške yra voverių populiacija ir ąžuolų populiacija. Įvairių augalų ir gyvūnų populiacijos miške sudaro bendrą aplinką (dirva, atmosfera ir t.t.), populiacijos sudaro ekosistemą (gr. oikos – namas + systema – tvarkingas išrikiavimas).
Paskaitos temos
Dalių sumavimas
Gyvame pasaulyje sistema yra daugiau, negu jos sudedamųjų dalių suma. Kiekviename naujame biologinės organizacijos lygmenyje atsiranda naujos savybės, kurios priklauso nuo sistemą sudarančių sudedamųjų dalių tarpusavio sąveikos. Pavyzdžiui, suardžius ląsteles iki membranos fragmentų ir išsiskyrusio skysčio, šios dalys nebegali atlikti gyvybinių funkcijų.
Supjaustykite varlę ir vėl sudėkite gabaliukus – varlė nebegalės kaišioti liežuvio ir gaudyti musių.
Gyvoms būtybėms būdingi organizacijos lygmenys -nuo ląstelių iki ekosistemų. Kiekvienam lygmeniui būdingos naujos savybės, kurios nėra paprasta sudedamųjų dalių suma.
1 pav. Biologinės organizacijos lygmenys
Gyvosios sistemos ypatybė — tipiška cheminė sudėtis, kuriai būdingos nukleorūgštys ir baltymai. Tai makromolekulės, sudarytos iš neperiodiškai sujungtų smulkių subvienetų. Todėl įvairove jos pranoksta visą gyvųjų būtybių pasaulį. Organizme makromolekulės skyla ir nuolat sintetinamos (apykaita, arba atsinaujinimas). Tokio pobūdžio medžiagų apykaita yra svarbus gyvos sistemos požymis. Apykaitai būtini išoriniai energijos šaltiniai (maištas, šviesa), nes sintezės procesams eikvojama energija. Todėl gyvoji sistema — tai atvira sistema, per kurią teka medžiagų ir energijos srautai. Kartu ją nuo aplinkos skiria struktūros, dėl kurių pasunkėja metabolizmas bei iki minimumo sumažėja medžiagų nuostoliai ir palaikoma sistemos erdvinė vienybė. Ši atskira, arba individualizacija, prasideda ląstelės lygyje (ląstelę gaubia membrana) ir tęsiasi toliau daugialąsčiuose, kuriuos kaip individus nuo aplinkos atskiria dengiamieji audiniai.
Įvairių medžiagų apykaitos reakcijos yra nevienodos. Todėl būtina atriboti erdves, kuriose tos reakcijos vyksta (kompartmentizacija). Jau ląstelės vidinės membranos formuoja organoidus.
Gyvo organizmo struktūra sudėtinga. Paprasčiausi struktūros elementai yra makromolekulės, membranos ir organoidai, sudėtingesni — ląstelės, o daugialąsčiuose organizmuose — audiniai, organai, organų sistemos bei visas organizmas (individas). Dar aukštesniame lygyje susidaro sudėtingos organizmų grupės (populiacijos bendrijos biocenozės), kuriose įvairiai sąveikauja tos pačios rūšies ir skirtingų rūšių individai.
Medžiagų apykaita reguliuojama biologinės katalizės būdu (katalizatoriai — baltymai).
Gyvosios sistemos išlikimui svarbu, kad vykstant metabolizmui sintetintųsi ne bet kokios makromolekulės (ir paprastos molekulės), o visą laiką tos pačios. Tai reguliuoja matricos, sudarytos iš nukleorūgšties, kurios yra specifinių molekulių sintezės ,,brėžiniai”, t.y. saugo tų molekulių struktūros informaciją. Taigi matricos reikalingos sistemai atgaminti. Matrica (kitaip negu kitos molekulės) geba identiškai padvigubėti (replikuotis) ir lemia visos gyvosios sistemos atsigaminimą. Kai molekulių daugiau sintetinasi negu skyla — organizmas auga, o kai jo dalys atsiskiria — dauginasi. Matrica replikuojasi identiškai, todėl dauginimasis yra susijęs su sistemos specifinių požymių paveldėjimu. Dėl to gyvoji sistema ne tik neišnyksta, bet net su kaupu kompensuojami irimo (mirties) nuostoliai. Sudėtingi (daugialąsčiai) organizmai dauginasi atsiskiriant mažoms, pavienėms ląstelėms. Pamažu jos kinta, virsta naujomis, visiškai susiformavusiomis to paties tipo sistemomis.Kad gyvosios sistemos keičiantis aplinkos sąlygoms nepakistų, būtinas įvairių procesų vidinis reguliavimas, kuris lemia šių procesų darną. Grįžtamojo ryšio principu buvo galima sukurti kibernetines reguliuojančias sistemas vidinės terpės, o kartais ir išorinės aplinkos parametrų pastovumui (homeostazei) palaikyti. Pavyzdžiui, kiekviena gyvai ląstelei tokios sistemos sukurtos remiantis cheminėmis reakcijomis, gyvūno organizmui — nervų sistema, o organizmų bendri joms — įvairia sąveika rūšies viduje ir tarp rūšių. Šioms sistemoms būdingas savaiminis reguliavimasis, ir funkciniu požiūriu jos yra labai sudėtingos save organizuojančios sistemos.
Gyvas organizmas privalo reaguoti į aplinką, nes taip išsaugoma; sistema. Taigi dar vienas gyvųjų sistemų požymis — gebėjimas atsakyti į dirginimą (dirglumas) ir gebėjimas judėti. Prisitaikymas prie aplinkos yra pagrįstas organizmų paveldimu kintamumu, t. y. savybe, priešinga identiškam atsigaminimui. Dėl matricos replikacijos atsitiktinių klaidų yra galima pakitusių sistemų atranka. Atranka -biologinis procesas, kai išlieka prie kintančios aplinkos geriau prisitaikę-organizmai. Iš vieno priešistorinės gyvosios sistemos tipo išsivystė nesuskaičiuojama daugybė organizmų rūšių; atranka — tai organizmų pozityviosios evoliucijos faktorius, lemiantis kintamumą, dėl kurio jie vis geriau prisitaiko prie nuolat kintančių aplinkos sąlygų.
Visų Žemės būtybių kilmę iš bendros šaknies patvirtina nuostabiai sutampančios pagrindinės jų ypatybės. Tai liečia ir struktūrinius (tam tikrų nukleino rūgščių molekulių sandarą arba ląstelės sandarą), ir funkcinius požymius (metabolizmo reakcijų bendrumą arba genetinio kodo universalumą). Tačiau negalima pamiršti, kad net pirmosios gyvosios sistemos, kilusios iš negyvųjų, jau buvo vystymosi produktas.
Nors milijardus metų trukusios evoliucijos padarinys — visos gyvosios sistemos yra kilusios iš negyvųjų, jos aiškiai skiriasi nuo fizikos objektų — negyvųjų sistemų. Tai ne kažkokios neapčiuopiamos metafizinės savybės (visi fizikos dėsniai tinka ir gyvoms būtybėms bet sudėtinga gyvosios sistemos struktūra ir funkcijos. Gyvoji sistema yra kokybiškai nauja, ypatinga materijos raidos pakopa (judėjimo forma).
Žemės organizmai būdinga jiems chemine sudėtimi (nukleorūgštys, baltymai) skiriasi nuo negyvo. Tam tikra prasme tarpiniai yra virusai. Jie kilę iš gyvosios sistemos dalių, sudaryti iš nukleino rūgščių ir baltymų (Kai kurie mokslininkai virusus laiko gyvaisiais organizmais). Jie geba daugintis tik įsiskverbę į šeimininką (pasinaudoja jo metabolizmo kompleksu). Taigi gyvosiomis vadinamos tokios sistemos, kurios turi nukleino rūgščių bei baltymų ir geba pačios sintetinti šias medžiagas. Šis apibrėžimas netinka seniausio gyvybės formoms, taip pat galbūt už Žemės ribų egzistuojančio kitokios sandaros gyvosioms sistemoms.
Kitas apibrėžimas remiasi gyvųjų sistemų gebėjimu atskirti entropijos srautus. Pagal antrąjį termodinamikos dėsnį gamtoje apskritai ir kiekvienoje izoliuotoje sistemoje entropija pastoviai didėja, o tvarka mažėja. Entropijos dydis apibūdina netvarkos laipsnį. Eikvojant energiją, palaikoma gyvosioms sistemoms būdinga tvarkinga būsena — organizuotumo laipsnis, kuris didėja sistemoms augant. Vadinasi, gyvuose organizmuose entropija mažėja. Vis dėlto antrasis termodinamikos dėsnis teisingas: dėl gyvybinės veiklos entropijos prieaugis organizmo aplinkoje didesnis, negu jos sumažėjimas organizmo viduje (tai ir yra entropijos srautų atskyrimas). Juk gyvos būtybės — ne izoliuotos, o atviros sistemos.
Gyvosiomis vadinamos tokios sistemos, kurios geba savarankiškai palaikyti ir didinti savo labai aukštą tvarkos laipsnį, būdamos aplinkoje, kurios tvarkos laipsnis mažesnis.
Paskaitos temos
Gyvos būtybės gauna medžiagų ir energijos
Gyvos būtybės negali palaikyti savo struktūros ir vykdyti gyvybinių funkcijų negaudamos iš išorės maisto medžiagų ir energijos. Maistas – tai maisto medžiagų molekulės, naudojamos kaip statybinė medžiaga arba energijos šaltinis. Energija – tai gebėjimas atlikti darbą, kurio reikia ląstelės ir organizmo struktūroms palaikyti. Kai maisto medžiagų molekulės naudojamos ląstelių dalims ir jų produktams gaminti, ląstelėje vyksta cheminės sintezės reakcijų seka. Metabolizmu (gr. metabole – permaina, kaita), arba medžiagų apykaita, vadinamos visos ląstelėje vykstančios cheminės reakcijos.
Saulė yra pirminis energijos šaltinis beveik visai Žemėje esančiai gyvybei. Augalai ir į augalus panašūs organizmai gali sugerti saulės energiją ir vykdyti fotosintezę. Tai procesas, kuris verčia saulės energiją į cheminę energiją, slypinčią organinių molekulių jungtyse. Augalai ir gyvūnai gauna energiją skaidydami fotosintezės būdu sukurtas organines molekules.
Medžiagų ir energijos reikia organizmo struktūrai palaikyti. Žemėje esančios gyvybės pirminis energijos šaltinis yra Saulė.
Paskaitos temos
Homeostazė Kad apykaitos procesai nenutruktų, gyvos būtybės privalo išlaikyti pastovią temperatūrą, drėgmę, rūgštingumą ir kitus fiziologinius veiksnius. Tai homeostazė (gr. homoios -panašus, primenantis + stasis – išlaikymas) – vidinių savybių palaikymas tam tikrose ribose.
Daugeliui organizmų savo vidinę aplinką reguliuoti padeda elgesys. Atšalęs driežas gali pakelti savo kūno temperatūrą šildydamasis saulėje ant karštos uolos. Kai ji pakyla per daug, driežas dumia į vėsų šešėlį. Kiti organizmai turi sąmoningo aktyvumo nereikalaujančius kontrolės mechanizmus. Kai mokinė taip įsigilina į vadovėlį, kad užmiršta papietauti, jos kepenys išmeta sukauptą cukrų, kad palaikytų cukraus lygį kraujyje normos ribose. Cukraus kaupimą ir išmetimą reguliuoja hormonai, bet kai kuriais atvejais homeostazės palaikyme dalyvauja nervų sistema.
Paskaitos temos
Gyvos būtybės reaguoja
Gyvos būtybės randa energijos ir maisto medžiagų sąveikaudamos su aplinka. Į aplinkos dirgiklius atsako netgi vienaląsčiai organizmai. Vieni judina mikroskopinius plaukelius, kiti vizgina botagėlio formos žiuželius ir taip juda artyn arba tolyn nuo šviesos ar cheminių medžiagų. Daugialąsčių organizmų atsakas gali būti žymiai sudėtingesnis. Grifas gali pajausti mėsą už mylios ir skubėti pietauti. Drugiai danaidės pajunta artėjant rudenį ir pradeda trauktis į pietus, kur dar yra maisto išteklių.
Sugebėjimas atsakyti į dirgiklius dažnai sukelia judesius: augalo lapai pasisuka į saulę, o gyvūnai skuba saugios vietos link. Sugebėjimas reaguoti užtikrina organizmo išgyvenimą ir leidžia jam atlikti kasdieninius veiksmus. Visus tokius veiksmus kartu vadiname organizmo elgesiu.
Paskaitos temos
Gyvos būtybės dauginasi ir vystosi
Gyvybė atsiranda tik iš gyvybės. Visų tipų gyvos būtybės gali daugintis, arba pagaminti panašius į save organizmus. Bakterijos, pirmuonys ir kiti vienaląsčiai organizmai paprasčiausiai dalijasi į dvi dalis. Daugumos daugialąsčių dauginimosi procesas prasideda vieno partnerio spermiui susiliejant su kito partnerio kiaušialąste. Spermio ir kiaušialąstės susiliejimas, lydimas ląstelių dalijimosi, sukuria nesubrendusį individą, kuris auga ir vystosi.
Embrionas išsivysto į kašalotą arba į geltoną narcizą, nes iš tėvų paveldi sandaros planą. Struktūros ir medžiagų apykaitos instrukcijos yra užkoduotos genuose. Specialią informaciją apie organizmo struktūrą nešantys genai yra susijungę į ilgas DNR (deoksiribonukleorūgšties molekules). Šios paveldimosios medžiagos, DNR, kopijos yra visose ląstelėse. Jos forma primena milijonus pakopų turinčius spiralinius laiptus.
Paskaitos temos
Gyvos būtybės prisitaiko
Prisitaikymai (adaptacijos) – tai savybės, kurių dėka organizmas prisitaiko. Pavyzdžiui, pingvinai prisitaikę gyventi vandenyje Antarkties sąlygomis. Daugumos paukščių priekinės galūnės pritaikytos skraidyti, tačiau trumpi ir plokti pingvino sparnai tinka plaukioti. Kojos ir uodega vandenyje yra vairas, tačiau plokščios kojos taip pat leidžia vaikščioti sausumoje. Uolinių pingvinų snapas pritaikytas misti mažais vėžiagyviais. Vieną, daugiausia du kiaušinius jie laiko ant kojų, kur kiaušinius apsaugo odos raukšlė. Tai leidžia paukščiams stačiomis perėti ir šildytis, susiglaudžiant į krūvą.
Gamtinė atranka – tai procesas, per laiką galintis pakeisti organizmą. Kai kurie rūšies (lot. species – pavyzdys, rūšis), apibrėžiamos kaip tarpusavy besikryžminančių individų grupė, nariai gali paveldėti genetinius pakitimus, geriau pritaikančius juos prie tam tikros aplinkos. Galima tikėtis, kad šie nariai duos daugiau išgyvenančių palikuonių, taip pat turinčių pa lankias savybes. Taip laikui bėgant rūšie narių požymiai keičiasi.
Kilmė su pakitimais
Visoms gyvoms būtybėms yra būdingos pagrindinės savybės. Visos jos yra sudarytos iš panašią struktūrą turinčių ląstelių; jų genai sudaryti iš DNR jose vyksta tokios pat apykaitos reakcijos energijai gauti organizacijai palaikyti. Tokia vienovė leidžia manyti, kad visos gyvos būtybės kilo iš bendro protėvio – pirmosios ląstelės (ar ląstelių). Tačiau evoliucija (lot. evolutio – išsiskleidžiantis) – tai kilmė su pakitimais. Iš vienos rūšies atsirasti kelios, prisitaikiusios prie tam tikrų gyvenimo sąlygų. Specifiniai prisitaikymai leidžia rūšims ekosistemose atlikti savo vaidmenį. Organizmų įvairovė geriausiai suprantama kaip daug skirtingų būdų, kai organizmai sistemoje vykdo savo gyvybines funkcijas – gyvena, naudoja energiją ir dauginasi.
Gyvybės vienovę paaiškina kilmė iš bendro protėvio. Didelę gyvybės formų įvairovę sukuria prisitaikymas prie skirtingų gyvenimo sąlygų.
Paskaitos temos
Gyvybė ir vanduo
Viena ar kelios pirmosios ląstelės atsirado vandenyje, gal todėl ir dabartiniai organizmai turi 70-90% vandens. Kuo vanduo ypatingas, kuo svarbus, kad be jo negalima gyvybė? Vanduo – tai polinės molekulės, viena su kita susijungusios vandeniliniais ryšiais. (Vandeniliniai ryšiai yra kur kas silpnesni nei kovalentiniai ryšiai vandens molekulės viduje, bet pirmųjų pakanka, kad vandens molekulės laikytųsi sukibusios. Jei vandenilinių ryšių nebūtų, vanduo virtų esant – 80 °C, o užšaltų esant -100 °C temperatūrai, tad tokia gyvybė, kokia ji yra dabar, būtų neįmanoma. Būtent dėl vandenilinių ryšių vanduo yra skystas, esant gyvybei tinkančioms temperatūroms. Jis verda, kai temperatūra yra 100 °C, o užšąla, kai temperatūra 0 °C.
Ypatingosios vandens savybės
Skysto vandens temperatūra kyla ir krinta lėčiau nei daugelio kitų skysčių. Viena kalorija yra šilumos kiekis, kurio reikia, kad 1 g vandens temperatūra pakiltų 1 °C. Jei lygintume su kitais skysčiais, kurių molekulės turi kovalentinius ryšius, jų temperatūrai tiek pat pakelti reiktų perpus mažiau energijos. Daugybė vandenilinių ryšių, kuriais susijungia vandens molekulės, padeda vandeniui sugerti šilumą tik nedaug tepakylant jo temperatūrai.
Šaldamas vanduo turimą šilumą atiduoda. Kad vienas gramas labiausiai atšalusio vandens virstų ledu, jis turi netekti 80 kalorijų šiluminės energijos. (Nepaisant to, vanduo gerai laiko šilumą ir jo temperatūra krenta lėčiau negu kitų skysčių. Ši vandens savybė yra svarbi ne tik vandenyje gyvenantiems, bet ir visiems kitiems organizmams. Vanduo juos apsaugo nuo staigių aplinkos temperatūros pokyčių ir padeda išlaikyti jiems būdingą vidinę kūno temperatūrą.
Vandeniui išgarinti reikia daug šilumos. Vienam karščiausio vandens gramui išgarinti reikia 540 kalorijų šiluminės energijos. Tokia garavimo šiluma reiškia, jog vandens virimo temperatūra aukšta. Kadangi vanduo verda ir virsta garais tik esant 100 °C temperatūrai, tai jis lieka skystas bet kokioje gyvoms būtybėms tinkamoje temperatūroje.
Kad skystas vanduo virstų garais, turi būti nutraukti vandeniliniai ryšiai, o tam reikia labai daug šiluminės energijos. Ši vandens savybė padeda taip sušvelninti aplinkos temperatūrų poveikį, kad gyvybė Žemėje gali egzistuoti. Dėl šios vandens savybės gyvūnai didelių karščių metu gali atsikratyti šilumos pertekliaus. Gyvūnams prakaituojant, perteklinė kūno šiluma naudojama prakaitui garinti – ir kūnas vėsta.
Vanduo yra universalus tirpiklis, sudarantis palankias sąlygas cheminėms reakcijoms tiek negyvojoje gamtoje, tiek gyvosiose sistemose.
Universaliu tirpikliu vandenį vadiname dėl to, kad jis tirpina daugelį medžiagų. Kai druska, tokia kaip natrio chloridas (NaCl), patenka į vandenį, neigiamus krūvius turinčius vandens molekulių galus pritraukia natrio jonai, o teigiamus – chloro jonai. Dėl to vandenyje natrio ir chloro jonai atsiskiria.
Jonai ir molekulės pasklidę vandenyje judėdami susiduria, todėl gali reaguoti vieni su kitais. Tos molekulės, kurios pritraukia vandens molekules, vadinamos hidrofilinėmis (gr. hydor – vanduo + phileo – myliu). Nejonizuotos ir nepolinės molekulės, kurios negali pritraukti vandens molekulių, vadinamos hidrofobinėmis (gr. hydor – vanduo + phobos – baimė).
Vandens molekulės pasižymi didele kohezija ir adhezija sukibimu ir prilipimu – pastaba]. Kohezija yra akivaizdi, kai vanduo teka – jo molekulės neišsisklaido kas sau. Jas sukibusias laiko vandeniliniai ryšiai. Kadangi vandens molekulės poliškos – turi neigiamą ir teigiamą polių – jos limpa prie paviršių, ypač prie polinių, taigi turi adhezinių savybių. Žinia, vanduo gerai teka bet kokiais vamzdžiais vamzdeliais, todėl jis labai tinka įvairioms medžiagoms išnešioti tiek gyvuosiuose organizmuose, tiek techninėse sistemose. Vienaląsčiai organizmai labai priklauso nuo išorės vandens, kuris išnešioja maisto medžiagas ir kuris padeda šalinti atliekas. Daugialąsčiai organizmai mažiau priklausomi -jie patys turi vadinamuosius vandens indus, kuriais tekėdamas vanduo nešioja maisto medžiagas ir atliekas. Štai pavyzdys: mūsų kraujo skystoji dalis turi 90% vandens, kuriame yra ištirpusių ir suspenduotų dalelių.
Kohezija ir adhezija labai svarbios augalų medžiagoms išnešioti. Augalų šaknys – dirvoje, iš jos siurbia vandenį. Tuo tarpu lapai iškelti aukštai į saulę. Kaip vanduo nukeliauja iki pačių aukščiausių medžių viršūnės? Tam praverčia ypatingos vandens savybės. Augalai turi vandens indus nuo šaknų iki lapų. Vandens molekules, kurios išgaruoja pro lapus, tučtuojau pakeičia kitos, atkeliaujančios šiais indais. Kadangi vandens molekulėms būdinga kohezija, jos tempia viena kitą ir taip keliauja nuo šaknų iki lapų. Adhezija – lipimas prie vandens indų sienelių – taip pat talkina. Ji padeda išlaikyti vandens stulpą inde.
Vanduo pasižymi didele paviršiaus įtemptimi. Ant lašo paviršiaus gali išsilaikyti net smulkios uolienos dalelės. Taip yra dėl didelės paviršiaus įtempties. Paviršiaus tempimo jėga nusakoma pagal tai, kiek jos reikia skysčio paviršiui suardyti. Vandens paviršiaus didelę įtemptį (kaip ir koheziją) lemia vandeniliniai ryšiai. Yra netgi vabzdžių, kurie gali bėgioti vandens telkinių paviršiumi nesuardydami jo plėvelės, pavyzdžiui, vandeniniai čiuožikai.
Kitaip negu daugelio medžiagų, užšalusio (kieto) vandens tankis mažesnis nei skysto. Vandeniui vėstant, jo molekulės vis labiau artėja viena prie kitos. Jų tankis didžiausias, kai temperatūra siekia 4 °C, tačiau ir tada jos vis dar juda. Kai temperatūra krenta žemiau 4 °C, lieka tik vibraciniai molekulių judesiai, o vandeniliniai ryšiai tvirtėja, nors ir darosi atviresnės. Vadinasi, vanduo šaldamas plečiasi – štai kodėl buteliai su gėrimais šaldymo kamerose ar žiemą lauke susproginėja, o šiaurės keliai pasidaro duobėti. Kartu tai reiškia, kad ledo tankis mažesnis nei skys-to vandens – todėl ledas vandenyje plūduriuoja, neskęsta. Jeigu jis skęstų, ledo gabalai kauptųsi vandens telkinio dugne ir toks telkinys, netgi jei tai būtų visas vandenynas, žiemą užšaltų iki dugno, o gyvi organizmai negalėtų išgyventi.
Gamtoje vyksta atvirkščiai: ledas susidaro paviršiuje ir storėja gilyn. Paviršiuje susidaręs ledas tampa šilumą izoliuojančiu sluoksniu, kuris saugo po savimi vandenį nuo užšalimo. Taip apsaugoma daugybė vandenyje gyvenančių organizmų, kad neiššaltų žiemą. Pavasarį pradėjęs tirpti, ledas šilumą iš aplinkos geria ir saugo vandens telkinį nuo staigių temperatūros svyravimų, kurie jo gyventojams būtų pražūtingi.
Vanduo turi unikalių savybių, kurios leidžia ląstelėms funkcionuoti. Tos savybės sudarė sąlygas ir gyvybei žemėje atsirasti.
Taigi gyvybė — ypatinga materijos judėjimo forma (F. Engelsas, 1820—1895), kuri kokybiškai skiriasi nuo neorganinio pasaulio judėjimo formų. Gyvybė telpa fizikos ir chemijos dėsningumų sferoje. Tačiau jos, kaip ypatingo reiškinio, esmės paaiškinti šiais dėsningumais neįmanoma. ,,Gyvybė yra materiali, bet ji nėra neatsiejama visos materijos savybė. Gyviems organizmams būdingos ypatingos biologinės savybės ir dėsningumai, kurių negalima paaiškinti vien dėsniais, viešpataujančiais neorganinėje gamtoje” (Oparinas).
Paskaitos temos
Pagrindiniai cheminiai elementai
Iš dabar mokslui žinomų 105 elementų tik nedaugelis aptinkami gyvuose organizmuose. Pirmiausia, tai gausūs gamtoje (ir būtini) makroelementai: H, C, O, N, S, P, Ca, Mg, K, Fe ir gyvūnams būdingi Na ir Cl.
Pastoviai mažesniais kiekiais aptinkami būtini gyvybei mikroelementai: Cu, Mn, Zn, Mo, Co, gyvūnuose taip pat F, I, Se, augaluose — Cl ir B. Kai kurie elementai yra tik tam tikros rūšies organizmuose (arba atsitiktinai patenka į juos).Kiekybiškai pirmąją vietą tarp cheminių junginių užima vanduo (žmogaus organizme apie 60%, medūzos — 96% ir daugiau). Vanduo yra tirpiklis, vidinė transporto priemonė ir daugumos medžiagų apykaitos terpė. Daug neorganinių komponentų — mineralinių medžiagų — yra ištirpusios vandenyje.Gyvam organizmui būdingi ypač įvairūs organiniai junginiai. Tačiau biologiškai svarbios tik keturios organinių medžiagų klasės: baltymai, nukleino rūgštys, angliavandeniai ir lipidai.
Paskaitos temos
Baltymai Baltymai – pagrindinė junginių, randamų gyvuose organizmuose, klasė. Kiekvienoje ląstelėje gali būti keletas tūkstančių skirtingų baltymų. Baltymai ląstelėse atlieka tiek įvairių funkcijų, kad buvo pavadinti “proteinais” (proteios graikų k. – pirmas), pabrėžiant jų pirmaeilį vaidmenį. Svarbiausios baltymų funkcijos:
1. Katalitinė. Baltymai fermentai katalizuoja ląstelėje vykstančias chemines reakcijas, todėl jos švelniomis sąlygomis vyksta dideliu greičiu. Tai viena svarbiausių baltymų funkcijų.
2. Pernašos. Baltymai perneša įvairias medžiagas nuo elektronų iki makromolekulių. Hemoglobinas neša deguonį iš plaučių į audinius, Labai svarbi pernašos baltymų klasė yra membraniniai baltymai – nešikliai, arba baltymai, formuojantys membranose kanalus, Jie per ląstelės ar organoidų membranas perneša jonus, aminorūgštis, angliavandenius, baltymus bei kitas medžiagas, būtinas ląstelės medžiagų apykaitai. 3. Struktūrinė. Baltymai kartu su lipidais sudaro biologines membranas. Pagrindinis jungiamojo baltymas yra kolagenas. Plaukai, nagai taip pat yra sudaryti iš baltymų.
4. Hormoninė. Insulinas reguliuoja cukraus koncentraciją kraujyje, stomatotropinis hormonas – augimą,
5. Apsauginė. Organizme sintetinami antikūnai apsaugo jį nuo įvairių bakterijų. Virusinė infekcija iššaukia baltymo interferono sintezę, kuris stabdo tolesnį virusų dauginimąsi.
6. Energetinė. Oksiduojantis baltymuose esančioms aminorūgštims, išsiskyrusi energija gali būti panaudojama organizmo energetiniams poreikiams tenkinti. Pieno kazeinas, kiaušinio baltymas yra atsarginės maisto medžiagos, reikalingos organizmo vystymuisi. 7. Motorinė. raumenys sudaryti iš baltymų aktino ir miozino. Jų pagalba cheminė energija paverčiama mechanine. Judėjimui taip pat svarbūs tubulinas, flagelinas, kinezinas, dineinas ir kiti baltymai. 8. Toksinė. Choleros, botulizmo, difterijos, gangrenos toksinai yra baltymai. 9. Receptorinė. Baltymai receptoriai, išsidėstę ant membranų paviršiaus, sąveikauja su hormonais, neuromediatoriais, šviesa ir kitomis medžiagomis ir signalą perduoda per membraną. Skonio, uoslės ir kiti receptoriai taip pat yra baltymai.
10. Reguliacinė. Baltymai gali prisijungti prie nukleorūgščių, kitų baltymų ir keisti jų biologinį aktyvumą.Baltymai, sudaryti tiktai iš aminorūgščių, vadinami paprastais baltymais, arba proteinais. Tačiau dažnai į baltymų sudėtį įeina įvairios organinės ar neorganinės medžiagos. Tokie baltymai vadinami sudėtiniais baltymais arba, proteidais.
Baltymų bendrus bruožus apsprendžia cheminė struktūra – tai makromolekulės, sudarytos iš aminorūgščių, sujungtų peptidiniais ryšiais. Nepriklausomai nuo organizmo rūšies ar ląstelės tipo, visi baltymai sudaryti iš tų pačių aminorūgščių, kurios (panašiai kaip 32 abėcėlės raidės gali sudaryti daugybę skirtingų žodžių, sakinių ar knygų) besijungdamos tarpusavyje skirtinga tvarka ir kiekiu sudaro begalinę įvairovę baltyminių molekulių.
Paskaitos temos
Baltymų struktūra
Baltymai yra linijiniai aminorūgščių polimerai, kurių seka nereguliari, tačiau specifinė, būdinga tik tam baltymui. Aminorūgščių išsidėstymas polipeptidinėje grandinėje vadinamas baltymo pirmine struktūra. Pirminė struktūra lemia aukštesnės organizacinės eilės struktūras, biomolekulės erdvinį išsidėstymą. Kiti du baltymo struktūros lygiai – antrinė ir tretinė struktūros, yra polipeptidinės grandinės Išsidėstymas erdvėje. Antrinę struktūrą sąlygoja vandeniliniai ryšiai tarp peptidinių grupių tos pačios grandinės viduje arba tarp skirtingų polipeptidinių grandinių. Pagal konfigūraciją antrinė struktūra gali būti spiralinė ( į -spiralė) ir klostyta ( ā -struktūra). Kai kurios fermento dalys gali visai neturėti kokios nors apibrėžtos struktūros. Tretinė struktūra yra antrinės struktūros elementų išsidėstymas erdvėje vienas kito atžvilgiu. Ją sąlygoja kovalentiniai disulfidiniai ryšiai, vandeniliniai ryšiai, elektrostatinė sąveika tarp šoninių radikalų įkrautų funkcinių grupių, van der Waalso ryšiai, taip pat hidrofobinė sąveika. Tretinė struktūra būtina biologiniam baltymų aktyvumui pasireikšti. Kadangi šią struktūrą lemia didelis skaičius silpnų sąveikų, ji labai jautri įvairiems aplinkos poveikiams. Pagal molekulės formą baltymai gali būti skirstomi į globulinius ir fibrilinius. Globulinių baltymų molekulėms būdinga sferinė forma. Paprastai tai tirpūs vandenyje baltymai, ląstelėje atliekantys labai įvairias (katalizinę, transportinę, reguliacinę) funkcijas. Tuo tarpu fibriliniams baltymams būdinga cilindrinė ilga molekulių forma. Jie blogai tirpsta vandenyje ir dažniausiai atlieka struktūrinį vaidmenį -tokių baltymų pavyzdžiai yra kolagenas, į -keratinas, fibroinas.
Ketvirtinė struktūra būdinga baltymams, sudarytiems iš daugiau nei vienos polipeptidinės grandinės. Tokie baltymai vadinami oligomeriniais (tuo tarpu baltymai, sudaryti iš vienos grandinės – monomeriniais). Atskiri polipeptidai, įeinantys į oligomerinių baltymų sudėtį (kiekvienas iš jų turi būdingą tretinę struktūrą), vadinami subvienetais. Subvienetai sujungti į oligomerinį baltymą silpnų ryšių pagalba. Homomerinių baltymų visi subvienetai vienodi, heteromerinių -skirtingi.
http://www.cryst.bbk.ac.uk/PPS2/course/index.html
Paskaitos temos
Nukleotidai ir nukleorūgštys
Nukleotidai ir iš jų sudarytos nukleorūgštys yra svarbios biologinės molekulės, į kurių sudėtį įeina heterociklinės azoto bazės. Nukleorugštys ląstelėje atlieka informacinių molekulių vaidmenį. Jos saugo ir perduoda genetinę informaciją, sąlygoja paveldimumo procesus. Jos susidaro, jungiantis nukleotidams 3′,5′-fosfodiesteriniu ryšiu į ilgas polimerines grandines. Visi nukleotidai sudaryti iš trijų komponentų:
• heterociklinės bazės,• angliavandenio,
• fosforo rūgšties.
Paskaitos temos
Nukleotidų struktūra ir svarbiausi dariniai
Heterociklinės bazės
Į nukleotidų sudėtį įeina 5 heterocikliniai baziniai dariniai. Tai pirimidino dariniai: uracilas, timinas ir citozinas (pirimidino bazės) ir purino dariniai: adeninas ir guaninas (purino bazės).
Biologiniuose junginiuose šie heterociklai būna laktaminės – amino formos. Tokia forma išlaiko žiedo aromatiškumą ir plokščią struktūrą, o tai labai svarbu stabilumo požiūriu.
Paskaitos temos
Nukleorūgščių struktūra ir funkcijos
Nukleorūgštys yra ląstelės komponentas, saugantis ir perduodantis paveldimą informaciją. Šveicaras F. Mišens 1869 m. iš ląstelių branduolių išskyrė rūgštines savybes turinčią medžiagą, kurią pavadino nukleinu (nucleus – graikų k. branduolys). Jis nustatė, kad tai nebaltyminės prigimties fosforo turinti medžiaga. Vėliau ši rūgštis buvo pavadinta nukleorūgštimi (nukleino rūgštimi). Erdvinę dvigrandės DNR molekulės struktūrą 1953 m. nustatė J. Watson ir F. Crick.
Nukleorūgštys yra stambiamolekuliniai junginiai, sudaryti iš monomerinių vienetų, vadinamų nukleotidais, sujungtų 3′,5′-fosfodiesteriniais ryšiais. Todėl nukleorūgštys dar vadinamos polinukleotidais. Deoksiribonukleorūgštis (DNR) yra ląstelių branduoliuose, taip pat mitochondrijose ir chloroplastuose. DNR funkcija yra genetinės informacijos kodavimas. Centrinė molekulinės biologijos dogma pateikiama schemoje, parodančioje biologinės informacijos perdavimo kryptį:
DNR sintezės (replikacijos) metu genetinė medžiaga padvigubinama. Ląstelei dalinantis, ji perduodama lygiomis dalimis dviems dukterinėms ląstelėms. Kiekvienos ląstelės branduolyje nuo DNR matricos vyksta RNR sintezė. Šis sudėtingas procesas vadinamas transkripcija. RNR pavidalu užkoduota genetinė informacija iš branduolio patenka į citoplazmą ir toliau perkeliama baltymų sintezės (transliacijos) procese į pirminę tai ląstelei būdingų baltymų seką. Baltymai, pasižymintys ypatingai plačiu biologinių funkcijų spektru, iš esmės sąlygoja visus ląstelės medžiagų apykaitos ir struktūros bruožus. Šia prasme per baltymų sintezę DNR lemia visus ląstelės funkcijų aspektus, kontroliuoja visas ląstelę sudarančias molekules.
Klasikinėje schemoje ribonukleorūgštys (RNR) svarbios kaip tarpinis elementas sudėtingame, bet labai tiksliame genetinės informacijos perdavime nuo DNR makromolekulių iki baltymų makromolekulių.
Aptinkamos ribosomose ir citozolyje RNR tiesiogiai dalyvauja baltymų sintezėje. Žinomos trys pagrindinės jų rūšys: transportinė (tRNR), informacinė (iRNR) ir ribosominė (rRNR). Šios trys ribonukleorūgštys skiriasi savo funkcija, buvimo vieta ląstelėje ir dydžiu. Branduolyje aptinkamos mažos branduolio RNR, snRNR (sn – angl. k. small nuclear), kurios ribonukleoproteinų pavidalu (prisijungusios baltyminius subvienetus) dalyvauja RNR brendime. Mažos citoplazminės RNR (scRNR) dalyvauja baltymų pernašoje. Katalitinėm savybėm pasižyminčios RNR vadinamos ribozimais. Kai kuriuose virusuose (RNR virusai) baltymus koduoja RNR, o ne DNR.
Paskaitos temos
Angliavandeniai
Angliavandeniai (arba sacharidai) yra labiausiai paplitusi organinių junginių klasė, atliekanti svarbų vaidmenį gyvuose organizmuose:
1. Struktūrinė ląstelių medžiaga. Angliavandeniai sudaro apie pusę biologinių struktūrų mesės. Augalų ląstelių sienelės sudarytos iš celiuliozės, bakterijų – iš muramino, grybų – iš chitino. Nukleorūgštys, kofermentai taip pat turi savo sudėtyje angliavandenių.
2. Energijos šaltinis. Angliavandeniai yra pagrindinis įvairiose ląstelėse vykstančių procesų energijos šaltinis, nes jų oksidacijos metu išsiskirianti energija panaudojama ATP sintezei, gyvybinėms funkcijoms garantuoti, šilumos gamybai.
3. Atsarginė maisto medžiaga. Angliavandeniai, ląstelėje sukaupti krakmolo, glikogeno pavidalu, gali būtinumo atveju tarnauti energijos šaltiniu.
4. Angliavandeniai, susijungę su baltymais ar lipidais (glikoproteinai ir glikolipidai), labai svarbūs tarpląsteliniam kontaktui, ląstelės atpažinimo, recepcijos procesuose.
Plačiausiai žinomas angliavandenių atstovas yra gliukozė. Ji sutinkama augalų sultyse, vaisiuose, kraujuje. Gliukozė gali būti kaupiama polisacharidų pavidalu -augalinėse ląstelėse – krakmolo, gyvulinėse – glikogeno. Gyvūnai negali sintetinti angliavandenių iš CO2 ir vandens, kaip juos sintetina augalai fotosintezės metu, panaudodami saulės energiją. Todėl angliavandeniai sudaro žinduolių maisto pagrindą.
Paskaitos temos
Lipidai
Lipidams (lipos – graik. k. riebus) priskiriamos vidutinės molekulinės masės (100 – 5000 Da) vandenyje blogai tirpios medžiagos, iš organizmų ekstrahuojamos organiniais tirpikliais, tokiais kaip chloroformas, eteris, benzolas ar metanolis. Tai didelė įvairių junginių, besiskiriančių savo struktūra ir savybėmis, grupė. Ji apima riebalus, vaškus, kai kuriuos vitaminus ir hormonus bei didžiąją dalį ląstelių membranų nebaltyminių komponentų. Lipidai plačiai paplitę gamtoje ir atlieka labai įvairias funkcijas, iš kurių svarbiausios yra trys:
1. Sudaro biologinių membranų, gaubiančių ląsteles bei jų organoidus, struktūrinį pagrindą.
2. Gerai tinka energijos kaupimui ir saugojimui.3. Tarnauja pradine medžiaga prostaglandinų, vitaminų ir hormonų sintezei.
Lipidai yra labai heterogeniška junginių grupė, kurios nariai gali būti klasifikuojami pagal keletą struktūrinių ir funkcinių kriterijų. Visų pirma, lipidai gali būti skirstomi į dvi pagrindines klases – sumuilinamus (hidrolizuojamus šarmais) ir nesumuilinamus. Sumuilinami lipidai toliau gali būti skirstomi į paprastuosius ir sudėtinius. Paprastaisiais sumuilinamais lipidais vadinami junginiai, kuriuos hidrolizuojant susidaro tik riebalų rūgštys ir alkoholis. Jie gali būti dvikomponenčiai, jei juos hidrolizuojant susidaro vienos rūšies riebalų rūgštis, ir daugiakomponenčiai, jei susidaro keletas skirtingų riebalų rūgščių. Sudėtiniams sumuilinamiems lipidams priklauso junginiai, kurių hidrolizės metu be alkoholio ir riebalų rūgščių susidaro ir kiti komponentai, tokie kaip fosforo rūgštis, aminoalkoholiai, angliavandeniai. Steroidiniai bei terpeniniai junginiai priklauso nesumuilinamiems lipidams.
Paskaitos temos
Riebalų rūgštys
Riebalų rūgštys išskiriamos iš riebalų juos hidrolizuojant. Tai dažniausiai linijinės, be atšakų, angliavandenilių grandinės, gale turinčios karboksigrupę. Bakterijose aptinkamos ir šakotos grandinės riebalų rūgštys. Biologinės kilmės riebalų rūgštys paprastai turi lyginį anglies atomų skaičių grandinėje. Jose būna nuo 4 iki 22 anglies atomų, tačiau dažniausiai sutinkamos 16 – 18 anglies atomų ilgio riebalų rūgštys.
Jos gali būti sočiosios, turinčios tik viengubus ryšius, ir nesočiosios, turinčios vieną ar daugiau dvigubų ryšių. Nesočiųjų riebalų rūgščių sudėtyje esantys dvigubi ryšiai visada yra cis konfigūracijos. Jei molekulėje yra keletas dvigubų ryšių, jie visada izoliuoti vienas nuo kito metilenine grupe (nebūna konjuguoti). Pirmasis dvigubas ryšis dažniausiai būna ne arčiau kaip tarp 9-ojo ir 10-ojo anglies atomų nuo karboksigrupės galo. Gyvulinės kilmės riebaluose vyrauja sočiosios rūgštys.
Oksiduojant nesočiąsias riebalų rūgštis silpnais oksidatoriais, esant švelnioms oksidacijos sąlygoms, gaunami glikoliai, o griežtesnėse sąlygose trūksta ryšys tarp anglies atomų, ir susidarę grandinių galai oksiduojasi iki rūgščių. Iš riebalų rūgšties susidaro trumpesnė rūgštis ir dikarboksirūgštis.
Paskaitos temos
Riebalai (triacilgliceroliai) Riebalai yra gausiausia lipidų grupė, kurios nariai pasižymi gana paprasta struktūra. Riebalai yra glicerolio ir riebalų rūgščių esteriai, dar vadinami triacilgliceroliais arba trigliceridais.
Skysti riebalai (dažniausiai augalinės kilmės) vadinami aliejais. Riebalai yra pagrindinė energetinių atsargų forma tiek augalų, tiek ir gyvūnų ląstelėse. Riebalų skaidymo metu ilaisvinama du kartus daugiau energijos, negu jos gaunama skaidant gliukozę ar baltymus. Riebalai sudaro apie 21% žmogaus kūno masės (moterų – apie 26%). Šių riebalų užtektų 2-3 mėnesius tenkinti organizmo energetines reikmes.
Paprastųjų triacilglicerolių molekulėse ta pačia riebalų rūgštimi esterifikuotos visos trys glicerolio hidroksigrupės. Mišrių triacilglicerolių sudėtyje yra 2 arba 3 skirtingos riebalų rūgštys. Gamtiniai riebalai yra paprastųjų ir mišriųjų triacilglicerolių mišiniai. Triacilgliceroliai ir jų dariniai plačiai naudojami gaminant muilą, lakus, rašalą spausdintuvams, gydomuosius tepalus ir kosmetinius kremus.
Paskaitos temos
Vaškai
Vaškai yra ilgas grandines turinčių riebalų rūgščių ir aukštesniųjų monohidroksiliriių alkoholių esteriai. Dėl dviejų ilgų angliavandenilinių grandinių vaškai visiškai netirpūs vandenyje. Vaškai plastiški ir inertiški, gali suformuoti puikią apsauginę dangą, atstumiančią vandenį. Sudarydami apsauginę plėvelę, jie apsaugo paukščių plunksnas, gyvūnų kailį nuo sušlapimo, augalų lapus ir vaisius nuo išdžiūvimo. Palmitino rūgšties cetilo esteris sudaro spermaceto pagrindą.Spermacetas yra pagrindinė sudedamoji lūpų dažų, kosmetinių kremų ir tepalų dalis. Anksčiau spermacetą gaudavo iš kašaloto smegenų. Dabar jis yra sintetinamas. Kosmetinėms priemonėms naudojamas vaškas lanolinas išskiriamas plaunant avių vilną. Palmitino rūgšties miricilo esteris yra pagrindinė bičių vaško sudedamoji dalis.
Paskaitos temos
Literatūra
Gamtos enciklopedija, “Alma littera” 1999Juodka B., Nukleino rūgščių chemijos ir biochemijos pagrindai, V. “Mokslas”, 1988Libertas E., Biologijos pagrindai, Vilnius :Mokslas: 1987Mader S. S., Biologija I,II knyga, “Alma littera” 1999 Mildažienė V., Kadziauskas J., Daugėlavičius R., Laurinavičius V., Naučienė Z., Bironaitė D., Struktūrinė biochemija, Vytauto Didžiojo universitetasEnger E.D., Kormelink J.R., RossF.C., SmithR.J., Concepts in Biology seventth editionDelta College, University Center, Michigan