Генетическая связь органических веществ: Урок 16. генетическая связь неорганических и органических веществ — Химия — 11 класс

Содержание

Генетическая связь органических и неорганических соединений

В настоящее время
известно более миллиона видов живых организмов и все они отличаются друг от
друга. Внутри одного вида не найти двух одинаковых особей. Мир неживой природы
также разнообразен. Например, все вы видели, как разнообразны минералы.

Но за этим внешним
разнообразием материи скрывается её внутренне единство. Это единство выражается
в том, что при множестве известных веществ, а их зарегистрировано около
двадцати миллионов, все они образованы ограниченной группой химических
элементов
.

Внутреннее
единство можно проследить и в способности взаимного превращения одних
классов веществ в другие
. Эта возможность взаимного превращения, а также
определённая обусловленность свойств веществ различных классов, образованных
одними и теми же химическими элементами
, носит название генетической
связи
.

Как же возникают
генетические связи? Рассмотрим пример превращения сульфата меди два в
сульфат натрия
, затем в хлорид натрия и хлорида натрия в хлорид серебра
один
.

Первое превращение
можно осуществить в реакции взаимодействия сульфата меди два с гидроксидом
натрия. Для получения хлорида натрия нужно к сульфату натрия добавить хлорид
бария. Для получения хлорида серебра один нужно к хлориду натрия добавить
нитрат серебра.

Однако этот ряд
нельзя назвать генетическим, хотя он и связан взаимностью превращений, но здесь
не все вещества образованы одним и тем же химическим элементом.

Рассмотрим ещё
один ряд превращений.

Фосфат натрия
затем получим сульфат натрия, из него хлорид натрия, а из хлорида натрия – нитрат
натрия.

Сульфат натрия
можно получить взаимодействием фосфата натрия и хлорида бария
. Хлорид натрия
можно получить в результате взаимодействия сульфата натрия и хлорида бария
.
Для получения нитрата натрия можно к хлориду натрия добавить нитрат серебра
один
.

В этом ряду все
вещества связаны не только взаимностью превращений, но и единством
происхождения
: все они содержат натрий. Однако этот ряд не
является генетическим
, так как в нём нет признаков, которые связывают
вещества в генетическую связь, а именно того, что все вещества
генетического ряда должны относиться к различным классам
.

Генетический ряд
всегда начинается с простого вещества
, все вещества в этом ряду должны быть
связаны единством происхождения. Само слово «генэзис» в переводе с греческого
означает происхождение.

Этому требованию
отвечает ряд превращения натрия в гидроксид натрия, а затем в хлорид натрия.

Данный
генетический ряд является незаконченным.

Сначала нужно
осуществить реакцию взаимодействия натрия с водой, в результате образуется
гидроксид натрия. Для получения хлорида натрия нужно осуществить взаимодействие
гидроксида натрия с соляной кислотой.

Этот генетический
ряд можно сделать законченным, если из хлорида натрия получить натрий. Это
можно осуществить электролизом хлорида натрия. Таким образом, в генетических
рядах можно показать переход из простого вещества в сложное, а также и
возможность перехода сложного вещества в простое.

Таким образом, генетический
ряд
это ряд веществ, где представители различных классов содержат
один и тот же химический элемент, которые связаны взаимопревращениями и
отражают общность происхождения этих веществ
.

Рассматривают
генетические ряды металлов, неметаллов и переходных элементов. 

Характер
основателя ряда задаёт и характер соединений, образующий данных генетический
ряд.

Возьмём
генетический ряд металла. В этом ряду будут представлены основные оксиды,
основания и соли.

Рассмотрим
генетический ряд меди
.

Этот ряд
начитается металлом, этому металлу соответствует основный оксид – оксид меди
два, затем идёт соль – хлорид меди два, из этой соли можно получить основание –
гидроксид меди два, из гидроксида можно получить снова оксид – оксид меди два,
а затем опять простое вещество – медь.

Этот генетический
ряд является законченным, так как демонстрирует способность
усложнения состава вещества, но и упрощение состава
. Здесь вещества связаны
взаимными превращениями. Разберём, как можно осуществить эти превращения.

Оксид меди два
получают реакцией меди с кислородом. Хлорид меди два получают реакцией оксида
меди два с соляной кислотой. Для получения гидроксида меди два нужно к хлориду
меди два добавить щёлочь. При разложении гидроксида меди два образуется оксид
меди два и вода. При восстановлении оксида меди два водородом образуется медь и
вода.

2Cu + O2 = 2CuO

В генетическом
ряду неметалла будут кислотные оксиды, кислотные гидроксиды и соли. В
генетическом ряду неметаллов могут быть и несолеобразующие оксиды, которым не
соответствуют ни кислотные гидроксиды, ни соли.

Рассмотрим
генетический ряд серы
.

Простому веществу
сере соответствует оксид серы четыре, этому оксиду соответствует кислотный
гидроксид – сернистая кислота, из сернистой кислоты нужно получить сульфит
натрия, из него следует получить оксид серы четыре, и наконец, простое вещество
– серу.

Как видно, в этом
ряду представлены неметаллы, кислотные оксиды, кислота и соль. Разберём, как
можно осуществить следующие превращения.

При горении серы
образуется оксид серы четыре.  В реакции с водой этот оксид образует сернистую
кислоту. В реакции сернистой кислоты с гидроксидом натрия образуется сульфит
натрия.

В реакции
взаимодействия сульфита натрия с соляной кислотой образуется оксид серы четыре.
Сернистый газ в реакции с сероводородом образуется сера. По данной реакции
образуется вулканическая сера.

Генетический ряд
серы может быть более разнообразен и содержать серу в различной степени
окисления. Например сера, сероводород, оксид серы четыре, сернистая кислота,
сульфит калия, оксид серы четыре, оксид серы шесть, серная кислота, оксид серы
четыре и сера.

Рассмотрим, как
можно осуществить эти превращения. В реакции серы с водородом образуется
сероводород, при горении сероводорода образуется оксид серы четыре, в реакции
этого оксида с водой образуется сернистая кислота.

В реакции
сернистой кислоты с гидроксидом калия образуется сульфит калия. Если к этой
соли добавить серную кислоту, то получается оксид серы четыре. В реакции оксида
серы четыре с кислородом образуется оксид серы шесть, который в реакции с водой
образует серную кислоту. Для того чтобы получить оксид серы четыре нужно к меди
добавить концентрированной серной кислоты. В реакции сернистого газа с
сероводородом образуется сера.

Генетический ряд
переходных элементов может быть представлен амфотэрными оксидами и амфотэрными
гидроксидами.

Так, генетический
ряд цинка состоит из переходного металла, амфотэрного оксида – оксида цинка,
соли – сульфата цинка, амфотэрного гидроксида – гидроксида цинка, из которого
можно получить две соли: тэтра-гидроксо-цинкат-натрия и хлорид цинка. Из
хлорида цинка можно получить простое вещество – цинк.

Рассмотрим, как
получают эти соединения. В реакции цинка с кислородом получается оксид цинка, в
реакции оксида цинка с серной кислотой образуется сульфат цинка, в реакции
сульфата цинка с гидроксидом натрия образуется гидроксид цинка.

В реакции
гидроксида цинка с гидроксидом натрия получается тэтра-гидроксо-цинкат-натрия.
Хлорид цинка можно получить реакцией гидроксида цинка с соляной кислотой. При
взаимодействии хлорида цинка с алюминием можно получить цинк.

Генетические ряды
могут содержать и вещества, обладающие кислотными, основными и амфотэрными
свойствами
.
Такие вещества содержит генетический ряд железа. Например, генетический ряд
железа содержит металлы, соли, основание, основный оксид, амфотэрный гидроксид
и амфотэрный оксид.

Рассмотрим, как
можно осуществить эти превращения. В реакции железа с соляной кислотой
образуется соль – хлорид железа два, при взаимодействии хлорида железа два с
гидроксидом натрия образуется основание – гидроксид железа два.

При разложении
гидроксида железа два образуется основный оксид – оксид железа два.

При восстановлении
водородом этого оксида образуется железо. В реакции железа с хлором образуется
соль – хлорид железа три. В реакции хлорида железа три с гидроксидом натрия
образуется амфотэрное основание – гидроксид железа три. При разложении этого
основания образуется амфотэрный оксид – оксид железа три. При восстановлении
оксида водородом образуется железо.

Генетический ряд
органических веществ состоит из соединений различных классов, содержащих
одинаковое число атомов углерода в молекуле. Эти вещества связаны взаимностью
превращения, иллюстрирующие усложнение или упрощение состава вещества.

Какие же
органические вещества связаны взаимностью превращений?

Из алканов
можно получить алкены реакцией дэгидрирования, и, наоборот, из алкенов
по реакции гидрирования можно получить алканы.

Их алкенов
по реакции дэгидрирования можно получить алкины, а из алкинов по
реакции гидрирования можно получить алкены.

Тримеризацией алкинов
можно получить арены, а их аренов по реакции гидрирования – циклоалканы.

Дэгидратацией спиртов
можно получить алкены, и наоборот, гидратацией алкенов получают спирты.
При окислении спиртов получают альдэгиды, а при восстановлении альдэгидов
спирты. При окислении альдэгидов получаются карбоновые кислоты,
из карбоновых кислот можно получить аминокислоты, а из них – белки.

Рассмотрим
генетический ряд алкана, содержащего два атома углерода.

В этом ряду видно,
что из этана реакцией дэгидрирования можно получить этэн, из этэна
гидрированием – этан. Из этэна по реакции гидратации можно
получить этанол, а из него по реакции дэгидратации – этэн. При
окислении этанола получается этаналь, при восстановлении этаналя
этанол. При окислении этаналя получается уксусная кислота,
из уксусной кислоты можно получить хлоруксусную кислоту, из неё можно
получить аминоуксусную кислоту, а из аминоуксусной кислоты – полипептид.

Так, при
дэгидрировании этана образуется этэн, в реакции гидратации этэна образуется
этанол.

При окислении
этанола оксидом меди два образуется этаналь, окислением этаналя аммиачным
раствором оксида серебра образуется уксусная кислота.

В реакции её с
хлором образуется хлоруксусная кислота.

При взаимодействии
хлоруксусной кислоты с аммиаком образуется аминоуксусная кислота.

В реакции поликондэнсации
аминоуксусной кислоты образуется полипептид.

Таким образом,
данный ряд содержит алкан, алкен, предельный одноатомный спирт, альдэгид,
карбоновую кислоту, аминокислоту.

В этой цепочке
полипептид не содержит тоже число атомов углерода, как остальные вещества, но
отражают принцип усложнения состава вещества. На ряду с усложнением, возможно и
упрощение состава, которое осуществляется реакциями разложения или окисления
сложных веществ.

Принцип усложнения
и упрощение состава непрерывно происходит в живой природе. Так, расщепление
сложных веществ происходит в желудочно-кишечном тракте животных. В клетках
непрерывно происходит синтез сложных веществ из простых.

Кроме того,
существует много возможностей перехода неорганических веществ в органические и
обратно.

Например: карбонат
кальция, оксид кальция, карбид кальция, ацэтилен, бензол, нитробензол, анилин.

Как же можно
осуществить эти превращения? При разложении карбоната кальция образуется оксид
кальция.

В реакции с
углеродом оксид кальция образует карбид кальция, который при взаимодействии с
водой образует ацэтилен.

Тримеризацией
ацэтилена образуется бензол. В реакции бензола с азотной кислотой образуется
нитробензол, при восстановлении водородом нитробензола образуется анилин.

Таким образом,
неорганические генетические ряды могут содержать металлы, неметаллы и
переходные элементы. В генетических рядах вещества связаны взаимопревращениями.
Органический генетический ряд содержит вещества различных классов, которые
содержат одинаковое число атомов углерода. В генетических рядах возможен
переход неорганических веществ в органические.

 

Генетическая связь между классами органических соединений.

Практическая работа №4

Тема: Генетическая связь между классами органических соединений.

Цели: рассмотреть генетическую связь между типами углеводородов и классами органических соединений; развивать умения приводить примеры и составлять уравнения химических реакций, раскрывающих генетические связи между веществами различных классов соединений; обобщить и систематизировать знания учащихся об углеводородах и их производных на основе сравнительной характеристики их свойств; формировать навык самообразования учащихся.

Образовательные результаты: развивать умения составлять уравнения реакций, доказывающих генетическую связь  между классами соединений.

Задачи практического занятия:

1. Повторить теоретический материал по теме практической работы.

2.Ответить на вопросы для закрепления теоретического материала.

3.Выполнить задания, характеризующие генетическую связь между классами органических соединений.

4.Оформить отчет.

Обеспеченность занятия:

1.Учебная литература:

Габриелян О.С., Остроумов И.Г. Химия для профессий и специальностей технического профиля, учебник для студ. учреждений сред. проф. образования. — М., 2014.

2.Справочный материал:

— Периодическая система элементов Д.И.Менделеева.

3.Технические средства обучения:

-Компьютер, проектор, электронный носитель.

— Тетрадь для практических работ по химии, ручка.

Краткие теоретические сведения

Генетической связью – называется связь между веществами разных классов,

 основанная  на их взаимопревращениях и отражающая единство их происхождения, то есть генезис веществ.  Что же означает понятие  «генетическая связь»

1.Превращение веществ одного класса соединений в вещества других классов.

2.Химические свойства веществ.

3.Возможность получения сложных веществ из простых.

4.Взаимосвязь простых и сложных веществ всех классов веществ.

Понятие генетического ряда веществ, который  является частным проявлением генетической связи.  

Генетическим называют  ряд веществ – представителей разных  классов веществ

являющихся соединениями одного химического элемента, связанных    взаимопревращениями и отражающими общность происхождения этих веществ.

Если основу генетического ряда в неорганической химии составляют вещества, образованные одним химическим элементом, то основу генетического ряда в органической химии (химии углеродных соединений) составляют вещества с одинаковым числом атомов углерода в молекуле. Например:

C2H6 →C2H4→ C2H5OH→CH3CHO → CH3 – COOH →CH2Cl – COOH →NH2CH2COOH

Этан           этен          этанол             этаналь                уксусная кислота     хлорэтановая кислота   аминоэтановая к-та

алкан         алкен        алканол           алканаль              карбоновая кислота хлоркарбоновая кислота аминокислота

1.C2H6 → C2H4 + H2 ; 2.C2H4 + H2O → C2H5 OH

3.C2 H5OH + [O] → CH3CHO + H2O; 4.CH3CHO + [O] → CH3COOH

5.CH3COOH + Cl2 → CH2Cl  — COOH; 6.CH2Cl  — COOH + NH3 → NH2 CH2 – COOH + HCl

Между гомологическими рядами углеводородов существует генетическая связь, которая обнаруживается в процессе взаимного превращения этих веществ. Для перехода от одной группы веществ к другой используют процессы: дегидрирование, гидрирование, циклообразование и другие. Так можно осуществить большинство переходов, однако, этот способ получения углеводородов не является  универсальным. Стрелками в схеме указаны углеводороды, которые непосредственно можно превратить друг в друга одной реакцией.

 Схематически это выглядит так:

Углеводороды, спирты, альдегиды и карбоновые кислоты генетически связаны между собой. При этом можно проследить постепенное усложнение строения веществ. Перечисленными классами далеко не исчерпывается круг органических соединений. Разнообразные преобразования кислот и других веществ обусловливают появление новых классов и, таким образом, дальнейшее развитие разнообразия органических соединений. Прослеживая связь веществ в направлении их усложнения, можно заметить, что простейшими первичными «кирпичиками» являются углеводороды, от которых можно перейти к галогенопроизводным, спиртам и т. д.

Задания для практической работы:

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить превращения. Назовите получившиеся вещества. Укажите условия протекания реакций.

Задание № 1. С→ СН4→С2Н6→С2Н4→С2Н2→—>С6Н6→С6Н5СI

Задание № 2.СаСО3 → СаО → СаС2 → С2Н2 тримеризация, С(акт) Х 

Задание № 3.СН4  С3Н8  С3Н7Сl  Х  СО2.

Задание № 4. Этан→ этен→ этин→бензол.

Задание № 5. С3Н8→С3Н6→С3Н7СI→С6Н14→C6Н12→С6Н6 → С6Н5Вr.

Задание № 6. Ацетилен → → этилен → этанол → уксусный альдегид → уксусная кислота.

Задание № 7. С→ СН4→С2Н2→ C6Н6 → С2Н5Br →С6Н5 ОН

Задание №8. CН4 → C2H2 → СН3-СН=О → СН3-СООН→этиловый эфир уксусной кислоты

C2H5ОН

Задание № 9. 4 → C2H2 → C2H4→ C2H5ОН → СН3-СН=О → СН3-СООН

Задание № 10. СaC2 → C2H2 → C2H4 → C2H5CI → C2H5ОН → СН3-СН=О→ СН3-СООН

C2H5ОН

Задание № 11. СН4 → СO2 → С6Н12О6 → (С6Н10O5)n

Задание № 12. Из предложенных веществ составьте 2 генетических ряда:С2Н2, С3Н8, С2Н4, С2Н6, С4Н10, СН3-СН=СН2, С6Н6, С9Н12, СН42Н5СООН, С3Н42Н5О-ОССН3,C2H5-OH.

Вопросы для закрепления теоретического материала к практическому занятию:

1.Дайте определения понятий: «генетическая связь», «генетический ряд веществ».

2.В чем выражается генетическая связь между углеводородами?

3. Перечислите названия реакций, которые вы записывали при выполнении заданий.

4.Какая группа веществ лежит в основе большинства генетических цепочек?

Порядок выполнения отчета по практической работе

1. В тетради для выполнения практических работ напишите тему практической работы: «Генетическая связь между классами органических соединений».

2.Далее должно быть заглавие «Задание №1», «Задание №2» и т.д.    и составление  уравнений реакций по  осуществлению генетических превращений.

Список рекомендуемой литературы:

1.Габриелян О.С., Остроумов И.Г. Химия для профессий и специальностей технического профиля, учебник для студ. учреждений сред. проф. образования. — М., 2011.

2. Габриелян О.С., Лысова Г.Г. Химия. Тесты, задачи и упражнения, учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования. — М., 2011.

Домашний Урок

21 мая 2020 г.
Органические вещества. Кислородосодержащие соединения Химия 11 класс 30 минут Пяткова Ольга Борисовна, старший преподаватель кафедры естественно-математических дисциплин, ГБУ ДПО ЧИППКРО
Органические вещества. Углеводороды Химия 11 класс 30 минут Пяткова Ольга Борисовна, старший преподаватель кафедры естественно-математических дисциплин, ГБУ ДПО ЧИППКРО
15 мая 2020 г.
Итоговая видеоконсультация по химии Химия 9 класс 30 минут Пяткова Ольга Борисовна, старший преподаватель кафедры естественно-математических дисциплин, ГБУ ДПО ЧИППКРО
12 мая 2020 г.
Кислоты неорганические и органические Химия 11 класс 30 минут Пяткова Ольга Борисовна, старший преподаватель кафедры естественно-математических дисциплин, ГБУ ДПО ЧИППКРО
5 мая 2020 г.
Электролиз растворов и расплавов. Применение электролиза в промышленности Химия 11 класс 30 минут Пяткова Ольга Борисовна, старший преподаватель кафедры естественно-математических дисциплин, ГБУ ДПО ЧИППКРО
Неметаллы Химия 11 класс 30 минут Пяткова Ольга Борисовна, старший преподаватель кафедры естественно-математических дисциплин, ГБУ ДПО ЧИППКРО
29 апреля 2020 г.
Урок 1. Обобщение знаний. Виды химических связей и типы кристаллических решеток Химия 9 класс 30 минут Пяткова Ольга Борисовна, старший преподаватель кафедры естественно-математических дисциплин, ГБУ ДПО ЧИППКРО
Урок 2. Обобщение знаний. Электроотрицательность. Степень окисления Химия 9 класс 30 минут Пяткова Ольга Борисовна, старший преподаватель кафедры естественно-математических дисциплин, ГБУ ДПО ЧИППКРО
Окислительно-восстановительные реакции в природе, производственных процессах и жизнедеятельности организмов Химия 11 класс 30 минут Пяткова Ольга Борисовна, старший преподаватель кафедры естественно-математических дисциплин, ГБУ ДПО ЧИППКРО
Свойства простых веществ – металлов главных и побочных подгрупп Химия 11 класс 30 минут Пяткова Ольга Борисовна, старший преподаватель кафедры естественно-математических дисциплин, ГБУ ДПО ЧИППКРО
6 апреля 2020 г.
Свойства, получение и применение углерода. Синтез-газ как основа современной промышленности Химия 11 класс 30 минут Пяткова Ольга Борисовна, старший преподаватель кафедры естественно-математических дисциплин, ГБУ ДПО ЧИППКРО
Общая характеристика элементов IVА-группы Химия 11 класс 30 минут Пяткова Ольга Борисовна, старший преподаватель кафедры естественно-математических дисциплин, ГБУ ДПО ЧИППКРО
Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева. Строение атома и вещества. Химия 9 класс 30 минут Пяткова Ольга Борисовна, старший преподаватель кафедры естественно-математических дисциплин, ГБУ ДПО ЧИППКРО
Классификация химических реакций по различным признакам. Скорость химической реакции Химия 9 класс 30 минут Пяткова Ольга Борисовна, старший преподаватель кафедры естественно-математических дисциплин, ГБУ ДПО ЧИППКРО

Понятие о генетической связи.

Генетическая связь органических и неорганических веществ

Модуль по теме «Вещество», подразделу «Неметаллы», уроку «Генетическая связь между классами органических и неорганических соединений»

Категория пользователей
Обучаемый, Преподаватель

Контактное время
15 минут

Интерактивность
Низкая

Дисциплины
Химия
/ Общая химия
/ Металлы и неметаллы
/ Неметаллы
/ Генетическая связь между классами неорганических и органических соединений

Уровень образования
Профессионально-техническая подготовка, повышение квалификации

Статус
Завершенный вариант (готовый, окончательный)

Тип ИР сферы образования
информационный модуль

Место издания
Москва

Ключевые слова
генетическая связь

Автор

Морозов Михаил Николаевич

Марийский государственный технический университет

Издатель

Марийский государственный технический университет ГОУВПО

ГОУВПО «Марийский государственный технический университет»

Россия, 424000, Республика Марий Эл, Йошкар-Ола, Ленина пл. , 3,

Сайт —
http://www.mmlab.ru

Эл. почта —
[email protected]

Правообладатель

Федеральное агентство по образованию России

Федеральное агентство по образованию России

Россия, 115998, Москва, Люсиновская ул., 51

Внимание! Для воспроизведения модуля необходимо установить на компьютере проигрыватель ресурсов.

Характеристики информационного ресурса

Тип используемых данных:
application/xml, image/jpeg, image/png, application/x-shockwave-flash, audio/mpeg, text/html

Объем цифрового ИР
2 422 841 байт

Проигрыватель
OMS-player версии от 1.0

Категория модифицируемости компьютерного ИР
открытый

Признак платности
бесплатный

Наличие ограничений по использованию
есть ограничения

Рубрикация

Ступени образования
Среднее (полное) общее образование

Целевое назначение
Учебное

Тип ресурса
Открытая образовательная модульная мультимедийная система (ОМС)

Классы общеобразовательной школы
11

Уровень образовательного стандарта
Федеральный

Характер обучения
Базовое

Лабораторная работа “Генетическая связь органических и неорганических веществ”

Модуль включает необходимые модели оборудования и веществ, для проведения реакций, позволяющих осуществлять цепочки превращений, содержащих органические и неорганические вещества, инструкцию, указывающую порядок действий. Ученику предлагается провести реакции согласно предложенной цепочке превращений, сфотографировать результаты, записать результаты наблюдений и выводы в лабораторный журнал путём ввода с клавиатуры, в редакторе уравнений составить уравнения проведённых реакций в молекулярном виде.

Категория пользователей
Обучаемый, Преподаватель

Контактное время
15 минут

Интерактивность
Высокая

Дисциплины
Химия
/ Общая химия
/ Металлы и неметаллы
/ Неметаллы
/ Генетическая связь между классами неорганических и органических соединений

Уровень образования
Профессионально-техническая подготовка, повышение квалификации

Статус
Завершенный вариант (готовый, окончательный)

Тип ИР сферы образования
информационный модуль

Место издания
Москва

Ключевые слова
генетическая связь органических и неорганических веществ

Автор

Морозов Михаил Николаевич

Марийский государственный технический университет

Издатель

Марийский государственный технический университет ГОУВПО

ГОУВПО «Марийский государственный технический университет»

Россия, 424000, Республика Марий Эл, Йошкар-Ола, Ленина пл. , 3,

Сайт —
http://www.mmlab.ru

Эл. почта —
[email protected]

Правообладатель

Федеральное агентство по образованию России

Федеральное агентство по образованию России

Россия, 115998, Москва, Люсиновская ул., 51

Внимание! Для воспроизведения модуля необходимо установить на компьютере проигрыватель ресурсов.

Характеристики информационного ресурса

Тип используемых данных:
application/xml, image/jpeg, image/png, application/x-shockwave-flash, audio/mpeg, text/html

Объем цифрового ИР
6 601 884 байт

Проигрыватель
OMS-player версии от 1.0

Категория модифицируемости компьютерного ИР
открытый

Признак платности
бесплатный

Наличие ограничений по использованию
есть ограничения

Рубрикация

Ступени образования
Среднее (полное) общее образование

Целевое назначение
Учебное

Тип ресурса
Открытая образовательная модульная мультимедийная система (ОМС)

Классы общеобразовательной школы
11

Уровень образовательного стандарта
Федеральный

Характер обучения
Базовое

ГЕНЕТИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ — Справочник химика 21





    ГЕНЕТИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ [c. 364]

    Решение. Классы органических соединений находятся между собой в генетической связи (связи по происхождению), а потому из веществ одних классов можно получить вещества других классов. В задаче исходным веществом является непредельный углеводород этилен, конечным — сложный эфир. Очевидно, надо этилен превратить в этиловый спирт, спирт окислить в уксусный альдегид и затем в уксусную кислоту, после чего произвести этерификацию спирта кислотой. Переход от этилена к спирту осуществляется гидратацией этилена  [c.422]








    Генетическая связь органических веществ 364 [c.2]

    Задачи по органической химии в целом расположены в соответствии с традиционной последовательностью изучения классов органических соединений (углеводороды, спирты, фенолы, карбонильные соединения, карбоновые кислоты, сложные эфиры, жиры, углеводы, амины, аминокислоты, белки, гетероциклы, нуклеиновые кислоты). Однако во многих задачах отражены многочисленные генетические связи между различными классами органических веществ, поэтому соответствие расположения задач традиционному курсу химии в значительной степени условно и относительно.[c.123]

    Ниже приводятся некоторые схемы известных вам превращений, отражающих генетическую связь между органическими и неорганическими веществами  [c.142]

    Ильинская В.В. О критериях генетических связей ОВ пород и нефтей по составу реликтовых углеводородов для различных регионов и комплексов. VII Всесоюзный семинар. Органическое вещество в современных и ископаемых осадках. Ташкент, 1982, с. 36-37. [c.194]

    Ильинская В.В. Генетические связи углеводородов органического вещества пород и нефтей. М., Недра, 1985.  [c.194]

    В заключительном обобщении учитель широко использует газетные публикации, практикуются доклады учащихся и проведение так называемых комплексных уроков, в которых принимают участие учителя других предметов. В заключительном обобщении используются экранные пособия с обобщающим содержанием, например, диафильмы Современное химическое производство, Строение и свойства органических веществ. Промышленный органический синтез, Изомерия, Полимеры, диапозитивы Генетическая связь органических веществ, Пластмассы , Применение важнейших химических продуктов в народном хозяйстве и т. д. [c.298]

    Ббльшая часть геологических и геохимических наблюдений и фактов, накопленных в мировой науке о нефти на сегодняшний день, включая и масштабы различных процессов образования углеводородов лучше подтверждают гипотезу органич.еского происхождения нефти. Особенно убедительно выглядит хорошо доказуемая генетическая связь между компонентами нефти, живого вещества и органического вещества древних осадочных пород и современных осадков. Что же касается количества углеводородов органического происхождения, то оно исключительно велико и вполне обеспечивает образование залежей нефти и газа. [c.8]

    В курсе Химия-10 в конце каждой главы даны схемы и соответствующие упражнения о генетических связях веществ данного класса с другими классами органических соединений. При обобщающем повторении еще раз необходимо использовать этот материал. На основе этих схем и соответствующих рисунков вы должны уметь составлять уравнения химических реакций, отражающих все генетические связи (они указаны синими и черными стрелками). При повторении используйте схемы генетических связей, которые даны в учебнике Химия-10 (см. и второй форзац). [c.52]

    Принципы классификации органических веществ. Отбор классов органических веществ для изучения в курсе органической химии. Раскрытие генетических связей между ними с целью доказательства единой природы органических веществ. [c.321]

    Многие исследователи отмечали аналогии между распределениями высших н. алкановых кислот и углеводородов в нефтях и органических компонентах горных пород. Дж. Купер и Э. Брей, по-видимому, первыми указали па генетическую связь этих соединений [609], а авторы [610] на примере органических веществ, экстрагированных из эоценовых сланцев Грин Ривер (где они нашли все н. алкановые кислоты С — 35), показали, что распределения по числу атомов С в молекуле становятся почти идентичными, если сравнивать концентрации гомологичных н. алкановых кислот с концентрациями индивидуальных н. парафинов, содержащих в молекуле на 1 атом С меньше (рис. 3.2). [c.96]

    Белки—это высокомолекулярные азотсодержащие органические вещества, молекулы которых построены из остатков аминокислот. Название протеины (от греч. рго1о8—первый, важнейший), по-видимому, более точно отражает первостепенное биологическое значение этого класса веществ. Принятые в отечественной литературе термины белки и белковые вещества связаны с обнаружением в тканях животных и растений веществ, имеющих сходство с белком куриного яйца. В наше время, когда абсолютно достоверно установлено, что наследственная информация сосредоточена в молекуле ДНК клеток любых живых организмов, не вызывает сомнения, что только белки являются теми молекулярными инструментами, при помощи которых реализуется генетическая информация. Без белков, в частности ферментов, ДНК не может реплицироваться, не может самовоспро-изводиться, т.е. лишена способности передавать генетическую информацию. [c.19]

    Многие эа-дачи носят комплексный характер, т. е. охватывают и способы получения, и химические свойства органических веществ, что должно способствовать развитию у студентов представлений о генетических и иных связях между отдельными классами органических соединений. [c.3]

    Обобщение знаний по курсу органической химии приводит в систему сведения об органических веществах. Оно включает вопросы о химическом, электронном, пространственном строении и видах изомерии, анализ свойств органических веществ разных классов на основе строения, выявление генетической связи между органическими веществами и, наконец, обобщение сведений о промышленности органического синтеза, нефтехимии. Методика проведения этого обобщения приводится Л. А. Цветковым.  [c.292]








    В отличие от термина битум часть природных органических веществ (ОВ), обязательным свойством которых является их растворимость в нейтральных органических жидкостях (бензоле, хлороформе, сероуглероде, петролейном эфире, ацетоне и др. ), Н. Б. Вассоевич предложил называть битумоидами. Однако отнесение к нефтяным битумам веществ только по признаку их растворимости в органических жидкостях не совсем правильно, так как в этом случае не учитывается наиболее важный, генетический признак, вследствие чего некоторые вещества, явно связанные по происхождению с нефтью, выпадают из поля зрения исследователя. Примером могут служить некоторые карбоиды, имеющие генетическую связь с нефтью, но из-за далеко зашедших процессов метаморфизма ставшие нерастворимыми. [c.8]

    Противником догматического обучения был и А. М. Бутлеров, который также много внимания уделял методическим проблемам. В основу преподавания им была положена теория химического строения органических веществ, которая помогает раскрыть всеобщие генетические связи между органическими веществами, что способствует развитию идей о материальном единстве мира. Введение к полному изучению органической химии А. М. Бутлерова является одновременно изложением его методических приемов.[c.10]

    Следовательно, можно сделать вывод о том, что нафтеновый паспорт унаследован нефтью от исходного органического вещества и определяется также литолого-фациальными условиями его преобразования. Как соотношение пристан/фитан, так и нафтеновый паспорт можно использовать в качестве дополнительных критериев для установления генетических связей нефтей. [c.30]

    В процессе обучения химии по разделам систематически проводятся обобщения по понятию изомерии, по взаимному влиянию атомов в молекуле, по разновидностям ковалентной химической связи, так как от класса к классу органических соединений этот материал обогащается фактами, расширяется и углубляется. Установление генетической связи между классами органических веществ имеет очень важное миро- [c.247]

    Генетическая связь между органическими веществами [c.248]

    Методика раскрытия генетической связи между органическими веществами. [c. 256]

    Для достаточно глубокого обоснования генетической связи между органическими веществами составляют вместе с учащимися схему.  [c.293]

    Открытие радикала бензойной кислоты, казалось, наглядно подтверждало идею, что сложные радикалы представляют собой составные части органических соединений и играют роль атомов в неорганических веществах. Интерес к теории радикалов возрос, и возникли попытки установить генетическую связь между различными соединениями, такими, например, как спирт и эфир. [c.104]

    К середине XX в. было доказано единство всех горючих полезных ископаемых нефти, угля, газа, горючих сланцев установлена генетическая связь нефти с ископаемым органическим веществом осадочных пород разработаны критерии выделения нефтематеринских свит. [c.181]

    Смирнов В. А. Углеводороды современных морских осадков и их возможная генетическая связь с углеводородным составом рассеянного органического вещества и нефтей. — В кн. Органическое вещество в современных и ископаемых осадках 5-й Всесоюз. семинар. (Москва, 1976) Тез докл. М. Изд-во МГУ, 1976, с. 41—42. [c.231]

    ГЕНЕТИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ КОМПОНЕНТОВ НЕФТЕЙ С ОРГАНИЧЕСКИМ ВЕЩЕСТВОМ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД [c.184]

    Между компонентами нефтей, живого вещества и органического вещества современных осадков и осадочных пород наблюдается определенная генетическая связь, которая выражается не только в сходстве отдельных химических структур, но и в определенном различии, поскольку нефть, аккумулировавшаяся в залежах, претерпевает изменения в составе в процессе миграции. Например, в рассеянном органическом веществе нефтематеринских пород содержится больше циклических компонентов, чем в соответствующих нефтях, так как из материнской породы эмигрируют в первую очередь соединения с алифатической структурой. [c.184]

    Установление генетического родства между структурами живой материи, органического вещества осадочных пород и нефтей имеет очень большое значение для установления связи конкретных нефтей с рассеянным органическим веществом конкретных толщ, для выяснения возможных источников и путей образования и дальнейшего изменения различных компонентов нефти. Наличие генетического сходства рассеянного органического вещества и нефтей подтверждает теорию органического происхождения нефти. Существенное значение имеет и количественная оценка содержания углеводородов в осадочных породах. [c.203]

    Бестужев М. А. Возможность установления генетических связей между различными компонентами иефти и органического вещества осадочных пород по их химическим структурам. Сб. Происхождение нефти и газа и формирование их месторождений . М., Недра , 1972. [c.268]

    С позиции первой из перечисленных концепций основным генетическим фактором образования системы входящих в состав нефти углеводородных соединений являются термодинамические условия преобразования исходного органического вещества. В связи с этим появились стремления рассчитать параметры термодинамических условий, в которых могло возникнуть характерное для нефтей сочетание основных углеводородных соединений. Расчеты привели к нереальным оценкам температур нефтеобразования в интервале от —40 до +600° С и в довольно широком диапазоне давлений [Миронов и др. , 1955]. [c.88]

    Для решения задач по яеорганической хим-ии -необходимо зна(ние не только химических, о и физических свойств веществ качественных реакций на катионы и анионы способов разделения смесей веществ,-окислительно-восстанов ительных реакций. Чтобы решить задачи по органической химии, нужно знать теорию химического строения органических соединений, генетическую связь между различными классами органических соединений, установление строения веществ по их свойствам, возможные, наиболее рациональные пути синтеза некоторых органических веществ, механизм и условия осуществления тех или иных химических реакций. Задачи в сборнике составлены таким образом, что для успешного решения каждой из них долгйны быть использованы знания нескольких разделов химии. Во всех задачах числовые значения подобраны так, чтобы они составляли кратные доли моля, не требуя длительных арифметических операций и фиксируя основное внимание на химических превращениях. Решения задач вынесены в самостоятельный раздел сборника с тем, чтобы читатель, ознакомившись с содержанием задачи, мог попытаться самостоятельно наметить пути ее решения, а затем воспользоваться готовым решением для самоконтроля.[c.4]

    Известен ряд материалов, показывающих генетическую связь определенных нефтей с органическим веществом конкретных осадочных толщ. Количество сингенетичных битумоидов зависит от содержания органического вещества, что ясно выражено во всех тех случа.чх, когда отсутствует существенная примесь аллохтон-ного битумоида. В табл. 82 (В. С. Вышемирский и др., 1971) приведены в качестве примера средние концентрации органического вещества и битумоидов. [c.198]

    Нафтеновый паспорт унаследован нефтью от исходного органического вещества и определяется литолого-фациальнымн условиями его преобразования. Наряду с соотношением при-стан/фитан нафтеновый паспорт можно с успехом использовать в качестве дополнительного критерия при установлении генетических связей нефтей. Ал. А. Петров систематизировал данные по относительному распределению насыщенных углеводородов (фракция 200—430 °С) в нефтях многопластовых месторождений и отметил единый характер изменения их углеводородного состава. Отмечено, что содержание нормальных н изопреноидных алканов, в отличие от содержания нафтенов, более чутко реагирует на изменение геохимических условий залегания нефтей, [c.190]

    Важность и значимость понятий гомологии и изомерии определяется их обобщающим характером для каждой группы органических веществ. Эти понятия, как и установление генетических связей, способствз ют целостности курса органической химии.  [c.246]

    Нефть и все другие горючие полезные ископаемые, так же как рассеянное органическое вещество осадочных пород, генетически связаны с живым веществом нашей планеты, с биосферой прошлых геологических эпох. Проблема происхождения нефти, нижний возрастной предел ее образования тесно связаны с возрастом возникновения жизни на Земле. Согласно наиболее распространенной гипотезе. Земля возникла 4,8-5 млрд лет назад в результате слипания первичного вешества холодных тел — плане-тозималей, затем произошел ее разогрев вследствие повышенной теплогенерации. Источники энергии — радиоактивный распад, импактные воздействия, ультрафиолетовое излучение, сейсмичность, приливные возмущения и др. В результате произошла дифференциация вещества первичной Земли и сформировались ядро, мантия и земная кора, близкая по составу к современной. Дифференциация вещества вызвала выделение газов и формирование первичных океанов и атмосферы. Первичная атмосфера отличалась от современной. Она имела восстановительный характер, в ее составе были гелий и вОдород, которые быстро улетучились, метан, пары воды, аммиак, СО, СО2. Свободный кислород отсутствовал. За счет высокой активности этих веществ, очевидно, образовывались полимеры, содержащие С, К, О и другие биофильные элементы, т.е. первые органические вещества возникали путем абиогенного синтеза. [c.104]

    Изменения всех нефтеносных пород происходят в системе минеральное вещество—органическое вещество-флюиды (включая нефть и газы). Вторичные преобразования отложений осадочных бассейнов носят неоднонаправленный характер. На волновой характер многих процессов в недрах, в том числе на чередование зон уплотнения и разуплотнения, обратил внимание Б.А. Соколов. В предложенной автоколебательной модели он связал все процессы с пульсационной дефлюидизацией пород при погружении. Основными факторами, которые следует учитывать при анализе нелинейных преобразований, являются формационно-генетические характеристики нефтегазоносных комплексов, слагающих осадочные бассейны. Разделы между комплексами [c.256]

    Существуют различные точки зрения на генезис палеозойских нефтей. В. С. Вышемирский, Н. П. Запивалов [10] считают, что все нефти из палеозойских отложений генетически связаны с породами палеозоя. А. Э. Конторович, О. Ф. Стасова [10] полагают, что имеется два типа нефтей, генетически связанных с органическим веществом нижнеюрских континентальных отложений тюменской свиты и с органическим веществом собственно палеозойских отложений. [c.29]

    Геохимическое значение изопреноидных, впрочем как и других алканов, заключается главным образом в определении генетических связей между нефтями, а также между нефтями и нефтематеринскими породами. Любая закономерность молекулярно-весового распределения разветвленных алканов может быть использована в генетических целях. Среди изопреноидных алканов наибольшую известность получило соотношение пристан/фитан [8]. После ряда споров и недоразумений в настоящее время достаточно однозначно установлено, что в нефтях, образованных из органического вещества морского происхождения, в восстановительной обстановке обычно преобладает фитан, в то время как в нефтях, образованных главным образом из органического вещества континентального происхождения, в окислительной фациальной обстановке образуется главным образом пристан [9]. Следует, однако, иметь в виду, что при слишком большом катагенезе рассеянного органического вещества, или керо- [c.25]

    Связь геопорфиринов с аминокислотными соединениями — особое направление в геохимии геопорфиринов, принципиальная важность которого состоит в том, что нефтяные порфин-пептидные фрагменты можно рассматривать как геоаналоги биологических ферментных систем и их изучение должно помочь решению некоторых узловых вопросов эволюционной химии. В нефти эти соединения могут осуществлять также роль активных химических факторов преобразования органического вещества. Кроме того, присутствие в гидрофобных по своей основе нефтяных смесях соединений, содержащих аминокислоты, заслуживает детального изучения с генетических позиций. [c.360]

    Деменкова П. Я-, Захаренкова Л. Н. Порфирины нефтей и битуминозных компонентов органического вещества пород как показатель генетической связи. — В кн. Геохимия рассеянного органического вещества, 1971, т 2, вып. 294, с. 201—204. [c.443]

    Т. А. Ботнева (1967 г.), анализируя большой аналитический материал по нефтям Западного Предкавказья, также делает предположение, что различия в химическом составе выделенных ею пяти типов нефтей являются генетическими, т. е. связаны с определенным характером органического вещества нефтематеринских пород и условиями преобразования, которые для каждой нефтепроизводящей толщи имели свои специфические особенности, что и послужило причиной образования разных по составу нефтей .[c.160]

    За истекшие десятилетия геолого-геохимические исследования на природных объектах получили широкое распространение в различных странах. Накоплен обширный фактический материал в области характеристики углеводородного состава нефтей и рассеянных в осадочных породах битуминозных образований, изучения присутствуюших в нефтях и битумах генетически характерных и реликтовых образований, убедительно подтверждающих представление об органической природе нефти, изучения закономерностей изменения углеводородного состава и свойств нефтей и рассеянных битуминозных образований в связи с литолого-фациальными, стратиграфическими, тектоническими,термодинамическими и прочими условиями размещения их в недрах. Ежегодно объем информации об итогах исследований, имеющих то или иное отношение к проблемам происхождения нефти и диагностики нефтематеринских отложений, пополняется сотнями публикаций на многих языках из различных областей знаний. В результате этих исследований значительно возросли наши знания о нефти и взаимосвязи ее с окружающими условиями. Накоплены многочисленные дополнительные сведения о прямом генетическом родстве нефтей с рассеянными в осадочных породах органическими веществами и Т.Д. Но проблема происхождения нефти и диагностики нефтематеринских пород остается по-прежнему дискуссионной. На протяжении последних 25 лет практике поисков нефти вновь, как в 1875—1900 гг., представляется выбор научных основ для нефтепоисковых работ среди противоборствующих на этот раз представлений об органической и неорганической природе Нефти. [c.7]

    Многие исследователи представляют сочетание многочисленных составляющих нефть соединений как сложную физическую смесь, в которой различные компоненты могут быть в случайных -соотношениях, не обусловленных внутренними генетическими связями (А.Д. Архангельский [1927], И.М. Губкин [1932] и многие другие, включая автора этих строк). Такого рода представления находятся в соответствии с геологически обоснованными данными об интеграционном характере вещества нефтей. Нефть формируется за счет углеводородов, генерируемых органическим веществом, рассеянным в нефтематеринских породах на площадях, многократно превышающих площадь или объем пород, вмещающих залежь нефти. В результате предполагаемого дренирования нефтематеринских пород отжимаемыми из них водами или проходящими через них газами рассеянные в этих породах углеводороды переносятся или мигрируют в породы-коллекторы, где освобождаются от носителя и аккумулирзаотся, образуя залежи нефти. При этом условия, механизмы пути, время начала, продолжительность, признаки проявления предполагаемой миграции до последнего времени остаются дискуссионными, [c.11]


ГЕНЕТИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ МЕЖДУ КЛАССАМИ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ (В РАМКАХ ПОДГОТОВКИ К ЕГЭ) | Материал для подготовки к ЕГЭ (ГИА) по химии (11 класс):

Зачетная работа по теме «Генетическая связь между классами органических веществ»

1. В заданной схеме превращений

C6H6 C6H5−Ch4  C6H5−Ch3Cl

веществами Х и Y соответственно являются

  

1) 

HCl

2) 

Cl2 (AlCl3)

3) 

Cl2 (свет)

4) 

Ch4Cl

5) 

Ch4OH

Запишите в таблицу номера выбранных веществ.

2. В заданной схеме превращений

C6H6   X Y

веществами Х и Y соответственно являются

  

1) 

хлорбензол

2) 

бензойная кислота

3) 

фенол

4) 

толуол

5) 

фенолят калия

Запишите в таблицу номера выбранных веществ.

3. В заданной схеме превращений

C2h5 → X  Y → Ch4COOH

веществами Х и Y соответственно являются

  

1) 

хлорэтан

2) 

уксусный альдегид

3) 

этанол

4) 

1,2-дибромэтан

5) 

этандиол-1,2

Запишите в таблицу номера выбранных веществ.

4. В заданной схеме превращений

СН2=СН2 → Х → CH≡CH Y

 веществами Х и Y соответственно являются

  

1) 

бромэтан

2) 

этанол

3) 

этановая кислота

4) 

1,2-дибромэтан

5) 

этаналь

Запишите в таблицу номера выбранных веществ.

5. В заданной схеме превращений

метан → X → уксусный альдегид  Y

 веществами Х и Y соответственно являются

  

1) 

этилен

2) 

этиленгликоль

3) 

хлорэтан

4) 

ацетилен

5) 

этановая кислота

Запишите в таблицу номера выбранных веществ.

6. В заданной схеме превращений

Сh4−Ch3−Cl Х Y →−

веществами Х и Y соответственно являются

  

1) 

диэтиловый эфир

2) 

этан

3) 

этилен

4) 

этандиол-1,2

5) 

этанол

Запишите в таблицу номера выбранных веществ.

7. В заданной схеме превращений

Ch4-Ch4 → X → Ch4-Ch3-Ch3-Ch4  Y

веществами Х и Y соответственно являются

  

1) 

бромэтан

2) 

этилен

3) 

ацетилен

4) 

хлорциклобутан

5) 

метилпропан

Запишите в таблицу номера выбранных веществ.

8. В заданной схеме превращений

C6H6  C6H5−СН2Ch4  C6H5−COOH

веществами Х и Y соответственно являются

  

1) 

C2H6

2) 

C2h5

3) 

KMnO4 (H+)

4) 

KMnO4 (h3O)

5) 

HCOOH

Запишите в таблицу номера выбранных веществ.

9. В заданной схеме превращений

C6H6  C6H6NO2  C6H5Nh3

веществами Х и Y соответственно являются

1)

HNO2

2)

HNO3

3)

NН3

4)

h3

5)

h3O

Запишите в таблицу номера выбранных веществ.

10. В схеме превращений

Ch4COONa  X  Y

веществами Х и Y соответственно являются

1)

C2H5Cl

2)

СН3СОOH

3)

СН3ОН

4)

СН3СОOC2H5

5)

СН3OC2H5

Запишите в таблицу номера выбранных веществ.

классов органических соединений | Безграничная химия

Органические молекулы и функциональные группы

Функциональные группы — это группы молекул, присоединенные к органическим молекулам и придающие им определенные свойства или функции.

Цели обучения

Опишите важность функциональных групп для органических молекул

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Функциональные группы — это совокупности атомов, которые прикрепляют углеродный скелет органической молекулы и придают определенные свойства.
  • Каждый тип органической молекулы имеет свой особый тип функциональной группы.
  • Функциональные группы в биологических молекулах играют важную роль в образовании таких молекул, как ДНК, белки, углеводы и липиды.
  • Функциональные группы включают: гидроксил, метил, карбонил, карбоксил, амино, фосфат и сульфгидрил.
Ключевые термины
  • гидрофобный : не имеет сродства к воде; не может впитаться или намокать водой
  • гидрофильный : имеет сродство к воде; может впитывать или намокать водой

Расположение функциональных групп

Функциональные группы — это группы атомов, которые встречаются в органических молекулах и придают этим молекулам определенные химические свойства.Когда показаны функциональные группы, органическая молекула иногда обозначается как «R». Функциональные группы находятся вдоль «углеродной основы» макромолекул, которая образована цепями и / или кольцами атомов углерода с периодическим замещением таким элементом, как азот или кислород. Молекулы с другими элементами в углеродной основе являются замещенными углеводородами. Каждый из четырех типов макромолекул — белков, липидов, углеводов и нуклеиновых кислот — имеет свой собственный характерный набор функциональных групп, который в значительной степени способствует его различным химическим свойствам и его функциям в живых организмах.

Свойства функциональных групп

Функциональная группа может участвовать в определенных химических реакциях. Некоторые из важных функциональных групп в биологических молекулах включают: гидроксильные, метильные, карбонильные, карбоксильные, амино, фосфатные и сульфгидрильные группы. Эти группы играют важную роль в образовании таких молекул, как ДНК, белки, углеводы и липиды.

Классификация функциональных групп

Функциональные группы обычно классифицируются как гидрофобные или гидрофильные в зависимости от их заряда или полярности.Примером гидрофобной группы является неполярная молекула метана. Среди гидрофильных функциональных групп есть карбоксильная группа, содержащаяся в аминокислотах, некоторых боковых цепях аминокислот и головках жирных кислот, которые образуют триглицериды и фосфолипиды. Эта карбоксильная группа ионизируется, высвобождая ионы водорода (H + ) из группы COOH, что приводит к образованию отрицательно заряженной группы COO ; это способствует гидрофильности любой молекулы, на которой он находится. Другие функциональные группы, такие как карбонильная группа, имеют частично отрицательно заряженный атом кислорода, который может образовывать водородные связи с молекулами воды, снова делая молекулу более гидрофильной.

Примеры функциональных групп : Показанные здесь функциональные группы встречаются во многих различных биологических молекулах, где «R» — это органическая молекула.

Водородные связи между функциональными группами

Водородные связи между функциональными группами (внутри одной и той же молекулы или между разными молекулами) важны для функции многих макромолекул и помогают им правильно складываться и сохранять соответствующую форму, необходимую для правильного функционирования. Водородные связи также участвуют в различных процессах распознавания, таких как спаривание комплементарных оснований ДНК и связывание фермента с его субстратом.

Водородные связи в ДНК : Водородные связи соединяют две нити ДНК вместе, создавая структуру двойной спирали.

Химическая основа жизни

Углерод — самый важный элемент для живых существ, потому что он может образовывать множество различных видов связей и образовывать важные соединения.

Цели обучения

Объясните свойства углерода, которые позволяют ему служить строительным блоком для биомолекул

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Все живые существа содержат углерод в той или иной форме.
  • Углерод является основным компонентом макромолекул, включая белки, липиды, нуклеиновые кислоты и углеводы.
  • Молекулярная структура

  • Углерод позволяет ему связываться множеством различных способов и со множеством различных элементов. ВНИМАНИЕ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
  • Углеродный цикл показывает, как углерод перемещается через живые и неживые части окружающей среды.
Ключевые термины
  • правило октетов : Правило, согласно которому атомы теряют, приобретают или делятся электронами, чтобы иметь полную валентную оболочку из 8 электронов (есть некоторые исключения).
  • углеродный цикл : физический цикл углерода в биосфере, геосфере, гидросфере и атмосфере Земли; включает такие процессы, как фотосинтез, разложение, дыхание и карбонизация
  • макромолекула : очень большая молекула, особенно используемая в отношении крупных биологических полимеров (например, нуклеиновых кислот и белков)

Углерод — четвертый по распространенности элемент во Вселенной и строительный блок жизни на Земле.На Земле углерод циркулирует по суше, океану и атмосфере, создавая так называемый углеродный цикл. Этот глобальный углеродный цикл можно разделить на два отдельных цикла: геологические углеродные циклы протекают в течение миллионов лет, а биологический или физический углеродный цикл — от дней до тысяч лет. В неживой окружающей среде углерод может существовать в виде двуокиси углерода (CO 2 ), карбонатных пород, угля, нефти, природного газа и мертвого органического вещества.Растения и водоросли превращают углекислый газ в органическое вещество в процессе фотосинтеза, энергии света.

Углерод присутствует во всем живом. : Все живые существа содержат углерод в той или иной форме, и углерод является основным компонентом макромолекул, включая белки, липиды, нуклеиновые кислоты и углеводы. В этом листе углерод присутствует во многих формах, в том числе в целлюлозе, формирующей структуру листа, и в хлорофилле, пигменте, который делает лист зеленым.

Углерод важен для жизни

В процессе метаболизма пищи и дыхания животное потребляет глюкозу (C 6 H 12 O 6 ), которая соединяется с кислородом (O 2 ) с образованием диоксида углерода (CO 2 ), воды (H 2 O) и энергия, которая выделяется в виде тепла.Животное не нуждается в углекислом газе и выбрасывает его в атмосферу. С другой стороны, растение использует реакцию, противоположную реакции животного, посредством фотосинтеза. Он потребляет углекислый газ, воду и энергию солнечного света для производства собственной глюкозы и газообразного кислорода. Глюкоза используется для получения химической энергии, которую растение метаболизирует аналогично животному. Затем растение выбрасывает оставшийся кислород в окружающую среду.

Клетки состоят из множества сложных молекул, называемых макромолекулами, которые включают белки, нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК), углеводы и липиды.Макромолекулы — это подмножество органических молекул (любой углеродсодержащей жидкости, твердого вещества или газа), которые особенно важны для жизни. Основным компонентом всех этих макромолекул является углерод. Атом углерода обладает уникальными свойствами, которые позволяют ему образовывать ковалентные связи с четырьмя различными атомами, что делает этот универсальный элемент идеальным для использования в качестве основного структурного компонента или «скелета» макромолекул.

Структура углерода

Отдельные атомы углерода имеют неполную внешнюю электронную оболочку.С атомным номером 6 (шесть электронов и шесть протонов) первые два электрона заполняют внутреннюю оболочку, оставляя четыре во второй оболочке. Следовательно, атомы углерода могут образовывать четыре ковалентные связи с другими атомами, чтобы удовлетворить правилу октетов. Например, молекула метана имеет химическую формулу CH 4 . Каждый из четырех его атомов водорода образует одну ковалентную связь с атомом углерода, разделяя пару электронов. Это приводит к заполнению самой внешней оболочки.

Структура метана : Метан имеет тетраэдрическую геометрию, в которой каждый из четырех атомов водорода расположен на расстоянии 109.5 ° друг от друга.

Генетический алгоритм прогнозирования структуры и свойств молекулярных агрегатов в органических веществах

  • 1.

    Ю. Наберухин И., Лучников В. А., Маленков Г. Г., Желиговская Е. А. , Ж. Strukt. Хим. , 38, , № 4, 723-732 (1997).

    Google Scholar

  • 2.

    П. М. Зоркий, Е. В. Соколов, Г. Г. Маленков, Л. В. Ланшина, Ж. Физ. Хим. , 74 , №11, 1951–1956 (2000).

    Google Scholar

  • 3.

    Н. К. Экдави-Север, П. Б. Конрад и Дж. Дж. Де Пабло, J. Phys. Chem. А , 105 , № 4, 734-742 (2001).

    Google Scholar

  • 4.

    С. Киркпатрик, К. Д. Гелатт и М. П. Веччи, Science , 220 , 671 (1983).

    Google Scholar

  • 5.

    D. J. Wales и M. P. Hodges, Chem. Phys. Lett. , 286 , 65-72 (1998).

    Google Scholar

  • 6.

    C. R. Zacharias, M. R. Lemes и A. Dal Pino, Jr., J. Mol. Struct. ( Theochem ), 430 , 29-39 (1998).

    Google Scholar

  • 7.

    М. Кезер, С. И. Ступп, Comput. Chem. , 22, , 345-351 (1998).

    Google Scholar

  • 8.

    Н. Л. Аллинджер, Ф. Ли и Л. Ян, J. Comput. Chem. , 11, , 848-867 (1990).

    Google Scholar

  • 9.

    Н. Л. Аллинджер, Ф. Ли, Л. Ян и Дж. К. Тай, там же, стр. 868-895.

  • 10.

    J.-H. Lii и N. L. Allinger, J. Comput. Chem. , 19, , 1001-1016 (1998).

    Google Scholar

  • 11.

    Потемкин В.А., Барташевич Е.В., Белик А.В., Ж. Физ. Хим. , 72, , № 4, 650-656 (1998).

    Google Scholar

  • 12.

    Потемкин В.А., Барташевич Е.В., Белик А.В., Ж. Физ. Хим. , 70 , № 3, 448-452 (1996).

    Google Scholar

  • 13.

    Гринева О.В., Зоркий П.М., Журн. Физ. Хим., 72, , № 4, 714-720 (1998).

    Google Scholar

  • 14.

    Гринева О.В., Зоркий П.М., Ж. Физ. Хим. , 74 , № 11, 1937-1943 (2000).

    Google Scholar

  • 15.

    Б.П. Никольский (ред.), Справочник по химии , Вып. 2, Химия, Ленинград (1964), с. 398-1153.

    Google Scholar

  • 16.

    (ред. А.А. Потехина), Свойства органических соединений, , Химия, Ленинград (1984).

    Google Scholar

  • 17.

    В.А. Рабинович, З.Я. Хавин, Краткий справочник по химии , Химия, Ленинград (1978).

    Google Scholar

  • Ученые открывают новые органические соединения, которые могли бы помочь сформировать первые клетки — ScienceDaily

    Химики, изучающие зарождение жизни, часто сосредотачиваются на том, какой вклад внесли современные биополимеры, такие как пептиды и нуклеиновые кислоты, но современные биополимеры нелегко образуются без помощи живые организмы.Возможное решение этого парадокса состоит в том, что жизнь начала использовать различные компоненты, и многие небиологические химические вещества, вероятно, были в изобилии в окружающей среде. Новое исследование, проведенное международной группой химиков из Института наук о Земле и жизни (ELSI) при Токийском технологическом институте и других институтов из Малайзии, Чешской Республики, США и Индии, показало, что разнообразный набор таких соединений легко образуют полимеры в примитивных условиях окружающей среды, а некоторые даже спонтанно образуют клеточно-подобные структуры.

    Понимание того, как зародилась жизнь на Земле, — один из самых сложных вопросов, который пытается объяснить современная наука. В настоящее время ученые изучают современные организмы и пытаются понять, какие аспекты их биохимии являются универсальными и, следовательно, вероятно, присутствовали в организмах, от которых они произошли. Лучшее предположение состоит в том, что жизнь процветала на Земле в течение как минимум 3,5 миллиардов из 4,5 миллиардов лет истории Земли с момента образования планеты, и большинство ученых сказали бы, что жизнь, вероятно, началась до того, как появятся веские доказательства ее существования.Проблема в том, что, поскольку поверхность Земли динамична, самые ранние следы жизни на Земле не сохранились в геологической летописи. Однако самые ранние свидетельства существования жизни на Земле мало что говорят нам о том, из чего были сделаны самые ранние организмы или что происходило внутри их клеток. «Очевидно, что из химии пребиотиков еще многое предстоит узнать о том, как могла возникнуть жизнь», — говорит соавтор исследования Джим Кливз.

    Отличительной чертой жизни является эволюция, и механизмы эволюции предполагают, что общие черты могут быть внезапно заменены редкими и новыми мутациями, которые позволяют мутантным организмам лучше выживать и размножаться, часто очень быстро заменяя ранее обычные организмы.Палеонтологические, экологические и лабораторные данные свидетельствуют о том, что это происходит часто и быстро. Одним из примеров является инвазивный организм, такой как одуванчик, который был завезен в Америку из Европы и теперь является сорняком, заставляющим озабоченных лужайками домовладельцев тратить бесчисленные часы усилий и долларов на уничтожение. Другой менее причудливый пример — COVID-19, вирус (технически не живой, но технически организм), который, вероятно, был ограничен небольшой популяцией летучих мышей в течение многих лет, но внезапно распространился среди людей по всему миру.Организмы, которые размножаются быстрее, чем их конкуренты, даже ненамного быстрее, быстро отправляют своих конкурентов в то, что Лев Троцкий назвал «свалкой истории». Поскольку большинство организмов, которые когда-либо существовали, вымерли, соавтор Тони З. Джиа предполагает, что «чтобы понять, как возникла современная биология, важно изучить правдоподобные небиологические химические процессы или структуры, которые в настоящее время не присутствуют в современной биологии, которые потенциально исчезли как жизнь усложнилась «.

    Эта идея эволюционного замещения доводится до крайности, когда ученые пытаются понять происхождение жизни.У всех современных организмов есть несколько общих черт: вся жизнь клеточная, жизнь использует ДНК в качестве молекулы для хранения информации и использует ДНК для создания рибонуклеиновой РНК в качестве промежуточного способа производства белков. Белки выполняют большую часть катализа в современной биохимии, и они созданы с использованием почти универсального «кода» для их создания из РНК. Как появился этот код, само по себе загадочно, но эти глубокие вопросы указывают на то, что они, возможно, были очень темным периодом ранней биологической эволюции ~ 4 миллиарда лет назад, в течение которого почти не присутствовали молекулярные особенности, наблюдаемые в современной биохимии, и немногие из присутствовавших, если хоть какие-то, были перенесены вперед.

    Белки представляют собой линейные полимеры аминокислот. Эти гибкие цепочки полимеризованных аминокислот складываются в уникальные трехмерные формы, образуя чрезвычайно эффективные катализаторы, которые способствуют точным химическим реакциям. В принципе, многие типы полимеризованных молекул могут образовывать похожие цепочки и складываться, образуя аналогичные каталитические формы, и химики-синтетики уже обнаружили множество примеров. «Смысл такого рода исследований заключается в обнаружении функциональных полимеров в предположительно пребиотических системах без помощи биологии, включая аспирантов», — говорит соавтор Ирена Мамаджанова.

    Ученые нашли множество способов создания биологических органических соединений без вмешательства биологии, и эти механизмы помогают объяснить присутствие этих соединений в образцах, таких как углеродистые метеориты, которые являются реликтами ранней солнечной системы и которые, по мнению ученых, никогда не размещались. жизнь. Эти образцы примордиальных метеоритов также содержат много других типов молекул, которые могли образовывать сложные свернутые полимеры, такие как белки, которые могли бы помочь управлять примитивной химией.Белки в силу их сворачивания и катализа опосредуют большую часть сложной биохимической эволюции, наблюдаемой в живых системах. Команда ELSI рассудила, что альтернативные полимеры могли помочь этому случиться до того, как появилось кодирование между ДНК и белком. «Возможно, мы не сможем реконструировать происхождение жизни; возможно, более продуктивно будет попытаться построить ее с нуля и не обязательно с использованием современных биомолекул. На первобытной Земле существовали большие резервуары небиологических химикатов.То, как они помогли в формировании «жизни, как мы знаем», — вот что нас интересует », — говорит соавтор Кухан Чандру.

    Команда ELSI сделала кое-что простое, но глубокое: они взяли большой набор структурно разнородных небольших органических молекул, которые, вероятно, могли быть образованы пребиотическими процессами, и попытались увидеть, могут ли они образовывать полимеры при испарении из разбавленного раствора. К своему удивлению, они обнаружили, что многие из примитивных соединений могут, хотя они также обнаружили, что некоторые из них быстро разлагаются.Этот простой критерий, может ли соединение быть высушенным без разложения, возможно, был одним из первых факторов эволюционного давления отбора первичных молекул.

    Команда провела еще один простой тест. Они взяли эти высушенные реакции, добавили воды и посмотрели на них под микроскопом. К их удивлению, некоторые из продуктов этой реакции образовали компартменты размером с клетку. Эти простые исходные материалы, содержащие от 10 до 20 атомов, могут быть преобразованы в самоорганизованные клеточно-подобные агрегаты, содержащие миллионы атомов, дает поразительное понимание того, как простая химия могла привести к сложной химии, граничащей со сложностью, связанной с живыми системами, но не с использованием современных биохимических препаратов.

    «Мы не тестировали все возможные соединения, но мы протестировали множество возможных соединений. Разнообразие химического поведения, которое мы обнаружили, было удивительным и предполагает, что такое поведение от небольших молекул до функциональных агрегатов является общей чертой органической химии. , что может сделать происхождение жизни более распространенным явлением, чем считалось ранее », — заключает соавтор Нираджа Бапат.

    биохимия | Определение, история, примеры, значение и факты

    Историческая справка

    Особенно важные прошлые события в биохимии были связаны с тем, чтобы поставить биологические явления на прочную химическую основу.

    Однако прежде чем химия смогла внести достойный вклад в медицину и сельское хозяйство, ей пришлось освободиться от непосредственных практических требований, чтобы стать чистой наукой. Это произошло в период с 1650 по 1780 год, начиная с работ Роберта Бойля и заканчивая работами Антуана-Лорана Лавуазье, отца современной химии. Бойль подверг сомнению основы химической теории своего времени и учил, что надлежащей задачей химии было определение состава веществ.Его современник Джон Мэйоу наблюдал фундаментальную аналогию между дыханием животного и сжиганием или окислением органических веществ в воздухе. Затем, когда Лавуазье провел свои фундаментальные исследования химического окисления, понимая истинную природу этого процесса, он также количественно показал сходство между химическим окислением и респираторным процессом. Фотосинтез был еще одним биологическим явлением, которое привлекло внимание химиков конца 18 века. Демонстрация совместной работы Джозефа Пристли, Яна Ингенхауса и Жана Сенебьера того, что фотосинтез, по сути, является обратным дыханию, стала важной вехой в развитии биохимической мысли.

    Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
    Подпишитесь сейчас

    Несмотря на эти ранние фундаментальные открытия, быстрый прогресс в биохимии должен был зависеть от развития структурной органической химии, одного из величайших достижений науки XIX века. В живом организме содержится много тысяч различных химических соединений. Выяснение химических превращений, которым эти соединения подвергаются в живой клетке, является центральной проблемой биохимии.Очевидно, что определение молекулярной структуры органических веществ, присутствующих в живых клетках, должно было предшествовать изучению клеточных механизмов, посредством которых эти вещества синтезируются и разлагаются.

    В науке мало четких границ, и границы между органической и физической химией, с одной стороны, и биохимией, с другой, всегда сильно пересекаются. Биохимия заимствовала методы и теории органической и физической химии и применила их к физиологическим проблемам.Прогрессу на этом пути сначала препятствовало упорное заблуждение в научном мышлении — ошибка предположения, что преобразования, которым подвергается материя в живом организме, не подчиняются химическим и физическим законам, применимым к неодушевленным веществам, и что, следовательно, эти «жизненно важные «Явления нельзя было описать обычными химическими или физическими терминами. Такую позицию заняли виталисты, которые утверждали, что натуральные продукты, образованные живыми организмами, никогда не могут быть синтезированы обычными химическими средствами.Первый лабораторный синтез органического соединения, мочевины, осуществленный Фридрихом Велером в 1828 году, был ударом для виталистов, но не решающим. Они отступили к новым линиям защиты, утверждая, что мочевина — это всего лишь выделительное вещество — продукт распада, а не синтеза. Успех химиков-органиков в синтезе многих натуральных продуктов заставил виталистов еще больше отступить. В современной биохимии аксиомой является то, что химические законы, применимые к неодушевленным материалам, одинаково справедливы и в живой клетке.

    В то время как прогрессу препятствовало неуместное почтение к живым явлениям, практические потребности человека стимулировали прогресс новой науки. По мере того как в XIX веке органическая и физическая химия создавала внушительный корпус теории, потребности врача, фармацевта и земледельца давали постоянный стимул к применению новых открытий химии для решения различных насущных практических проблем.

    Два выдающихся деятеля XIX века, Юстус фон Либих и Луи Пастер, особенно ответственно за демонстрацию успешного применения химии в изучении биологии.Либих изучал химию в Париже и привез в Германию вдохновение, полученное от общения с бывшими учениками и коллегами Лавуазье. Он основал в Гиссене прекрасную учебную и исследовательскую лабораторию, одну из первых в своем роде, которая привлекала студентов со всей Европы.

    Помимо прочного обоснования изучения органической химии, Либих вел обширную литературную деятельность, привлекая внимание всех ученых к органической химии и популяризируя ее среди обычных людей.Его классические произведения, опубликованные в 1840-х годах, оказали глубокое влияние на современную мысль. Либих описал великие химические циклы в природе. Он указал, что животные исчезли бы с лица Земли, если бы не фотосинтезирующие растения, поскольку животным для своего питания необходимы сложные органические соединения, которые могут синтезироваться только растениями. Выделения животных и тело животного после смерти также превращаются в процессе разложения в простые продукты, которые могут повторно использоваться только растениями.

    В отличие от животных, зеленым растениям для роста необходимы только углекислый газ, вода, минеральные соли и солнечный свет. Минералы должны быть получены из почвы, а плодородие почвы зависит от ее способности снабжать растения этими необходимыми питательными веществами. Но почва истощается из-за удаления следующих друг за другом культур; отсюда и потребность в удобрениях. Либих указал, что химический анализ растений может служить руководством для определения веществ, которые должны присутствовать в удобрениях.Так родилась агрохимия как прикладная наука.

    В своем анализе брожения, гниения и инфекционных заболеваний Либиху повезло меньше. Он признал сходство этих явлений, но отказался признать, что живые организмы могут действовать как возбудители. Пастеру оставалось прояснить этот вопрос. В 1860-х годах Пастер доказал, что различные дрожжи и бактерии ответственны за «ферменты», вещества, вызывающие брожение, а в некоторых случаях и болезни.Он также продемонстрировал полезность химических методов при изучении этих крошечных организмов и был основателем того, что стало называться бактериологией.

    Позже, в 1877 году, ферменты Пастера были названы ферментами, а в 1897 году немецкий химик Э. Бюхнер ясно показал, что ферментация может происходить в дрожжевом соке, лишенном живых клеток. Таким образом, с помощью анализа жизненный процесс клеток был сведен к неживой системе ферментов. Химическая природа ферментов оставалась неясной до 1926 года, когда был выделен первый чистый кристаллический фермент (уреаза).Этот фермент и многие другие, выделенные впоследствии, оказались белками, которые уже были признаны высокомолекулярными цепями субъединиц, называемых аминокислотами.

    Тайна того, как небольшое количество пищевых веществ, известных как витамины, предотвращает такие заболевания, как бери-бери, цинга и пеллагра, стала ясна в 1935 году, когда было обнаружено, что рибофлавин (витамин B 2 ) является неотъемлемой частью фермента. Последующая работа подтвердила концепцию, согласно которой многие витамины необходимы в химических реакциях клетки в силу их роли в ферментах.

    В 1929 году из мышц было выделено вещество аденозинтрифосфат (АТФ). Последующие работы показали, что производство АТФ связано с дыхательными (окислительными) процессами в клетке. В 1940 году Ф.А.Липманн предположил, что АТФ является общей формой обмена энергией во многих клетках, и эта концепция теперь тщательно задокументирована. Было показано, что АТФ также является основным источником энергии для мышечного сокращения.

    Использование радиоактивных изотопов химических элементов для отслеживания движения веществ в организме животных было начато в 1935 году двумя У.С. Химики, Р. Шёнхаймер и Д. Риттенберг. Этот метод предоставил один из наиболее важных инструментов для исследования сложных химических изменений, происходящих в жизненных процессах. Примерно в то же время другие исследователи локализовали места метаболических реакций с помощью гениальных технических достижений в изучении органов, срезов тканей, смесей клеток, отдельных клеток и, наконец, отдельных компонентов клеток, таких как ядра, митохондрии, рибосомы, лизосомы. , и мембраны.

    В 1869 году из ядер гнойных клеток было выделено вещество, получившее название нуклеиновой кислоты, которая позже оказалась дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК), но только в 1944 году значение ДНК как генетического материала было раскрыто, когда бактериальные Было показано, что ДНК изменяет генетический материал других бактериальных клеток.В течение десятилетия после этого открытия Уотсон и Крик предложили структуру двойной спирали ДНК, что обеспечило прочную основу для понимания того, как ДНК участвует в делении клеток и в поддержании генетических характеристик.

    С тех пор продолжались успехи, включая такие знаменательные события, как первый химический синтез белка, подробное картирование расположения атомов в некоторых ферментах и ​​выяснение сложных механизмов регуляции метаболизма, включая молекулярное действие гормонов. .

    Органические соединения устраняют патогены, вызывающие болезни: USDA ARS

    Архивная страница

    Эта страница заархивирована и предоставляется только для справки. Страница больше не обновляется, поэтому ссылки на странице могут быть недействительными.

    Органические соединения устраняют патогены, вызывающие заболевания

    Сандра Авант
    28 июня 2012 г.

    Натуральные соединения могут стать в будущем альтернативой определенным антибиотикам для лечения молодых животных, восприимчивых к бактериальным инфекциям, благодаря работе U.S. Ученые Министерства сельского хозяйства США.

    Исследователи из отдела исследований безопасности пищевых продуктов и кормов Службы сельскохозяйственных исследований (ARS) в Колледж-Стейшн, штат Техас, изобрели новый метод, который включает использование хлората (натрия или соли) и нитросоединений для значительного уменьшения или устранения кишечных бактериальных патогенов у животных. такие как поросята и телята. Нитросоединения — это органические вещества, которые содержат одну или несколько нитрогрупп, состоящих из трех атомов — одного азота и двух атомов кислорода, которые действуют как один.

    ARS является главным внутренним научно-исследовательским агентством Министерства сельского хозяйства США.

    Хлорат и нитросоединения доказали свою эффективность против патогенов пищевого происхождения Salmonella и Escherichia coli O157: H7. Одна только сальмонелла ежегодно вызывает более 1,3 миллиона случаев заболеваний пищевого происхождения у людей, что обходится в 2,4 миллиарда долларов. Salmonella и некоторые штаммы E. coli также наносят значительный ущерб свиноводству и животноводству из-за кишечных или кишечных заболеваний новорожденных.

    Микробиолог Робин Андерсон и его коллеги из отделения Колледж-Стейшн продемонстрировали эффективность соединения на основе хлората в более ранних исследованиях, смешивая его с водой или кормом и давая скоту. Соединение, которое было высокоэффективным в уменьшении количества бактерий E. coli . , имеет лицензию частной компании. Хлорат также уменьшил количество сальмонелл у индеек и цыплят-бройлеров.

    Кроме того, ученые рассмотрели возможность использования определенных нитросоединений в качестве метода борьбы с пищевыми бактериями.Бактерии Salmonella или E. coli обрабатывали хлоратом или без него, а также с нитросоединениями или без них. Было обнаружено, что хлорат обладает значительной бактериальной активностью против E. coli и Salmonella . Однако хлорат не был одобрен для коммерческого использования в пищевых продуктах Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США. Когда добавляли нитросоединение, активность повышалась от 10 до 100 раз. Сами по себе нитросоединения обладали значительной активностью по уничтожению бактерий, которая была более стойкой, чем у хлората.

    Андерсон и его команда пришли к выводу, что нитро- и хлоратные соединения вместе являются лучшим лечением — комбинацией, которая может предложить альтернативу определенным антибиотикам, которые обычно используются для лечения диарейных инфекций у молодых животных.

    Подробнее об этом исследовании читайте в выпуске журнала Agricultural Research за май / июнь 2012 года.

    уроков разнообразия и эволюции эукариот

    Дэвид В.Deamer

    Из Эволюция: исследование свидетельств , Специальное издание Палеонтологического общества
    Публикация, том 9, 1999 г. С разрешения Палеонтологического общества.

    Введение
    Фильмы — это мифы западной культуры конца ХХ века. Из-за того, что такие фильмы, как ET , могут захватывать наше воображение, мы с большей вероятностью, чем предыдущие поколения, признаем возможность существования жизни где-то еще в нашей галактике.Такой миф можно использовать для обрисовки основных тем этой главы, касающихся происхождения жизни на Земле.

    Представьте себе, что 4 миллиарда лет назад разумные существа эволюционировали на планете, похожей на Землю, в солнечной системе от соседней звезды. После десяти миллионов лет эволюции они решили проблемы межзвездных путешествий и старения. Практически бессмертные семейные группы отправились исследовать галактику и почти сразу же обнаружили солнечную систему, связанную с ближайшей звездой, всего в 80 световых годах от их родной планеты.Они обнаружили, что третья планета богата основными элементами жизни — углеродом, водородом, кислородом и азотом, — которые присутствуют в атмосфере в виде углекислого газа (CO 2 ), молекулярного азота (N 2 ). и водяной пар (H 2 O). Они решают потратить несколько столетий на изучение этой планеты, которую они считают возможной моделью своего собственного первозданного мира, поскольку это было четыре миллиарда лет в их прошлом.

    Они узнают, что планета набрала большую часть своей массы в результате процесса, называемого аккрецией, при котором гравитационное притяжение заставляет частицы пыли сначала собираться в маленькие планетезимали размером с астероид, которые затем подвергаются колоссальным энергетическим столкновениям, образуя все более крупные планетные тела.В небе вырисовывается единственная луна — результат одного такого столкновения на заключительной стадии аккреции. Планета и ее луна расплавились после столкновения, достигнув температуры вулканической лавы, которая разложила все органические соединения, оставив только их элементы в виде летучих газов. Дополнительное количество углекислого газа и водяного пара продолжало поступать в атмосферу через вулканы, что позволяло выделять газ из недр планеты. Планетарные и лунные коры вскоре остыли, излучая тепло в космическое пространство, так что затвердевшая поверхность Луны начала сохранять накапливающиеся записи ударов за несколько сотен миллионов лет, которые последовали за событием столкновения с формированием луны.

    Теперь глобальная температура упала до такой степени, что вода сконденсировалась в огромные мелкие океаны, которые практически покрывают поверхность планеты, с островами лавы и пемзы, поднимающимися из подводных вулканических регионов. Из-за очень высокого атмосферного давления углекислого газа температура океанов все еще намного выше точки кипения воды на их родной планете. Планета лишена жизни, стерилизована тепловой энергией, высвободившейся в результате первоначального столкновения и последующих гигантских ударов.Но столкновения в основном прекратились, и температура продолжает падать до точки, при которой соединения органического углерода остаются стабильными в течение нескольких дней, лет, затем десятилетий. Некоторые из этих соединений непрерывно синтезируются на поверхности планеты посредством различных химических реакций, часто с использованием света в качестве источника энергии, в то время как другие доставляются в результате падения микроскопических частиц пыли, которые все еще добавляют последние несколько километров к диаметру планеты. В результате органические вещества начинают накапливаться в мелководных морях, а затем становятся более концентрированными за счет испарения приливных бассейнов и адсорбции на минеральные поверхности в подводных геотермальных регионах.Посетители берут образцы пенистого материала в водоемах и исследуют его в свои мощные микроскопы. Нет ничего живого, но они с удивлением обнаруживают, что некоторые из органических соединений спонтанно агрегированы в различные структуры, включая длинные молекулы, называемые полимерами, и микроскопические пузырьки. Что это могло значить?

    Посетители улетают со скоростью, превышающей скорость света, чтобы посетить другие звезды и солнечные системы, но возвращаются через несколько сотен миллионов лет, чтобы увидеть, что происходит на третьей планете.(Поскольку они могут путешествовать со сверхсветовой скоростью, во времени корабля прошло всего несколько лет.) На этот раз они с удивлением обнаруживают, что произошло нечто замечательное. Вместо стерильной среды моря теперь кишат микробной жизнью, которая уже начала изменять поверхность и атмосферу планеты. Кометы и метеориты все еще бомбардируют планету, но теперь гигантские столкновения разделяют десятки миллионов лет, и их энергия едва ли нарушает здоровую микробную жизнь, вторгшуюся во все доступные ниши.

    Могли ли их собственные версии бактерий каким-то образом заразить планету во время их последнего визита? Немного обеспокоенные, посетители снова берут образцы и определяют, что новая жизнь имеет совершенно другой генетический код, чем их собственный, так что это не то, что они случайно выпустили. Очевидно, процессы самосборки, которые они наблюдали ранее, привели к образованию огромного количества микроскопических структур, некоторые из которых все в большей степени могли использовать энергию и питательные вещества, доступные в окружающей среде, для воспроизведения своих структур.Но поскольку прошло несколько сотен миллионов лет, посетители упустили точный момент времени, когда это произошло! Разочарованные, они отправляются на дальнейшие исследования в надежде найти другие примитивные планеты, где у них будет возможность наблюдать за происхождением жизни. Проходит еще 3,5 миллиарда лет, и они снова возвращаются, чтобы увидеть, что произошло. К этому времени они обнаружили, что планеты с жидкой водой и жизнью обычны в галактике, поэтому они не удивлены, обнаружив, что примитивные, но разумные организмы теперь населяют место под названием Калифорния.Когда за их космическим кораблем наблюдают, они должны быстро уйти, случайно оставив одного из младших членов семьи …

    Свидетельства происхождения жизни
    Шучу насчет последней части. Но даже мифические посетители были поражены, как и должно быть, тем, что жизненный процесс может начаться спонтанно на совершенно стерильной планете, если в окружающей среде есть жидкая вода, органические соединения углерода и энергия. Как начинается жизнь? Это один из оставшихся серьезных вопросов, стоящих перед наукой, вопрос настолько устрашающий, что он имеет тенденцию препятствовать серьезным научным исследованиям.Даже Дарвин однажды заметил, что «думать о происхождении жизни так же абсурдно, как думать о происхождении материи». Но теперь, спустя 150 лет после того, как Дарвин выразил свою озабоченность, у нас действительно есть довольно хорошее представление о происхождении материи. И мы прекрасно понимаем живые клетки, вплоть до того, что начали манипулировать генетическим планом жизни и скоро узнаем всю последовательность из 3 миллиардов нуклеотидных оснований в геноме человека. Но мы до сих пор не знаем, как зародился жизненный процесс на ранней Земле.

    С другой стороны, мы можем сделать некоторые обоснованные предположения, что было невозможно пятьдесят лет назад, когда начались первые исследования происхождения жизни. Здесь следует подчеркнуть, что определенные виды молекул обладают физическими и химическими свойствами, которые позволяют им самосбориться в упорядоченные структуры, и именно эти молекулы используются живыми клетками. Процесс самосборки, кажется, противоречит нашему интуитивному ожиданию от законов физики, что в среднем все становится более беспорядочным ( i.е. энтропия увеличивается). Например, легко подсчитать, что какой-либо конкретный белок не может произойти случайно в течение всей жизни Вселенной, и поэтому сделать вывод, что все белки созданы всевышним. Однако то же самое можно сказать и о мыльном пузыре. Пузырь не может существовать по законам случайности, но это обычное явление.

    Ряд недавних научных достижений позволил получить более целостную картину событий, приведших к возникновению жизни.Это интегрированное видение привело к появлению новой области, называемой астробиологией, определяемой как исследование жизни во Вселенной, и учитывает наше новое понимание того, что жизнь на Земле является частью универсального процесса. Следующий формат вопрос-ответ указывает на то, что мы знаем с достаточной степенью уверенности, что теперь обеспечивает основу для разработки и проверки гипотез, связанных с происхождением жизни.

    Откуда взялась материя?
    Все атомы тяжелее водорода и гелия, включая элементы, важные для живых систем (углерод, кислород, азот, фосфор и сера), образуются в звездах в результате реакций ядерного синтеза.Затем атомы выбрасываются в межзвездное пространство к концу жизни звезды, когда звезда взрывается как новая или, реже, как сверхновая. Затем атомы образуют молекулы и частицы пыли и собираются в огромные облака, которые были визуализированы телескопом Хаббла с необычайной детализацией. Частицы пыли, состоящие в основном из силикатных минералов, называются межзвездными зернами. Зерна покрыты тонкими слоями льда и замороженных газов, таких как углекислый газ, окись углерода, аммиак и метанол, а также множества более сложных органических соединений.Последний пункт относится к числу наиболее значительных новых открытий межзвездной среды. То есть органические соединения, состоящие из углерода и других биогенных элементов, не ограничиваются Землей и соседними с ней планетами в нашей солнечной системе, но присутствуют везде, где звездная пыль собирается в межзвездные облака. Мы живем в органической вселенной.

    Где образуются звезды и солнечные системы?
    Эти облака — место рождения новых поколений звезд. Во время звездообразования гравитация заставляет части облаков образовывать вращающиеся диски со звездой в центре.Объекты размером с километр, называемые планетезимали, образуются за счет гравитационного накопления пыли внутри диска, и планетезимали подвергаются все более сильным столкновениям, образуя более крупные планеты. Наша собственная Луна — результат такого столкновения между примитивной Землей и другой планетой размером с Марс или больше. Теперь у нас есть убедительные доказательства существования дюжины планет размером с Юпитер вокруг других звезд, и ведутся поиски планет, похожих на Землю.

    Каковы источники органического вещества на планетах?
    Во время поздней аккреции планет земного типа органические соединения и вода доставляются к поверхности планет кометами и метеорами.Удивительно, но часть органических соединений может оставаться нетронутой во время прибытия в атмосферу Земли. Мы все еще можем наблюдать доставку органических соединений к поверхности Земли в виде углеродистых метеоритов, как больших, так и микроскопических. Вполне вероятно, что другие органические соединения были синтезированы в атмосфере Земли, потому что были проведены эксперименты, воспроизводящие процесс в смоделированных пребиотических условиях. Однако, поскольку атмосфера Земли теперь содержит высокореактивный кислород в результате фотосинтетической активности, если бы органические соединения были синтезированы с помощью абиотических процессов сегодня, они бы быстро разложились в результате окисления.

    Что подразумевается под самостоятельной сборкой?
    Некоторые органические соединения способны реагировать друг с другом с образованием более сложных молекул, таких как углеводороды, аминокислоты и простые сахара. Некоторые из них могут спонтанно самоорганизовываться в мембранные структуры, а другие могут полимеризоваться в молекулы, подобные белкам и нуклеиновым кислотам. Они, в свою очередь, образуют более крупные самособирающиеся структуры, такие как двойная спираль ДНК. Поскольку на пребиотической Земле не было генов или ферментов, управляющих метаболизмом и воспроизводством, характерными для живых организмов, первые формы жизни, должно быть, возникли в процессе спонтанной самосборки.

    Как каталитическая активность стала частью самых ранних форм жизни?
    Большая часть жизни на Земле сегодня зависит от белковых катализаторов, называемых ферментами, которые, как и все катализаторы, могут значительно увеличить скорость протекания реакций. Катализаторы необходимы для жизни, но каковы были первые катализаторы? Вероятно, они не были белками, потому что для синтеза белка требуется объединение ДНК и других химических веществ в процесс, слишком сложный, чтобы происходить спонтанно. Однако теперь мы знаем, что некоторые виды рибонуклеиновой кислоты (РНК) также обладают каталитической активностью, ведя себя как белковые ферменты.Их называют рибозимами, и они значительно упрощают представление о начале жизни. Нам больше не нужно думать, что как-то появились целые клетки с ДНК, РНК, рибосомами и синтезом белков. Вместо этого мы можем представить себе примитивную систему РНК, которая могла бы расти, воспроизводиться и развиваться, демонстрируя все свойства, которые мы связываем с живым состоянием.

    Когда началась жизнь?
    Свидетельства в виде микроскопических окаменелостей убедительно показали, что бактериальная жизнь была в изобилии в мелководных морях около 3.5 миллиардов лет назад. Другие данные измерений стабильных изотопов углерода предполагают, что еще более простые формы жизни существовали 3,8 миллиарда лет назад. Если это так, значит, жизнь может начаться всего за 100 миллионов лет, поскольку поверхность Земли, вероятно, была все еще слишком горячей для любой мыслимой формы жизни более 4,0 миллиардов лет назад.

    Где началась жизнь?
    Зарождение жизни должно было происходить в среде, где температура была достаточно низкой, чтобы позволить жидкой воде существовать.Некоторые примеры включают приливные бассейны или участки под поверхностью, подобные гидротермальным источникам или геотермальным горячим источникам. Жидкая вода необходима для жизни, какой мы ее знаем, поскольку только вода может обеспечить универсальную среду, в которой могут происходить процессы самосборки и метаболизм. Температура на этом месте, вероятно, была выше, чем преобладает на Земле сегодня. Теперь мы знаем, что микробные популяции могут населять среду, которая когда-то считалась невозможной, где температура достигает точки кипения воды.Это значительно расширяет возможный диапазон мест происхождения жизни и предполагает, что живые микроорганизмы могут присутствовать в глубоких гидротермальных регионах под марсианской корой или даже на Европе, которая, как теперь считается, имеет покрытые льдом океаны жидкой воды.

    Пребиотическая Земля
    До открытия, что микробная жизнь может существовать возле подводных гидротермальных источников при температурах выше 100 ° C, все считалось, что жизнь, несомненно, зародилась на поверхности Земли.Причины легко понять. Кажется вероятным, что органические соединения в пребиотической среде будут накапливаться в виде водорастворимых соединений и поверхностных пленок в раннем океане. Колеблющаяся среда, такая как приливные бассейны, тогда обеспечит механизм для концентрирования разбавленных растворов, и по мере того, как концентрированные смеси органических соединений будут высушены и нагреты, будет происходить непрерывный синтез полимерного материала (Fox and Harada, 1958; Usher, 1976). .

    Недавние успехи в нашем понимании примитивной Земли заставили нас переосмыслить это предположение.Например, запись лунных кратеров предполагает, что Земля подверглась гигантским ударам комет и объектов размером с астероид примерно в то время, когда появились первые живые организмы. Величина энергии, связанная с такими событиями, испарит часть или весь ранний океан, фактически стерилизуя верхнюю часть поверхности Земли. Зарождение жизни на поверхности могло произойти только после последнего такого события.

    Открытие гидротермальных источников предоставило альтернативное место для зарождения жизни.Вскоре после своего открытия Корлисс и др. (1981) и Баросс и Хоффман (1985) предложили жерла в качестве потенциального места для первой жизни на Земле. Совсем недавно Стивенс и др. (1995) сообщили, что гидротермальные области, расположенные на удивительной глубине земной коры, также имеют обширные микробные популяции. И гидротермальные источники, и глубокие геотермальные регионы могли служить убежищем от гигантских ударов, стерилизовавших поверхность ранней Земли. Эта идея подтверждается данными из последовательностей рибосомных РНК, которые убедительно свидетельствуют о том, что последним общим предком всего живого на Земле, вероятно, был термофильный микроорганизм (Woese, 1987; Pace, 1991).

    Третий альтернативный участок был предложен Бада и др. (1994), которые отметили, что современные модели солнечной эволюции предсказывают, что молодое Солнце на 20–30% менее яркое, чем сегодняшнее. Если не произойдет значительного парникового потепления, первые океаны замерзнут, образуя ледяной щит, который будет периодически таять в результате столкновений. Хорошо известно, что органические соединения, такие как аминокислоты, имеют конечное время жизни в растворе, и их стабильность заметно снижается при повышении температуры. При самых высоких температурах, связанных с гидротермальными источниками, аминокислоты вообще не могут выжить (Bada et al., 1994). Глобальный ледяной покров и более низкие температуры обеспечат значительную защиту от термической деградации. Также кажется вероятным, что концентрированная смесь растворенных веществ, доступная во время оттаивания, может подвергнуться всплеску химических реакций, ведущих к более сложным молекулам, некоторые из которых могут находиться на эволюционном пути к жизни.

    Подводя итог, можно сказать, что в настоящее время предложены три альтернативных места для накопления органических соединений, имеющих отношение к происхождению жизни. Две альтернативы размещают площадку на поверхности Земли, при этом основной переменной является температура площадки.Третья альтернатива помещает площадку в подповерхностную область, связанную с относительно высокими температурами. Поверхностные участки имеют доступ к световой энергии, химической энергии и механизмам концентрации, в то время как подземные участки имеют доступ к химической энергии в виде определенных минеральных поверхностей (пирит и глины), растворенных газов, таких как водород и метан, и растворенных веществ, таких как железо. утюг.

    Три альтернативы сами по себе не представляют собой гипотез, а скорее представляют собой предположения.То есть, они никогда не могут быть проверены прямым экспериментом, потому что зарождение жизни произошло в неизвестной среде более 3,5 миллиардов лет назад в условиях, которые невозможно с уверенностью воспроизвести сегодня.

    Как органические соединения появились на ранней Земле?
    Классические эксперименты Миллера (1953) показали, что впечатляющие выходы некоторых аминокислот могут быть получены при воздействии электрического разряда на смесь газов (водород, метан, аммиак и водяной пар).Это открытие стало крупным прорывом, поскольку аминокислоты являются мономерами, из которых состоят все белки. Предполагалось, что смесь представляет собой симуляцию исходной земной атмосферы, которая, по аналогии с внешними планетами, должна была содержать водород, метан, аммиак и водяной пар. При достаточно высоких потоках энергии такие восстановительные системы газов производят цианистый водород (HCN) и формальдегид (HCHO), которые, в свою очередь, реагируют с образованием аминокислот. Цианид и формальдегид теперь считаются ключевыми реагентами при моделировании пребиотических химических путей (Ferris and Hagan, 1984).

    Возможность того, что органический материал может быть легко синтезирован в пребиотических условиях, была подтверждена, когда было обнаружено, что углеродистые метеориты также содержат аминокислоты, углеводороды и даже следы пуринов, одного из основных компонентов нуклеиновых кислот (Kvenvolden et al., 1970) . Если углеродистые метеориты представляют собой образцы примитивной солнечной системы, разумно предположить, что аналогичные синтетические химические реакции могли происходить на поверхности Земли.С органическими мономерами, доступными в разумных концентрациях в глобальном масштабе, было нетрудно представить, что самособирающиеся системы полимеризованных макромолекул в какой-то момент приобретут свойства живого состояния: способность существовать как мембранно-ограниченная структура или клетка. , способность использовать энергию и питательные вещества для роста с помощью процессов направленной полимеризации и способность каким-то образом делиться для получения следующего поколения.

    Однако более поздние результаты показывают, что ранняя атмосфера состояла из углекислого газа и азота, а не из смеси восстановленных газов (Holland, 1984; Kasting and Ackerman, 1986).Двуокись углерода не поддерживает широкий спектр синтетических путей, ведущих к возможным мономерам, и рассматриваются альтернативные источники органического материала. Одна из возможностей заключается в том, что внеземное падение в виде комет и метеоритов дало на поверхность Земли значительное количество органического углерода (Oro, 1961; Anders, 1989; Chyba and Sagan, 1992).

    Внеземный источник органических соединений удивителен, но нет никаких сомнений в том, что все биогенные элементы на Земле (углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера) имеют внеземное происхождение просто потому, что они были доставлены в процессе аккреции Земли. .Вопрос в том, сколько химической обработки произошло до того, как элементы вошли в примитивные формы жизни. Скорее всего, в той или иной степени были задействованы и синтез, и падение. Например, аминокислоты присутствуют только в следовых количествах в углеродистых метеоритах и, кроме того, относительно нестабильны в воде. Отсюда следует, что аминокислоты и другие водорастворимые органические соединения, вероятно, непрерывно синтезировались на поверхности Земли. С другой стороны, производные углеводородов относительно стабильны и составляют несколько процентов от массы углеродистых метеоритов, но не являются основными продуктами реакций типа Миллера-Юри.Возможно, углеводороды, необходимые для ранней жизни, были доставлены в первую очередь с метеоритным падением, а не синтезировались земной химией.

    Оценки накопленных органических соединений в течение столетнего позднего периода аккреции, закончившегося около 3,9 миллиарда лет назад, находятся в диапазоне 10 16 –10 18 кг. Это меньше, чем общий объем органического углерода, хранящегося в горючих сланцах, угле и других ископаемых месторождениях на Земле (10 21 кг), который представляет собой углекислый газ, восстановленный до органических соединений в результате процессов фотосинтеза.С другой стороны, это на несколько порядков больше, чем органический углерод в биосфере, который оценивается в 6 X 10 14 кг. Чтобы представить это значение в перспективе, если бы 6 X 10 14 кг органических веществ в общей биомассе сегодня были распределены по всей поверхности Земли, включая океаны, это образовало бы слой толщиной около 1 мм. Для сравнения, количество органических веществ, доставленных при падении, могло бы образовать слой толщиной от 1,6 см до 1,6 м.Хотя это количество материала могло бы представлять собой значительный источник органического углерода в пребиотической среде, если бы он все выживал и накапливался, большая часть комет и метеоритов, оставшихся после попадания в атмосферу, предположительно упадет в океаны. Основная часть органического содержимого будет захоронена в виде отложений, а меньшая часть будет выброшена в морскую среду в течение длительных интервалов времени. Водорастворимые соединения будут растворяться с образованием очень разбавленного раствора органических веществ, в то время как углеводороды с более длинной цепью и их производные будут накапливаться на поверхности океана, образуя тонкую пленку на границе раздела воздух-вода.Такие пленки, вероятно, будут концентрироваться в приливных зонах по тому же механизму, который сегодня формирует морскую пену из активных органических соединений. Отсюда следует, что вероятными местами для физических и химических процессов, ведущих к возникновению живых клеток, могут быть приливные бассейны или геотермальные области, в которых производные углеводородов накапливаются и смешиваются с водорастворимыми органическими веществами во время циклических процессов сушки и регидратации.

    Процессы самосборки: мыльные пузыри и мембраны
    Сегодня вся жизнь имеет единицы, которые мы называем клетками.Возникла ли жизнь из ранее существовавших клеточных структур или клеточная жизнь возникла только на более поздней стадии эволюции? Как отмечалось ранее, на пребиотической Земле не было больших молекул, таких как нуклеиновые кислоты и белки, которые могли бы управлять процессами сборки, характерными для жизни, поэтому первые формы жизни должны были возникнуть в результате процессов самосборки. Знакомые примеры таких процессов сегодня включают образование пузырей из молекул мыла или пены, которая накапливается в приливных лужах.В этом разделе необходимо подчеркнуть, что определенные виды органических соединений, называемые амфифильными молекулами, способны самоорганизовываться в микроскопические пузырьковые структуры. Такие структуры образуются спонтанно и, возможно, обеспечивают исходную мембранно-ограниченную среду, необходимую для зарождения клеточной жизни.

    Сначала мы обрисуем биофизические принципы, которые управляют процессами самосборки, и покажем, как их можно использовать для исследования происхождения клеточных систем.

    1.Бислои собираются из множества амфифильных соединений
    Хотя современные клеточные мембраны включают фосфолипиды в качестве основного компонента бислоя, нет необходимости думать, что такие сложные молекулы были необходимы для ранней клеточной жизни. Фактически, более простые амфифильные молекулы могут также собираться в двухслойные мембраны, даже одноцепочечные амфифилы, такие как молекулы мыла. Кажется вероятным, что примитивные клетки включали липидоподобные молекулы из окружающей среды в качестве питательного вещества, вместо того, чтобы предпринимать гораздо более сложный процесс синтеза сложных липидов с помощью процесса, катализируемого ферментами.

    2. Проницаемость бислоя сильно зависит от длины цепи амфифильных молекул
    Мы склонны думать о липидном бислое как о почти непроницаемом барьере для ионных растворенных веществ, таких как соль (хлорид натрия) и других больших полярных молекул, таких как аминокислоты. Но как тогда функционировала ранняя клеточная жизнь в отсутствие высокоразвитых транспортных ферментов, которые переносят ионные питательные вещества и метаболиты через двухслойный барьер? Верно, что липидные бислои современных клеточных мембран представляют собой значительный барьер проницаемости, который необходим для нормальных функций клеток, особенно тех, которые связаны с биоэнергетикой транспорта ионов и хемиосмотическим синтезом АТФ.Однако недавние результаты показывают, что сокращение длины липидной цепи с 18 до 14 атомов углерода увеличивает проницаемость ионных растворенных веществ на несколько порядков. Этот уровень проницаемости достаточен для инкапсуляции больших молекул, таких как белки и полинуклеотиды, но все же позволяет внешнему субстрату достигать инкапсулированного фермента. Отсюда следует, что ранние клеточные мембраны могли состоять из липидов с более короткой цепью, которые обеспечивали доступ к питательным веществам для макромолекул, претерпевающих рост и репликацию в инкапсулированном микроокружении.

    3. Макромолекулы могут быть инкапсулированы в двухслойные везикулы в смоделированных пребиотических условиях. поддерживаться в пределах мембранного ограниченного объема. Мы опишем, как смесь липидов и белков или нуклеиновых кислот может подвергаться циклам сушки и увлажнения, которые имитируют приливные бассейны.В этих условиях макромолекулы легко захватываются мембранно-связанными везикулами.

    4. Липидные бислои растут за счет добавления амфифильных соединений, присутствующих в окружающей среде
    Для примитивной клетки недостаточно воспроизводить свои макромолекулярные компоненты, если только граничная мембрана не может увеличиваться в площади, чтобы приспособиться к внутреннему росту. Недавние экспериментальные результаты липосомных модельных систем демонстрируют, что такой рост за счет добавления амфифильных молекул действительно может происходить.

    Процессы самосборки в пребиотических органических смесях
    Первое предположение о том, что мембраны играют роль в происхождении жизни, было сделано в J.B.S. Заметка Холдейна в The Rationalist Annual (1926). Холдейн писал, что «клетка состоит из множества полуживущих химических молекул, взвешенных в воде и заключенных в масляную пленку. Когда все море было огромной химической лабораторией, условия для образования таких пленок должны были быть относительно благоприятными.. . »Голдакр (1958) предположил, что первые мембраны могли быть получены с помощью мешающих волновым действием пленок липидоподобных поверхностно-активных веществ. Первые экспериментальные подходы к этому вопросу были предприняты Харгривсом и др. (1977) и Оро и соавторами. -рабочие (1978).

    Какие физические свойства необходимы, если молекула должна стать частью стабильного бислоя? Все молекулы, образующие бислой, являются амфифилами с гидрофильной «головой» и гидрофобным «хвостом» на одной и той же молекуле.Хотя мы склонны думать, что липиды мембран ограничиваются фосфолипидами и холестерином, на самом деле в структуре мембран участвует удивительное разнообразие амфифилов. Более ранние исследования (Hargreaves and Deamer, 1978) показали, что даже одноцепочечные амфифилы, такие как алкилфосфаты, алкилсульфаты и жирные кислоты, могут собираться в двухслойные мембраны, если они содержат 10 или более атомов углерода в своих углеводородных цепях.

    Если амфифильные молекулы присутствовали в смеси органических соединений, доступных на ранней Земле, нетрудно представить, что их самосборка в молекулярные агрегаты была обычным процессом.Это правдоподобная предпосылка? Разумное начало — предположить, что смесь органических соединений в углеродистых метеоритах напоминает компоненты, доступные на ранней Земле в результате падения инопланетян. Большинство метеоритов состоит из минералов на основе кремния, и небольшая часть (~ 5%) этих каменных метеоритов содержит до нескольких процентов своей массы в виде органического углерода. Их называют углеродистыми метеоритами, и их органические соединения являются фактическими образцами химических компонентов ранней солнечной системы.Керогеноподобный нерастворимый полимер, состоящий в основном из ковалентно связанных полициклических ароматических углеводородов, является наиболее распространенным органическим материалом, в то время как ряд органических кислот (включая 10-20 частей на миллион аминокислот) представляет собой наиболее распространенную водорастворимую фракцию (рис. 1). Также присутствуют алифатические и ароматические углеводороды, мочевины, кетоны, спирты, альдегиды и пурины.

    Различные амфифильные молекулы также могут присутствовать в форме полярных углеводородных производных.Поэтому мы экстрагировали образцы углистого хондрита Мерчисона в стандартной системе хлороформ-метанол-вода, используемой для извлечения мембранных липидов из тканей. Двумерная тонкослойная хроматография показала, что присутствует сложная смесь окисленных алифатических и ароматических углеводородов. Когда этому материалу позволяли взаимодействовать с водными фазами, один класс соединений с кислотными свойствами был явно способен к образованию мембраносвязанных везикул (рис. 2). Везикулы осмотически реагировали на добавление хлорида натрия или сахарозы и могли поддерживать градиенты отрицательно заряженного флуоресцентного красителя (пиранина).Это убедительно свидетельствует о том, что смесь абиотических органических соединений, выделенных из углеродистого метеорита, содержит амфифилы, способные образовывать мембраны.

    Используя масс-спектрометрию и инфракрасную спектрофотометрию (FTIR), мы определили, что одним из компонентов смеси была нонановая кислота, карбоновая кислота с девятью атомами углерода. У нонановой кислоты слишком короткая цепь для образования стабильных бислоев, но при нейтральном pH и высокой концентрации амфифила мембранные структуры легко наблюдаются с помощью световой микроскопии (рис. 3).Исходя из этого, мы предполагаем, что метеоритные амфифилы содержат смесь монокарбоновых кислот, таких как нонановая кислота, вместе с полярными полициклическими ароматическими соединениями, которые вызывают характерную флуоресценцию структур везикул. Поскольку доступны только микроскопические количества компонентов, образующих мембрану, мы не смогли напрямую проанализировать сами мембраны.

    Подводя итог этим результатам, можно сказать, что амфифильные соединения, способные образовывать мембраны, присутствуют в углеродистых метеоритах и ​​способны самоорганизовываться в двухслойные мембраны.Количество таких соединений в углеродистых метеоритах относительно невелико, и мы не предполагаем, что они представляют собой обильный источник липидоподобного материала на ранней Земле. Однако наблюдение, что мембраны могут самособираться из амфифильных компонентов, по крайней мере, делает более правдоподобным предположение, что мембранные структуры присутствовали во время зарождения жизни.

    Модель протоклетки
    Тот факт, что амфифильные соединения, присутствующие в метеоритах, могут самостоятельно собираться в двухслойные мембраны, делает правдоподобным, что липидоподобные молекулы были доступны на ранней Земле и могли обеспечить первые клеточные пограничные структуры.Следующим шагом является разработка лабораторных моделей простых клеточных систем, в которых макромолекулы инкапсулированы липидными бислоями.

    Липосомы представляют собой самоорганизующиеся сферические липидные бислои размером с бактерии и представляют собой полезную модельную систему для исследований, касающихся происхождения клеточной жизни. Липосомы способны захватывать большие молекулы, такие как ферменты и нуклеиновые кислоты, но их бислои относительно непроницаемы для более мелких полярных и ионных растворенных веществ. В современных клетках рост и размножение требуют транспорта питательных веществ через клеточную мембрану и используют сложные белковые сборки для облегчения процесса транспорта.Какой механизм был доступен до того, как появились такие белки, чтобы транспортировать питательные вещества, необходимые для роста клеток?

    Мы обнаружили, что проницаемость бислоя сильно зависит от длины цепи. То есть укорачивание цепей данного мембранного липида резко увеличивает скорость проникновения ионных растворенных веществ (Paula et al., 1996). Поэтому мы приготовили липосомы с липидами с промежуточной длиной цепи, используя димиристоилфосфатидилхолин, содержащий 14 углеродных цепей. Эти липосомы могут эффективно инкапсулировать ферменты, но при этом достаточно проницаемы, чтобы обеспечить приток добавленных извне молекул субстрата.

    Сначала мы решили инкапсулировать РНК-полимеразу, называемую полинуклеотидфосфорилазой (Chakrabarti et al., 1994). Этот фермент не зависит от матрицы для синтеза РНК. Вместо этого он может использовать нуклеотиддифосфаты, такие как АДФ, как источник энергии и как мономер для включения в цепь РНК (рис. 5.1). В типичном эксперименте фермент улавливается липосомами с помощью моделируемого цикла приливного пула, в котором смесь фермента и липидов сначала сушат, а затем повторно гидратируют в реакционной среде.В этих условиях может быть инкапсулирована примерно половина исходного фермента. АДФ добавляли к внешней среде, и после периода инкубации синтез РНК контролировали как микроскопическими методами, так и гель-электрофорезом. Мы обнаружили, что везикулы, содержащие фермент, синтезировали столько РНК, что ее можно было увидеть внутри липосом при окрашивании флуоресцентным красителем бромид этидия и затем наблюдении с помощью флуоресцентной микроскопии. Недавно нам удалось захватить более сложную систему, которая включает как каталитическую полимеразу, так и матрицу ДНК, которая действует как своего рода «ген», направляющий синтез РНК (Monnard et al., 1999). В этих условиях определенный транскрипт РНК транскрибируется с матрицы ДНК с помощью полимеразы, и РНК снова можно визуализировать с помощью флуоресцентной микроскопии (рис. 5.2).

    Эти результаты дают полезный взгляд на перенос субстрата примитивными формами жизни. В ранней окружающей среде Земли должно было существовать множество амфифильных производных углеводородов, которые могли самоорганизовываться в двухслойные пограничные структуры. Однако нет необходимости думать, что структуры имели такую ​​же длину и проницаемость, как современные мембраны.Вместо этого образующие мембраны амфифилы с 12-14 углеродными цепями, смоделированные здесь с помощью DMPC, будут производить бислои, которые достаточно проницаемы, чтобы позволить прохождение ионных субстратов, необходимых для полимеризации макромолекул, таких как РНК, но при этом поддерживать эти макромолекулы в пределах границ. Таким образом, инкапсулированные катализаторы и несущие информацию молекулы будут иметь доступ к питательным веществам, необходимым для роста. Более того, определенные группы макромолекул будут сохраняться, а не дрейфовать. Это позволило бы осуществить истинный отбор таких группировок, процесс, который не может так легко происходить в смесях молекул, свободных в растворе.

    Можно ли создать жизнь в лаборатории? Будущие направления
    Эти принципы могут быть применены, чтобы предложить лабораторную версию протоклетки. Такая молекулярная система должна обладать следующими свойствами:

    1. Полимер, такой как нуклеиновая кислота, должен быть воспроизведен с помощью процесса полимеризации, управляемой матрицей. Полимер должен содержать одну или несколько последовательностей мономеров, соответствующих генетической информации.

    2. Каталитическая активность должна присутствовать, которая так или иначе связана с процессом репликации, так что вариации репликации влияют на скорость или эффективность катализированной реакции.Катализатор также должен воспроизводиться в процессе полимеризации с использованием генетической информации в полимере.

    3. Репликационная и каталитическая системы должны быть разделены в пределах ограниченного мембраной объема, чтобы отбор вариаций мог привести к «видообразованию» инкапсулированного генетического материала.

    4. Сама пограничная мембрана должна иметь возможность расти. Это могло быть достигнуто либо путем накопления амфифилов из окружающей среды, либо путем превращения молекул-предшественников в амфифилы.Более того, рост должен каким-то образом быть связан с процессом репликации, чтобы он не отставал и не опережал производство РНК.

    5. Должен существовать механизм, позволяющий разбивать сборку на более мелкие структуры, когда она достигает заданного размера, а меньшие структуры, в свою очередь, должны включать в себя возможности более крупной системы.

    Есть ли надежда на то, что такое скопление молекул может быть создано в ближайшем будущем? Мы можем начать с рассмотрения рибозимов, которые представляют собой цепи РНК с каталитическими сайтами, напоминающими сайты ферментов.Поскольку рибозимы обладают потенциалом действовать как катализаторы и носители генетической информации, они были предложены в качестве первобытного генетического материала (Joyce et al., 1987). В одной лабораторной модели реплицирующейся системы РНК обратная транскриптаза сначала производит цепь ДНК, используя определенный рибозим в качестве матрицы, а вторая ДНК-полимераза делает несколько копий из ДНК, тем самым амплифицируя исходную цепь РНК в тысячи раз по сравнению с исходной цепью РНК. цикл повторяется. Важно отметить, что сам рибозим также может развиваться в этих условиях, когда присутствует подходящее селективное давление.Например, Бодри и Джойс (1992) обнаружили, что можно создать определенный каталитический сайт на рибозиме, непрерывно выбирая этот сайт с биохимическими препятствиями, своего рода молекулярное разведение, проводимое в пробирке. Уилсон и Шостак (1994) продолжили, чтобы показать, что конкретный каталитический сайт может быть выбран из смеси триллионов случайных последовательностей РНК, подобно тому типу отбора, который произошел бы в популяции ранних молекул, конкурирующих за ресурс.

    Можно ли считать такие рибозимные системы в каком-то смысле живыми? В конце концов, РНК способна расти и эволюционировать, это два основных свойства живого состояния. Однако система не соответствует определению жизни как минимум по двум причинам. Во-первых, для амплификации рибозима необходимы белковые ферменты, которые сами по себе не реплицируются. Во-вторых, пробирка действует как макроскопическая инкапсулированная среда, которая поддерживает компоненты системы в контакте друг с другом, в то время как исследователь добавляет мономеры и энергию.Если бы компоненты были выпущены за пределы среды пробирки, они не могли бы функционировать.

    Но что, если мы инкапсулируем рибозимы в липосомы? Совсем нетрудно создать систему инкапсулированных рибозимов, чтобы каждая липосома содержала различную последовательность РНК, каждая из которых могла проявлять различную каталитическую активность. Тогда мы сможем выбрать рибозим, обладающий полимеразной активностью, потому что только эта липосома будет содержать РНК, даже при отсутствии белкового фермента.Мы также можем выбрать рибозим, который мог бы катализировать синтез фосфолипида из активированных промежуточных продуктов, таких как ацилкофермент А и лизофосфатид. Опять же, только эта липосома будет увеличиваться в объеме, потому что она сможет синтезировать компоненты мембраны из немембранных молекул-предшественников. Ни один из предложенных рибозимных катализаторов еще не обнаружен, хотя полимеразоподобная активность некоторых рибозимов не наблюдалась (Been and Cech, 1988). Кроме того, практически ничего не известно о взаимодействиях рибозимов при катализе реакции синтеза липидов.Тем не менее, этот мысленный эксперимент показывает, что, по крайней мере, можно представить себе клеточную форму жизни с РНК-катализаторами, которая потенциально может быть смоделирована в лабораторных условиях. Дальнейшие исследования инкапсулированных реплицирующих каталитических систем помогут нам лучше понять, что произошло более 3,5 миллиардов лет назад, когда самоорганизованные молекулярные системы впервые начали расти, воспроизводиться и эволюционировать в сторону самых ранних форм микробной жизни.

    Благодарности
    Части этой главы были адаптированы из обзоров, опубликованных в другом месте (Deamer, 1998, 1999).

    Цитированная литература
    Андерс, Э. 1989. Пребиотическое органическое вещество комет и астероидов. Nature 342: 255-257.

    Бада, Дж. Л., К. Бигхэм и С. Л. Миллер. 1994. Воздействие таяния замороженных океанов на раннюю Землю — Последствия для происхождения жизни. Proc. Natl. Акад. Sci. США 91: 1248.

    Баросс, Дж. А., и С. Э. Хоффман. 1995. Подводные гидротермальные источники и связанные с ними градиентные среды как места происхождения и эволюции жизни. Истоки жизни 15: 327.

    Бодри, А.А., и Г.Ф. Джойс. 1992. Руководил эволюцией фермента РНК. Наука 342: 255-257.

    Бин, доктор медицины и Т. Чех. 1988. Science 239: 1412.

    Чакрабарти, А., Р.Р. Брейкер, Г.Ф. Джойс и Д. Димер. 1994. Производство РНК полимеразным белком, инкапсулированным в фосфолипидные везикулы. J. Mol. Evol. 39: 555-559.

    Chyba, C.F., and C. Sagan. 1992. Эндогенное производство, экзогенная доставка и ударно-шоковый синтез органических молекул: перечень происхождения жизни.Природа 355: 125-13.

    Корлисс, J.B., J.A. Баросс, С. Хоффман. 1981. Гипотеза о связи подводных горячих источников и происхождения жизни на Земле. Oceanol. стр 59. Acta. Proc. 26-й международный Геолог. Конгресс, симпозиум по геологии океанов, Париж.

    Кронин, Дж.Р., С. Пиццарелло, Д.П. Cruickshank. 1988. Органическое вещество в углистых хондритах, спутниках планет, астероидах и кометах. п. 819-857. В Дж.Ф. Керридж и М.С. Мэтьюз (ред.), Метеориты и ранняя Солнечная система. Университет Аризоны Press, Тусон.

    Димер, Д. 1999. Первые живые организмы: на свету или в темноте? ChemTracts (в печати).

    Димер, Д. 1998. Мембранные компартменты в пребиотической эволюции. п. 189-205. В А. Брак (ред.), Молекулярное происхождение жизни. Издательство Кембриджского университета, Кембридж, Великобритания.

    Делсемме, А. 1984. Кометная связь с химией пребиотиков. Истоки жизни 14: 51-60.

    Феррис, Дж.P., and W.J. Hagan. 1984. HCN и химическая эволюция: возможная роль цианосоединений в синтезе пребиотиков. Тетраэдр 40: 1093.

    Фокс, С. В. и К. Харада. 1958. Термическая сополимеризация аминокислот до продукта, напоминающего белок. Наука 128: 1214.

    Гавино, В., Д.В. Димер. 1982. Очистка ацил-КоА: 1-ацил-sn-глицерофосфорилхолинацилтрансфераза. J. Bioenerg. Биомембр. 14: 513-526.

    Голдакр, Р.Дж. 1958. Поверхностные пленки: их коллапс при сжатии, формы и размеры клеток и происхождение жизни.п. 12-27. В J.F. Danielli, K.G.A. Панкхерст, А.К. Риддифорд (ред.), Поверхностные явления в биологии и химии. Pergamon Press, Нью-Йорк.

    Холдейн, J.B.S. 1929. Происхождение жизни. The Rationalist Annual 148: 3-10.

    Харгривз, W.R., и D.W. Димер. 1978. Липосомы из ионных одноцепочечных амфифилов. Биохимия 17: 3759-3768.

    Харгривз, W.R., S. Mulvihill, D.W. Димер. 1977. Синтез фосфолипидов и мембран в пребиотических условиях.Природа 266: 78-80.

    Голландия, H.D. 1984. Химическая эволюция атмосферы и океанов. Издательство Принстонского университета, Принстон.

    Джойс, Г. Ф., А. У. Шварц, С. Миллер, Л. Оргел. 1987. Случай для наследственной генетической системы, включающей простые аналоги нуклеотидов. Proc. Natl. Акад. Sci. США 84: 4398.

    Кастинг, Дж., И Т.Ф. Акерман. 1986. Климатические последствия очень высокого уровня углекислого газа в ранней атмосфере Земли. Наука 234: 1383.

    Квенволден К.А., Дж.Г. Лоулесс, К. Перинг, Э. Петерсон, Дж. Флорес, К. Поннамперума, И. Каплан и К. Мур. 1970. Доказательства наличия внеземных аминокислот и углеводородов в метеорите Мерчисон. Природа 28: 923.

    Миллер, С. 1953. Производство аминокислот в возможных примитивных земных условиях. Наука 117: 528.

    Миллер, С. и H.C. Юри. 1959. Органические соединения синтезированы на первобытной Земле. Наука 130: 245.

    Мойзсис, С.Дж., Г. Аррениус, К. Маккиган, Т. Харрисон. 1996. Nature 384: 55.

    Моннар, П.-А., У. Веркутер, Д.В. Димер. (неопубликованные результаты).

    Оро, Дж. 1961. Кометы и образование биохимических соединений на примитивной Земле. Nature 190: 389-390.

    Оро, Дж., Э. Шервуд, Дж. Эйхберг и Д. Эппс. 1978. Образование фосфолипидов в условиях первобытной Земли и роль мембран в предбиологической эволюции. п. 1-21. В D.W. Димер (изд.), Светопропускающие мембраны: структура, функции и эволюция. Academic Press, Нью-Йорк.

    Пейс, Н. 1991. Происхождение жизни — лицом к лицу с физическим окружением. Ячейка 65: 531.

    Пейс, Н. 1997. Science 276: 734.

    Паула С., Волков А. Ван Хук, Т. Хейнс и Д. Димер. 1996. Проникновение протонов, ионов калия и малых полярных молекул через бислои фосфолипидов в зависимости от толщины мембраны. Биофиз. J. 70: 339-348.

    Шопф, Дж.В., Б.М. Пакер. 1987. Ранние архейские (возрастом от 3,3 до 3,5 миллиардов лет) микрофоссилий из Warrawoona Group, Австралия. Наука 237: 70.

    Стивенс, Т.О., и Дж. П. Мак-Кинли. 1995. Science 270: 450.

    Usher, D. 1977. Ранняя химическая эволюция нуклеиновых кислот: теоретическая модель. Наука 196: 311-313.

    Уилсон, К., и Дж. У. Шостак. 1994. Эволюция самоалкилирующегося рибозима in vitro. Природа 374: 777.

    Woese, C.R. 1987. Бактериальная эволюция.Microbiol. Откр. 51: 221.

    Райт, М.К. и Г.Ф. Джойс. Непрерывное развитие каталитической функции in vitro. 1997. Science 274: 1309.

    9.9: Органическая химия генной инженерии

    Многие ферменты, катализирующие реакции с участием фосфатных диэфирных связей ДНК, используются в генной инженерии — методах, с помощью которых мы копируем, разрезаем и сращиваем ДНК для создания собственных версий генов. Инструменты генной инженерии стали незаменимыми и обычными в последнее десятилетие, и большинство исследователей, работающих над биологической стороной химии, широко их используют.Времена кропотливой очистки ферментов от бактериальных культур или измельченной коровьей печени практически прошли. Теперь ученые клонируют ген, кодирующий фермент, вносят любые желаемые изменения (например, посредством сайт-направленного мутагенеза) и используют хозяина, такого как E.coli или дрожжи, для получения «рекомбинантного» фермента из клонированного гена. Вы узнаете детали многих из этих процедур в курсе биохимии или молекулярной биологии. Сейчас мы сосредоточимся на применении того, что мы узнали о реакциях переноса фосфатных групп, чтобы мы могли распознать некоторые элементы органической химии, происходящие в эксперименте по клонированию.

    Первое, что вам нужно сделать в процедуре клонирования гена, — это скопировать цепь ДНК. Это достигается с помощью фермента под названием ДНК-полимераза (EC 2.7.7.7), который использует одну цепь ДНК в качестве матрицы для синтеза второй, комплементарной цепи (полная картина этого сложного процесса выходит далеко за рамки этой книги, но напомним, что мы говорили об открытии термостабильной ДНК-полимеразы во введении к главе 6).

    , возможно, узнал на уроках биологии, что ДНК синтезируется в направлении от 3 ‘до 5’.Обратите внимание, что 3′-гидроксильная группа на конце растущей цепи ДНК атакует α-фосфат 2′-дезоксинуклеозидтрифосфата (dNTP), вытесняя неорганический пирофосфат.

    ДНК-полимеразная реакция:

    Ученые могут разрезать ДНК с помощью ферментов «молекулярных ножниц», называемых эндонуклеазами рестрикции, которые расщепляют двухцепочечную ДНК путем гидролиза определенных последовательностей оснований.

    Гидролиз ДНК эндонуклеазами рестрикции:

    Обратите внимание, что результатом этой реакции гидролитического расщепления является один сегмент ДНК с гидроксильной группой в положении 3 ‘и второй сегмент с фосфатной группой в положении 5’.

    Обычно используемая эндонуклеаза рестрикции, называемая ‘BamHI’, специфически расщепляет двухцепочечную ДНК по следующей последовательности из 6 оснований:

    Обратите внимание, что делается «ступенчатый» разрез: это обычное (и полезное) свойство многих эндонуклеаз, хотя некоторые делают разрезы «тупым концом».

    В то время как эндонуклеаза расщепляет фосфодиэфирную связь в цепи ДНК, ДНК-лигаза (EC 6.5.1.1) выполняет обратный процесс: она катализирует образование новой 3′-5 ‘связи между двумя цепями:

    ДНК-лигазная реакция:

    Обратите внимание, что изначально на 5′-фосфате ДНК2 нет уходящей группы, что делает невозможной прямую реакцию переноса фосфата.Стратегия, используемая ферментом ДНК-лигазой, состоит в том, чтобы сначала активировать 5′-фосфат ДНК2 с помощью АТФ (фаза 1 ниже), затем может продолжаться реакция лигирования (фаза 2)

    Лигирование ДНК

    Следует отметить еще один ферментный инструмент в арсенале генной инженерии. В некоторых процедурах клонирования исследователь может захотеть предотвратить нежелательное лигирование ДНК. Этого можно достичь с помощью фермента щелочной фосфатазы (EC 3.1.3.1), который катализирует дефосфорилирование многих различных органических фосфатов, включая 5′-фосфорилированную ДНК (напомним, что мы обсуждали фосфатазы в разделе 9.6).

    Щелочная фосфатазная реакция:

    С удаленной фосфатной группой лигирование невозможно — невозможно создать новую фосфодиэфирную связь без 5′-фосфатной группы!

    Авторы и авторство

    .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.