ХИМИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ КЛЕТКИ
Химические элементы, входящие в состав клетки и выполняющие какие – либо функции, называют биогенными. Все клетки живых организмов сходны по химическому составу. Из всех элементов периодической системы Д.И. Менделеева в организме человека обнаружено 80 постоянно присутствующих, из них 25 необходимы для нормальной жизнедеятельности.
Все присутствующие в клетке элементы делятся, в зависимости от ихсодержания в клетке, на группы:
Макроэлементы — химические элементы или их соединения, используемые организмами в сравнительно больших количествах: кислород, водород, углерод, азот, железо, фосфор, калий, кальций, сера, магний, натрий, хлор и др. При этом H, O, N, C выделяют в особую группу — органогены.
Микроэлементы – В, Ni, Cu, Co, Zn, Mb, I,Mn, F, и др.; несмотря на их малое количество, микроэлементы влияют на обмен веществ.
Живую клетку отличают 2 особенности: в ней много воды, в которой все вещества растворены; и много органических веществ. Изучение химического состава клетки показало, что в живых организмах нет никаких особых химических элементов, свойственных только им. Именно в этом проявляется единство химического состава живой и неживой природы.
Клетка состоит из органических и неорганических веществ.
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА КЛЕТКИ
Это вода, соли, кислоты, основания (составляют 1- 1,5% массы клетки).
Вода – важнейшее неорганическое вещество клетки. Вода – это преобладающий компонент большинства клеток (исключение – костная ткань и эмаль зубов). В молодых клетках - 95% воды, в старых – 60%. В клетке вода находится в свободном и связанном состоянии. Молекулы связанной воды прочно соединены с белками.
Молекула воды представляет собой диполь – на одном конце «–» заряд, на другом «+» заряд, но в целом молекула электронейтральна. Между отдельными молекулами воды образуются водородные связи, определяющие физические и химические свойства воды.
Физические свойства воды: так как молекулы воды полярны, то вода обладает свойством растворять полярные молекулы других веществ.
Вещества растворимые в воде, называются гидрофильными (соли, кислоты, спирты, белки, углеводы).
Вещества, нерастворимые в воде называются гидрофобными (жиры и жироподобные вещества).
Полярность молекулы воды, способность образовывать водородные связи объясняет её высокую удельную теплоемкость. Вследствие этого в живых организмах не происходит резких колебаний температуры. Это свойство воды обеспечивает поддержание теплового баланса в организме.
Вода – универсальный растворитель, в ней происходят все биохимические процессы в клетке. В активных клетках на долю воды приходится до 75% - это клетки головного мозга и мышцы, в менее активных, например, в жировой ткани – 40%.
Функции воды:
1) Универсальный растворитель
2) Придает упругость и объем клетке
3) Участвует в реакциях гидролиза – это реакции расщепления органических соединений до простых.
4) Источник водорода и кислорода при фотосинтезе
5) По жидкой цитоплазме передвигаются вещества в организме
6) При участии воды осуществляется терморегуляция
Неорганические ионы
Соли диссоциируют на катионы и анионы. Наиболее значимые из них:
1) Соединения азота служат источником минерального питания растений, биосинтеза белков
2) Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, АТФ, фосфолипидов, костей, хитинового покрова членистоногих
3) Ионы кальция входят в состав костей, кальций также необходим для мышечного сокращения и свертываемости крови
4) Ионы калия участвуют в проведении нервного импульса,
5) Магний входит в состав хлорофилла
6) Цинк входит в состав гормона поджелудочной железы инсулина
7) Железо входи в состав гемоглобина
8) Йод входит в состав гормонов щитовидной железы.
ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА КЛЕТКИ
К основным органическим веществам клетки относятся белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты, АТФ.
УГЛЕВОДЫ
Углеводы – это органические вещества, в состав которых входят С, Н, О.
В растительных клетках углеводов больше, чем в животных.
Углеводы делятся на 3 группы:
ü ПРОСТЫЕ САХАРА – МОНОСАХАРИДЫ состоят из одной молекулы. Это бесцветные, кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, имеют сладкий вкус. Среди них выделяют:
– Рибоза входит в состав РНК и АТФ;
– Дезоксирибоза в составе ДНК;
– Глюкоза (виноградный сахар) основной первичный источник энергии в клетке. Содержится в плодах, крови;
– Фруктоза содержится в мёде, фруктах;
– Галактоза содержится в молоке.
ü ДИСАХАРИДЫ – состоят из 2-х остатков моносахаридов. Гидрофильные и сладкие на вкус. Среди них выделяют:
– Сахароза широко распространена в растениях.
– Лактоза (молочный сахар) входит в состав молока млекопитающих.
– Мальтоза – это основной структурный элемент крахмала и гликогена.
ü ПОЛИСАХАРИДЫ – высокомолекулярные соединения, состоящие из большого числа остатков моносахаридов. Не имеют сладкого вкуса и гидрофобны.
– Хитин – входит в состав клеточных стенок грибов и наружных покровов членистоногих. Это неразветвленный полимер.
– Крахмал - запасное вещество в тканях растений. Состоит из разветвленных молекул и растворимый в воде.
– Гликоген (животный крахмал) – запасное вещество у животных и человека. Он более ветвистый, чем крахмал и хорошо растворимый в воде.
– Целлюлоза (клетчатка) – полимер, образованный остатками глюкозы. Входит в состав клеточной стенки растений.
– Муреин – входит в состав клеточной стенки бактерий.
ФУНКЦИИ УГЛЕВОДОВ:
1) Структурная или строительная – углеводы участвуют в построении ряда клеточных структур. Например, целлюлоза входит в состав клеточной стенки растений, а в сочетании с белками (гликопротеиды) входят в состав костей, хрящей, связок. Простые сахара входят в состав ДНК и РНК, муреин составляет основу клеточной стенки бактерий, а хитин – основа наружного покрова у членистоногих и клеточной стенки грибов.
2) Энергетическая – углеводы служат источником энергии, которая расходуется на деление клетки, биосинтез белка, движение и функционирование клеток. При окислении 1 г углеводов освобождается 17,6 кДЖ энергии.
3) Защитная функция – слизь богата углеводами, она предохраняет стенки внутренних полых органов. Хитиновый покров защищает членистоногих от повреждений, клеточные стенки бактерий, грибов и растений также выполняют защитную функцию.
4) Опорная функция – целлюлоза в составе клеточной стенки осуществляют функцию опоры и каркаса.
5) Запасающая функция – при избытке углеводы запасаются в виде крахмала в растительных клетках, у человека и животных – это животный крахмал – гликоген.
ЛИПИДЫ=ЖИРЫ
Обширная группа жиров и жироподобных веществ. Молекулы жиров построены из глицерина и жирных карбоновых кислот. Липиды состоят из атомов углерода, кислорода и водорода.
Жиры являются макромолекулами, но не являются биополимерами.
Они гидрофобны, но хорошо растворимы в органических растворителях. Присутствуют во всех клетках.
1) Животные жиры содержат насыщенные кислоты, они тугоплавкие и твердые. Содержатся в мясе. Подкожной жировой клетчатке, молоке. Насыщенные кислоты менее полезны для организма, они хуже усваиваются организмом.
2) Растительные жиры (масла) богаты ненасыщенными кислотами. Легкоплавкие.
3) Воска – это сложные эфиры. Восковым налетом покрыты листья и плоды многих растений, воск используется в строительстве пчелиных сот, воском покрыта кожа и шерсть млекопитающих, перья птиц. Функция – смягчение волос, придание эластичности перьям и водоотталкивающих свойств у водоплавающих птиц.
4) Фосфолипиды – по структуре сходны с жирами, но в их молекуле есть несколько остатков фосфорной кислоты. Они составляют основу билипидного слоя цитоплазматической мембраны.
5) Липиды + белки = липопротеины (в такой форме жиры переносятся кровью и лимфой)
6)Липиды + углеводы = гликолипиды (компоненты мембран хлоропластов)
6) Стероиды – это гормоны, имеющие липидную природу (у человека это половые гормоны, гормоны надпочечников).
ФУНКЦИИ ЛИПИДОВ:
1) Структурная или строительная – фосфолипиды входят в состав клеточных мембран, миелин – жироподобное вещество белого цвета покрывает нервные волокна снаружи и во много раз ускоряет передачу нервных импульсов. ЭТО ВАЖНО! Нерастворимость в воде делает липиды важнейшим структурным компонентом клеточных мембран.
2) Энергетическая функция – половина энергии, потребляемой клетками позвоночных животных в состоянии покоя, образуется в результате окисления (расщепления) жиров. Энергетический эффект от расщепления 1 г жира – 39 кДж, что в два раза больше энергетического эффекта от расщепления 1 г глюкозы или белка.
3) Запасающая функция – жиры запасаются в семенах растений (подсолнечник, лен и т.д.), а также в виде подкожного жирового слоя у животных, обитающих в условиях холодного климата.
4) Источник эндогенной воды – в организме накапливается так называемый бурый жир, при окислении (расщеплении) которого выделяется незначительное количество воды. Эта метаболическая вода очень важна для некоторых обитателей пустыни, в частности для верблюдов, способных длительное время обходиться без воды. Животные, впадающие в спячку, такие как медведи и сурки, также получают необходимую для жизнедеятельности воду в результате окисления жиров. У человека бурый жир находится между лопатками и в области шеи.
5) Теплоизоляционная (или функция теплоизоляции) – подкожный жир плохо проводит тепло, поэтому оно сохраняется в организме, что позволяет им выжить в условиях холодного климата. У китообразных подкожный слой жира способствует плавучести.
6) Защитная функция – подкожный жировой слой защищает от механических повреждений и охлаждения.
7) Регуляторная функция – ряд гормонов, например, кортизон – гормон надпочечников, а также половые гормоны являются липидами. А также есть жирорастворимые витамины А, D, E, К.
БЕЛКИ
Белки - это нерегулярные биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Если в молекуле определенной закономерности повтора мономеров нет, то такой полимер называется нерегулярным.
Белок - это полипептид, выполняющий биологическую функцию. Белки по содержанию занимают первое место из органических веществ.
Функции белков:
1. Каталитическая функция стоит на первом месте!
Все ферменты в живых организмах имеют белковую природу, в небольших количествах они вступают в реакцию и по её окончании выходят неизменными. Ферменты - биологические катализаторы, увеличивающие скорость химических реакций в клетке в сотни тысяч раз. Ферменты отличаются специфичностью: например, фермент, расщепляющий белки, не действует на молекулу крахмала. Каждый фермент действует в определенных условиях, лучше всего при температуре 36, 6 – 38 градусов. Её повышение подавляет активность, а иногда и разрушает ферменты. На ферменты оказывает влияние и химическая среда: одни из них активны только в кислой среде (например пепсин - фермент желудка), другие – в щелочной (трипсин – фермент тонкой кишки). Не все белки являются ферментами!
2.Структурная или строительная функция:
Белки входят в состав всех клеточных и внеклеточных структур. Белки образуют клеточный скелет. Белки гистоны вместе с ДНК образуют хромосомы. Примеры: коллаген входит в состав сухожилий, кератин в состав волос и ногтей.
3. Защитная функция:
Антитела - это особые белки, которые вырабатываются в ответ на проникновение чужеродных веществ в организм, и обезвреживают их. Иммуноглобулины и интерфероны – белки, которые "склеивают" антигены. Белки плазмы крови фибрин и фибриноген участвуют в свертывании крови.
4. Регуляторная функция:
Некоторые гормоны - белки. Например, инсулин - гормон поджелудочной железы. Регулирует углеводный обмен.
5. Двигательная или сократительная функция:
Актин и миозин – это белки мышц, осуществляют сокращение мышц. Двигательные белки входят в состав жгутиков, ресничек животных, бактерий, водорослей. Белки веретена деления обеспечивают движение хромосом от экватора к полюсам клетки во время деления.
6. Транспортная функция:
Гемоглобинкрови осуществляет транспорт О2, СО2. Миоглобин - переносит О2 в мышцах. Мембранные белки обеспечивают транспорт в клетку, из клетки и внутри клетки.
7. Энергетическая функция:
Расщепляясь до аминокислот, и далее до более простых веществ Н2О и СО2. Они выделяют 17,6 кДЖ энергии. Эта функция крайне редко реализуется, только после того когда в организме заканчиваются углеводы и липиды.
8. Запасающая функция:
Запасные белки служат для развития зародыша и вскармливания младенца. Например, казеин - белок молока, яичный белок, белок зерен пшеницы. Много белка запасается в плодах семейства бобовых.
9.Сигнальная функция
Белки, встроенные в мембрану клетки, способны менять свою структуру в ответ на раздражение. Тем самым передаются сигналы из внешней среды внутрь клетки.
АМИНОКИСЛОТЫ
Мономерами белков являются аминокислоты, их 20. Существуют заменимые и незаменимые аминокислоты. Незаменимые должны поступать с пищей в организм человека, так как они не могут быть синтезированы организмом. Заменимые аминокислоты поступают в составе пищи и могут синтезироваться в организме человека.
Общая формула аминокислоты
В основе взаимодействия аминокислот между собой лежит образование прочной пептидной связи:
СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ БЕЛКОВ
Первичная (I) структура белков.
Определение: первичная структура белка - это последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Аминокислоты соединяются в полипептид с помощью пептидных связей.
Вторичная (II) структура белков.
Имеет вид спирали. Такая структура удерживается благодаря большому количеству непрочных водородных связей.
Вторичная структура белка
Третичная (III) структура белка.
Определение: третичная структура белка - это пространственная трехмерная конфигурация (клубок), которую принимает в пространстве закрученная спираль. Удерживается такая структура с помощью гидрофобных взаимодействий, ковалентных связей. Определяющими являются гидрофобные взаимодействия.
Третичная структура белка.
Четвертичная (IV) структура.
Определение: четвертичная структура белка представляет собой способ взаимного расположения в пространстве полипептидных цепей в молекуле белка, необходимый для проявления специфических функций.
Четвертичной структурой обладает около 5% белков, в том числе гемоглобин. В эритроцитах содержится гемоглобин - комплекс белка глобина с небелковой железосодержащей частью - гемом. IVструктура возможна только, если белок состоит из нескольких полипептидных цепей или по-другому субъединиц.
Четвертичная структура гемоглобина.
Денатурация– это разрушение природной структуры белка, при этом белок теряет свои биологические свойства.Денатурацию могут вызвать высокие или низкие температуры, сильные кислоты и основания и др. Если первичная структура не разрушена, то возможна ренатурация – восстановление исходной структуры белка.
НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ
Нуклеиновые кислоты – это нерегулярные, линейные биополимеры, играют основную роль в хранении (ДНК) и реализации (РНК) генетической информации. Впервые описаны в 19 веке швейцарцем Фридрихом Мишером. Различают 2 вида нуклеиновых кислот: ДНК и РНК. Мономерами ДНК и РНК являются нуклеотиды, которые построены из азотистого основания, пентозы (простого сахара) и остатка фосфорной кислоты. В РНК сахар – рибоза, в ДНК – дезоксирибоза.
В качестве оснований в ДНК содержаться: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц). В РНК вместо Т содержится урацил (У). Мономеры в нуклеиновых кислотах связаны между собой ковалентными связями.