Органические вещества клетки.

Тема: Химические основы жизни. Химические элементы в составе живой материи.

Химический состав живых систем и неживой природы сходен. Главное отличие состоит в количественном соотношении химических элементов и соединений, содержащихся в неживых и живых системах. Самые распространенные химические соединения живых существ – углеродсодержащие молекулы и вода. В клетках живых организмов обнаружены многие элементы периодической системы Д.И. Менделеева. Химические элементы в клетках располагаются очень неравномерно. Всего 4 элемента (углерод, водород, азот и кислород) составляют более 95% массы живой клетки. Все химические элементы клетки делят на три группы:

1. Макроэлементы (кислород, углерод, водород, азот, кальций, калий, магний, натрий, железо, сера, фосфор, хлор) - составляют более 99% всей массы клетки.

2. Микроэлементы (медь, бор, кобальт, молибден, марганец, никель, бром, цинк, иод и др.). На их долю приходится более 0,1%; концентрация каждого не превышает 0,001%. Это ионы металлов, входящие в состав биологически активных веществ (гормонов, ферментов и др.).

3. Ультрамикроэлементы (уран, золото, бериллий, ртуть, цезий, селен и др.). Их концентрация не превышает 0,000001%. Физиологическая роль многих из них не установлена.

В клетках некоторых организмов обнаружено повышенное содержание отдельных химических элементов. Например, бактерии способны накапливать марганец, морские водоросли – йод, ряска – радий, моллюски и ракообразные – медь, позвоночные – железо.

Все химические соединения в клетке можно разделить на органические и неорганические.

Химический состав клетки:

Органические высокомолекулярные вещества

Неорганические вещества клетки.

К ним относятся вода и минеральные соли.

Вода необходима для осуществления жизненных процессов в клетке. Ее содержание составляет 70-80% от массы клетки. Основные функции воды:

· представляет собой универсальный растворитель;

· является средой, в которой протекают биохимические реакции;

· определяет физиологические свойства клетки (упругость, объем);

· участвует в химических реакциях;

· поддерживает тепловое равновесие организма благодаря высокой теплоемкости и теплопроводности;

· является основным средством для транспорта веществ.

Минеральные соли присутствуют в клетке в виде ионов: катионы К⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺; анионы – Cl^-, HCO₃^-, H₂РО₄^-.

Органические вещества клетки.

Органические соединения клетки состоят из многих повторяющихся элементов (мономеров) и представляют собой крупные молекулы - полимеры. К ним относят белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. Их содержание в клетке: белки -10-20%; жиры - 1-5%; углеводы - 0,2-2,0%; нуклеиновые кислоты - 1-2%; низкомолекулярные органические вещества – 0,1-0,5%.

Белки – высокомолекулярные (с большой молекулярной массой) органические вещества. Структурной единицей их молекулы является аминокислота. В образовании белков принимают участие 20 аминокислот. В состав молекулы каждого белка входят только определенные аминокислоты в свойственном этому белку порядке расположения. Аминокислота имеет следующую формулу:

H₂N – CH – COOH

│

R

В состав аминокислот входят NH₂ – аминогруппа, обладающая основными свойствами; СООН – карбоксильная группа с кислотными свойствами; радикалы, отличающие аминокислоты друг от друга.

Существуют первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белка. Аминокислоты, соединенные между собой пептидными связями, определяют его первичную структуру. Белки первичной структуры с помощью водородных связей соединяются в спираль и образуют вторичную структуру. Полипептидные цепи, скручиваясь определенным образом в компактную структуру, образуют глобулу (шар) - третичная структура белка. Большинство белков имеет третичную структуру. Следует отметить, что аминокислоты активны только на поверхности глобулы. Белки с глобулярной структурой объединяются и формируют четвертичную структуру (например, гемоглобин). При воздействии высокой температуры, кислот и других факторов сложные белковые молекулы разрушаются – денатурация белка. При улучшении условий денатурированный белок способен восстанавливать свою структуру, если не разрушается его первичная структура. Этот процесс называется ренатурацией.

Белки отличаются видовой специфичностью: для каждого вида животных характерен набор определенных белков.

Различают белки простые и сложные. Простые состоят только из аминокислот (например, альбумины, глобулины, фибриноген, миозин и др.). В состав сложных белков, кроме аминокислот, входят и другие органические соединения, например, жиры и углеводы (липопротеиды, гликопротеиды и др.).

Белки выполняют следующие функции:

· ферментативную (например, фермент амилаза расщепляет углеводы);

· структурную (например, входят в состав мембран и др. органоидов клетки);

· рецепторную (например, белок родопсин способствует лучшему зрению);

· транспортную (например, гемоглобин переносит кислород или углекислый газ);

· защитную (например, белки иммуноглобулины участвуют в формировании иммунитета);

· двигательную (например, актин и миозин участвуют в сокращении мышечных волокон);

· гормональную (например, инсулин превращает глюкозу в гликоген);

· энергетическую (при расщеплении 1 г белка выделяется 4,2 ккал энергии).

Жиры (липиды) - соединения трёхатомного спирта глицерина и высокомолекулярных жирных кислот. Химическая формула жиров:

CH₂-O-C(O)-R¹|CH-О-C(O)-R²|CH₂-O-C(O)-R³, где радикалы могут быть разными.

Функции липидов в клетке:

· структурная (принимают участие в построении клеточной мембраны);

· энергетическая (при распаде в организме 1 г жира выделяется 9,2 ккал энергии);

· защитная (сохраняют от потери тепла, механических повреждений);

· жир – источник эндогенной воды (при окислении 10 г жира выделяется 11 г воды);

· регуляция обмена веществ.

Углеводы – их молекулу можно представить общей формулой С_n(Н₂О)_n – углерод и вода.

Углеводы делят на три группы: моносахариды (включают одну молекулу сахара - глюкоза, фруктоза и др.), олигосахариды (включают от 2 до 10 остатков моносахаридов: сахароза, лактоза) и полисахариды (высокомолекулярные соединения – гликоген, крахмал и др.).

Функции углеводов:

· служат исходными элементами для построения разнообразных органических веществ, например, при фотосинтезе - глюкоза;

· основной источник энергии для организма, при их разложении с использованием кислорода выделяется больше энергии, чем при окислении жира;

· защитная (например, слизь, выделяемая различными железами, содержит много углеводов; она предохраняет стенки полых органов (бронхи, желудок, кишечник) от механических повреждений; обладая антисептическими свойствами);

· структурная и опорная функции: входят в состав плазматической мембраны.

Нуклеиновые кислоты – это фосфорсодержащие биополимеры. К ним относятся дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК) кислоты.

ДНК - самые крупные биополимеры, их мономером является нуклеотид. Он состоит из остатков трех веществ: азотистого основания, углевода дезоксирибозы и фосфорной кислоты. Известны 4 нуклеотида, участвующие в образовании молекулы ДНК. Два азотистых основания являются производными пиримидина – тимин и цитозин. Аденин и гуанин относят к производным пурина.

C

G

G

С

Согласно модели ДНК, предложенной Дж. Уотсоном и Ф. Криком (1953), молекула ДНК представляет собой две спирально обвивающие друг друга нити.

Две нити молекулы удерживаются вместе водородными связями, которые возникают между их комплементарными азотистыми основаниями. Аденин комплементарен тимину, а гуанин – цитозину. ДНК в клетках находится в ядре, где она вместе с белками образует хромосомы. ДНК имеется также в митохондриях и пластидах, где их молекулы располагаются в виде кольца. Основная функция ДНК – хранение наследственной информации, заключенной в последовательности нуклеотидов, образующих ее молекулу, и передача этой информации дочерним клеткам.

Рибонуклеиновая кислота одноцепочечная. Нуклеотид РНК состоит из одного из азотистых оснований (аденина, гуанина, цитозина или урацила), углевода рибозы и остатка фосфорной кислоты.

Различают несколько видов РНК.

Рибосомальная РНК (р-РНК) в соединении с белком входит в состав рибосом. На рибосомах осуществляется синтез белка. Информационная РНК (и-РНК) переносит информацию о синтезе белка из ядра в цитоплазму. Транспортная РНК (т-РНК) находится в цитоплазме; присоединяет к себе определенные аминокислоты и доставляет их к рибосомам – месту синтеза белка.

РНК находится в ядрышке, цитоплазме, рибосомах, митохондриях и пластидах. В природе есть еще один вид РНК – вирусная. У одних вирусов она выполняет функцию хранения и передачи наследственной информации. У других вирусов данную функцию выполняет вирусная ДНК.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) - является особым нуклеотидом, образованным азотистым основанием аденином, углеводом рибозой и тремя остатками фосфорной кислоты.

f

f

f

ribose

adenine

АТФ – универсальный источник энергии, необходимой для биологических процессов, протекающих в клетке. Молекула АТФ очень неустойчива и способна отщеплять одну или две молекулы фосфата с выделением большого количества энергии. Эта энергия расходуется на обеспечение всех жизненных функций клетки – биосинтеза, движения, генерации электрического импульса и др. Связи в молекуле АТФ называются макроэргическими. Отщепление фосфата от молекулы АТФ сопровождается выделением 40 кДж энергии. Синтез АТФ происходит в митохондриях.

 

Таким образом, клетки животных, растений и микроорганизмов схожи по химическому составу, что свидетельствует о единстве органического мира. Основой всего живого являются нуклеиновые кислоты и белки.