АТФ и другие органические соединения клетки

Содержание

 

-Углеводы и их виды.

-Функции углеводов.

- Белки, их строение и функции.

-Нуклеиновые кислоты.

-АТФ и другие органические соединения клетки.

- Применение углеводов в различных областях

деятельности.

.

Углеводы и их виды

Углеводы — это органические соединения, в состав которых входят в основном три химиче­ских элемента — углерод, водород и кислород, хотя целый ряд углеводов содержит также азот или серу. Общая формула углеводов — Сm(Н20)n. Их делят на простые и сложные углеводы.

Простые углеводы (моносахариды) содержат единственную молекулу сахара, которую невоз­можно расщепить на более простые. Это кристаллические вещества, сладкие на вкус и хоро­шо растворимые в воде. Моносахариды принимают активное участие в обмене веществ в клетке и входят в состав сложных углеводов — олигосахаридов и полисахаридов.

Моносахариды классифицируют по количеству углеродных атомов (С3-С9), например, пентозы (С5) и гексозы (С6). К пентозам относятся рибоза и дезоксирибоза. Рибоза входит в состав РНК и АТФ. Дезоксирибоза является компонентом ДНК. Гексозы (С6Н1206) — это глюкоза, фруктоза, галактоза и др.

Глюкоза (виноградный сахар) встре­чается во всех организмах, в том числе в крови человека, по­скольку является энергетическим резервом. Она входит в со­став многих сложных Сахаров: сахарозы, лактозы, мальтозы, крахмала, целлюлозы и др.

Фруктоза (плодовый сахар) в наи­больших концентрациях содержится в плодах, меде, корнепло­дах сахарной свеклы. Она не только принимает активное уча­стие в процессах обмена веществ, но и входит в состав сахарозы и некоторых полисахаридов, например инсулина.

Большинство моносахаридов способно давать реакцию «се­ребряного зеркала» и восстанавливать медь при добавлении фелинговой жидкости (смесь растворов сульфата меди (II) и ка­лий-натрий виннокислого) и кипячении.

К олигосахаридам относят углеводы, образованные несколь­кими остатками моносахаридов. Они в основном также хоро­шо растворимы в воде и сладки на вкус. В зависимости от количества этих остатков различают дисахариды (два остатка).

Функции углеводов.

Углеводы выполняют в клетке пластическую (строительную), энергети­ческую, запасающую и опорную функции. Они образуют клеточные стенки растений и грибов. Энергетическая ценность расщепления 1 г углеводов составляет 17,2 кДж. Глюкоза, фруктоза, сахароза, крахмал и гликоген являются запасными веществами. Углеводы могут также входить в состав сложных липидов и белков, образуя гликолипиды и гликопротеины, в частности в кле­точных мембранах. Не менее важной представляется роль углеводов в межклеточном узнава­нии и восприятии сигналов внешней среды, поскольку они в составе гликопротеинов выполняют функции рецепторов.

Липиды — это разнородная в химическом отношении группа низкомолекулярных веществ с гидрофобными свойствами. Данные вещества нерастворимы в воде, образуют в ней эмульсии, но при этом хорошо растворяются в органических растворителях. Липиды маслянисты на ощупь, многие из них оставляют на бумаге характерные невысыхающие следы. Вместе с белками и угле­водами они являются одними из основных компонентов клеток. Содержание липидов в различ­ных клетках неодинаково, особенно много их в семенах и плодах некоторых растений, в печени, сердце, крови. В зависимости от строения молекулы липиды делят на простые и сложные. К простым липидам относятся нейтральные липиды (жиры), воски, стерины и стероиды. Сложные липиды содержат и другой, нелипидный компонент. Наиболее важными из них являются фосфолипиды, гликолипиды и др.

Жиры- являются производными трехатомного спирта глицерина и высших жирных кислот (рис. 2.11). Большинство жирных кислот содержит 14-22 углеродных атома. Среди них есть как насыщенные, так и ненасыщенные, то есть содержащие двойные связи. Из насыщенных жирных кислот чаще всего встречаются пальмитиновая и стеариновая, а из ненасыщенных — олеиновая. Некоторые ненасыщенные жирные кислоты не синтезируются в организме человека или синте­зируются в недостаточном количестве, и поэтому являются незаменимыми. Остатки глицерина образуют гидрофильные «головки», а остатки жирных кислот — «хвосты».

Жиры выполняют в клетках в основном запасающую функцию и служат источником энергии. Ими богата подкожная жировая клетчатка, выполняющая амортизационную и термоизоляционную функции, а у водных животных — еще и повышающая плавучесть. Жиры растений большей частью содержат ненасыщенные жирные кислоты, вследствие чего они являются жидкими и называются маслами. Масла содержатся в семенах многих растений, таких как подсолнечник, соя, рапс и др. Воски — это сложные смеси жирных кислот и жирных спиртов. У растений они образуют пленку на поверхности листа, которая защищает от испарения, проникновения патогенов и т. п. У ряда животных они покрывают тело или служат для построения сот.К стеринам относится такой липид, как холестерол — обязательный компонент клеточных мембран, а к стероидам — половые гормоны эстрадиол, тестостерон и др.

Фосфолипиды, помимо остатков глицерина и жирных кислот, содержат остаток ортофосфор- ной кислоты. Они входят в состав клеточных мембран и обеспечивают их барьерные свойства.

Гликолипиды также являются компонентами мембран, но их содержание там невелико. Не- липидной частью гликолипидов являются углеводы.

 

Белки, их строение и функции.

Белки — это высокомолекулярные соединения, биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты, связанные пептидными связями.

Аминокислотой называют органическое соединение, имеющее аминогруппу, карбоксильную группу и радикал (рис. 2.12). Всего в природе встречается около 200 аминокислот, которые раз­личаются радикалами и взаимным расположением функциональных групп, но только 20 из них могут входить в состав белков. Такие аминокислоты называют протеиногенными.

К сожалению, не все протеиногенные аминокислоты могут синтезироваться в организме че­ловека, поэтому их делят на заменимые и незаменимые.

Заменимые аминокислоты образуются в организме человека в необходимом количестве, а незаменимые — нет. Они должны поступать с пищей, но могут и частично синтезироваться микроорганизмами кишечника. Полностью не­заменимых аминокислот насчитывается 8. К ним относятся валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин. Несмотря на то, что в растениях синтезируются абсолютно все протеиногенные аминокислоты, растительные белки являются неполноценными, поскольку не содержат полного набора аминокислот, к тому же наличие белка в вегетативных частях растений редко превышает 1-2% массы. Поэтому необходимо употреблять в пищу белки не только растительного, но и животного происхождения.

Последовательность из двух аминокислот, связанных пептидными связями (рис. 2.13), назы­вается дипептидом, из трех — трипептидом и т. д. Среди пептидов встречаются такие важные соединения, как гормоны (окситоцин, вазопрессин), антибиотики и др. Цепочка из более чем десяти аминокислот называется полипептидом, а полипептиды, содержащие более 50 аминокис­лотных остатков, — это белки.

Уровни структурной организации белка. Белки могут иметь первичную, вторичную, третич­ную и четвертичную структуры.

Первичная структура белка — это последовательность аминокислот, соединенных пептидной связью (рис. 2.14). Первичная структура в конечном итоге определяет специфичность белка и его уникальность, поскольку, если даже предположить, что в среднем белок содержит 500 амино­кислотных остатков, то число их возможных комбинаций составляет 20 500. Поэтому изменение расположения хотя бы одной аминокислоты в первичной структуре влечет за собой изменение вторичной и более высоких структур, а также свойств белка в целом.

Особенности строения белка обусловливают его пространственную укладку — возникновение вторичной и третичной структур.

Вторичная структура представляет собой пространственную укладку белковой молекулы в виде спирали или складок, удерживаемой водородными связями между атомами кислорода и водорода пептидных группировок разных витков спирали или складок (рис. 2.15). Многие бел­ки содержат более-менее длинные участки со вторичной структурой. Это, например, кератины волос и ногтей, фиброин шелка.

Третичная структура белка также является формой пространственной укладки полипептид­ной цепи, удерживаемой гидрофобными, водородными, дисульфидными (S—S) и другими связями (рис. 2.16). Она характерна для большинства белков организма, например миоглобина мышц.

Четвертичная структура — наиболее сложная, образованная несколькими полипептидными цепями, соединенными в основном теми же связями, что и в третичной (гидрофобными, ионными и водородными), а также иными слабыми взаимодействиями (рис. 2.17). Четвертичная структура характерна для немногих белков, таких как гемоглобин, хлорофилл и др.

По форме молекулы различают фибриллярные и глобулярные белки. Первые из них вытянуты, как, например, коллаген соединительной ткани или кератины волос и ногтей. Глобулярные же белки имеют форму клубка (глобулы), как миоглобин мышц.

Простые и сложные белки. Белки могут быть простыми и сложными. Простые белки состоят только из аминокислот, тогда как сложные белки (липопротеины, хромопротеины, гликопротины, нуклеопротеины и др.) содержат белковую и небел­ковую части. Хромопротеины содержат окрашенную небелковую часть. К ним относятся гемоглобин, миоглобин, хлорофилл, цитохромы и др.

Так, в составе гемоглобина каждая из четырех полипептид­ных цепей белка глобина связана с небелковой частью — гемом, в центре которого находится ион железа, придающий гемоглобину красную окраску. Небелковой частью липопротеинов является липид, а гликопротеинов — углевод. Как липопротеины, так и гликопротеины входят в состав клеточных мембран. Нуклеопротеины представляют собой комплексы белков и нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). Они выполняют важнейшие функции в процессах хранения и передачи на­следственной информации.

 

Нуклеиновые кислоты.

Нуклеиновые кислоты — это биополи­меры, мономерами которых являются нуклеотиды. В настоящее время известно два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК). Нуклеотид образован азотистым основа­нием, остатком сахара-пентозы и остатком ортофосфорной кислоты (рис. 2.19). Особен­ности нуклеотидов в основном определяются азотистыми основаниями, входящими в их состав, поэтому даже условно нуклеотиды обозначаются по первым буквам их назва­ний.В состав нуклеотидов могут входить пять азотистых оснований: аденин (А), гуа­нин (Г), тимин (Т), урацил (У) и цитозин (Ц). Пентозы нуклеотидов — рибоза и дезоксирибоза — определяют, какой нуклеотид будет образован — рибонуклеотид или дезоксирибонуклеотид. Рибонуклеотиды являются мономерами РНК, могут выступать в качестве сигнальных молекул (цАМФ) и входить в состав макроэргических соединений, например АТФ, и коферментов, таких как НАДФН + Н+, НАДН + Н+, ФАДН2 и др., а дезоксирибонуклеотиды входят в состав ДНК.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — двухцепочечный биополимер, мономерами которо­го являются дезоксирибонуклеотиды. В состав дезоксирибонуклеотидов входят только четыре азо­тистых основания из пяти возможных — аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц), а так­же остатки дезоксирибозы и ортофосфорной кислоты. Нуклеотиды в цепи ДНК соединяются между собой через остатки ортофосфорной кислоты, образуя фосфодиэфирную связь. При образовании двухцепочечной молекулы азотистые основания направлены вовнутрь мо­лекулы. Однако соединение цепей ДНК происходит не случайным образом — азотистые основания разных цепей соединяются между собой водородными связями по принципу комплементарности: аде­нин соединяется с тимином двумя водородными связями (А=Т), а гу­анин с цитозином — тремя (Г≡Ц)

Для нее были установ­лены правила Чаргаффа:

1. Количество нуклеотидов ДНК, содержащих аденин, равно количеству нуклеотидов, содержа­щих тимин (А=Т).

2. Количество нуклеотидов ДНК, содержащих гуанин, равно количеству нуклеотидов, содержа­щих цитозин (Г≡Ц).

3. Сумма дезоксирибонуклеотидов, содержащих аденин и гуанин, равна сумме дезоксирибону­клеотидов, содержащих тимин и цитозин (А+Г = Т+Ц).

4.Отношение суммы дезоксирибонуклеотидов, содержащих аденин и тимин, к сумме дезоксири­бонуклеотидов, содержащих гуанин и цитозин, зависит от вида организмов.

Все типы РНК принимают активное участие в процессе реализации наследственной инфор­мации, которая с ДНК переписывается на иРНК, а на последней осуществляется синтез белка. тРНК в процессе синтеза белка доставляет аминокислоты к рибосомам, а рРНК входит в состав непосредственно рибосом.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) — это нуклеотид, содержащий, помимо азотистого основания аденина и остатка рибозы, три остатка фосфорной кислоты.Связи меж­ду двумя последними фосфорными остатками — макроэргические (при расщеплении выделя­ется 42 кДж/моль энергии), тогда как стандартная химическая связь при расщеплении дает 12 кДж/моль. При необходимости в энергии макроэргическая связь АТФ расщепляется, образу­ются аденозиндифосфорная кислота (АДФ), фосфорный остаток и выделяется энергия:

АТФ + Н20 → АДФ + Н3Р04 + 42 кДж.

АДФ также может расщепляться с образованием АМФ (аденозинмонофосфорной кислоты) и остатка фосфорной кислоты:

АДФ + Н20 → АМФ + Н3Р04 + 42 кДж.

В процессе энергетического обмена (при дыхании, брожении), а также в процессе фотосинтеза АДФ присоединяет фосфорный остаток и превращается в АТФ. Реакция восстановления АТФ на­зывается фосфорилированием. АТФ является универсальным источником энергии для всех про­цессов жизнедеятельности живых организмов.

Изучение химического состава клеток всех живых организмов показало, что они содержат одни и те же химические элементы, химические вещества, выполняющие одинаковые функции. Более того, участок ДНК, перенесенный из одного организма в другой, будет в нем работать, а бе­лок, синтезированный бактериями или грибами, будет выполнять функции гормона или фермента в организме человека. Это является одним из доказательств единства происхождения органиче­ского мира.

 

АТФ и другие органические соединения клетки

Аденозинтрифосфорная кислота – АТФ

Нуклеотиды являются структурной основой для целого ряда важных для жизнедеятельности органических веществ, например, макроэргических соединений.

Универсальным источником энергии во всех клетках служит АТФ — аденозинтрифосфорная кислота илиаденозинтрифосфат.

АТФ содержится в цитоплазме, митохондриях, пластидах и ядрах клеток и является наиболее распространенным и универсальным источником энергии для большинства биохимических реакций, протекающих в клетке.

АТФ обеспечивает энергией все функции клетки: механическую работу, биосинтез веществ, деление и т.д. В среднем содержание АТФ в клетке составляет около 0,05% её массы, но в тех клетках, где затраты АТФ велики (например, в клетках печени, поперечно полосатых мышц), её содержание может доходить до 0,5%.

Строение АТФ

АТФ представляет собой нуклеотид, состоящий из азотистого основания — аденина, углевода рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты, в двух из которых запасается большое количество энергии.

Связь между остатками фосфорной кислоты называют макроэргической (она обозначается символом ~), так как при ее разрыве выделяется почти в 4 раза больше энергии, чем при расщеплении других химических связей.

АТФ — неустойчивая структура и при отделении одного остатка фосфорной кислоты, АТФпереходит в аденозиндифосфат (АДФ) высвобождая 40 кДж энергии.

Другие производные нуклеотидов

Особую группу производных нуклеотидов составляют переносчики водорода. Молекулярный и атомарный водород обладает большой химической активностью и выделяется или поглощается в ходе различных биохимических процессов. Одним из наиболее широко распространенных переносчиков водорода является никотинамиддинуклеотидфосфат (НАДФ).

Молекула НАДФ способна присоединять два атома или одну молекулу свободного водорода, переходя в восстановленную форму НАДФ⋅H2. В таком виде водород может быть использован в различных биохимических реакциях.

Нуклеотиды могут также принимать участие в регуляции окислительных процессов в клетке.

Витамины — биологически активные низкомолекулярные органические вещества — участвуют в обмене веществ и преобразовании энергии в большинстве случаев как компоненты ферментов.

Суточная потребность человека в витаминах составляет миллиграммы, и даже микрограммы. Известно более 20 различных витаминов.

Источником витаминов для человека являются продукты питания, в основном растительного происхождения, в некоторых случаях — и животного (витамин D, A). Некоторые витамины синтезируются в организме человека.

Недостаток витаминов вызывает заболевание — гиповитаминоз, полное их отсутствие — авитаминоз, а излишек — гипервитаминоз.