Клетка: химический состав, строение, функции органоидов.

Химический состав клетки. Макро- и микроэлементы. Взаимосвязь строения и функций неорганических и органических веществ (белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, АТФ), входящих в состав клетки. Роль химических веществ в клетке и организме человека.

Организмы состоят из клеток. Клетки разных организмов обладают сходным химическим составом. В таблице 1 представлены основные химические элементы, обнаруженные в клетках живых организмов.

Таблица 1. Содержание химических элементов в клетке

Элемент	Количество, %	Элемент	Количество, %
Кислород	65-75	Кальций	0,04-2,00
Углерод	15-18	Магний	0,02-0,03
Водород	8-10	Натрий	0,02-0,03
Азот	1,5-3,0	Железо	0,01-0,015
Фосфор	0,2-1,0	Цинк	0,0003
Калий	0,15-0,4	Медь	0,0002
Сера	0,15-0,2	Иод	0,0001
Хлор	0,05-0,10	Фтор	0,0001

В первую группу входят кислород, углерод, водород и азот. На их долю приходится почти 98% всего состава клетки.

Во вторую группу входят калий, натрий, кальций, сера, фосфор, магний, железо, хлор. Их содержание в клетке составляет десятые и сотые доли процента. Элементы этих двух групп относят к макроэлементам (от греч. макрос - большой).

Остальные элементы, представ ленные в клетке сотыми и тысячными долями процента, входят в третью группу. Это микроэлементы (от греч. микро - малый).

Каких-либо элементов, присущих только живой природе, в клетке не обнаружено. Все перечисленные химические элементы входят и в состав неживой природы. Это указывает на единство живой и неживой природы.

Недостаток какого-либо элемента может привести к заболеванию, и даже гибели организма, так как каждый элемент играет определенную роль. Макроэлементы первой группы составляют основу биополимеров - белков, углеводов, нуклеиновых кислот, а также липидов, без которых жизнь невозможна. Сера входит в состав некоторых белков, фосфор - в состав нуклеиновых кислот, железо - в состав гемоглобина, а магний - в состав хлорофилла. Кальций играет важную роль в обмене веществ.

Часть химических элементов, содержащихся в клетке, входит в состав неорганических веществ - минеральных солей и воды.

Минеральные соли находятся в клетке, как правило, в виде катионов (К + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+) и анионов (HPO 2-/4 , H 2 PO -/4 , СI - , НСО 3), соотношение которых определяет важную для жизнедеятельности клеток кислотность среды.

(У многих клеток среда слабощелочная и ее рН почти не изменяется, так как в ней постоянно поддерживается определенное соотношение катионов и анионов.)

Из неорганических веществ в живой природе огромную роль играет вода .

Без воды жизнь невозможна. Она составляет значительную массу большинства клеток. Много воды содержится в клетках мозга и эмбрионов человека: воды более 80%; в клетках жировой ткани - всего 40.% К старости содержание воды в клетках снижается. Человек, потерявший 20% воды, погибает.

Уникальные свойства воды определяют ее роль в организме. Она участвует в теплорегуляции, которая обусловлена высокой теплоемкостью воды - потреблением большого количества энергии при нагревании. Чем же определяется высокая теплоемкость воды?

В молекуле воды атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода. Молекула воды полярна, так как атом кислорода имеет частично отрицательный заряд, а каждый из двух атомов водорода имеет

Частично положительный заряд. Между атомом кислорода одной молекулы воды и атомом водорода другой молекулы образуется водородная связь. Водородные связи обеспечивают соединение большого числа молекул воды. При нагревании воды значительная часть энергии расходуется на разрыв водородных связей, что и определяет ее высокую теплоемкость.

Вода - хороший растворитель . Благодаря полярности ее молекулы взаимодействуют с положительно и отрицательно заряженными ионами, способствуя тем самым растворению вещества. По отношению к воде все вещества клетки делятся на гидрофильные и гидрофобные.

Гидрофильными (от греч. гидро - вода и филео - люблю) называют вещества, которые растворяются в воде. К ним относят ионные соединения (например, соли) и некоторые неионные соединения (например, сахара).

Гидрофобными (от греч. гидро - вода и фобос - страх) называют вещества, нерастворимые в воде. К ним относят, например, липиды.

Вода играет большую роль в химических реакциях, протекающих в клетке в водных растворах. Она растворяет ненужные организму продукты обмена веществ и тем самым способствует выводу их из организма. Большое содержание воды в клетке придает ей упругость . Вода способствует перемещению различных веществ внутри клетки или из клетки в клетку.

Тела живой и неживой природы состоят из одинаковых химических элементов. В состав живых организмов входят неорганические вещества - вода и минеральные соли. Жизненно важные многочисленные функции воды в клетке обусловлены особенностями ее молекул: их полярностью, способностью образовывать водородные связи.

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ

Другой тип классификации элементов в клетке:

К макроэлементам относятся кислород, углерод, водород, фосфор, калий, сера, хлор, кальций, магний, натрий, железо.
К микроэлеметам относятся марганец, медь, цинк, йод, фтор.
К ультрамикроэлементам относятся серебро, золото, бром, селен.

ЭЛЕМЕНТЫ	СОДЕРЖАНИЕ В ОРГАНИЗМЕ (%)	БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ
Макроэлементы:
O.C.H.N	O - 62%, C - 20%, H - 10%, N - 3%	Входят в состав всех органических веществ клетки, воды
Фосфор Р	1,0	Входят в состав нуклеиновых кислот, АТФ (образует макроэргические связи), ферментов, костной ткани и эмали зубов
Кальций Са +2	2,5	У растений входит в состав оболочки клетки, у животных - в состав костей и зубов, активизирует свертываемость крови
Микроэлементы:	1-0,01
Сера S	0,25	Входит в состав белков, витаминов и ферментов
Калий К +	0,25	Обуславливает проведение нервных импульсов; активатор ферментов белкового синтеза, процессов фотосинтеза, роста растений
Хлор CI -	0,2	Является компонентом желудочного сока в виде соляной кислоты, активизирует ферменты
Натрий Na +	0,1	Обеспечивает проведение нервных импульсов, поддерживает осмотическое давление в клетке, стимулирует синтез гормонов
Магний Мg +2	0,07	Входит в состав молекулы хлорофилла, содержится в костях и зубах, активизирует синтез ДНК, энергетический обмен
Йод I -	0,1	Входит в состав гормона щитовидной железы - тироксина, влияет на обмен веществ
Железо Fе+3	0,01	Входит в состав гемоглобина, миоглобина, хрусталика и роговицы глаза, активатор ферментов, участвует в синтезе хлорофилла. Обеспечивает транспорт кислорода к тканям и органам
Ультрамикроэлементы:	менее 0,01, следовые количества
Медь Си +2		Участвует в процессах кроветворения, фотосинтеза, катализирует внутриклеточные окислительные процессы
Марганец Мn		Повышает урожайность растений, активизирует процесс фотосинтеза, влияет на процессы кроветворения
Бор В		Влияет на ростовые процессы растений
Фтор F		Входит в состав эмали зубов, при недостатке развивается кариес, при избытке - флюороз
Вещества:
Н 2 0	60-98	Составляет внутреннюю среду организма, участвует в процессах гидролиза, структурирует клетку. Универсальный растворитель, катализатор, участник химических реакций

ОРГАНИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ

ВЕЩЕСТВА	СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА	ФУНКЦИИ
Липиды
	Сложные эфиры высших жирных кислот и глицерина. В состав фосфолипидов входит дополнительно остаток Н 3 РО4.Обладают гидрофобными или гидрофильно-гидрофобными свойствами, высокой энергоемкостью	Строительная - образует билипидный слой всех мембранных. Энергетическая . Терморегуляторная . Защитная . Гормональная (кортикостероиды, половые гормоны). Компоненты витаминов D,E. Источник воды в организме.Запасное питательное вещество
Углеводы
Моносахариды: глюкоза, фруктоза, рибоза, дезоксирибоза	Хорошо растворимы в воде	Энергетическая
Дисахариды: сахароза, мальтоза (солодовый сахар)	Растворимы в воде	Компоненты ДНК, РНК, АТФ
Полисахариды: крахмал, гликоген, целлюлоза	Плохо растворимы или нерастворимы в воде	Запасное питательное вещество. Строительная - оболочка растительной клетки
Белки	Полимеры. Мономеры - 20 аминокислот.	Ферменты - биокатализаторы.
	I структура - последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Связь - пептидная - СО- NH-	Строительная - входят в состав мембранных структур, рибосом.
	II структура - a -спираль, связь - водородная	Двигательная (сократительные белки мышц).
	III структура - пространственная конфигурация a -спирали (глобула). Связи - ионные, ковалентные, гидрофобные, водородные	Транспортная (гемоглобин). Защитная (антитела).Регуляторная (гормоны, инсулин)
	IV структура характерна не для всех белков. Соединение нескольких полипептидных цепей в единую суперструктуруВ воде плохо растворимы. Действие высоких температур, концентрированных кислот и щелочей, солей тяжелых металлов вызывает денатурацию
Нуклеиновые кислоты:	Биополимеры. Состоят из нуклеотидов
ДНК - дезокси-рибонуклеино-вая кислота.	Состав нуклеотида: дезоксирибоза, азотистые основания - аденин, гуанин, цитозин, тимин, остаток фосфорной кислоты - Н 3 РО 4 . Комплементарность азотистых оснований А = Т, Г = Ц. Двойная спираль. Способна к самоудвоению	Образуют хромосомы. Хранение и передача наследственной информации, генетического кода. Биосинтез РНК, белков. Кодирует первичную структуру белка. Содержится в ядре, митохондриях, пластидах
РНК - рибонуклеиновая кислота.	Состав нуклеотида: рибоза, азотистые основания - аденин, гуанин, цитозин, урацил, остаток Н 3 РО 4. Комплементарность азотистых оснований А = У, Г = Ц. Одна цепь
Информационная РНК		Передача информации о первичной структуре белка, участвует в биосинтезе белка
Рибосомальная РНК		Строит тело рибосомы
Транспортная РНК		Кодирует и переносит аминокислоты к месту синтеза белка - рибосомам
Вирусная РНК и ДНК		Генетический аппарат вирусов

Структура белков

Ферменты.

Важнейшая функция белков - каталитическая. Белковые молекулы, увеличивающие на несколько порядков скорость химических реакции в клетке, называют ферментами . Ни один биохимический процесс в организме не происходит без участия ферментов.

В настоящее время обнаружено свыше 2000 ферментов. Их эффективность во много раз выше, чем эффективность неорганических катализаторов, используемых в производстве. Так, 1 мг железа в составе фермента каталазы заменяет 10 т неорганического железа. Каталаза увеличивает скорость разложения пероксида водорода (Н 2 О 2) в 10 11 раз. Фермент, катализирующий реакцию образования угольной кислоты (СО 2 +Н 2 О = Н 2 СО 3), ускоряет реакцию в 10 7 раз.

Важным свойством ферментов является специфичность их действия, каждый фермент катализирует только одну или небольшую группу сходных реакций.

Вещество, на которое воздействует фермент, называют субстратом . Структуры молекулы фермента и субстрата должны точно соответствовать друг другу. Этим объясняется специфичность действия ферментов. При соединении субстрата с ферментом пространственная структура фермента изменяется.

Последовательность взаимодействия фермента и субстрата можно изобразить схематично:

Субстрат+Фермент - Фермент-субстратный комплекс - Фермент+Продукт.

Из схемы видно, что субстрат соединяется с ферментом с образованием фермент-субстратного комплекса. При этом субстрат превращается в новое вещество - продукт. На конечном этапе фермент освобождается от продукта и вновь вступает во взаимодействие с очередной молекулой субстрата.

Ферменты функционируют лишь при определенной температуре, концентрации веществ, кислотности среды. Изменение условий приводит к изменению третичной и четвертичной структуры белковой молекулы, а, следовательно, и к подавлению активности фермента. Как это происходит? Каталитической активностью обладает лишь определенный участок молекулы фермента, называемый активным центром . Активный центр содержит от 3 до 12 аминокислотных остатков и формируется в результате изгиба полипептидной цепи.

Под влиянием разных факторов изменяется структура молекулы фермента. При этом нарушается пространственная конфигурация активного центра, и фермент теряет свою активность.

Ферменты - это белки, играющие роль биологических катализаторов. Благодаря ферментам на несколько порядков возрастает скорость химических реакций в клетках. Важное свойство ферментов - специфичность действия в определенных условиях.

Нуклеиновые кислоты.

Нуклеиновые кислоты были открыты во второй половине XIX в. швейцарским биохимиком Ф. Мишером, который выделил из ядер клеток вещество с высоким содержанием азота и фосфора и назвал его "нуклеином" (от лат. нуклеус - ядро).

В нуклеиновых кислотах хранится наследственная информация о строении и функционировании каждой клетки и всех живых существ на Земле. Существует два типа нуклеиновых кислот - ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Нуклеиновые кислоты, как и белки, обладают видовой специфичностью, то есть организмам каждого вида присущ свой тип ДНК. Чтобы выяснить причины видовой специфичности, рассмотрим строение нуклеиновых кислот.

Молекулы нуклеиновых кислот представляют собой очень длинные цепи, состоящие из многих сотен и даже миллионов нуклеотидов. Любая нуклеиновая кислота содержит всего четыре типа нуклеотидов. Функции молекул нуклеиновых кислот зависят от их строения, входящих в их состав нуклеотидов, их числа в цепи и последовательности соединения в молекуле.

Каждый нуклеотид состоит из трех компонентов: азотистого основания, углевода и фосфорной кислоты. В состав каждого нуклеотида ДНК входит один из четырех типов азотистых оснований (аденин - А, тимин - Т, гуанин - Г или цитозин - Ц), а также углевод дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты.

Таким образом, нуклеотиды ДНК различаются лишь типом азотистого основания.

Молекула ДНК состоит из огромного множества нуклеотидов, соединенных в цепочку в определенной последовательности. Каждый вид молекулы ДНК имеет свойственное ей число и последовательность нуклеотидов.

Молекулы ДНК очень длинные. Например, для буквенной записи последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК из одной клетки человека (46 хромосом) потребовалась бы книга объемом около 820000 страниц. Чередование четырех типов нуклеотидов может образовать бесконечное множество вариантов молекул ДНК. Указанные особенности строения молекул ДНК позволяют им хранить огромный объем информации обо всех признаках организмов.

В 1953 г. американским биологом Дж. Уотсоном и английским физиком Ф. Криком была создана модель строения молекулы ДНК. Ученые установили, что каждая молекула ДНК состоит из двух цепей, связанных между собой и спирально закрученных. Она имеет вид двойной спирали. В каждой цепи четыре типа нуклеотидов чередуются в определенной последовательности.

Нуклеотидный состав ДНК различается у разных видов бактерий, грибов, растений, животных. Но он не меняется с возрастом, мало зависит от изменений окружающей среды. Нуклеотиды парные, то есть число адениновых нуклеотидов в любой молекуле ДНК равно числу тимидиновых нуклеотидов (А-Т), а число цитозиновых нуклеотидов равно числу гуаниновых нуклеотидов (Ц-Г). Это связано с тем, что соединение двух цепей между собой в молекуле ДНК подчиняется определенному правилу, а именно: аденин одной цепи всегда связан двумя водородными связями только с Тимином другой цепи, а гуанин - тремя водородными связями с цитозином, то есть нуклеотидные цепи одной молекулы ДНК комплементарны, дополняют друг друга.

Молекулы нуклеиновых кислот - ДНК и РНК состоят из нуклеотидов. В состав нуклеотидов ДНК входит азотистое основание (А, Т, Г, Ц), углевод дезоксирибоза и остаток молекулы фосфорной кислоты. Молекула ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух цепей, соединенных водородными связями по принципу комплементарности. Функция ДНК - хранение наследственной информации.

В клетках всех организмов имеются молекулы АТФ - аденозинтрифосфорной кислоты. АТФ - универсальное вещество клетки, молекула которого имеет богатые энергией связи. Молекула АТФ - это один своеобразный нуклеотид, который, как и другие нуклеотиды, состоит из трех компонентов: азотистого основания - аденина, углевода - рибозы, но вместо одного содержит три остатка молекул фосфорной кислоты (рис. 12). Связи, обозначенные на рисунке значком, - богаты энергией и называютсямакроэргическими . Каждая молекула АТФ содержит две макроэргические связи.

При разрыве макроэргической связи и отщеплении с помощью ферментов одной молекулы фосфорной кислоты освобождается 40 кДж/моль энергии, а АТФ при этом превращается в АДФ - аденозиндифосфорную кислоту. При отщеплении еще одной молекулы фосфорной кислоты освобождается еще 40 кДж/моль; образуется АМФ - аденозинмонофосфорная кислота. Эти реакции обратимы, то есть АМФ может пре вращаться в АДФ, АДФ - в АТФ.

Молекулы АТФ не только расщепляются, но и синтезируются, по этому их содержание в клетке относительно постоянно. Значение АТФ в жизни клетки огромно. Эти молекулы играют ведущую роль в энергетическом обмене, необходимом для обеспечения жизнедеятельности клетки и организма в целом.

Рис. Схема строения АТФ.

аденин –

Молекула РНК, как правило, одиночная цепь, состоящая из четырех типов нуклеотидов - А, У, Г, Ц. Известны три основных вида РНК: иРНК, рРНК, тРНК. Содержание молекул РНК в клетке непостоянно, они участвуют в биосинтезе белка. АТФ - универсальное энергетическое вещество клетки, в котором имеются богатые энергией связи. АТФ играет центральную роль в обмене энергии в клетке. РНК и АТФ содержатся как в ядре, так и в цитоплазме клетки.

Клеткой называют элементарную единицу строения живых организмов. Все живые существа - будь то люди, животные, растения, грибы или бактерии - в своей основе имеют клетку. В чьем-то организме этих клеток много - сотни тысяч клеток составляют тело млекопитающих и рептилий, а в чьем-то мало - многие бактерии состоят из всего одной клетки. Но не так важно количество клеток, как их наличие.

Давно известно, что клетки обладают всеми свойствами живого: они дышат, питаются, размножаются, приспосабливаются к новым условиям, даже умирают. И, как и у всего живого, в составе клеток есть органические и неорганические вещества.

Намного больше, ведь - это и вода, и Разумеется, наибольшая часть отдела под названием "неорганические вещества клетки" отводится воде - она составляет 40-98% от всего объема клетки.

Вода в клетке выполняет множество важнейших функций: она обеспечивает упругость клетки, быстроту проходящих в ней химических реакций, перемещение поступивших веществ по клетке и их вывод. Кроме того, в воде растворяются многие вещества, она может участвовать в химических реакциях и именно на воде лежит ответственность за терморегуляцию всего организма, так как вода обладает неплохой теплопроводностью.

Помимо воды, в неорганические вещества клетки входят и многие минеральные вещества, делящиеся на макроэлементы и микроэлементы.

К макроэлементам относятся такие вещества, как железо, азот, калий, магний, натрий, сера, углерод, фосфор, кальций и многие другие.

Микроэлементы - это, в большинстве своем, тяжелые металлы, такие как бор, марганец, бром, медь, молибден, йод и цинк.

Также в организме есть и ультрамикроэлементы, среди которых золото, уран, ртуть, радий, селен и другие.

Все неорганические вещества клетки играют собственную, важную роль. Так, азот участвует в великом множестве соединений - как белковых, так и небелковых, способствует образованию витаминов, аминокислот, пигментов.

Кальций представляет собой антагонист калия, служит клеем для растительных клеток.

Железо участвует в процессе дыхания, входит в состав молекул гемоглобина.

Медь отвечает за образование клеток крови, здоровье сердца и хороший аппетит.

Бор отвечает за процесс роста, в особенности у растений.

Калий обеспечивает коллоидные свойства цитоплазмы, образование белков и нормальную работу сердца.

Натрий также обеспечивает правильный ритм сердечной деятельности.

Сера участвует в образовании некоторых аминокислот.

Фосфор участвует в образовании огромного количества незаменимых соединений, таких, как нуклеотиды, некоторые ферменты, АМФ, АТФ, АДФ.

И только роль ультрамикроэлементов пока абсолютно неизвестна.

Но одни только неорганические вещества клетки не смогли бы сделать ее полноценной и живой. Органические вещества важны не менее, чем они.

К относятся углеводы, липиды, ферменты, пигменты, витамины и гормоны.

Углеводы делятся на моносахариды, дисахариды, полисахариды и олигосахариды. Моно- ди- и полисахариды являются основным источником энергии для клетки и организма, а вот нерастворяющиеся в воде олигосахариды склеивают соединительную ткань и защищают клетки от неблагоприятного внешнего воздействия.

Липиды делятся на собственно жиры и липоиды - жироподобные вещества, образующие ориентированные молекулярные слои.

Ферменты являются катализаторами, ускоряющими биохимические процессы в организме. Кроме того, ферменты уменьшают количество потребляемой на придание реакционной способности молекуле энергии.

Витамины необходимы для регуляции окисляемости аминокислот и углеводов, а также для полноценного роста и развития.

Гормоны необходимы для регулирования жизнедеятельности организма.

Химический состав клеток растений и животных весьма сходен, что говорит о единстве их происхождения. В клетках обнаружено более 80 химических элементов.

Химические элементы, имеющиеся в клетке, делят на 3 большие группы : макроэлементы , мезоэлементы, микроэлементы .

К макроэлементы относятся углерод, кислород, водород и азот. Мезоэлементы - это сера, фосфор, калий, кальций, железо. Микроэлементы - цинк, йод, медь, марганец и другие.

Биологически важные химические элементы клетки:

Азот - структурный компонент белков и НК.

Водород - входит в состав воды и всех биологических соединений.

Магний - активирует работу многих ферментов; структурный компонент хлорофилла.

Кальций - основной компонент костей и зубов.

Железо - входит в гемоглобин.

Йод - входит в состав гормона щитовидной железы.

Вещества клетки делят на органические (белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы, АТФ) и неорганические (вода и минеральные соли).

Вода составляет до 80% массы клетки, играет важную роль :

· вода в клетке является растворителем

· переносит питательные вещества;

· с водой происходит удаление из организма вредных веществ;

· большая теплоемкость воды;

· испарение воды способствует охлаждению животных и растений.

· придает клетке упругость.

Минеральные вещества :

· участвуют в поддержании гомеостаза, регулируя поступление воды в клетку;

· калий и натрий обеспечивают перенос веществ через мембрану и участвуют в возникновении и проведении нервного импульса.

· минеральные соли, в первую очередь, фосфаты и карбонаты кальция, придают твердость костной ткани.

Решить задачу на генетику крови человека

Белки, их роль в организме

Белок - органические вещества, встречающие во всех клетках, которые состоят из мономеров.

Белок - высокомолекулярный непериодический полимер.

Мономером является аминокислота (20).

Аминокислоты содержат аминогруппу, карбоксильную группу и радикал. Соединяются аминокислоты между собой с образованием пептидной связи. Белки чрезвычайно разнообразны, например, в организме человека их свыше 10 млн.

Разнообразие белков зависит от:

1. разной последовательности АК

2. от размера

3. от состава

Структуры белка

Первичная структура белка - последовательность аминокислот, соединенных пептидной связью (линейная структура).

Вторичная структура белка - спиралевидная структура.

Третичная структура белка - глобула (клубочковидная структура).

Четвертичная структура белка - состоит из нескольких глобул. Характерна для гемоглобина и хлорофилла.

Свойства белков

1. Комплементарность: способность белка по форме подходить к какому-нибудь другому веществу как ключ к замку.

2. Денатурация : нарушение естественной структуры белка (температура, кислотность, соленость, присоединение других веществ и т.п.). Примеры денатурации: изменение свойств белка при варке яиц, переход белка из жидкого состояния в твердое.

3. Ренатурация - восстановление структуры белка, если не была нарушена первичная структура.

Функции белка

1. Строительная: образование всех клеточных мембран

2. Каталитическая: белки - катализаторы; ускоряют химические реакции

3. Двигательная: актин и миозин входят в состав мышечных волокон.

4. Транспортная: перенос веществ к различным тканям и органам тела (гемоглобин - белок, входит в состав эритроцитов)

5. Защитная: антитела, фибриноген, тромбин -- белки, участвующие в выработке иммунитета и свертывании крови;

6. Энергетическая: участвуют в реакциях пластического обмена для построения новых белков.

7. Регуляторная: роль гормона инсулина в регуляции содержания сахара в крови.

8. Запасающая: накопление белков в организме в качестве запасных питательных веществ, например в яйце, молоке, семенах растений.

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 + , Ca 2+ , Mg 2+ ; анионы – Cl - , HCO 3 - , H 2 РО 4 - .

3. 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:

H 2 N – CH – COOH

В состав аминокислот входят NH 2 – 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:

CH 2 -O-C(O)-R¹

CH 2 -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 (Н 2 О) 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.

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.

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.

В состав живой клетки входят те же химические элементы, которые входят в состав неживой природы. Из 104 элементов периодической системы Д. И. Менделеева в клетках обнаружено 60.

Их делят на три группы:

1. основные элементы - кислород, углерод, водород и азот (98% состава клетки);
2. элементы, составляющие десятые и сотые доли процента,- калий, фосфор, сера, магний, железо, хлор, кальций, натрий (в сумме 1,9%);
3. все остальные элементы, присутствующие в еще более малых количествах,- микроэлементы.

Молекулярный состав клетки сложный и разнородный. Отдельные соединения - вода и минеральные соли - встречаются также в неживой природе; другие - органические соединения: углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты и др.- характерны только для живых организмов.

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА

Вода составляет около 80% массы клетки; в молодых быстрорастущих клетках - до 95%, в старых - 60%.

Роль воды в клетке велика.

Она является основной средой и растворителем, участвует в большинстве химических реакций, перемещении веществ, терморегуляции, образовании клеточных структур, определяет объем и упругость клетки. Большинство веществ поступает в организм и выводится из него в водном растворе. Биологическая роль воды определяется специфичностью строения: полярностью ее молекул и способностью образовывать водородные связи, за счет которых возникают комплексы из нескольких молекул воды. Если энергия притяжения между молекулами воды меньше, чем между молекулами воды и вещества, оно растворяется в воде. Такие вещества называют гидрофильными (от греч. «гидро» - вода, «филее» - люблю). Это многие минеральные соли, белки, углеводы и др. Если энергия притяжения между молекулами воды больше, чем энергия притяжения между молекулами воды и вещества, такие вещества нерастворимы (или слаборастворимы), их называют гидрофобными (от греч. «фобос» - страх) - жиры, липиды и др.

Минеральные соли в водных растворах клетки диссоциируют на катионы и анионы, обеспечивая устойчивое количество необходимых химических элементов и осмотическое давление. Из катионов наиболее важны К + , Na + , Са 2+ , Mg + . Концентрация отдельных катионов в клетке и во внеклеточной среде неодинакова. В живой клетке концентрация К высокая, Na + - низкая, а в плазме крови, наоборот, высокая концентрация Na + и низкая К + . Это обусловлено избирательной проницаемостью мембран. Разность в концентрации ионов в клетке и среде обеспечивает поступление воды из окружающей среды в клетку и всасывание воды корнями растений. Недостаток отдельных элементов - Fe, Р, Mg, Со, Zn - блокирует образование нуклеиновых кислот, гемоглобина, белков и других жизненно важных веществ и ведет к серьезным заболеваниям. Анионы определяют постоянство рН-клеточной среды (нейтральной и слабощелочной). Из анионов наиболее важны НРО 4 2- , Н 2 РO 4 — , Cl — , HCO 3 —

ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА

Органические вещества в комплексе образуют около 20-30% состава клетки.

Углеводы - органические соединения, состоящие из углерода, водорода и кислорода. Их делят на простые - моносахариды (от греч. «монос» - один) и сложные - полисахариды (от греч. «поли» - много).

Моносахариды (их общая формула С n Н 2n О n) - бесцветные вещества с приятным сладким вкусом, хорошо растворимы в воде. Они различаются по количеству атомов углерода. Из моносахаридов наиболее распространены гексозы (с 6 атомами С): глюкоза, фруктоза (содержащиеся в фруктах, меде, крови) и галактоза (содержащаяся в молоке). Из пентоз (с 5 атомами С) наиболее распространены рибоза и дезоксирибоза, входящие в состав нуклеиновых кислот и АТФ.

Полисахариды относятся к полимерам - соединениям, у которых многократно повторяется один и тот же мономер. Мономерами полисахаридов являются моносахариды. Полисахариды растворимы в воде, многие обладают сладким вкусом. Из них наиболее просты дисахариды, состоящие из двух моносахаридов. Например, сахароза состоит из глюкозы и фруктозы; молочный сахар - из глюкозы и галактозы. С увеличением числа мономеров растворимость полисахаридов падает. Из высокомолекулярных полисахаридов наиболее распространены у животных гликоген, у растений - крахмал и клетчатка (целлюлоза). Последняя состоит из 150-200 молекул глюкозы.

Углеводы - основной источник энергии для всех форм клеточной активности (движение, биосинтез, секреция и т. д.). Расщепляясь до простейших продуктов СO 2 и Н 2 O, 1 г углевода освобождает 17,6 кДж энергии. Углеводы выполняют строительную функцию у растений (их оболочки состоят из целлюлозы) и роль запасных веществ (у растений - крахмал, у животных - гликоген).

Липиды - это нерастворимые в воде жироподобные вещества и жиры, состоящие из глицерина и высокомолекулярных жирных кислот. Животные жиры содержатся в молоке, мясе, подкожной клетчатке. При комнатной температуре это твердые вещества. У растений жиры находятся в семенах, плодах и других органах. При комнатной температуре это жидкости. С жирами по химической структуре сходны жироподобные вещества. Их много в желтке яиц, клетках мозга и других тканях.

Роль липидов определяется их структурной функцией. Из них состоят клеточные мембраны, которые вследствие своей гидрофобности препятствуют смешению содержимого клетки с окружающей средой. Липиды выполняют энергетическую функцию. Расщепляясь до СO 2 и Н 2 O, 1 г жира выделяет 38,9 кДж энергии. Они плохо проводят тепло, накапливаясь в подкожной клетчатке (и других органах и тканях), выполняют защитную функцию и роль запасных веществ.

Белки - наиболее специфичны и важны для организма. Они относятся к непериодическим полимерам. В отличие от других полимеров их молекулы состоят из сходных, но нетождественных мономеров - 20 различных аминокислот.

Каждая аминокислота имеет свое название, особое строение и свойства. Их общую формулу можно представить в следующем виде

Молекула аминокислоты состоит из специфической части (радикала R) и части, одинаковой для всех аминокислот, включающей аминогруппу (- NH 2) с основными свойствами, и карбоксильную группу (СООН) с кислотными свойствами. Наличие в одной молекуле кислотной и основной групп обусловливает их высокую реактивность. Через эти группы происходит соединение аминокислот при образовании полимера - белка. При этом из аминогруппы одной аминокислоты и карбоксила другой выделяется молекула воды, а освободившиеся электроны соединяются, образуя пептидную связь. Поэтому белки называют полипептидами.

Молекула белка представляет собой цепь из нескольких десятков или сотен аминокислот.

Молекулы белков имеют огромные размеры, поэтому их называют макромолекулами. Белки, как и аминокислоты, обладают высокой реактивностью и способны реагировать с кислотами и щелочами. Они различаются по составу, количеству и последовательности расположения аминокислот (число таких сочетаний из 20 аминокислот практически бесконечно). Этим объясняется многообразие белков.

В строении молекул белков различают четыре уровня организации (59)

• Первичная структура - полипептидная цепь из аминокислот, связанных в определенной последовательности ковалентными (прочными) пептидными связями.
• Вторичная структура - полипептидная цепь, закрученная в тугую спираль. В ней между пептидными связями соседних витков (и другими атомами) возникают малопрочные водородные связи. В комплексе они обеспечивают довольно прочную структуру.
• Третичная структура представляет собой причудливую, но для каждого белка специфическую конфигурацию - глобулу. Она удерживается малопрочными гидрофобными связями или силами сцепления между неполярными радикалами, которые встречаются у многих аминокислот. Благодаря их многочисленности они обеспечивают достаточную устойчивость белковой макромолекулы и ее подвижность. Третичная структура белков поддерживается также за счет ковалентных S - S (эс - эс) связей, возникающих между удаленными друг от друга радикалами серосодержащей аминокислоты - цистеина.
• Четвертичная структура типична не для всех белков. Она возникает при соединении нескольких белковых макромолекул, образующих комплексы. Например, гемоглобин крови человека представляет комплекс из четырех макромолекул этого белка.

Такая сложность структуры белковых молекул связана с разнообразием функций, свойственных этим биополимерам. Однако строение белковых молекул зависит от свойств окружающей среды.

Нарушение природной структуры белка называют денатурацией . Она может возникать под воздействием высокой температуры, химических веществ, лучистой энергии и других факторов. При слабом воздействии распадается только четвертичная структура, при более сильном - третичная, а затем - вторичная, и белок остается в виде первичной структуры - полипептидной цепи, Этот процесс частично обратим, и денатурированный белок способен восстанавливать свою структуру.

Роль белка в жизни клетки огромна.

Белки - это строительный материал организма. Они участвуют в построении оболочки, органоидов и мембран клетки и отдельных тканей (волос, сосудов и др.). Многие белки выполняют в клетке роль катализаторов - ферментов, ускоряющих клеточные реакции в десятки, сотни миллионов раз. Известно около тысячи ферментов. В их состав, кроме белка, входят металлы Mg, Fe, Мn, витамины и т. д.

Каждая реакция катализируется своим особым ферментом. При этом действует не весь фермент, а определенный участок - активный центр. Он подходит к субстрату, как ключ к замку. Действуют ферменты при определенной температуре и рН среды. Особые сократительные белки обеспечивают двигательные функции клеток (движение жгутиковых, инфузорий, сокращение мышц и т. д.). Отдельные белки (гемоглобин крови) выполняют транспортную функцию, доставляя кислород ко всем органам и тканям тела. Специфические белки - антитела - выполняют защитную функцию, обезвреживая чужеродные вещества. Некоторые белки выполняют энергетическую функцию. Распадаясь до аминокислот, а затем до еще более простых веществ, 1 г белка освобождает 17,6 кДж энергии.

Нуклеиновые кислоты (от лат. «нуклеус» - ядро) впервые обнаружены в ядре. Они бывают двух типов - дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК). Биологическая роль их велика, они определяют синтез белков и передачу наследственной информации от одного поколения к другому.

Молекула ДНК имеет сложное строение. Она состоит из двух спирально закрученных цепей. Ширина двойной спирали 2 нм 1 , длина несколько десятков и даже сотен микромикрон (в сотни или тысячи раз больше самой крупной белковой молекулы). ДНК - полимер, мономерами которой являются нуклеотиды - соединения, состоящие из молекулы фосфорной кислоты, углевода - дезоксирибозы и азотистого основания. Их общая формула имеет следующий вид:

Фосфорная кислота и углевод одинаковы у всех нуклеотидов, а азотистые основания бывают четырех типов: аденин, гуанин, цитозин и тимин. Они и определяют название соответствующих нуклеотидов:

• адениловый (А),
• гуаниловый (Г),
• цитозиловый (Ц),
• тимидиловый (Т).

Каждая цепь ДНК представляет полинуклеотид, состоящий из нескольких десятков тысяч нуклеотидов. В ней соседние нуклеотиды соединены прочной ковалентной связью между фосфорной кислотой и дезоксирибозой.

При огромных размерах молекул ДНК сочетание в них из четырех нуклеотидов может быть бесконечно большим.

При образовании двойной спирали ДНК азотистые основания одной цепи располагаются в строго определенном порядке против азотистых оснований другой. При этом против А всегда оказывается Т, а против Г - только Ц. Это объясняется тем, что А и Т, а также Г и Ц строго соответствуют друг другу, как две половинки разбитого стекла, и являются дополнительными или комплементарными (от греч. «комплемент» - дополнение) друг другу. Если известна последовательность расположения нуклеотидов в одной цепи ДНК, то по принципу комплементарности можно установить нуклеотиды другой цепи (см. приложение, задача 1). Соединяются комплементарные нуклеотиды при помощи водородных связей.

Между А и Т возникают две связи, между Г и Ц - три.

Удвоение молекулы ДНК - ее уникальная особенность, обеспечивающая передачу наследственной информации от материнской клетки дочерним. Процесс удвоения ДНК называется редупликацией ДНК. Он осуществляется следующим образом. Незадолго перед делением клетки молекула ДНК раскручивается и ее двойная цепочка под действием фермента с одного конца расщепляется на две самостоятельные цепи. На каждой половине из свободных нуклеотидов клетки, по принципу комплементарности, выстраивается вторая цепь. В результате вместо одной молекулы ДНК возникают две совершенно одинаковые молекулы.

РНК - полимер, по структуре сходный с одной цепочкой ДНК, но значительно меньших размеров. Мономерами РНК являются нуклеотиды, состоящие из фосфорной кислоты, углевода (рибозы) и азотистого основания. Три азотистых основания РНК - аденин, гуанин и цитозин - соответствуют таковым ДНК, а четвертое - иное. Вместо тимина в РНК присутствует урацил. Образование полимера РНК происходит через ковалентные связи между рибозой и фосфорной кислотой соседних нуклеотидов. Известны три вида РНК: информационная РНК (и-РНК) передает информацию о структуре белка с молекулы ДНК; транспортная РНК (т-РНК) транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка; рибосомная РНК (р-РНК) содержится в рибосомах, участвует в синтезе белка.

АТФ - аденозинтрифосфорная кислота - важное органическое соединение. По структуре это нуклеотид. В его состав входит азотистое основание аденин, углевод - рибоза и три молекулы фосфорной кислоты. АТФ - неустойчивая структура, под влиянием фермента разрывается связь между «Р» и «О», отщепляется молекула фосфорной кислоты и АТФ переходит в