ЛЕКЦИЯ №4,5
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ
КЛЕТКИ.
Химический состав клеток растений и животных весьма сходен, что говорит о единстве их происхождения. В клетках обнаружено более 80 хим. элементов. Все элементы делят на три группы:
· макроэлементы. Этокислород,углерод, водород, азот и т.д.
· микроэлементы – маргенец, медь, цинк, кобольт, бром;
· ультрамикроэлементы – золото, серебро, уран. Физиологическая роль большинства этих элементов не установлена.
Все перечисленные элементы входят в состав неорганических и органических веществ живых организмов или содержатся в виде ионов.
Неорганические соединенияклеток представлены водой и минеральными солями.
Самое распространенное неорганическое соединение в клетках живых организмов – вода. Количество воды в клетках зависит от характера обменных процессов: чем они интенсивнее, тем выше содержание воды.
Вода активно участвует в регуляции осмотического давления в клетках. Проникновение молекул растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор вещества называется осмосом, а давление, с которым растворитель (вода) проникает через мембрану, - осмотическим. Величина осмотического давления возрастает с увеличением концентрации раствора. Явление осмоса лежит в основе напряжения стенок растительных клеток (тургор).
По отношению к воде все вещества делятся на гидрофильные (водорастворимые) – минеральные соли, кислоты, щелочи и гидрофобные (водонерастворимые) – жиры, полисахариды, витамины.
Минеральные соли в определенных концентрациях необходимы для нормальной жизнедеятельности клеток. Так, азот, сера входят в состав белков, фосфор – в состав ДНК,РНК и АТФ. Нерастворимые соли кальция и фосфора обеспечивают прочность костной ткани.
Содержание катионов и анионов в клетке и окружающей ее среде (плазме крови) различно благодаря полупроницаемости мембраны.
Анионы слабых кислот и слабые щелочи связывают ионы водорода (Н+) и гидроксила (ОН-), вследствие чего в клетках и межклеточной жидкости на постоянном уровне поддерживается слабощелочная реакция. Это явление называется буферностью.
Органические соединения составляют около 20-30% массы живых клеток. К ним относятся биологические полимеры – белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, а также жиры, гормоны, пигменты, АТФ и др.
Белки составляют 10-18% от общей массы клетки. Белки – это биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Все белки живых организмов построены из 20 аминокислот. Несмотря на это, разнообразие белковых молекул огромно. Они различаются по величине, структуре и функциям, которые определяются количеством и порядком расположения аминокислот.
Белки живых организмов состоят из сотен и тысяч аминокислот, т.е представляют собой макромолекулы. Различные свойства и функции белковых молекул определяются последовательностью соединения аминокислот, которая закодирована в ДНК. Эту последовательность называют первичной структурой молекулы белка. Первичная структура белковой молекулы обусловлена пептидными связями.
Вторичная структура белковой молекулы достигается ее спирализацией благодаря установлению между атомами соседних витков спирали водородных связей.
Многие белковые молекулы становятся функционально активными только после приобретения глобулярной (третичной) структуры. Она формируетсяпутем многократного сворачивания спирали в трехмерное образование – глобулу.
Утрата белковой молекулой своей структурной организации называется денатурацией. Причиной ее могут быть различные химические факторы (кислоты, щелочи) и физические (высокие температура и давление).
Белки выполняют следующие функции:
· Строительную, входят с состав всех клеточных мембран, органоидов, ядерного сока.
· Каталитическую (ферментативную) функцию выполняют белки-ферменты, ускоряющие в сотни тысяч раз течение биохимических реакций в клетках при нормальном давлении и температуре около 37º С. Некоторые ферменты применяются в медицинской практике и пищевой промышленности.
· Транспортная функция белков заключается в переносе веществ, например кислорода (гемоглобин) и некоторых биологически активных веществ (гормоны).
· Двигательная функция белков состоит в том, что все виды двигательных реакций клеток и организмов обеспечиваются специальными сократительными белками – актином и миозином. Они содержатся во всех мышцах, ресничках, жгутиках. Их нити способны сокращаться с использованием энергии АТФ.
· Защитная функция белков связана с выработкой лейкоцитами особых белковых веществ – антител в ответ на проникновение в организм чужеродных белков или микроорганизмов. Примером защитной функции белков может служить превращение фибриногена в фибрин при свертывании крови.
· Сигнальная (рецепторная) функция белков осуществляется белками благодаря способности их молекул изменять свою структуру под влиянием многих химических и физических факторов, вследствие чего клетка или организм воспринимают эти изменения.
· Регуляторная функция осуществляется гормонами, имеющими белковую природу (например, инсулин).
· Энергетическая функция белков заключается в их способности быть источником энергии в клетке.
Углеводы – обязательный компонент как животной, так и растительных клеток. В растительных клетках их содержание достигает 90% сухой массы (в клубнях картофеля), а в животных – 5% (в клетках печени).
Все углеводы подразделяются на моно-, ди- и полисахариды. Все моно- и дисахариды хорошо растворимы в воде и имеют сладкий вкус. Мономером полисахаридов – крахмала, гликогена является глюкоза. Полисахариды практически нерастворимы в воде и не обладают сладким вкусом.
Углеводы выполняют три основные функции:
· строительную (структурную)
· энергетическую
· запасающую
Липиды (жиры) и липоиды являются обязательными компонентами всех клеток. Жиры представляют собой сложные эфиры высокомолекулярных жирных кислот и глицерина, а липоиды - жирных кислот с другими спиртами. Эти соединения нерастворимы в воде.
Жиры выполняют строительную, энергетическую, запасающую и защитную функции. Липиды входят в состав оболочек нервных волокон; являются источником энергии. Накапливаясь в подкожной жировой клетчатке некоторых животных (киты, тюлени), жиры выполняют теплоизоляционную функцию.
Нуклеиновые кислоты имеют первостепенное биологическое значение и представляют собой сложные высокомолекулярные биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Они впервые были обнаружены в ядрах клеток, откуда и их название (nucleus – ядро).
Существует два типа нуклеиновых кислот:
- дезоксирибонуклеиновая (ДНК), которая входит в хроматин ядра, и небольшое количество в некоторых органоидах (митохондрии, пластиды)
- рибонуклеиновая (РНК), содержится в ядрышках, рибосомах, цитоплазме клеток.
Структура молекулы ДНК была впервые расшифрована Дж. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 г. Она представляет собой две полинуклеотидные цепи, соединенные друг с другом .
Мономерами ДНК являются нуклеотиды, в состав которых входят: пятиуглеродный сахар – дезоксирибоза, остаток фосфорной кислоты и азотистое основание. Нуклеотиды отличаются один от другого только азотистыми основаниями. В состав нуклеотидов входят следующие азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин, тимин. Нуклеотиды соединяются в цепочку путем образования ковалентных связей между дезоксирибозой одного и остатком фосфорной кислоты соседнего нуклеотида. Обе цепочки объединяются в одну молекулу водородными связями, возникающими между азотистыми основаниями разных цепочек. Вследствие этого нуклеотиды двух цепочек образуют пары: А – Т, Г – Ц. Строгое соответствие нуклеотидов друг другу в парных цепочках ДНК называется комплементарностью (дополнительностью). Это свойство лежит в основе репликации (самоудвоения) молекулы ДНК, т.е. образования новой молекулы на основе исходной.
Роль ДНК в клетке заключается в хранении, воспроизведении и передаче генетической информации. Благодаря матричному синтезу («старая» цепочка ДНК является матрицей для синтеза «новой») наследственная информация дочерних клеток точно соответствует материнской.
Структура нуклеотидов РНК сходна с ДНК, но имеются следующие отличия: вместо дезоксирибозы в состав нуклеотидов РНК входит пятиуглеродный сахар – рибоза, а вместо азотистого основания тимина – урацил. Остальные три азотистых основания те же: аденин, гуанин, цитозин. По сравнению с ДНК в состав РНК входит меньше нуклеотидов и, следовательно, её молекулярная масса меньше.
В клетках существует три типа РНК: информационная, транспортная, рибосомальная.
Информационная РНК (и – РНК) представляет собой копию определенного участка ДНК (гена). Молекулы и – РНК выполняют роль переносчиков генетической информации от ДНК к месту синтеза белка (в рибосомы) и непосредственно участвуют в сборке его молекул.
Транспортная РНК (т – РНК) транспортирует аминокислоты из цитоплазмы в рибосомы.
Рибосомальная РНК (р – РНК) обеспечивает определенное пространственное взаиморасположение и – РНК и т – РНК.