Биология: Учебное пособие. Чебышев Н.В., Гринева Г.Г. - 2010. - 416 с.: ил.
|
|
|
|
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КЛЕТОК
Клетки растений и животных содержат неорганические и органические вещества. К неорганическим относят воду и минеральные вещества. К органическим веществам относят белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты.
Неорганические вещества
Вода - это соединение, которое живая клетка содержит в наибольшем количестве. Вода составляет около 70% массы клетки. Большинство внутриклеточных реакций протекает в водной среде. Вода в клетке находится в свободном и связанном состоянии.
Значение воды для жизнедеятельности клетки определено ее строением и свойствами. Содержание воды в клетках может быть различным. 95% воды находится в клетке в свободном состоянии. Она необходима как растворитель для органических и неорганических веществ. Все биохимические реакции в клетке идут при участии воды. Вода используется для выведения различных веществ из клетки. Вода обладает высокой теплопроводностью и предотвращает резкие колебания температуры. 5% воды находится в связанном состоянии, образуя непрочные соединения с белками.
Минеральные вещества в клетке могут быть в диссоциированном состоянии или в соединении с органическими веществами.
Химические элементы, которые участвуют в процессах обмена веществ и обладают биологической активностью, называют биогенными.
Цитоплазма содержит около 70% кислорода, 18% углерода, 10% водорода, кальций, азот, калий, фосфор, магний, серу, хлор, натрий, алюминий, железо. Эти элементы составляют 99,99% от состава клетки и их называют макроэлементами. Например, кальций и фосфор входят в состав костей. Железо - составная часть гемоглобина.
Марганец, бор, медь, цинк, йод, кобальт - микроэлементы. Они составляют тысячные доли процента от массы клетки. Микроэлементы нужны для образования гормонов, ферментов, витаминов. Они влияют на обменные процессы в организме. Например, йод входит в состав гормона щитовидной железы, кобальт - в состав витамина В12.
Золото, ртуть, радий и др. - ультрамикроэлементы - составляют миллионные доли процента от состава клетки.
Недостаток или избыток минеральных солей нарушает жизнедеятельность организма.
Органические вещества
Кислород, водород, углерод, азот входят в состав органических веществ. Органические соединения представляют собой круп- ные молекулы, называемые полимерами. Полимеры состоят из многих повторяющихся единиц (мономеров). К органическим полимерным соединениям относят углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты, АТФ.
Углеводы
Углеводы состоят из углерода, водорода, кислорода.
Мономерами углеводов являются моносахариды. Углеводы раз- деляют на моносахариды, дисахариды и полисахариды.
Моносахариды - простые сахара с формулой (СН2О)n , где n - любое целое число от трех до семи. В зависимости от числа угле- родных атомов в молекуле различают триозы (3С), тетрозы (4С), пентозы (5С), гексозы (6С), гептозы (7С).
Триозы С3Н6О3 - например глицеральдегид и дигидроксиацетон - играют роль промежуточных продуктов в процессе дыхания, уча- ствуют в фотосинтезе. Тетрозы С4Н8О4 встречаются у бактерий. Пентозы С5Н10О5 - например рибоза - входит в состав РНК, дезоксирибоза входит в состав ДНК. Гексозы - С6Н12О6 - например глюкоза, фруктоза, галактоза. Глюкоза - источник энергии для клетки. Вместе с фруктозой и галактозой глюкоза может участвовать в образовании дисахаридов.
Дисахариды образуются в результате реакции конденсации между двумя моносахаридами (гексозами) с потерей молекулы воды.
Формула дисахаридов С12Н22О11 Среди дисахаридов наиболее широко распространены мальтоза, лактоза и сахароза.
Сахароза, или тростниковый сахар, синтезируется у растений. Мальтоза образуется из крахмала в процессе его переваривания в организме животных. Лактоза, или молочный сахар содержится только в молоке.
Полисахариды (простые) образуются в результате реакции конденсации большого числа моносахаридов. К простым полисахаридам относят крахмал (синтезируется у растений), гликоген (содержится в клетках печени и мышцах животных и человека), целлюлозу (образует клеточную стенку у растений).
Сложные полисахариды образуются в результате взаимодействия углеводов с липидами. Например, гликолипиды входят в состав мембран. К сложным полисахаридам относят также соединения углеводов с белками (гликопротеиды). Например, гликопротеиды входят в состав слизи, выделяемой железами желудоч- но-кишечного тракта.
Функции углеводов:
1. Энергетическая: 60% энергии организм получает при распаде углеводов. При расщеплении 1 г углеводов выделяется 17,6 кДж энергии.
2. Структурная и опорная: углеводы входят в состав плазматической мембраны, оболочки растительных и бактериальных клеток.
3. Запасающая: питательные вещества (гликоген, крахмал) откладываются в запас в клетках.
4. Защитная: секреты (слизь), выделяемые различными железами, предохраняют стенки полых органов, бронхов, желудка, кишечника от механических повреждений, вредных бактерий и вирусов.
5. Участвуют в фотосинтезе.
Жиры и жироподобные вещества
Жиры состоят из углерода, водорода, кислорода. Мономерами жиров являются жирные кислоты и глицерин. Свойства жиров определяются качественным составом жирных кислот и их количественным соотношением. Растительные жиры жидкие (масла), животные - твердые (например сало). Жиры нерастворимы в воде - это гидрофобные соединения. Жиры, соединяясь с белками, образуют липопротеиды, соединяясь с углеводами - гликолипиды. Гликолипиды и липопротеиды - это жироподобные вещества.
Жироподобные вещества входят в состав мембран клеток, мембранных органелл, нервной ткани. Жиры могут соединяться с глюко- зой и образовывать гликозиды. Например, гликозид дигитоксина - вещество, используемое при лечении болезней сердца.
Функции жиров:
1. Энергетическая: при полном распаде 1 г жира до углекислого газа и воды выделяется 38,9 кДж энергии.
2. Структурная: входят в состав клеточной мембраны.
3. Защитная: слой жира защищает организм от переохлаждения, механических ударов и сотрясений.
4. Регуляторная: стероидные гормоны регулируют процессы обмена веществ и размножение.
5. Жир - источник эндогенной воды. При окислении 100 г жира выделяется 107 мл воды.
Белки
В состав белков входят углерод, кислород, водород, азот. Мономерами белка являются аминокислоты. Белки построены из двадцати различных аминокислот. Формула аминокислоты:
В состав аминокислот входят: NH2 - аминогруппа, обладающая основными свойствами; СООН - карбоксильная группа, имеет кислотные свойства. Аминокислоты отличаются друг от друга своими радикалами - R. Аминокислоты - амфотерные соединения. Они соединяются друг с другом в молекуле белка с помощью пептидных связей.
Схема конденсации аминокислот (образование пептидной связи)
Есть первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белка. Порядок, количество и качество аминокислот, входящих в состав молекулы белка, определяют его первичную структуру. Белки первичной структуры могут с помощью водородных связей соединяться в спираль и образовывать вторичную структуру. Полипептидные цепи скручиваются определенным образом в компактную структуру, образуя глобулу (шар) - это тре- тичная структура белка. Большинство белков имеют третичную структуру. Аминокислоты активны только на поверхности глобулы. Белки, имеющие глобулярную структуру, объединяются вместе и образуют четвертичную структуру. Замена одной аминокислоты приводит к изменению свойств белка (рис. 30).
При воздействии высокой температуры, кислот и других факторов может происходить разрушение белковой молекулы. Это явление называется денатурацией (рис. 31). Иногда денатуриро-
Рис. 30. Различные структуры молекул белка.
1 - первичная; 2 - вторичная; 3 - третичная; 4 - четвертичная (на примере гемоглобина крови).
Рис. 31. Денатурация белка.
1 - молекула белка до денатурации;
2 - денатурированный белок;
3 - восстановление исходной молекулы белка.
ванный белок при изменении условий вновь может восстановить свою структуру. Этот процесс называется ренатурацией и возможен лишь тогда, когда не разрушена первичная структура белка.
Белки бывают простые и сложные. Простые белки состоят только из аминокислот: например, альбумины, глобулины, фибриноген, миозин.
Сложные белки состоят из аминокислот и других органических соединений: например, липопротеины, гликопротеины, нук- леопротеины.
Функции белков:
1. Энергетическая. При распаде 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии.
2. Каталитическая. Служат катализаторами биохимических реакций. Катализаторы - ферменты. Ферменты ускоряют биохимические реакции, но не входят в состав конечных продуктов. Ферменты строго специфичны. Каждому субстрату соответствует свой фермент. Название фермента включает название субстрата и окончание «аза»: мальтаза, рибонуклеаза. Ферменты активны при определенной температуре (35 - 45О С).
3. Структурная. Белки входят в состав мембран.
4. Транспортная. Например, гемоглобин переносит кислород и СО2 в крови позвоночных.
5. Защитная. Защита организма от вредных воздействий: выработка антител.
6. Сократительная. Благодаря наличию белков актина и миозина в мышечных волокнах происходит сокращение мышц.
Нуклеиновые кислоты
Существует два типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Мономе- рами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды.
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). В состав нуклеотида ДНК входит одно из азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) или цитозин (Ц) (рис. 32), углевод дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты. Молекула ДНК представляет собой двойную спираль, построенную по принципу комплементарности. В молекуле ДНК комплементарны следующие азотистые основания: А = Т; Г = Ц. Две спирали ДНК соединены водородными связями (рис. 33).
Рис. 32. Строение нуклеотида.
Рис. 33. Участок молекулы ДНК. Комплементарное соединение нуклеотидов разных цепей.
ДНК способна к самоудвоению (репликации) (рис. 34). Репликация начинается с разделения двух комплементарных цепей. Каждая цепь используется в качестве матрицы для образования новой молекулы ДНК. В процессе синтеза ДНК участвуют ферменты. Каждая из двух дочерних молекул обязательно включает одну старую спираль и одну новую. Новая молекула ДНК абсо- лютно идентична старой по последовательности нуклеотидов. Такой способ репликации обеспечивает точное воспроизведение в дочерних молекулах той информации, которая была записана в материнской молекуле ДНК.
Рис. 34. Удвоение молекулы ДНК.
1 - матричная ДНК;
2 - образование двух новых цепей на основе матрицы;
3 - дочерние молекулы ДНК.
Функции ДНК:
1. Хранение наследственной информации.
2. Обеспечение передачи генетической информации.
3. Присутствие в хромосоме в качестве структурного компонента.
ДНК находится в ядре клетки, а также в таких органеллах клетки, как митохондрии, хлоропласты.
РНК (рибонуклеиновая кислота). Рибонуклеиновые кислоты бывают 3 видов: рибосомная, транспортная и информационная РНК. Нуклеотид РНК состоит из одного из азотистых оснований: аденина (А), гуанина (Г), цитозина (Ц), урацила (У), углевода - рибозы и остатка фосфорной кислоты.
Рибосомная РНК (рРНК) в соединении с белком входит в состав рибосом. рРНК составляет 80% от всей РНК в клетке. На рибосомах идет синтез белка.
Информационная РНК (иРНК) составляет от 1 до 10% от всей РНК в клетке. По строению иРНК комплементарна участку молекулы ДНК, несущему информацию о синтезе определенного белка. Длина иРНК зависит от длины участка ДНК, с которого считывали информацию. иРНК переносит информацию о синтезе белка из ядра в цитоплазму к рибосоме.
Транспортная РНК (тРНК) составляет около 10% всей РНК. Она имеет короткую цепь нуклеотидов в форме трилистника и находится в цитоплазме. На одном конце трилистника находится триплет нуклеотидов (антикодон), кодирующий определенную аминокислоту. На другом конце триплет нуклеотидов, к которому при- соединяется аминокислота. Для каждой аминокислоты имеется своя тРНК. тРНК переносит аминокислоты к месту синтеза белка, т.е. к рибосомам (рис. 35).
РНК находится в ядрышке, цитоплазме, рибосомах, митохондриях и пластидах.
АТФ - Аденазинтрифосфорная кислота. Аденазинтрифосфорная кислота (АТФ) состоит из азотистого основания - аденина, сахара - рибозы, и трех остатков фосфорной кислоты (рис. 36). В молекуле АТФ накапливается большое количество энергии, необходимой для биохимических процессов, идущих в клетке. Синтез АТФ происходит в митохондриях. Молекула АТФ очень неустой-
чива и способна отщеплять одну или две молекулы фосфата с выделением большого количества энергии. Связи в молекуле АТФ называют макроэргическими.
АТФ → АДФ + Ф + 40 кДж АДФ→ АМФ + Ф + 40 кДж
Рис. 35. Строение тРНК.
А, Б, В и Г - участки комплементарного соединения внутри одной цепочки РНК; Д - участок (активный центр) соединения с аминокислотой; Е - участок комплементарного соединения с молекулой.
Рис. 36. Строение АТФ и ее превращение в АДФ.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие вещества в клетке относят к неорганическим?
2. Какие вещества в клетке относят к органическим?
3. Что является мономером углеводов?
4. Какое строение имеют углеводы?
5. Какие функции выполняют углеводы?
6. Что является мономером жиров?
7. Какое строение имеют жиры?
8. Какие функции выполняют жиры?
9. Что является мономером белка? 10.Какое строение имеют белки? 11.Какие структуры имеют белки?
12.Что происходит при денатурации белковой молекулы?
13.Какие функции выполняют белки?
14.Какие нуклеиновые кислоты известны?
15.Что является мономером нуклеиновых кислот?
16.Что входит в состав нуклеотида ДНК?
17.Какое строение имеет нуклеотид РНК?
18.Какое строение имеет молекула ДНК?
19.Какие функции выполняет молекула ДНК?
20. Какое строение имеет рРНК?
21.Какое строение имеет иРНК?
22.Какое строение имеет тРНК?
23.Какие функции выполняют рибонуклеиновые кислоты?
24.Какое строение имеет АТФ?
25.Какие функции выполняет АТФ в клетке?
Ключевые слова темы «Химический состав клеток»
авторепродукция аденин
азотистое основание альбумины
аминокислотная группа аминокислоты
амфотерные соединения
антикодон
бактерии
белки
биологическая активность биологический катализатор
биохимические реакции
болезнь
вещества
видовая специфичность
витамины
вода
водородные связи вторичная структура выработка антител высокая температура галактоза гексозы гемоглобин гепарин
гидрофобные соединения
гликоген
гликозиды
гликопротеиды
глицерин
глобула
глобулины
глюкоза
гормоны
гуанин
двойная спираль дезоксирибоза денатурация дисахарид
диссоциированное состояние
ДНК
единица информации живой организм животное жизнедеятельность жирные кислоты жировая ткань жироподобные вещества жиры
запас питательных веществ избыток
индивидуальная специфичность
источник энергии
капли
карбоксильная группа
качество кислота
клеточная стенка кодон
колебание температуры
количество
комплементарность
конечные продукты
кости
крахмал
лактоза
лечение
липопротеиды
макроэлементы
макроэргические связи
мальтоза
масса
мембрана клетки
микроэлементы
минеральные соли
миозин
митохондрии
молекула
молочный сахар
мономер
моносахарид
мукополисахариды
мукопротеиды
наследственная информация недостаток
неорганические вещества нервная ткань нуклеиновые кислоты нуклеопротеиды нуклеотид обмен веществ обменные процессы органические вещества пентозы
пептидные связи первичная структура перенос кислорода плоды
подкожная клетчатка
полимер полисахарид
полупроницаемая мембрана
порядок
потеря
проникновение воды
процент
радикал
разрушение
распад
растворитель
растение
расщепление
реакция конденсации
ренатурация
рибоза
рибонуклеаза
рибосома
РНК
сахар
свертывание крови
свободное состояние
связанное состояние
семена
сердце
синтез белка
слой
слюна
содержание
сократимые белки
строение
субстрат
теплопроводность
тетрозы тимин
тканевая специфичность
третичная структура
трилистник
триозы
триплет
тростниковый сахар углеводы
ультрамикроэлементы
урацил
участок
ферменты
фибриноген
формула
фосфорная кислота фотосинтез фруктоза функция
химические элементы
хлоропласты
хромосома
целлюлоза
цепь
цитозин
цитоплазма
четвертичная структура шар
щитовидная железа
элементы
ядро
ядрышко