Неорганические вещества клетки. Неорганические вещества имеют малый молекулярный вес, встречаются и синтезируются как в живой клетке, так и в неживой природе.
В клетке эти вещества представлены главным образом водой и растворенной в ней солями.
Вода составляет около 70 клетки.
Благодаря своему особому свойству поляризации молекул вода играет огромную роль в жизни клетки.
Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
Электрохимическая структура молекулы такова, что на кислороде имеется небольшой избыток отрицательного заряда, а на атомах водорода - положительного, то есть молекула воды имеет две части, которые притягивают другие молекулы воды разноименно заряженными частями.
Это приводит к увеличению связи между молекулами, что в свою очередь определяет жидкое агрегатное состояние при температурах от 0 до 100 0 С, несмотря на относительно малый молекулярный вес. Вместе с тем, поляризованные молекулы воды обеспечивают лучшую растворимость солей.
Роль воды в клетке 1. Вода является средой клетки, в ней протекают все биохимические реакции. 2. Вода осуществляет транспортную функцию. 3. Вода является растворителем неорганических и некоторых органических веществ. 4. Вода сама участвует в некоторых реакциях например, фотолиз воды . 6 Соли находятся в клетке, как правило, в растворенном виде, то есть в виде анионов отрицательно заряженных ионов и катионов положительно заряженных ионов. Важнейшими анионами клетки являются гидроскид OH карбонат CO 3 2 гидрокарбонат CO 3 фосфат PO 4 3 гидрофосфат HPO 4 2 дигидрофосфат H 2 PO 4 Роль анионов огромна. Фосфат обеспечивает образование макроэргических связей химических связей с большой энергией. Карбонаты обеспечивают буферные свойства цитоплазмы.
Буферность - это способность поддерживать постоянной кислотность раствора.
К важнейшим катионам относятся протон H , калий K , натрий Na. Протон участвует во многих биохимических реакциях, а так же своей концентрацией определяет такую важную характеристику цитоплазмы как ее кислотность. Ионы калия и натрия обеспечивают такой важное свойство клеточной мембраны как проводимость электрического импульса. 1.2.3. УГЛЕВОДЫ Органические вещества клетки представлены различными биохимическими полимерами, то есть такими молекулами, которые состоят из многочисленных повторений более простых, сходных по структуре участков мономеров. Органическими составляющими клетки являются углеводы, жиры и жироподобные вещества, белки и аминокислоты, нуклеиновые кислоты и нуклеиновые основания. К углеводам относятся органические вещества, имеющие общую химическую формулу C n H 2 O n. По строению углеводы делят на моносахара, олигосахара и полисахара.
Моносахара представляют собой молекулы в виде одного кольца, включающего, как правило, пять или шесть атомов углерода.
Пятиуглеродные сахара - рибоза, дезоксирибоза. Шестиуглеродные сахара - глюкоза, фруктоза, галактоза. Олигосахара - это результат объединения небольшого числа моносахаров дисахара, трисахара и т.п. наиболее распространенными являются, например, тростниковый свекловичный сахар - сахароза, состоящая из двух молекул глюкозы и 7 фруктозы солодовый сахар - мальтоза, образованная двумя молекулами глюкозы молочный сахар - лактоза, образован молекулой галактозы и молекулой глюкозы.
Полисахара - крахмал, гликоген, целлюлоза, состоят из огромного количества моносахаров, связанных между собой в более или менее разветвленные цепи. Роль углеводов в клетке. 1. Энергетическая. Моно - и олигосахара являются важным источником энергии для любой клетки. Расщепляясь, они выделяют энергию, которая запасается в виде молекул АТФ, которые используется во многих процессах жизнедеятельности клетки и всего организма.
Конечными продуктами расщепления всех углеводов являются углекислый газ и вода. 2. Запасательная. Моно- и олигосахара благодаря своей растворимости быстро усваиваются клеткой, легко мигрируют по организму, поэтому непригодны для длительного хранения. Роль запаса энергии играют огромные нерастворимые в воде молекулы полисахаров. У растений, например, это - крахмал, а у животных и грибов - гликоген. Для использования этих запасов организм должен сначала превратить полисахара в моносахара. 3. Строительная.
Подавляющее большинство растительных клеток имеют плотные стенки из целлюлозы, обеспечивающей растениям прочность, упругость и защиту от большой потери влаги. 4. Структурная. Моносахара могут соединяться с жирами, белками и другими веществами. Например, рибоза входит в состав всех молекул РНК, а дезоксирибоза - в ДНК. 1.2.4. ЖИРЫ и ЖИРОПОДОБНЫЕ ВЕЩЕСТВА Жиры, как и сахара также состоят из атомов углерода, кислорода и водорода, но относительное содержание в них кислорода меньше.
Молекула жира образуется четырьмя компонентами глицерином и связанными с ним тремя жирными кислотами. Жирные кислоты представляют длинные полимерные цепи из атомов углерода. Каждая такая цепь заканчивается карбоксильной группой. От строения жирных кислот зависят свойства жира. Если жирные 8 кислоты, входящие в состав жира имеют ненасыщенные двойные связи, то такой жир при комнатной температуре жидкий, например подсолнечное, оливковое, льняное и другие растительные масла.
Если же жирные кислоты имеют только насыщенные связи, то они при тех же условиях - твердые вещества говяжье, баранье, свиное сало, сливочное масло и другие животные жиры. Важнейшим свойством всех жиров является гидрофобность, то есть способность отталкивать воду. К жироподобным веществам относится разнообразная группа органических веществ фосфолипиды, каротиноиды, стероиды, которые, несмотря на существенные различия в строении имеют также хорошо выраженные гидрофобные свойства.
Функции жиров и жироподобных веществ в клетке и в организме следующие. 1. Строительная. Мембрана клетки и все мембранные органеллы клетки содержат два слоя фосфолипидов. 2. Энергетическая. При расщеплении жира выделяется в два раза больше энергии, чем при расщеплении одинакового количества углеводов, поэтому жиры являются более экономичной формой хранения химической энергии. Конечными продуктами расщепления всех жиров являются углекислый газ и вода. 3. Теплоизоляционная.
Жир плохо проводит тепло, поэтому подкожные запасы жира предохраняют животных, обитающих в высоких широтах киты, моржи, тюлени от потери тепла. 4. Витаминная. Ряд витаминов представляют собой жироподобные вещества. К ним относятся витамин Е , бетта-каротин провитамин А , витамин А , витамин D . 5. Гормональная. Мужские и женские половые гормоны позвоночных животных являются стероидами. 1.2.5. БЕЛКИ Белки это биологические полимеры, мономерами которых являются аминокислоты.
Одна молекула белка может содержать тысячи молекул аминокислот. В природе встречается 20 различных аминокислот глицин, лейцин, аланин, фенилаланин, серин и 9 др. Каждая аминокислота имеет аминогруппу -NH 2 , карбоксильную группу - COOH и так называемый радикал. Аминокислоты отличаются друг от друга строением радикалов, количеством амино- и карбоксильных групп. В молекуле белка аминокислоты расположены линейно, связываясь между собой так, что аминогруппа одной аминокислоты ковалентно соединяется с карбоксильной группой соседней аминокислоты.
Такая связь между двумя различными аминокислотами называется пептидной. При ее образовании выделяется одна молекула воды. Белки имеют несколько уровней организации первичный, вторичный, третичный и четвертичный. Первичная структура белка - это цепь связанных пептидными связями молекул аминокислот. Вторичная структура - это результат спирального скручивания первичной структуры, она образованна и поддерживается благодаря водородным связям между различными витками цепи. Третичная структура белка - это результат сложной укладки вторично скрученной белковой молекулы в структуру различной конфигурации например, в виде петли, клубка, кольца и пр Третичная структура поддерживается благодаря ковалентным связям между атомами серы, принадлежащим разным аминокислотам.
Белки проявляют свои биологические свойства именно на третичной структуре. Некоторые белки имеют и четвертичную организацию, которая является результатом объединение нескольких третичных структур.
Как правило, в создании четвертичной структуры принимает участие атом металла. Например, белок крови гемоглобин состоит из четырех молекул миоглобина, связанных атомом железа. Разрушение третичной и вторичной структур белка называется денатурацией. Она наблюдается при нагреве белка или изменении кислотности раствора, в котором белок находится. Денатурация - процесс обратимый при восстановлении прежних условий белок восстанавливает свою структуру.
Разрушение первичной структуры пептидных связей называется расщеплением белка. Этот процесс необратим. 10 Функции белков в клетке следующие. 1. Ферментативная. Важнейшая функция белка. Фермент - это катализатор биохимической реакции. Он ускоряет протекание реакции в клетке в сотни и тысячи раз, сам при этом не участвует в реакции. Важно запомнить две особенности всех биохимических реакций, протекающих в клетке 1. все эти реакции протекают только в присутствии ферментов 2. все ферменты клетки - это белки. Ферменты обладают следующими свойствами а каждый фермент может ускорять только один тип биохимической реакции, б каждый фермент работает в строго определенных температурных и кислотных условиях. 2. Строительная.
Все мембранные структуры клетки содержат в своем составе белки. Нередко трудно разграничить строительную и ферментативную функции белка, так как, многие белки мембран являются ферментами. 3. Транспортная. Некоторые белки способны осуществлять перенос различных молекул или элементарных частиц.
Например, белки-цитохромы отвечают за перенос электронов гемоглобин - за перенос кислорода и углекислого газа. 4. Защитная. В крови животных находятся специальные белки, способные нейтрализовать возбудителей болезней, склеиваться с чужеродными и вредными веществами. Такие белки называются антителами . 5. Гормональная. Некоторые белки играют роль гормонов. Например, гормон поджелудочной железы инсулин, регулирующий содержание сахара в крови. 6. Энергетическая.
Все белки в клетке рано или поздно расщепляются до конечных продуктов распада углекислого газа, воды, аммиака, сероводорода и солей. В результате такого расщепления выделяется энергия, часть которой запасается в виде молекул АТФ. 11 1.2.6. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ Нуклеиновые кислоты это биологические полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Молекулы нуклеиновых кислот, как правило, больше молекул белков. В клетке встречаются две разновидности нуклеиновых кислот дезоксирибонуклеиновая кислота ДНК и рибонуклеиновая кислота РНК . Каждая из них образована многократным повторением нуклеотидов четырех типов.
Каждый нуклеотид состоит из трех частей a. Азотистое основание b. Пятиуглеродный сахар c. Фосфат. В нуклеотидах ДНК встречаются четыре типа азотистых основания, по названию которых даются названия нуклеотидам адениновое основание - встречается в аденине А , тиминовое основание - в тимине т, цитозиновое - в цитозине Ц , гуаниновое - в гуанине Г . Эти азотистые основания обладают уникальным свойством они способны образовывать комплиментарные связи, то есть связи строго соответствия одного основания другому.
Так, например, адениновое основание может связаться только с тиминовым, а цитозиновое - с гуаниновым. Химически комплиментарные связи являются водородными. В молекулах РНК также встречаются четыре типа азотистых оснований, но тимин заменен урацилом. В нуклеотидах бывают две разновидности пятиуглеродного сахара в ДНК - дезоксирибоза, в РНК - рибоза.
Эти сахара совместно с фосфатами обеспечивают ковалентные связи нуклеотидов в цепочке нуклеиновой кислоты. Таким образом, ДНК отличается от РНК по составу. В ДНК встречается дезоксирибоза и есть тимин. В РНК тимин заменен урацилом, а вместо дезоксирибозы встречается рибоза. Отличия между нуклеиновыми кислотами заключаются также и в структуре молекул. Так если РНК представляют собой одинарную цепочку нуклеотидов, то ДНК образована двойной цепочкой из двух поли- 12 мерных нитей спирально скрученных друг относительно друга направо.
Обе нити являются комплиментарными друг другу то есть напротив тимина одной нити находится аденин другой нити, а напротив гуанина одной нити лежит цитозин другой. Водородные связи между комплиментарными нуклеотидами довольно слабы, но повторенные многократно по всей длине молекулы ДНК они обеспечивают достаточно прочную связь между обеими нитями Рис. 1 . А-А-Т-Г-Г-А-А-Г-Т-Г Т-Т-А-Ц-Ц-Т-Т-Ц-А-Ц Рисунок 1 . Строение участка молекулы ДНК. Точками обозначены водородные связи комплиментарных нуклеотидов, расположенных в разных цепях, а черточками - ковалентные связи между соседними нуклеотидами одной цепи. Молекулы ДНК в клетках находятся в постоянной связи со специальными белками, защищающими ДНК от мутаций, а также обеспечивающими ее удвоение и другие реакции.
ДНК может существовать в одном из двух состояний 1. В виде хроматина - тонких невидимых в световой микроскоп нитей 2. В виде хромосом - толстых укороченных, хорошо различимых в световой микроскоп образований.
Каждая хромосома образуется в результате специальной укладки, скручивания одной из хроматиновой нити. Все хромосомы клетки имеют утолщенные участки - теломеры и тонкие перехваты между ними - центромеры. Рис 2 . Превращение хроматина в хромосомы происходит только в период деления клетки. В это время хорошо заметно, что хромосомы отличаются друг от друга деталями строения длиной, размерами теломер. Эти различающиеся внешним строением хромосо- 13 мы, отличаются и более существенными свойствами они несут в себе совершенно различные гены. Такие хромосомы, не имеющие общих генов, называются хромосомами разного сорта или негомологичными хромосомами . центромера теломеры Рисунок 2 . Строение хромосомы.
Все виды живых организмов имеют строго определенное число негомологичных хромосом. Например, любая клетка человека имеет 23 негомологичных хромосомы, клетки голубя - 40, клетки березы - 42, а клетки лука - 8. Однако в клетках всех организмов хромосом в два раза больше, чем число негомологичных хромосом, так как каждый сорт хромосом представлен двумя штуками.
Хромосомы одного сорта называются гомологичными. Гомологичные хромосомы имеют одинаковое внешнее строение и сходный состав генов. Удвоенный набор хромосом принято называть диплоидным. Полный, диплоидный, набор клетки человека 46 хромосомами, у голубя -80, у березы 84, у лука 16. Функции и места локализации нуклеиновых кислот в клетке различны. ДНК находится в ядре клетки и выполняет функции хранения наследственной информации и передачи ее дочерним клеткам при делении материнской.
РНК в клетке представлена тремя разновидностями информационной и-РНК , транспортной т-РНК и рибосомной р-РНК . Все они синтезируются в ядре на особых участках ДНК, а затем поступают в цитоплазму, где вы- 14 полняют различные функции. Информационная РНК является копией гена и играет роль матрицы при синтезе белка. Транспортная РНК отвечает за доставку аминокислот к месту синтеза белка.
Рибосомная РНК способствует образованию последовательности из аминокислот в цепочке синтезируемого белка. 1.2.7. АДЕНОЗИНТРИФОСФАТ Все нуклеиновые основания могут участвовать не только в строительстве нуклеиновых кислот, но и соединяться с одним, двумя или тремя фосфатами Р 3 О 4 3 образуя очень важные для клетки молекулы, например аденозинтрифосфат АТФ . Эта молекула является универсальным носителем энергии в виде химической связи фосфатов. АТФ обеспечивает протекание многих реакций синтеза органических соединений, отдавая часть своей энергии с одним фосфатом.
При этом сама молекула АТФ превращается в молекулу АДФ аденозиндифосфат. В свою очередь АДФ может отдать еще один фосфат а, следовательно, и энергию для другой реакции, превратившись теперь в молекулу АМФ аденозинмонофосфат. В химической связи двух фосфатов с аденозином заключается большая энергия, поэтому такие связи принято называть макроэргическими. Уникальность молекул носителей энергии заключается не только в их способности отдавать энергию, но и запасать энергию выделяющуюся в самых разнообразных реакциях. Не трудно понять, что процесс накопления энергии идет в направлении постепенного присоединения фосфатов к аденозину АМФ фосфат АДФ, АДФ фосфат АТФ. Эти реакции присоединения фосфатов называются реакциями фосфорилирования. В зависимости от источника энергии для этих реакций фосфорилирование бывает следующих типов 1. Циклическое фосфорилирование запасается энергия электрона, возбужденного светом при фотосинтезе . 2. Гликолитическое фосфорилирование запасается энергия бескислородного расщепления молекулы глюкозы при гликолизе . 3. Окислительное фосфорилирование запасается энергия окис- 15 ления кислородом молекул молочной кислоты при дыхании . 1.3.