 |
|
Химический состав клетки
Неорганические вещества
Химические процессы, протекающие в клетке, одно из основных условий ее жизни, развития, функционирования.
Все клетки животных и растительных организмов сходны по химическому составу.
Из 109 элементов периодической системы Менделеева в клетках представлено значительное их большинство (около 70). Одни элементы содержатся в клетках в относительно большом количестве, другие - в малом. Особенно велико содержание в клетке четырех элементов (макроэлементы): кислорода, углерода, азота и водорода. В сумме они составляют 98 % всего содержимого клетки, Следующую группу составляют 8 элементов, содержание которых в клетке исчисляется десятыми и сотыми процента. Это марганец, сера, фосфор, магний, калий, натрий, железо, кальций, хлор. Все остальные элементы содержатся в клетке в исключительно малых количествах (меньше 0,01 %) - это микроэлементы. (табл.1)
Таким образом, в клетке нет каких-нибудь особенных элементов, характерных только для живой природы. Это указывает на связь и единство живой и неживой природы.
На атомном уровне различий между химическим составом органического и неорганического мира нет. Различия обнаруживаются на более высоком уровне организации - молекулярном. Как видно из таблицы в живых телах наряду с веществами, распространенными в неживой природе, содержится множество веществ, характерных только для живых организмов.
Таблица 1 - Содержание в клетке химических соединений
| С о е д и н е и я , % | |||
| Неорганические | Органические | ||
| Вода Неорганические вещества | 70-80 1,0-1,5 | Белки Углеводы Жиры Нуклеиновые кислоты АТФ и другие низкомолекуляр-ные вещества | 10-20 0,2-2,0 1-5 1,0-2,0 0,1-0,5 |
Вода : на первом месте среди веществ стоит вода. Она составляет почти 80 % массы клетки. Вода - важнейший компонент клетки. Она является хорошим растворителем, обладает теплопроводностью. Ей принадлежит существенная и многообразная роль в жизни клетки.
Минеральные соли: к неорганическим веществам клетки относятся соли. Для процессов жизнедеятельности из входящих в состав солей наиболее важны катионы калия, натрия, кальция, магния, из анионов хлора, гидрокарбоната, нитрофосфата.
Органические вещества клетки
Белки
Из органических веществ клетки на первом месте по количеству и значению стоят белки. Белки или протеины - это вещества, содержащие углерод, водород, кислород, азот и обычно также серу и фосфор. Белкам присуща громадная молекулярная масса. Например, молекулярная масса гемоглобина - белка красных кровяных клеток - 152000, миозина - белок мышц - 500000. Такие молекулы называются макромолекулами.
Строение белков. Среди органических соединений белки самые сложные. Они относятся к высокомолекулярным соединениям - биополимерам, веществам, молекулы состоят из многократно повторяющихся структурных единиц. Белки - непериодические полимеры, мономерами которых являются аминокислоты.
Белки животных организмов состоят главным образом из аминокислот (обычно 20) и при гидролизе распадаются на аминокислоты. Белки - важнейшая составная часть живых организмов: все ферменты, некоторые гормоны и антибиотики относятся к белкам.
Роль белка в жизни клеток организмов:
1) белки - строительный материал организма (оболочки, мембраны, органоиды);
2) каталитическая функция - ферменты, ускоряющие реакции в сотни миллионов раз;
3) двигательная функция - движение жгутиковых, инфузорий, сокращение мышц;
4) транспортная функция - гемоглобины крови;
5) защитная - антитела крови;
6) энергетическая функция - при расщеплении 1 г белков освобождается 17,6 кДж энергии.
Важным этапом в исследовании строения белка явилось установление в них пептидной связи, образованной из карбонильной группы и аминогруппы, входящих в состав различных амикокислот. Впервые важная роль группы -NH-CО- в построении белковой молекулы отмечена А.Д.Данилевским (1888 г).
Из различных аминокислот только a -аминокислоты могут образовывать дипептиды. Например: из a-аминокислот глицина и аланина образуется дипептид - глицил-аланин:
пептидная связь 
H2N — CH2 — C — OH + H — NH — CH — COOH ——› H2N — CH2 — C — NH — CH — COOH
| | | | | |
O CH3 O CH3
В зависимости от числа аминокислотных остатков, входящих в состав молекулы полипептида, различают ди-, три- и т.д. полипептиды.
Установление последовательности расположения аминокислотных остатков в одной или нескольких полипептидных цепях, составляющих молекулу белка, является первоначальной целью при исследовании его структуры. В строении молекул белков различают четыре уровня организации:
1) первичная структура - полипептидная цепь из аминокислот, связанных в определенной последовательности пептидными связями;
2) вторичная структура - полипептидная цепь в виде спирали. Между пептидными связями соседних витков и другими атомами возникают многочисленные водородные связи, обеспечивающие прочную структуру;
3) третичная структура - специфическая для каждого белка конфигурация в виде глобулы;
4) четвертичная структура возникает при соединении нескольких макромолекул, образующих агрегаты.
Нарушение природной структуры белка называется денатурацией, под воздействием высокой температурь, химических веществ, света.
Липиды (жиры):содержатся во всех клетках животных и растений. Они входят в состав многих клеточных структур.
Липиды представляют собой органические вещества, нерастворимые в воде, но растворимые в бензине, эфире, ацетоне.
Из липидов самые распространенные и известные - жиры. Жиры - сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот (триглицериды). Неизменной составной частью животных и растительных жиров является глицерин. Карбоновые кислоты могут быть различны, но преимущественно с четным числом атомов углерода. Большая часть животных и растительных жиров содержит кислоты с 16 и 18 атомами углерода. Предельные: С15Н31СООН -
пальмитиновая кислота, С17Н35СООН - стеариновая кислота. Непредельные:
С17Н33СООН - олеиновая кислота,
СH3 – (CH2)4 – CH = CH – CH2 – CH = (CH2)7COOH -линолевая кислота.
Жиры в присутствии кислотных катализаторов (серной кислоты, сульфокислот) гидролизуются с образованием глицерина и жирных карбоновых кислот:
глицерин
трипальмитин
+ СH3(CH2)14COOH
пальмитиновая кислота
Содержание жира в клетках обычно невелико: 5-10 % (от сухого вещества). Жир содержится в молоке всех млекопитающих. У растений большое количество жира сосредоточено в плодах и семенах, например у подсолнечника, конопли, грецкого ореха.
Кроме жиров в клетках присутствуют и другие липиды, например лицетин, холестерин. К липидам относятся некоторые витамины (А,Д) и гормоны, например половые.
Функции липидов в организме.
Липиды являются:
1) структурными элементами мембран клеток и клеточных органелл;
2) энергетическим материалом (1 г жира окисляясь выделяет 39 кДж энергии);
3) выполняют защитную функцию у морских и полярных животных;
4) защитными веществами;
5) влияют на функционирование нервной системы;
6) источник воды для организма (1 кг жира окисляясь дает 1,1 кг
воды);
Углеводы
Углеводы содержатся в животных клетках в небольшом количестве (около 1 % от массы сухого вещества), в клетках печени и мышц их до 5 %. Растительные же клетки очень богаты углеводами: в высушенных листьях, клубнях картофеля их почти 70 %.
Углеводы представляют собой сложные органические соединения, в их состав входят атомы углерода, кислорода и водорода.
Углеводы подразделяют на моносахариды и полисахариды. Полисахариды делятся на олигосахариды (сахароподобные полисахариды),образованные из нескольких остатков молекул моносахаридов (от двух до 10), простейшими из них являются дисахариды и несахароподобные полисахариды, которые являются высокомолекулярными веществами. Молекулы полисахаридов построены из остатков моносахаридов.
У г л е в о д ы 
num 
4
 | |||
 | |||
Моносахариды Полисахариды
 | |||||||
 | |||||||
 | |||||||
 | |||||||
Пентозы : Гексозы:
рибоза, глюкоза, Сахароподобные Несахароподобные
дезокси- фруктоза
рибоза
В растениях углеводы образуются в результате фотосинтеза
Полисахариды (полиозы) образуются из моносахаридов в результате процесса поликонденсации:
Все моносахариды - бесцветные вещества, хорошо растворимые в воде. Почти все обладают сладким вкусом.
Из дисахаридов важны свекловичный, тростниковый и молочный сахар, из полисахаридов широко распространены крахмал (у растений), гликоген (у животных), клетчатка (целлюлоза). Древесина в основном состоит из целлюлозы.
Биологическая роль углеводов. Углеводы играют роль источника энергии, необходимой для осуществления клеткой различных форм активности. Богатые энергией подвергаются в клетке глубокому расщеплению и в результате превращаются в простые соединения, такие как 
и 
. В ходе этого процесса освобождается энергия. При расщеплении 1 г углевода освобождается 18 кДж. Углеводы также выполняют строительную функцию. Из целлюлозы состоят стенки растительных клеток.
Нуклеиновые кислоты -это сложные соединения, молекулы которых крупнее молекул большинства белков и содержат углерод, кислород, водород, азот и фосфор. Их название обусловлено тем, что они обладают кислотными свойствами и впервые были идентифицированы в клеточных ядрах, от латинского слова нуклеус, т.е. ядро. Существуют два вида нуклеиновых кислот - дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). ДНК - биополимер, состоящий из двух полинуклеотидных цепей. ДНК выполняет функцию хранителя наследственной информации у всех клеток животных и растительных. Молекула ДНК представляет собой две спиральнозакрученные одна вокруг другой нити. Вдоль молекулы ДНК могут быть уложены одна за другой тысячи белковых молекул. Молекулярная масса ДНК очень велика - достигает сотен миллио-
нов. Каждая нить ДНК представляет собой полимер, мономерами которого является нуклеотиды. Нуклеотид - это химическое соединение остатков трех веществ: азотистого основания, углевода (дезоксирибозы) и фосфорной кислоты. ДНК содержится в ядре клетки, а также в митохондриях и хлоропластах. В ядре ДНК входит в состав хромосом, где она находится в соединении с белками.
Принцип комплементарности, лежащий в основе структуры ДНК, позволяет понять, как синтезируются новые молекулы ДНК незадолго перед делением клетки. Этот синтез обусловлен замечательной способностью молекулы ДНК к удвоению и определяет передачу наследственных свойств от материнской клетки к дочерним.
Рибонуклеиновые кислоты (РНК). Структуры РНК сходны со структурами ДНК. РНК, как и ДНК, полинуклеотиды, но, в отличие от ДНК, молекула РНК одноцепочечная. Состав нуклеотидов РНК несколько отличаются от нуклеотидов ДНК. РНК в своем составе имеет углевод не дезоксирибозу, а рибозу, отсюда и название РНК - рибонуклеиновая кислота.
В клетке имеется несколько видов РНК. Все они участвуют в синтезе белка. Значение АТФ в энергетическом обмене
В каждой клетке содержится аденозинтрифосфорная кислота(АТФ). По химической структуре АТФ относится к нуклеотидам. В ней как в каждом нуклеотиде, содержатся остатки азотистого основания (аденина), углевода (рибозы) и фосфорной кислоты. Вместе с тем АТФ существенно отличается от обычных нуклеотидов: вместо одного остатка фосфорной кислоты в ней содержатся 3 остатка.
Одна из важнейших функций клетки - функция обмена веществ - обеспечение клетки энергией. Совокупность реакций, обеспечивающих клетки энергией, называется энергетическим обменом.
Молекулярная структура АТФ нестабильна. Под влиянием специфических ферментов она подвергается гидролизу, т.е. присоединяет молекулу воды и расщепляется:
АТФ + 
АДФ + 
Концевой фосфатный остаток дает при этом фосфорную кислоту, а АТФ превращается в АДФ, т.е. аденозиндифосфорную кислоту. Эта реакция сопровождается освобождением энергии (порядка 40 кДж/моль).
АТФ служит энергетической “валютой” клетки и используется во всех реакциях обмена, требующих затраты энергии. Богатые энергией молекулы не перемещаются свободно из одной клетки в другую, а образуются в том месте, где они должны быть использованы. АТФ играет центральную роль в энергетическом обмене клетки. Она является непосредственным источником энергообеспечения любой клеточной функции. Движение, биосинтез, генерация электричества, света и т.д. - любые виды клеточной активности совершаются за счет энергии, освобождаемой в результате указанной выше реакции гидролиза АТФ.
Но распад АТФ чередуется с непрерывным ее синтезом. Для восполнения израсходованной АТФ и используется энергия, освобождаемая в результате расщепления углеводов, липидов и других веществ. Таким образом АТФ - единый и универсальный источник энергообеспечения клетки.
Способы получения энергии
Живые организмы для жизнедеятельности нуждаются в источниках энергии. По способу ее получения все организмы делятся на 2 группы -автотрофные и гетеротрофные.
Автотрофы- это организмы, питающиеся за счет неорганических соединений.
К ним относятся некоторые бактерии и все зеленые растения. В зависимости от того, какой источник энергии используется автотрофными организмами для синтеза органических соединений, их делят на две группы: фототрофы и хемотрофы.
Для фототрофоф источником энергии служит свет, а хемотрофы используют энергию, освобождающуюся при окислительно-восстановительных реакциях.
Гетеротрофы - это организмы, не способные сами синтезировать органические соединения из неорганических, нуждаются в доставке их из окружающей среды.