Кроме характерных для прокариот и эукариот особенностей, клетки растений, животных, грибов и бактерий обладают еще целым рядом особенностей. Так, клетки растений содержат специфические органоиды - хлоропласты , которые обусловливают их способность к фотосинтезу, тогда как у остальных организмов эти органоиды не встречаются. Безусловно, это не означает, что другие организмы не способны к фотосинтезу, поскольку, например, у бактерий он протекает на впячиваниях плазмалеммы и отдельных мембранных пузырьках в цитоплазме.
Растительные клетки, как правило, содержат крупные вакуоли, заполненные клеточным соком. В клетках животных, грибов и бактерий они также встречаются, но имеют совершенно иное происхождение и выполняют другие функции. Основным запасным веществом, встречающимся в виде твердых включений, у растений является крахмал, у животных и грибов - гликоген, а у бактерий - гликоген или волютин.
Еще одним отличительным признаком этих групп организмов является организация поверхностного аппарата: у клеток животных организмов клеточная стенка отсутствует, их плазматическая мембрана покрыта лишь тонким гликокаликсом, тогда как у всех остальных она есть. Это целиком объяснимо, поскольку способ питания животных связан с захватом пищевых частиц в процессе фагоцитоза, а наличие клеточной стенки лишило бы их данной возможности. Химическая природа вещества, входящего в состав клеточной стенки, неодинакова у различных групп живых организмов: если у растений это целлюлоза, то у грибов - хитин, а у бактерий - муреин. Сравнительная характеристика строения клеток растений, животных, грибов и бактерий
| Признак | Бактерии | Животные | Грибы | Растения |
| Способ питания | Гетеротрофный или автотрофный | Гетеротрофный | Гетеротрофный | Автотрофный |
| Организация наследственной информации | Прокариоты | Эукариоты | Эукариоты | Эукариоты |
| Локализация ДНК | Нуклеоид, плазмиды | Ядро, митохондрии | Ядро, митохондрии | Ядро, митохондрии, пластиды |
| Плазматическая мембрана | Есть | Есть | Есть | Есть |
| Клеточная стенка | Муреиновая | - | Хитиновая | Целлюлозная |
| Цитоплазма | Есть | Есть | Есть | Есть |
| Органоиды | Рибосомы | Мембранные и немембранные, в том числе клеточный центр | Мембранные и немембранные | Мембранные и немембранные, в том числе пластиды |
| Органоиды движения | Жгутики и ворсинки | Жгутики и реснички | Жгутики и реснички | Жгутики и реснички |
| Вакуоли | Редко | Сократительные, пищеварительные | Иногда | Центральная вакуоль с клеточным соком |
| Включения | Гликоген, волютин | Гликоген | Гликоген | Крахмал |
Отличия в строении клеток представителей разных царств живой природы приведены на рисунке.
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
Химический состав клетки
В составе живых организмов обнаружено большинство химических элементов Периодической системы элементов Д. И. Менделеева, открытых к настоящему времени. С одной стороны, в них не содержится ни одного элемента, которого не было бы в неживой природе, а с другой стороны, их концентрации в телах неживой природы и живых организмах существенно различаются.
Эти химические элементы образуют неорганические и органические вещества. Несмотря на то, что в живых организмах преобладают неорганические вещества, именно органические вещества определяют уникальность их химического состава и феномена жизни в целом, поскольку они синтезируются преимущественно организмами в процессе жизнедеятельности и играют в реакциях важнейшую роль.
Изучением химического состава организмов и химических реакций, протекающих в них, занимается наука биохимия.
Следует отметить, что содержание химических веществ в различных клетках и тканях может существенно различаться. Например, если в животных клетках среди органических соединений преобладают белки, то в клетках растений - углеводы.
| Химический элемент | Земная кора | Морская вода | Живые организмы |
| O | 49.2 | 85.8 | 65–75 |
| C | 0.4 | 0.0035 | 15–18 |
| H | 1.0 | 10.67 | 8–10 |
| N | 0.04 | 0.37 | 1.5–3.0 |
| P | 0.1 | 0.003 | 0.20–1.0 |
| S | 0.15 | 0.09 | 0.15–0.2 |
| K | 2.35 | 0.04 | 0.15–0.4 |
| Ca | 3.25 | 0.05 | 0.04–2.0 |
| Cl | 0.2 | 0.06 | 0.05–0.1 |
| Mg | 2.35 | 0.14 | 0.02–0.03 |
| Na | 2.4 | 1.14 | 0.02–0.03 |
| Fe | 4.2 | 0.00015 | 0.01–0.015 |
| Zn | < 0.01 | 0.00015 | 0.0003 |
| Cu | < 0.01 | < 0.00001 | 0.0002 |
| I | < 0.01 | 0.000015 | 0.0001 |
| F | 0.1 | 2.07 | 0.0001 |
Макро- и микроэлементы
В живых организмах встречается около 80 химических элементов, однако только для 27 из этих элементов установлены их функции в клетке и организме. Остальные элементы присутствуют в незначительных количествах, и, по-видимому, попадают в организм с пищей, водой и воздухом. Содержание химических элементов в организме существенно различается. В зависимости от концентрации их делят на макроэлементы и микроэлементы.
Концентрация каждого из макроэлементов в организме превышает 0,01 %, а их суммарное содержание - 99 %. К макроэлементам относят кислород, углерод, водород, азот, фосфор, серу, калий, кальций, натрий, хлор, магний и железо. Первые четыре из перечисленных элементов (кислород, углерод, водород и азот) называют также органогенными , поскольку они входят в состав основных органических соединений. Фосфор и сера также являются компонентами ряда органических веществ, например белков и нуклеиновых кислот. Фосфор необходим для формирования костей и зубов.
Без оставшихся макроэлементов невозможно нормальное функционирование организма. Так, калий, натрий и хлор участвуют в процессах возбуждения клеток. Калий также необходим для работы многих ферментов и удержания воды в клетке. Кальций входит в состав клеточных стенок растений, костей, зубов и раковин моллюсков и требуется для сокращения мышечных клеток, а также для внутриклеточного движения. Магний является компонентом хлорофилла - пигмента, обеспечивающего протекание фотосинтеза. Он также принимает участие в биосинтезе белка. Железо, помимо того, что оно входит в состав гемоглобина, переносящего кислород в крови, необходимо для протекания процессов дыхания и фотосинтеза, а также для функционирования многих ферментов.
Микроэлементы содержатся в организме в концентрациях менее 0,01 %, а их суммарная концентрация в клетке не достигает и 0,1 %. К микроэлементам относятся цинк, медь, марганец, кобальт, йод, фтор и др. Цинк входит в состав молекулы гормона поджелудочной железы - инсулина, медь требуется для процессов фотосинтеза и дыхания. Кобальт является компонентом витамина В12, отсутствие которого приводит к анемии. Йод необходим для синтеза гормонов щитовидной железы, обеспечивающих нормальное протекание обмена веществ, а фтор связан с формированием эмали зубов.
Как недостаток, так и избыток или нарушение обмена макро- и микроэлементов приводят к развитию различных заболеваний. В частности, недостаток кальция и фосфора вызывает рахит, нехватка азота - тяжелую белковую недостаточность, дефицит железа - анемию, а отсутствие йода - нарушение образования гормонов щитовидной железы и снижение интенсивности обмена веществ. Уменьшение поступления фтора с водой и пищей в значительной степени обусловливает нарушение обновления эмали зубов и, как следствие, предрасположенность к кариесу. Свинец токсичен почти для всех организмов. Его избыток вызывает необратимые повреждения головного мозга и центральной нервной системы, что проявляется потерей зрения и слуха, бессонницей, почечной недостаточностью, судорогами, а также может привести к параличу и такому заболеванию, как рак. Острое отравление свинцом сопровождается внезапными галлюцинациями и заканчивается комой и смертью.
Недостаток макро- и микроэлементов можно компенсировать путем увеличения их содержания в пище и питьевой воде, а также за счет приема лекарственных препаратов. Так, йод содержится в морепродуктах и йодированной соли, кальций - в яичной скорлупе и т. п.
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
Неорганические вещества
Химические элементы клетки образуют различные соединения - неорганические и органические. К неорганическим веществам клетки относятся вода, минеральные соли, кислоты и др., а к органическим - белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды, АТФ, витамины и др..
Вода (Н 2 О) - наиболее распространенное неорганическое вещество клетки, обладающее уникальными физико-химическими свойствами. У нее нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха. Плотность и вязкость всех веществ оценивается по воде. Как и многие другие вещества, вода может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом (лед), жидком и газообразном (пар). Температура плавления воды - 0°С, температура кипения - 100°С, однако растворение в воде других веществ может изменять эти характеристики. Теплоемкость воды также достаточно велика - 4200 кДж/моль·К, что дает ей возможность принимать участие в процессах терморегуляции. В молекуле воды атомы водорода расположены под углом 105°, при этом общие электронные пары оттягиваются более электроотрицательным атомом кислорода. Это обусловливает дипольные свойства молекул воды (один их конец заряжен положительно, а другой - отрицательно) и возможность образования между молекулами воды водородных связей. Сцепление молекул воды лежит в основе явления поверхностного натяжения, капиллярности и свойств воды как универсального растворителя. Вследствие этого все вещества делятся на растворимые в воде (гидрофильные) и нерастворимые в ней (гидрофобные). Благодаря этим уникальным свойствам предопределено то, что вода стала основой жизни на Земле.
Среднее содержание воды в клетках организма неодинаково и может изменяться с возрастом. Так, у полуторамесячного эмбриона человека содержание воды в клетках достигает 97,5 %, у восьмимесячного - 83 %, у новорожденного снижается до 74 %, а у взрослого человека составляет в среднем 66 %. Однако клетки организма различаются содержанием воды. Так, в костях содержится около 20 % воды, в печени - 70 %, а в мозге - 86 %. В целом можно сказать, что концентрация воды в клетках прямо пропорциональна интенсивности обмена веществ .
Минеральные соли могут находиться в растворенном или нерастворенном состояниях. Растворимые соли диссоциируют на ионы - катионы и анионы. Наиболее важными катионами являются ионы калия и натрия, облегчающие перенос веществ через мембрану и участвующие в возникновении и проведении нервного импульса; а также ионы кальция, который принимает участие в процессах сокращения мышечных волокон и свертывании крови; магния, входящего в состав хлорофилла; железа, входящего в состав ряда белков, в том числе гемоглобина. Важнейшими анионами являются фосфат-анион, входящий в состав АТФ и нуклеиновых кислот, и остаток угольной кислоты, смягчающий колебания рН среды. Ионы минеральных солей обеспечивают и проникновение самой воды в клетку, и ее удержание в ней. Если в среде концентрация солей ниже, чем в клетке, то вода проникает в клетку. Также ионы определяют буферные свойства цитоплазмы, т. е. ее способность поддерживать постоянство слабощелочной рН цитоплазмы, несмотря на постоянное образование в клетке кислотных и щелочных продуктов.
Нерастворимые соли (CaCO 3 , Ca 3 (PO 4) 2 и др.) входят в состав костей, зубов, раковин и панцирей одноклеточных и многоклеточных животных.
Кроме того, в организмах могут вырабатываться и другие неорганические соединения, например кислоты и оксиды. Так, обкладочные клетки желудка человека вырабатывают соляную кислоту, которая активирует пищеварительный фермент пепсин, а оксид кремния пропитывает клеточные стенки хвощей и образует панцири диатомовых водорослей. В последние годы исследуется также роль оксида азота (II) в передаче сигналов в клетках и организме.
Органические вещества
Они составляют 20-30% массы клетки. К ним относятся биополимеры – белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры, АТФ и т.д.
В различные типы клеток входят неодинаковое количество органических соединений. В растительных клетках преобладают сложные углеводы, животных – белки и жиры. Тем не менее каждая группа органических веществ в любом типе клеток выполняет функции: обеспечение энергией, является строительным материалом, несет информацию и т.д.
Белки. Среди органических веществ клетки, белки занимают первое место по количеству и по значению. У животных на них приходится 50% сухой массы клетки.
В организме человека встречается множество типов молекул белков, отличающихся друг от друга и от белков других организмов.
 |
Пептидная связь:
Соединяясь, молекулы образуют: дипептид, трипептид либо полипептид. Это соединение 20 и более аминокислот. Порядок преобразования аминокислот в молекуле самый разнообразный. Это позволяет существование вариантов, которые отличаются требованием и свойствами молекул белка.
Последовательность аминокислот в молекуле называется структурой.
Первичная – линейная.
Вторичная – спиральная.
Третичная – глобулы.
Четвертичная – объединение глобул (гемоглобин).
Утрата молекулой структурной организации называется денатурацией. Она вызывается изменением температуры, РН, облучением. При незначительном воздействии молекула может восстанавливать свои свойства. Это используется в медицине (антибиотики).
Функции белков в клетке разнообразны. Важнейшая – строительная. Белки участвуют в образовании всех клеточных мембран в органоидах. Исключительно важна каталитическая функция – все ферменты – это белки. Двигательную функцию обеспечивают сократимые белки. Транспортная – состоит в присоединении химических элементов и переносе их к тканям. Защитная функция обеспечивается особыми белками – антителами, образующимися в лейкоцитах. Белки служат источником энергии – при полном расщеплении 1г белка выделяется 11,6 кДж.
Углеводы. Это соединения углерода водорода и кислорода. Представлены сахарами. В клетке содержится до 5%. Наиболее богаты – растительные клетки – до 90% массы (картофель, рис). Они делятся на простые и сложные. Простые – моносахара (глюкоза) С 6 Н 12 О 6 , виноградный сахар, фруктоза. Дисахара – (сахароза) С ]2 Н 22 О 11 свекловичный и тростниковый сахар. Полисахара (целлюлоза, крахмал) (C 6 H 10 O 5)n.
Углеводы выполняют в основном строительную и энергетическую функции. При окислении 1г углевода выделяется 17,6 кДж. Крахмал и гликоген служат энергетическим запасом клетки.
Липиды. Это жиры и жироподобные вещества в клетке. Представляют собой сложные эфиры глицерина и высокомолекулярных насыщенных и ненасыщенных кислот. Могут быть твердыми и жидкими – масла. У растений содержатся в семенах, от 5-15% сухого вещества.
Основная функция – энергетическая – при расщеплении 1г жира выделяется 38,9 кДж. Жиры это запасы питательных веществ. Жиры выполняют строительную функцию, являются хорошим теплоизолятором.
Нуклеиновые кислоты. Это сложные органические соединения. Состоят из С, Н 2 ,О 2 ,N 2 , P. Содержатся в ядрах и цитоплазме.
 |
а) ДНК – биологический полинуклеотид, состоящий из двух цепей нуклеотидов. Нуклеотиды – состоят из 4-х азотистых оснований: 2-х пуринов – Аденина и Валина, 2-х пиримединов Цитозина и Гуанина, а также сахара – дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты.
В каждой цепи нуклеотиды соединены ковалентными связями. Цепи нуклеотидов образуют спирали. Спираль ДНК, упакованная белками образует структуру – хромосому.
б) РНК – это полимер, мономерами которого являются нуклеотиды, близкие ДНК, азотистые основания – А, Г, Ц. Вместо тимина есть Урация. Углеводом РНК является рибоза, есть остаток фосфорной кислоты.
Двухцепочные РНК – носители генетической информации. Одноцепочные – переносят информацию о последовательности аминокислот в белке. Существует несколько одноцепочных РНК:
Рибосомная – 3-5 тыс.нуклеотидов;
Информационная – 300-30000 нуклеотидов;
Транспортная – 76-85 нуклеотидов.
Синтез белка осуществляется на рибосомах при участии всех видов РНК.
Контрольные вопросы
1. Клетка – организм или часть его?
2. Элементарный состав клеток.
3. Вода и минеральные вещества.
4. Органические вещества клетки.
Органические соединения составляют в среднем 20-30% массы клетки живого организма. К ним относятся биологические полимеры - белки, нуклеиновые кислоты и углеводы, а также жиры и ряд небольших молекул - гормонов, пигментов, АТФ и многие другие.
В различные типы клеток входит неодинаковое количество органических соединений. В растительных клетках преобладают сложные углеводы - полисахариды, в животных - больше белков и жиров. Тем не менее, каждая из групп органических веществ в любом типе клеток выполняет сходные функции.
Липиды - так называют жиры и жироподобные вещества (липоиды). Относящиеся сюда вещества характеризуются растворимостью в органических растворителях и нерастворимостью (относительной) в воде.
Различают растительные жиры, имеющие при комнатной температуре жидкую консистенцию, и животные - твердую.
Функции липидов:
Структурная - фосфолипиды входят в состав клеточных мембран;
Запасающая - жиры накапливаются в клетках позвоночных животных;
Энергетическая - треть энергии, потребляемой клетками позвоночных животных в состоянии покоя, образуется в результате окисления жиров, которые используются и как источник воды;
Защитная - подкожный жировой слой защищает организм от механических повреждений;
Теплоизоляционная - подкожный жир помогает сохранить тепло;
Электроизоляционная - миелин, выделяемый клетками Шванна, изолирует некоторые нейроны, что во много раз ускоряет передачу нервных импульсов;
Питательная - желчные кислоты и витамин D образуются из стероидов;
Смазывающая - воски покрывают кожу, шерсть, перья животных и предохраняют их от воды; восковым налетом покрыты листья многих растений; воск используется пчелами в строительстве сот;
Гормональная - гормон надпочечников - кортизон и половые гормоны имеют липидную природу, их молекулы не содержат жирных кислот.
При расщеплении 1 г жира выделяется 38,9 кДж энергии.
Углеводы
В состав углеводов входят углерод, водород и кислород. Различают следующие углеводы. При расщеплении 1 г вещества выделяется 17,6 кДж энергии.
Моносахариды , или простые углеводы, которые в зависимости от содержания атомов углерода имеют названия триозы, пентозы, гексозы и т. д. Пентозы - рибоза и дезоксирибоза - входят в состав ДНК и РНК. Гексоза – глюкоза - служит основным источником энергии в клетке.
Полисахариды - полимеры, мономерами которых служат моносахариды гексозы. Наиболее известными из дисахаридов (два мономера) являются сахароза и лактоза. Важнейшими полисахаридами являются крахмал и гликоген, служащие запасными веществами клеток растений и животных, а также целлюлоза - важнейший структурный компонент растительных клеток.
Растения обладают большим разнообразием углеводов, чем животные, так как способны синтезировать их на свету в процессе фотосинтеза. Важнейшие функции углеводов в клетке: энергетическая, структурная и запасающая.
Энергетическая роль состоит в том, что углеводы служат источником энергии в растительных и животных клетках; структурная - клеточная стенка у растений почти полностью состоит из полисахарида целлюлозы; запасающая - крахмал служит запасным продуктом растений. Он накапливается в процессе фотосинтеза в вегетационный период и у ряда растений откладывается в клубнях, луковицах и т. д. В животных клетках эту роль выполняет гликоген, откладывающийся преимущественно в печени.
Белки
Среди органических веществ клетки белки занимают первое место, как по количеству, так и по значению. У животных на них приходится около 50% сухой массы клетки. В организме человека встречается около 5 млн. типов белковых молекул, отличающихся не только друг от друга, но и от белков других организмов. Несмотря на такое разнообразие и сложность строения, белки построены всего из 20 различных аминокислот. Часть белков, входящих в состав клеток органов и тканей, а также аминокислоты, поступившие в организм, но не использованные в синтезе белка, подвергаются распаду с освобождением 17,6 кДж энергии на 1 г вещества.
Белки выполняют в организме много разнообразных функций: строительную (входят в состав различных структурных образований); защитную (специальные белки - антитела - способны связывать и обезвреживать микроорганизмы и чужеродные белки) и др. Кроме этого, белки участвуют в свертывании крови, предотвращая сильные кровотечения, выполняют регуляторную, сигнальную, двигательную, энергетическую, транспортную функции (перенесение некоторых веществ в организме).
Исключительно важное значение имеет каталитическая функция белков. Термин «катализ» означает «развязывание», «освобождение». Вещества, относимые к катализаторам, ускоряют химические превращения, причем состав самих катализаторов после реакции остается таким же, каким был до реакции.
Ферменты
Все ферменты, выполняющие роль катализаторов, - вещества белковой природы, они ускоряют химические реакции, протекающие в клетке, в десятки и сотни тысяч раз. Каталитическую активность фермента обусловливает не вся его молекула, а только небольшой ее участок - активный центр, действие которого очень специфично. В одной молекуле фермента может быть несколько активных центров.
Одни молекулы ферментов могут состоять только из белка (например, пепсин) - однокомпонентные, или простые; другие содержат два компонента: белок (апофермент) и небольшую органическую молекулу - кофермент. Установлено, что в качестве коферментов в клетке функционируют витамины. Если учесть, что ни одна реакция в клетке не может осуществляться без участия ферментов, становится очевидным то важнейшее значение, которое имеют витамины для нормальной жизнедеятельности клетки и всего организма. Отсутствие витаминов снижает активность тех ферментов, в состав которых они входят.
Активность ферментов находится в прямой зависимости от действия целого ряда факторов: температуры, кислотности (pH среды), а также от концентрации молекул субстрата (вещества, на которое они действуют), самих ферментов и коферментов (витаминов и других веществ, входящих в состав коферментов).
Стимулировать или угнетать тот или иной ферментативный процесс может действие различных биологически активных веществ, как-то: гормоны, лекарственные препараты, стимуляторы роста растений, отравляющие вещества и др.
Витамины
Витамины - биологически активные низкомолекулярные органические вещества - участвуют в обмене веществ и преобразовании энергии в большинстве случаев как компоненты ферментов.
Суточная потребность человека в витаминах составляет миллиграммы, и даже микрограммы. Известно более 20 различных витаминов.
Источником витаминов для человека являются продукты питания, в основном растительного происхождения, в некоторых случаях - и животного (витамин D, A). Некоторые витамины синтезируются в организме человека.
Недостаток витаминов вызывает заболевание - гиповитаминоз, полное их отсутствие - авитаминоз, а излишек - гипервитаминоз.
Гормоны
Гормоны - вещества, вырабатываемые железами внутренней секреции и некоторыми нервными клетками - нейрогормонами. Гормоны способны включаться в биохимические реакции, регулируя процессы метаболизма (обмена веществ и энергии).
Характерными особенностями гормонов являются:1)высокая биологическая активность;2)высокая специфичность (гормональные сигналы в «клетки-мишени»);3)дистанционность действия (перенос гормонов кровью на расстояние к клеткам-мишеням);4)относительно небольшое время существования в организме (несколько минут или часов).
Нуклеиновые кислоты
Существует 2 типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая) и РНК (рибонуклеиновая кислота).
АТФ - аденозинтрифосфорная кислота, нуклеотид, состоящий из азотистого основания аденина, углевода рибозы и трех молекул фосфорной кислоты.
Структура неустойчива, под влиянием ферментов переходит в АДФ – аденозиндифосфорную кислоту (отщепляется одна молекула фосфорной кислоты) с выделением 40 кДж энергии. АТФ - единый источник энергии для всех клеточных реакций.
Особенности химического строения нуклеиновых кислот обеспечивают возможность хранения, переноса и передачи по наследству дочерним клеткам информации о структуре белковых молекул, которые синтезируются в каждой ткани на определенном этане индивидуального развития.
Нуклеиновые кислоты обеспечивают устойчивое сохранение наследственной информации и контролируют образование соответствующих им белков-ферментов, а белки-ферменты определяют основные особенности обмена веществ клетки.
2.3. Химический состав клетки. Макро- и микроэлементы. Взаимосвязь строения и функций не-органических и органических веществ (белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, АТФ), входящих в состав клетки. Роль химических веществ в клетке и организме человека.
Химический состав клетки
В составе живых организмов обнаружено большинство химических элементов Периодической си-стемы элементов Д. И. Менделеева, открытых к настоящему времени. С одной стороны, в них не содержится ни одного элемента, которого не было бы в неживой природе, а с другой стороны, их концентрации в телах неживой природы и живых организмах существенно различаются.
Эти химические элементы образуют неорганические и органические вещества. Несмотря на то что в живых организмах преобладают неорганические вещества, именно органические вещества определяют уникальность их химического состава и феномена жизни в целом, поскольку они синтезируются преимущественно организмами в процессе жизнедеятельности и играют в реакциях важнейшую роль.
Изучением химического состава организмов и химических реакций, протекающих в них, занимается наука биохимия.
Следует отметить, что содержание химических веществ в различных клетках и тканях может существенно различаться. Например, если в животных клетках среди органических соединений преобладают белки, то в клетках растений — углеводы.
| Химический элемент | Земная кора | Морская вода | Живые организмы |
| О | 49,2 | 85,8 | 65-75 |
| С | 0,4 | 0,0035 | 15-18 |
| Н | 1,0 | 10,67 | 8-10 |
| N | 0,04 | 0,37 | 1,5-3,0 |
| Р | 0,1 | 0,003 | 0,20-1,0 |
| S | 0,15 | 0,09 | 0,15-0,2 |
| К | 2,35 | 0,04 | 0,15-0,4 |
| Са | 3,25 | 0,05 | 0,04-2,0 |
| Сl | 0,2 | 0,06 | 0,05-0,1 |
| Mg | 2,35 | 0,14 | 0,02-0,03 |
| Na | 2,4 | 1,14 | 0,02-0,03 |
| Fe | 4,2 | 0,00015 | 0,01-0,015 |
| Zn | < 0,01 | 0,00015 | 0,0003 |
| Сu | < 0,01 | < 0,00001 | 0,0002 |
| I | < 0,01 | 0,000015 | 0,0001 |
| F | 0,1 | 2,07 | 0,0001 |
Макро- и микроэлементы
В живых организмах встречается около 80 химических элементов, однако только для 27 из этих эле-ментов установлены их функции в клетке и организме. Остальные элементы присутствуют в незначительных количествах, и, по-видимому, попадают в организм с пищей, водой и воз¬духом. Содержание химических элементов в организме существенно различается. В зависимости от концентрации их делят на макроэлементы и микроэлементы.
Концентрация каждого из макроэлементов в организме превышает 0,01 %, а их суммарное содержание — 99 %. К макроэлементам относят кислород, углерод, водород, азот, фосфор, серу, калий, кальций, натрий, хлор, магний и железо. Первые четыре из перечисленных элементов (кислород, углерод, водород и азот) называют также органогенными, поскольку они входят в со¬став основных органических соединений. Фосфор и сера также являются компонентами ряда органических веществ, например белков и нуклеиновых кислот. Фосфор необходим для формирования костей и зубов.
Без оставшихся макроэлементов невозможно нормальное функционирование организма. Так, калий, натрий и хлор участвуют в процессах возбуждения клеток. Калий также необходим для работы многих ферментов и удержания воды в клетке. Кальций входит в состав клеточных стенок растений, костей, зубов и раковин моллюсков и требуется для сокращения мышечных клеток, а также для внутриклеточного движения. Магний является компонентом хлорофилла — пигмента, обеспечивающего протекание фотосинтеза. Он также принимает участие в биосинтезе белка. Железо, помимо того, что оно входит в состав гемоглобина, переносящего кислород в крови, необходимо для протекания процессов дыхания и фотосинтеза, а также для функционирования многих ферментов.
Микроэлементы содержатся в организме в концентрациях менее 0,01 %, а их суммарная концентрация в клетке не достигает и 0,1%. К микроэлементам относятся цинк, медь, марганец, кобальт, йод, фтор и др. Цинк входит в состав молекулы гормона поджелудочной железы — инсулина, медь требуется для процессов фотосинтеза и дыхания. Кобальт является компонентом витамина В12, отсутствие которого приводит к анемии. Йод необходим для синтеза гормонов щитовидной железы, обеспечивающих нормальное протекание обмена веществ, а фтор связан с формированием эмали зубов.
Содержание химических элементов в различных клетках и организмах неодинаково, в значительной степени оно обусловлено условиями окружающей среды. Так, клетки морских водорослей содержат относительно много йода, позвоночных животных — железа, а моллюсков и ракообразных — меди.
Как недостаток, так и избыток или нарушение обмена макро- и микроэлементов приводят к развитию различных заболеваний. В частности, недостаток кальция и фосфора вызывает рахит, нехватка азота — тяжелую белковую недостаточность, дефицит железа — анемию, а отсутствие йода — нарушение образования гормонов щитовидной железы и снижение интенсивности обмена веществ. Уменьшение поступления фтора с водой и пищей в значительной степени обусловливает нарушение обновления эмали зубов и, как следствие, предрасположенность к кариесу. Свинец токсичен почти для всех организмов. Его избыток вызывает необратимые повреждения головного мозга и центральной нерв¬ной системы, что проявляется потерей зрения и слуха, бессонницей, почечной недостаточностью, судорогами, а также может привести к параличу и такому заболеванию, как рак. Острое отравление свинцом сопровождается внезапными галлюцинациями и заканчивается комой и смертью.
Недостаток макро- и микроэлементов можно компенсировать путем увеличения их содержания в пище и питьевой воде, а также за счет приема лекарственных препаратов. Так, йод содержится в морепродуктах и йодированной соли, кальций — в яичной скорлупе и т. п.
Неорганические вещества клетки
Химические элементы клетки образуют различные соединения — неорганические и органические. К неорганическим веществам клетки относятся вода, минеральные соли, кислоты и др., а к органическим — белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды, АТФ, витамины и др.
Вода (Н 2 0)
— наиболее распространенное неорганическое вещество клетки, обладающее уникальными физико-химическими свойствами. У нее нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха. Плотность и вязкость всех веществ оценивается по воде. Как и многие другие вещества, вода может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом (лед), жидком и газообразном (пар). Температура плавления воды — 0°С, темпера¬тура кипения — 100 °С, однако растворение в воде других веществ может из-менять эти характеристики. Теплоемкость воды также достаточно велика — 4200 кДж/моль.К, что дает ей возможность принимать участие в процессах терморегуляции. В молекуле воды атомы водорода расположены под углом 105°, при этом общие электронные пары оттягиваются более электро-отрицательным атомом кислорода. Это обусловливает дипольные свойства молекул воды (один их конец заряжен положительно, а другой — отрицательно) и возможность образования между молекулами воды водородных связей. Сцепление молекул воды лежит в основе явления поверхностного натяжения, капиллярности и свойств воды как универсального растворителя. Вследствие этого все вещества делятся на растворимые в воде (гидрофильные) и нерастворимые в ней (гидрофобные). Благодаря этим уникальным свойствам предопределено то, что вода стала основой жизни на Земле.
Среднее содержание воды в клетках организма неодинаково и может изменяться с возрастом. Так, у полуторамесячного эмбриона человека содержание воды в клетках достигает 97,5%, у восьмимесячного — 83 %, у новорожденного снижается до 74 %, а у взрослого человека составляет в среднем 66 %. Однако клетки организма различаются содержанием воды. Так, в костях содержится около 20% воды, в печени — 70%, а в мозге — 86%. В целом можно сказать, что концентрация воды в клетках прямо пропорциональна интенсивности обмена веществ.
Минеральные соли
могут находиться в растворенном или нерастворенном состояниях. Рас-творимые соли диссоциируют на ионы — катионы и анионы. Наиболее важными катионами являются ионы калия и натрия, облегчающие перенос веществ через мембрану и участвующие в возникновении и проведении нервного импульса; а также ионы кальция, который принимает участие в процессах сокращения мышечных волокон и свертывании крови; магния, входящего в состав хлорофилла; железа, входящего в состав ряда белков, в том числе гемоглобина. Важнейшими анионами являются фосфат-анион, входящий в состав АТФ и нуклеиновых кислот, и остаток угольной кислоты, смягчающий колебания рН среды. Ионы минеральных солей обеспечивают и проникновение самой воды в клетку, и ее удержание в ней. Если в среде концентрация солей ниже, чем в клетке, то вода проникает в клетку. Также ионы определяют буферные свойства цитоплазмы, т. е. ее способность поддерживать постоянство слабощелочной рН цитоплазмы, несмотря на постоянное образование в клетке кислотных и щелочных продуктов.
Нерастворимые соли (СаС0 3 , Са 3 (Р0 4) 2 и др.) входят в состав костей, зубов, раковин и панцирей одноклеточных и многоклеточных животных.
Кроме того, в организмах могут вырабатываться и другие неорганические соединения, например кислоты и оксиды. Так, обкладочные клетки желудка человека вырабатывают соляную кислоту, которая активирует пищеварительный фермент пепсин, а оксид кремния пропитывает клеточные стенки хвощей и образует панцири диатомовых водорослей. В последние годы исследуется также роль оксида азота (II) в передаче сигналов в клетках и организме.
Органические вещества
Общая характеристика органических веществ клетки
Органические вещества клетки могут быть представлены как относительно простыми молекулами, так и более сложными. В тех случаях, когда сложная молекула (макромолекула) образована значительным числом повторяющихся более простых молекул, ее называют полимером, а структурные единицы — мономерами. В зависимости от того, повторяются или нет звенья полимеров, их относят к регулярным или нерегулярным. Полимеры составляют до 90% массы сухого вещества клетки. Они относятся к трем основным классам органических соединений — углеводам (полисахариды), белкам и нуклеиновым кислотам. Регулярными полимерами являются полисахариды, а белки и нуклеиновые кислоты — нерегулярными. В белках и нуклеиновых кислотах последовательность мономеров крайне важна, так как они выполняют информационную функцию.
Углеводы
— это органические соединения, в состав которых входят в основном три химических элемента — углерод, водород и кислород, хотя целый ряд углеводов содержит также азот или серу. Общая формула углеводов — С m (Н 2 0) n . Их делят на простые и сложные углеводы.
Простые углеводы (моносахариды) содержат единственную молекулу сахара, которую невозможно расщепить на более простые. Это кристаллические вещества, сладкие на вкус и хорошо растворимые в воде. Моносахариды принимают активное участие в обмене веществ в клетке и входят в состав сложных углеводов — олигосахаридов и полисахаридов.
Моносахариды классифицируют по количеству углеродных атомов (С 3 -С 9), например, пентозы (С 5) и гексозы (С 6). К пентозам относятся рибоза и дезоксирибоза. Рибоза входит в состав РНК и АТФ. Дезоксирибоза является компонентом ДНК. Гексозы (С 6 Н 12 0 6) — это глюкоза, фруктоза, галактоза и др.
Глюкоза
(виноградный сахар) встречается во всех организмах, в том числе в крови человека, поскольку является энергетическим резервом. Она входит в состав многих сложных Сахаров: сахарозы, лактозы, мальтозы, крахмала, целлюлозы и др.
Фруктоза
(плодовый сахар) в наибольших концентрациях содержится в плодах, меде, корнеплодах сахарной свеклы. Она не только принимает активное участие в процессах обмена веществ, но и входит в состав сахарозы и некоторых полисахаридов, например инсулина.
Большинство моносахаридов способно давать реакцию «серебряного зеркала» и восстанавливать медь при добавлении фелинговой жидкости (смесь растворов сульфата меди (II) и калий-натрий виннокислого) и кипячении.
К олигосахаридам относят углеводы, образованные несколькими остатками моносахаридов. Они в основном также хорошо растворимы в воде и сладки на вкус. В зависимости от количества этих остатков различают дисахариды (два остатка), трисахариды (три) и др. К дисахаридам относятся сахароза, лактоза, мальтоза и др.
Сахароза (свекловичный или тростниковый сахар) состоит из остатков глюкозы и фруктозы, она встречается в запасающих органах некоторых растений. Особенно много сахарозы в корне-плодах сахарной свеклы и сахарного тростника, откуда их получают промышленным способом. Она служит эталоном сладости углеводов.
Лактоза
, или молочный сахар, образована остатками глюкозы и галактозы, содержится в материнском и коровьем молоке.
Мальтоза
(солодовый сахар) состоит из двух остатков глюкозы. Она образуется в процессе расщепления полисахаридов в семенах растений и в пищеварительной системе человека, используется при производстве пива.
Полисахариды — это биополимеры, мономерами которых являются остатки моно- или дисахаридов. Большинство полисахаридов нерастворимы в воде и несладкие на вкус. К ним относятся крахмал, гликоген, целлюлоза и хитин.
Крахмал — это белое порошкообразное вещество, не смачиваемое водой, но образующее при заваривании горячей водой взвесь — клейстер. В действительности крахмал состоит из двух полимеров — менее разветвленной амилозы и более разветвленного амилопектина. Мономером как амилозы, так и амилопектина является глюкоза. Крахмал — основное запасное вещество растений, которое в огромных количествах накапливается в семенах, плодах, клубнях, корневищах и других запасающих органах растений. Качественной реакцией на крахмал является реакция с йодом, при которой крах-мал окрашивается в сине-фиолетовый цвет.
Гликоген
(животный крахмал) — это запасной полисахарид животных и грибов, который у человека в наибольших количествах накапливается в мышцах и печени. Он также нерастворим в воде и несладок на вкус. Мономером гликогена является глюкоза. По сравнению с молекулами крахмала, молекулы гликогена еще более разветвлены.
Целлюлоза, или клетчатка
, — основной опорный полисахарид растений. Мономером целлюлозы является глюкоза. Неразветвленные молекулы целлюлозы образуют пучки, которые входят в состав клеточных стенок растений и некоторых грибов. Целлюлоза является основой древесины, она используется в строительстве, при производстве тканей, бумаги, спирта и многих органических веществ. Целлюлоза химически инертна и не растворяется ни в кислотах, ни в щелочах. Она также не расщепляется ферментами пищеварительной системы человека, однако ее перевариванию способствуют бактерии толстого кишечника. Кроме того, клетчатка стимулирует сокращения стенок желудочно-кишечного тракта, способствуя улучшению его работы.
Хитин
— это полисахарид, мономером которого является азотсодержащий моносахарид. Он входит в состав клеточных стенок грибов и панцирей членистоногих. В пищеварительной системе человека также отсутствует фермент переваривания хитина, его имеют лишь некоторые бактерии.
Функции углеводов.
Углеводы выполняют в клетке пластическую (строительную), энергетическую, запасающую и опорную функции. Они образуют клеточные стенки растений и грибов. Энергетическая ценность расщепления 1 г углеводов составляет 17,2 кДж. Глюкоза, фруктоза, сахароза, крахмал и гликоген являются запасными веществами. Углеводы могут также входить в состав сложных липидов и белков, образуя гликолипиды и гликопротеины, в частности в клеточных мембранах. Не менее важной представляется роль углеводов в межклеточном узнавании и восприятии сигналов внешней среды, поскольку они в составе гликопротеинов выполняют функции рецепторов.
Липиды
— это разнородная в химическом отношении группа низкомолекулярных веществ с гидрофобными свойствами. Данные вещества нерастворимы в воде, образуют в ней эмульсии, но при этом хорошо растворяются в органических растворителях. Липиды маслянисты на ощупь, многие из них оставляют на бумаге характерные невысыхающие следы. Вместе с белками и углеводами они являются одними из основных компонентов клеток. Содержание липидов в различных клетках неодинаково, особенно много их в семенах и плодах некоторых растений, в печени, сердце, крови.
В зависимости от строения молекулы липиды делят на простые и сложные. К простым липидам относятся нейтральные липиды (жиры), воски, стерины и стероиды. Сложные липиды содержат и другой, нелипидный компонент. Наиболее важными из них являются фосфолипиды, гликолипиды и др.
Жиры являются производными трехатомного спирта глицерина и высших жирных кислот. Большинство жирных кислот содержит 14-22 углеродных атома. Среди них есть как насыщенные, так и ненасыщенные, то есть содержащие двойные связи. Из насыщенных жирных кислот чаще всего встречаются пальмитиновая и стеариновая, а из ненасыщенных — олеиновая. Некоторые ненасыщенные жирные кислоты не синтезируются в организме человека или синтезируются в недостаточном количестве, и поэтому являются незаменимыми. Остатки глицерина образуют гидрофильные «головки», а остатки жирных кислот — «хвосты».
Белки
— это высокомолекулярные соединения, биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты, связанные пептидными связями.
Аминокислотой
называют органическое соединение, имеющее аминогруппу, карбоксильную группу и радикал. Всего в природе встречается около 200 аминокислот, которые различаются радикалами и взаимным расположением функциональных групп, но только 20 из них могут входить в состав белков. Такие аминокислоты называют протеиногенными.
К сожалению, не все протеиногенные аминокислоты могут синтезироваться в организме человека, поэтому их делят на заменимые и незаменимые.
Заменимые аминокислоты образуются в организме человека в необходимом количестве, а незаменимые — нет. Они должны поступать с пищей, но могут и частично синтезироваться микро-организмами кишечника. Полностью не¬заменимых аминокислот насчитывается 8. К ним относятся валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин. Несмотря на то, что в растениях синтезируются абсолютно все протеиногенные аминокислоты, растительные белки являются неполноценными, поскольку не содержат полного набора аминокислот, к тому же наличие белка в вегетативных частях растений редко превышает 1-2% массы. Поэтому необходимо употреблять в пищу белки не только растительного, но и животного происхождения.
Последовательность из двух аминокислот, связанных пептидными связями, называется дипептидом, из трех —трипептидом и т. д. Среди пептидов встречаются такие важные соединения, как гормоны (окситоцин, вазопрессин), антибиотики и др. Цепочка из более чем десяти аминокислот называется полипептидом, а полипептиды, содержащие более 50 аминокислотных остатков, — это белки.
Уровни структурной организации белка.
Белки могут иметь первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры.
Первичная структура белка
— это последовательность аминокислот, соединенных пептидной связью. Первичная структура в конечном итоге определяет специфичность белка и его уникальность, поскольку, если даже предположить, что в среднем белок содержит 500 аминокислотных остатков, то число их возможных комбинаций составляет 20 500. Поэтому изменение расположения хотя бы одной аминокислоты в первичной структуре влечет за собой изменение вторичной и более высоких структур, а также свойств белка в целом.
Особенности строения белка обусловливают его пространственную укладку — возникновение вторичной и третичной структур.
Вторичная структура
представляет собой пространственную укладку белковой молекулы в виде спирали или складок, удерживаемой водородными связями между атомами кислорода и водорода пептидных группировок разных витков спирали или складок. Многие белки содержат более-менее длинные участки со вторичной структурой. Это, например, кератины волос и ногтей, фиброин шелка.
Третичная структура
белка также является формой пространственной укладки полипептидной цепи, удерживаемой гидрофобными, водородными, дисульфидными (S—S) и другими связями. Она характерна для большинства белков организма, например миоглобина мышц.
Четвертичная структура
— наиболее сложная, образованная несколькими полипептидными цепями, соединенными в основном теми же связями, что и в третичной (гидрофобными, ионными и водородными), а также иными слабыми взаимодействиями. Четвертичная структура характерна для немногих белков, таких как гемоглобин, хлорофилл и др.
По форме молекулы различают фибриллярные и глобулярные белки. Первые из них вытянуты, как, например, коллаген соединительной ткани или кератины волос и ногтей. Глобулярные же белки имеют форму клубка (глобулы), как миоглобин мышц.
Простые и сложные белки. Белки могут быть простыми и сложными. Простые белки состоят только из аминокислот, тогда как сложные белки (липопротеины, хромопротеины, гликопротины, нуклеопротеины и др.) содержат белковую и небелковую части. Хромопротеины содержат окрашенную небелковую часть. К ним относятся гемоглобин, миоглобин, хлорофилл, цитохромы и др.
Так, в составе гемоглобина каждая из четырех полипептидных цепей белка глобина связана с небелковой частью — гемом, в центре которого находится ион железа, придающий гемоглобину красную окраску. Небелковой частью липопротеинов является липид, агликопротеинов — углевод. Как липопротеины, так и гликопротеины входят в состав клеточных мембран. Нуклеопротеины представляют собой комплексы белков и нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). Они выполняют важнейшие функции в процессах хранения и передачи наследственной информации.
Свойства белков.
Многие белки хорошо растворимы в воде, однако есть среди них и такие, которые растворяются только в растворах солей, щелочей, кислот или органических растворителях. Структура молекулы белка и его функциональная активность зависят от условий окружающей среды. Утрата белковой молекулой своей структуры, вплоть до первичной, называется денатурацией.
Денатурация
происходит вследствие изменения температуры, рН, атмосферного давления, под действием кислот, щелочей, солей тяжелых металлов, органических растворителей и т. п. Обратный процесс восстановления вторичной и более высоких структур называется ренатурацией
, однако он не всегда возможен. Полное разрушение белковой молекулы называется деструкцией.
Белки выполняют в клетке ряд функций: пластическую (строительную), каталитическую (ферментативную), энергетическую, сигнальную (рецепторную), сократительную (двигательную), транспортную, защитную, регуляторную и запасающую.
Строительная функция белков связана с их наличием в клеточных мембранах и структурных компонентах клетки. Энергетическая — обусловлена тем, что при расщеплении 1 г белка высвобождается 17,2 кДж энергии. Белки-рецепторы мембран принимают активное участие в восприятии сигналов окружающей среды и их передаче по клетке, а также в межклеточном узнавании. Без белков невозможно движение клеток и организмов в целом, так как они составляют основу жгутиков и ресничек, а также обеспечивают сокращение мышц и перемещение внутриклеточных компонентов. В крови человека и многих животных белок гемоглобин переносит кислород и часть углекислого газа, другие белки транспортируют ионы и электроны. Защитная роль белков связана, в первую очередь, с иммунитетом, поскольку белок интерферон способен уничтожать многие вирусы, а белки-антитела подавляют развитие бактерий и иных чужеродных агентов. Среди белков и пептидов немало гормонов, например, гормон поджелудочной железы, инсулин, регулирующий концентрацию глюкозы в крови. У некоторых организмов белки могут откладываться в запас, как у бобовых в семенах, или белки куриного яйца.
Нуклеиновые кислоты
— это биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. В настоящее время известно два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК).
Нуклеотид образован азотистым основанием, остатком сахара-пентозы и остатком ортофосфорной кислоты. Особенности нуклеотидов в основном определяются азотистыми основаниями, входящими в их состав, поэтому даже условно нуклеотиды обозначаются по первым буквам их названий.
В состав нуклеотидов могут входить пять азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), урацил (У) и цитозин (Ц). Пентозы нуклеотидов — рибоза и дезоксирибоза — определяют, какой нуклеотид будет образован — рибонуклеотид или дезоксирибонуклеотид. Рибонуклеотиды являются мономерами РНК, могут выступать в качестве сигнальных молекул (цАМФ) и входить в состав макроэргических соединений, например АТФ, и коферментов, таких как НАДФН + Н + , НАДН + Н + , ФАДН 2 и др., а дезоксирибонуклеотиды входят в состав ДНК.
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)
— двухцепочечный биополимер, мономерами которого являются дезоксирибонуклеотиды. В состав дезоксирибонуклеотидов входят только четыре азотистых основания из пяти возможных — аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц), а также остатки дезоксирибозы и ортофосфорной кислоты. Нуклеотиды в цепи ДНК соединяются между собой через остатки ортофосфорной кислоты, образуя фосфодиэфирную связь. При образовании двухцепочечной молекулы азотистые основания направлены вовнутрь молекулы. Однако соединение цепей ДНК происходит не случайным образом — азотистые основания разных цепей соединяются между собой водородными связями по принципу комплементарности: аденин соединяется с тимином двумя водородными связями (А=Т), а гуанин с цитозином — тремя (Г≡Ц).
Для нее были установлены правила Чаргаффа
:
1. Количество нуклеотидов ДНК, содержащих аденин, равно количеству нуклеотидов, содержащих тимин (А=Т).
2. Количество нуклеотидов ДНК, содержащих гуанин, равно количеству нуклеотидов, содержащих цитозин (Г≡Ц).
3. Сумма дезоксирибонуклеотидов, содержащих аденин и гуанин, равна сумме дезоксирибонуклеотидов, содержащих тимин и цитозин (А+Г = Т+Ц).
4.Отношение суммы дезоксирибонуклеотидов, содержащих аденин и тимин, к сумме дезоксирибонуклеотидов, содержащих гуанин и цитозин, зависит от вида организмов.
Структура ДНК была расшифрована Ф. Криком и Д. Уотсоном (Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1962 г.). Согласно их модели, молекула ДНК представляет собой правозакрученную двойную спираль. Расстояние между нуклеотидами в цепи ДНК равно 0,34 нм.
Важнейшим свойством ДНК является способность к репликации (самоудвоению). Основной функцией ДНК является хранение и передача наследственной информации, которая записана в виде последовательностей нуклеотидов. Стабильность молекулы ДНК поддерживается за счет мощных систем репарации (восстановления), но даже они не способны полностью устранить неблагоприятные влияния, что в конечном итоге приводит к возникновению мутаций. ДНК эукариотических клеток сосредоточена в ядре, митохондриях и пластидах, а прокариотических — находится прямо в цитоплазме. Ядерная ДНК является основой хромо¬сом, она представлена незамкнутыми молекулами. ДНК митохондрий, пластид и прокариот имеет кольцевую форму.
Рибонуклеиновая кислота (РНК)
— биополимер, мономерами которого являются рибонуклеотиды. Они содержат также четыре азотистых основания — аденин (А), урацил (У), гуанин (Г) и цитозин (Ц), отличаясь тем самым от ДНК по одному из оснований (вместо тимина в РНК встречается урацил). Остаток сахара-пентозы в рибонуклеотидах представлен рибозой. РНК — в основном одноцепочечные молекулы, за исключением некоторых вирусных. Выделяют три основных типа РНК: информационные, или матричные (иРНК, мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все они образуются в процессе транскрипции — переписывания с молекул ДНК.
иРНК составляют наименьшую фракцию РНК в клетке (2-4 %), что компенсируется их разнообразием, так как в одной клетке могут содержаться тысячи различных иРНК. Это одноцепочечные молекулы, являющиеся матрицами для синтеза полипептидных цепей. Информация о структуре белка записана в них в виде последовательностей нуклеотидов, причем каждую аминокислоту кодирует триплет нуклеотидов — кодон.
рРНК представляют собой наиболее многочисленный тип РНК в клетке (до 80 %). Их молекулярная масса составляет в среднем 3000-5000; образуются в ядрышках и входят в состав клеточных органоидов — рибосом. рРНК, по-видимому, также играют определенную роль в процессе синтеза белка.
тРНК — наименьшие из молекул РНК, так как содержат всего 73-85 нуклеотидов. Их доля от обще-го количества РНК клетки составляет около 16%. Функция тРНК — транспорт аминокислот к месту синтеза белка (на рибосомы). По форме молекулы тРНК напоминают листок клевера. На одном из концов молекулы находится участок для прикрепления аминокислоты, а в одной из петель — триплет нуклеотидов, комплементарный кодону иРНК и определяющий, какую именно аминокислоту будет переносить тРНК — антикодон.
Все типы РНК принимают активное участие в процессе реализации наследственной информации, которая с ДНК переписывается на иРНК, а на последней осуществляется синтез белка. тРНК в процессе синтеза белка доставляет аминокислоты к рибосомам, а рРНК входит в состав непосредственно рибосом.
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ)
— это нуклеотид, содержащий, помимо азотистого основания аденина и остатка рибозы, три остатка фосфорной кислоты.
Связи между двумя последними фосфорными остатками — макроэргические (при расщеплении выделяется 42 кДж/моль энергии), тогда как стандартная химическая связь при расщеплении дает 12 кДж/моль. При необходимости в энергии макроэргическая связь АТФ расщепляется, образуются аденозиндифосфорная кислота (АДФ), фосфорный остаток и выделяется энергия:
АТФ + Н 2 0 → АДФ + Н 3 Р0 4 + 42 кДж.
АДФ также может расщепляться с образованием АМФ (аденозинмонофосфорной кислоты) и остатка фосфорной кислоты:
АДФ + Н 2 0 → АМФ + Н 3 Р0 4 + 42 кДж.
В процессе энергетического обмена (при дыхании, брожении), а также в процессе фотосинтеза АДФ присоединяет фосфорный остаток и превращается в АТФ. Реакция восстановления АТФ называется фосфорилированием. АТФ является универсальным источником энергии для всех процессов жизнедеятельности живых организмов.
Изучение химического состава клеток всех живых организмов показало, что они содержат одни и те же химические элементы, химические вещества, выполняющие одинаковые функции. Более того, участок ДНК, перенесенный из одного организма в другой, будет в нем работать, а белок, синтезированный бактериями или грибами, будет выполнять функции гормона или фермента в организме человека. Это является одним из доказательств единства происхождения органического мира.
Жиры
выполняют в клетках в основном запасающую функцию и служат источником энергии. Ими богата подкожная жировая клетчатка, выполняющая амортизационную и термоизоляционную функции, а у водных животных — еще и повышающая плавучесть. Жиры растений большей частью содержат ненасыщенные жирные кислоты, вследствие чего они являются жидкими и называются маслами.Масла содержатся в семенах многих растений, таких как подсолнечник, соя, рапс и др.
Воски
— это сложные смеси жирных кислот и жирных спиртов. У растений они образуют пленку на поверхности листа, которая защищает от испарения, проникновения патогенов и т. п. У ряда животных они покрывают тело или служат для построения сот.
К стеринам относится такой липид, как холестерол — обязательный компонент клеточных мембран, а к стероидам — половые гормоны эстрадиол, тестостерон и др.
Фосфолипиды, помимо остатков глицерина и жирных кислот, содержат остаток ортофосфорной кислоты. Они входят в состав клеточных мембран и обеспечивают их барьерные свойства.
Гликолипиды также являются компонентами мембран, но их содержание там невелико. Нелипидной частью гликолипидов являются углеводы.
Функции липидов.
Липиды выполняют в клетке пластическую (строительную), энергетическую, запасающую, защитную и регуляторную функции, кроме того, они являются растворителями для ряда витаминов. Это обязательный компонент клеточных мембран. При расщеплении 1 г липидов выделяется 38,9 кДж энергии. Они откладываются в запас в различных органах растений и животных. К тому же подкожная жировая клетчатка защищает внутренние органы от переохлаждения или перегревания, а также ударов. Регуляторная функция липидов связана с тем, что некоторые из них являются гормонами.
Ответы к школьным учебникам
Элементы, встречающиеся в живой природе, широко распространены и в неживой природе - атмосфере, воде, земной коре. Нет таковых элементов, которые встречались бы исключительно в живых организмах. Но соотношение химических элементов, их вклад в образование веществ, составляющих живой организм и неживое тело, резко различаются. В живом организме большая часть элементов находится в виде химических соединений - веществ, растворенных в воде. Исключительно в живых организмах содержатся органические вещества: белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты.
2. Сходен ли химический состав растительной и животной клеток?
Химический состав растительной и животной клеток подобен. Все живые организмы состоят из одних и тех же элементов, неорганических и органических соединений. Однако содержание различных элементов в разных клетках различается. В каждый тип клеток входит неодинаковое количество определенных органических молекул. В растительных клетках преобладают сложные углеводы (клетчатка, крахмал), в животных - больше белков и жиров. Каждая из групп органических веществ (белки, углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты) в любом типе клеток выполняет свойственные ей функции (нуклеиновая кислота - хранение и передачу наследственной информации, углеводы - энергетическую и т. д.).
3. Перечислите элементы, наиболее распространенные в живых организмах.
В состав клетки входит около 80 химических элементов. Зависимо от того, в котором числе содержатся химические элементы в составе веществ, образующих живой организм, принято выделять несколько их групп. Одну группу образуют четыре элемента, составляющие около 98% массы клетки: кислород, водород, углерод и азот. Их называют макроэлементами. Это доминирующие составляющие всех органических соединений.
В другую группу входят сера и фосфор, калий и натрий, кальций и магний, марганец, железо и хлор. Они находятся в клетках в меньших количествах (десятые и сотые доли процента). Каждый из них выполняет в клетке важную функцию. К примеру, кальций и фосфор участвуют в образовании костной ткани, определяя прочность кости. Железо входит в состав гемоглобина - белка красных кровяных телец (эритроцитов), участвующего в переносе кислорода от легких к тканям.
4. Какие вещества относятся к органическим?
К органическим веществам относятся белки, нуклеиновые кислоты, жиры, углеводы, а также гормоны, пигменты, АТФ и некоторые др. Они составляют в среднем 20-30% массы клетки живого организма.
5. В чем заключается роль белков в клетке?
Среди органических веществ клетки белки занимают первое место как по количеству, так и по значению. У животных на них приходится около 50% сухой массы клетки.
Роль белков в клетке чрезвычайно велика и разнообразна. Одна из важнейших функций белков - строительная: белки участвуют в формировании мембран и органоидов не мембранного строения. Важное значение имеет и другая функция - каталитическая: определенные белки ускоряют химические реакции, протекающие в клетке, в десятки и сотни тысяч раз.
Двигательная функция организма обеспечивается сократительными белками. Эти белки участвуют во всех видах движения, к которым способны клетки и организмы животных.
Транспортная функция белков заключается в присоединении химических элементов (например, кислорода) или биологически активных веществ (гормонов) и переносе их к различным тканям и органам тела.
При поступлении в организм чужеродных белков или микроорганизмов в белых кровяных тельцах (лейкоцитах) образуются особые белки - антитела. Они связывают и обезвреживают несвойственные организму вещества. В этом выражается защитная функция белков.
Белки служат и одним из источников энергии в клетке, т. е. выполняют энергетическую функцию.
6. Какие вещества являются основным источником энергии?
Основным источником энергии в клетках животных и растений являются углеводы. К ним относятся глюкоза, сахароза, клетчатка, крахмал и др. «Сжигая» глюкозу, организм получает необходимую энергию для проходящих в нем процессов обмена веществ. Живые организмы могут запасать углеводы в виде крахмала (у растений) и гликогена (у животных и грибов). В клубнях картофеля крахмал может составлять до 80% массы, а у животных особенно много углеводов в клетках печени и мышцах - до 5%.
Углеводы выполняют и другие функции, например опорную и защитную. Клетчатка входит в состав древесины, хитин образует наружный скелет насекомых, ракообразных и других членистоногих.
7. Охарактеризуйте роль жиров в организме.
Жиры выполняют в организме ряд функций, например служат запасным источником энергии. Они дают организму до 30% всей необходимой ему энергии. Выполняют жиры и строительную функцию, входя обязательными компонентами в состав клеточной и ядер- ной мембран. У некоторых животных жиры накапливаются в больших количествах и служат теплоизолятором, т. е. предохраняют организм от потери тепла (например, у китов толщина жирового слоя достигает 1 м).
Большое значение имеют жиры и как внутренний резерв воды: в результате расщепления 1 кг жира образуется до 1,1 кг воды. Это очень важно для животных, впадающих в зимнюю спячку, - сусликов, сурков: благодаря своим подкожным жировым запасам, они могут не пить в это время до двух месяцев. Верблюды во время переходов по пустыне обходятся без питья до двух недель - необходимую организму воду они извлекают из своих горбов - вместилищ жира.
8. Какова роль воды в клетке?
Самое распространенное неорганическое соединение в живых организмах - вода. Ее содержание колеблется в широких пределах: в клетках эмали зубов - около 10%, а в клетках развивающегося зародыша - более 90%. В среднем в многоклеточном организме вода составляет около 80% массы тела. Прежде всего, вода определяет физические свойства клетки, ее объем, упругость. Многочисленные химические реакции проходят именно в водной среде, так как вода - хороший растворитель. Да и сама вода участвует во многих химических превращениях.
Вода помогает удалению из организма ненужных и вредных веществ, образующихся в результате обмена (выделительная функция), способствует перемещению кислорода, углекислого газа и питательных веществ по организму (транспортная функция).
Вода обладает хорошей теплопроводностью и большой теплоемкостью. При изменении температуры окружающей среды вода поглощает или выделяет теплоту. Вследствие этого температура внутри клетки остается неизменной или ее колебания оказываются значительно меньшими, чем в окружающей клетку среде (теплорегулирующая функция).
9. Назовите известные вам углеводы.
К углеводам относят следующие природные органические соединения: глюкозу, фруктозу, сахарозу, мальтозу, лактозу, хитин, крахмал, гликоген и целлюлозу.
10. Какую роль выполняют в клетке нуклеиновые кислоты?
Нуклеиновые кислоты ответственны за хранение и передачу наследственных признаков от родителей к потомству. Они входят в состав хромосом - особых структур, расположенных в клеточном ядре. Нуклеиновые кислоты находятся также в цитоплазме и ее органоидах.
11. Каков химический состав живых организмов?
Наиболее распространенные элементы в живых организмах - кислород, углерод, водород и азот. В состав живых организмов входят органические вещества (белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты) и неорганические вещества (вода, минеральные соли).
