Лекция: Химический состав клетки

Все вещества делят на макроэлементы (98% - H, O, C, N), микроэлементы (2-3% - Mg, Na, Ca, Fe, S,P, Cl) и ультрамикроэлементы (0,1% - Zn, Cu, I, F, Mn, Co, Si).

Находятся элементы в виде ионов или компонентов молекул неорганических и органических веществ.

Неорганические (минеральные) вещества – относительно простые соединения, которые встречаются как в живой, так и в неживой природе.

Органические вещества – многообразные соединения углерода, которые синтезируется преимущественно живыми организмами (углеводы, белки, липиды, нуклеиновые кислоты).

Органические вещества в клетке подразделяются на углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты. Основу органических веществ составляют атомы углерода, способные вступать друг с другом в ковалентные связи и образовывать самые разнообразные классы органических молекул.

В зависимости от массы и структуры различают малые низкомолекулярные органические молекулы (мономеры) и высокомолекулярные (полимеры).

Мономеры служат блоками полимеров. Свойства полимеров зависят от числа, состава, последовательности мономеров. Состав, число и последовательность мономеров определяют различные свойства органических веществ и определяют многообразие живых организмов.

Органические составляющие клетки

Углеводы – сложные соединения, представленные атомами углерода и водой. Содержание углеводов различается в животных и растительных клетках. В растительных – 70%, в животных 1-5%.

Подразделяются на три класса: моносахариды, олигосахариды, полисахариды.

Моносахариды – бесцветные твердые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, имеющие сладкий вкус. В зависимости от числа атомов углерода различают триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и гептозы. Наиболее распространены пентозы и гексозы, которые являются основными источниками энергии в клетках.

(1г. глюкозы при полном окислении = 17,6 кДж)

Пентозы входят в состав нуклеиновых кислот (рибоза, дезоксирибоза).

При взаимодействии двух или нескольких мономеров образуются ди- или олигосахара. Соединяются между собой моносахариды гликозидной связью. Самые известные дисахариды: мальтоза – солодовый сахар (2 глюкозы), лактоза - молочный сахар (галактоза, глюкоза), сахароза – свекольный сахар (глюкоза, фруктоза).

Полисахариды – полимеры. Характеризуются высокой молекулярной массой. У них нет сладкого вкуса, плохо растворяются в воде. Являются биополимерами, выполняют важнейшие функции в клетки: запасание и защита. Производные глюкозы (крахмал, гликоген) используются клетками для хранения энергии. Целлюлоза и хитин обеспечивают прочность покровных структур.

С углеводами могут вступать в связь белки (гликопротеин), липиды (гликолипиды). Эти вещества обеспечивают рецепторную функцию клетки, контактную функцию клетки. Кроме того, все углеводные компоненты выполняют структурную функцию.

Функции углеводов:

1. Важнейший источник энергии;

2. Запасающая (удобная форма хранения энергии);

3. Защитная функция;

4. Структурная функция;

5. Рецепторная функция.

Липиды

Не растворяются в воде, растворяются в неполярных растворителях. Обнаруживаются во всех клетках без исключения, выполняют важнейшие специфические функции. Находясь внутри клеток, липиды подразделяются на нейтральные жиры или триацил-глицерины, воска, фосфолипиды, стероиды.

Для большинства липидов характерно наличие в их составе жирных кислот.

Нейтральные жиры – многоатомные спирты, эфиры трехатомного спирта глицерина и трех молекул жирных кислот. Жирные кислоты являются источником энергии. При окислении одного грамма жирных кислот освобождается 37 кДж и 1,2г чистой эндогенной воды. При этом синтезируется в два раза больше молекул АТФ, чем при расщеплении глюкозы.

Воска – сложные жиры, которые образуются жирными кислотами и другими многоатомными спиртами. Как правило, секретируются кожными железами, выполняют защитную предохранительную функцию, обеспечиваю водоотталкивающие свойства производным кожи. Листья и плоды у растений защищены восковым налетом.

Фосфолипиды – в состав этих эфиров входит остаток фосфорной кислоты. Это основной компонент клеточных мембран.

Стероиды – особая группа липидов, которая не содержит жирных кислот. Имеется особая структура – стероидное кольцо (циклическое строение). Стероидами являются половые гормоны. Стероидную природу имеет важнейший компонент мембран – холестерин.

Белки

Биологические гетерополимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Все аминокислоты имеют как минимум одну аминогруппу (NH₂),одну карбоксильную группу (СООН) и радикал. Между аминогруппой одного кислотного остатка и карбоксильной группой другого остатка формируется пептидная связь, которая обеспечивает соединение огромного количества кислот в белки.

Все белки присутствуют в организме в свободной форме и обладают высокой биологической активностью.

Все белки делятся на простые (только из аминокислот) и сложные (соединения с другими группами веществ, углеводами, липидами).

Гормоны, антибиотики, ядовитые токсичные вещества – все это белки.

Белки отличаются числом, составом, последовательностью аминокислотных остатков.

1. Последовательность аминокислот в составе полипептидной цепи представляет первичную структуру белка и определяется последовательностью нуклеотидов в участке молекулы ДНК, кодирующей этот белок.

2. Вторичная структура имеет вид спирали и возникает в результате образования водородных связей (между карбоксильной группой одной АМК и аминогруппой другой АМК).

3. Третичная (глобулярная) структура образуется в результате сложной пространственной ориентации молекулы белка. Возникают дисульфидные связи, ионные и гидрофобные.

4. Четвертичную структуру имеют только некоторые белки. Это сложный комплекс, состоящий из нескольких третичных структур. Удерживается ионными, водородными и гидрофобными связями.

Изменение структуры белка связано с изменениями свойств белка – денатурация (обратное восстановление – ренатурация).

Денатурация бывает обратимая (если не затрагивает первичной структуры) и необратимая.

Белки выполняются практически все функции в клетке.

1. Все ферменты – белки (но не все белки – ферменты!). Ферменты – катализаторы определенных химических реакций и каждая реакция требует своего катализатора и имеет его. Отсутствие хотя бы одного фермента приводит к накоплению субстрата.

2. Структурная (строительная) функция. Белки являются компонентами мембран и органоидов.

3. Функция перемещения. Двигательные белки – актин, миозин. Основной белок микротрубочек – тубулин.

4. Транспортная функция. Они могут связывать и переносить специфические молекулы и ионы из одного органоида в другой и из одной клетки в другую и из клетки во внешнюю среду.

5. Запасающая функция (в молоке млекопитающих).

6. Белки могут выполнять защитную функцию, обеспечивая защиту от вторжения чужеродных антигенов и организмов. Такие белки называются антителами.

7. Регуляторная функция. Гормоны регулируют обмен веществ. Упаковка ДНК (гистонами).

8. Энергетическая функция (редко). 1г белка = 17.6 кДж.