11. Химический состав цитоплазмы. Неорганические вещества.

12. Химический состав цитоплазмы. Органические вещества.

Вещества клетки можно разделить на две группы: неорганические (вода и минеральные соли) и органические (белки, углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты и т д.).

1. Неорганические вещества.

Содержание воды в клетке обычно составляет около 80-85% массы клетки. Однако этот показатель может весьма варьировать Так в клетках мозга человека содержание воды составляет свыше 80%, а в клетках жировой ткани - всего 40%. К старости содержание воды в клетках снижается.

Источники воды в клетке. В результате метаболизма в клетке образуется некоторое количество воды. Однако в процессе дыхания и выделения организм теряет значительное количество воды и количества собственной воды недостаточно для поддержания водного баланса. Поэтому водный баланс организмов должен пополняться извне.

Формы воды в клетке. В цитоплазме вода находится не только в свободном состоянии, но и в связанном.

В клетке вода выполняет следующие основные функции:

1. универсальный растворитель;

2. при высоком содержании придает клеткам упругость;

3. способствует перемещению веществ внутри клетки или из клетки в клетку;

4. принимает участие во многих биохимических процессах клетки.

Клетки разных организмов обладают сходным химическим составом. По содержанию в клетке можно выделить три группы элементов. В первую группу входят кислород, углерод, водород и азот. На их долю приходится почти 98% всего состава клетки. Во вторую группу входят калий, натрий, кальций, сера, фосфор, магний, железо, хлор. Их содержание в клетке составляет десятые и сотые доли процента. Элементы этих двух групп относят к макроэлементам (от греч. - большой).

Остальные элементы, представленные в клетке сотыми и тысячными долями процента, входят в третью группу. Это микроэлементы (от греч. - малый).

Макроэлементы составляют основу биополимеров - белков, углеводов, нуклеиновых кислот, а также липидов, без которых жизнь невозможна. Сера входит в состав некоторых белков, фосфор - в состав нуклеиновых кислот, железо - в состав гемоглобина, а магний - в состав хлорофилла. Кальций играет важную роль в обмене веществ.

Минеральные соли находятся в клетке, как правило, в виде катионов (K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺) и анионов (HPO₄^2-, H₂PO₄^-, Сl^-, HCO₃), соотношение которых определяет важную для жизнедеятельности клеток кислотность среды. (У многих клеток среда слабощелочная и ее pH почти не изменяется, так как в ней постоянно поддерживается определенное соотношение катионов и анионов.)

2. Химический состав цитоплазмы. Органические вещества.

Основными органическими веществами клетки являются белки, углеводы, нуклеиновые кислоты и липиды.

Углеводы. В клетке представлены моносахаридами, дисахаридами и полисахаридами.

Моносахариды - бесцветные твердые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, обычно сладкие на вкус. К моносахаридам относят глюкозу, фруктозу, рибозу, дезоксирибозу и др. Глюкозы и фруктозы много в меде, фруктах. Рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот.

Сложные и крупные молекулы полисахаридов (крахмал, целлюлоза, гликоген) состоят из множества соединенных между собой остатков молекул моносахаридов. Такие полисахариды, как крахмал, целлюлоза, гликоген, состоят из соединенных молекул глюкозы, число которых непостоянно и может колебаться от сотен тысяч до миллионов. Поэтому общая формула крахмала, гликогена и целлюлозы выглядит так: (C₆H₁₀O₅)_n.

При соединении двух молекул глюкозы одна молекула воды отщепляется. Символ n означает, что число молекул глюкозы в молекулах крахмала, гликогена и целлюлозы может изменяться. Целлюлоза имеет линейную структуру, а крахмал и гликоген – разветвленную.

Различие между молекулами целлюлозы и крахмала состоит также и в том, что число n у целлюлозы больше. В состав одной макромолекулы крахмала входит от нескольких сотен до нескольких тысяч звеньев, а в состав молекулы целлюлозы - свыше 10 000 звеньев. Целлюлоза образует волокна, которые придают растению жесткость и прочность. Так, волокно целлюлозы прочнее, чем стальная проволока такого же диаметра.

Липиды (от греч. - жир). Молекулы жиров образованы остатками трехатомного спирта (глицерина) и остатками молекул жирных кислот. Главное свойство липидов - гидрофобность.

Особенности структуры молекул углеводов и липидов определяют их функции в клетке.

Функции углеводов и липидов в клетке.

1. Запас питательных веществ в клетке.

Углеводами богаты клетки клубней картофеля и корневищ многих растений. Гликоген накапливается в клетках печени и мышц. Когда организму требуется энергия, молекулы гликогена расщепляются на легко растворимые молекулы глюкозы. Запасы жира содержатся в клетках жировой клетчатки птиц и млекопитающих, семян некоторых растений. У хордовых животных запасы жира откладываются под кожей и служат для защиты организма от переохлаждения и механических повреждений. Так, китов, моржей, тюленей, пингвинов защищают от переохлаждения мощные жировые отложения. У кита, например, слой подкожного жира достигает 1 м.

2. Энергетическая. Молекулы углеводов и жиров окисляются в клетках до углекислого газа и воды, а освобождающаяся при этом энергия используется на процессы жизнедеятельности.

3. Структурная. Углеводы и липиды входят в состав различных частей и органоидов клетки. Так, из целлюлозы строятся клеточные стенки растений. В древесине содержится от 40 до 60% целлюлозы. Липиды - обязательный компонент клеточной мембраны.

  Белки.

Функции белков в клетке:

1. Каталитическая. Белки-катализаторы ускоряют химические реакции в клетке. Так каталаза увеличивает скорость разложения пероксида водорода (H₂O₂) в 10¹¹ раз

2. Регуляторная. Например, белок инсулин регулирует содержание сахара в крови.

3. Структурная. Молекулы белков входят в состав всех клеточных мембран. Молекулы белка коллагена составляют основу хрящей и сухожилий. Из белка состоят волосы, шерсть, ногти, рога, копыта, чешуя, перья, паутина.

4. Двигательная. Некоторые белки (актин, миозин) способны вызывать сокращение мышечных волокон.

5. Защитная.. Антитела, образующиеся у позвоночных представляют собой белки, обезвреживающие проникающие в организм чужеродные вещества. Белок фибриноген участвует в свертывании крови.

6. Транспортная.. Например, белок крови гемоглобин, который входит в состав эритроцитов, образует в легких непрочные соединения с кислородом и доставляет его ко всем клеткам организма.

7. Запасающая. накапливаясь, например, в семенах растений.

8. Энергетическая. При недостатке полисахаридов и липидов белки могут выполнять энергетическую функцию. При окислении молекул белков в клетке освобождается энергия примерно в таком же количестве, как и при окислении углеводов.

Нуклеиновые кислоты.

Нуклеиновые кислоты были открыты во второй половине XIX в. швейцарским биохимиком Ф. Мишером, который выделил из ядер клеток вещество с высоким содержанием азота и фосфора и назвал его "нуклеином" (от лат. nucleos - ядро).

Существует два типа нуклеиновых кислот - ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Нуклеиновые кислоты, как и белки, обладают видовой специфичностью, то есть организмам каждого вида присущ свой тип ДНК.

Молекулы нуклеиновых кислот представляют собой очень длинные цепи, состоящие из многих сотен и даже миллионов нуклеотидов. Любая нуклеиновая кислота содержит всего четыре типа нуклеотидов. Функции молекул нуклеиновых кислот зависят от числа в цепи и последовательности соединения в молекуле нуклеотидов.

Каждый нуклеотид состоит из трех компонентов: азотистого основания, углевода и фосфорной кислоты. В состав каждого нуклеотида ДНК входит один из четырех типов азотистых оснований (аденин - А, тимин - Т, гуанин - Г или цитозин - Ц), а также углевод дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты.

В 1953 г. американским биологом Дж. Уотсоном и английским физиком Ф. Криком была создана модель строения молекулы ДНК. Ученые установили, что каждая молекула ДНК состоит из двух цепей, связанных между собой и спирально закрученных. Она имеет вид двойной спирали. В каждой цепи четыре типа нуклеотидов чередуются в определенной последовательности.

Нуклеотидный состав ДНК различается у разных видов бактерий, грибов, растений, животных. Но он не меняется с возрастом, мало зависит от изменений окружающей среды. Нуклеотиды парные, то есть число адениловых нуклеотидов в любой молекуле ДНК равно числу тимидиловых нуклеотидов (А-Т), а число цитидиловых нуклеотидов равно числу гуаниловых нуклеотидов (Ц-Г). Это связано с тем, что соединение двух цепей между собой в молекуле ДНК подчиняется определенному правилу, а именно: аденин одной цепи всегда связан двумя водородными связями только с тимином другой цепи, а гуанин - тремя водородными связями с цитозином, то есть нуклеотидные цепи одной молекулы ДНК комплементарны, дополняют друг друга ДНК содержат все бактерии, подавляющее большинство вирусов. Она обнаружена в ядрах клеток животных, грибов и растений, а также в митохондриях и хлоропластах. В ядре каждой клетки человеческого организма содержится 6,6 х 10^-12 г ДНК, а в ядре половых клеток - в два раза меньше - 3,3 · 10^-12 г.

Молекулы нуклеиновых кислот - ДНК и РНК состоят из нуклеотидов. В состав нуклеотидов ДНК входит азотистое основание (А, Т, Г, Ц), углевод дезоксирибоза и остаток молекулы фосфорной кислоты. Молекула ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух цепей, соединенных водородными связями по принципу комплементарности. Функция ДНК - хранение наследственной информации.

Молекула РНК в отличие от ДНК, как правило, представляет собой одиночную цепочку нуклеотидов, которая значительно короче, чем ДНК. Однако общая масса РНК в клетке больше, чем ДНК. Молекулы РНК имеются и в ядре, и в цитоплазме.

Содержание их в клетке зависит от стадии жизненного цикла клетки.

Известны три основных типа РНК: информационные, или матричные, - иРНК; рибосомные - рРНК, транспортные - тРНК, которые различаются по форме, размерам и функциям молекул. Их главная функция - участие в биосинтезе белка.

На показано строение молекул РНК. Вы видите, что молекула РНК, как и молекула ДНК, состоит из четырех типов нуклеотидов, три из которых содержат такие же азотистые основания, как и нуклеотиды ДНК (А, Г, Ц). Однако в состав РНК вместо азотистого основания тимина входит другое азотистое основание - урацил (У). Таким образом, в состав нуклеотидов молекулы РНК входят азотистые основания: А, Г, Ц, У. Кроме того, вместо углевода дезоксирибозы в состав РНК входит рибоза

В клетках всех организмов имеются молекулы АТФ - аденозинтрифосфорной кислоты. АТФ - универсальное вещество клетки, молекула которого имеет богатые энергией связи. Молекула АТФ - это один своеобразный нуклеотид, который, как и другие нуклеотиды, состоит из трех компонентов: азотистого основания - аденина, углевода - рибозы, но вместо одного содержит три остатка молекул фосфорной кислоты Связи, обозначенные на значком ~, богаты энергией и называются макроэргическими. Каждая молекула АТФ содержит две макроэргические связи.

При разрыве макроэргической связи и отщеплении с помощью ферментов одной молекулы фосфорной кислоты освобождается 40 кДж/моль энергии, а АТФ при этом превращается в АДФ - аденозиндифосфорную кислоту. При отщеплении еще одной молекулы фосфорной кислоты освобождается еще 40 кДж/моль; образуется АМФ - аденозинмонофосфорная кислота. Эти реакции обратимы, то есть АМФ может превращаться в АДФ, АДФ - в АТФ

Молекулы АТФ не только расщепляются, но и синтезируются, поэтому их содержание в клетке относительно постоянно. Значение АТФ в жизни клетки огромно. Эти молекулы играют ведущую роль в энергетическом обмене, необходимом для обеспечения жизнедеятельности клетки и организма в целом.

Лекция № .

Количество часов: 2

Возможен перенос информации от нуклеиновой кислоты к нуклеиновой кислоте и от нуклеиновой кислоты к белку, но не возможен перенос от белка к белку и от белка к нуклеиновой кислоте. Френсис Крик