Химический состав клетки

В состав клетки входят неорганические и органические вещества. Среди неорганических веществ наибольшую долю занимает вода. Она содержится в количестве 80 до 85% от общей массы клетки. Другие неорганические вещества входят в состав клетки в виде солей. Многие неорганические ионы имеют огромное значение для жизнедеятельности клетки. Так, ионы Na⁺ и K⁺ участвуют в процессах кодирования информации на клеточной мембране. Многие анионы и катионы обеспечивают поддержание постоянства реакции среды. Многие ионы металлов обеспечивают осуществление жизненно важных процессов, входя в состав различных органических веществ.

Органические вещества в клетке представлены углеводами, жирами, белками, нуклеиновыми кислотами и фосфорорганическими соединениями.

Углеводы

В клетке углеводы находятся в количестве 1%. Представлены моносахаридами и полисахаридами. Полисахариды встречаются как в виде запасных питательных веществ (крахмал – у растений, гликоген – у животных и грибов) так и в виде структурных компонентов клеточных оболочек (целлюлоза – у растений, хитин – у грибов и животных). Моносахариды представлены в основном глюкозой, которая у всех живых организмов является главным источником энергии.

Жиры

Представляют собой сложные эфиры глицерина и жирных кислот. Основной функцией жиров является формирование структуры клеточных мембран. Липиды, обеспечивающие эту функцию, могут содержать в своем составе еще и азотистые соединения или остатки фосфорной кислоты. Кроме этого жиры используются клеткой как запасные энергетические вещества длительного хранения.

Белки

Белки – это биологические полимеры нестереорегулярного строения, мономерами которых являются α – аминокислоты. В состав белков всех живых организмов входят 20 аминокислот. В процессе формирования белковой молекулы проходит три этапа:

1. Формирование первичного строения белка. Оно образуется за счет соединения аминокислот в линейную цепочку с образованием пептидной связи между молекулами аминокислот. Эта связь образуется между азотом аминогруппы и углеродом карбоксильной группы. Образовавшаяся группа атомов называется пептидной группой.

2.Формирование вторичного строения белка. Образуется за счет закручивания первичной структуры в спираль. Витки спирали удерживаются водородными связями, которые образуются между пептидными группами.

3. Формирование третичного строения белка. В процессе этого спираль вторичной структуры укладывается в комочек, называемый глобулой. Форма глобулы у каждого белка строго индивидуальна. Она сохраняется за счет образования сульфидных связей (-S-S-) при взаимодействии сульфидных групп (-SH), входящих в состав некоторых аминокислот. Форма глобулы несет информацию о составе белка, его генетической принадлежности и функциональном предназначении.

Белки обладают свойством денатурации. Оно лежит в основе способности изменять пространственную структуру белка, осуществляя переход от третичной к первичной структуре и обратно.

В живом организме белки выполняют следующие функции:

1. Структурная.

2. Транспортная (гемоглобин).

3.Энергетическая.

4. Защитная (антитела).

5. Каталитическая (ферменты).

6. Регуляторная (гормоны).

7. Информационная (медиаторы).

8. Двигательная (сократительные белки актин и миозин, расположенные в мышечных волокнах).

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты – биологические полимеры нестереорегулярного строения, мономерами которых являются нуклеотиды.

В состав нуклеотида входят три компонента:

1. Азотистое основание (аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т), уроцил (У)).

2. Углевод (рибоза или дезоксирибоза).

3. Остаток фосфорной кислоты.

По составу нуклеотидов и по строению молекулы все нуклеиновые кислоты делятся на две группы:

1. Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК).

2. Рибонуклеиновые кислоты (РНК).

ДНК

Молекула ДНК имеет вид двойной цепочки нуклеотидов. В ее состав входят адениновый (А), гуаниновый (Г), тиминовый (Т) и цитозиновый (Ц) нуклеотиды. В составе нуклеотидов имеется углевод дезоксирибоза. В цепочках нуклеотиды соединяются между собой за счет взаимодействия остатка фосфорной кислоты одного нуклеотида с углеводом другого.

Цепочки соединяются между собой за счет взаимодействия азотистых оснований нуклеотидов, между которыми образуются водородные связи. В основе формирования молекулы ДНК лежит принцип комплементарности. Он основан на том, что азотистые основания могут образовывать различное количество водородных связей при взаимодействии. Нуклеотиды, азотистые основания которых образуют одинаковое количество водородных связей называются комплементарными. Так, аденин при взаимодействии с тимином образуют две водородные связи, а гуанин с цитозоном – три. Суть принципа комплементарности заключается в том, что при образовании молекулы ДНК в цепочках друг против друга располагаются только комплементарные нуклеотиды. Для компактности молекула ДНК закручивается в спираль.

Молекулы ДНК являются носителями генетической информации. Они располагаются в ядре клетки. Это самые крупные органические молекулы в живых системах.

ДНК обладает способностью к самоудвоению (редупликации). При этом специальный фермент разрывает водородные связи между цепочками нуклеотидов и на каждой цепочке по принципу комплементарности достраивается вторая цепочка. В результате образуется две идентичные молекулы ДНК. При редупликации исходные цепочки являются основой для построения новых цепочек, определяя их состав и структуру, т.е. исполняют роль матрицы. В связи с этим такие химические реакции называют реакциями матричного синтеза. Процесс удвоения ДНК является процессом копирования генетической информации и позволяет в последующем передавать ее в ряду поколений при размножении.

РНК

ДНК имеет вид одинарной цепочки нуклеотидов. В ее состав входят адениновый (А), гуаниновый (Г), уроциловый (У) и цитозиновый (Ц) нуклеотиды. В составе нуклеотидов имеется углевод рибоза. Соединение нуклеотидов в цепочке осуществляется как в молекулах ДНК.

РНК синтезируется на ДНК, и этот процесс называется транскрипцией. Он происходит в ядрышках ядра. При этом происходит разрыв водородных связей на определенном участке ДНК и на одной из ее цепочек по принципу комплементарности формируется молекула РНК. Этот процесс также относится к реакциям матричного синтеза.

РНК располагается в цитоплазме и имеет меньшие, чем ДНК, размеры молекул. По функциональному предназначению выделяют три группы РНК:

1.Информационная (матричная) (и-РНК или м-РНК). Осуществляет перенос информации о структуре белка от ДНК к месту его синтеза.

2. Рибосомная (р-РНК). Входит в состав рибосом. Отвечает за узнавание и закрепление на рибосоме нужной и-РНК.

3. Транспортная РНК (т-РНК). Обеспечивает доставку к месту синтеза белка аминокислот.

Фосфорорганические соединения

Важнейшим фосфорорганическим соединением в структуре клетки является аденозинтрифосфат (АТФ). В строении его молекулы выделяют три компонента:

1. Аденин 2. Рибоза 3. Остатки фосфорной кислоты

В молекуле АТФ имеются две высокоэнергетические (макроэргические) связи (на рисунки выделены жирной линией), при разрыве которых высвобождается большое количество энергии (40кДж). При этом от АТФ отрывается остаток фосфорной кислоты и образуется АДФ (аденозиндифосфат). Для восстановления исходного состава молекулы АТФ осуществляется следующая реакция:

АДФ + Ф = АТФ

АТФ является универсальным источником и накопителем энергии у всех живых организмов.