Какие органические вещества преобладают в клетках растений. Органические вещества в клетке

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.

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

Органические вещества в клетке 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.Не смотря на огромное разнообразие и сложность строения, белки построены из 20 аминокислот: Аминокислоты обладают амфотерными свойствами, поэтому взаимодействуют между собой:

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. 5. Белки. 6. Углеводы, жиры. 7. ДНК. 8. РНК.

Тема 2.2 Строение и функции клетки

Контрольные вопросы

1. Что понимают под уровнем организации клетки? 2. Характеристика прокариот и эукариот. 3. Строение прокариот. 4. Морфология прокариот. 5. Строение эукариот. 6. Строение и функции ядра. 7. Кариотип и его особенности. 8. Строение и функции ядрышка.Тема 2.2.1 Комплекс Гольджи, лизосомы, митохондрии,

рибосомы, клеточный центр; органоиды движения

Цитоплазма – это внутренняя полужидкая среда клетки в которой протекают все биохимические процессы. Она содержит структуры – органоиды и осуществляет связь между ними. Органоиды имеют закономерные особенности строения и поведения в различные периоды жизнедеятельности клетки и выполняют определенные функции. Есть органоиды свойственные всем клеткам – митохондрии, клеточный центр, аппарат Гольджи, рибосомы, ЭПС, лизосомы. Органоиды движения – жгутики и реснички характерны для одноклеточных организмов. В цитоплазме откладываются различные вещества – включения. Это постоянные структуры возникающие в процессе жизнедеятельности. Плотные включения – это гранулы, жидкие – вакуоли. Их размеры обусловлены жизнедеятельностью клеток. В основе структурной организации клетки лежит мембранный принцип строения. Это значит, что клетка в основном построена из мембран. Все мембраны имеют сходное строение. Принятой считается модель жидкостно-мозаичного строения: мембрана образована двумя рядами липидов в которые на разную глубину погружены молекулы белков.Наружная цитоплазматическая мембрана Она имеется у всех клеток и отделяет цитоплазму от внешней среды, образуя поверхность клетки. Поверхность клетки неоднородна, её физиологические свойства различны. Клетка обладает высокой прочностью и эластичностью. В цитоплазматической мембране есть поры, через которые происходит переход молекул веществ. Поступление веществ в клетку – это процесс идущий с затратой энергии. Клеточная мембрана обладает свойством полупроницаемости. Механизмом обеспечивающим полупроницаемость является осмос. Кроме осмоса, химические вещества и твердые тела могут проникать в клетку за счёт выпячиваний – это пиноцетоз и фагоцитоз. Цитоплазматическая мембрана так же обеспечивает связь между клетками в тканях многоклеточных организмов за счёт многочисленных складок и выростов.

Органические соединения составляют в среднем 20-30 % массы клетки живого организма.

К ним относятся биологические полимеры:

- белки

Нуклеиновые кислоты

Углеводы

Ряд небольших молекул - гормоны, пигменты, аминокислоты, простые сахара, нуклеотиды и т.д.

Различные типы клеток отличаются количественным содержанием органических соединений. Так, в растительных клетках преобладают углеводы. Наоборот, белки в большем количестве содержатся в животной клетке, чем в растительной (40-50 % против 20-35 %). Тем не менее каждая из групп органических веществ в клетке любого типа выполняет сходные функции.

Белки занимают первое место среди органических веществ клетки как по количеству, так и по значению.

Белки - это высокомолекулярные полимерные соединения, мономером которых служат аминокислоты.

Цепи аминокислот называются пептидами.

Белки - это пептиды, но большей длины (полипептиды). Граница между истинными белками и пептидами условна: белками считают пептиды, цепь которых включает более 50 аминокислотных остатков (молекулярная масса белков от 5 тысяч дальтон и выше).

Аминокислоты соединяются между собой пептидной связью.

Пептидная связь возникает при образовании белков и пептидов в результате взаимодействия аминогруппы (– NH2) одной аминокислоты с карбоксильной группой (–СООН) другой аминокислоты.

Схема пептидной связи

Всего биохимикам известно около 200 различных природных аминокислот.20 аминокислот, обнаруживаемые в белках - это протеиногенные аминокислоты – то есть аминокислоты, из которых строятся белковые молекулы. В организме человека встречается 5 млн. типов белковых молекул, отличающихся не только друг от друга, но и от белков других организмов.

Четыре уровня структурной организации:

третичная структура	характеризует пространственную укладку молекул белка, если она образована одной полипептидной цепью. Определена нековалентными взаимодействиями между спиральными и /3-структурными участками полипептидной цепи в совокупности с взаимодействиями R-групп и функциональных групп остова молекулы. Третичная структура имеет прямое отношение к форме молекул белка, которая может быть шарообразной (глобулярной) или нитевидной (фибриллярной). Дисульфидные (S-S) связи не определяют характер свертывания полипептидной цепи, но стабилизируют третичную структуру после завершения процесса свертывания. Такие связи образуются самопроизвольно, когда соответствующие-SH-группы оказываются рядом.	сворачивание спирали в более тесное образование за счет дополнительного «сшивания» слабыми связями
Четвертичная структура	характеризует пространственное взаиморасположение субъединиц белка в том случае, если он состоит более чем из одной полипептидной цепи.

Денатурация белка - нарушение структурной организации белков (утрата структуры, присущей данной белковой молекуле) в результате изменения физических условий, в том числе изменение рН, температуры или обработка водными растворами некоторых неорганических веществ.

При денатурации молекула развертывается и теряет способность выполнять свою обычную биологическую функцию. Это изменение может носить временный или постоянный характер, но аминокислотная последовательность в молекуле белка остается неизменной.

Денатурированный белок существенным образом отличается по своей пространственной организации от белка в естественном (нативном) состоянии и лишен биологической активности. Дена­турирующие воздействия в той или иной степени разрушают нековалентную структуру нативного белка (вторичную, третичную и четвертичную). Некоторые белки при незначительных изме­нениях структуры не теряют биологической активности, другие даже при незначительных перестройках, которые не фиксируются обычными методами, полностью инактивируются.

Ренатурация белка - воссоздание струк­туры белка и его функциональной активности при восстанов­лении нормальных условий среды полностью.

Это свойство белков полностью восстанавливать утраченную структуру широко используется в медицинской и пищевой промышленности для приготовления некоторых медицинских препаратов, например антибиотиков, для получения пищевых концентратов, сохраняющих длительное время в высушенном виде свои питательные свойства, вакцин, сывороток, ферментов.

Функции белков

строительная (структур­ная)	белки участвуют в образовании всех клеточных мембран и органоидов клетки, а также внеклеточных структур.
каталитическая	ферменты - вещества белковой природы, они уско­ряют химические реакции, протекающие в клетке, в десятки и сотни тысяч раз.
Двигательная	обеспечивается специальными сократительными белками. Эти белки участвуют во всех видах движения, к которым способны клетки и организмы: образование псевдоподий, мерцание ресничек и биение жгутиков у простейших, сокращение мышц у многоклеточных животных, движение листьев у растений и др.
Транспортная	заключается в присоединении химических элементов (например, кислорода) или биологически активных веществ (гормонов) и переносе их к различным тканям и органам тела.
защитная	При поступлении в организм чужеродных белков или микро­организмов в белых кровяных тельцах - лейкоцитах - образуют­ся особые белки - антитела. Они связывают и обезвреживают несвойственные организму вещества (антигены)
энергетическая	При полном расщеплении 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии

Углеводы ( сахариды)

Органические вещества с общей формулой С n (Н 2 О) m

В животной клетке содержание углеводов составляет 1-2 % (5 %).

В растительной клетке достигает 90 % сухой массы (клубни картофеля, семена и т.д.).

Классы углеводов

олигосахариды

содержат 2-10 моносахаридных остатков Наиболее важные дисахариды - мальтоза, лактоза и сахароза. Мальтоза образуется из крахмала в процессе его переваривания, она состоит из двух остатков глюкозы. Лактоза(молочный сахар), содержится только в молоке, состоит из глюкозы и галактозы. Сахароза (тростниковый сахар) наиболее распространена в растениях. В ее состав входят глюкоза и фруктоза.

полисахариды

содержат более 10 остатков Мономер крахмала, гликогена, целлюлозы -глюкоза. У гликогена– имеет длина меньше веточек – 11-18 остатков глюкозы и более разветвлен – через каждые 8-10 остатков. За счет этих особенностей гликоген более компактно уложен, что немаловажно для животной клетки. Целлюлоза ферментами человека не переваривается. Но в толстом кишечнике под действием микрофлорыдо 75% ее количества гидролизуется с образованием целлобиозы и глюкозы. Глюкоза частично используется самой микрофлорой и окисляется до органических кислот (масляной, молочной), которые стимулируют перистальтику кишечника. Частично глюкоза может всасываться в кровь. Основная роль целлюлозы для человека: стимулирование перистальтики кишечника, формирование каловых масс, стимуляция желчеотделения, абсорбция холестерола и других веществ, что препятствует их всасыванию.

Функции углеводов

Липиды.

Это нерастворимые в воде органические вещества, которые можно извлечь из клеток органическими растворителями (эфиром, хлороформом, бензолом). Их объединяет только одно свойство – гидрофобность

Липиды состоят из жирных кислот и спиртов. В частности, лдна молекула глицерина (трехатомного спирта) и три молекулы жирной кислоты образуют одну молекулу липида и три молекулы воды.

По отношению к гидролизу в щелочной среде все липиды подразделяют на две большие группы: омыляемые и неомыляемые .

Настоящие липиды - сложные эфиры жирных кислот и какого-либо спирта.

Жирные кислоты, являющиеся компонентами липидов, в свободном виде в природе встречаются редко.

Жирные кислоты, которые входят в состав липидов, состоят из длинной цепи атомов углерода и водорода, соединенной с карбоксильной группой (-СООН). Именно углеводородные хвосты молекул определяют многие свойства липидов, в том числе и нерастворимость их в воде. Углеводородные хвосты гидрофобны.

Самые распространенные из липидов, встречающихся в природе,- нейтральные жиры. Эти соединения являются эфирами жирных кислот и глицерина СН 2 ОН-СНОН-СН 2 ОН. Одна, две или три гидроксильные группы глицерина могут вступать в реакцию конденсации с жирной кислотой. Чаще всего в реакцию вступают все три гидроксильные группы, образуя триглицериды.

Триглицериды принято делить на жиры и масла в зависимости от того, остаются ли они твердыми при 20 0 С (жиры) или имеют при этой температуре жидкую консистенцию (масла).

Функции жиров

Содержание жира в клетке колеблется в пределах 5-15 % от массы сухого вещества. В клетках жировой ткани количество жира возрастает до 90 %. В организме животных, впадающих в спячку, накапливается избыток жира, у позвоночных животных жир отлагается еще и под кожей - в так называемой подкожной клетчатке, где он служит для теплоизо­ляции. Одним из продуктов окисления жиров является вода. Эта метаболическая вода очень важна для обитателей пустынь. Так, жир, которым заполнен горб верблюда, служит в первую очередь не источником энергии, а источником воды.

Широко представлены в животном и растительном мире стероиды. Они выполняют ряд важных биохимических и физиологических функций - это жёлчные кислоты и их соли, половые гормоны, витамин D, холестерол, гормоны коры надпочечников и т.д.

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.

Аминокислоты, азотистые основания, липиды, углеводы и т. д. поступают в клетку вместе с пищей или образуются внутри ее из предшественников. Они служат исходными продуктами для синтеза ряда полимеров, необходимых клетке.

Белки, как правило, являются мощными высокоспецифическими ферментами и регулируют обмен веществ клетки.

Нуклеиновые кислоты служат хранителями наследственной информации. Кроме того, нуклеиновые кислоты контролируют образование соответствующих белков-ферментов в нужном количестве и в нужное время.

Липиды

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.

Липиды входят в состав всех плазматических мембран. Они выполняют в клетке энергетическую роль, активно участвуют в процессах метаболизма и размножения клетки.

Углеводы

В состав углеводов входят углерод, водород и кислород. Различают следующие углеводы.

• 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. Их эмпирическую формулу можно представить в виде Cn (H2O) n.
• 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.

Более детально остановимся на свойствах белков. Важнейшие из них денатурация и ренатурация.

Денатурация - это утрата белковой молекулой своей структурной организации. Денатурация может быть вызвана изменением температуры, обезвоживанием, облучением рентгеновскими лучами и другими воздействиями. В начале разрушается самая слабая структура - четвертичная, затем - третичная, вторичная и при наиболее жестких условиях — первичная.

Если изменение условий среды не приводит к разрушению первичной структуры молекулы, то при восстановлении нормальных условий среды полностью воссоздается и структура белка. Такой процесс называется ренатурацией. Это свойство белков полностью восстанавливать утраченную структуру широко используется в медицинской и пищевой промышленности для приготовления некоторых медицинских препаратов, например, антибиотиков, для получения пищевых концентратов, сохраняющих длительное время в высушенном виде свои питательные вещества. У некоторых живых организмов обычная частичная обратная денатурация белков связана с их функциями (двигательной, сигнальной, каталитической и др.). Процесс разрушения первичной структуры белка всегда необратим и называется деструкцией.

Химические и физические свойства белков очень разнообразны: гидрофильные, гидрофобные; одни из них под действием факторов легко меняют свою структуру, другие - очень устойчивы. Белки делятся на простые - протеины, состоящие только из остатков аминокислот, и сложные - протеиды, в состав которых, кроме кислотных остатков аминокислот, входят и другие вещества небелковой природы (остатки фосфорной и нуклеиновой кислот, углеводов, липидов и др.).

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. Остановимся на этой функции более подробно. 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).

Гормоноподобные вещества (нейрогормоны) синтезируются нервными окончаниями. Нервные клетки синтезируют еще нейромедиаторы - вещества, обеспечивающие передачу импульса клеткам. Есть гормоны липоидной природы - стероиды (половые гормоны). Координирует работу системы желез внутренней секреции гипоталамус.

Индивидуальный рост растений регулируется и координируется фитогормонами, действующими как ускорители роста клеток, их деления, (стимулируют деление камбия и др.).

Алкалоиды

У растений и у некоторых других организмов выявлена еще одна группа биологически активных веществ - алкалоиды. Эти органические соединения являются ядовитыми для человека и животных. Некоторые из них оказывают наркотические действие, так как содержат никотин, морфин и др.

Алкалоиды обнаружены приблизительно у 2500 видов покрытосеменных растений, преимущественно из семейств пасленовых, лилейных, маковых, конопляных и других. По мнению ряда ученых, алкалоиды у растений выполняют защитную функцию — приспособления к защите их от поедания животными. Алкалоид колхицин используют в медицине, а также для экспериментального мутагенеза.

Нуклеиновые кислоты

Подобно белкам, нуклеиновые кислоты являются гетерополимерами. Их мономеры нуклеотиды, из которых слагаются молекулы нуклеиновых кислот, резко отличны от аминокислот. 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. Ее превращение происходит по такой схеме:

Остановимся более подробно на значении нуклеиновых кислот, которые в клетке выполняют очень важные функции. 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.

Поскольку большинство свойств в организме обусловлено белками, то понятно, что стабильность нуклеиновых кислот - важнейшее условие жизнедеятельности клеток и целых организмов. Любые изменения строения нуклеиновых кислот влекут за собой изменения структуры клеток или активности физиологических процессов в них, влияя, таким образом, на жизнеспособность. Изучение структуры нуклеиновых кислот, которую впервые установили американский биолог Уотсон и английский физик Крик, имеет исключительно важное значение для понимания наследования признаков у организмов и закономерностей функционирования, как отдельных клеток, так и клеточных систем - тканей и органов.

Исследованиями биохимиков установлено, что и биосинтез белков в живых организмах осуществляется под контролем нуклеиновых кислот.

Таким образом, нуклеиновые кислоты обеспечивают устойчивое сохранение наследственной информации и контролируют образование соответствующих им белков-ферментов, а белки-ферменты определяют основные особенности обмена веществ клетки. Все это очень важно для поддержания химической стабильности организмов, имеет решающее значение для существования жизни на Земле.