Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

В клетках обнаружено около 60 элементов периодической системы Менделеева, встречающихся и в неживой природе. Это одно из доказательств общности живой и неживой природы. В живых организмах наиболее распространены водород, кислород, углерод и азот, которые составляют около 98% массы клеток. Такое обусловлено особенностями химических свойств водорода, кислорода, углерода и азота, вследствие чего они оказались наиболее подходящими для образования молекул, выполняющих биологические функции. Эти четыре элемента способны образовывать очень прочные ковалентные связи посредством спаривания электронов, принадлежащих двум атомам. Ковалентно связанные атомы углерода могут формировать каркасы бесчисленного множества различных органических молекул. Поскольку атомы углерода легко образуют ковалентные связи с кислородом, водородом, азотом, а также с серой, органические молекулы достигают исключительной сложности и разнообразия строения.

Кроме четырех основных элементов в клетке в заметных количествах (10ые

и 100ые

доли процента) содержатся железо, калий, натрий, кальций, магний, хлор, фосфор и сера. Все остальные элементы (цинк, медь, йод, фтор, кобальт, марганец и др.) находятся в клетке в очень малых количествах и поэтому называются микроэлементами.

Химические элементы входят в состав неорганических и органических соединений. К неорганическим соединениям относятся вода, минеральные соли, диоксид углерода, кислоты и основания. Органические соединения – это белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры (липиды) и липоиды. Кроме кислорода, водорода, углерода и азота в их состав могут входить другие элементы. Некоторые белки содержат серу. Составной частью нуклеиновых кислот является фосфор. Молекула гемоглобина включает железо, магний участвует в построении молекулы хлорофилла. Микроэлементы, несмотря на крайне низкое содержание в живых организмах, играют важную роль в процессах жизнедеятельности. Йод входит в состав гормона щитовидной железы – тироксина, кобальт – в состав витамина В12

Гормон островковой части поджелудочной железы – инсулин – содержит цинк. У некоторых рыб место железа в молекулах пигментов, переносящих кислород, занимает медь.

Прочие статьи:

Монофилетическое происхождение человечества: теории полицентризма и моноцентризма
В истории антропологии вопрос о том, происходят ли все человеческие расы от одного общего корня или от нескольких разных корней, ставился различным образом: в течение XVIII и до середины XIX в. – в плоскости систематики, начиная со второй...

Природные факторы расообразования
Какова роль природных факторов расообразования? Специалисты сопоставляли географические вариации тех или иных признаков с климатическими характеристиками. В результате получены убедительные положительные корреляции между шириной носа и ср...

Самые-самые
Самая маленькая жаба – черногрудая жаба (Bufo taitanus beiranus), обитающая в Африке. Самый крупный экземпляр имел 24 мм в длину. «Самая маленькая лягушка» Самая маленькая лягушка и одновременно самая маленькая амфибия – кубинский карлик...

Все живые системы на планете содержат в себе в разных объёмах химические элементы, а также органические и неорганические химические соединения.

Химическое строение клетки

В зависимости от того, какое количество того или иного химического элемента содержится в клетке, выделяют три группы химических элементов:

Макроэлементы;

Микроэлементы;

Ультра микроэлементы.

98% массы клетки составляют четыре макроэлемента: водород, углерод, азот и кислород. В значительно меньших количествах в клетке присутствуют такие макроэлементы как натрий, магний, калий, фосфор, железо и сера.

Микроэлементы формируют собой ионы галогенов и металлов (медь, кобальт, цинк, бром, йод). Микроэлементы в живой клетке содержаться в очень малых количествах (0, 00001%). К ультра микроэлементам относят ртуть, золото, селен (менее чем 0, 000001% массы клетки).

Химические соединения

Химические соединения представляют собой вещество, которое состоит из соединённых атомов двух или нескольких химических элементов. Химические соединения делятся на две группы:

Органические химические соединения (минеральные соли и вода);

Неорганические химические соединения (соединение химических элементов с углеродом).

К числу основных органических химических соединений относят белки, углеводы, жиры и нуклеиновые кислоты.

Понятие и функции белков

Белки – это высокомолекулярное органическое вещество, состоящее из остатков альфа аминокислот, соединёнными между собой пептидными связями. Белки являются очень важным веществом в процессе жизнедеятельности человека.

Функции белков:

Защитная функция. При попадании в организм вируса, белок начинает усиленное синтезирование в организме, тем самым ликвидируя его.

Структурная функция. Благодаря содержанию в белках такого компонента как коллаген, происходит процесс рубцевания повреждений в организме человека.

Двигательная. Белок принимает непосредственное участие в процессе сокращения мышечных тканей.

Транспортная. Атомы белка переносят кислород и питательные вещества к клеткам.

Энергетическая. При распаде белок освобождает энергию, необходимую человеку для жизнедеятельности.

Помимо этого белки также выступают катализаторами всех химических реакций, происходящих в организме.

Углеводы, их роль в жизнедеятельности

Углеводы – органические поли- и мономеры, содержащие в своем составе кислород, водород и углерод. Главной функцией углеводов является энергетическая функция – распад 1г углеводов освобождает 17 кДж энергии.

Углеводы в виде целлюлозы формируют стенки многих видов растений. Благодаря углеводам живые организмы также запасают питательные вещества, которые сохраняются в виде крахмала.

Жиры

К числу органических химических веществ относят также жиры . Жиры делятся на две группы: сложные и простые. Простые липиды состоят из остатков жирных кислот и глицерина. Сложные жиры представляют собой синтез простых липидов с углеводами и белками.

Химические элементы клетки

В живых организмах нет ни одного химического элемента, который не был бы найден в телах неживой природы (что указывает на общность живой и неживой природы).
Разные клетки включают в себя практически одни и те же химические элементы (что доказывает единство живой природы); и в то же время, даже клетки одного многоклеточного организма, выполняющие различные функции, могут существенно отличаться друг от друга по химическому составу.
Из известных в настоящее время более 115 элементов, около 80 обнаружено в составе клетки.

Все элементы по содержанию их в живых организмах разделяются на три группы:

1. макроэлементы - содержание которых превышает 0,001% от массы тела.
   98% от массы любой клетки приходится на четыре элемента (их иногда называют органогены ): - кислород (O) - 75%, углерод (C) - 15%, водород (H) - 8%, азот (N) - 3%. Эти элементы составляют основу органических соединений (а кислород и водород, кроме того, входят в состав воды, которая также содержится в клетке). Около 2% от массы клетки приходится ещё восемь макроэлементов : магний (Mg), натрий (Na), кальций (Ca), железо (Fe), калий (K), фосфор (P), хлор (Cl), сера (S);
2. Остальные химические элементы содержатся в клетке в очень небольших количествах: микроэлементы - те, на долю которых приходится от 0,000001% до 0,001%, - бор (В), никель (Ni), кобальт (Co), медь (Cu), молибден (Mb), цинк (Zn) и др.;
3. ультрамикроэлементы - содержание которых не превышает 0,000001% - уран (U), радий (Ra), золото (Au), ртуть (Hg), свинец (Pb), цезий (Cs), селен (Se) и др.

Живые организмы способны накапливать определенные химические элементы. Так, например, некоторые водоросли накапливают йод, лютики - литий, ряска - радий и т.д.

Химические вещества клетки

Элементы в виде атомов входят в состав молекул неорганических и органических соединений клетки.

К неорганическим соединениям относятся вода и минеральные соли.

Органические соединения характерны только для живых организмов, в то время как неорганические существуют и в неживой природе.

К органическим соединениям относятся соединения углерода с молекулярной массой от 100 до нескольких сотен тысяч.
Углерод - химическая основа жизни. Он может вступать в связь со многими атомами и их группами, образуя цепочки, кольца, составляющие скелет различных по химическому составу, строению, длине и форме органических молекул. Из них образуются сложные химические соединения, различающиеся по строению и функциям. Эти органические соединения, входящие в состав клеток живых организмов получили название биологические полимеры , или биополимеры . Они составляют более 97% от сухого вещества клетки.

В клетке встречается около 70 химических элементов Периодической системы Д. И. Менделеева, однако содержание этих элементов существенно отличается от их концентраций в окружающей среде, что доказывает единство органического мира.

Химические элементы, имеющиеся в клетке, делят на три большие группы: макроэлементы, мезоэлементы (олигоэлементы) и микроэлементы .
Содержание макроэлементов составляет около 98 % массы клетки. К ним относятся углерод, кислород, водород и азот, входящие в состав основных органических веществ. Мезоэлементы - это сера, фосфор, калий, кальций, натрий, железо, магний, хлор, составляющие в сумме около 1,9 % массы клетки. Сера и фосфор являются компонентами важнейших органических соединений. Химические элементы, концентрация которых в клетке около 0,1 %, относятся к микроэлементам . Это цинк, йод, медь, марганец, фтор, кобальт и др.
Вещества клетки делят на неорганические и органические. К неорганическим веществам относятся вода и минеральные соли.
Благодаря своим физико-химическим свойствам вода в клетке является растворителем, средой для протекания реакций, исходным веществом и продуктом химических реакций, выполняет транспортную и терморегуляторные функции, придает клетке упругость, обеспечивает ту prop растительной клетки.

Минеральные соли в клетке могут находиться в растворенном или не растворенном состояниях. Растворимые соли диссоциируют на ионы. Наиболее важными катионами являются калий и натрий, облегчающие перенос веществ через мембрану и участвующие в возникновении и проведении нервного импульса; кальций, который принимает участие в процессах сокращения мышечных волокон и свертывании крови, магний, входящий в состав хлорофилла, и железо, входящее в состав ряда белков, в том числе гемоглобина. Цинк входит в состав молекулы гормона поджелудочной железы - инсулина, медь требуется для процессов фотосинтеза и дыхания. Важнейшими анионами являются фосфат-анион, входящий в состав АТФ и нуклеиновых кислот, и остаток угольной кислоты, смягчающий колебания рН среды. Недостаток кальция и фосфора приводит к рахиту, нехватка железа - к анемии.

Органические вещества клетки представлены углеводами, липидами, белками, нуклеиновыми кислотами, АТФ, витаминами и гормонами.
В состав углеводов входят в основном три химических элемента: углерод, кислород и водород. Их общая формула C m (H 2 0) n . Различают простые и сложные углеводы. Простые углеводы {моносахариды) содержат единственную молекулу сахара. Их классифицируют по количеству углеродных атомов, 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 - это глюкоза, фруктоза, галактоза и др. Они принимают активное участие в обмене веществ в клетке и входят в состав сложных углеводов - олигосахаридов и полисахаридов. К олигосахаридам (дисахаридам) относятся сахароза (глюкоза + фруктоза), лактоза или молочный сахар (глюкоза+галактоза) и др.

Примерами полисахаридов являются крахмал, гликоген, целлюлоза и хитин. Углеводы выполняют в клетке пластическую (строительную), энергетическую (энергетическая ценность расщепления 1 г углеводов - 17,6 кДж), запасающую и опорную функции. Углеводы могут также входить в состав сложных липидов и белков.
Липиды - это группа гидрофобных веществ. К ним относят жиры, стероиды воска, фосфолипиды и т. д.

Жир - это сложный эфир трехатомного спирта глицерина и высших органических (жирных) кислот. В молекуле жира можно выделить гидрофильную часть - «головку» (остаток глицерина) и гидрофобную часть - «хвосты» (остатки жирных кислот), поэтому в воде молекула жира ориентируется строго определенным образом: гидрофильная часть направлена к воде, а гидрофобная - от нее.
Липиды выполняют в клетке пластическую (строительную), энергетическую (энергетическая ценность расщепления 1 г жира - 38,9 кДж), запасающую, защитную (амортизационную) и регуляторную (стероидные гормоны) функции.
Белки - это биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Аминокислоты содержат аминогруппу, карбоксильную группу и радикал. Отличаются аминокислоты только радикалами. В состав белков входит 20 основных аминокислот. Соединяются аминокислоты между собой с образованием пептидной связи. Цепочка из более чем 20 аминокислот называется полипептидом или белком. Белки образуют четыре основные структуры: первичную, вторичную, третичную и четвертичную.
- это последовательность аминокислот, соединенных пептидной связью.

Вторичная структура - это спираль, или складчатая структура, удерживаемая водородными связями между атомами кислорода и водорода пептидных группировок разных витков спирали или складок. Третичная структура (глобула) удерживается гидрофобными, водородными, дисульфидными и другими связями.

Третичная структура 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. Четвертичная структура характерна для гемоглобина, хлорофилла и др.
Белки могут быть простыми и сложными . Простые белки состоят только из аминокислот, тогда как сложные белки (липопротеины, хромопротеины, гликопротеины, нуклеопротеины и др.) содержат белковую и небелковую части. Например, в состав гемоглобина помимо четырех полипептидных цепей белка глобина входит небелковая часть - гем, в центре которой находится ион железа, придающий гемоглобину красную окраску.
Функциональная активность белков зависит от условий окружающей среды. Утрата белковой молекулой своей структуры вплоть до первичной называется денатурацией. Обратный процесс восстановления вторичной и более высоких структур - это ренатурация. Полное разрушение белковой молекулы называется деструкцией.
Белки выполняют в клетке ряд функций: пластическую (строительную), каталитическую (ферментативную), энергетическую (энергетическая ценность расщепления 1 г белка - 17,6 кДж), сигнальную (рецепторную), сократительную (двигательную), транспортную , защитную , регуляторную , запасающую .
Нуклеиновые кислоты - это биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. В состав нуклеотида входят азотистое основание, остаток сахара-пентозы и остаток ортофосфорной кислоты. Выделяют два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновую (РНК) и дезоксири-бонуклеиновую (ДНК).
ДНК включает четыре типа нуклеотидов: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). В состав этих нуклеотидов входит сахар де-зоксирибоза. Для ДНК установлены правила Чаргаффа:
1) количество адениловых нуклеотидов в ДНК равно количеству тимидиловых (А = Т);
2) количество гуаниловых нуклеотидов в ДНК равно количеству цитидиловых (Г = Ц);
3) сумма адениловых и гуаниловых нуклеотидов равна сумме тимидиловых и цитидиловых (А + Г = Т + Ц).
Структура ДНК была открыта Ф. Криком и Д. Уотсоном (Нобелевская премия по физиологии и медицине 1962 г.). Молекула ДНК представляет собой двуцепочечную спираль. Нуклеотиды соединяются между собой через остатки фосфорной кислоты, образуя фосфодиэфирную связь, при этом азотистые основания направлены вовнутрь. Расстояние между нуклеотидами в цепи равно 0,34 нм.
Нуклеотиды разных цепей соединяются между собой водородными связями по принципу комплементарности: аденин соединяется с тими-ном двумя водородными связями (А = Т), а гуанин с цитозином - тремя (Г = Ц).

Важнейшим свойством ДНК является способность к репликации (самоудвоению). Основной функцией ДНК является хранение и передача наследственной информации.

Она сосредоточена в ядре, митохондриях и пластидах.
В состав РНК входят также четыре нуклеотида: аденин (А), ура-цил (У), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Остаток сахара-пентозы в ней представлен рибозой. РНК - в основном одноцепочечные молекулы. Выделяют три вида РНК: информационную (и-РНК), транспортную (т-РНК) и рибосомальную (р-РНК).

Все они принимают активное участие в процессе реализации наследственной информации, которая с ДНК переписывается на и-РНК, а на последней осуществляется уже синтез белка, т-РНК в процессе синтеза белка приносит аминокислоты к рибосомам, р-РНК входит в состав самих рибосом.

Содержание химических клетки. Клетки живых существ существенно отличаются от окружающей их среды не только по структуре химических соединений, входящих в их состав, но также по набору и содержанию химических элементов. Из известных в настоящее время химических элементов в живой природе обнаружено около 90. В зависимости от содержания этих элементов в организмах живых существ их можно разделить на три группы:

1) макроэлементы , то есть элементы, содержащиеся в клетках в значительных количествах (от десятков процентов до сотых долей процента). К этой группе относятся , кислород, углерод, азот, натрий, кальций, фосфор, сера, калий, хлор. В сумме эти элементы составляют около 99% массы клеток, причем 98% приходится на долю первых четырех элементов (водород, кислород, углерод и азот).

2) микроэлементы , на долю которых приходится менее сотых долей процента от массы . К этим элементам относятся железо, цинк, марганец, кобальт, медь, никель, йод, фтор. В сумме они составляют около 1% массы клеток. Невзирая на то, что содержание этих элементов в клетке мало, они необходимы для ее жизнедеятельности. При отсутствии или низком содержании таких элементов возникают различные заболевания. Нехватка йода, например, приводит у человека к возникновению заболеваний щитовидной железы, а недостаток железа может вызвать анемию.

3) ультрамикроэлементы , содержание которых в клетке крайне мало (менее 10 -12 %). В эту группу входят бром, золото, селен, серебро, ванадий и многие другие элементы. Большинство этих элементов также необходимы для нормального функционирования организмов. Так, например, дефицит селена приводит к возникновению раковых заболеваний, а недостаток бора вызывает заболевание у растений. Некоторые элементы этой группы, как и микроэлементы, входят в состав ферментов.

В отличие от живых организмов, в земной коре самыми распространенными элементами являются кислород, кремний, алюминий и натрий. Поскольку содержание углерода, водорода и азота в живом веществе выше, чем в земной коре, можно сделать вывод, что молекулы, в состав которых входят этих элементов, необходимы для осуществления процессов, обеспечивающих жизнедеятельность.

Четыре наиболее распространенных в живой материи элемента обладают одним общим свойством: они легко образуют ковалентные связи за счет спаривания электронов. Для того чтобы образовать стабильные электронные связи, атому водорода на внешней электронной оболочке недостает одного электрона, атому кислорода - двух, азота - трех и углерода - четырех электронов. Эти элементы могут легко реагировать друг с другом, заполняя внешние электронные оболочки. Помимо этого, три элемента: азот, кислород и углерод - способны образовывать как одинарные, так и двойные связи, благодаря чему значительно возрастает количество химических соединений, построенных из этих элементов.

Углерод, водород и кислород оказались подходящими для образования живой материи еще и потому, что они самые легкие среди элементов, образующих ковалентные связи. Очень важной с точки зрения биологии является также способность атома углерода образовывать ковалентные связи сразу с четырьмя другими атомами углерода. Таким образом, ковалентно связанные атомы углерода способны формировать каркасы огромного количества самых разных органических молекул.

И другие неорганические вещества, их роль в жизнедеятельности клеток. Большинство химических соединений, из которых состоит клетка, характерны только для живых организмов. Однако в клетке есть ряд веществ, встречающихся и в неживой природе. Это в первую очередь вода, которая в среднем составляет около 80% от массы клеток (ее содержание может колебаться в зависимости от вида клетки и ее возраста), а также некоторые соли.

Вода — это крайне необычное в физическом и химическом отношении вещество, которое значительно отличается по свойствам от других растворителей. Первые клетки возникли в первичном океане и в процессе дальнейшего развития научились использовать эти уникальные свойства воды.

По сравнению с другими жидкостями вода характеризуется необычно высокой температурой кипения, плавления, удельной теплоемкостью, а также большими теплотой испарения, плавления, теплопроводностью и поверхностным натяжением. Это обусловлено тем, что молекулы воды более прочно связаны друг с другом, чем молекулы других растворителей.

Высокая теплоемкость воды (способность поглощать тепло при незначительном изменении собственной температуры) обеспечивает предохранение клетки от резких колебаний температуры, а такое свойство воды, как высокая теплота испарения, используется живыми организмами для предохранения от перегрева: испарение жидкости растениями и животными является защитной реакцией на повышение температуры. Наличие у воды высокой теплопроводности обеспечивает возможность равномерного распределения теплоты между отдельными частями организма. Вода практически несжимаема, благодаря чему клетки поддерживают свою форму и характеризуются упругостью.

Уникальные свойства воды определяются особенностями структуры ее молекулы, которые возникают в результате специфического расположения электронов в атомах кислорода и водорода, входящих в состав молекулы. Атом кислорода, на внешней электронной орбите которого находится два электрона, объединяет их с двумя электронами атомов водорода (каждый атом водорода имеет на внешней электронной орбите по одному электрону). Вследствие этого между атомом кислорода и двумя атомами водорода образуются две ковалентные связи. Однако более отрицательный атом кислорода стремится притянуть к себе электроны. В результате каждый из атомов водорода приобретает небольшой положительный заряд, а атом кислорода несет на себе отрицательный заряд. Отрицательно заряженный атом кислорода одной молекулы воды притягивается к положительно заряженному атому водорода другой молекулы, что приводит к образованию водородной связи. Таким образом, молекулы воды оказываются связанными друг с другом.

Важным свойством водородной связи является ее меньшая прочность по сравнению с (она примерно в 20 раз слабее ковалентной связи). Поэтому водородные связи относительно легко образуются и легко разрываются. Однако даже при 100° между молекулами воды существует еще достаточно сильное взаимодействие. Наличие водородных связей между молекулами воды обеспечивает ее некоторую структурированность, что объясняет такие ее необычные свойства, как высокая кипения, плавления и высокая теплоемкость.

Еще одним характерным свойством молекулы воды является ее дипольность. Как уже говорилось выше, атомы водорода в молекуле воды несут небольшой положительный заряд, а атомы кислорода - отрицательный. Однако угол связи Н-О-Н составляет 104,5°, поэтому в молекуле воды отрицательный заряд сосредоточен на одной стороне, а положительный заряд - на другой. Дипольность молекулы воды характеризует ее способность ориентироваться в электрическом поле. Именно это свойство воды определяет ее уникальность как растворителя: если в молекулах веществ содержатся заряженные группы атомов, они вступают в электростатические взаимодействия с молекулами воды, и эти вещества растворяются в ней. Такие вещества называются гидрофильными. В клетках имеется большое количество гидрофильных соединений: это соли, низкомолекулярные органические соединения, углеводы, нуклеиновые кислоты. Однако есть ряд веществ, которые почти не содержат заряженных атомов и не растворяются в воде. К этим соединениям относятся, в частности, липиды (жиры). Такие вещества называют гидрофобными. Гидрофобные вещества не взаимодействуют с водой, но хорошо взаимодействуют друг с другом. Липиды, являющиеся гидрофобными соединениями, формируют двумерные структуры (мембраны), почти непроницаемые для воды.

Благодаря своей полярности вода растворяет больше химических веществ, чем любой другой растворитель. Именно в водной среде клетки, где растворены разнообразные химические вещества, осуществляются многочисленные химические реакции, без которых жизнедеятельность невозможна. Вода растворяет также продукты реакций и выводит их из клеток и из многоклеточных организмов. За счет перемещения воды в организмах животных и растений осуществляется обмен различными веществами между тканями.

Одно из важных свойств воды как химического соединения заключается в том, что она вступает во многие химические реакции, протекающие в клетке. Эти реакции называются реакциями гидролиза. В свою очередь молекулы воды образуются в результате многих реакций, протекающих в живых организмах.

Масса атома водорода очень мала, его единственный электрон в молекуле воды удерживается атомом кислорода. Вследствие этого ядро атома водорода (протон) способно отрываться от молекулы воды, в результате чего образуется гидроксильный ион (ОН —) и протон (Н +).

Н 2 O <=> Н + + OH —

Этот процесс называется диссоциацией воды. Гидроксильные и водородные ионы, образующиеся при диссоциации воды, также являются участниками многих важных реакций, протекающих в организме.

Кроме воды важную роль в жизнедеятельности клетки играют растворенные в ней , которые представлены катионами калия, натрия, магния, кальция и других , а также анионами соляной, серной, угольной и фосфорной кислот.

Для многих катионов характерно неравномерное распределение между клеткой и окружающей ее средой: так, в цитоплазме клетки концентрация К+ более высокая, а концентрация Na + и Са 2+ более низкая, чем в окружающей клетку среде. Внешней по отношению к клетке может быть как природная среда (например, океан), так и жидкости организма (кровь), которые по ионному составу близки к морской воде. Неравномерное распределение катионов между клеткой и окружающей средой поддерживается в процессе жизнедеятельности, на это клетка затрачивает значительную часть образующейся в ней энергии. Неравномерное распределение ионов между клеткой и окружающей средой необходимо для осуществления многих важных для жизнедеятельности процессов, в частности для проведения возбуждения по нервным и мышечным клеткам, осуществления сокращения мышц. После смерти клетки концентрация катионов вне клетки и внутри нее быстро выравнивается.

Содержащиеся в клетке анионы слабых кислот (НС0 3 — , НРO 4 2-) играют важную роль для поддержания внутри клетки постоянной концентрации ионов водорода (рН). Несмотря на то, что в процессе жизнедеятельности в клетке образуются как щелочи, так и кислоты, в норме реакция в клетке почти нейтральная. Это обусловлено тем, что анионы слабых кислот могут связывать протоны кислот и гидроксильные ионы щелочей, нейтрализуя таким образом внутриклеточную среду. Кроме того, анионы слабых кислот вступают в химические реакции, осуществляемые в клетке: в частности, анионы фосфорной кислоты необходимы для синтеза столь важного для клетки соединения, как АТФ.

Неорганические вещества содержатся в живых организмах не только в растворенном, но и в твердом состоянии. Например, кости формируются главным образом из фосфата кальция (в меньших количествах в них присутствует и фосфат магния), а раковины - из карбоната кальция.

Органические вещества клетки. Биополимеры

В живых организмах присутствует огромное количество разнообразных соединений, которые практически не встречаются в неживой природе и которые называют органическими соединениями. Каркасы молекул этих соединений построены из атомов углерода. Среди органических соединений можно выделить низкомолекулярные вещества (органические кислоты, их эфиры, аминокислоты, свободные жирные кислоты, азотистые основания и т. д.). Однако основная масса сухого вещества клетки представлена высокомолекулярными соединениями, которые являются полимерами. Полимеры - это соединения, образованные из низкомолекулярных повторяющихся единиц (мономеров), последовательно связанных друг с другом ковалентной связью и образующих длинную цепь, которая может быть как неразветвленной, так и разветвленной. Среди полимеров различают гомополимеры, состоящие из одинаковых мономеров. Если обозначить мономер каким-либо символом, например буквой X, то структуру гомополимера условно можно представить следующим образом: -Х-Х-…-Х-Х. В состав гетерополимеров входят мономеры различной структуры. Если мономеры, входящие в состав гетерополимера, обозначить как X и У, то структура гетерополимера может быть представлена, например, в виде ХХУУХУ…ХХУУХУ. К биополимерам (то есть полимерам, встречающимся в живой природе) относятся белки, нуклеиновые кислоты и углеводы.

Белки

Структура белков . Среди органических соединений, представленных в клетке, основными являются белки: на их долю приходится не менее 50% сухого вещества. В состав всех белков входят углерод, водород, кислород, азот. Кроме того, почти все они содержат серу. В некоторых белках присутствуют также фосфор, железо, магний, цинк, медь, марганец. Так, железо входит в состав белка гемоглобина, находящегося в эритроцитах многих животных, а магний обнаруживается в пигменте хлорофилле, необходимом для осуществления фотосинтеза.

Характерная особенность белков - их большая молекулярная масса: она колеблется в пределах от нескольких тысяч до сотен тысяч и даже миллионов килодальтон. Мономером, то есть структурной единицей любого белка, являются аминокислоты, для которых характерно сходное, но не совсем одинаковое строение.

Как видно из представленной формулы, молекула аминокислоты состоит из двух частей. Та часть, что обведена рамкой, одинакова у всех аминокислот. Она содержит аминогруппу (-NН 2), присоединенную к атому углерода, и следующую далее карбоксильную группу (-СООН). Вторая часть молекулы аминокислоты, изображенная в формуле в виде латинской буквы R, называется боковой цепью, или радикалом. Она имеет разную структуру у различных аминокислот. В качестве структурных элементов (мономеров) в состав белков входит 20 различных аминокислот, таким образом, в белках может встречаться 20 различных по структуре боковых цепей. Боковые радикалы могут быть заряжены отрицательно или положительно, содержать ароматические кольца и гетероциклические структуры, гидрофобные группировки, гидроксильные (-ОН) группы или атомы серы.

В белковых молекулах последовательно расположенные молекулы аминокислот соединяются друг с другом ковалентно, образуя длинные неразветвленные полимерные цепи. Аминокислоты в цепи расположены таким образом, что аминогруппа одной аминокислоты взаимодействует с карбоксильной группой другой. При взаимодействии двух этих групп выделяется молекула воды и образуется пептидная связь. Образовавшееся соединение называется пептидом. Если пептид состоит из двух аминокислот, его называют дипептидом, из трех - трипептидом. Молекулы белка могут содержать сотни и даже тысячи аминокислотных остатков. Таким образом, белки представляют собой полипептиды. Нужно отметить, что белковые молекулы представляют собой не беспорядочно построенные полимеры различной длины - каждая белковая молекула характеризуется определенной последовательностью аминокислот, которая определяется структурой гена, кодирующего данный белок.

Последовательность аминокислотных остатков в молекуле белка определяет его первичную структуру, то есть его формулу. Точно так же, как алфавит, в состав которого входят 33 буквы, позволяет создать огромное количество слов, с помощью 20 аминокислот можно создать почти неограниченное количество белков, различающихся как по количеству входящих в их состав аминокислот, так и по их последовательности. Общее число различных белков, встречающихся у всех видов живых организмов, составляет величину порядка 10 10 -10 12 . Важнейшей задачей современной биологии является определение первичной структуры белков, а также установление зависимости между первичной структурой и функциональной активностью белков. Поскольку последовательность аминокислот задается структурой гена, то первичную структуру белков в настоящее время определяют, выясняя последовательность нуклеотидов в соответствующем гене, используя для этого методы генной инженерии.

Белковая молекула в нативном (неповрежденном) состоянии обладает характерной для нее пространственной структурой, или конформацией. Она определяется тем, как сворачивается полипептидная цепь белка в растворе. Чаще всего отдельные участки полипептидной цепи сворачиваются в спираль (α-спираль) или образуют зигзагообразные структуры, располагающиеся антипараллельно, - так называемый складчатый слой, или β-структура. Образование α-спирали и β-структуры приводит к формированию вторичной структуры белка. При этом боковые цепи аминокислот располагаются с наружной стороны спирали или зигзагообразной структуры. Спиральная структура стабилизируется водородными связями, которые образуются между NH-группами, находящимися на одном витке, и CO-группами, расположенными на другом витке спирали. Эти водородные связи параллельны оси спирали.

Структура типа складчатого слоя также стабилизируется за счет водородных связей, которые образуются между параллельными слоями. Хотя водородные связи слабее ковалентных, присутствие их в значительном количестве делает структуры типа α-спирали или β-складчатого слоя достаточно прочными.

Спиральные участки и структуры типа складчатого слоя подвергаются дальнейшей упаковке, в результате чего формируется третичная структура белка. На этом этапе растворимые белки обычно образуют глобулярную структуру, имеющую вид клубка, в которой заряженные аминокислотные остатки оказываются на поверхности, а гидрофобные аминокислотные остатки - внутри клубка. При этом зачастую сближаются аминокислотные остатки, которые в полипептидной цепи расположены далеко друг от друга. Для каждого белка характерен свой способ упаковки, который задается уже на уровне первичной структуры данного белка, то есть зависит от порядка расположения аминокислот в полипептидной цепи.

Многие белки состоят из нескольких полипептидных цепей одинаковой или различной структуры. При объединении таких цепей образуется сложный белок, для которого характерна четвертичная структура. Такие белки называют олигомерами, а входящие в состав олигомера отдельные полипептидные цепи - мономерами.

Большая часть белковых молекул способна сохранять свою биологическую активность, то есть способность выполнять свойственную им функцию только в узком диапазоне температур и кислотности среды. При повышении температуры или изменении кислотности до экстремальных значений в структуре белков происходят изменения, которые называют денатурацией. Примером денатурации является свертывание белка яйца, наблюдающееся при его варке. При денатурации не происходит разрыва ковалентных связей, но разрушается характерная для данного белка четвертичная, третичная и вторичная структура, в результате чего в денатурированном состоянии полипептидные цепи белков образуют случайные и беспорядочные клубки и петли.

Функции белков . Для белков характерно значительное разнообразие функций. Самую большую и наиболее важную по биологическому значению группу белков составляют белки-ферменты, которые являются катализаторами, ускоряющими протекание различных химических реакций.

Вторая по величине группа белков представлена белками, являющимися структурными элементами клетки. К ним, например, относится фибриллярный белок коллаген, главный структурный белок, входящий в состав соединительной и костной . Другие типы белков являются компонентами сократительных и двигательных систем. Таковы, например, актин и миозин, два главных элемента сократительной системы мышц. Из структурных белков формируется цитоскелет клетки, представляющий собой пучки фибриллярных белков, соединяющих различные органеллы клетки друг с другом и с плазматической мембраной клетки.

Некоторые белки выполняют транспортную функцию, они способны связывать и переносить с током крови различные вещества. Наиболее известным из таких белков является гемоглобин, который находится в эритроцитах позвоночных и, связываясь с кислородом, осуществляет его перенос из легких в ткани. Сывороточные липопротеиды переносят с током крови сложные липиды, а сывороточный альбумин - свободные жирные кислоты.

К транспортным белкам относятся также белки, встроенные в биологические мембраны и осуществляющие перенос различных веществ через эти мембраны. В обычных условиях клеточная мембрана слабо проницаема для таких веществ, как К + , Na + , Са 2+ , поскольку поры, сформированные белками-каналами, закрыты. Однако некоторые воздействия, например электрические импульсы или биологически активные вещества, связывающиеся с каналами, открывают пору, вследствие чего ион, способный проникать через этот канал, перемещается с одной стороны мембраны на другую в направлении уменьшения концентрации. Перемещение ионов в противоположном направлении осуществляется с затратой энергии другими транспортными белками мембраны, называемыми ионными насосами.

В специализированных клетках растений и животных осуществляется синтез специальных регуляторов или гормонов, часть из которых (но не все) являются белками, регулирующими различные физиологические процессы. Наиболее известным из них является, пожалуй, инсулин - гормон, вырабатываемый в поджелудочной железе и регулирующий уровень глюкозы в клетках организма. При недостатке инсулина в организме возникает заболевание, известное как сахарный диабет.

Кроме того, белки способны осуществлять защитную функцию. При попадании в организм животных или человека вирусов, бактерий, чужеродных белков или других полимеров в организме происходит синтез специальных защитных белков, которые называют антителами или иммуноглобулинами. Эти белки связываются с чужеродными полимерами. Связывание антител с белками вирусов или бактерий подавляет их функциональную активность и останавливает развитие инфекции. Антитела обладают уникальным свойством: они способны отличать чужеродные белки от собственных белков организма. Такой механизм защиты организма от возбудителей заболеваний называют иммунитетом. Иммунитет к инфекционным заболеваниям можно создать путем инъекции очень небольших количеств некоторых биополимеров, входящих в состав микроорганизмов или вирусов, являющихся возбудителями данной болезни. При этом образуются антитела, которые впоследствии способны защитить организм, если он подвергнется заражению данным микроорганизмом или вирусом. Многие живые существа для обеспечения защиты выделяют белки, называемые токсинами, которые в большинстве случаев являются сильными ядами.

При недостатке питания у животных резко усиливается распад белков до входящих в его состав аминокислот, последние после соответствующих превращений могут использоваться в качестве источника энергии (энергетическая функция белков).

Часть бактерий и все растения способны синтезировать все 20 аминокислот, входящих в состав белков. Однако животные в процессе эволюции потеряли способность синтезировать 10 особо сложных аминокислот, которые они должны получать с растительной и животной пищей. Эти аминокислоты получили название незаменимых. Они входят в состав растительных и животных белков, получаемых с пищей, которые в пищеварительном тракте расщепляются до аминокислот. В клетках из этих аминокислот строятся собственные белки, характерные для данного организма. Отсутствие в пище незаменимых аминокислот вызывает тяжелые нарушения обмена веществ.

И их роль в процессе жизнедеятельности. При той температуре и кислотности среды, которая характерна для клетки, скорость большинства химических реакций невелика. Однако реально в клетке реакции протекают с очень большой скоростью. Это достигается за счет присутствия в клетке специальных катализаторов - ферментов, которые значительно увеличивают скорость химических реакций. Ферменты - самый крупный и специализированный класс белков. Именно ферменты обеспечивают протекание в клетке многочисленных реакций, из которых складывается клеточный обмен веществ. В настоящее время известно более тысячи ферментов. Их каталитическая эффективность необычайно велика: они способны ускорять реакции в миллионы раз.

Каталитическая активность фермента определяется не всей его молекулой, а определенным участком молекулы фермента, который называется его активным центром. Известно, что химический катализ чаще всего осуществляется за счет образования комплекса превращаемого в процессе реакции вещества (субстрата) с катализатором. И в процессе ферментативной реакции субстрат взаимодействует с ферментом, причем связывание субстрата осуществляется именно в активном центре. Для ферментов характерно пространственное соответствие между субстратом и активным центром, они подходят друг к другу, «как ключ к замку». Таким образом, ферменты характеризуются субстратной специфичностью, поэтому каждый фермент обеспечивает протекание одной или нескольких реакций одного типа.

Связывание субстрата с ферментом (образование фермент-субстратного комплекса) сопровождается перераспределением электронного , окружающего превращаемое в процессе реакции вещество (субстрат), за счет взаимодействия с аминокислотами фермента, которые участвуют в формировании активного центра. Вследствие этого отдельные связи между атомами в молекуле субстрата ослабляются и разрушаются значительно легче, чем в растворе. В других случаях (реакции, при которых происходит образование связи) две молекулы субстрата сближаются в активном центре фермента настолько, что между ними легко образуется . При денатурации фермента его каталитическая активность исчезает, так как нарушается структура активного центра.

В состав многих ферментов входят так называемые кофакторы - низкомолекулярные органические или неорганические соединения, способные осуществлять определенные типы реакций. К кофакторам принадлежит, например, динуклеотид НАД (никотинамидадениндинуклеотид), обеспечивающий дегидрирование различных субстратов. Его функции подробно будут рассмотрены в разделе «Энергетический обмен». Известно также большое количество ферментов, в состав которых входят металлы (железо, медь, кобальт, марганец), также участвующие в превращении субстратов в процессе каталитического акта.

Нуклеиновые кислоты

Еще одним важным классом биополимеров являются нуклеиновые кислоты, которые являются носителями генетической , а также принимают участие в процессе синтеза белков. В живой природе обнаружено два типа нуклеиновых кислот, а именно: дезоксирибонуклеиновая кислота (сокращенно ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). ДНК и РНК обнаруживаются у всех прокариот и эукариот, исключение составляют вирусы, часть которых содержит только РНК, тогда как другие - только ДНК. ДНК и РНК состоят из мономеров, называемых мононуклеотидами . Мононуклеотиды, входящие в состав ДНК и РНК, обладают сходной, но не одинаковой структурой. Мононуклеотиды состоят из трех основных компонентов: 1) азотистого основания , 2) сахара пентозы и 3) фосфорной кислоты .

Мононуклеотиды, входящие в состав ДНК, содержат пятиуглеродный сахар дезоксирибозу и одно из четырех азотистых оснований: аденин , гуанин , цитозин и тимин (сокращенно А, Г, Ц и Т).

Мононуклеотиды, входящие в состав РНК, содержат пятиуглеродный сахаррибозу, а также одно из четырех оснований: аденин , гуанин , цитозин и урацил (сокращенно А, Г, Ц и У).

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) . ДНК является носителем генетической информации и сосредоточена в клетке главным образом в ядре, где она является основным компонентом хромосом (у эукариот ДНК обнаруживается также в митохондриях и хлоропластах). ДНК представляет собой полимер, состоящий из ковалентно связанных между собой мононуклеотидов, в состав которых входит дезоксирибоза и четыре азотистых основания (аденин, гуанин, цитозин и тимин). Количество мононуклеотидов, входящих в состав ДНК, очень велико: в клетках прокариот, содержащих единственную хромосому, вся ДНК присутствует в виде одной макромолекулы с молекулярной массой более 2*10 9 .

Структура молекулы ДНК была расшифрована Уотсоном и Криком в 1953 году. Молекула ДНК представляет собой две нити, расположенные параллельно друг другу и формирующие правозакрученную спираль. Ширина спирали составляет около 2 нм, тогда как длина может достигать сотен тысяч нанометров. Мононуклеотиды, входящие в состав одной цепи, последовательно соединяются за счет образования ковалентных связей между дезоксирибозой одного и фосфорной кислотой другого мононуклеотида. Азотистые основания, которые располагаются по одну сторону от образовавшегося остова одной цепи ДНК, формируют водородные связи с азотистыми основаниями второй цепи. Таким образом, в спиральной молекуле двухцепочечной ДНК азотистые основания находятся внутри спирали. Структура спирали такова, что входящие в ее состав полинуклеотидные цепи могут быть разделены только после раскручивания спирали.

Молекула ДНК устроена таким образом, что количество входящих в ее состав азотистых оснований одного типа (аденина и гуанина) равно количеству азотистых оснований другого типа (тимина и цитозина), то есть А+Г=Т+Ц. Это обусловлено размером азотистых оснований: длина структуры, образующейся при формировании водородной связи между парами аденин-тимин и гуанин-цитозин, составляет примерно 11 А. Размеры этих пар соответствуют размеру внутренней части спирали ДНК. Пара А-Г была бы слишком велика, а Ц-Т - мала для формирования спирали. Таким образом, азотистое основание, стоящее в одной цепи ДНК, определяет основание, располагающееся в том же месте другой цепи. Строгое соответствие нуклеотидов, расположенных параллельно друг другу в парных цепочках молекулы ДНК, получило название комплементарности (дополнительности). Именно благодаря этому свойству молекулы ДНК возможно точное воспроизведение (репликация) генетической информации. В клетке репликация (самоудвоение) ДНК происходит в результате разрыва водородных связей между азотистыми основаниями соседних цепей ДНК и последующего синтеза двух новых (дочерних) молекул ДНК с использованием в виде матрицы родительских цепей. Такие реакции были названы реакциями матричного синтеза.

Рибонуклеиновая кислота. РНК представляет собой полимер, состоящий из ковалентно связанных между собой мононуклеотидов, в состав которых входит рибоза и четыре азотистых основания (аденин, гуанин, цитозин и урацил). В клетках существует три разных типа рибонуклеиновых кислот: информационная, или матричная, РНК (иРНК, или мРНК), транспортная РНК (тРНК) и рибосомная РНК (рРНК). Молекулы всех трех типов РНК одноцепочечные. И все они имеют значительно меньшую молекулярную массу, чем молекулы ДНК. В большинстве клеток содержание РНК во много раз (от 5 до 10) выше, чем содержание ДНК. Все три типа РНК необходимы для обеспечения синтеза белка в клетке.

Информационная РНК. Информационная РНК синтезируется в ядре в процессе транскрипции, в ходе которого на одной из цепей ДНК обеспечивается матричный синтез молекулы РНК. Молекула иРНК состоит примерно из 300-30000 нуклеотидов и представляет собой структуру, комплементарную определенному участку одноцепочечной молекулы ДНК (гену). После синтеза иРНК переходит в цитоплазму, где она прикрепляется к рибосомам и используется в качестве матрицы, определяющей последовательность аминокислот в растущей полипептидной цепи. Таким образом, последовательность нуклеотидов в цепи ДНК, а затем и синтезируемой с ее использованием в качестве матрицы иРНК определяет последовательность аминокислот в синтезируемом белке. Каждый из тысяч белков, синтезируемых клеткой, кодируется специфической иРНК.

Транспортная РНК. Функция тРНК состоит в том, чтобы в ходе синтеза белка, осуществляемого на рибосомах, транспортировать к вновь синтезируемой полипептидной цепи определенные аминокислоты. Молекулрная масса тРНК невелика: молекулы содержат от 75 до 90 мононуклеотидов.

Рибосомная РНК. Рибосомная РНК входит в состав рибосом - органелл, с помощью которых осуществляется синтез белка. Молекулы рРНК состоят из 3-5 тысяч мононуклеотидов.

Углеводы

Углеводами, или сахаридами, называются соединения с общей формулой (СН 2 O) п, являющиеся альдегидоспиртами или кетоспиртами. Углеводы подразделяют на моно-, ди- и полисахариды.

Моносахариды, или простые сахара, чаще всего состоят из нити (пентозы) или шести (гексозы) атомов углерода и имеют со-(ггиетственно формулы (СН 2 O) 5 и (СН 2 O) 6 .

Наиболее распространенным простым сахаром является шести углеродный сахар глюкоза, это исходный мономер, из которого построены многие полисахариды. Глюкоза является также главным источником энергии в клетке. Пентозы (рибоза и дезоксирибоза) входят в состав нуклеиновых кислот и АТФ.

В молекуле дисахаридов объединены два простых сахара. Наиболее известными представителями дисахаридов является сахароза, или пищевой сахар, молекула которого состоит из молекул глюкозы и фруктозы.

Молекулы полисахаридов представляют собой длинные цепи, построенные из многих моносахаридных единиц, причем цепи могут быть как линейными, так и разветвленными. Большинство полисахаридов содержат в качестве мономеров повторяющиеся единицы одного и того же вида или двух чередующихся видов, поэтому они не могут выполнять роль информационных биополимеров.

В живой природе содержится огромное количество углеводов. Это связано в первую очередь с широким распространением двух полисахаридов: крахмала и целлюлозы. Крахмал содержится в больших количествах в растениях. Он является той формой полисахарида, в которой запасается топливо. Целлюлоза - это главный компонент внеклеточных волокнистых и одревесневших растительных тканей. В пищеварительном тракте животных отсутствуют ферменты, способные расщеплять целлюлозу до мономеров. Однако эти ферменты имеются у бактерий, которые обитают в пищеварительном тракте некоторых животных, позволяя им использовать целлюлозу в качестве продукта питания

Полисахариды входят в состав жестких стенок растительных и бактериальных клеток, они являются также составным элементом более мягких оболочек клеток животных. Таким образом, углеводы выполняют в клетке две основные функции: энергетическую и строительную.

Липиды

Липиды представляют собой нерастворимые в воде органические соединения, входящие в состав клеток. Эти вещества могут быть экстрагированы (переведены в растворенное состояние) неполярными растворителями, такими, как хлороформ, бензол или эфир. Известно несколько классов липидов, однако наиболее важную функцию в организме выполняют, по-видимому, фосфолипиды, являющиеся эфирами трехатомного спирта глицерина и фосфорной кислоты. При образовании молекулы фосфолипида две гидроксильные группы глицерина взаимодействуют с высокомолекулярными жирными кислотами, содержащими 16-18 атомов углерода, а одна гидроксильная группа взаимодействует с фосфорной кислотой. Молекулы всех фосфолипидов содержат полярную голову и неполярный хвост, образованный двумя молекулами жирной кислоты. На границе раздела масло-вода молекулы фосфолипидов ориентируются таким образом, что их полярные головы погружаются в воду, а гидрофобные хвосты - в масло. По поверхности воды фосфолипиды растекаются в виде монослоя, в котором жирно-кислотные хвосты ориентированы в сторону относительно гидрофобного воздуха, а заряженные головы направлены в сторону водной среды.

Молекулы фосфолипидов способны формировать двумерные структуры, которые получили название бислоя: бислой образован из двух монослоев фосфолипидов, ориентированных относительно друг друга так, что гидрофобные хвосты фосфолипидов располагаются внутри бислоя, а полярные головы направлены наружу. Такой бислой характеризуется очень высоким электрическим сопротивлением. Именно бислои, состоящие из фосфолипидов, являются важнейшим компонентом биологических мембран. Биологические мембраны представляют собой природные пленки толщиной 5-7 нм, сформированные бислоем фосфолипидов, содержащим белковые молекулы. Таким образом, липиды выполняют в клетке строительную функцию.

Кроме того, липиды являются важным источником энергии-. при полном превращении в клетке 1 г липидов в воду и углекислый газ выделяется примерно в 2 раза больше энергии, чем при таком же превращении углеводов. Накапливаемый в подкожной клетчатке жир является хорошим теплоизолирующим материалом. Кроме того, липиды являются источником воды, которая в значительных количествах выделяется при их окислении. Именно поэтому многие животные, запасающие жиры (например, верблюды во время переходов по пустыне, медведи, сурки, суслики во время спячки), могут длительное время обходиться без воды.

Некоторые вещества, относящиеся к липидам, обладают высокой биологической активностью: это ряд витаминов, например витамины А и Б, а также некоторые гормоны (стероидные). Важную функцию в организме животных выполняет холестерин, являющийся компонентом клеточных мембран: неправильный обмен холестерина у людей приводит к возникновению атеросклероза - заболевания, при котором холестерин откладывается в виде бляшек на стенках кровеносных сосудов, сужая их просвет. Это приводит к нарушению кровоснабжения органов и является причиной таких тяжелых се рдечнососудистых заболеваний, как инсульт или инфаркт миокарда.