2 Химический состав клетки
Организмы животных и растений получают все необходимые элементы из окружающей природы. В клетках содержится около 90 химических элементов, 24 из них имеют известное ученым предназначение. В зависимости от содержания в организмах элементы делят на три группы.
В первую группу входят О (от 65 % до 70 %), C (от 15 % до 18 %),Н (от 8 % до 10 %) и N (от 1,5 % до 3 %). Эти элементы составляют около 97 % массы клетки, поэтому их называют макроэлементами.
Вторую группу составляют Р, S, Cl и металлы: К, Са, Mg, Na и Fe. На их долю приходится около 3 % вещества клетки: Mg входит в состав хлорофилла, от содержания Ca зависит свертываемость крови, Ca и P участвуют в формировании костной ткани, Fe является необходимой составляющей гемоглобина – белка, участвующего в переносе кислорода к тканям, Na, K, Cl обеспечивают транспорт веществ через клеточную мембрану.
Основной вклад в построение молекул жизненно важных соединений вносят макроэлементы вместе с S и P, поэтому их называют биогенными, или биоэлементами. Макроэлементы вместе с S входят в состав белков, а вместе с P – в состав нуклеиновых кислот; О, Н, С образуют липиды (с S и P) и углеводы.
Третья группа объединяет остальные элементы. Их не более 0,01 % вещества клетки, однако, это не значит, что без них организм может легко обойтись. Элементы третьей группы подразделяют на микро (от 10-12 % до 10-3 %) и ультрамикроэлементы (не более 10-12 %). К последним относят Ag, Au, Hg, Be, U, As и др. Биологическая роль многих из них не выявлена.
Все химические соединения образуют два больших класса: неорганические и органические. Органические соединения содержат углерод, его наличие является их отличительным признаком. Из всего многообразия органических соединений особое биологическое значение имеют нуклеиновые кислоты, белки, углеводы и липиды (жиры).
Неорганические вещества. Вода – самое распространенное вещество в живых существах. В многоклеточных организмах вода составляет до 80 % массы. У человека содержание воды в различных органах колеблется от 10 % (в клетках эмали зубов) до 85 % (в клетках головного мозга). Вода в клетках присутствует в двух формах: свободной (95 % всей воды в клетках) и связанной (от 4 % до 5 % связана с белками).
Молекула воды полярна (диполь). Центры ее положительного (у атомов водорода) и отрицательного (у кислорода) зарядов разнесены. Атом кислорода молекулы воды притягивается к атому водорода другой молекулы с образованием так называемой водородной связи (рисунок 1).
Рисунок 1 – Образование водородной связи между молекулами воды
Значительное сцепление молекул воды между собой и с молекулами других веществ позволяет воде легко перемещаться вверх по сосудам растений и переносить питательные вещества.
Соли. Большая часть неорганических веществ находится в клетке в виде солей. Они образованы катионами К+, Na+, Mg2+, Са2+ и анионами соляной, серной, фосфорной и угольной кислот. Катионы К+, Na+, Са2+ обеспечивают раздражимость клетки. Различное их количество на внешней и внутренней стороне мембраны создает разность потенциалов, позволяющую передавать возбуждение по нерву и мышце. Содержание К+ в мышечных клетках в 30 раз выше, чем в крови; Na+ участвует в транспорте глюкозы, других сахаров, аминокислот; Ca2+ и Mg2+ активируют ряд ферментов. Анионы угольной и фосфорной кислот обусловливают буферность клетки – свойство поддерживать необходимую для нормальной жизнедеятельности слабощелочную среду. Некоторые нерастворимые в воде соли входят в состав организмов в твердом виде. Прочность костной ткани придает содержащийся в ее межклеточном веществе фосфат кальция, а крепкие раковины моллюсков состоят из карбоната кальция.
Органические вещества. Углеводы – органические соединения с общей химической формулой Сn(H2О)m. Содержание углеводов в животных клетках составляет от 1 % до 5 %, а в клетках растений достигает 70 %.
Углеводы подразделяют на моносахариды (простые сахара), дисахариды или олигосахариды (состоят из 2-10 молекул простых сахаров) и полисахариды (сложные сахара).
Липиды – разнообразные по строению жироподобные вещества, почти нерастворимые в воде (гидрофобные), но хорошо растворимые в неполярных растворителях (хлороформе, метаноле). Наиболее распространенные липиды: воски, нейтральные жиры, фосфолипиды и стероиды.
Белки – высокомолекулярные полимерные органические вещества, определяющие структуру и жизнедеятельность клетки и организма в целом. Структурной единицей, мономером их биополимерной молекулы является аминокислота. Все организмы для синтеза белков используют 20 одних и тех же аминокислот, 8 из них не могут синтезироваться организмом человека и должны поступать с пищей – их называют незаменимыми.
Выделяют четыре уровня организации белковых молекул: первичный, вторичный, третичный и четвертичный (рисунок 2).
Ферменты – органические вещества белковой природы, которые синтезируются в клетках и во много раз ускоряют протекающие в них реакции, не подвергаясь при этом химическим превращениям.
Все ферменты помимо белка содержат небелковые компоненты. Белковая часть называется апоферментом, а небелковая – кофактор (если это простое неорганическое вещество, например Zn2+) или кофермент (коэнзим) (если это органическое соединение).
Нуклеиновые кислоты. Мононуклеотиды. Мононуклеотид состоит из одного пуринового (аденин – А, гуанин – Г) или пиримидинового (цитозин – Ц, тимин – Т, урацил – У) азотистого основания, сахара – пентозы и 1-3 остатков фосфорной кислоты.
Полинуклеотиды. Существует два типа нуклеиновых кислот: ДНК и РНК. Нуклеиновые кислоты – полимеры, мономерами которых служат нуклеотиды.
Нуклеотиды ДНК и РНК состоят из следующих компонентов:
1. Азотистое основание (в ДНК: аденин, гуанин, цитозин и тимин; в РНК: аденин, гуанин, цитозин и урацил).
2. Сахар – пентоза (в ДНК – дезоксирибоза, в РНК – рибоза).
3. Остаток фосфорной кислоты.
ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота длинноцепочечный неразветвленный полимер, состоящий из четырех типов мономеров – нуклеотидов А, Т, Г, Ц – связанных друг с другом ковалентной связью через остатки фосфорной кислоты (рисунок 3).
РНК – рибонуклеиновая кислота вместо дезоксирибозы содержит рибозу, а вместо тимина – урацил. РНК, как правило, имеют лишь одну цепь, более короткую, чем цепи ДНК. Двуцепочечные РНК встречаются у некоторых вирусов.
Виды РНК: информационная (матричная) – и – РНК, транспортная – тРНК, рибосомная – р – РНК.
Аденозинтрифосфорная кислота – АТФ. Энергия, поступающая с пищей, запасается клеткой в виде химических связей органических молекул, которые клетка синтезирует. Универсальным источником энергии в клетке являются молекулы глюкозы. Энергия, выделяющаяся при расщеплении глюкозы, запасается в молекулах АТФ – универсальном аккумуляторе энергии. У растений АТФ образуются в хлоропластах в процессе фотосинтеза и в митохондриях. Использование АТФ позволяет организму легко и быстро высвобождать и запасать энергию. По строению АТФ сходна с адениловым нуклеотидом, входящим в состав РНК, только вместо одного остатка фосфорной кислоты (фосфата) в состав АТФ входят три остатка (рисунок 4).
Практическая часть
Самостоятельная работа
Задание 1
Зарисуйте рисунок 2 и сделайте обозначения.
Рисунок 2 – Структуры белка
Задание 2
Рассмотрите и зарисуйте рисунок 3, обозначив ширину спирали ДНК и расстояние между витками спирали [2, 3].
Рисунок 3 – Модель молекулы ДНК
Задание 3
Рассмотрите рисунок 4 и запишите реакцию превращения АТФ в АДФ (рисунок 4).
Рисунок 4 – Превращение АТФ в АДФ
Тесты для самоконтроля:
2.1 К макроэлементам относится:
а) золото;
б) марганец;
в) железо;
г) цинк.
2.2 К микроэлементам относится:
а) медь;
б) уран;
в) кальций;
г) азот.
2.3 К микроэлементам не относится:
а) цинк;
б) медь;
в) калий;
г) марганец.
2.4 К моносахаридам относится вещество:
а) крахмал;
б) гликоген;
в) глюкоза;
г) сахароза.
2.5 К моносахаридам относится вещество:
а) мальтоза;
б) дезоксирибоза;
в) целлюлоза;
г) крахмал.
2.6 К дисахаридам относится вещество:
а) крахмал;
б) гликоген;
в) глюкоза;
г) сахароза.
2.7 К дисахаридам относится вещество:
а) мальтоза;
б) дезоксирибоза;
в) целлюлоза;
г) крахмал.
2.8 В состав молекулы ДНК входят остатки моносахарида:
а) рибозы;
б) дезоксирибозы;
в) глюкозы;
г) фруктозы.
2.9 В состав молекулы РНК входят остатки моносахарида:
а) рибозы;
б) дезоксирибозы;
в) галактозы;
г) глюкозы.
2.10 При полном сгорании 1 г вещества выделилось 38,9 кДж энергии. Это сгорели:
а) углеводы;
б) жиры;
в) или углеводы или липиды, так как при их полном окислении выделяется 38,9 кДж энергии;
г) не углеводы и не липиды, так как при их полном окислении выделяется 17,6 кДж энергии.
2.11 Основу клеточных мембран образуют:
а) жиры;
б) фосфолипиды;
в) воски;
г) белки.
2.12 Вторичную структуру белков стабилизируют связи:
а) ковалентные;
б) водородные;
в) ионные;
г) такие связи отсутствуют.
2.13 Придают аминокислоте кислые и щелочные свойства следующие функциональные группировки:
а) кислые – радикал, щелочные – аминогруппа;
б) кислые – аминогруппа, щелочные – радикал;
в) кислые – карбоксильная группа, щелочные – радикал;
г) кислые – карбоксильная группа, щелочные – аминогруппа.
2.14 Первичную структуру белков стабилизируют связи:
а) ковалентные;
б) водородные;
в) ионные;
г) такие связи отсутствуют.