Хімічний склад клітин рослин і тварин дуже схожий, що говорить про єдність їх походження. У клітинах виявлено понад 80 хімічних елементів, проте лише щодо 27 із них відома фізіологічна роль.
Всі елементи ділять на три групи:
Всі перераховані елементи входять до складу неорганічних і органічних речовин живих організмів або містяться у вигляді іонів.
Неорганічні сполуки клітин представлені водою та мінеральними солями.
Дипольний характер молекули води дозволяє їй формувати навколо білків водну (сольватную) оболонку, що перешкоджає склеюванню їх один з одним. Це зв'язана вода, яка становить 4 - 5% від усього її змісту. Іншу воду (близько 95%) називають вільною. Вільна вода є універсальним розчинником для багатьох органічних і неорганічних сполук. Більшість хімічних реакцій йде тільки в розчинах. Проникнення речовин в клітку і виведення з неї продуктів дисиміляції в більшості випадків можливе тільки в розчиненому вигляді. Вода приймає і безпосередню участь в біохімічних реакціях, що протікають в клітині (реакції гідролізу). З водою пов'язана також регуляція теплового режиму клітин, так як вона має гарну теплопровідність і теплоємність.
Вода бере активну участь в регуляції осмотичного тиску в клітинах. Проникнення молекул розчинника через напівпроникну мембрану в розчин речовини називається осмосом, а тиск, з яким розчинник (вода) проникає через мембрану, - осмотическим. Величина осмотичного тиску зростає зі збільшенням концентрації розчину. Осмотичний тиск рідин організму людини і більшості ссавців дорівнює тиску 0,85% розчину хлориду натрію. Розчини з таким осмотичним тиском називаються ізотонічними, більш концентровані - гіпертонічними, а менш концентровані - гіпотонічними. Явище осмосу лежить в основі напруги стінок рослинних клітин (тургор).
По відношенню до води всі речовини діляться на гідрофільні (водорозчинні) - мінеральні солі, кислоти, луги, моносахариди, білки та ін. І гідрофобні (водонерозчинні) - жири, полісахариди, деякі солі і вітаміни та ін. Крім води розчинниками можуть бути жири і спирти.
Мінеральні солі в певних концентраціях необхідні для нормальної життєдіяльності клітин. Так, азот і сірка входять до складу білків, фосфор - до складу ДНК, РНК і АТФ, магній - до складу багатьох ферментів і хлорофілу, залізо - до складу гемоглобіну, цинк - до складу гормону підшлункової залози, йод - до складу гормонів щитовидної залози і т. д. Нерозчинні солі кальцію і фосфору забезпечують міцність кісткової тканини, катіони натрію, калію і кальцію - подразливість клітин. Іони кальцію беруть участь у згортанні крові.
Аніони слабких кислот і слабкі луги пов'язують іони водню (Н +) і гідроксилу (ОН), внаслідок чого в клітинах і міжклітинної рідини на постійному рівні підтримується слаболужна реакція. Це явище називається буферност'ю.
Органічні сполуки становлять близько 20 - 30% маси живих клітин. До них відносяться біологічні полімери - білки, нуклеїнові кислоти і полісахариди, а також жири, гормони, пігменти, АТФ та ін.
Білки становлять 10 - 18% від загальної маси клітини (50 - 80% від сухої маси). Молекулярна маса білків коливається від десятків тисяч до багатьох мільйонів одиниць. Білки - це біополімери, мономерами яких є амінокислоти. Всі білки живих організмів побудовані з 20 амінокислот. Незважаючи на це, різноманітність білкових молекул величезна. Вони розрізняються за величиною, структурою і функціями, які визначаються кількістю і порядком розташування амінокислот. Крім простих білків (альбуміни, глобуліни, гістони) є і складні, що представляють собою з'єднання білків з вуглеводами (глікопротеїди), жирами (ліпопротеїди) і нуклеїновими кислотами (нуклеопротеїни).
Кожна амінокислота складається з вуглеводневої радикала, сполученого з карбоксильною групою, що має кислотні властивості (-СООН), і аминогруппой (-NH2), що володіє основними властивостями. Амінокислоти відрізняються одна від одної тільки радикалами. Амінокислоти є амфотерними сполуками, що володіють одночасно властивостями і кислот, і підстав. Це явище обумовлює можливість з'єднання кислот в довгі ланцюжки. При цьому встановлюються міцні ковалентні (пептидні) зв'язку між вуглецем кислотної і азотом основної груп (-CO-NH-) з виділенням молекули води. Сполуки, що складаються з двох амінокислотних залишків, називаються дипептидами, з трьох - трипептид, з багатьох - поліпептидами.
Білки живих організмів складаються з сотень і тисяч амінокислот, т. Е. Є макромолекули. Різні властивості і функції білкових молекул визначаються послідовністю з'єднання амінокислот, яка закодована в ДНК. Цю послідовність називають первинною структурою молекули білка, від якої, в свою чергу, залежать наступні рівні просторової організації та біологічні властивості білків. Первинна структура білкової молекули обумовлена пептидними зв'язками.
Вторинна структура білкової молекули досягається її спирализация завдяки встановленню між атомами сусідніх витків спіралі водневих зв'язків. Вони слабкі за ковалентні, але, багато разів повторені, створюють досить міцне з'єднання. Функціонування у вигляді закрученої спіралі характерно для деяких фібрилярних білків (колаген, фібриноген, міозин, актин і ін.).
Багато білкові молекули стають функціонально активними тільки після придбання глобулярної (третинної) структури. Вона формується шляхом багаторазового згортання спіралі в тривимірне освіта - глобулу. Ця структура зшивається, як правило, ще більш слабкими дисульфідними зв'язками. Глобулярну структуру має більшість білків (альбуміни, глобуліни тощо.).
Для виконання деяких функцій потрібна участь білків з більш високим рівнем організації, при якому виникає об'єднання декількох глобулярних білкових молекул в єдину систему - четвертинних структуру (хімічні зв'язки можуть бути різні). Наприклад, молекула гемоглобіну складається з чотирьох різних глобул і гемінової групи, що містить іон заліза.
Втрата білковою молекулою своєї структурної організації називається денатурацією. Причиною її можуть бути різні хімічні (кислоти, луги, спирт, солі важких металів та ін.) І фізичні (високі температура і тиск, іонізуюче випромінювання та ін.) Фактори. Спочатку руйнується дуже слабка - четвертичная, потім третинна, вторинна, а при більш жорстких умовах і первинна структура. Якщо під дією денатурирующего фактора не зачіпається первинна структура, то при поверненні білкових молекул в нормальні умови середовища їх структура повністю відновлюється, т. Е. Відбувається ренатурації. Це властивість білкових молекул широко використовується в медицині для приготування вакцин і сироваток і в харчовій промисловості для отримання харчових концентратів. При незворотною денатурації (руйнування первинної структури) білки втрачають свої властивості.
Білки виконують такі функції: будівельну, каталітичну, транспортну, рухову, захисну, сигнальну, регуляторну та енергетичну.
Як будівельний матеріал білки входять до складу всіх клітинних мембран, гіалоплазми, органоїдів, ядерного соку, хромосом і ядерець.
Каталітичну (ферментативну) функцію виконують білки-ферменти, в десятки і сотні тисяч разів прискорюють перебіг біохімічних реакцій в клітинах при нормальному тиску і температурі близько 37 ° С. Кожен фермент може каталізувати лише одну реакцію, т. Е. Дію ферментів суворо специфічно. Специфічність ферментів обумовлена наявністю одного або декількох активних центрів, в яких відбувається тісний контакт між молекулами ферменту і специфічної речовини (субстрату). Деякі ферменти застосовуються в медичній практиці і харчової промисловості.
Транспортна функція білків полягає в перенесенні речовин, наприклад кисню (гемоглобін) і деяких біологічно активних речовин (гормонів).
Рухова функція білків полягає в тому, що всі види рухових реакцій клітин і організмів забезпечуються спеціальними скоротливі білками - актином і міозином. Вони містяться у всіх м'язах, віях і джгутики. Їх нитки здатні скорочуватися з використанням енергії АТФ.
Захисна функція білків пов'язана з виробленням лейкоцитами особливих білкових речовин - антитіл у відповідь на проникнення в організм чужорідних білків або мікроорганізмів. Антитіла зв'язують, нейтралізують і руйнують не властиві організму сполуки. Прикладом захисної функції білків може служити перетворення фібриногену в фібрин при згортанні крові.
Сигнальна (рецепторна) функція здійснюється білками завдяки здатності їх молекул змінювати свою структуру під впливом багатьох хімічних і фізичних чинників, внаслідок чого клітина або організм сприймають ці зміни.
Регуляторна функція здійснюється гормонами, які мають білкову природу (наприклад, інсулін).
Енергетична функція білків полягає в їх здатності бути джерелом енергії в клітині (як правило, при відсутності інших). При повному ферментативному розщепленні 1 г білка виділяється 17,6 кДж енергії.
Всі вуглеводи поділяються на моно-, ди-і полісахариди. Моносахариди частіше містять п'ять (пентози) або шість (гексози) атомів вуглецю, стільки ж кисню і вдвічі більше водню (наприклад, C6H12OH - глюкоза). Пентози (рибоза і дезоксирибоза) входять до складу нуклеїнових кислот і АТФ. Гексози (глюкоза і фруктоза) постійно присутні в клітинах плодів рослин, надаючи їм солодкий смак. Глюкоза міститься в крові і служить джерелом енергії для клітин і тканин тварин. Дисахариди об'єднують в одній молекулі два моносахариду. Харчовий цукор (сахароза) складається з молекул глюкози і фруктози, молочний цукор (лактоза) включає глюкозу і галактозу. Все моно- і дисахариди добре розчинні у воді і мають солодкий смак. Молекули полісахаридів утворюються в результаті полімеризації моносахаридів. Мономером полісахаридів - крохмалю, глікогену, целюлози (клітковини) є глюкоза. Полісахариди практично нерозчинні в воді і не мають солодкий смак. Основні полісахариди - крохмаль (в рослинних клітинах) і глікоген (в клітинах тварин) відкладаються у вигляді включень і служать запасними енергетичними речовинами.
Вуглеводи утворюються в зелених рослинах в процесі фотосинтезу і можуть використовуватися в подальшому для біосинтезу амінокислот, жирних кислот та інших сполук.
Вуглеводи виконують три основні функції: будівельну (структурну), енергетичну і запасаючу. Целюлоза утворює стінки рослинних клітин; складний полісахарид - хітин - зовнішній скелет членистоногих. Вуглеводи в з'єднанні з білками (глікопротеїди) входять до складу кісток, хрящів, сухожиль і зв'язок. Вуглеводи виконують роль основного джерела енергії в клітині: при окисленні 1 г вуглеводів вивільняється 17,6 кДж енергії. Глікоген відкладається в м'язах і клітинах печінки в якості запасного живильного речовини.
Жири виконують будівельну, енергетичну, запасаючу і захисну функції. Бімолекулярний шар ліпідів (переважно фосфоліпіди) утворює основу всіх біологічних мембран клітин. Ліпіди входять до складу оболонок нервових волокон. Жири є джерелом енергії: при повному розщеплюванні 1 г жиру вивільняється 38,9 кДж енергії. Вони служать джерелом води, що виділяється при їх окисленні. Жири є запасним джерелом енергії, накопичуючись в жировій тканині тварин і в плодах і насінні рослин. Вони захищають органи від механічних пошкоджень (наприклад, нирки оповиті м'яким жировим «футляром»). Накопичуючись в підшкірній жировій клітковині деяких тварин (кити, тюлені), жири виконують теплоізоляційну функцію.
Нуклеїнові кислоти нуклеїнові кислоти мають першорядне біологічне значення і являють собою складні високомолекулярні біополімери, мономерами яких є нуклеотиди. Вони вперше були виявлені в ядрах клітин, звідки і їхня назва.
Існує два типи нуклеїнових кислот: дезоксирибонуклеїнова (ДНК) і рибонуклеїнова (РНК). ДНК входить в основному в хроматин ядра, хоча невелика її кількість міститься і в деяких органелах (мітохондрії, пластиди). РНК міститься в ядерцях, рибосомах і в цитоплазмі клітини.
Структура молекули ДНК була вперше розшифрована Дж. Уотсоном і Ф. Криком в 1953 р Вона являє собою дві полінуклеотидні ланцюга, з'єднані один з одним. Мономерами ДНК є нуклеотиди, до складу яких входять: п'ятивуглецевий цукор - дезоксирибоза, залишок фосфорної кислоти і азотистих основ. Нуклеотиди відрізняються один від іншого тільки азотистими підставами. До складу нуклеотидів ДНК входять наступні азотисті основи: аденін, гуанін, цитозин і тимін. Нуклеотиди з'єднуються в ланцюжок шляхом утворення ковалентних зв'язків між дезоксирибозою одного і залишком фосфорної кислоти сусіднього нуклеотиду. Обидві ланцюжка об'єднуються в одну молекулу водневими зв'язками, що виникають між азотистими підставами різних ланцюжків, причому в силу певної просторової конфігурації між аденином і тиміном встановлюються дві зв'язку, а між гуаніном і цитозином - три. Внаслідок цього нуклеотиди двох ланцюжків утворюють пари: А-Т, Г-Ц. Суворе відповідність нуклеотидів один одному в парних ланцюжках ДНК називається комплементарное. Це властивість лежить в основі реплікації (самоудвоения) молекули ДНК, т. Е. Утворення нової молекули на основі вихідної.
реплікація
Реплікація відбувається наступним чином. Під дією спеціального ферменту (ДНК-полімерази) розриваються водневі зв'язки між нуклеотидами двох ланцюжків, і до звільнилися зв'язків за принципом комплементарності приєднуються відповідні нуклеотиди ДНК (А-Т, Г-Ц). Отже, порядок нуклеотидів в «старій» ланцюжку ДНК визначає порядок нуклеотидів в «новій», т. Е. «Стара» ланцюжок ДНК є матрицею для синтезу «нової». Такі реакції називаються реакціями матричного синтезу, вони характерні тільки для живого. Молекули ДНК можуть містити від 200 до 2 x 108 нуклеотидів. Величезна різноманітність молекул ДНК досягається різними їх розмірами та різної послідовністю нуклеотидів.
Роль ДНК в клітині полягає в зберіганні, відтворенні і передачі генетичної інформації. Завдяки матричному синтезу спадкова інформація дочірніх клітин точно відповідає материнській.
РНК, як і ДНК, є полімером, побудований з мономерів - нуклеотидів. Структура нуклеотидів РНК схожа з такою ДНК, але є такі відмінності: замість дезоксирибози до складу нуклеотидів РНК входить п'ятивуглецевий цукор - рибоза, а замість азотистого підстави тиміну - урацил. Решта три азотистих підстави ті ж: аденін, гуанін і цитозин. У порівнянні з ДНК до складу РНК входить менше нуклеотидів і, отже, її молекулярна маса менше.
Відомі дво- і одноцепочечниє РНК. Дволанцюжкові РНК містяться в деяких віруси, виконуючи (як і ДНК) роль хранителя і передавача спадкової інформації. У клітинах інших організмів зустрічаються одноцепочечниє РНК, які є копіями відповідних ділянок ДНК.
У клітинах існують три типи РНК: інформаційна, транспортна та рибосомальная.
Інформаційна РНК (і-РНК) складається з 300 - 30 000 нуклеотидів і становить приблизно 5% від всієї РНК, що міститься в клітині. Вона являє собою копію певної ділянки ДНК (гена). Молекули і-РНК виконують роль переносників генетичної інформації від ДНК до місця синтезу білка (в рибосоми) і безпосередньо беруть участь у складанні його молекул.
Транспортна РНК (т-РНК) становить до 10% від всієї РНК клітини і складається з 75-85 нуклеотидів. Молекули т-РНК транспортують амінокислоти з цитоплазми в рибосоми.
Основну частину РНК цитоплазми (близько 85%) становить рибосомальная РНК (р-РНК). Вона входить до складу рибосом. Молекули р-РНК включають 3 - 5 тис. Нуклеотидів. Вважають, що р-РНК забезпечує певний просторове взаєморозташування і-РНК і т-РНК.