Хімічна організація клітини
Хімічні елементи в клітці
За хімічним складом клітини різних організмів можуть помітно відрізнятися, але елементи, що входять до їх складу, однакові. З відомих в даний час хімічних елементів періодичної системи Менделєєва в клітках виявлена близько 70. У всіх живих організмів обов'язково зустрічається 24 хімічні елементи.
Хімічні елементи, що входять до складу клітин, ділять на три групи:
Макроелементи. О, С, Н, N. Са, К, Mg, Na, Fe, S, P, Cl. На частку цих елементів припадає близько 99% всієї маси клітини. На частку перших чотирьох елементів (О, С, Н, N) припадає 98%. Ці елементи здатні утворювати міцні ковалентні зв'язки. При цьому С, О, N утворюють і подвійні і одинарні зв'язку, завдяки чому вони дають найрізноманітніші хімічні сполуки.
Мікроелементи. Сu, В, З, Mo, Mn, Ni, Br, Zn, I і інші. На їх частку в клітці сумарно припадає менше 1%, концентрація кожного не перевищує 0,001%.
Мікроелементи входять до складу гормонів, ферментів, вітамінів, забезпечують нормальне функціонування структур клітини і організму в цілому.
Наприклад, Цинк (Zn) бере участь в синтезі рослинних гормонів, інсуліну та інших гормонів, мідь (Cu) - компонент міоглобіну, бере участь в кровотворенні, входить до складу ферментів, гормонів надниркових залоз, бере участь у тканинному диханні, йод (I) входить до складу тироксину - гормону щитовидної залози, фтор (F) - входить до складу емалі зубів, кобальт (Со) - входить до складу вітаміну В12, що регулює кровотворну функцію, бере участь у розвитку еритроцитів, в фіксації атома азоту рослинами.
Ультрамікроелементи. уран (U), золото (Au), берилій (Ве), ртуть (Hg), цезій (Ze), селен (Sе), радій (Ра), і інші. Їх концентрація не перевищує 0,000001%. Фізіологічна роль багатьох з них не встановлена. Більшість цих елементів також необхідні для нормального функціонування організму. Наприклад, дефіцит селен а (Sе) призводить до ракових захворювань.
Неорганічні сполуки в клітці
Найпоширеніше з'єднання в живих організмах. Вода має дві форми: вільна - становить 95% всієї води і пов'язана - 4%.
Винятково важлива роль води обумовлена її фізико-хімічними властивостями. Полярність молекул і здатність утворювати водневі зв'язки роблять воду хорошим розчинником для величезної кількості речовин (цукру, диссоційовані солі, прості спирти, деякі амінокислоти).
Терморегуляторная (підтримує теплове рівновагу клітини і організму в цілому завдяки високій теплоємності і теплопровідності).
Осморегуляторной (бере участь в явищах осмосу, на якому засновані рух води по провідній системі рослин і напруга стінок рослинних клітин - тургор; кровообіг).
Бере участь в хімічних реакціях (бере участь в обмінних процесах, необхідна для окислення і гідролізу білків, вуглеводів, жирів).
Середовище, в якому протікають біохімічні реакції.
Служить джерелом H + при фотосинтезі.
Мінеральні солі і кислоти
Функції мінеральних солей:
Буфферность міжклітинної рідини (кислотно-лужну рівновагу плазми, за рахунок підтримки певної концентрації іонів водню, що забезпечує слабощелочную рН = 7,2 за участю фосфатной і бикарбонатной систем).
Постійне осмотичнийтиск (7,6 атм).
Джерело будівельного матеріалу для синтезу органічних сполук (наприклад, залишок РО4 3- утворює макроергічні зв'язку АТФ, впливає на фізіологічну активність білків і ферментів).
Забезпечують подразливість (К +. Na +. Са +2).
Забезпечують зчеплення клітин в багатоклітинних організмі (Са 2+).
Нерозчинні солі Са3 (РО4) 2 входить до складу міжклітинної речовини кісткової тканини, раковин молюсків, забезпечуючи захист і міцність.
Органічні сполуки в клітці
Білки - високомолекулярні біополімери, мономерами яких є 20 амінокислот. До складу амінокислот входять: -NH2 - аминогруппа, що володіє основними властивостями і -СООН- карбоксильная група, що має кислотні властивості. Амінокислоти відрізняються один від одного своїми радикалами -R. Амінокислоти - амфотерні сполуки, що з'єднуються один з одним в молекулі білка за допомогою пептидних зв'язків.
Білки бувають прості і складні. Прості білки складаються тільки з амінокислот (альбуміни, глобуліни, фібриноген, міозин). До складу складних білків, крім амінокислот, входять і інші органічні сполуки - жири (ліпопротеїди), вуглеводи (глікопротеїди), метали (Металопротеїни).
Рівні організації білкової молекули
Первинна структура - це послідовність амінокислот, сполучених пептидними зв'язками в певній послідовності у поліпептидному ланцюзі (рис.3.).
Рис.3. Нативная структура білка (з інтернету www varson. Ru)
Вторинна структура - згорнута в спіраль за допомогою водневих зв'язків, поліпептидний ланцюг.
Третинна структура - подальша укладання спіралі, яка обумовить специфічну конфігурацію кожного білка у вигляді глобули. Вона стабілізується іонними, водневими, ковалентними, гідрофобними зв'язками. Біологічну активність білок проявляє тільки у вигляді третинної структури.
Четвертичная структура - глобулярні структури об'єднуються разом в єдиний комплекс за рахунок гідрофобних, водневих, іонних зв'язків за участю неорганічних компонентів (наприклад, гемоглобін) (Рис.4).
Мал. 4. Рівні організації білків: 1 - первинний; 2 - вторинний; 3 - третинний; 4 - четвертинний.
Великий поверхневий заряд.
Де- та ренатурації. При впливі високої температури, кислот та інших факторів складні білкові молекули руйнуються. Це явище називається денатурацією. При поверненні нормальних умов денатурований білок здатний відновити свою структуру знову, якщо не руйнується його первинна структура. Цей процес називається ренатурацією.
Специфічність. Кожен вид організмів характеризуються специфічністю білків. В одному і тому ж організмі кожна тканина має свої білки - це тканинна специфічність. Введення тварині чужорідного білка - антигену, викликає утворення специфічних білків - антитіл.
Ферментативна (каталітична) прискорення хімічних реакцій в клітині в сотні разів. Ферменти - біологічні каталізатори, які характеризуються такими властивостями: а) це - глобулярні білки; б) їх присутність не впливає ні на природу, ні на властивості кінцевих продуктів реакції; в) їх активність змінюється в залежності від рН, температури, тиску, концентрації субстрату; г) білки володіють специфічністю; д) збільшуючи швидкість реакції, ферменти не витрачаються.
Структурна - беруть участь в утворенні клітинних мембран і органоїдів.
Транспортна здійснюють перенесення різних речовин, іонів через клітинну мембрану, гормонів і кисню до органів і тканин.
Захисна - виражається, наприклад, у формі вироблення антитіл у відповідь на проникнення в організм чужорідних білків або клітин.
Рухова - забезпечується особливими скоротливі білками, які беруть участь у всіх видах руху: мерехтіння війок, рух джгутиків у найпростіших, скорочення м'язів у тварин, рух листя у рослин.
Регуляторна - наприклад, білки-гормони: інсулін, білки-інгібітори; білки - активатори.
Енергетична - при розщепленні 1г білка виділяється 4,2 ккал (17,6 кДж) енергії.
Жири являють собою складні ефіри вищих карбонових кислот і багатоатомного спирту - гліцерину. Жири нерозчинні у воді, але добре розчиняються в органічних розчинниках: в ефірі, хлороформі, бензолі (Рис.5).
Мал. 5 Будова жирів.
Ліпоїдами - жироподібні речовини, до яких відносяться фосфоліпіди, пігменти - хлорофіли, каротини, стероїди, воску, деякі вітаміни (А, Д, Е, К).
З труктурная - компоненти клітинних мембран.
Енергетична - під час розщеплення 1г жиру виділяється 9,2 ккал (38,9 кДж) енергії.
Захисна - підшкірний жировий шар, завдяки поганій теплопроводнрсті захищає від втрати тепла, механічних пошкоджень.
Джерело метаболічної води - при окисленні 100г жиру утворюється 105г води.
Регуляція обмінних процесів - наприклад, стероїдні гормони.
Органічні речовини, із загальною формулою Сn (Н2 О) n.
Вуглеводи діляться на 3 групи: моносахариди, дисахариди, полісахариди (Ріс.7,8).
Моносахариди - тріози - С3: (молочна кислота); пентози С5 (рибоза, дезоксирибоза), гексози С6 (глюкоза, фруктоза, галактоза).
Дисахариди - об'єднання двох моносахаридів: мальтоза складається з 2-х молекул глюкози, лактоза - з глюкози + галактози, сахароза - з глюкози + фруктози.
Полісахариди - являють собою довгі ланцюга, побудовані з багатьох моносахаридних одиниць. Ланцюги можуть бути лінійними і розгалуженими. Найбільш широко поширеними полісахариди у рослин є крохмаль і целюлоза (крохмаль - запасне речовина в клітці рослин, основне джерело енергії; целюлоза входить до складу позаклітинних волокнистих і здерев'янілих рослинних тканин).
У тканинах тварин, людини і грибів міститься глікоген. Він в значних кількостях накопичується в печінці, серці, м'язах. Є постачальником глюкози в крові. До складу клітинних стінок грибів і членистоногих входить хітин, що виконує опорну функцію.
Властивості вуглеводів. моно- і дисахариди розчиняються у воді, солодкі на смак, кристалізуються. Полісахариди, навпаки, несолодкі, нерозчинні у воді, не кристалізуються.
будівельна та опорна (моносахариди, первинні продукти фотосинтезу, служать вихідним матеріалом для побудови різноманітних органічних речовин. Складні полісахариди та їх похідні входять до складу плазматичної мембрани, оболонки рослинних і бактеріальних клітин, зовнішнього скелета членистоногих);
енергетична - при окисленні 1г вуглеводів звільняється 17,6 кДж енергії.
захисна - слиз, що виділяється різними залозами, містить вуглеводи. Вона оберігає стінки порожнистих органів (бронхи, шлунок, кишечник) від механічних пошкоджень. Володіючи антисептичними властивостями, слиз захищає організм від проникнення хвороботворних бактерій.
Виконують головну роль в зберіганні і передачі генетичної інформації (Рис.9).
Дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК)
ДНК знаходиться в ядрі, де вона разом з білками утворює хромосоми. Хромосоми добре видно при мікроскопії в період поділу ядра; в інтерфазі вони деспіралізованние. ДНК є в мітохондріях і пластидах, де їх молекули утворюють кільцеві структури. У цитоплазмі прокаріотів також присутній кільцева ДНК.
Молекули ДНК (дезоксирибонуклеїнової кислоти) - це найбільші лінійні нерегулярні біополімери, їх мономерами є нуклеотиди (Рис.8). Кожен нуклеотид складається з: азотистого підстави, пентози - дезоксирибози і залишку фосфорної кислоти. Нуклеотиди відрізняються один від одного азотистими підставами. Розрізняють пуринові (аденін і гуанін) і піримідинові (цитозин і тимін) азотисті основи. З'єднання нуклеотидів в нитки ДНК відбувається через вуглевод одного нуклеотиду і залишок фосфорної кислоти сусіднього допомогою фосфодіефірних зв'язків.
Відповідно до моделі, запропонованої Дж. Уотсоном і Ф. Криком (1953 р.), Молекула ДНК складається з двох спірально закручених ниток навколо загальної осі. Азотистих основ однієї нитки пов'язано водневими зв'язками з комплементарним азотистих основ іншої нитки. Аденін комплементарен тимін, а гуанін - цитозин. Між аденином і тиміном виникають дві водневі зв'язку, між гуаніном і цитозином - три (Рис.11).
Основна функція ДНК - зберігання і передача спадкової інформації, що містяться в послідовності нуклеотидів, що утворюють її молекулу, дочірнім клітинам. Можливість передачі спадкової інформації від клітини до клітини забезпечується здатністю хромосом до поділу на хроматиди з подальшою редуплікацією молекули ДНК.
Самоудвоение - редуплікація, що дозволяє зберегти сталість структури ДНК. Відбувається в синтетичний період інтерфази, під впливом ферменту ДНК - полімерази. ДНК тимчасово розкручується. Оскільки кожне з підстав в нуклеотидах може приєднати інший нуклеотид тільки строго певного будови, то відбувається точне відтворення материнської молекули.
Мутації - під впливом різних факторів в процесі реплікації в молекулі ДНК відбуваються зміни в числі, порядку нуклеотидів.
Репарація - відновлення структури молекули ДНК під впливом ферментів, що усувають пошкодження, викликані мутагенами.
Транскрипція - переписування інформації з ДНК на іРНК, під дією ферментів, ДНК - залежних - РНК - полімерази.
Рівні організації молекули ДНК
Первинна структура - полинуклеотидная ланцюжок, яка утворюється за рахунок фосфодіефірних зв'язків.
Вторинна структура - подвійна спіраль полінуклеотидних ланцюгів, що виникає за рахунок водневих зв'язків між комплементарними азотистими підставами (Рис.12).
Третинна структура - подвійні спіралі ДНК, з'єднані з білками - гистонами утворюють комплекс дезоксірібонуклеопротеіди або хроматин (рис.13).
Рибонуклеїнова кислота (РНК)
Молекули РНК представлені переважно одним ланцюжком нуклеотидів, утворюючи одноланцюговий лінійний нерегулярний біополімер, мономерами якого служать нуклеотиди (Рис.14.). Дволанцюжкові РНК служать для зберігання і передачі спадкової інформації у деяких вірусів.
Нуклеотиди РНК включають одне з азотистих основ (аденін, гуанін, цитозин, урацил), вуглевод - рибозу і залишок фосфорної кислоти. У ланцюжку РНК нуклеотиди з'єднуються шляхом утворення ковалентних зв'язків між рибозой одного нуклеотиду і фосфатом іншого (Рис.15).
РНК бувають декількох видів: рибосомальная, транспортна та інформаційна РНК.
Рибосомальна РНК (р-РНК) в поєднанні з білком входить до складу субодиниць рибосом, що беруть участь в синтезі білка. Рибосомальна РНК становить 80% від усіх РНК в клітині. Кількість нуклеотидів в р-РНК від 3 до 5 тис. Цей вид РНК синтезується особливими генами, що знаходяться в декількох хромосомах в ядерцевих організаторів.
Інформаційна РНК (і-РНК) переносить інформацію про синтез білка з ядра в цитоплазму і становить від 1 до 10% від усіх РНК в клітині. За будовою і-РНК комплементарна ділянці молекули ДНК, що несе інформацію про синтез певного білка. Перед виходом з ядра відбувається сплайсинг - перетворення первинного транскрипту (г / я РНК) в і-РНК.
Транспортна РНК (т-РНК) бере участь в доставці на рибосоми амінокислот. Становить близько 10 - 15% всієї РНК. Вона має коротку ланцюг нуклеотидів, що складається з 80 нуклеотидів. т-РНК має форму "трилисника", на вершині якого знаходиться триплет нуклеотидів - антикодон, що забезпечує впізнавання певного кодону і-РНК, що знаходиться на рибосомі (Рис.16.).
