Химический состав клетки

---

Химическая организация клетки

Клетка – элементарная живая система, основная структурная и функциональная единица живых организмов, обладающая всеми признаками организма.
Химический состав клетки представлен неорганическими и органическими соединениями

Рис.1 Химический состав клетки.

Неорганические:
- вода – составляет 45-95%, среда для протекания биохимических реакций, транспорт веществ между окружающей средой и клеткой, сохранение объема и упругости клетки, поддержание теплового равновесия;
- минеральные соли – 1-1,5%, используются для образования опорных структур клетки и организма, обеспечивают раздражимость и передачу возбуждения по нерву или мышце, поддерживают рН внутриклеточной среды, используются для синтеза органических молекул, являются компонентами ферментов, гормонов, витаминов или активируют их.
Макроэлементы: (до 0,001% массы тела) O (65-75%), C (15-18%), N (1,5-3%), H (8-10%), P (0,2-1%), K (0,15-0,4%), S (0,15-0,2%), Fe (0,01-0,15%), Mg (0,02-0,03%), Na (0,02-0,03%), Ca (0,04-2%).
Микроэлементы: (от 0,001 до 0,000001%) B, Co, Cu, Mo, Zn, V, I, Br и др.
Ультрамикроэлементы: (менее 0,000001%) U, Ra, Fu, Hg, Be, Cs, Se и др.

Органические:
Малые молекулы и Биополимеры (полимер- цепь, состоящая из многочисленных звеньев – мономеров, устроенных относительно просто).
БЕЛКИ – самые многочисленные, разнообразные и важнейшие биополимеры, мономером которых являются аминокислоты (всего их 20 типов), образующих пептидные связи. Поэтому, белки еще называют полипептид.
Уровни организации белковой молекулы представлены на рисунке 2.

Рис. 2 Структура белка.

Первичная структура – последовательность аминокислот в полипептидной цепи.
Вторичная структура – спираль, возникающая в результате образования водородных связей между – СО- и – NH - группами разных аминокислотных остатков.
Третичная структура – трехмерная пространственная упаковка полипептидной цепи - глобула, специфическая для каждого вида белка.
Четвертичная структура – возникает в результате соединения нескольких глобул.
Особое свойство белков – денатурация – нарушение природной структуры белка. Может быть обратимой – ренатурация, в случае, если не нарушена первичная структура.
Особенности строения белка определяются его первичной структурой.
Белки в клетке выполняют самые разнообразные функции

Рис. 3 Функции белков

ФЕРМЕНТЫ – белки, синтезируемые живыми клетками, основные биокатализаторы в клетке.
Молекулы либо состоят только из белка, либо включают небелковое соединение – кофермент (неорганические ионы, заставляющие ферменты принять форму, способствующую ферментативной реакции).
Ферменты делятся на анаболические (реакции синтеза) и катаболические (реакции распада). Действуют в строго определенной последовательности, специфичны для каждого вещества, ускоряют только определенные реакции (одну или несколько).
Основные свойства ферментов:
- увеличивают скорость реакции;
- не расходуются в реакции;
- присутствие не влияет на свойства продуктов реакции;
- активность зависит от рН, температуры, давления, концентрации;
- изменяют энергию активации, при которой может произойти реакция;
- не изменяют температуру, при которой происходит реакция.

Рис. 4 Специфичность работы ферментов

Энзимология - наука о ферментах.
Практическое применение:
- пищевая промышленность (приготовление сыров, консервов, колбас, напитков),
- животноводство (корма),
- изготовление фотоматериалов,
- в кожевенной промышленности (смягчение кожи),
- в составе порошков, зубных паст.

УГЛЕВОДЫ – состоят из углерода, водорода и кислорода.
Моносахариды – простые углеводы, мономеры сложных сахаров.
Олигосахариды (дисахариды) образованы двумя или несколькими моносахаридами.
Полисахариды – полимеры, состоят из большого числа моносахаридов.

Рис. 5 Углеводы: строение, свойства, функции

ЛИПИДЫ – группа жироподобных веществ, нерастворимых в воде.
Нейтральные жиры состоят из трех остатков высокомолекулярных жирных кислот и глицерина.
Воски – сложные эфиры, образованы жирными кислотами и многоатомными спиртами.
Фосфолипиды – жиры, в которых 1 или 2 остатка жирных кислот замещены остатком фосфорной кислоты.

Рис. 6 Липиды: строение, свойства, функции

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ – К нуклеиновым кислотам относят высокополимерные соединения, образующие при гидролизе пуриновые и пиримидиновые основания, пентозу и фосфорную кислоту. Нуклеиновые кислоты содержат С, Н, О, Р и N.
Различают два класса нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые кислоты (РНК), содержащие сахар рибозу (С5Н10О5) и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащие сахар дезоксирибозу (С5Н10О4).

Рис. 7 Нуклеиновые кислоты

Молекулы ДНК являются полимерами, мономерами которых являются дезоксирибонуклеотиды, образованные остатками:
1. Фосфорной кислоты;
2. Дезоксирибозы;
3. Азотистого основания (пуринового — аденина, гуанина или пиримидинового — тимина, цитозина).

Рис. 8 Строение ДНК

Практически Дж.Уотсон и Ф.Крик раскрыли химическую структуру гена.
ДНК обеспечивает хранение, реализацию и передачу наследственной информации. Содержится в ядре, митохондриях и пластидах.
Э.Чаргафф, обследовав огромное количество образцов тканей и органов различных организмов, выявил следующую закономерность:
в любом фрагменте ДНК содержание остатков гуанина всегда точно соответствует содержанию цитозина, а аденина — тимину.
Это положение получило название "правила Чаргаффа": А = Т; Г = Ц
ДНК представляет собой двойную спираль. Ее молекула образована двумя полинуклеотидными цепями, спирально закрученными друг около друга, и вместе вокруг воображаемой оси.
Диаметр двойной спирали ДНК — 2 нм, шаг общей спирали, на который приходится 10 пар нуклеотидов — 3,4 нм. Длина молекулы — до нескольких сантиметров.
В ядре клетки человека общая длина ДНК около 2м.
Против одной цепи нуклеотидов располагается вторая цепь. Полинуклеотидные цепи в молекуле ДНК удерживаются друг около друга благодаря возникновению водородных связей между азотистыми основаниями нуклеотидов, располагающихся друг против друга. В основе лежит принцип комплементарного взаимодействия пар оснований:
против аденина - тимин на другой цепи,
а против гуанина - цитозин на другой,
то есть аденин комплементарен тимину и между ними две водородные связи, а гуанин — цитозину (три водородные связи).
Комплементарностью называют способность нуклеотидов к избирательному соединению друг с другом.

Рис. 9 Комплементарность цепей ДНК

Одним из уникальных свойств молекулы ДНК является ее репликация – способность к самоудвоению — воспроизведению точных копий исходной молекулы

РНК – полинуклеотид, состоящий из одной цепочки. Это единая система, направленная на реализацию наследственной информации через синтез белка.
Находятся в ядре, цитоплазме, рибосомах, митохондриях, пластидах.
Все виды РНК синтезируются на ДНК. Различают:
Рибосомные РНК ( рРНК) – входят в состав рибосом и участвуют в формировании активного центра рибосомы, где происходит биосинтез белка. На долю рРНК приходится 80-85% от общего содержания РНК в клетке.
В малой субъединице одна молекула РНК и около 30 молекул различных белков.
В большой – три молекулы РНК и около 40 белковых молекул.
Транспортные ( тРНК) – молекулы транспортных РНК содержат обычно 75-86 нуклеотидов и имеют третичную структуру, на долю тРНК приходится до 10% от общего содержания РНК в клетке.
Функции: они доставляют аминокислоты к месту синтеза белка, в рибосомы.
Информационные (матричные) РНК ( иРНК) – служат матрицей для синтеза молекулы белка, т.к. определяют аминокислотную последовательность первичной структуры белковой молекулы.
На долю иРНК приходится до 5% от общего содержания РНК в клетке.

АДЕНОЗИНТРИФОСФАТ (АТФ) – нуклеотид, состоящий из аденина, рибозы и трех остатков фосфорной кислоты.
Универсальный источник энергии для всех реакций, протекающих в клетке, благодаря наличию макроэнергетических (богатых энергией) химических связей.
ВИТАМИНЫ – сложные органические соединения, содержащиеся в продуктах питания в малых количествах. Не служат источником энергии, но необходимы для нормальной жизнедеятельности организма. Жирорастворимые: A, D, E, K. Водорастворимые: В, С, РР и др.

Рис. 10 Виды рибонуклеиновых кислот