Химическая организация клетки. Неорганические вещества. Органические вещества
В состав живой клетки входят те же химические элементы, которые входят в состав неживой природы. Из 104 элементов периодической системы Д. И. Менделеева в клетках обнаружено 60.
Их делят на три группы:
- основные элементы — кислород, углерод, водород и азот (98% состава клетки);
- элементы, составляющие десятые и сотые доли процента,— калий, фосфор, сера, магний, железо, хлор, кальций, натрий (в сумме 1,9%);
- все остальные элементы, присутствующие в еще более малых количествах,— микроэлементы.
Молекулярный состав клетки сложный и разнородный. Отдельные соединения — вода и минеральные соли — встречаются также в неживой природе; другие — органические соединения: углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты и др.— характерны только для живых организмов.
Неорганические вещества
Вода составляет около 80% массы клетки; в молодых быстрорастущих клетках — до 95%, в старых — 60%.
Роль воды в клетке велика.
Она является основной средой и растворителем, участвует в большинстве химических реакций, перемещении веществ, терморегуляции, образовании клеточных структур, определяет объем и упругость клетки. Большинство веществ поступает в организм и выводится из него в водном растворе.
Биологическая роль воды определяется специфичностью строения: полярностью ее молекул и способностью образовывать водородные связи, за счет которых возникают комплексы из нескольких молекул воды. Если энергия притяжения между молекулами воды меньше, чем между молекулами воды и вещества, оно растворяется в воде.
Такие вещества называют гидрофильными (от греч. «гидро» — вода, «филее» — люблю). Это многие минеральные соли, белки, углеводы и др.
Если энергия притяжения между молекулами воды больше, чем энергия притяжения между молекулами воды и вещества, такие вещества нерастворимы (или слаборастворимы), их называют гидрофобными (от греч. «фобос» — страх) — жиры, липиды и др.
Минеральные соли в водных растворах клетки диссоциируют на катионы и анионы, обеспечивая устойчивое количество необходимых химических элементов и осмотическое давление. Из катионов наиболее важны К+, Na+, Са2+, Mg+. Концентрация отдельных катионов в клетке и во внеклеточной среде неодинакова.
В живой клетке концентрация К высокая, Na+ — низкая, а в плазме крови, наоборот, высокая концентрация Na+ и низкая К+. Это обусловлено избирательной проницаемостью мембран.
Разность в концентрации ионов в клетке и среде обеспечивает поступление воды из окружающей среды в клетку и всасывание воды корнями растений.
Недостаток отдельных элементов — Fe, Р, Mg, Со, Zn — блокирует образование нуклеиновых кислот, гемоглобина, белков и других жизненно важных веществ и ведет к серьезным заболеваниям. Анионы определяют постоянство рН-клеточной среды (нейтральной и слабощелочной). Из анионов наиболее важны НРО42-, Н2РO4—, Cl —, HCO3—
Органические вещества
Органические вещества в комплексе образуют около 20—30% состава клетки.
Углеводы — органические соединения, состоящие из углерода, водорода и кислорода. Их делят на простые — моносахариды (от греч. «монос» — один) и сложные — полисахариды (от греч. «поли» — много).
Моносахариды (их общая формула СnН2nОn) — бесцветные вещества с приятным сладким вкусом, хорошо растворимы в воде. Они различаются по количеству атомов углерода.
Из моносахаридов наиболее распространены гексозы (с 6 атомами С): глюкоза, фруктоза (содержащиеся в фруктах, меде, крови) и галактоза (содержащаяся в молоке).
Из пентоз (с 5 атомами С) наиболее распространены рибоза и дезоксирибоза, входящие в состав нуклеиновых кислот и АТФ.
Полисахариды относятся к полимерам — соединениям, у которых многократно повторяется один и тот же мономер. Мономерами полисахаридов являются моносахариды. Полисахариды растворимы в воде, многие обладают сладким вкусом. Из них наиболее просты дисахариды, состоящие из двух моносахаридов.
Например, сахароза состоит из глюкозы и фруктозы; молочный сахар — из глюкозы и галактозы. С увеличением числа мономеров растворимость полисахаридов падает. Из высокомолекулярных полисахаридов наиболее распространены у животных гликоген, у растений — крахмал и клетчатка (целлюлоза).
Последняя состоит из 150—200 молекул глюкозы.
Углеводы — основной источник энергии для всех форм клеточной активности (движение, биосинтез, секреция и т. д.). Расщепляясь до простейших продуктов СO2 и Н2O, 1 г углевода освобождает 17,6 кДж энергии. Углеводы выполняют строительную функцию у растений (их оболочки состоят из целлюлозы) и роль запасных веществ (у растений — крахмал, у животных — гликоген).
Липиды — это нерастворимые в воде жироподобные вещества и жиры, состоящие из глицерина и высокомолекулярных жирных кислот. Животные жиры содержатся в молоке, мясе, подкожной клетчатке.
При комнатной температуре это твердые вещества. У растений жиры находятся в семенах, плодах и других органах. При комнатной температуре это жидкости. С жирами по химической структуре сходны жироподобные вещества.
Их много в желтке яиц, клетках мозга и других тканях.
Роль липидов определяется их структурной функцией. Из них состоят клеточные мембраны, которые вследствие своей гидрофобности препятствуют смешению содержимого клетки с окружающей средой.
Липиды выполняют энергетическую функцию. Расщепляясь до СO2 и Н2O, 1 г жира выделяет 38,9 кДж энергии.
Они плохо проводят тепло, накапливаясь в подкожной клетчатке (и других органах и тканях), выполняют защитную функцию и роль запасных веществ.
Белки — наиболее специфичны и важны для организма. Они относятся к непериодическим полимерам. В отличие от других полимеров их молекулы состоят из сходных, но нетождественных мономеров — 20 различных аминокислот.
Каждая аминокислота имеет свое название, особое строение и свойства. Их общую формулу можно представить в следующем виде
Молекула аминокислоты состоит из специфической части (радикала R) и части, одинаковой для всех аминокислот, включающей аминогруппу (— NH2) с основными свойствами, и карбоксильную группу (СООН) с кислотными свойствами.
Наличие в одной молекуле кислотной и основной групп обусловливает их высокую реактивность. Через эти группы происходит соединение аминокислот при образовании полимера — белка.
При этом из аминогруппы одной аминокислоты и карбоксила другой выделяется молекула воды, а освободившиеся электроны соединяются, образуя пептидную связь. Поэтому белки называют полипептидами.
Молекула белка представляет собой цепь из нескольких десятков или сотен аминокислот.
Молекулы белков имеют огромные размеры, поэтому их называют макромолекулами. Белки, как и аминокислоты, обладают высокой реактивностью и способны реагировать с кислотами и щелочами. Они различаются по составу, количеству и последовательности расположения аминокислот (число таких сочетаний из 20 аминокислот практически бесконечно). Этим объясняется многообразие белков.
В строении молекул белков различают четыре уровня организации (59)
- Первичная структура — полипептидная цепь из аминокислот, связанных в определенной последовательности ковалентными (прочными) пептидными связями.
- Вторичная структура — полипептидная цепь, закрученная в тугую спираль. В ней между пептидными связями соседних витков (и другими атомами) возникают малопрочные водородные связи. В комплексе они обеспечивают довольно прочную структуру.
- Третичная структура представляет собой причудливую, но для каждого белка специфическую конфигурацию — глобулу. Она удерживается малопрочными гидрофобными связями или силами сцепления между неполярными радикалами, которые встречаются у многих аминокислот. Благодаря их многочисленности они обеспечивают достаточную устойчивость белковой макромолекулы и ее подвижность. Третичная структура белков поддерживается также за счет ковалентных S — S (эс — эс) связей, возникающих между удаленными друг от друга радикалами серосодержащей аминокислоты — цистеина.
- Четвертичная структура типична не для всех белков. Она возникает при соединении нескольких белковых макромолекул, образующих комплексы. Например, гемоглобин крови человека представляет комплекс из четырех макромолекул этого белка.
Такая сложность структуры белковых молекул связана с разнообразием функций, свойственных этим биополимерам. Однако строение белковых молекул зависит от свойств окружающей среды.
Нарушение природной структуры белка называют денатурацией. Она может возникать под воздействием высокой температуры, химических веществ, лучистой энергии и других факторов.
При слабом воздействии распадается только четвертичная структура, при более сильном — третичная, а затем — вторичная, и белок остается в виде первичной структуры — полипептидной цепи, Этот процесс частично обратим, и денатурированный белок способен восстанавливать свою структуру.
Роль белка в жизни клетки огромна
Белки — это строительный материал организма. Они участвуют в построении оболочки, органоидов и мембран клетки и отдельных тканей (волос, сосудов и др.). Многие белки выполняют в клетке роль катализаторов — ферментов, ускоряющих клеточные реакции в десятки, сотни миллионов раз. Известно около тысячи ферментов. В их состав, кроме белка, входят металлы Mg, Fe, Мn, витамины и т. д.
Каждая реакция катализируется своим особым ферментом. При этом действует не весь фермент, а определенный участок — активный центр. Он подходит к субстрату, как ключ к замку. Действуют ферменты при определенной температуре и рН среды. Особые сократительные белки обеспечивают двигательные функции клеток (движение жгутиковых, инфузорий, сокращение мышц и т. д.).
Отдельные белки (гемоглобин крови) выполняют транспортную функцию, доставляя кислород ко всем органам и тканям тела. Специфические белки — антитела — выполняют защитную функцию, обезвреживая чужеродные вещества. Некоторые белки выполняют энергетическую функцию. Распадаясь до аминокислот, а затем до еще более простых веществ, 1 г белка освобождает 17,6 кДж энергии.
Нуклеиновые кислоты (от лат. «нуклеус» — ядро) впервые обнаружены в ядре. Они бывают двух типов — дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК). Биологическая роль их велика, они определяют синтез белков и передачу наследственной информации от одного поколения к другому.
Молекула ДНК имеет сложное строение. Она состоит из двух спирально закрученных цепей.
Ширина двойной спирали 2 нм1, длина несколько десятков и даже сотен микромикрон (в сотни или тысячи раз больше самой крупной белковой молекулы).
ДНК — полимер, мономерами которой являются нуклеотиды — соединения, состоящие из молекулы фосфорной кислоты, углевода — дезоксирибозы и азотистого основания. Их общая формула имеет следующий вид:
Фосфорная кислота и углевод одинаковы у всех нуклеотидов, а азотистые основания бывают четырех типов: аденин, гуанин, цитозин и тимин. Они и определяют название соответствующих нуклеотидов:
- адениловый (А),
- гуаниловый (Г),
- цитозиловый (Ц),
- тимидиловый (Т).
Каждая цепь ДНК представляет полинуклеотид, состоящий из нескольких десятков тысяч нуклеотидов. В ней соседние нуклеотиды соединены прочной ковалентной связью между фосфорной кислотой и дезоксирибозой.
При огромных размерах молекул ДНК сочетание в них из четырех нуклеотидов может быть бесконечно большим.
При образовании двойной спирали ДНК азотистые основания одной цепи располагаются в строго определенном порядке против азотистых оснований другой. При этом против А всегда оказывается Т, а против Г — только Ц.
Это объясняется тем, что А и Т, а также Г и Ц строго соответствуют друг другу, как две половинки разбитого стекла, и являются дополнительными или комплементарными (от греч. «комплемент» — дополнение) друг другу.
Если известна последовательность расположения нуклеотидов в одной цепи ДНК, то по принципу комплементарности можно установить нуклеотиды другой цепи (см. приложение, задача 1). Соединяются комплементарные нуклеотиды при помощи водородных связей.
Между А и Т возникают две связи, между Г и Ц — три.
Удвоение молекулы ДНК — ее уникальная особенность, обеспечивающая передачу наследственной информации от материнской клетки дочерним. Процесс удвоения ДНК называется редупликацией ДНК. Он осуществляется следующим образом.
Незадолго перед делением клетки молекула ДНК раскручивается и ее двойная цепочка под действием фермента с одного конца расщепляется на две самостоятельные цепи. На каждой половине из свободных нуклеотидов клетки, по принципу комплементарности, выстраивается вторая цепь.
В результате вместо одной молекулы ДНК возникают две совершенно одинаковые молекулы.
РНК — полимер, по структуре сходный с одной цепочкой ДНК, но значительно меньших размеров. Мономерами РНК являются нуклеотиды, состоящие из фосфорной кислоты, углевода (рибозы) и азотистого основания. Три азотистых основания РНК — аденин, гуанин и цитозин — соответствуют таковым ДНК, а четвертое — иное. Вместо тимина в РНК присутствует урацил.
Образование полимера РНК происходит через ковалентные связи между рибозой и фосфорной кислотой соседних нуклеотидов.
Известны три вида РНК: информационная РНК (и-РНК) передает информацию о структуре белка с молекулы ДНК; транспортная РНК (т-РНК) транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка; рибосомная РНК (р-РНК) содержится в рибосомах, участвует в синтезе белка.
АТФ — аденозинтрифосфорная кислота — важное органическое соединение. По структуре это нуклеотид. В его состав входит азотистое основание аденин, углевод — рибоза и три молекулы фосфорной кислоты. АТФ — неустойчивая структура, под влиянием фермента разрывается связь между «Р» и «О», отщепляется молекула фосфорной кислоты и АТФ переходит в АДФ (аденозин-дифосфорную кислоту).
Эта реакция сопровождается выделением 40 кДж энергии, поэтому фосфорнокислородную связь называют макроэнергетической связью и обозначают знаком [бесконечность]. В АТФ имеются две такие связи. Если отщепляются две молекулы фосфорной кислоты, то АТФ переходит в АМФ (аденозинмонофосфорную кислоту).
АТФ играет центральную роль в превращении энергии в клетке.
Источник: https://kaz-ekzams.ru/biologiya/uchebnaya-literatura-po-biologii/biologiya-spravochnye-materialy/obshhaya-biologiya/690-ximicheskaya-organizaciya-kletki-neorganicheskie-veshhestva-organicheskie-veshhestva.html
Строение и химический состав клетки
Из курса ботаники и зоологии вы знаете, что тела растений и животных построены из клеток. Организм человека тоже состоит из клеток. Благодаря клеточному строению организма возможны его рост, размножение, восстановление органов и тканей и другие формы деятельности.
Форма и размеры клеток зависят от выполняемой органом функции. Основным прибором для изучения строения клетки является микроскоп.
Световой микроскоп позволяет рассматривать клетку при увеличении примерно до трех тысяч раз; электронный микроскоп, в котором вместо света используется поток электронов, — в сотни тысяч раз.
Изучением строения и функций клеток занимается цитология (от греч. «цитос» — клетка).
Строение клетки. Каждая клетка состоит из цитоплазмы и ядра, а снаружи она покрыта мембраной, разграничивающей одну клетку от соседних.
Пространство между мембранами соседних клеток заполнено жидким межклеточным веществом.
Главная функция мембраны состоит в том, что через нее движутся различные вещества из клетки в клетку и таким образом осуществляется обмен веществ между клетками и межклеточным веществом.
Цитоплазма — вязкое полужидкое вещество. Цитоплазма содержит ряд мельчайших структур клетки — органоидов, которые выполняют различные функции. Рассмотрим самые важные из органоидов: митохондрии, сеть канальцев, рибосомы, клеточный центр, ядро.
Митохондрии — короткие утолщенные тельца с внутренними перегородками. В них образуется вещество, богатое энергией, необходимой для процессов, происходящих в клетке АТФ. Замечено, что чем активнее работает клетка, тем больше в ней митохондрий.
Сеть канальцев пронизывает всю цитоплазму. По этим канальцам происходит передвижение веществ и устанавливается связь между органоидами.
Рибосомы — плотные тельца, содержащие белок и рибонуклеиновую кислоту. Они являются местом образования белков.
Клеточный центр образован тельцами, которые участвуют в делении клетки. Они расположены возле ядра.
Ядро — это тельце, которое является обязательной составной частью клетки. Во время клеточного деления строение ядра меняется. Когда деление клетки заканчивается, ядро возвращается к прежнему состоянию.
В ядре есть особое вещество — хроматин, из которого перед делением клетки образуются нитевидные тельца — хромосомы. Для клеток характерно постоянное количество хромосом определенной формы.
В клетках тела человека содержится по 46 хромосом, а в половых клетках по 23.
Химический состав клетки.Клетки организма человека состоят из разнообразных химических соединений неорганической и органической природы. К неорганическим веществам клетки относятся вода и соли. Вода составляет до 80% массы клетки.
Она растворяет вещества, участвующие в химических реакциях: переносит питательные вещества, выводит из клетки отработанные и вредные соединения. Минеральные соли — хлорид натрия, хлорид калия и др. — играют важную роль в распределении воды между клетками и межклеточным веществом.
Отдельные химические элементы, такие, как кислород, водород, азот, сера, железо, магний, цинк, иод, фосфор, участвуют в создании жизненно важных органических соединений. Органические соединения образуют до 20—30% массы каждой клетки.
Среди органических соединений наибольшее значение имеют углеводы, жиры, белки и нуклеиновые кислоты.
Углеводы состоят из углерода, водорода и кислорода. К углеводам относятся глюкоза, животный крахмал — гликоген. Многие углеводы хорошо растворимы в воде и являются основными источниками энергии для осуществления всех жизненных процессов. При распаде 1 г углеводов освобождается 17,6 кДж энергии.
|
Жиры образованы теми же химическими элементами, что и углеводы. Жиры нерастворимы в воде. Они входят в состав клеточных мембран. Жиры также служат запасным источником энергии в организме. При полном расщеплении 1 г жира освобождается 38,9 кДж энергии.
Белки являются основными веществами клетки.
Белки — самые сложные из встречающихся в природе органических веществ, хотя и состоят из относительно небольшого числа химических элементов — углерода, водорода, кислорода, азота, серы.
Очень часто в состав белка входит фосфор. Молекула белка имеет большие размеры и представляет собой цепь, состоящую из десятков и сотен более простых соединений — 20 видов аминокислот.
Белки служат главным строительным материалом. Они участвуют в формировании мембран клетки, ядра, цитоплазмы, органоидов. Многие белки выполняют роль ускорителей течения химических реакций — ферментов. Биохимические процессы могут происходить в клетке только в присутствии особых ферментов, которые ускоряют химические превращения веществ в сотни миллионов раз.
Белки имеют разнообразное строение. Только в одной клетке насчитывается до 1000 разных белков.
При распаде белков в организме освобождается примерно такое же количество энергии, как и при расщеплении углеводов – 17,6 кДж на 1 г.
Нуклеиновые кислоты образуются в клеточном ядре. С этим связано их название (от лат. «нуклеус» — ядро). Они состоят из углерода, кислорода, водорода и азота и фосфора.
Нуклеиновые кислоты бывают двух типов — дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). ДНК находятся в основном в хромосомах клеток. ДНК определяет состав белков клетки и передачу наследственных признаков и свойств от родителей к потомству.
Функции РНК связаны с образованием характерных для этой клетки белков.
Основные термины и понятия:
Источник: https://mykonspekts.ru/1-121557.html
2.3.1. Неорганические вещества клетки
В состав клетки входит около 70 элементов Периодической системы элементов Менделеева, а 24 из них присутствуют во всех типах клеток. Все присутствующие в клетке элементы делятся, в зависимости от их содержания в клетке, на группы:
- макроэлементы – H, O, N, C,. Mg, Na, Ca, Fe, K, P, Cl, S;
- микроэлементы – В, Ni, Cu, Co, Zn, Mb и др.;
- ультрамикроэлементы – U, Ra, Au, Pb, Hg, Se и др.
Другой принцип классификации элементов:
- органогены (кислород, водород, углерод, азот),
- макроэлементы,
- микроэлементы.
В состав клетки входят молекулы неорганических и органических соединений.
Неорганические соединения клетки – вода и неорганические ионы.
Вода – важнейшее неорганическое вещество клетки. Все биохимические реакции происходят в водных растворах. Молекула воды имеет нелинейную пространственную структуру и обладает полярностью. Между отдельными молекулами воды образуются водородные связи, определяющие физические и химические свойства воды.
| Физические свойства воды | Значение для биологических процессов |
| Высокая теплоемкость (из-за водородных связей между молекулами) и теплопроводность (из-за небольших размеров молекул) | ТранспирацияПотоотделениеПериодическое выпадение осадков |
| Прозрачность в видимом участке спектра | Высокопродуктивные биоценозы прудов, озер, рек ( из-за возможности фотосинтеза на небольшой глубине) |
| Практически полная несжимаемость (из-за сил межмолекулярного сцепления) | Поддержание формы организмов: форма сочных органов растений, положение трав в пространстве, гидростатический скелет круглых червей, медуз, амниотическая жидкость поддерживает и защищает плод млекопитающих |
| Подвижность молекул (из-за слабости водородных связей) | Осмос: поступление воды из почвы; плазмолиз |
| Вязкость (водородные связи) | Смазывающие свойства: синовиальная жидкость в суставах, плевральная жидкость |
| Растворитель (полярность молекул) | Кровь, тканевая жидкость, лимфа, желудочный сок, слюна, у животных; клеточный сок у растений; водные организмы используют растворенный в воде кислород |
| Способность образовывать гидратационную оболочку вокруг макромолекул (из-за полярности молекул) | Дисперсионная среда в коллоидной системе цитоплазмы |
| Оптимальное для биологических систем значение сил поверхностного натяжения (из-за сил межмолекулярного сцепления) | Водные растворы – средство передвижения веществ в организме |
| Расширение при замерзании (из-за образования каждой молекулой максимального числа – 4 – водородных связей_ | Лед легче воды, выполняет в водоемах функцию теплоизолятора |
Неорганические ионы:
катионы K+, Na+, Ca2+ , Mg2+ и анионы Cl–, NO3- , PO4 2-, CO32-, НPO42-.
Разность между количеством катионов и анионов (Nа+, К+, Сl-) на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникновение потенциала действия, что лежит в основе нервного и мышечного возбуждения.
Анионы фосфорной кислоты создают фосфатную буферную систему, поддерживающую рН внутриклеточной среды организма на уровне 6—9.
Угольная кислота и ее анионы создают бикарбонатную буферную систему и поддерживают рН внеклеточной среды (плазмы крови) на уровне 7—4.
Соединения азота служат источником минерального питания, синтеза белков, нуклеиновых кислот.
Атомы фосфора входят в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов, а также костей позвоночных, хитинового покрова членистоногих.
Ионы кальция входят в состав вещества костей; они также необходимы для осуществления мышечного сокращения, свертывания крови.
Таблица. Роль макроэлементов на клеточном и организменном уровне организации.
Таблица. Роль микроэлементов в жизни клетки, растительного и животного организмов.
Тематические задания
Часть А
А1. Полярностью воды обусловлена ее способность1) проводить тепло 3) растворять хлорид натрия2) поглощать тепло
4) растворять глицерин
А2. Больным рахитом детям необходимо давать препараты, содержащие1) железо 2) калий 3) кальций
4) цинк
А3. Проведение нервного импульса обеспечивается ионами:1) калия и натрия 2) фосфора и азота 3) железа и меди
4) кислорода и хлора
А4. Слабые связи между молекулами воды в ее жидкой фазе называются:1) ковалентными 2) гидрофобными 3) водородными
4) гидрофильными
А5. В состав гемоглобина входит1) фосфор 2) железо 3) сера
4) магний
А6. Выберите группу химических элементов, обязательно входящую в состав белков1) Na, K, O, S 2) N, P, C, Cl 3) C, S, Fe, O
4) C, H, O, N
А7. Пациентам с гипофункцией щитовидной железы дают препараты, содержащие1) йод 2) железо 3) фосфор
4) натрий
Часть В
В1. Выберите функции воды в клетке1) энергетическая 2) ферментативная 3) транспортная 4) строительная 5) смазывающая
6) терморегуляционная
В2. Выберите только физические свойства воды1) способность к диссоциации 2) гидролиз солей 3) плотность4) теплопроводность 5) электропроводность
6) донорство электронов
Часть С
С1. Какие физические свойства воды определяют ее биологическое значение?
Источник: https://biology100.ru/index.php/materialy-dlya-podgotovki/kletka-kak-biologicheskaya-sistema/2-3-1-neorganicheskie-veshchestva-kletki
Химический состав клетки
А вы знали, что химический состав клетки определяет принадлежность организма к какому-либо царству?
Уже на молекулярном уровне можно определить, что перед нами — растение, животное, гриб или бактерия.
Эта таблица показывает
органические вещества клетки
Это, кстати, не значит, что в животной клетке нет углеводов. Это означает, что большую часть веществ в данной клетке составляют белки.
В любой эукариотической клетке есть следующие органические вещества:
- углеводы (за рубежом их называют «shugars» — сахара);
- белки («proteins» — протеины)
- жиры (липиды)
- Нуклеиновые кислоты
- (АТФ, гормоны и витамины). В скобочках, т.к. эти вещества не часто упоминаются в школьном курсе подготовки к ЕГЭ …
Неорганические вещества клетки
В основном, это вода и различные соли
Если рассмотрим химический состав животной клетки, то количественно это будет выглядеть примерно так:
Почему воды такое значительное количество и почему когда говорят о ней как о первейшем признаке жизни?
Есть несколько основных характеристик, которые делают всем известную H2O такой значимой:
- Вода — универсальный растворитель, т.к. молекула H2O биполярна (это значит, что у нее 2 полюса: +(у водорода Н) и — (у кислорода О).
- Это отличная среда для реакций, реагент и продукт для многих процессов.
- У воды низкая теплопроводность и самая большая теплоемкость среди всех веществ. Практически это означает, что при минусовой температуре на улице организм, содержащий достаточно много воды, не замерзает. Ну и при жаре свыше 45 организм не испаряется
Источник: https://distant-lessons.ru/ximicheskij-sostav-kletki-2.html
Химическая организация клетки. Органические вещества
ТАБЛИЦА (Т.Л. Богданова. Биология. Задания и упражнения. Пособие для поступающих в ВУЗы. М.,1991)
Изорганических соединений в клетке содержатся белки, углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты, жироподобные вещества (липоиды) и др. Таким образом, отличия живого от неживого в химическом отношении проявляются уже на молекулярном уровне.
Белки. Из всех органических веществ в клетке ведущая роль принадлежит белкам. Белки – это полимеры, их составными единицами (мономерами) являются аминокислоты.
На долю белков в клетке приходится 50-80% сухой массы.
Молекулярная масса белков огромна; например, у белка яйца-яичного альбумина она составляет 36000, у гемоглобина-65 000, у сократительного белка мышц (актомиозин)- 1500000, в то время как у молекул глюкозы она равна 180.
Любая аминокислота состоит из карбоксила (СООН), аминогруппы (NH2) и радикала (R).
Различаются они только радикалами, которые крайне разнообразны по структуре. Аминогруппа придает аминокислоте щелочные свойства карбоксил – кислотные; этим определяются амфотерные свойства аминокислот.Каждая аминокислота может соединиться с другой посредством пептидных связей (-CO-NH-). В этом случае от аминогруппы одной аминокислоты отделяется ион H+, а от карбоксила другой радикал ОН с образованием молекулы воды. Соединение, возникающее из двух и большего числа аминокислотных остатков, называется полипептидом.
В нем между мономерами существуют самые прочные ковалентные связи. Таким образом, природный белок состоит из нескольких десятков или сотен аминокислот, структура же белковой молекулы зависит от вида аминокислот, их количества и порядка расположения в полипептидной цепи.
Последовательность аминокислот в полипептидной цепи определяет первичную структуру молекулы белка от которой в свою очередь зависят последующие уровни пространственной организации и биологические свойства белка. Следующий уровень организации белка – вторичная структура. Она имеет вид спирали.
Между изгибами спирали возникают водородные связи, которые слабее ковалентных, но, повторенные многократно, создают довольно прочное сцепление. Витки спирали могут сворачиваться в клубочки, образуя более сложное разветвление, в котором отдельные звенья спирали соединяются более слабыми бисульфидными связями.
В этих пунктах в радикалах аминокислот располагаются атомы серы, и соединение между ними создает бисульфидную связь: -S-S-. Так возникает третичная структура молекулы белка. Объединяясь в агрегаты, молекулы белка смогут образовывать четвертичную структуру.
Под влиянием термических, химических и других факторов в белке нарушаются бисульфидные и водородные связи. Это приводит к нарушению сложной структуры – денатурации. При этом третичная структура переходит во вторичную и далее – в первичную.
Если первичная структура не разрушается, то весь процесс оказывается обратимым, что имеет исключительно важное значение в восстановлении функциональных свойств белковой молекулы после повреждающих воздействий. Белки можно разделить на глобулярные (антитела, гормоны, ферменты) и фибриллярные (коллаген, кератин кожи, эластин).
Биологическая роль белков в клетке и во всех жизненных процессах очень велика. На первом месте стоит их каталитическая функция. Поскольку многие внутриклеточные вещества в химическом отношении инертны и их концентрация в клетке незначительна, реакции в клетках должны бы протекать очень замедленно.
Однако благодаря присутствию в клетке биокатализаторов реакции проходят исключительно быстро. Все биокатализаторы (они называются ферментами или энзимами) – вещества белковой природы. Каждую химическую реакцию обусловливает свой биокатализатор.
Всевозможных реакций в цитоплазме клетки осуществляется очень, много, столь же много и биокатализаторов, контролирующих ход этих реакций.
Строительная функция белков сводится к их участию в формировании всех клеточных органоидов и мембраны. Следующая функция белка – сигнальная.
Исследования показывают, что факторы внешней и внутренней среды – температурные, химические, механические и другие способны вызвать обратимые изменения структуры, а значит, и свойств белков. Их способность к обратимым, изменениям структуры под влиянием раздражителей лежит в основе важного свойства живого – раздражимости.
Восприятие любого раздражителя связано с изменением пространственной упаковки белковой молекулы.
Сократительная функция белка состоит в том, что все виды двигательных реакций клетки выполняются особыми сократительными белками (актин и миозин в мышцах высших животных, сократительные белки в жгутиках и ресничках простейших и др.). При этом, взаимодействуя с АТФ, белки разрушают ее, а сами укорачиваются, вызывая эффект движения.
Транспортная функция белков выражается в способности специфических белков крови обратимо соединяться с органическими и неорганическими веществами и доставлять их в разные органы, и ткани. Так, гемоглобин соединяется с кислородом и диоксидом углерода. Сывороточный белок альбумин связывает и переносит вещества липидного характера, гормоны и др.
Белки выполняют и защитную функцию. В организме в ответ на проникновение в него чужеродных веществ вырабатываются антитела – особые белки, которые нейтрализуют, обезвреживают чужеродные белки.
Белки могут служить источником энергии. Расщепляясь в клетке до аминокислот и далее до конечных продуктов распада – диоксида углерода, воды и азотосодержащих веществ, они выделяют энергию, необходимую для многих жизненных процессов в клетке.
Углеводы встречаются как в животных, так и в растительных клетках, причем в последних их значительно больше-до 80% сухой массы.
В живых клетках углеводы могут быть представлены простыми сахарами (моносахаридами Cn(H2O)n, например глюкозой, фруктозой, и сложными соединениями (полисахаридами), такими, как крахмал, клетчатка, гликоген.
Глюкоза и фруктоза хорошо растворимы в воде и встречаются в клетках плодов, которым придают сладкий вкус.
По числу атомов углерода простые углеводы делятся на две группы: пентозы (включают 5 атомов углерода), например рибоза, дезоксирибоза (в составе нуклеиновых кислот и АТФ), и гексозы (6 атомов углерода), например галактоза, глюкоза, фруктоза.
Молекулы моносахаридов, объединяясь друг с другом, образуют дисахариды например сахарозу (состоит из глюкозы и фруктозы), лактозу (состоит из глюкозы и галактозы). Все они хорошо растворимы в воде. Более сложные полисахариды в воле нерастворимы и сладким вкусом не обладают: например крахмал и клетчатка в растительных клетках, гликоген-в животных клетках.
Углеводы участвуют в построении ряда клеточных структур – клеточной стенки растений, а в сложном сочетании с белками входят в состав костей, хрящей, связок, сухожилий Кроме того, углеводы служат источником энергии, которая расходуется на движение клеток, секрецию, синтез белков и любые другие формы деятельности клетки.
Жиры представляют собой соединение трехатомного спирта глицерина с жирными кислотами. Их содержание в клетках составляет 5-15% от сухой массы, а в некоторых клетках-до 90%. Наряду с жирами в клетках встречаются жироподобные вещества – липоиды, представляющие собой эфиры жирных кислот и спиртов, но не глицерина.
Подобно жиру, они нерастворимы в воде и обычно присутствуют в клетке в соединении с белками, образуя с ними комплексы – липопротеиды. Жиры и жироподобные вещества содержатся в клеточных мембранах и ядре, входят в состав оболочек нервных волокон, регулируют поступление жирорастворимых веществ внутрь клетки и за ее пределы.
Жиры служат источником воды, которая выделяется при их окислении. Они плохо проводят тепло и могут поэтому выполнять функцию теплоизоляции. Некоторые липоиды входят в состав гормонов половых желез и надпочечников, провитамина D, желтка яйцеклеток и др. Жиры – источник энергии.
липоиды
Нуклеиновые кислоты – это высокомолекулярные органические соединения, имеющие первостепенное биологическое значение. Впервые они были обнаружены в ядре клеток (в конце XIX в.), отсюда и получили соответствующее название (нуклеус – ядро). Нуклеиновые кислоты хранят и передают наследственную информацию. Подробнее см. “Нуклеиновые кислоты“
Источник: https://www.examen.ru/add/manual/school-subjects/natural-sciences/biology/uchenie-o-kletke/ximicheskaya-organizacziya-kletki-organicheskie-veshhestva/
Химический состав клетки
Сходство элементарного химического состава клеток всех организмов доказывает единство живой природы.
Вместе с тем нет ни одного химического элемента, содержащегося в живых организмах, который не был бы найден в телах неживой природы. В этом находит свое выражение общность живой и неживой природы.
Ниже дан перечень основных химических элементов, входящих в состав клетки (в % на сырую массу):
Кислород — 65 — 75 Углерод — 15 — 28 Водород — 8 — 10 Азот — 1,5 — 3,0
Магний — 0,02 — 0,03 Натрий — 0,02 — 0,03 Кальций — 0,04 — 2,00 Железо — 0,01 — 0,015 Калий — 0,15 — 0,40 Сера — 0,15 — 0,20 Фосфор — 0,20 — 1,00 Хлор — 0,05 — 0,10
Цинк — 0,0003 Медь — 0,0002 Йод — 0,0001 Фтор — 0,0001
Этот перечень, естественно, распадается на 3 группы. Кислород, углерод, водород и азот — группа элементов, которыми живые существа богаче всего. В клетке они составляют до 98% ее сырой массы.
Вторая группа объединяет следующие 8 элементов, которые представлены десятыми и сотыми долями процента в веществе живой клетки; их общая сумма — около 1,9% общей массы клетки.
В третью группу входят такие микроэлементы, которых в живой клетке очень мало, но они совершенно необходимы для ее нормального функционирования.
Несмотря на единство элементарного состава живой и неживой природы, клетки живых существ построены из таких специфических химических соединений этих элементов, которые получили специальное название — органические вещества. В настоящее время органические вещества в природе могут образовываться на нашей планете только в теле живых организмов. Это, конечно, не исключает возможности их искусственного синтеза, осуществляемого в лабораториях.
В состав клеток входят и неорганические соединения. Но за исключением воды они составляют незначительную долю по сравнению с содержанием органических веществ.
Процентное соотношение в клетке воды, различных органических и неорганических веществ следующее (в расчете на сырую массу):
Вода — 70—85
Белки — 10—20 Жиры — 1—5 АТФ и другие низкомолекулярные органические вещества — 0,1—0,5 Углеводы — 0,2—2,0Неорганические вещества (кроме воды) — 1—1,5
Значение воды в теле живой клетки огромно. Вода составляет основу тех коллоидных систем, из которых состоит клетка. Она является растворителем, а все обменные процессы в клетке могут протекать лишь в растворах.
Вода играет важную роль во многих реакциях, происходящих в организме. К их числу относятся, например, реакции гидролиза, при которых высокомолекулярные органические вещества (белки, жиры, углеводы) расщепляются за счет присоединения к ним воды.
Наконец, вода служит основой для жидкостей, передвижение которых в теле многоклеточных организмов обеспечивает перенос необходимых веществ от одной части организма к другой.
Поэтому чем выше биохимическая активность той или иной клетки или ткани, тем выше содержание в ней воды. Велика роль воды и в теплорегуляции клетки и организма в целом.
Неорганические вещества (кроме воды) находятся в организмах в виде анионов и катионов в растворах и в виде соединений с органическими веществами.
Важное функциональное значение для нормальной жизнедеятельности клетки имеют катионы К+, Nа+, Са2+ и Mg2+ и анионы НРО24, Н2РО4— ,НСО3-, Сl-В соединении с органическими веществами особое значение имеют сера, входящая в состав многих белков; фосфор как обязательный компонент веществ хромосом; железо, входящее в состав белка крови гемоглобина, и магний, находящийся в молекуле хлорофилла. Кроме того, фосфор в форме нерастворимого фосфорнокислого кальция составляет твердую основу костного скелета позвоночных и раковин моллюсков.
Ведущими органическими веществами, входящими в состав клетки, являются белки, углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) и аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).
Белки — основная составная часть любой живой клетки.На их долю приходится половина сухого вещества клетки (после удаления из нее волы). Белки выполняют в ней чрезвычайно разнообразные функции, из которых самая важная — каталитическая функция. Любая химическая реакция в клетке протекает при участии особых биологических катализаторов — ферментов.
А любой фермент — белок. Следовательно, без белков-ферментов клетка не смогла бы осуществить ни одной химической реакции, а значит не смогла бы ни расти, ни размножаться, ни функционировать. Где нет белка, там нет жизни. Именно это и заставило Ф.
Энгельса определить жизнь как форму cуществования белковых тел — такую форму, которая реализуется через постоянный обмен веществ.
Помимо каталитической, очень важна структурная функции белков. Белки входят в состав всех мембран, окружающих и пронизывающих клетку. В соединении с ДНК белок составляет тело хромосом, а в соединении с РНК — тело рибосом.
Растворы низкомолекулярных белков входят в состав жидких фракций клетки.
Наконец, именно с белками связано осуществление таких функций, как перенос кислорода в теле организма (его осуществляет белок крови — гемоглобин), сокращение мускулатуры, передача раздражения по нервам и целый ряд других.
Химический состав белков чрезвычайно разнообразен, и в то же время все они построены по одному принципу — по принципу полимера: молекула одного белка состоит из многих не вполне одинаковых мономеров — молекул аминокислот. Всего известно 20 различных аминокислот, входящих в состав белков.
Каждая из них имеет карбоксильную группу (СООН), аминную группу (NH2) и третью химическую составную часть (радикал — R), которой одна аминокислота отличается от другой.
В молекуле, белка аминокислоты химически соединены пептидной связью: карбоксильная группа одной кислоты соединяется с аминной группой другой; при каждом таком соединении выделяется молекула воды:
В молекуле того или иного белка одни аминокислоты могут многократно повторяться, а другие совсем отсутствуют. Общее число аминокислот, составляющих одну молекулу белка, иногда достигает нескольких сот тысяч. В результате молекула белка представляет собой макромолекулу, т. е. молекулу с очень большой молекулярной массой: от нескольких десятков тысяч до многих сотен тысяч.
Химические и физиологические свойства белков определяются не только тем, какие аминокислоты входят в их состав, но и тем, какое место в длинной цепочке белковой молекулы занимает каждая из аминокислот. Так достигается огромное разнообразие первичной структуры белковой молекулы.
В живой клетке белки имеют еще и вторичную и третичную структуру, с чем также связаны их специфические функциональные свойства. Вторичная структура белковой молекулы достигается ее спирализацией: длинная цепочка соединенных между собой аминокислот закручивается, а витки спирали плотно прилегают друг к другу.
Третичная структура определяется тем, что слирализованная молекула белка еще многократно и закономерно сворачивается, образуя компактную глобулу (шарик). Именно такое состояние белковой молекулы соответствует активному состоянию белка-фермента.
Если же под действием различных факторов (нагревание, обработка химическими веществами) происходит разворачивание белковой молекулы и потеря вторичной и третичной структуры белка, то он при этом теряет и свои ферментативные свойства..
Такое изменение может оказаться обратимым (белок восстановит свою вторичную и третичную структуру), если воздействие не было слишком сильным. Необратимые изменения структуры белков в клетке ведут к ее гибели.
Углеводы — столь же необходимая составная часть любой клетки, как и белок. В растительных клетках их значительно больше, чем в животных.
Углеводы — своеобразное «топливо» для живой клетки: окисляясь, они высвобождают химическую энергию, которая расходуется клеткой на все процессы жизнедеятельности.
У растений углеводы выполняют и важные строительные функции: из них образуются оболочки как живых клеток, так и мертвых (древесина).
По химическому составу углеводы делятся на две большие группы: простые и сложные углеводы. В наиболее широкоизвестных простых углеводах содержится 5 (пентозы) или 6 (гексозы) атомов углерода и столько же молекул воды. Примерами простых углеводов могут служить глюкоза и фруктоза, находящиеся во многих плодах растений.
Сложные углеводы — это соединение нескольких молекул простых углеводов в одну. Пищевой сахар (сахароза), например, состоит из одной молекулы глюкозы и одной молекулы фруктозы.
Значительно большее количество молекул простых углеводов входит в такие сложные углеводы, как крахмал, клетчатка (целлюлоза), гликоген.
В молекуле клетчатки, например, до 100—150 молекул глюкозы.
Жиры и липоиды — также обязательная составная часть любой клетки. Как и углеводы, жиры используются клеткой как источник энергии: при расщеплении жиров освобождается энергия.
Подкожный жир играет важную теплоизоляционную роль у многих животных (водные млекопитающие). У животных, впадающих зимой в спячку, жиры обеспечивают организм необходимой энергией, так как питательные вещества извне в это время не поступают.
Жиры составляют запас питательных веществ и в семенах многих растений.
По химическому составу жиры представляют собой соединение глицерина с различными жирными кислотами.
Именно этим высокомолекулярным кислотам жиры и липоиды обязаны своим важным биологическим свойством: они не растворяются в воде.
Поэтому жироподобные вещества — липоиды входят в состав всех мембран клетки и ее структурных элементов. Средний, липондный, слой таких мембран препятствует свободному перемещению воды из клетки в клетку.
Нуклеиновые кислоты впервые были обнаружены в ядрах клеток. Существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновые (сокращенно ДНК) и рибонуклеиновые (сокращенно РНК).
ДНК содержится преимущественно в ядре клетки, РНК — в цитоплазме и в ядре. Значение нуклеиновых кислот состоит в том, что они обеспечивают синтез в клетке специфических для нее белков.
Благодаря функции ДНК, связанной с синтезом белков-ферментов, осуществляется и ее генетическая роль: ДНК является носителем наследственной информации.
Рис. 5. Схема строения нуклеотида
Молекулярная структура ДНК отражает ее особое химическое свойство — способность к саморепродукции (репликации) и ее основную функцию — обеспечение синтеза специфических белков. Это очень длинная двойная цепочка. Длина ее во многие сотни раз превышает длину цепочки белковой молекулы.
Как и молекуле белка, молекуле ДНК присуща спиральная структура: двойная цепочка спирально закручена вокруг своей продольной оси. Каждая одинарная цепочка представляет собой полимер и состоит из отдельных, соединенных между собой мономеров — нуклеотидов.
В состав любого нуклеотида входят два постоянных химических компонента (фосфорная кислота и углевод дезоксирибоза) и один переменный, который может быть представлен одним из четырех азотистых оснований: аденином, гуанином, тимином или цитозином (рис. 5).
Поэтому в молекулах ДНК всего 4 разных нуклеотида. Разнообразие же молекул ДИК огромно и достигается благодаря различной последовательности нуклеотидов в цепочке ДНК.
Таким образом, и ДНК и белки построены по одному и тому же химическому принципу: специфичность ДНК обусловливается порядком нуклеотидов в ее молекуле, специфичность белка — порядком аминокислот в его молекуле. Как будет видно из дальнейшего, это совпадение имеет первостепенное значение при синтезе белков.
Рис. 6. Схема строения молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК): две цепочки нуклеотидов, закрученные спирально, соединены азотистыми основаниями: а — аденин, Т— тимин, Г — гуанин, Ц — цитозин
Две одинарные цепи ДНК соединены в одну двойную через нуклеотиды.
При этом возможны лишь такие химические соединения: аденина с тимином и гуанина с цитозином. Поэтому последовательность нуклеотидов в одной цепочке жестко определяет и последовательность их в другой цепочке.
Строгое соответствие нуклеотидов друг другу в парных цепочках молекулы ДНК получило название комплементарности (рис. 6). Эта особенность химического строения молекулы ДНК создается в процессе синтеза ДНК в живой клетке, который называется репликацией. Схематически этот процесс изображен на рис. 7.
Сводится он к тому, что исходная двойная цепочка молекулы ДНК под действием специального фермента постепенно распадается на две одинарные — и тут же к каждой из них по принципу химического сродства (аденин к тимину, гуанин к цитозину) присоединяются свободные нуклеотиды. Тем самым вновь восстанавливается двойная структура ДНК.
Но теперь уже таких двойных молекул получается две вместо одной. Поэтому синтез ДНК и получил название саморепродукции, или репликации: каждая молекула ДНК как бы сама себя удваивает.
Молекулярная структура РНК близка к таковой ДНК. Но есть и существенные различия. Молекула РНК представляет собой не двойную, а одинарную цепочку из нуклеотидов. Поэтому РНК не способна к саморепродукции.
В состав молекул РНК также входят 4 нуклеотида, но один из них иной, чем в ДНК: вместо тимина в РНК содержится другое азотистое соединение — урацил. Кроме того, в состав всех нуклеотидов молекулы РНК входит не дезоксирибоза, а рибоза.
Молекулы РНК не столь велики, как молекулы ДНК. О двух формах РНК будет сказано дальше.
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Это органическое вещество входит в состав любой клетки, где выполняет одну из важнейших функций.
Химически АТФ представляет собой нуклеотид, в состав которого входят азотистое основание аденин, углевод рибоза и фосфорная кислота. Но в отличие от нуклеотида, входящего в состав РНК, в молекуле АТФ содержатся три молекулы фосфорной кислоты.
Это обстоятельство и определяет биохимические особенности и функцию АТФ.
Неустойчивые химические связи, которыми соединены молекулы фосфорной кислоты в АТФ, очень богаты энергией: при разрыве этих связей энергия высвобождается и используется в живой клетке на процессы жизнедеятельности и синтез. Такой разрыв осуществляется через реакцию присоединения воды молекулой АТФ и отщеплением от нее одной молекулы фосфорной кислоты.
Рис. 7. Схема репликация (самоудвоения) молекулы ДНК.
А — исходная молекула ДНК перед репликацией; Б — репликация молекулы ДНК: цепи расходятся и к каждой из них подстраивается новая цепь из свободных нуклеотидов по принципу комплементарпости; В — две молекулы ДНК.
образовавшиеся в результате репликации
В результате молекула АТФ превращается в АДФ (аденозин-дифосфорная кислота):
АТФ + Н2О → АДФ + Н3РO4 + свободная энергия.Обратный процесс превращения АДФ в АТФ происходит путем присоединения молекулы фосфорной кислоты к АДФ с выделением воды и поглощением большого количества энергии. Таким образом, система обеспечивает в живой клетке постоянный обмен энергии.
Источник: http://biologiya.net/obshhaya-biologiya/uchenie-o-kletke/xim-sostav-kletki.html
Загрузка...
