Что такое органические клетки
Научная электронная библиотека
§ 3.1.3. Понятие о цитологии
Цитология – раздел биологии, изучающий жизнедеятельность клетки.
Множество простейших и микроорганизмов представляют собой существующие отдельно друг от друга клетки. Тела многоклеточных организмов построены из огромного числа клеток. Независимо от того, представляет собой клетка целостную живую систему, либо ее часть, она наделена набором признаков и свойств, характерных для всех клеток.
Клетка состоит из простых и сложных молекул белков, нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), липидов, углеводов, минеральных веществ и, конечно же, воды. Белкам и нуклеиновым кислотам принадлежит основная роль в синтезе из простых микромолекул сложных макромолекул, в освобождении и превращении энергии из поступающих в клетку веществ.
Клетка – основная структурно-функциональная единица живого. Клетка – биологически автономная система, способная самостоятельно осуществлять все процессы, присущие живой материи (рост, размножение, раздражимость и т. д.)
Впервые клетку наблюдал Р. Гук (1665 г., Англия) на срезах пробки через систему линз. Дальнейшее ведение микроскопических исследований принадлежит члену Королевского общества Неемии Грю (1641–1712 гг.), который собрал первый микроскоп в. Общие результаты своих исследований он изложил в четырехтомном трактате, опубликованном в 1682 г. Трактат этот носил длинное название «Анатомия растений с изложением философской истории растительного мира и несколько других докладов, прочитанных перед Королевским обществом».
Но изучение срезов тканей растительных и животных организмов в 17–18 веках носили описательный характер. Более подробное изучение жизнедеятельности клетки началось с усовершенствованием увеличительной техники в 19 веке. Немецкие ученые М. Шлейден и Т. Шванн (1839 г.) сопоставили ткани растительных и животных организмов, обнаружили общий принцип строения и роста тех и других клеток.
Позднее, благодаря открытию процессов роста и деления, а также ряда биохимических процессов клетки, сформировалась клеточная теория.
Основные положения классической клеточной теории:
1. Клетка – наименьшая структурная единица живого.
2. Все живые организмы состоят из клеток (одной – одноклеточный организм, или множества – многоклеточный организм)[34].
3. Несмотря на огромное разнообразие внешних форм, все клетки сходны между собой по внутреннему строению, химическому составу и принципам жизнедеятельности.
4. «Клетка от клетки». Новые (дочерние) клетки возникают в результате деления исходной (материнской) клетки.
Клетки многоклеточного организма объединяются в ткани, ткани – в органы, органы в системы органов.
Все вещества, входящие в состав клетки (и живого организма в целом) принято делить на две группы – группу неорганических веществ и группу органических веществ (рис. 3.4):
Рис. 3.4. Простейшая классификация веществ живых организмов.
Неорганические вещества в живой клетке представлены, прежде всего, водой, а также микро- и макроэлементами, присутствующими в составе различных солей
Воды в организме содержится, в среднем 83 %. Функции воды:
а) Вода является прекрасным растворителем. Вещества, растворенные в воде, проникают в клетку, обеспечивая ее питание.
б) Продукты обмена выводятся из организма также в виде водных растворов (см. раздел «Цитоплазма»).
в) Вода поддерживает тургор (упругость) клетки.
г) Все биохимические процессы (окисление – восстановление, синтез – разложение, каталитические реакции и т. д.) происходят в водной среде.
д) Кроме того, вода обладает большой теплоемкостью и теплопроводностью, что обеспечивает гармоничное распределение и сохранение тепла в организме.
Примеры микро- и макроэлементов приведены на рис. 3.5.
Рис. 3.5. Микроэлементы и макроэлементы живого организма
Органические вещества живой клетки представляют: липиды, углеводы, белки, нуклеиновые кислоты.
Липиды – производные высших жирных кислот, химический состав которых можно представить формулой СmHnOl. К липидам, в частности, относятся жиры, химический состав которых подробно рассматривается в курсе органической химии. При этом, жидкие жиры (масла) чаще растительного происхождения (исключение – рыбий жир), твёрдые – животного происхождения (исключение – пальмовое масло).
1. Строительная. Липиды входят в состав всех биологических мембран.
2. Энергетическая. Липиды являются источником энергии для организма. При окислении 1 г липидов до СО2 и Н2О выделяется 39 кДж энергии:
[35].
Выделяющаяся при этом вода называется метаболической.
3. Теплоизоляционная. Липиды – отличный теплоизолятор. Эта функция играет большую роль при адаптации организмов к холодной среде обитания, например, моржей и тюленей в холодных водоёмах.
4. Влагообеспечивающая. Как видно из функции 2, жиры служат дополнительным источником воды в организме. Эта функция особенно важна для обитателей засушливых зон.
Углеводы, входящие в состав живых клеток, подразделяют на простые и сложные (рис. 3.6)
Рис. 3.6. Простейшая классификация углеводов, входящих в состав живых клеток
1. Энергетическая. Основным источником энергии для организма являются простые сахариды. Важнейшим из них является глюкоза. При окислении 1 г глюкозы освобождается 17,6 кДж энергии. Некоторые сложные углеводы представляют собой дополнительный запас энергии. В частности, организм получает значительное количество энергии для жизнедеятельности при окислении полимерных молекул крахмала (в телах растений) или гликогена (в телах животных).
2. Строительная. Сложные углеводы являются строительным материалом для некоторых живых организмов. Например, целлюлоза входит в состав древесины, а хитин – в наружный скелет насекомых.
Белки – сложные полимеры. На долю белков приходится 50 % от сухой массы живого организма. Белки – уникальная природная форма, из которой состоят все живые организмы планеты. В организме человека встречаются 5 млн типов белков, отличающихся не только друг от друга, но и от белков других организмов. Белки состоят из аминокислот (мономеры), соединенных друг с другом в определенной последовательности, присущей только определенному организму. Всего известно 20 разновидностей аминокислот. В молекуле белка эти аминокислоты соединены друг с другом прочной пептидной связью[36]. В состав 1 молекулы белка входят от 51 до нескольких сотен аминокислот.
1. Строительная. Белки входят в состав всех вещественных биологических структур: клеток, тканей, органов, крови (рис. 3.7).
Рис. 3.7. Простейшая классификация белков, реализующих строительную функцию
2. Каталитическая. Группа белков, являющихся катализаторами биохимических процессов, называется ферментами. Некоторые ферменты ускоряют протекание реакций в десятки и сотни тысяч раз. Схема работы ферментов с субстратами – веществами, вступающими в биохимический процесс, приведена на рис. 3.8.
3. Транспортная. Существует ряд белков, транспортирующих вещества к различным тканям (например, гемоглобин – белок, переносящий кислород к клеткам) и удаляющих продукты обмена. Многие молекулы (например, сахара) не способны проникнуть в клетку без помощи специфических белков-переносчиков.
Рис. 3.8. Схема работы ферментов:
а – сближение субстратов (С) с ферментом.; б – образование
фермент-субстратного комплекса; в – превращение субстратов
в продукты реакции (ПР); г – разъединение продуктов реакции и фермента
4. Гормональная. Гормоны – биологически активные вещества, вырабатываемые железами внутренней секреции и регулирующие физиологические процессы в организме. При недостатке гормонов возникают патологические изменения, приводящих к заболеваниям и даже гибели организма. Некоторые из гормонов являются белками.
5. Защитно-иммунная. Белки, входящие в состав иммунных клеток (лейкоцитов) обеспечивают защиту от бактерий и вирусов. Эти белки (антитела) связываются с чужеродными организму веществами, образуя комплекс, который затем удаляется из организма
7. Двигательная. Некоторые из белков, входящих в состав мышц способны сокращаться, а, значит, приводить организм в движение.
8. Энергетическая. Иногда, хотя и достаточно редко, белки могут служить дополнительным источником энергии. При окислении 1 г белка освобождается 17,6 кДж.
Нуклеиновые кислоты в живых клетках представлены двумя типами: дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (ДНК).
Современная структурная модель ДНК была впервые предложена американским биологом Дж. Уотсоном совместно с английским физиком Ф. Криком в 1953 году и представляет собой две полинуклеотидные цепи, соединённых водородными связями и закрученные в спираль. В каждой цепочке содержится от пятисот до нескольких сотен тысяч нуклеотидов. Условная схема строения нуклеотида представлена на рис. 3.9.
В нуклеотидах ДНК остаток фосфорной кислоты и дезоксирибоза – неизменные составляющие, в то время как азотистых оснований существует 4 разновидности: аденин, гуанин, цитозин и тимин. Поэтому каждый нуклеотид принято обозначать тем же названием, что и азотистое
основание, входящее в его состав (аденин, гуанин, цитозин, тимин). Поскольку водородные связи в ДНК могут возникать только попарно, по принципу комплементарности: аденин (А) связывается только с тимином (Т), гуанин (Г) – только с цитозином (Ц), то, зная последовательность одной цепи, можно составить последовательность второй цепи.
Рис. 3.9. Схема строения нуклеотида ДНК
При определённых условиях, перед делением клетки, ДНК объединяется с многочисленными белками в единый комплекс, который называется хромосома (рис. 3.10).
Рис. 3.10. Строение реплицированной (удвоенной) хромосомы
Уникальность дезоксирибонуклеиновой кислоты состоит в том, что её молекула является хранилищем сведений о составе всех белков, вырабатываемых организмом, а, значит, содержит в себе информацию обо всех его внешних и внутренних признаках, причём, передаваемую из поколения в поколение от родителей – потомству. Биологическая передача сведений потомству о своих признаках осуществляется благодаря репликации ДНК.
Репликация ДНК – это процесс её удвоения, протекающий с участием специальных ферментов при подготовке клетки к делению. Репликацию можно условно разделить на три стадии (рис. 3.11):
1. Раскручивание двойной спирали ДНК с одного конца под действием фермента.
2. Достраивание по принципу комплементарности новых цепей на разъединившихся прежних цепях.
3. Окончательное формирование двух новых ДНК. В каждой из них одна цепь принадлежала прежней ДНК, а вторая достроена по принципу комплементарности.
Рис. 3.11. Схема репликации ДНК:
а – раскручивание двойной спирали ДНК; б – достраивание новых цепей
на разъединившихся прежних цепях; в – окончательное формирование двух новых ДНК
Таким образом, при делении клетки обе дочерние клетки получают совершено одинаковые ДНК.
Также как и ДНК, молекула рибонуклеиновой кислоты (РНК) представляет собой полинуклеотидную цепь. В отличие от ДНК она одноцепочечная и содержит намного меньше нуклеотидов. Другим существенным отличием РНК от ДНК является химический состав нуклеотидов: нуклеотиды РНК содержат остаток рибозы вместо дезоксирибозы (рис. 3.12) и вместо тимина в составе нуклеотидов РНК находится урацил.
Основная функция РНК – участие в синтезе белковых молекул. В зависимости от характера этого участия РНК подразделяют на матричные или информационные (мРНК), транспортные (тРНК), рибосомальные (рРНК):
– мРНК копирует с ДНК информацию о структуре белка, который нужно синтезировать и доставляет её к месту синтеза;
– (тРНК) – доставляет необходимые аминокислоты и в определенном порядке к месту синтеза белка;
– (рРНК) – входят в состав рибосом – внутриклеточных частиц, на которых и происходит синтез белка. Иногда рибосомы называют главными «рабочими» синтеза белка.
Участок ДНК, содержащий сведения о первичной структуре одного определённого белка, называется геном. Совокупность всей информации обо всех белках, хранящаяся в ДНК иногда называют генетической программой. Последовательность нуклеотидов ДНК определяет аминокислотную последовательность молекулы белка. Эта зависимость между молекулой ДНК и строением белковой молекулы называется генетический код. Генетический код известен для всех 20 аминокислот.
Рис. 3.12. Схема строения нуклеотида РНК
Процесс передачи информации генетического кода в конкретный белок протекает следующим образом:
1. С помощью специальных ферментов на поверхности гена формируется комлементарная цепь матричной РНК. В данном случае ген является матрицей с которой делается слéпок – м-РНК.
2. Образовавшаяся м-РНК перемещается к месту синтеза белка – к рибосомам.
3. Сюда же к месту сборки белковой молекулы «доставляются» посредством тРНК определенные аминокислоты, последовательность построения которых записана на мРНК. Набору из трёх азотистых оснований, который называется триплет нуклеотидов или кодон, соответствует одна и только одна аминокислота. Например, возле нуклеотидной последовательности ГГЦ может закрепиться только глицин
а возле кодона ГЦУ – только аланин
Всего в построении белковой молекулы участвует 20 различных аминокислот.
4. Между располагающимися в строго определённой последовательности аминокислотами образуется пептидная связь
и постепенно формируется молекула белка. Следует подчеркнуть, что синтез белковых молекул осуществляется при активном участии огромного количества всевозможных ферментов.
1. Что такое клетка? В чем заключается ее биологическое значение?
2. В чем заключаются основные положения клеточной теории Шлейдена – Шванна?
3. Какие вещества неорганической природы включены в состав клетки? Объясните их значение.
4. Какое значение для клетки имеют органические вещества: липиды, углеводы и белки?
5. Что такое ДНК? Расскажите о ее строении. Каково значение ДНК для клетки?
6. О чем гласит принцип комплементарности в построении молекулы ДНК?
Произвести достройку молекулы ДНК: А-Г-Г-Г-Ц-А-Т-Г-Т-Т-А-Ц-Г-Ц.
7. Задача: в молекуле ДНК 19 % цитозина. Определить количество остальных нуклеотидов.
8. В чем биологический смысл репликации ДНК?
9. В чем особенности строения РНК? Какие виды РНК встречаются в клетке и какую функцию осуществляют?
10. Каким образом происходит реализация генетической программы?
В чем ее биологический смысл?
Неорганические и органические вещества клетки
Большинство реакций, которые протекают в клетке, идут в растворе (водной среде). Полярность молекулы воды позволяет ей быть отличным растворителем для других гидрофильных (полярных) веществ.
Вода может поглощать теплоту при минимальном изменении температуры. Это настоящее «спасение» для клеток: чуть только температура меняется, вода начинает поглощать избыток тепла, защищая клетку от перегревания. Выделяясь на поверхность кожи с потом, вода испаряется, поверхность кожи при этом охлаждается.
Питательные вещества, газы перемещаются по организму с током крови. Вода составляет 90-92% плазмы крови, является ее основным компонентом. С помощью воды происходит не только доставка веществ к клеткам, но и удаление из организма побочных продуктов обмена веществ.
Если же клетка окажется в гипотоническом растворе, то вода извне устремится внутрь клетки (опять-таки в сторону большей концентрации солей), приводя при этом к разбуханию (и возможному разрыву) клетки.
Элементы
Процентное содержание элемента не коррелирует с его важностью и биологической значимостью. Так, к примеру, микроэлемент I играет важную роль в синтезе гормонов щитовидной железы: тироксина, трийодтиронина. За нормальные рост и развитие организмов отвечают Zn, Mn, Cu.
Благоприятно влияют на сперматозоиды Zn, Ca, Mg, защищая их от оксидативного стресса (окисления). Невозможным становится нормальное образование эритроцитов без должного уровня Fe и Cu.
Мы переходим к органическим компонентам клетки, к которым относятся: жиры, углеводы, белки и нуклеиновые кислоты.
При резком изменении оптимальных для белка условий он подвергается денатурации: при этом происходит переход от высших структур организации к низшим, или «раскручивание белка». Важно заметить, что аминокислотная последовательность (первичная структура белка) при этом не меняется, однако свойства белка меняются кардинально (теряется его гидрофильность).
Некоторые гормоны, регулирующие обменные процессы в организме, имеют белковое происхождение: инсулин, глюкагон, адренокортикотропный гормон (АКТГ).
Помимо антител, защитную функцию выполняют также белки свертывающей системы крови (тромбин и фибриноген): они предохраняют организм от кровопотери.
При недостаточном питании в организме начинают окисляться молекулы белков. При расщеплении 1 г белков выделяется 17,6 кДж энергии.
Двигательные белки, актин и миозин, на уровне саркомера обеспечивают сокращение мышц. При возбуждении мышечной ткани тонкие нити актина начинают тереться о толстые нити миозина, приводя к сокращению.
На поверхности мембраны белки образуют многочисленные рецепторы, которые, соединяясь с гормонами, приводят к изменению обмена веществ в клетке. Таким образом, гормоны реализуют воздействие на клетки органов-мишеней.
С химической точки зрения жиры являются сложными эфирами, образованными трехатомным спиртом глицерином и высшими карбоновыми кислотами (жирными кислотами). Среди их свойств надо выделить то, что они практически нерастворимы в воде. Вспомните, как тяжело смыть жир с рук водой.
Почему именно мыло смывает жир с рук? Дело в том, что молекула мыла повторяет свойства жира: одна часть ее гидрофобна, а другая гидрофильна. Мыло соединяется с молекулой жира гидрофобной частью, и вместе они легко смываются водой.
Жиры имеют способность накапливаться в клетках, расположенных в подкожно-жировой клетчатке, внутренних органах. Эти запасы являются резервом организма на случай голодания или при недостаточном питании.
В жирах также запасается вода: в 100 г жира содержится 107 мл воды. Многим пустынным животным (верблюдам) жировые запасы помогают длительное время обходиться без воды.
Жиры входят в состав биологических мембран клеток человека вместе с белками. Из фосфолипидов построены мембраны всех клеток органов и тканей!
Жиры обладают плохой теплопроводностью. Располагаясь в подкожно-жировой клетчатке, они образуют термоизолирующий слой. Особенно хорошо он развит у ластоногих (моржи и тюлени), китов, защищает их от переохлаждения.
Углеводы
При гидролизе олигосахариды распадаются на моносахариды. В состав олигосахаридов может входить от 2 до 10 моносахаридных остатков. Если в состав олигосахарида входят 2 остатка моносахарида, то его называют дисахарид. К дисахаридам относятся сахароза, лактоза, мальтоза. При гидролизе сахароза распадается на глюкозу и фруктозу.
Это биополимеры, в состав которых входят сотни тысяч моносахаридов. Они обладают высокой молекулярной массой, нерастворимы в воде, на вкус несладкие.
В результате расщепления 1 г углеводов высвобождается 17,6 кДж энергии.
Запасным питательным веществом растений и животных соответственно являются крахмал и гликоген. Расщепление гликогена позволяет нам оставаться в сознании и быть активными между приемами пищи.
Гликоген представляет собой разветвленную молекулу, состоящую из остатков глюкозы. За счет больших размеров такая молекула хорошо удерживается в клетке, а ее разветвленность позволяет ферментам быстро отщеплять множество молекул глюкозы одновременно.
Существуют заболевания, при которых распад гликогена нарушается: в результате нейроны не получают глюкозы (источника энергии, соответственно не синтезируются и молекулы АТФ). Из-за этого становятся возможны частые потери сознания.
Целлюлоза входит в состав клеточных стенок растений, придавая им необходимую твердость. Хитин образует клеточную стенку грибов и наружный скелет членистоногих.
Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus — ядро)
Синтезируется в ядрышке. рРНК входит в состав малых и больших субъединиц рибосом. В процентном отношении рРНК составляет 80-90% всей РНК клетки.
Обеспечивает транспорт аминокислоты к рибосоме во время синтеза белка. Благодаря этому становится возможным соединение аминокислот друг с другом, образуется белок. тРНК имеет характерную форму клеверного листа.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Структурные и химические элементы клетки: неорганические и органические вещества
Химические элементы в клетке
Клетки всех организмов отличаются схожестью элементарного химического состава, что является свидетельством единства живой природы. Однако стоит отметить, что любой химический элемент, присутствующий в живых организмах, встречается и в неживых организмах. Это, в свою очередь, говорит о единстве живой и неживой природы.
Какие химические элементы входят в состав клетки?
Есть 4 химических элемента в клетках живых организмов, присутствующих в них в наибольшем объеме:
Все эти основные химические элементы являются органогенными элементами и составляют от 95 до 98% общей массы организма.
Прочие химические вещества в клетке — элементы вроде кальция, фосфора, калия, серы, натрия, хлора, железа, силиция, магния — присутствуют в организме в небольшом количестве — это всего лишь десятые доли процента. Такие химические элементы клетки относятся к макроэлементам.
В клетке также есть микроэлементы: цинк, медь, кобальт, бром, хром, радий, марганец, йод, литий. Их меньше всего: около 0,01%.
Тем не менее, то, насколько важен для организма тот или иной элемент не зависит от того, в каком количестве он содержится в клетке. К примеру, определенные микроэлементы являются составляющими различных ферментов, гормонов и прочих важных для жизни соединений, влияющих на процессы размножения, кровообращения и др.
В состав молекулы инсулина входит цинк, а в состав цианокобаламина (это витамин В12) — кобальт.
От окружающей неорганической природы живые организмы отличаются количественным составом химических веществ в клетке.
К примеру, растения содержат примерно 18% углерода, а в почве — всего 1%. Если говорить о кремнии, то в почве его 33%, а в растениях — всего 0,15%.
В составе живых организмов имеются углеродосодержащие соединения (органические). Этим и объясняется большое количество углерода.
Отдельные организмы способны накапливать определенные химические вещества клетки.
Водоросли накапливают йод, лютиковые — литий, болотная ряска — радий.
Неорганические вещества в клетке
Вода — основное неорганическое вещество в клетке. При этом количество воды зависит от интенсивности обмена веществ в определенной ткани: чем она выше, тем больше воды.
Человеческий эмбрион в возрасте 1,5 месяца на 97,5% состоит из воды, в возрасте 8 месяцев — на 83%. Новорожденные состоят из воды на 74%, а что касается взрослых, то этот показатель составляет 66%.
При этом, в различных органах и тканях количество воды разное.
В мозгу взрослого человека содержится до 86% воды. Для сравнения, в печени всего 70, а в кости и того меньше — около 20%.
Чем старше становится человек, тем меньше в его тканях воды.
Почему вода так важна для организма? Она выполняет ряд функций:
Но самое главное заключается в том, что именно в воде как среде происходят все химические процессы. Вода принимает участие во всех химических реакциях: в результате химического взаимодействия с водой происходит расщепление таких элементов как жиры, углеводы и прочие органические соединения.
Вода обладает высокой теплоемкостью, что позволяет ей оберегать цитоплазму от резких температурных колебаний и участвовать в терморегуляции клеток и организма в целом.
Определенная часть молекул воды — примерно 15% — присутствует в связанном состоянии с белковыми молекулами. Они отвечают за изоляцию молекул белка друг от друга в коллоидных растворах.
Низкой растворимостью в воде характеризуется большое количество органических веществ в клетке (липиды). Молекулы воды слабо притягиваются к таким веществам. По этой причине, будучи основой клеточной мембраны, эти вещества сокращают переход воды из клетки во внешнюю среду и в обратном направлении (в том числе из одного участка клетки в другой).
Минеральные соли
Клетки опорных органов содержат достаточно большое количество минеральных солей. К таким органам относятся хитиновые панцири черепашек и моллюсков, кости. Цитоплазма других клеток почти все соли содержит в диссоциированном состоянии — как катионы и анионы калия, натрия, хлора, кальция и др.
Для нормального функционирования клетки важно, чтобы в ней содержались катионы. Концентрация солей определяет объем поступающей в клетку воды. Это объясняется тем, что для молекул воды клеточная мембрана является проницаемой, а для большинства крупных молекул и ионов — непроницаемой.
В случае, если окружающая среда содержит меньшее количество ионов, чем клеточная цитоплазма, то поступление воды в клетку осуществляется до того момента, пока концентрация солей не выровняется (осмос).
Соли в цитоплазме задают ей определенные буферные свойства. В частности, способность поддерживать постоянный уровень pH (около нейтральной реакции) даже в условиях непрерывного образования в процессе обмена веществ кислых и щелочных продуктов.
Органические вещества в клетке
Содержание органических веществ — то, чем довольно сильно могут различаться между собой различные клетки.
В пересчете на сухую массу, клетки содержат от 5 до 15% липидов, от 10 до 12% белков, от 0,2 до 2% углеводов и 1-2% нуклеиновых кислот.
Почти у всех органических соединений — длинные молекулы (полимеры): они состоят из цепи более простых молекул, то есть, однородных или разнородных мономеров.
Углеводы
Растительные клетки содержат огромное количество углеводов: некоторые плоды, семена и клубни — до 90%.
Животные клетки включают на порядок меньше углеводов — всего 5%.
Есть два варианта углеводов:
В организмах встречаются такие моносахариды как пентозы (включают 5 атомов углерода) и гексозы (включают 6 атомов углерода). Наиболее важными для организма пентозами являются рибоза (входит в состав РНК) и дезоксирибоза (входит в состав ДНК). Глюкоза и фруктоза — самые важные гексозы. Их много в плодах растений и меде, поэтому они отличаются сладким вкусом.
Кровь человека тоже включает глюкозу — это около 0,12%. Глюкоза является основным энергетическим материалом обмена веществ для всех клеток.
Образование полисахаридов связано с полимеризацией двух или нескольких моносахаридов.
Если говорить о дисахаридах, то наиболее известными и распространенными являются сахароза (в ее составе — молекулы глюкозы и фруктозы) и лактоза, которую также называют молочным сахаром (она включает в состав молекулы глюкозы и галактозы).
Наиболее часто встречающиеся полимеры — крахмал, целлюлоза (клетчатка в растениях) и гликоген (у животных). Общая формула выглядит следующим образом: (C6H10O5)n. Глюкоза выступает мономером этих полисахаридов.
Цепь из 150-200 молекул глюкозы образуют каждую клетку клетчатки (целлюлозы).
Углеводы для живых клеток выступают в качестве топлива. При их окислении происходит освобождение химической энергии (1 грамм — 17,6 кДж). Клетка использует эту энергию для обеспечения всех процессов жизнедеятельности. В растительных клетках углеводам отводится и функция «строителей»: они образуют оболочки клеток.
Липиды
Липиды представляют собой низкомолекулярные вещества, обладающие гидрофобными свойствами.
Липиды — основной элемент всех видов клеток, наравне с белками и углеводами. Содержание липидов в различных органах и тканях неодинаковое. В сердце, печени, почках, нервной ткани, крови, плодах и семенах отдельных растений их более чем достаточно.
У липидов встречается разнообразное химическое строение. Они могут включать в свой состав высшие жирные кислоты, азотистые основания, спирты, альдегиды, аминокислоты, аминоспирты, углеводы, фосфорную кислоту и др. Между этими соединениями образуются эфирные, гликозидные, фосфоэфирные, сложноэфирные, амидные и прочие связи.
Поскольку эти молекулы отличаются сложностью строения и разнообразием, классификация липидов довольно сложная.
Липиды сегодня делят на нейтральные или жиры и фосфолипиды.
Под нейтральными липидами понимают производные высших жирных кислот и 3-атомного спирта глицерина. Жиры, также, как и углеводы, выступают в качестве источников энергии. В процессе расщепления 1 грамма жира происходит выделение 38,9 кДж энергии.
Для многих животных подкожный жир — важная составляющая теплоизоляции. Жиры обеспечивают нужной энергией организм животного, впадающего в спячку, поскольку из вне он не может ее получать.
Жиры — основной запас питательных веществ и в семенах определенных растений.
Большая часть липидов, входящих в состав мембран — фосфолипиды. В сухой массе мембран содержится до 40% липидов — из них около 80% являются фосфолипидами. При участии фосфолипидов реализуются основные функции мембран:
Липиды — растворители отдельных жирорастворимых витаминов. Это объясняется тем, что они не растворяются в воде, а в органических растворителях растворяются.
Белки
От 50 до 80% органических веществ в клетке — это белки или протеины. Из них состоит межклеточная жидкость, лимфа, плазма крови. Белки являются полимерами, а их мономеры — это аминокислоты.
Белки состоят примерно из 20 различных аминокислот.
Жизнь как явление неразрывно связана с белками, поэтому их значение сложно переоценить. Белки можно обнаружить в составе всех органоидов и мембран клетки — они выступают главным структурным веществом клетки.
Отдельно стоит выделить двигательную функцию белков. Способность к сокращению есть у комплексов из молекул некоторых белков. К примеру, актина и миозина. Эта способность обеспечивает сокращение мышц, движение ресничек и жгутиков, перемещение хромосом в клетке и др.
Свойственны белкам и сигнальные функции, в результате чего клетки и организмы приобретают раздражительность.
Белки также выполняют защитную функцию. За нее отвечают особенные белки — антитела: они обезвреживают и нейтрализуют посторонние организму вещества.
Кроме того, белки — источник энергии. Часть аминокислот, полученных в результате расщепления белковой молекулы, используются в процессе биосинтеза новых молекул белка. Другая часть расщепляется окончательно и освобождает энергию. Полное расщепление 1 грамма белка высвобождает 17,6 кДж энергии.
Ферменты
Большая роль белков как биокатализаторов или ферментов.
Есть молекулы ферментов, состоящие исключительно из белков. Также есть ферменты, функционирование которых зависит только от наличия в молекуле двух компонентов: белкового и небелкового (апофермента и кофермента соответственно).
В качестве коферментов могут выступать разнообразные органические вещества включая витамины.
Нормальная скорость реакций в клетке обеспечивается участием ферментов как биологических катализаторов.
Классификация ферментов имеет в виду особенности их действия на субстрат, а также химические реакции.
Выделяют следующие ферменты:
В каталоге ферментов за каждым из них закреплены номер и систематическое название.
К примеру, в номенклатуре ферментов обозначение пепсина выглядит так: 3.4.4.1 (пептид-пептидогидролаза). Липаза (гидролаза эфиров глицерина) — 3.1.1.3.
Конкретное действие ферментов на различные химические вещества зависит от строения первых. В молекуле всех ферментов есть активный центр — один или несколько. С помощью этих центров молекулы прикрепляются к веществам, на которые и воздействуют. По этой причине действие ферментов является специфичным.
Пепсин и трипсин, которые являются пищеварительными ферментами, принимают участие в процессе расщепления молекул белков до небольших фрагментов. Их воздействие различается: пепсин разрушает связи аминокислоты тирозина, а трипсин — аминокислот аргинина и лизина. Первый фермент оказывает воздействие на аминогруппы, а второй — на карбоксильные группы аминокислот.
Ферменты принимают участие в катализации множества последовательных реакций. Возникшие при участии первого фермента вещества являются субстратом для другого и т. д.
Ферменты действуют в клетке не хаотично: здесь соблюдается определенная последовательность и согласованность. Это возможно в силу локализации ферментов в разных участках клеточной мембраны. Последовательное расположение ферментов характерно и для органоидов клетки, где ферменты образуют упорядоченные системы.
У различных видов организмов и в различных органах обмен веществ осуществляется по-разному. Он зависит он конкретного комплекса ферментов. Ферменты способны нормально функционировать, если соблюдается оптимальная температура и реакция среды. Что касается среды, то для одних ферментов оптимальной средой является нейтральная (для ферментов слюны), для других кислая (для ферментов желудочного сока) или щелочная (для ферментов поджелудочной железы). Когда температура превышает 60 градусов, у большинства ферментов происходит инактивация — этот процесс называется денатурация белка.
Нуклеиновые кислоты
Впервые нуклеиновые кислоты обнаружили и выделили из клеточных ядер.
Есть 2 вида нуклеиновых кислот:
В хромосомах клетки находится основная часть ДНК. В митохондриях и пластидах ДНК представлена в небольших количествах. РНК содержат ядрышки и цитоплазма.