Что такое особый химический состав в биологии 9 класс
«Химический состав клетки». 9-й класс
Разделы: Биология
Класс: 9
Цель: ознакомление учащихся с веществами, входящими в состав клетки
Оборудование: таблицы «Строение клетки», проектор, компьютер. Презентация к уроку. Рабочая тетрадь к учебнику Биология 9 класс авт.Т.А. Козлова, В.С. Кучменко.
I. Проверка знаний по теме «Цитология – наука, изучающая клетку». Тестирование.
1. Назовите учёного, который первым увидел ячеистое строение растений и предложил называть ячеистые структуры «клетками».
2. Назовите учёного, который, обобщив знания о строении животных и растений, сформулировал первую клеточную теорию
3. «Сходство обмена веществ в клетках организмов всех царств живой природы» – это одно из положений теории:
А) хромосомной
Б) клеточной
В) эволюционной
Г) происхождения жизни
4. О единстве органического мира свидетельствует:
А) круговорот веществ
Б) клеточное строение организмов
В) взаимосвязь организмов и среды
Г) приспособленность организмов к среде
5. Живое отличается от неживого:
А) составом неорганических соединений
Б) наличием катализаторов
В) взаимодействием молекул друг с другом
Г) обменными процессами, обеспечивающими постоянство структурно-функциональной организации системы
1. Назовите учёного, который первым открыл крупные бактерии, одноклеточные организмы, сперматозоиды, эритроциты
2. Знания о сходстве химического состава клеток организмов разных царств живой природы обобщила:
А) хромосомная теория
Б) клеточная теория
В) теория эволюции
Г) теория гена
3. Сходство строения и жизнедеятельности клеток организмов разных царств живой природы свидетельствует о:
А) единстве органического мира
Б) единстве живой и неживой природы
В) взаимосвязи организмов в природе
Г) взаимосвязи организмов и среды их обитания
4. Изучением строения и функций клетки занимается:
5. Клетка – структурная и функциональная единица живого, так как:
А) В состав клетки входит около 70 химических элементов
Б) все белки клеток построены из 20 аминокислот
В) в клетках постоянно идут процессы биологического синтеза и распада
Г) все живые организмы, кроме вирусов, построены из клеток
II. Изучение нового материала
1. Понятие о химическом составе клетки.
Учитель. В клетках живых организмов содержится более 70 химических элементов. Одни из них представлены в больших количествах. Это макроэлементы. К ним относятся: кислород, углерод, водород, азот. В сумме составляющие 98 % массы клетки. Фосфор, хлор, сера, железо, калий, кальций, магний, натрий в сумме составляют 1,9 % (Приложение 1, слайд 2)
Такие элементы как медь, цинк, селен, кобальт, марганец и другие содержатся в незначительном количестве, от 0,001 до 0, 000001%. Их называют микроэлементами. (Слайд 3)
Выполнение учащимися задания №1 в рабочей тетради.
Живая клетка характеризуется постоянством своего химического состава. Способность клетки сохранять устойчивость (стабильность) своего состава и свойств при любых внешних воздействиях называется гомеостазом (от греч. homoios — подобный, одинаковый и греч. stasis — состояние, неподвижность). Приведите примеры гомеостаза.
Ученики: Примеры гомеостаза: поддержание постоянства состава крови, температуры тела, кровяного давления и многих других функций у млекопитающих. (Слайд 4 )
2. Рассказ учителя. Тела живой природы состоят из органических и неорганических веществ (слайд 5). Вода – важнейший компонент клетки. Она составляет в среднем 70-80 % её массы.
Выполнение задания №2 в рабочей тетради
Выполнение задания № 5 в рабочей тетради.
Органические вещества – углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты.
Вопрос: Какой элемент является основой строения органических веществ и почему? (Слайд 9)
Ответ учащихся: В органических соединениях важным элементом выступает углерод. Атомы углерода имеют 4 валентные связи, способные в определённом порядке объединятся в длинные цепи и замкнутые кольцевые структуры. Эти углеродные цепи и кольца являются «скелетами» сложных органических молекул.
Выполнение задания № 4 в рабочей тетради.
В клетках синтезируются большие и малые органические молекулы. Малые молекулы называются мономеры (от греч. monos – «один» и meros – «часть», «доля»). Мономеры, как строительные блоки, могут соединяться друг с другом, образуя полимеры (от греч. polys – «многочисленный»). Все молекулы белков, нуклеиновых кислот являются полимерами, а углеводы могут быть и мономерами и полимерами (слайд 10)
Углеводы – это сахаристые или сахароподобные вещества. В клетках животных содержание углеводов составляет от 1 до 3 %. (В печени – до 5%).В клетках растений – до 90%.
Углеводы: моносахариды, полисахариды.
Выполните задание № 6, 7 в рабочей тетради. Работа с текстом учебника.
Проверьте себя (слайды 11, 12)
Липиды (от греч. lipos – жир) – разнообразные по своей химической природе вещества: жиры, масла, воски, фосфолипиды).Содержание липидов в клетках колеблется от 5 до 90 % (в клетках жировой ткани) (слайд 13)
Для жизнедеятельности клетки необходимы и другие органические вещества – белки и нуклеиновые кислоты. Это тема следующего урока
III. Закрепление и первичная проверка знаний
2. Тестирование (слайды 17-21, правильный ответ остаётся, другие исчезают по щелчку)
IV. Домашнее задание: §5, в рабочей тетради выполнить задание №3
Химический состав клетки
Всего получено оценок: 3277.
Всего получено оценок: 3277.
Все организмы на нашей планете состоят из клеток, которые схожи между собой химическим составом. В данной статье мы кратко расскажем о химическом составе клетки, роль различных веществ в жизнедеятельности всего организма, узнаем, какая наука изучает данный вопрос.
Группы элементов химического состава клетки
Наука, которая изучает строение живой клетки, называется цитологией. Химический состав клеток и превращения веществ в организме рассматривает наука биохимия.
Все элементы, входящие в химическую структуру организма, можно условно поделить на три группы:
К макроэлементам относятся водород, углерод, кислород и азот. На их долю приходится почти 98% массы всех составных элементов. Эти макроэлементы называются органогенными, так как они образуют молекулы органических веществ (белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов).
Микроэлементы имеются в количестве от стотысячных до тысячных долей процента. Например, хром, медь, цинк и другие. И совсем малое содержание в клетке ультрамикроэлементов – миллионные доли процента.
которые читают вместе с этой
В переводе с греческого «макрос» – большой, а «микро» – маленький.
Учёные установили, что каких-либо особенных элементов, которые присущи только лишь живым организмам, нет. Поэтому и живая, и неживая природа состоит из одних и тех же элементов. Этим доказывается их общность и взаимосвязь.
Несмотря на количественное содержание, входящие в состав живого элементы играют важную роль. Поддержание постоянного химического состава в организме является важным условием жизни. Ведь у каждого из химических элементов есть своё значение.
Роль некоторых химических элементов клетки
Макроэлементы углерод, водород, кислород и азот являются основой биополимеров, а именно белков и нуклеиновых кислот, первые три из них входят в состав углеводов и липидов. В состав органических веществ входят также фосфор и сера.
Многие элементы входят в состав жизненно важных веществ, участвуют в обменных процессах. Они являются составными компонентами минеральных солей, которые находятся в виде катионов и анионов, их соотношение определяет кислотность среды. Чаще всего она слабощелочная. Ионы натрия и калия участвуют в проведение нервных импульсов.
Гемоглобин содержит железо, хлорофилл – магний, твердость костям и зубам придают нерастворимые соли кальция.
Некоторые химические элементы являются компонентами неорганических веществ, например, воды. Она играет большую роль в жизнедеятельности как растительной, так и животной клетки. Вода является хорошим растворителем, из-за этого все вещества внутри организма делятся на:
Благодаря наличию воды клетка становится упругой, она способствует перемещению органических веществ в цитоплазме, является участником различных реакция (например, фотосинтеза), участвует в регуляции температурного режима.
Рис. 3. Вещества клетки.
Таблица “Свойства химического состава клетки”
Чтобы наглядно понять, какую роль играют химические элементы, входящие в состав клетки, мы внесли их в следующую таблицу:
Элементы
Значение
Кислород, углерод, водород, азот.
Содержатся в органических веществах и воде.
Составной компонент оболочки у растений, в животном организме находится в составе костей и зубов, принимает активное участие в свёртываемости крови.
Содержится в нуклеиновых кислотах, ферментах, клеточных мембранах в составе фосфолипидов, костной ткани и зубной эмали в соединении с кальцием.
Является основой белков, ферментов и витаминов.
Обеспечивает передачу нервных импульсов, активирует синтез белка, процессы фотосинтеза и роста.
Один из компонентов желудочного сока, провокатор ферментов.
Принимает активное участие в обменных процессах, компонент гормона щитовидной железы.
Обеспечивает передачу импульсов в нервной системе, поддерживает постоянное давление внутри клетки, провоцирует синтез гормонов.
Составной элемент хлорофилла, костной ткани и зубов, провоцирует синтез ДНК и процессы теплоотдачи.
Составная часть гемоглобина, хрусталика, роговицы, участвует в синтезе хлорофилла, транспорте кислорода по организму.
Биология. 9 класс
Клетки живых организмов состоят из разных химических элементов.
Из известных на данный момент 118 химических элементов в состав живых клеток обязательно входят 24 элемента. Эти элементы образуют с водой легкорастворимые соединения. Они содержатся и в объектах неживой природы, но соотношение этих элементов в живом и неживом веществе различается (рис. 1).
Относительное содержание химических элементов в земной коре и организме человека.
В неживой природе преобладающими элементами являются кислород, кремний, алюминий и натрий.
В живых организмах преобладающими элементами являются водород, кислород, углерод и азот. Кроме этого выделяют ещё два важных для живых организмов элемента, а именно: фосфор и серу.
Шесть элементов, а именно углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера (C, H, N, O, P, S), называют органогенными, или биогенными элементами, так как именно они входят в состав органических соединений, а элементы кислород и водород, кроме того, образуют молекулы воды. На долю соединений биогенных элементов приходится 98% от массы любой клетки.
Около 2% от массы клеток приходится на следующие элементы: калий, натрий, кальций, хлор, магний, железо. Остальные химические элементы содержатся в клетке в значительно меньшем количестве.
Таким образом, все химические элементы по содержанию в живом организме делятся на три большие группы.
Элементы, количество которых составляет до 10-2 % от массы тела – это макроэлементы.
Те элементы, на долю которых приходит от 10-2 до10-6 – микроэлементы.
Элементы, содержание которых не превышает 10-6 % массы тела – ультрамикроэлементы.
Химические элементы в живом организме
Русский и украинский ученый В. И. Вернадский доказал, что все живые организмы способны усваивать (ассимилировать) элементы из внешней среды и накапливать (концентрировать) их в определенных органах и тканях. Например, большое количество микроэлементов накапливается в печени, в костной и мышечной ткани.
Химические элементы образуют неорганические и органические вещества.
Неорганические вещества в организмах: вода и минеральные вещества (ионы солей; катионы: калий, натрий, кальций и магний; анионы: хлор, сульфат анион, гидрокарбонат анион).
Органические вещества: мономеры (моносахариды, аминокислоты, нуклеотиды, жирные кислоты и липиды) и полимеры (полисахариды, белки, нуклеиновые кислоты).
Клеточная теория, химический состав, строение, функции.
Химический состав живых организмов
Химический состав живых организмов можно выразить в двух видах — атомном и молекулярном.
Атомный (элементный) состав характеризует соотношение атомов элементов, входящих в живые организмы.
Молекулярный (вещественный) состав отражает соотношение молекул веществ.
Элементарный состав
По относительному содержанию элементы, входящие в состав живых организмов, делят на три группы.
Группы элементов по их содержанию в живых организмах
Ca, K, Si, Mg, P, S, Na, Cl, Fe
1–2
Макроэлементы составляют основную массу процентного состава живых организмов.
Содержание некоторых химических элементов в природных объектах
| Элемент | В живых организмах, % от сырой массы | В земной коре, % | В морской воде, % |
| Кислород | 65–75 | 49,2 | 85,8 |
| Углерод | 15–18 | 0,4 | 0,0035 |
| Водород | 8–10 | 1,0 | 10,67 |
| Азот | 1,5–3,0 | 0,04 | 0,37 |
| Фосфор | 0,20–1,0 | 0,1 | 0,003 |
| Сера | 0,15–0,2 | 0,15 | 0,09 |
| Калий | 0,15–0,4 | 2,35 | 0,04 |
| Хлор | 0,05–0,1 | 0,2 | 0,06 |
| Кальций | 0,04–2,0 | 3,25 | 0,05 |
| Магний | 0,02–0,03 | 2,35 | 0,14 |
| Натрий | 0,02–0,03 | 2,4 | 1,14 |
| Железо | 0,01–0,015 | 4,2 | 0,00015 |
| Цинк | 0,0003 | + и Ca 2+ ), активирует ферменты, участвующие в синтезе белка | |
| Кальций | Ca | Входит в состав костей, зубов, раковин, участвует в регуляции избирательной проницаемости клеточной мембраны, процессах свёртывания крови; поддержании сердечного ритма (вместе с ионами K + и Na 2+ ), образовании желчи, активирует ферменты при сокращении поперечно-полосатых мышечных волокон | |
| Магний | Mg | Входит в состав хлорофилла, многих ферментов | |
| Железо | Fe | Входит в состав гемоглобина, миоглобина, некоторых ферментов | |
| Медь | Cu | Входит в состав некоторых ферментов | |
| Цинк | Zn | Входит в состав некоторых ферментов | |
| Марганец | Mn | Входит в состав некоторых ферментов | |
| Молибден | Mo | Входит в состав некоторых ферментов | |
| Кобальт | Co | Входит в состав витамина В12 | |
| Фтор | F | Входит в состав эмали зубов, костей | |
| Йод | I | Входит в состав гормона щитовидной железы — тироксина | |
| Бром | Br | Входит в состав витамина В1 | |
| Бор | В | Влияет на рост растений |
Молекулярный состав
Химические элементы входят в состав клеток в виде ионов и молекул неорганических и органических веществ. Важнейшие неорганические вещества в клетке — вода и минеральные соли, важнейшие органические вещества — углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты.
Содержание в клетке химических веществ
| Вещество | Содержание, % от сырой массы |
| Вода | 75–85 |
| Белки | 10–15 |
| Жиры | 1–5 |
| Углеводы | 0,2–2,0 |
| Нуклеиновые кислоты | 1–2 |
| Низкомолекулярные органические соединения | 0,1–0,5 |
| Неорганические соединения | 1,0–1,5 |
Неорганические вещества
Вода — преобладающее вещество всех живых организмов. Она обладает уникальными свойствами благодаря особенностям строения: молекулы воды имеют форму диполя и между ними образуются водородные связи. Среднее содержание воды в клетках большинства живых организмов составляет около 70%. Вода в клетке присутствует в двух формах: свободной (95% всей воды клетки) и связанной (4–5% связаны с белками). Функции воды представлены в таблице.
Функции воды
Минеральные соли
Функции минеральных веществ
Кроме того, соляная кислота входит в состав желудочного сока животных и человека, ускоряя процесс переваривания белков пищи. Остатки серной кислоты способствуют выведению чужеродных веществ из организма. Натриевые и калиевые соли азотистой и фосфорной кислот, кальциевая соль серной кислоты служат важными компонентами минерального питания растений, их вносят в почву в качестве удобрений.
Органические вещества
Полимер — многозвеньевая цепь, в которой звеном является какое-либо относительно простое вещество — мономер. Полимеры бывают линейные и разветвленные, гомополимеры (все мономеры одинаковые — остатки глюкозы в крахмале) и гетерополимеры (мономеры разные — остатки аминокислот в белках), регулярные (группа мономеров в полимере периодически повторяется) и нерегулярные (в молекулах нет видимой повторяемости мономерных звеньев).
Биологические полимеры — это полимеры, входящие в состав клеток живых организмов и продуктов их жизнедеятельности. Биополимерами являются белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. Свойства биополимеров зависят от числа, состава и порядка расположения составляющих их мономеров. Изменение состава и последовательности мономеров в структуре полимера приводит к значительному числу вариантов биологических макромолекул.
Углеводы
Углеводы — органические соединения, состоящие из одной или многих молекул простых сахаров. Содержание углеводов в животных клетках составляет 1–5 %, а в некоторых клетках растений достигает 70 %.
Выделяют три группы углеводов: моносахариды, олигосахариды (состоят из 2–10 молекул простых сахаров), полисахариды (состоят более чем из 10 молекул сахаров). Соединяясь с липидами и белками, углеводы образуют гликолипиды и гликопротеины.
Характеристика углеводов
| Группа | Строение | Характеристика |
| Моносахариды (или простые сахара) | Это кетонные или альдегидные производные многоатомных спиртов. | В зависимости от числа атомов углерода различают триозы, тетрозы, пентозы (рибоза, дезоксирибоза), гексозы (глюкоза, фруктоза) и гептозы. В зависимости от функциональной группы сахара разделяют на альдозы, имеющие в составе альдегидную группу (глюкоза, рибоза, дезоксирибоза), и кетозы, имеющие в составе кетонную группу (фруктоза). Моносахариды — бесцветные твёрдые кристаллические вещества, легко растворимые в воде, имеющие, как правило, сладкий вкус. Моносахариды могут существовать в ациклических и циклических формах, которые легко превращаются друг в друга. Олиго- и полисахариды образуются из циклических форм моносахаридов. |
| Олигосахариды | Состоят из 2–10 молекул простых сахаров. В природе в большей степени представлены дисахаридами, состоящими из двух моносахаридов, связанных друг с другом с помощью гликозидной связи. | Наиболее часто встречаются мальтоза, или солодовый сахар, состоящий из двух молекул глюкозы; лактоза, входящая в состав молока и состоящая из галактозы и глюкозы; сахароза, или свекловичный сахар, включающий глюкозу и фруктозу. Дисахариды, как и моносахариды, растворимы в воде и обладают сладким вкусом. |
| Полисахариды | Состоят более чем из 10 молекул сахаров. В полисахаридах простые сахара (глюкоза, галактоза и др.) соединены между собой гликозидными связями. Если присутствуют только 1–4, гликозидные связи, то образуется линейный, неразветвлённый полимер (целлюлоза), если присутствуют и 1–4, и 1–6 связи, полимер будет разветвлённым (крахмал, гликоген). Полисахариды утрачивают сладкий вкус и способность растворяться в воде. | Целлюлоза — линейный полисахарид, состоящий из молекул β-глюкозы, соединённых 1–4 связями. Целлюлоза является главным компонентом клеточной стенки растений. Она нерастворима в воде и обладает большой прочностью. У жвачных животных целлюлозу расщепляют ферменты бактерий, постоянно обитающих в специальном отделе желудка. Крахмал и гликоген являются основными формами запасания глюкозы у растений и животных соответственно. Остатки α-глюкозы в них связаны 1–4 и 1–6 гликозидными связями. Хитин образует у членистоногих наружный скелет (панцирь), у грибов придаёт прочность клеточной стенке. |
Функции углеводов представлены в таблице.
Функции углеводов
| Функция | Характеристика |
| Энергетическая | При окислении простых сахаров (в первую очередь глюкозы) организм получает основную часть необходимой ему энергии. При полном расщеплении 1 г глюкозы высвобождается 17,6 кДж энергии. |
| Запасающая | Крахмал (у растений) и гликоген (у животных, грибов и бактерий) играют роль источника глюкозы, высвобождая её по мере необходимости. |
| Строительная (структурная) | Целлюлоза (у растений) и хитин (у грибов) придают прочность клеточным стенкам. Рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот. Рибоза также входит в состав АТФ, ФАД, НАД, НАДФ. |
| Рецепторная | Функция узнавания клетками друг друга обеспечивается гликопротеинами, входящими в состав клеточных мембран. Утрата способности узнавать друг друга характерна для клеток злокачественных опухолей. |
| Защитная | Хитин образует покровы (наружный скелет) тела членистоногих. |
Липиды
Липиды — жиры и жироподобные органические соединения, практически нерастворимые в воде. Их содержание в разных клетках сильно варьируется от 2–3 (в клетках семян растений) до 50–90% (в жировой ткани животных). В химическом отношении липиды, как правило, сложные эфиры жирных кислот и ряда спиртов
Они делятся на несколько классов. Наиболее распространены в живой природе нейтральные жиры, воска, фосфолипиды, стероиды. В состав большинства липидов входят жирные кислоты, молекулы которых содержат гидрофобный длинноцепочечный углеводородный «хвост» и гидрофильную карбоксильную группу.
Жиры — сложные эфиры трёхатомного спирта глицерина и трёх молекул жирных кислот. Воска — это сложные эфиры многоатомных спиртов и жирных кислот. Фосфолипиды имеют в молекуле вместо остатка жирной кислоты остаток фосфорной кислоты. Стероиды не содержат жирных кислот и имеют особую структуру. Также для живых организмов характерны липопротеины — соединения липидов с белками без образования ковалентных связей и гликолипиды — липиды, в которых помимо остатка жирной кислоты содержится одна или несколько молекул сахара.
Функции липидов представлены в таблице.
Функции липидов
| Функция | Характеристика |
| Строительная (структурная) | Фосфолипиды вместе с белками являются основой биологических мембран. Стероид холестерин — важный компонент клеточных мембран у животных. Липопротеины и гликолипиды входят в состав мембран клеток некоторых тканей. Воск входит в состав пчелиных сот. |
| Гормональная (регуляторная) | Многие гормоны по химической природе являются стероидами. Например, тестостерон стимулирует развитие полового аппарата и вторичных половых признаков, характерных для мужчин; прогестерон (гормон беременности) способствует имплантации яйцеклетки в матке, задерживает созревание и овуляцию фолликулов, стимулирует рост молочных желёз; кортизон и кортикостерон влияют на обмен углеводов, белков, жиров, обеспечивая адаптацию организма к большим мышечным нагрузкам. |
| Энергетическая | При окислении 1 г жирных кислот высвобождается 38,9 кДж энергии и синтезируется в два раза больше АТФ, чем при расщеплении такого же количества глюкозы. У позвоночных половина энергии, потребляемой в состоянии покоя, образуется за счёт окисления жирных кислот. |
| Запасающая | В виде жиров хранится значительная часть энергетических запасов организма: твёрдые жиры у животных, жидкие жиры (масла) у растений, например, у подсолнечника, сои, клещевины. Кроме того, жиры служат источником воды (при сгорании 1 г жира образуется 1,1 г воды). Это особенно ценно для пустынных и арктических животных, испытывающих дефицит свободной воды. |
| Защитная | У млекопитающих подкожный жир выступает в качестве термоизолятора (защита от охлаждения) и амортизатора (защита от механических воздействий). Воск покрывает эпидермис растений, кожу, перья, шерсть, волосы животных, предохраняя от смачивания. |
Белки
Белки представляют собой самый многочисленный и наиболее разнообразный класс органических соединений клетки. Белки — это биологические гетерополимеры, мономерами которых являются аминокислоты.
По химическому составу аминокислоты — это соединения, содержащие одну карбоксильную группу (—СООН) и одну аминную (—NH2), связанные с одним атомом углерода, к которому присоединена боковая цепь — какой-либо радикал R. Именно радикал придаёт аминокислоте её неповторимые свойства.
В образовании белков участвуют только 20 аминокислот. Они называются фундаментальными, или основными: аланин, метионин, валин, пролин, лейцин, изолейцин, триптофан, фенилаланин, аспарагин, глутамин, серин, глицин, тирозин, треонин, цистеин, аргинин, гистидин, лизин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты. Некоторые из аминокислот не синтезируются в организмах животных и человека и должны поступать с растительной пищей. Они называются незаменимыми: аргинин, валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин.
Аминокислоты, соединяясь друг с другом ковалентными пептидными связями, образуют различной длины пептиды
Пептидной (амидной) называется ковалентная связь, образованная карбоксильной группой одной аминокислоты и аминной группой другой.
Белки представляют собой высокомолекулярные полипептиды, в состав которых входят от ста до нескольких тысяч аминокислот.
Выделяют 4 уровня организации белков:
Уровни организации белков
| Уровень | Характеристика |
| Первичная структура | Последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Она образуется за счёт ковалентных пептидных связей между аминокислотными остатками. Первичная структура определяется последовательностью нуклеотидов в участке молекулы ДНК, кодирующем данный белок. Первичная структура любого белка уникальна и определяет его форму, свойства и функции. Молекулы белков могут принимать различные пространственные формы (конформации). Существуют вторичная, третичная и четвертичная пространственные структуры белковой молекулы. |
| Вторичная структура | Образуется укладкой полипептидных цепей в α-спираль или β-структуру. Она поддерживается за счёт водородных связей между атомами водорода групп NH— и атомами кислорода групп СО—. α-спираль формируется в результате скручивания полипептидной цепи в спираль с одинаковыми расстояниями между витками. Она характерна для глобулярных белков, имеющих сферическую форму глобулы. β-структура представляет собой продольную укладку трёх полипептидных цепей. Она характерна для фибриллярных белков, имеющих вытянутую форму фибриллы. |
| Третичная структура | Образуется при сворачивании спирали в клубок (глобулу, домен). Домены — глобулоподобные образования с гидрофобной сердцевиной и гидрофильным наружным слоем. Третичная структура формируется за счёт связей, образующихся между радикалами (R) аминокислот, за счёт ионных, гидрофобных и дисперсионных взаимодействий, а также за счёт образования дисульфидных (S — S) связей между радикалами цистеина. |
| Четвертичная структура | Характерна для сложных белков, состоящих из двух и более полипептидных цепей (глобул), не связанных ковалентными связями, а также для белков, содержащих небелковые компоненты (ионы металлов, коферменты). Четвертичная структура поддерживается в основном силами межмолекулярного притяжения и в меньшей степени водородными и ионными связями. |
Конфигурация белка зависит от последовательности аминокислот, но на неё могут влиять и конкретные условия, в которых находится белок.
Утрата белковой молекулой своей структурной организации называется денатурацией.
Денатурация может быть обратимой и необратимой. При обратимой денатурации разрушается четвертичная, третичная и вторичная структуры, но благодаря сохранению первичной структуры при возвращении нормальных условий возможна ренатурация белка — восстановление нормальной (нативной) конформации. При необратимой денатурации происходит разрушение первичной структуры белка. Денатурация может быть вызвана высокой температурой (выше 45 °C), обезвоживанием, ионизирующим излучением и другими факторами. Изменение конформации (пространственной структуры) белковой молекулы лежит в основе ряда функций белков (сигнальные, антигенные свойства и др.).
По химическому составу различают простые и сложные белки. Простые белки состоят только из аминокислот (фибриллярные белки, антитела — иммуноглобулины). Сложные белки содержат белковую часть и небелковую — простетические группы. Различают липопротеины (содержат липиды), гликопротеины (углеводы), фосфопротеины (одну или несколько фосфатных групп), металлопротеины (различные металлы), нуклеопротеины (нуклеиновые кислоты). Простетические группы обычно играют важную роль при выполнении белком его биологической функции.
Функции белков представлены в таблице.
Функции белков
| Функция | Характеристика |
| Каталитическая (ферментативная) | Все ферменты являются белками. Белки-ферменты катализируют протекание в организме химических реакций. Например, каталаза разлагает перекись водорода, амилаза гидролизует крахмал, липаза — жиры, трипсин — белки, нуклеаза — нуклеиновые кислоты, ДНК-полимераза катализирует удвоение ДНК. |
| Строительная (структурная) | Её осуществляют фибриллярные белки. Например, кератин содержится в ногтях, волосах, шерсти, перьях, рогах, копытах; коллаген — в костях, хрящах, сухожилиях; эластин — в связках и стенках кровеносных сосудов. |
| Транспортная | Ряд белков способен присоединять и переносить различные вещества. Например, гемоглобин переносит кислород и углекислый газ, белки-переносчики осуществляют облегчённую диффузию через плазматическую мембрану клетки. |
| Гормональная (регуляторная) | Многие гормоны являются белками, пептидами, гликопептидами. Например, соматропин регулирует рост; инсулин и глюкагон регулируют уровень глюкозы в крови: инсулин повышает проницаемость клеточных мембран для глюкозы, что усиливает её расщепление в тканях, отложение гликогена в печени, глюкагон способствует превращению гликогена печени в глюкозу. |
| Защитная | Например, иммуноглобулины крови являются антителами; интерфероны — универсальные противовирусные белки; фибрин и тромбин участвуют в свёртывании крови. |
| Сократительная (двигательная) | Например, актин и миозин образуют микрофиламенты и осуществляют сокращение мышц, тубулин образует микротрубочки и обеспечивает работу веретена деления. |
| Рецепторная (сигнальная) | Например, гликопротеины входят в состав гликокаликса и воспринимают информацию из окружающей среды; опсин — составная часть светочувствительных пигментов родопсина и йодопсина, находящихся в клетках сетчатки глаза. |
| Запасающая | Например, альбумин запасает воду в яичном желтке, миоглобин содержит запас кислорода в мышцах позвоночных, белки семян растений бобовых — запас питательных веществ для зародыша. |
| Энергетическая | При расщеплении 1 г белков высвобождается 17,6 кДж энергии. |
Ферменты. Белки-ферменты катализируют протекание в организме химических реакций. Эти реакции, в силу энергетических причин, сами по себе либо вообще не протекают в организме, либо протекают слишком медленно.
Ферментативную реакцию можно выразить общим уравнением:
Е+S → [ES] → E+P,
где субстрат (S) обратимо реагирует с ферментом (Е) с образованием фермент-субстратного комплекса (ES), который затем распадается с образованием продукта реакции (Р). Фермент не входит в состав конечных продуктов реакции.
В молекуле фермента имеется активный центр, состоящий из двух участков — сорбционного (отвечает за связывание фермента с молекулой субстрата) и каталитического (отвечает за протекание собственно катализа). В ходе реакции фермент связывает субстрат, последовательно изменяет его конфигурацию, образуя ряд промежуточных молекул, дающих в конечном итоге продукты реакции.
Отличие ферментов от катализаторов неорганической природы:
1. Один фермент катализирует только один тип реакций.
2. Активность ферментов ограничена довольно узкими температурными рамками (обычно 35–45 о С).
3. Ферменты активны при определенных значениях рН (большинство в слабощелочной среде).
Нуклеиновые кислоты
Мононуклеотиды. Мононуклеотид состоит из одного азотистого основания — пуринового (аденин — А, гуанин — Г) или пиримидинового (цитозин — Ц, тимин — Т, урацил — У), сахара-пентозы (рибоза или дезоксирибоза) и 1–3 остатков фосфорной кислоты.
В зависимости от числа фосфатных групп различают моно-, ди- и трифосфаты нуклеотидов, например, аденозинмонофосфат — АМФ, гуанозиндифосфат — ГДФ, уридинтрифосфат — УТФ, тимидинтрифосфат — ТТФ и т. д.
Функции мононуклеотидов представлены в таблице.
Функции мононуклеотидов
| Функция | Характеристика |
| Строительная (структурная) | Наиболее важная роль нуклеотидов состоит в том, что они служат строительными блоками для сборки полинуклеотидов: ДНК и РНК (дезоксирибонуклеиновых и рибонуклеиновых кислот). |
| Энергетическая | АТФ является универсальным переносчиком и хранителем энергии в клетке, участвует как источник энергии почти во всех внутриклеточных реакциях. |
| Транспортная | Производные нуклеотидов служат переносчиками некоторых химических групп, например, НАД (никотинамидадениндинуклеотид) и ФАД (флавинадениндинуклеотид) — переносчики атомов водорода. |
Полинуклеотиды. Нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды) — полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Существуют два типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота).
Нуклеотиды ДНК и РНК состоят из следующих компонентов:
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — линейный полимер, состоящий из четырёх типов мономеров: нуклеотидов А, Т, Г и Ц, связанных друг с другом ковалентной связью через остатки фосфорной кислоты.
Молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных цепей (двойная спираль). При этом между аденином и тимином образуются две водородные связи, а между гуанином и цитозином — три. Эти пары азотистых оснований называют комплементарными. В молекуле ДНК они всегда расположены друг напротив друга. Цепи в молекуле ДНК противоположно направлены. Пространственная структура молекулы ДНК была установлена в 1953 г. Д. Уотсоном и Ф. Криком.
Связываясь с белками, молекула ДНК образует хромосому. Хромосома — комплекс одной молекулы ДНК с белками. Молекулы ДНК эукариотических организмов (грибов, растений и животных) линейны, незамкнуты, связаны с белками, образуя хромосомы. У прокариот (бактерий) ДНК замкнута в кольцо, не связана с белками, не образует линейную хромосому.
Функция ДНК: хранение, передача и воспроизведение в ряду поколений генетической информации. ДНК определяет, какие белки и в каких количествах необходимо синтезировать.
РНК (рибонуклеиновые кислоты) в отличие от ДНК вместо дезоксирибозы содержат рибозу, а вместо тимина — урацил. РНК, как правило, имеют лишь одну цепь, более короткую, чем цепи ДНК. Двуцепочечные РНК встречаются у некоторых вирусов.
Существует 3 вида РНК.
Виды РНК
| Вид | Характеристика | Доля в клетке, % |
| Информационная РНК (иРНК), или матричная РНК (мРНК) | Имеет незамкнутую цепь. Служит в качестве матриц для синтеза белков, перенося информацию об их структуре с молекулы ДНК к рибосомам в цитоплазму. | Около 5 |
| Транспортная РНК (тРНК) | Доставляет аминокислоты к синтезируемой молекуле белка. Молекула тРНК состоит из 70–90 нуклеотидов и благодаря внутрицепочечным комплементарным взаимодействиям приобретает характерную вторичную структуру в виде «клеверного листа». 1 — 4 — участки комплементарного соединения внутри одной цепочки РНК; 5 — участок комплементарного соединения с молекулой мРНК; 6 — участок (активный центр) соединения с аминокислотой | Около 10 |
| Рибосомная РНК (рРНК) | В комплексе с рибосомными белками образует рибосомы — органоиды, на которых происходит синтез белка. | Около 85 |
Функции РНК: участие в биосинтезе белков.
Самоудвоение ДНК. Молекулы ДНК обладают способностью, не присущей ни одной другой молекуле, — способностью к удвоению. Процесс удвоения молекул ДНК называется репликацией.
В основе репликации лежит принцип комплементарности — образование водородных связей между нуклеотидами А и Т, Г и Ц.
Репликацию осуществляют ферменты ДНК-полимеразы. Под их воздействием цепи молекулы ДНК разделяются на небольшом отрезке молекулы. На цепи материнской молекулы достраиваются дочерние цепи. Затем расплетается новый отрезок, и цикл репликации повторяется.
В результате образуются дочерние молекулы ДНК, ничем не отличающиеся друг от друга и от материнской молекулы. В процессе деления клетки дочерние молекулы ДНК распределяются между образующимися клетками. Так осуществляется передача информации из поколения в поколение.
Под воздействием различных факторов внешней среды (ультрафиолетового излучения, различных химических веществ) молекула ДНК может повреждаться. Происходят разрывы цепей, ошибочные замены азотистых оснований нуклеотидов и др. Кроме того, изменения в ДНК могут происходить самопроизвольно, например, в результате рекомбинации — обмена фрагментами ДНК. Произошедшие изменения в наследственной информации также передаются потомству.
В некоторых случаях молекулы ДНК способны «исправлять» возникающие в её цепях изменения. Эта способность называется репарацией. В восстановлении исходной структуры ДНК участвуют белки, которые узнают изменённые участки ДНК и удаляют их из цепи, тем самым восстанавливая правильную последовательность нуклеотидов, сшивая восстановленный фрагмент с остальной молекулой ДНК.
Сравнительная характеристика ДНК и РНК представлена в таблице.
Сравнительная характеристика ДНК и РНК
Строение клетки Клеточная теория
Становление клеточной теории:
Основные положения клеточной теории:
Типы клеточной организации
Прокариотические клетки устроены сравнительно просто. Они не имеют ядра, область расположения ДНК в цитоплазме называется нуклеоид, единственная молекула ДНК кольцевая и не связана с белками, клетки меньше эукариотических, в состав клеточной стенки входит гликопептид — муреин, мембранные органоиды отсутствуют, их функции выполняют впячивания плазматической мембраны (мезосомы), рибосомы мелкие, микротрубочки отсутствуют, поэтому цитоплазма неподвижна, а реснички и жгутики имеют особую структуру.