Химический состав клетки
Каждая клетка содержит множество химических элементов, участвующих в различных химических реакциях. Химические процессы, протекающие в клетке — одно из основных условий её жизни, развития и функционирования. Одних химических элементов в клетке больше, других — меньше.
На атомарном уровне различий между органическим и неорганическим миром живой природы нет: живые организмы состоят из тех же атомов, что и тела неживой природы. Однако соотношение разных химических элементов в живых организмах и в земной коре сильно различается. Кроме того, живые организмы могут отличаться от окружающей их среды по изотопному составу химических элементов.
Условно все элементы клетки можно разделить на три группы.
Содержание
Макроэлементы
К макроэлементам относят кислород (65—75 %), углерод (15—18 %), водород (8—10 %), азот (2,0—3,0 %), калий (0,15—0,4 %), сера (0,15—0,2 %), фосфор (0,2—1,0 %), хлор (0,05—0,1 %), магний (0,02—0,03 %), натрий (0,02—0,03 %), кальций (0,04—2,00 %), железо (0,01—0,015 %). Такие элементы, как C, O, H, N, S, P входят в состав органических соединений.
Углерод — входит в состав всех органических веществ; скелет из атомов углерода составляет их основу. Кроме того, в виде CO2 фиксируется в процессе фотосинтеза и выделяется в ходе дыхания, в виде CO (в низких концентрациях) участвует в регуляции клеточных функций, в виде CaCO3 входит в состав минеральных скелетов.
Кислород — входит в состав практически всех органических веществ клетки. Образуется в ходе фотосинтеза при фотолизе воды. Для аэробных организмов служит окислителем в ходе клеточного дыхания, обеспечивая клетки энергией. В наибольших количествах в живых клетках содержится в составе воды.
Водород — входит в состав всех органических веществ клетки. В наибольших количествах содержится в составе воды. Некоторые бактерии окисляют молекулярный водород для получения энергии.
Азот — входит в состав белков, нуклеиновых кислот и их мономеров — аминокислот и нуклеотидов. Из организма животных выводится в составе аммиака, мочевины, гуанина или мочевой кислоты как конечный продукт азотного обмена. В виде оксида азота NO (в низких концентрациях) участвует в регуляции кровяного давления.
Сера — входит в состав серосодержащих аминокислот, поэтому содержится в большинстве белков. В небольших количествах присутствует в виде сульфат-иона в цитоплазме клеток и межклеточных жидкостях.
Фосфор — входит в состав АТФ, других нуклеотидов и нуклеиновых кислот (в виде остатков фосфорной кислоты), в состав костной ткани и зубной эмали (в виде минеральных солей), а также присутствует в цитоплазме и межклеточных жидкостях (в виде фосфат-ионов).
Магний — кофактор многих ферментов, участвующих в энергетическом обмене и синтезе ДНК; поддерживает целостность рибосом и митохондрий, входит в состав хлорофилла. В животных клетках необходим для функционирования мышечных и костных систем.
Кальций — участвует в свёртывании крови, а также служит одним из универсальных вторичных посредников, регулируя важнейшие внутриклеточные процессы (в том числе участвует в поддержании мембранного потенциала, необходим для мышечного сокращения и экзоцитоза). Нерастворимые соли кальция участвуют в формировании костей и зубов позвоночных и минеральных скелетов беспозвоночных.
Натрий — участвует в поддержании мембранного потенциала, генерации нервного импульса, процессах осморегуляции (в том числе в работе почек у человека) и создании буферной системы крови.
Калий — участвует в поддержании мембранного потенциала, генерации нервного импульса, регуляции сокращения сердечной мышцы.Содержится в межклеточных веществах.
Хлор — поддерживает электронейтральность клетки.
Микроэлементы
К микроэлементам, составляющим от 0,001 % до 0,000001 % массы тела живых существ, относят ванадий, германий, йод (входит в состав тироксина, гормона щитовидной железы), кобальт (витамин В12), марганец, никель, рутений, селен, фтор (зубная эмаль), медь, хром, цинк
Цинк — входит в состав ферментов, участвующих в спиртовом брожении, в состав инсулина
Медь — входит в состав окислительных ферментов, участвующих в синтезе цитохромов.
Ультрамикроэлементы
Ультрамикроэлементы составляют менее 0,0000001 % в организмах живых существ, к ним относят золото, серебро оказывают бактерицидное воздействие, ртуть подавляет обратное всасывание воды в почечных канальцах, оказывая воздействие на ферменты. Так же к ультрамикроэлементам относят платину и цезий. Некоторые к этой группе относят и селен, при его недостатке развиваются раковые заболевания. Функции ультрамикроэлементов еще мало понятны.
Молекулярный состав клетки
| Соединения | |||
| Неорганические | Органические | ||
| Вода Минеральные соли | 70—80 % 1,0—1,5 % | Белки Углеводы Жиры Нуклеиновые кислоты АТФ, соли и др. вещества | 10—20 % 0,2—2,0 % 1—5 % 1,0—2,0 % 0,1—0,5 % |
См. также
Полезное
Смотреть что такое «Химический состав клетки» в других словарях:
Строение и химический состав бактериальной клетки — Общая схема строения бактериальной клетки показана на рисунке 2. Внутренняя организация бактериальной клетки сложна. Каждая систематическая группа микроорганизмов имеет свои специфические особенности строения. Клеточная стенка.… … Биологическая энциклопедия
Строении клетки красных водорослей — Своеобразие внутриклеточного строения красных водорослей складывается как из особенностей обычных клеточных компонентов, так и из наличия специфических внутриклеточных включений. Клеточные оболочки. В клеточных оболочках красных… … Биологическая энциклопедия
Серебро химический элемент — (Argentum, argent, Silber), хим. знак Ag. С. принадлежит к числу металлов, известных человеку еще в глубокой древности. В природе оно встречается как в самородном состоянии, так и в виде соединений с другими телами (с серой, напр. Ag 2S… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Серебро, химический элемент — (Argentum, argent, Silber), хим. знак Ag. С. принадлежит к числу металлов, известных человеку еще в глубокой древности. В природе оно встречается как в самородном состоянии, так и в виде соединений с другими телами (с серой, напр. Ag2S серебряный … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Клетка — У этого термина существуют и другие значения, см. Клетка (значения). Клетки крови человека (РЭМ) … Википедия
Комплексный справочник по Биологии — Термин Биология был предложен выдающимся французким естествоиспытателем и эволюционистом Жаном Батистом Ламарком в 1802 году для обозначения науки о жизни как особым явлении природы. Сегодня биология представляет собой комплекс наук, изучающих… … Википедия
Живая клетка — Клетка элементарная единица строения и жизнедеятельности всех живых организмов (кроме вирусов, о которых нередко говорят как о неклеточных формах жизни), обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию,… … Википедия
Клетка (биология) — Клетка элементарная единица строения и жизнедеятельности всех живых организмов (кроме вирусов, о которых нередко говорят как о неклеточных формах жизни), обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию,… … Википедия
цитохимия — (цито + химия) раздел цитологии, изучающий химический состав клетки и ее компонентов, а также обменные процессы и химические реакции, которые лежат в основе жизнедеятельности клетки … Большой медицинский словарь
Цитохи́мия — (Цито + химия) раздел цитологии, изучающий химический состав клетки и ее компонентов, а также обменные процессы и химические реакции, которые лежат в основе жизнедеятельности клетки … Медицинская энциклопедия
Биология в лицее
Site biology teachers lyceum № 2 Voronezh city, Russian Federation
Химический элемент — это каждый отдельный вид атомов. Из элементов образованы простые и сложные, неорганические и органические вещества.
Все вещества состоят из мельчайших частиц. Их называют атомами. Во многих случаях атомы не существуют по одиночке, а объединяются в группы — молекулы. Атомы и молекулы имеют крошечные размеры: в любом крошечном кусочке вещества, который мы в состоянии разглядеть (например, в пылинке) содержится больше атомов, чем звёзд в нашей Галактике.
У веществ обычно есть цвет, запах, вкус. Вещество обязательно имеет какое-либо физическое состояние: жидкое, газообразное или твёрдое.
Примерами веществ служат соль, вода, алюминий, полиэтилен.
Неорганические вещества (минеральные вещества) — простые и сложные вещества, кроме большинства соединений углерода. К ним относятся: вода, кислород, поваренная соль, чугун, йод и многое другое.
Самое распространённое неорганическое вещество в живом организме — вода . Содержание её в среднем составляет до 80% массы тела.
Вода в организме играет очень большую роль. Она определяет физические свойства клетки, её объём и упругость. Многочисленные химические реакции идут в водной среде, так как вода — хороший растворитель. Вода также помогает удалению из организма ненужных и вредных веществ, образующихся в результате обмена.
Минеральные соли входят в состав организмов в незначительных количествах: они составляют около 1% массы клетки.
Самые распространённые из них — соли натрия и калия. Они обеспечивают такую важную функцию организма, как раздражимость.
Соли кальция и фосфора придают прочность костной ткани, зубам, раковинам многочисленных моллюсков.
Живые организмы состоят преимущественно из оранических веществ. В состав органических веществ обязательно входит углерод (химический элемент, вид атомов). Белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты — всё это органические вещества.
Белки — основные вещества клетки, сложные соединения. Роль белков в клетке и организме очень велика. Участвуют белки и в защите организма от инфекций, свертывании крови и во многих других процессах.
Белок гемоглобин содержится в клетках крови — эритроцитах. Именно он придаёт крови красный цвет. Гемоглобин обеспечивает перенос кислорода в организме человека.
Важную роль в организме играют углеводы: глюкоза, сахароза, клетчатка, крахмал. Основная функция углеводов — энергетическая. «Сжигая» глюкозу, организм получает энергию, необходимую для идущих в нём процессов. Клетчатка входит в состав древесины, хитин образует наружный скелет насекомых и ракообразных.
Клетчатка — углевод, выполняющий опорную и защитную функции. Она является основной составной частью древесины — ткани растений.
Решите задачи «Сахар и другие углеводы» и «Чем пообедать хомячку?»
Жиры дают организму до 30% необходимой ему энергии. У некоторых животных жиры накапливаются в больших количествах и предохраняют организм от потери тепла.
Большое значение имеют жиры как внутренний резерв воды. Это очень важно для животных, впадающих в спячку: благодаря своим жировым запасам они могут не пить до двух месяцев. Объясняется это тем, что при окислении 1 г жира в организме образуется 1,1 г воды.
Верблюды во время переходов по пустыне обходятся без питья до двух недель: необходимую организму воду они извлекают из своих горбов — вместилищ жира.
Нуклеиновые кислоты (от лат. «нуклеус» — ядро) хранят и передают наследственные признаки от родителей потомству. Они входят в состав особых структур в ядре клетки — хромосом.
Хромосома — структура в ядре клетки, которая образована нуклеиновой кислотой и несёт наследственную информацию.
Химический состав
Химический состав – это совокупность компонентов, из которых состоит вещество (или смесь веществ). В зависимости от природы вещества, под компонентами могут подразумеваться различные структурные единицы вещества:
Согласно атомно-молекулярному учению, наименьшими структурными единицами веществ являются атомы, молекулы и ионы.
Из атомов состоят:
Из молекул состоят:
Из ионов состоят:
Простые вещества состоят из атомов или молекул, сложные – из молекул или ионов. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, молекулы сложных веществ – из различных атомов.
Закон постоянства состава
Закон постоянства состава был открыт Ж. Прустом в 1801 году:
Всякое вещество, независимо от способа его получения, имеет постоянный качественный и количественный состав.
К примеру, оксид углерода СО2 можно получить несколькими способами:
Однако, независимо от способа получения, молекула СО2 всегда имеет один и тот же состав: 1 атом углерода и 2 атома кислорода.
Важно помнить:
Химический состав сложных веществ и механических смесей
Сложное вещество (химическое соединение) – это вещество, состоящее из атомов различных химических веществ.
Основные признаки химического соединения:
В природе нет абсолютно чистых веществ. В любом веществе имеется хотя бы ничтожный процент примесей. Поэтому на практике всегда имеют дело с механическими смесями веществ. Однако, если содержание одного вещества в смеси значительно превосходит содержание всех остальных, то условно считается, что такое вещество является индивидуальным химическим соединением.
Допустимое содержание примесей в веществах, выпускаемых промышленностью, определяется стандартами и зависит от марки вещества.
Общепринята следующая маркировка веществ:
Вещества, образующие механическую смесь, называются компонентами. При этом вещества, масса которых составляет большую часть от массы смеси, называют основными компонентами, а все остальные вещества, образующие смесь – примесями.
Отличия механической смеси от химического соединения:
Промежуточное положение между механическими смесями и химическими соединениями занимают растворы:
Как и для химических соединений, для растворов характерна:
Как и для механических смесей, для растворов характерна:
Химический состав по массе и по объему
Состав химических соединений, а также состав смесей различных веществ и растворов выражают в массовых долях (массовых %), а состав смесей жидкостей и газов, кроме того, в объемных долях (объемных %).
Состав сложного вещества, выраженный через массовые доли химических элементов, называется составом вещества по массе.
Например, состав Н2О по массе:
То есть, можно сказать, что химический состав воды (по массе): 11,11% водорода и 88,89% кислорода.
Массовая доля компонента в механической смеси (W) – это число, показывающую, какую часть смеси составляет масса компонента от общей массы смеси, принятой за единицу или 100%.
Где m1 – масса 1-го (произвольного)компонента, n – число компонентов смеси, m1 … mn – массы компонентов, образующих смесь, m(cм.) – масса смеси.
Например, массовая доля основного компонента:
W(осн. комп) = m(осн. комп)/m(см.)
Массовая доля примеси:
Состав смеси газов или жидкостей, выраженный в объемных долях, называется составом смеси по объему.
Например, состав смеси сухого воздуха:
Этот пример наглядно демонстрирует, что во избежание путаницы, корректно будет всегда указывать, по массе или по объему указано содержание компонента смеси, ведь эти цифры всегда отличаются: по массе в воздушной смеси кислорода получается 23,1 %, а по объему – всего 20,9%.
Растворы можно рассматривать как смеси из растворенного вещества и растворителя. Поэтому их химический состав, как и состав любой смеси, можно выражать в массовых долях компонентов:
Состав раствора, выраженный через массовую долю растворенного вещества (в %), называется процентной концентрацией этого раствора.
Состав растворов жидкостей в жидкостях (например, спирта в воде, ацетона в воде) удобнее выражать в объемных долях:
Например, содержание спирта в винно-водочных изделиях указывают не в массовых, а в объемных долях (%) и называют эту цифру крепостью напитка.
Состав растворов твердых веществ в жидкостях или газов в жидкостях в объемных долях не выражают.
Химическая формула, как отображение химического состава
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.
