6. Химические вещества в клетке.

Химические вещества в клетке

Вначале вспоминаем, что все вещества во вселенной состоят из элементов

Живые организмы и тела неживой природы состоят из одних и тех же элементов.

На долю шести элементов приходится 97-98 % всех элементов входящих в состав живых организмов. Эти элементы называют органогенами (из них состоят все органические вещества). Все живые организмы сходны по химическому составу.

Н

C

O

P *

N

S *

Все элементы, входящие в состав живых организмов делятся на три группы.

Мак­ро­эле­мен­ты (70-0.1% массы клетки) встре­ча­ют­ся в клет­ках в боль­шом ко­ли­че­стве. К ним от­но­сят­ся кис­ло­род, уг­ле­род, во­до­род, азот, сера, же­ле­зо, фос­фор, каль­ций, калий, натрий и так далее.

Мик­ро­эле­мен­ты (0.1 – 0.001% массы клетки) пред­став­ле­ны в клет­ках в неболь­шом ко­ли­че­стве, это такие эле­мен­ты, как мар­га­нец, медь, селен, ко­бальт, цинк, йод, ни­кель и так далее. Несмот­ря на очень малое со­дер­жа­ние, мик­ро­эле­мен­ты иг­ра­ют важ­ную роль, так как вли­я­ют на обмен ве­ществ в клет­ке.

Уль­тра­мик­ро­эле­мен­ты (менее 0.001% массы клетки) К ним от­но­сят­ся зо­ло­то, се­реб­ро, ко­то­рые ока­зы­ва­ют бак­те­ри­цид­ное воз­дей­ствие. Ртуть по­дав­ля­ет об­рат­ное вса­сы­ва­ние воды в по­чеч­ных ка­наль­цах, ока­зы­вая воз­дей­ствие на фер­мен­ты. Также к уль­тра­мик­ро­эле­мен­там от­но­сят пла­ти­ну и цезий. Неко­то­рые к этой груп­пе от­но­сят и селен, при его недо­стат­ке раз­ви­ва­ют­ся ра­ко­вые за­бо­ле­ва­ния. Про­цент­ное со­дер­жа­ние в ор­га­низ­ме того или иного эле­мен­та ни в коем слу­чае не ха­рак­те­ри­зу­ет сте­пень его важ­но­сти и необ­хо­ди­мо­сти в ор­га­низ­ме.

Живую клет­ку от­ли­ча­ют две важ­ные осо­бен­но­сти:

• Вы­со­кое со­дер­жа­ние воды.
• Большое содержание различных химических элементов.

3. Боль­шое ко­ли­че­ство слож­ных ор­га­ни­че­ских ве­ществ.

Вспоминаем, что элементы могут образовывать органические и неорганические молекулы (вещества).

Вещества клетки

Органические

Неорганические

• Белки
• Жиры (липиды)
• Углеводы
• Нуклеиновые кислоты

• Вода (70% массы клетки)
• Минеральные соли (1.5 % массы клетки)

Неорганические вещества

Вода при­да­ет клет­ке упру­гость и объем, обес­пе­чи­ва­ет по­сто­ян­ство ее со­ста­ва, участ­ву­ет в хи­ми­че­ских ре­ак­ци­ях и в по­стро­е­нии хи­ми­че­ских мо­ле­кул, де­ла­ет воз­мож­ным про­те­ка­ние всех про­цес­сов жиз­не­де­я­тель­но­сти клет­ки. Вода яв­ля­ет­ся уни­вер­саль­ным рас­тво­ри­те­лем всех ве­ществ, по­сту­па­ю­щих в клет­ку, и тех, ко­то­рые из нее вы­во­дят­ся.

Ми­не­раль­ные соли со­став­ля­ют при­мер­но от 1 до 1,5 % от общей массы клет­ки, но роль, ко­то­рую они вы­пол­ня­ют, очень важна. В рас­тво­рен­ном виде ми­не­раль­ные соли пред­став­ля­ют собой необ­хо­ди­мую среду для хи­ми­че­ских про­цес­сов, ко­то­рые про­те­ка­ют в клет­ке.

В клет­ках можно встре­тить много раз­ных солей. Жи­вот­ные их из­бы­ток вы­во­дят с по­мо­щью вы­де­ли­тель­ной си­сте­мы. А у рас­те­ний они на­кап­ли­ва­ют­ся и кри­стал­ли­зу­ют­ся в раз­лич­ных ор­га­но­и­дах или ва­ку­о­лях, чаще всего это бы­ва­ет соль и каль­ций. Их форма в клет­ках рас­те­ний может быть раз­лич­ной: иглы, ромбы, кри­стал­ли­ки, оди­но­кие или срос­ши­е­ся вме­сте, так на­зы­ва­е­мые друзы.

Ор­га­ни­че­ские ве­ще­ства клет­ки на­зы­ва­ют так по­то­му, что впер­вые вы­де­ле­ны они были имен­но из ор­га­низ­мов. К ним от­но­сят­ся такие ве­ще­ства, как белки, ли­пи­ды (жиры), углеводы и нук­ле­и­но­вые кис­ло­ты.

Ор­га­ни­че­ская химия – это наука изучающая соединения углерода. Его уни­каль­ность в том, что уг­ле­род, бу­дучи че­ты­рех­ва­лент­ным, спо­со­бен объ­еди­нять­ся в длин­ные цепи и за­мкну­тые коль­це­вые струк­ту­ры.

Неко­то­рые малые мо­ле­ку­лы могут со­еди­нять­ся между собой и об­ра­зовывать круп­ные мо­ле­ку­лы – по­ли­ме­ры (от гре­че­ско­го слова polis – «мно­го­чис­лен­ный» и meros – «часть, доля»).

Малые мо­ле­ку­лы, став­шие зве­нья­ми по­ли­мер­ной цепи, на­зы­ва­ют - мо­но­ме­ра­ми (от слова monos – один)

Мономер

Полимер

Уг­ле­во­ды – это ор­га­ни­че­ские ве­ще­ства, в со­став ко­то­рых вхо­дит уг­ле­род, во­до­род и кис­ло­род, то есть, по сути, уг­ле­род и вода, от­сю­да и на­зва­ние – уг­ле­во­ды.

Они вы­пол­ня­ют в клет­ке раз­лич­ные функ­ции

• Энер­ге­ти­че­скую (са­ха­ро­за, глю­ко­за)
• За­щит­ную (цел­лю­ло­за)
• Запасающую (крах­мал у растений) (гли­ко­ген у животных и грибов)

Ли­пи­ды – это ве­ще­ства, ко­то­рые прак­ти­че­ски не рас­тво­ря­ют­ся в воде, но зато хо­ро­шо рас­тво­ря­ют­ся в ор­га­ни­че­ских рас­тво­ри­те­лях.

Жиры, ко­то­рые мы упо­треб­ля­ем в пищу, на­при­мер сли­воч­ное масло. Это не что иное, как со­еди­не­ние жир­ных кис­лот и трех­атом­но­го спир­та гли­це­ри­на. Роль ли­пи­дов в жиз­нен­ном цикле клет­ки не сво­дит­ся к од­но­му лишь за­па­са­нию энер­гии, хотя бла­го­да­ря своим свой­ствам эту функ­цию они вы­пол­ня­ют бле­стя­ще. Раз­ные виды ли­пи­дов вклю­ча­ют­ся в самые раз­лич­ные про­цес­сы, про­те­ка­ю­щие в клет­ке, на­при­мер фос­фо­ли­пи­ды входят в состав мембраны клетки.

Фосфолипиды глав­ный ком­по­нент плаз­ма­ти­че­ской мем­бра­ны, мем­бран хло­ро­пла­стов, ми­то­хон­дрий, ядра и так далее.

Строение клеточной мембраны

Белки – это слож­ные ор­га­ни­че­ские ве­ще­ства, вы­пол­ня­ю­щие в клет­ке важ­ные функ­ции. Из всех ор­га­ни­че­ских ве­ществ клет­ки 50–70 % при­хо­дит­ся на белки. Обо­лоч­ка клет­ки, все ее внут­рен­ние струк­ту­ры по­стро­е­ны с уча­сти­ем бел­ко­вых мо­ле­кул.

Белки пред­став­ля­ют собой ги­гант­ские по­ли­мер­ные мо­ле­ку­лы, мо­но­ме­ра­ми ко­то­рых яв­ля­ют­ся ами­но­кис­ло­ты. В при­ро­де из­вест­но более 150 раз­лич­ных ами­но­кис­лот, но в по­стро­е­нии бел­ков живых ор­га­низ­мов участ­ву­ют толь­ко 20 аминокислот. Бла­го­да­ря осо­бен­но­стям сво­е­го хи­ми­че­ско­го стро­е­ния ами­но­кис­ло­ты со­еди­ня­ют­ся друг с дру­гом, об­ра­зуя пер­вич­ную струк­ту­ру белка.

Первичная структура белка - это последовательность чередования аминокислот в полипептидной цепи.

Вторичная структура белка – это способ упаковки полипептидной цепи в более компактную структуру, при которой происходит взаимодействие пептидных групп с образованием между ними водородных связей.

Третичная структура белка – это, пространственная конфигурация белка в виде компактных глобул.

Четвертичная структура белка – это надмолекулярная структура, образующаяся при взаимодействии нескольких полипептидных цепей (субъединиц) друг с другом.

Нуклеиновые кислоты

Впер­вые нук­ле­и­но­вые кис­ло­ты об­на­ру­жи­ли в ядрах кле­ток, от­сю­да и их на­зва­ние. На ла­ты­ни «нук­ле­ус» зна­чит ядро. Су­ще­ству­ет два типа нук­ле­и­но­вых кис­лот: ри­бо­ну­кле­и­но­вая кис­ло­та, со­кра­щен­но РНК, и дез­ок­си­ри­бо­ну­кле­и­но­вая кис­ло­та –  ДНК.

Мо­ле­ку­лы нук­ле­и­но­вых кис­лот – это очень длин­ные по­ли­мер­ные це­поч­ки, со­сто­я­щие из нук­лео­ти­дов. Нук­лео­тид – это со­еди­не­ние, со­сто­я­щее из азо­ти­сто­го ос­но­ва­ния и свя­зан­но­го с ним мо­но­са­ха­ри­да – ри­бо­зы или дез­ок­си­ри­бо­зы, от­сю­да раз­ни­ца в на­зва­нии РНК и ДНК. Также в со­став нук­лео­ти­да вхо­дят оста­тки фос­фор­ной кис­ло­ты – от од­но­го до трех.

У всех живых су­ществ мо­ле­ку­лы ДНК по­стро­е­ны по од­но­му и тому же прин­ци­пу.

Они со­сто­ят из двух по­ли­нук­лео­тид­ных це­по­чек, скру­чен­ных в виде двой­ной спи­ра­ли. При этом азо­ти­стые ос­но­ва­ния об­ра­ще­ны внутрь спи­ра­ли и скреп­ле­ны между собой во­до­род­ны­ми свя­зя­ми. А дез­ок­си­ри­бо­зы и остат­ки фос­фор­ной кис­ло­ты оста­ют­ся на внеш­ней сто­роне двой­ной спи­ра­ли.

Азо­ти­стые ос­но­ва­ния ДНК – это аде­нин, гу­а­нин, ци­то­зин и тимин. У РНК место ти­ми­на за­ни­ма­ет ура­цил.

Мо­ле­ку­лы ДНК у всех эу­ка­ри­от на­хо­дят­ся в ядре клет­ки и в ор­га­но­и­дах – ми­то­хон­дри­ях и пла­сти­дах. У про­ка­ри­от (бактерий) оформ­лен­но­го ядра нет, по­это­му у них ДНК распо­ла­га­ет­ся непо­сред­ствен­но в ци­то­плаз­ме

Ри­бо­ну­кле­и­но­вая кис­ло­та по­хо­жа по стро­е­нию на ДНК, но ее мо­ле­ку­лы со­сто­ят толь­ко из одной це­поч­ки. Среди азо­ти­стых ос­но­ва­ний в нук­лео­ти­дах вме­сто ти­ми­на при­сут­ству­ет ура­цил , а вме­сто дез­ок­си­ри­бо­зы – уг­ле­вод ри­бо­за . Мо­ле­ку­лы РНК на­хо­дят­ся в ядре, ци­то­плаз­ме и неко­то­рых ор­га­но­и­дах клет­ки.

Ри­бо­ну­кле­и­но­вая кис­ло­та слу­жит по­сред­ни­ком между ДНК и син­те­зи­ру­е­мы­ми бел­ка­ми, участ­вуя в сбор­ке мо­но­ме­ров в по­ли­мер. По­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов со­от­вет­ству­ет по­сле­до­ва­тель­но­сти ами­но­кис­лот, из ко­то­рых стро­ит­ся белок. Таким об­ра­зом, ин­фор­ма­ция, за­шиф­ро­ван­ная в ДНК, пе­ре­да­ет­ся на РНК, и на ней уже про­ис­хо­дит син­тез нуж­но­го белка

Эта функ­ция пе­ре­но­са ин­фор­ма­ции за­креп­ле­на в клет­ке за ин­фор­ма­ци­он­ны­ми РНК . По­ми­мо этого, су­ще­ству­ет еще два типа ри­бо­ну­кле­и­но­вой кис­ло­ты – это транс­порт­ные РНК и ри­бо­сом­ные РНК . Пер­вые пе­ре­но­сят ами­но­кис­ло­ты к месту син­те­за белка, вто­рые со­дер­жат­ся в мель­чай­ших ор­га­но­и­дах клет­ки – ри­бо­со­мах. Все эти РНК участ­ву­ют в син­те­зе бел­ков.