Полная версия

Главная arrow География arrow БИОЛОГИЯ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Органические вещества клетки

Наиболее важное значение в жизнедеятельности клетки имеют белки, углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты и АТФ.

Белки. Белки — главный компонент клетки. Они содержатся во всех структурах клетки и составляют 10—20 % от ее массы.

Химический состав белков. Белки характеризуются очень большой молекулярной массой — от 10 000 до нескольких миллионов. Молекулы белков построены по принципу полимера. Полимер — это вещество с очень высокой молекулярной массой, молекула которого состоит из большого количества повторяющихся единиц — мономеров. Мономерами белков являются аминокислоты. Аминокислотами называются органические соединения, в молекулах которых одновременно содержатся аминогруппа —NH2 и карбоксильная группа —СООН.

Структура аминокислот может быть выражена общей формулой

где R — радикал. У всех аминокислот радикалы разные. В составе белков обнаружено свыше 20 видов аминокислот (табл. 2.4).

Таблица 2.4

Аминокислоты, входящие в состав природных белков

Аминокислота

Сокращенное

название

Аминокислота

Сокращенное

название

Аланин

Ала

Лейцин

Лей

Аргинин

Apr

Лизин

Лиз

Аспарагин

Асн

Метионин

Мет

Аспарагиновая

Асп

Пролин

Про

кислота

Валин

Вал

Серин

Сер

Гистидин

Гис

Тирозин

Тир

Аминокислота

Сокращенное

название

Аминокислота

Сокращенное

название

Глицин

Гли

Треонин

Тре

Глутамин

Глн

Триптофан

Три

Глутаминовая

Глу

Фенилаланин

Фен

кислота

Изолейцин

Иле

Цистеин

Цис

В белкахаминокислоты соединены между собой пептидными связями в полипептидные цепи. Пептидные связи образуются при взаимодействии карбоксильной группы одной аминокислоты с аминогруппой другой:

Различают первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры белковой молекулы (рис. 2.1).

Первичная структура характеризуется последовательностью аминокислотных остатков в молекуле белка и определяет его вторичную и третичную структуры. Полипептидная цепь обычно закручивается в спираль, образуя вторичную структуру белка. Спиральная структура поддерживается водородными связями, возникающими между NH-группами и СО-группами соседних витков.

Третичная структура характеризуется определенной пространственной ориентацией полипептидной спирали. Удержание третичной структуры возможно благодаря связям между радикалами аминокислотных остатков (дисульфидные мостики атомов серы —S—S—, водородные связи и др.). Третичной структурой определяются специфичность белковых молекул, их биологическая активность.

В некоторых случаях несколько полипептидных цепей объединяются в единый комплекс, при этом возникает четвертичная структура, характерная, например, для гемоглобина человека. Молекула гемоглобина содержит четыре полипептидные цепи.

Под влиянием сильных кислот и щелочей, этилового спирта, солей тяжелых металлов, тепловых и лучевых воздействий и других факторов разрушаются вторичная и третичная структуры — происходит денатурация белка. Белок при этом теряет свою биологическую активность. Денатурация может быть обратимой и необратимой. При устранении факторов, вызвавших денатурацию, развернутая полипептидная цепь самопроизвольно закручивается в спираль, а последняя укладывается в третичную структуру. Явление обратимой денатурации белков лежит в основе раздражимости — неотъемлемого свойства всех живых организмов. Необратимую денатурацию можно наблюдать при нагревании белка куриного яйца: бесцветная жидкость превращается в твердое вещество белого цвета.

Уровни структурной организации белка

Рис. 2.1. Уровни структурной организации белка:

1 — первичная; 2 — вторичная; 3 — третичная; 4 — четвертичная

Роль белков в клетке. Функции белков разнообразны и жизненно важны.

Важнейшая функция белков — ферментативная. Все химические процессы в клетке протекают с участием ферментов. Ферменты — это биологические катализаторы, увеличивающие скорость химических реакций в клетке в миллионы раз. По химической структуре ферменты являются белками.

В состав всех клеточных структур обязательно входят белки. В этом выражается их строительная (пластическая) функция.

Одна из функций белков — двигательная. Все виды двигательной активности клетки (сокращение мышечных волокон, колебания ресничек и жгутиков, токи цитоплазмы и др.) обеспечиваются особыми белковыми структурами.

С помощью белков осуществляется перенос многих веществ в клетке, а также из клетки или внутрь клетки. Особый белок гемоглобин обеспечивает транспорт кислорода в организме человека и животных из легких к различным органам и тканям. Таким образом, белки выполняют транспортную функцию.

Белки выполняют в организме также защитную функцию. При попадании бактерий и чужеродных белковых молекул в организм в нем вырабатываются особые белки — антитела, обезвреживающие эти бактерии или чужеродные вещества.

Белки-гормоны выполняют регуляторную функцию, влияя на процессы обмена веществ в организме. Например, гормоны поджелудочной железы, глюкагон и инсулин, регулируют уровень углеводов в крови.

Белки-рецепторы, встроенные в поверхностную клеточную мембрану, способны воспринимать сигналы из внешней среды и передавать их в клетку — рецепторная функция белков.

Некоторые белки могут быть использованы клеткой как источник энергии. Такие белки осуществляют энергетическую функцию. При полном окислении 1 г белка освобождается 17,6 кДж энергии.

Углеводы. Углеводы — это сложные органические соединения, состав которых можно выразить формулой Сп20)п. Количество углеводов в животной клетке невелико (от 1 до 5 % сухой массы клетки) и значительно выше в клетках растений (до 70 % сухой массы).

Углеводы подразделяют на простые — моносахариды и сложные — полисахариды. Мономерами полисахаридов являются моносахариды.

Моносахариды — это бесцветные вещества, сладкие на вкус, хорошо растворимые в воде. Наиболее распространены в природе гексозы (их молекула содержит шесть атомов углерода): глюкоза (виноградный сахар), фруктоза (присутствует в меде, фруктах) и галактоза (содержится в молоке). В состав нуклеиновых кислот и АТФ входят пентозы (их молекулы имеют пять атомов углерода): рибоза и дезоксирибоза.

К простейшим полисахаридам относятся дисахариды: сахароза (свекловичный сахар) и молочный сахар. Молекулы этих углеводов образованы двумя моносахаридами: сахароза состоит из глюкозы и фруктозы, а молочный сахар — из глюкозы и галактозы. Дисахариды хорошо растворимы в воде и имеют сладкий вкус.

Высокомолекулярные полисахариды несладкие, плохо растворимы в воде. Наиболее распространены полисахариды гликоген — в животных, крахмал и клетчатка (целлюлоза) — в растительных клетках.

Углеводы являются основным источником энергии, необходимой для всех форм активности клетки (движение, биосинтез, деление и т. д.), так как наиболее удобный способ получения клеткой энергии — окисление углеводов. При полном расщеплении 1 г углевода (до С02 и Н20) освобождается 17,6 кДж энергии.

В крови и тканях млекопитающих поддерживается определенная концентрация глюкозы. Снижение уровня глюкозы повышает возбудимость некоторых клеток головного мозга. Реагируя на очень слабые раздражения, эти клетки посылают сигналы к мышцам, что может привести к судорогам, потере сознания и смерти.

Крахмал и гликоген играют роль запасных веществ в клетке. В клетках растений углеводы имеют важное значение и как строительный материал. В состав оболочки растительной клетки обязательно входит целлюлоза, обеспечивающая значительную прочность оболочки.

Липиды. Эта группа соединений включает жиры и жироподобные вещества (лецитин, холестерин, некоторые гормоны и др.). Молекулы жиров представляют собой сложные соединения глицерина и высокомолекулярных жирных кислот. Количество жира в клетках составляет 5—10 % сухой массы, но есть особые жировые клетки, содержащие до 90 % жира.

Биологическая роль липидов очень велика. В клетке липиды выполняют строительную функцию, входя в состав клеточных мембран. Вследствие своей гидрофобности липиды делают нерастворимыми мембраны клетки.

Липиды являются источником энергии в клетке. При полном расщеплении 1 г жира (до С02 и Н20) выделяется 38,9 кДж энергии.

Жиры обеспечивают защитную функцию в организме из-за плохой теплопроводности. Толстая прослойка подкожного жира препятствует потере тепла организмом.

При окислении жира выделяется большое количество воды. Это позволяет некоторым животным долгое время обходиться без воды (верблюды в пустыне, животные в период зимней спячки).

Нуклеиновые кислоты. Впервые нуклеиновые кислоты были обнаружены в ядре, чем и обусловлено их название (от лат. nucleus — ядро). Существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). ДНК содержится преимущественно в ядре, но небольшие ее количества обнаруживаются в митохондриях и пластидах. РНК присутствует в ядре и цитоплазме.

Биологическая роль нуклеиновых кислот огромна. ДНК содержит генетическую информацию и определяет специфические особенности белков, синтезируемых клеткой. С помощью ДНК осуществляется передача наследственной информации из поколения в поколение. РНК непосредственно участвует в биосинтезе белка.

Молекула ДНК состоит из двух цепей, закрученных в спираль одна вокруг другой (см. приложение I). Ширина двойной спирали примерно 2 нм, длина во много раз превышает самые крупные белковые молекулы. Молекулярная масса ДНК огромна — до нескольких сотен миллионов атомных единиц массы (а.е.м.).

Каждая цепь ДНК — полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. В состав нуклеотида входят углевод (дезоксирибоза), фосфорная кислота и азотистое основание. Азотистые основания бывают четырех типов: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц). Нуклеотиды различаются только азотистыми основаниями. Следовательно, в составе ДНК только четыре типа нуклеотидов: адениловый (А), гуа- ниловый (Г), цитидиловый (Ц) и тимидиловый (Т) (см. приложение I).

Нуклеотиды соединяются в цепочку посредством прочных ковалентных связей, возникающих между фосфорной кислотой одного нуклеотида и углеводом соседнего (см. приложение I).

Двойная спираль ДНК характеризуется строгим соответствием последовательности нуклеотидов одной цепи порядку расположения нуклеотидов другой. Обе цепи ДНК соединены между собой водородными связями, возникающими между азотистыми основаниями, таким образом, что аденин всегда связан с тимином, а гуанин — с цитозином. Это обусловлено особенностями строения азотистых оснований. По своей структуре аденин как бы дополняет тимин, а гуанин дополняет цитозин. Поэтому азотистые основания А и Т, а также Ц и Г называются дополнительными или комплементарными.

В соответствии с принципом комплементарности всегда можно определить порядок расположения нуклеотидов в одной цепи, если известна последовательность их в другой цепи ДНК.

Репликация (самоудвоение) — уникальная особенность ДНК, благодаря которой ДНК способна передавать наследственную информацию от материнской клетки дочерним.

В основе репликации ДНК лежит принцип комплементарности. Под действием фермента ДНК-полимеразы двойная спираль ДНК постепенно распадается на две цепи, и на каждой из них из свободных нуклеотидов по принципу комплементарное™ образуется вторая цепь. Таким образом, вместо одной молекулы ДНК образуются две совершенно одинаковые. При этом в каждой из двух молекул ДНК одна цепочка нуклеотидов старая (половинка материнской молекулы), а вторая синтезирована вновь (рис. 2.2).

Схема удвоения ДНК

Рис. 2.2. Схема удвоения ДНК:

1 — участок ДНК до удвоения; 2 — участок ДНК в процессе удвоения; 3 — две одинаковые цепи ДНК, образовавшиеся в результате удвоения

РНК также является полимером, построенным из нуклеотидов (см. приложение I). Молекулы РНК имеют одну цепь, и значительно меньших размеров, чем молекулы ДНК. Нуклеотиды РНК несколько отличаются от нуклеотидов ДНК по составу: дезоксирибоза заменена в них рибозой. Азотистые основания в нуклеотидах РНК те же, но вместо тимина в РНК содержится близкий по строению урацил (У). Все виды РНК синтезируются на молекулах ДНК по принципу комплементарно- сти. Существуют три вида РНК. Все они играют большую роль в биосинтезе белка.

Информационная РНК (и-РНК) обеспечивает перенос информации о структуре белка от молекулы ДНК в рибосомы, где синтезируется белок.

Транспортная РНК (т-РНК) доставляет аминокислоты в рибосомы.

Рибосомная РНК (р-РНК) содержится в рибосомах, участвует в синтезе белка.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). По химической структуре АТФ является нуклеотидом. В состав молекулы АТФ входят азотистое основание аденин, углевод рибоза и три остатка фосфорной кислоты. Связи между молекулами фосфорной кислоты очень богаты энергией (макроэргические). После отщепления концевого остатка фосфорной кислоты АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфорная кислота), при этом выделяется 40 кДж энергии. При отщеплении второй молекулы фосфорной кислоты образуется АМФ (аденозинмонофосфорная кислота) и также освобождается энергия

АТФ имеет очень важное значение в преобразованиях энергии клетки. Синтезируя АТФ, клетка накапливает энергию, которая может быть использована в процессе ее жизнедеятельности.

Согласно клеточной теории, клетка является структурной и функциональной единицей всех живых организмов. Наблюдается значительное сходство химической организации и основных процессов обмена веществ в клетках растений и животных. В живой клетке обнаружены те же химические элементы, которые встречаются в неживой природе.

Их можно разделить на микроэлементы и макроэлементы. Микроэлементы присутствуют в клетке в ничтожных количествах, но играют очень важную роль в процессах ее жизнедеятельности. Среди макроэлементов наибольшее значение имеют С, О, Н, N, входящие в состав органических веществ, прежде всего белков и нуклеиновых кислот.

По молекулярному составу вещества в живой клетке выделяют неорганические и органические соединения. Важнейшее значение неорганических соединений заключается в регуляции кислотно-щелочного равновесия и в поддержании физико-химических характеристик клетки. Из неорганических веществ, присутствующих в клетке, наибольшее значение имеет вода. Являясь универсальным растворителем, вода активно вступает во многие химические реакции. С помощью воды поддерживаются объем и упругость клетки, обеспечивается теплорегуляция.

К наиболее важным органическим соединениям относятся белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы, АТФ.

Белки являются важным строительным материалом, участвуют во всех химических реакциях в качестве катализаторов (ферменты), обеспечивают защитные и другие функции клеток и организма.

Нуклеиновые кислоты обеспечивают хранение, передачу наследственной информации и использование ее в процессе биосинтеза белка.

Липиды, как и белки, входят в состав всех клеточных мембран, а также являются важным источником энергии. Роль углеводов в клетке проявляется в основном их энергетической функцией.

В макроэргических связях молекул АТФ клетка накапливает энергию, которую использует в процессе своей жизнедеятельности.

Вопросы для самоконтроля

  • 1. Когда и кем была сформулирована клеточная теория? Каковы основные положения этой теории? Каково ее значение?
  • 2. Почему клетка считается основной структурной и функциональной единицей живых организмов?
  • 3. О чем свидетельствует то обстоятельство, что все клетки имеют сходное строение?
  • 4. Какие химические элементы входят в состав клетки?
  • 5. Что такое микроэлементы и какова их роль в организме?
  • 6. Какова роль воды в клетке? Какова связь между химическим строением воды и ее ролью в клетке?
  • 7. Какие органические вещества являются источником энергии в клетке?
  • 8. В чем заключается значение белков? Какие функции они выполняют в клетке, в организме?
  • 9. Что такое ферменты?
  • 10. Чем характеризуется строение белков? Что такое первичная, вторичная, третичная структуры белка?
  • 11. Что такое аминокислоты? Как они соединяются в белковой молекуле?
  • 12. Чем определяется многообразие белков и их специфичность?
  • 13. Каково биологическое значение углеводов и жиров?
  • 14. Что такое мономеры и полимеры? Какие известны биологические полимеры? Как образуются их молекулы?
  • 15. Чем отличаются белки от других биополимеров: крахмала, клетчатки?
  • 16. Какова роль нуклеиновых кислот в клетке? Какие виды нуклеиновых кислот вы знаете?
  • 17. Чем характеризуется строение нуклеотида, ДНК, РНК?
  • 18. Что такое «комплементарность» в расположении нуклеотидов ДНК?
  • 19. Как происходит удвоение ДНК?
  • 20. Чем отличается РНК от ДНК?
  • 21. Какие разновидности РНК вы знаете? Какова их роль в клетке?
  • 22. В чем сходство и различия между белками и нуклеиновыми кислотами?
  • 23. Что такое АТФ и каково ее биологическое значение?
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>