Биологично важни химични елементи. Химическият състав на клетката

Организмите са изградени от клетки. Клетките на различни организми имат сходен химичен състав. Таблица 1 представя основните химични елементи, намиращи се в клетките на живите организми.

Таблица 1. Съдържанието на химични елементи в клетка

Според съдържанието в клетката могат да се разграничат три групи елементи. Първата група включва кислород, въглерод, водород и азот. Те представляват почти 98% от общия състав на клетката. Втората група включва калий, натрий, калций, сяра, фосфор, магнезий, желязо, хлор. Съдържанието им в клетката е десети и стотни от процента. Елементите от тези две групи принадлежат към макроелементи(от гръцки. макрос- голям).

Останалите елементи, представени в клетката със стотни и хилядни от процента, са включени в третата група. то микроелементи(от гръцки. микро- малък).

В клетката не са открити елементи, присъщи само на живата природа. Всички горепосочени химични елементи са включени в нежива природа. Това показва единството на живата и неживата природа.

Липсата на който и да е елемент може да доведе до заболяване и дори смърт на тялото, тъй като всеки елемент играе определена роля. Макронутриентите от първата група формират основата на биополимерите - протеини, въглехидрати, нуклеинова киселина, както и липидите, без които животът е невъзможен. Сярата е част от някои протеини, фосфорът е част от нуклеиновите киселини, желязото е част от хемоглобина, а магнезият е част от хлорофила. Калцият играе важна роля в метаболизма.

Част от химичните елементи, съдържащи се в клетката, е част от органична материя- минерални соли и вода.

минерални солиса в клетката, като правило, под формата на катиони (K +, Na +, Ca 2+, Mg 2+) и аниони (HPO 2-/4, H 2 PO -/4, CI -, HCO 3 ), чието съотношение определя киселинността на средата, която е важна за живота на клетките.

(В много клетки средата е леко алкална и нейното рН почти не се променя, тъй като в нея постоянно се поддържа определено съотношение на катиони и аниони.)

От неорганичните вещества в дивата природа огромна роля играят вода.

Животът е невъзможен без вода. Той представлява значителна маса от повечето клетки. Много вода се съдържа в клетките на мозъка и човешките ембриони: повече от 80% вода; в клетките на мастната тъкан - само 40%.До напреднала възраст съдържанието на вода в клетките намалява. Човек, който загуби 20% вода, умира.

Уникалните свойства на водата определят нейната роля в организма. Участва в терморегулацията, която се дължи на високия топлинен капацитет на водата - консумация Голям бройенергия при нагряване. Какво определя високия топлинен капацитет на водата?

Във водната молекула един кислороден атом е ковалентно свързан с два водородни атома. Молекулата на водата е полярна, защото кислородният атом има частично отрицателен заряд, а всеки от двата водородни атома има

частично положителен заряд. Между кислородния атом на една водна молекула и водородния атом на друга молекула се образува водородна връзка. Водородните връзки осигуряват свързването на голям брой водни молекули. При нагряване на водата значителна част от енергията се изразходва за разкъсване на водородни връзки, което определя нейния висок топлинен капацитет.

вода - добър разтворител. Поради полярността, неговите молекули взаимодействат с положително и отрицателно заредени йони, като по този начин допринасят за разтварянето на веществото. По отношение на водата всички вещества на клетката се делят на хидрофилни и хидрофобни.

хидрофилен(от гръцки. хидро- вода и fileo- любов) се наричат ​​вещества, които се разтварят във вода. Те включват йонни съединения (напр. соли) и някои нейонни съединения (напр. захари).

хидрофобен(от гръцки. хидро- вода и фобос- страх) се наричат ​​вещества, които са неразтворими във вода. Те включват например липиди.

Водата играе голяма роляв химичните реакции, протичащи в клетката водни разтвори. Той разтваря метаболитни продукти, които са ненужни на тялото и по този начин допринася за тяхното отстраняване от тялото. Високото съдържание на вода в клетката го дава еластичност. Водата улеснява движението на различни вещества в клетката или от клетка в клетка.

Телата на живата и неживата природа се състоят от едни и същи химични елементи. В състава на живите организми влизат неорганични вещества - вода и минерални соли. Многобройните жизнени функции на водата в клетката се дължат на особеностите на нейните молекули: тяхната полярност, способността да образуват водородни връзки.

НЕОРГАНИЧНИ КОМПОНЕНТИ НА КЛЕТКАТА

Около 90 елемента се намират в клетките на живите организми, като приблизително 25 от тях се намират в почти всички клетки. Според съдържанието в клетката химичните елементи се делят на три големи групи: макроелементи (99%), микроелементи (1%), ултрамикроелементи (по-малко от 0,001%).

Макронутриентите включват кислород, въглерод, водород, фосфор, калий, сяра, хлор, калций, магнезий, натрий и желязо.
Микроелементите включват манган, мед, цинк, йод, флуор.
Ултрамикроелементите включват сребро, злато, бром, селен.

ОРГАНИЧНИ КОМПОНЕНТИ НА КЛЕТКАТА

Ензими.

Най-важната функция на протеините е каталитичната. Белтъчните молекули, които увеличават скоростта на химичните реакции в клетката с няколко порядъка, се наричат ензими. Нито един биохимичен процес в организма не протича без участието на ензими.

Досега са открити над 2000 ензима. Тяхната ефективност е многократно по-висока от ефективността на неорганичните катализатори, използвани в производството. И така, 1 mg желязо в състава на ензима каталаза замества 10 тона неорганично желязо. Каталазата увеличава скоростта на разлагане на водородния пероксид (H 2 O 2) с 10 11 пъти. Ензимът, катализиращ образуването на въглеродна киселина (CO 2 + H 2 O \u003d H 2 CO 3), ускорява реакцията 10 7 пъти.

Важно свойство на ензимите е специфичността на тяхното действие; всеки ензим катализира само една или малка група подобни реакции.

Веществото, върху което действа ензимът, се нарича субстрат. Структурите на ензимната молекула и субстрата трябва точно да съвпадат една с друга. Това обяснява спецификата на действието на ензимите. Когато субстрат се комбинира с ензим, пространствената структура на ензима се променя.

Последователността на взаимодействие между ензима и субстрата може да бъде изобразена схематично:

Субстрат+Ензим - Ензимно-субстратен комплекс - Ензим+Продукт.

От диаграмата може да се види, че субстратът се свързва с ензима, за да образува ензим-субстратен комплекс. В този случай субстратът се трансформира в ново вещество - продукта. На последния етап ензимът се освобождава от продукта и отново взаимодейства със следващата молекула на субстрата.

Ензимите функционират само при определена температура, концентрация на веществата, киселинност на околната среда. Промяната в условията води до промяна в третичната и кватернерната структура на протеиновата молекула и следователно до потискане на ензимната активност. как става това Само определена част от ензимната молекула има каталитична активност, т.нар активен център. Активният център съдържа от 3 до 12 аминокиселинни остатъка и се образува в резултат на огъване на полипептидната верига.

Под въздействието на различни фактори структурата на ензимната молекула се променя. В този случай пространствената конфигурация на активния център се нарушава и ензимът губи своята активност.

Ензимите са протеини, които действат като биологични катализатори. Благодарение на ензимите скоростта на химичните реакции в клетките се увеличава с няколко порядъка. Важно свойство на ензимите е специфичността на действие при определени условия.

Нуклеинова киселина.

Нуклеиновите киселини са открити през втората половина на 19 век. Швейцарският биохимик Ф. Мишер, който изолира вещество с високо съдържание на азот и фосфор от ядрата на клетките и го нарече "нуклеин" (от лат. ядро- ядро).

съхранявани в нуклеинови киселини наследствена информацияза устройството и функционирането на всяка клетка и всички живи същества на Земята. Има два вида нуклеинови киселини - ДНК (дезоксирибонуклеинова киселина) и РНК (рибонуклеинова киселина). Нуклеиновите киселини, подобно на протеините, са специфични за видовете, тоест организмите от всеки вид имат свой собствен тип ДНК. За да разберете причините за видовата специфичност, разгледайте структурата на нуклеиновите киселини.

Молекулите на нуклеиновата киселина са много дълги вериги, състоящ се от много стотици и дори милиони нуклеотиди. Всяка нуклеинова киселина съдържа само четири вида нуклеотиди. Функциите на молекулите на нуклеиновата киселина зависят от тяхната структура, съставните им нуклеотиди, техния брой във веригата и последователността на съединението в молекулата.

Всеки нуклеотид се състои от три компонента: азотна основа, въглехидрат и фосфорна киселина. Всеки нуклеотид на ДНК съдържа един от четирите вида азотни бази (аденин - А, тимин - Т, гуанин - G или цитозин - С), както и дезоксирибозен въглехидрат и остатък от фосфорна киселина.

Така нуклеотидите на ДНК се различават само по вида на азотната основа.

Молекулата на ДНК се състои от огромен брой нуклеотиди, свързани във верига в определена последователност. Всеки тип ДНК молекула има свой собствен брой и последователност от нуклеотиди.

ДНК молекулите са много дълги. Например, буквален запис на нуклеотидната последователност в ДНК молекули от една човешка клетка (46 хромозоми) ще изисква книга от около 820 000 страници. Редуването на четири вида нуклеотиди може да образува безкраен брой варианти на ДНК молекули. Тези характеристики на структурата на ДНК молекулите им позволяват да съхраняват огромно количество информация за всички признаци на организмите.

През 1953 г. американският биолог Дж. Уотсън и английският физик Ф. Крик създават модел за структурата на молекулата на ДНК. Учените са открили, че всяка ДНК молекула се състои от две вериги, свързани помежду си и спирално усукани. Прилича на двойна спирала. Във всяка верига четири вида нуклеотиди се редуват в определена последователност.

Нуклеотидният състав на ДНК е различен различни видовебактерии, гъбички, растения, животни. Но не се променя с възрастта, зависи малко от промените. околен свят. Нуклеотидите са сдвоени, т.е. броят на адениновите нуклеотиди във всяка ДНК молекула е равен на броя на тимидиновите нуклеотиди (A-T), а броят на цитозиновите нуклеотиди е равен на броя на гуаниновите нуклеотиди (C-G). Това се дължи на факта, че връзката на две вериги една към друга в ДНК молекула се подчинява определено правило, а именно: аденинът на една верига винаги е свързан с две водородни връзки само с тимин на другата верига, а гуанинът - с три водородни връзки с цитозин, т.е. нуклеотидните вериги на една ДНК молекула са комплементарни, допълват се взаимно.

Молекулите на нуклеиновата киселина – ДНК и РНК са изградени от нуклеотиди. Съставът на ДНК нуклеотидите включва азотна основа (A, T, G, C), въглехидрат дезоксирибоза и остатък от молекула на фосфорна киселина. Молекулата на ДНК е двойна спирала, състояща се от две вериги, свързани с водородни връзки на принципа на комплементарността. Функцията на ДНК е да съхранява наследствена информация.

В клетките на всички организми има молекули на АТФ - аденозинтрифосфорна киселина. АТФ е универсална клетъчна субстанция, чиято молекула има богати на енергия връзки. Молекулата на АТФ е един вид нуклеотид, който, подобно на други нуклеотиди, се състои от три компонента: азотна основа - аденин, въглехидрат - рибоза, но вместо един съдържа три остатъка от молекули на фосфорна киселина (фиг. 12). Връзките, обозначени с иконата на фигурата, са богати на енергия и се наричат макроергичен. Всяка молекула на АТФ съдържа две макроергични връзки.

Когато високоенергийната връзка се разкъса и една молекула фосфорна киселина се отцепи с помощта на ензими, се освобождава 40 kJ / mol енергия и ATP се превръща в ADP - аденозин дифосфорна киселина. С елиминирането на още една молекула фосфорна киселина се освобождават още 40 kJ / mol; Образува се АМФ – аденозинмонофосфорна киселина. Тези реакции са обратими, т.е. AMP може да се превърне в ADP, ADP - в ATP.

Молекулите на АТФ не само се разграждат, но и се синтезират, така че тяхното съдържание в клетката е относително постоянно. Значението на АТФ в живота на клетката е огромно. Тези молекули играят водеща роля в енергийния метаболизъм, необходим за осигуряване на жизнената дейност на клетката и на организма като цяло.

Молекулата на РНК, като правило, е единична верига, състояща се от четири вида нуклеотиди - A, U, G, C. Известни са три основни вида РНК: иРНК, рРНК, тРНК. Съдържанието на РНК молекули в клетката не е постоянно, те участват в биосинтезата на протеините. АТФ е универсалната енергийна субстанция на клетката, в която има богати на енергия връзки. АТФ играе централна роля в обмена на енергия в клетката. РНК и АТФ се намират както в ядрото, така и в цитоплазмата на клетката.

Задачи и тестове по темата "Тема 4. "Химичен състав на клетката.""

• полимер, мономер;
• въглехидрат, монозахарид, дизахарид, полизахарид;
• липид, мастна киселина, глицерол;
• аминокиселина, пептидна връзка, протеин;
• катализатор, ензим, активен център;
• нуклеинова киселина, нуклеотид.

Алгоритъм за решаване на задачи.

Тип 1. Самокопираща се ДНК.

Една от ДНК веригите има следната нуклеотидна последователност:
AGTACCGATACCGATTTCG...
Каква последователност от нуклеотиди има втората верига на същата молекула?

За да се напише нуклеотидната последователност на втората верига на ДНК молекула, когато последователността на първата верига е известна, е достатъчно да се замени тиминът с аденин, аденинът с тимин, гуанинът с цитозин и цитозинът с гуанин. Правейки това заместване, получаваме последователността:
TACTGGCTATGAGCTAAATG...

Тип 2. Кодиране на протеини.

Аминокиселинната верига на рибонуклеазния протеин има следното начало: лизин-глутамин-треонин-аланин-аланин-аланин-лизин ...
Каква последователност от нуклеотиди започва гена, съответстващ на този протеин?

За да направите това, използвайте таблицата на генетичния код. За всяка аминокиселина намираме нейното кодово обозначение под формата на съответната тройка нуклеотиди и го изписваме. Подреждайки тези триплети един след друг в същия ред, в който вървят съответните аминокиселини, получаваме формулата за структурата на участъка на информационната РНК. По правило има няколко такива тройки, изборът се прави според вашето решение (но се взема само една от тройките). Възможно е да има няколко решения, съответно.
AAACAAAATSUGTSGGTSUGTSGAAG

С каква аминокиселинна последователност започва протеинът, ако е кодиран от такава последователност от нуклеотиди:
ACGCCATGGCCGGT...

Според принципа на комплементарността намираме структурата на информационната РНК секция, образувана върху даден сегмент от ДНК молекулата:
UGCGGGUACCCGCCCA...

След това се обръщаме към таблицата на генетичния код и за всяка тройка нуклеотиди, започвайки от първия, намираме и изписваме съответстващата му аминокиселина:
Цистеин-глицин-тирозин-аргинин-пролин-...

Иванова Т.В., Калинова Г.С., Мягкова А.Н. " Обща биология". Москва, "Просвещение", 2000 г

• Тема 4." Химичен съставклетки." §2-§7 стр. 7-21
• Тема 5. "Фотосинтеза." §16-17 стр. 44-48
• Тема 6. "Клетъчно дишане." §12-13 стр. 34-38
• Тема 7. "Генетична информация." §14-15 стр. 39-44

Клетката се състои от приблизително 70 основни елемента , които могат да бъдат намерени в периодичната таблица. От тях само 24 намират се във всички клетки.

Основните елементи са водород, въглерод, кислород и азот. Това са основните клетъчни елементи, но също толкова важна роля играят елементи като калий, йод, магнезий, хлор, желязо, калций и сяра. Това са макронутриенти, които се съдържат в клетките в относително малко количество (до десети от процента).

В клетките има още по-малко микроелементи (по-малко от 0,01% от клетъчната маса). Те включват мед, молибден, бор, флуор, хром, цинк, силиций и кобалт.

Стойността и съдържанието на елементите в клетките на организмите е дадено в таблицата.

Таблица 4.1

Функцията на макроелементите в организма

Таблица 4. 1 (край)

Функцията на микроелементите и ултрамикроелементите в човешкия организъм

органична материя

Органичните съединения съставляват средно 20-30% от клетъчната маса на живия организъм. Те включват биологични полимери - протеини, нуклеинови киселини и полизахариди, както и мазнини и редица нискомолекулни органични вещества - аминокиселини, прости захари, нуклеотиди и др.

Полимерите са сложни, разклонени или линейни молекули, които се разлагат на мономери при хидролиза. Ако полимерът се състои от един вид мономери, тогава такъв полимер се нарича хомополимер, ако полимерната молекула съдържа различни мономери, тогава той е хетерополимер.

Ако група от различни мономери в полимерна молекула се повтаря, това е правилен хетерополимер; ако няма повторение на определена група мономери, хетерополимерът е неправилен.

Като част от клетката те са представени от протеини, въглехидрати, мазнини, нуклеинови киселини (ДНК и РНК) и аденозин трифосфат (АТФ).

катерици

От органичните вещества на клетката белтъчините са на първо място по количество и стойност. Протеини или протеини (от гръцки protos - първи, основен) - високомолекулни хетерополимери, органични вещества и се разлагат при хидролиза до аминокиселини.

Простите протеини (състоящи се само от аминокиселини) са съставени от въглерод, водород, азот, кислород и сяра.

Някои протеини (комплексни протеини) образуват комплекси с други молекули, съдържащи фосфор, желязо, цинк и мед - това са сложни протеини, съдържащи освен аминокиселини и небелтъчна - простетична група. Тя може да бъде представена от метални йони (метални протеини - хемоглобин), въглехидрати (гликопротеини), липиди (липопротеини), нуклеинови киселини (нуклеопротеини).

Протеините имат огромно молекулно тегло: Един от протеините - млечен глобулин - има молекулно тегло 42000.

Протеините са неправилни хетерополимери, чиито мономери са α-аминокиселини. Повече от 170 открити в клетките и тъканите различни аминокиселини, но протеините съдържат само 20 α-аминокиселини.

В зависимост от това дали аминокиселините могат да се синтезират в тялото, биват: несъществени аминокиселини - десет аминокиселини, синтезирани в тялото и есенциални аминокиселини - аминокиселини, които не се синтезират в тялото. Есенциалните аминокиселини трябва да се приемат с храната.

В зависимост от аминокиселинния състав, протеините са пълноценниако съдържат целия набор незаменими аминокиселини и дефектенако някои незаменими аминокиселини отсъстват в състава им.

Общата формула на аминокиселините е показана на фигурата. всичко α -аминокиселини при α -въглероден атом съдържа водороден атом, карбоксилна група (-COOH) и амино група (-NH2). Останалата част от молекулата е представена от радикал.

Аминогрупата лесно свързва водороден йон, т.е. показва основни свойства. Карбоксилната група лесно се отказва от водороден йон - проявява свойствата на киселина. Аминокиселините са амфотернисъединения, тъй като в разтвор те могат да действат както като киселини, така и като основи. Във водни разтвори аминокиселините съществуват в различни йонни форми. Зависи от pH на разтвора и дали аминокиселината е неутрална, кисела или основна.

В зависимост от броя на аминогрупите и карбоксилните групи, които изграждат аминокиселините, има неутрални аминокиселини с една карбоксилна група и една аминогрупа, основни аминокиселини с още една аминогрупа в радикала и киселинни аминокиселини с още една карбоксилна група група в радикала.

Пептиди- органични вещества, състоящи се от малък брой аминокиселинни остатъци, свързани с пептидна връзка. Образуването на пептиди възниква в резултат на реакцията на кондензация на аминокиселини (фиг. 4.6).

Когато аминогрупата на една аминокиселина взаимодейства с карбоксилната група на друга, между тях възниква ковалентна връзка азот-въглерод, която се нарича пептид. В зависимост от броя на аминокиселинните остатъци, които изграждат пептида, се разграничават дипептиди, трипептиди, тетрапептиди и др. Образуването на пептидна връзка може да се повтори многократно. Това води до образуването полипептиди. Ако полипептидът се състои от голям брой аминокиселинни остатъци, тогава той вече се нарича протеин. В единия край на молекулата има свободна аминогрупа (наречена N-край), а в другия край е свободна карбоксилна група (наречена С-край).

Структура на протеинова молекула

Изпълнението на определени специфични функции от протеините зависи от пространствената конфигурация на техните молекули, освен това е енергийно неблагоприятно клетката да поддържа протеини в разширена форма, под формата на верига, следователно полипептидните вериги претърпяват сгъване, придобивайки определена триизмерна структура, или потвърждение. Има 4 нива на пространствена организация на протеините.

Първична структурапротеин - последователността от аминокиселинни остатъци в полипептидната верига, която изгражда протеиновата молекула. Връзката между аминокиселините е пептидна.

Първичната структура на протеиновата молекула определя свойствата на протеиновите молекули и нейната пространствена конфигурация. Замяната само на една аминокиселина с друга в полипептидната верига води до промяна в свойствата и функциите на протеина.

Например, заместването на шестата глутаминова аминокиселина в b-субединицата на хемоглобина с валин води до факта, че молекулата на хемоглобина като цяло не може да изпълнява основната си функция - транспорт на кислород (в такива случаи човек развива заболяване - сърповидно-клетъчна анемия).

Първият протеин, чиято аминокиселинна последователност е идентифицирана, е хормонът инсулин. Изследванията са проведени в университета в Кеймбридж от Ф. Сангер от 1944 до 1954 г. Установено е, че молекулата на инсулина се състои от две полипептидни вериги (21 и 30 аминокиселинни остатъка), свързани една до друга чрез дисулфидни мостове. За своята усърдна работа Ф. Сангер е удостоен с Нобелова награда.

Ориз. 4.6. Първичната структура на протеиновата молекула

вторична структура- подредено нагъване на полипептидната верига в α-спирала(изглежда като опъната пружина) и β-структура (нагънат слой). AT α- спирали NH групаот този аминокиселинен остатък взаимодейства с CO групачетвъртият остатък от него. Почти всички "CO-" и "NH-групи" участват в образуването на водородни връзки. Те са по-слаби от пептидните, но повтаряйки се многократно, придават стабилност и твърдост на тази конфигурация. На нивото на вторичната структура има протеини: фиброин (коприна, мрежа), кератин (коса, нокти), колаген (сухожилия).

Третична структура- подреждане на полипептидни вериги глобули, в резултат на възникването на химични връзки (водородни, йонни, дисулфидни) и установяването на хидрофобни взаимодействия между радикалите на аминокиселинните остатъци. Основна роля в образуването на третичната структура играят хидрофилно-хидрофобните взаимодействия. Във водни разтвори хидрофобните радикали са склонни да се скрият от водата, групирайки се вътре в глобулата, докато хидрофилните радикали са склонни да се появят на повърхността на молекулата в резултат на хидратация (взаимодействие с водни диполи).

В някои протеини третичната структура се стабилизира от дисулфидни ковалентни връзки, които се образуват между серните атоми на двата цистеинови остатъка. На нивото на третичната структура има ензими, антитела, някои хормони. Според формата на молекулата белтъците биват глобуларни и фибриларни. Ако фибриларните протеини изпълняват главно поддържащи функции, тогава глобуларните протеини са разтворими и изпълняват много функции в цитоплазмата на клетките или във вътрешната среда на тялото.

Кватернерна структурахарактерни за сложните протеини, чиито молекули са образувани от две или повече глобули. Субединиците се държат в молекулата единствено чрез нековалентни връзки, предимно водородни и хидрофобни.

Най-изследваният протеин с кватернерна структура е хемоглобин. Образува се от две а-субединици (141 аминокиселинни остатъка) и две b-субединици (146 аминокиселинни остатъка).С всяка субединица е свързана желязосъдържаща молекула хем. Много протеини с кватернерна структура са междинни между молекулите и клетъчните органели - например микротубулите на цитоскелета са съставени от протеин тубулинсъстоящ се от две субединици. Тръбата се удължава в резултат на прикрепването на димери към края.

Ако по някаква причина пространствената конформация на протеините се отклони от нормалната, протеинът не може да изпълнява функциите си.

Ориз. 4.7. Структури на протеинови молекули

Свойства на протеина

1. Протеините са амфотерни съединения, комбинират основни и киселинни свойства, определени от аминокиселинните радикали. Има киселинни, основни и неутрални протеини. Способността да се дава и привързва H + определя буферни свойствапротеини, един от най-мощните буфери - хемоглобина в еритроцитите, който поддържа pH на кръвта на постоянно ниво.
2. ядат катерици разтворим, има неразтворимпротеини, които изпълняват механични функции (фиброин, кератин, колаген).
3. Има протеини химически активен(ензими), има хим неактивен.
4. Има устойчивина въздействието на различни условия на околната среда и изключително нестабилен. Външни фактори (промени в температурата, солевия състав на околната среда, pH, радиация) могат да причинят нарушение на структурната организация на протеиновата молекула.
5. Процесът на загуба на триизмерната конформация, присъща на дадена протеинова молекула, се нарича денатурация. Причината за денатурацията е разкъсването на връзки, които стабилизират определена протеинова структура. В същото време денатурацията не е придружена от разрушаване на полипептидната верига.Промяната в пространствената конфигурация води до промяна в свойствата на протеина и в резултат на това прави невъзможно протеинът да изпълнява своите биологични функции .
6. Денатурацията може да бъде: обратими, се нарича процесът на възстановяване на протеиновата структура след денатурация ренатурация.Ако възстановяването на пространствената конфигурация на протеина е невъзможно, тогава се нарича денатурация необратим.
7. Разрушаването на първичната структура на протеиновата молекула се нарича деградация.

Ориз. 4.8. Денатурация и ренатурация на протеини

Функции на протеините

Протеините изпълняват различни функции в клетката.

Функционална активност притежават протеини с третичен структурна организация, но в повечето случаи само преходът на протеини от третична организация към кватернерна структура осигурява специфична функция.

Ензимна функция

Всички биологични реакции в клетката протичат с участието на специални биологични катализатори - ензими, а всеки ензим е протеин, ензимите са локализирани във всички клетъчни органели и не само управляват хода на различни реакции, но и ги ускоряват десетки и стотици хиляди. на пъти. Всеки от ензимите е строго специфичен.

И така, разграждането на нишестето и превръщането му в захар (глюкоза) причинява ензима амилаза, тръстиковата захар разгражда само ензима инвертаза и т.н.

Много ензими отдавна се използват в медицинската и хранително-вкусовата промишленост (пекарна, пивоварна и др.).

Ензимите са специфични - те могат да катализират един вид реакция - определена субстратна молекула влиза в активния център.

Тъй като почти всички ензими са протеини (има рибозими, РНК, катализираща някои реакции), тяхната активност е най-висока при физиологични нормални условия: повечето ензими са най-активни само когато определена температура, pH, скорост зависи от концентрацията на ензима и субстрата.

Когато температурата се повиши до определена стойност (средно до 50 ° C), каталитичната активност се увеличава (на всеки 10 ° C скоростта на реакцията се увеличава около 2 пъти).

структурна функция

Протеините са част от всички мембрани, обграждащи и проникващи в клетката и органелите.

Когато се комбинира с ДНК, протеинът изгражда тялото на хромозомите, а когато се комбинира с РНК, той изгражда тялото на рибозомите.

Разтворите на протеини с ниско молекулно тегло са част от течните фракции на клетките.

Регулаторна функция

Някои протеини са хормони - биологично активни вещества, отделяни в кръвта от различни жлези, които участват в регулирането на метаболитните процеси.

Хормони инсулин и глюкагонрегулира нивото на въглехидратите в кръвта.

транспортна функция

Именно с протеините се свързва преносът на кислород, както и хормоните в тялото на животните и хората (извършва се от кръвния протеин хемоглобин).

двигателна функция

Всички видове двигателни реакции на клетката се извършват от специални контрактилни протеини актин и миозин, които причиняват мускулна контракция, движението на камшичетата и ресничките в протозоите, движението на хромозомите по време на клетъчното делене и движението на растенията.

Защитна функция

Много протеини образуват защитна обвивка, която предпазва тялото от вредни въздействия, като рогови образувания - коса, нокти, копита, рога. Това е механична защита. В отговор на въвеждането на чужди протеини (антигени) в тялото в кръвните клетки се произвеждат вещества от протеинова природа (антитела), които ги неутрализират, предпазвайки тялото от вредни ефекти. Това е имунологична защита.

енергийна функция

Протеините могат да служат като източник на енергия. Разделяйки се до крайните продукти на разпадане - въглероден диоксид, вода и азотсъдържащи вещества, те освобождават енергията, необходима за много жизнени процеси в клетката 17,6 KJ.

Рецепторна функция

Рецепторните протеини са протеинови молекули, вградени в мембраната, които могат да променят структурата си в отговор на добавянето на специфично химично вещество.

Резервна функция

Тази функция се изпълнява от така наречените резервни протеини, които са източници на хранене за плода, като яйчните протеини (овалбумини). Основният протеин на млякото (казеин) също изпълнява главно хранителна функция.

Редица други протеини се използват в организма като източник на аминокиселини, които от своя страна са прекурсори на биологично активни вещества, регулиращи метаболитните процеси.

Токсична функция

токсини, токсични веществаестествен произход. Обикновено високомолекулните съединения (протеини, полипептиди и др.) се класифицират като токсини, които при попадане в организма произвеждат антитела.

Според целта на действие токсините се разделят на следните групи:

Хематичните отрови са отрови, които засягат кръвта.

Невротоксините са отрови, които засягат нервната система и мозъка.

Миоксичните отрови са отрови, които увреждат мускулите.

Хемотоксините са токсини, които увреждат кръвоносните съдове и причиняват кървене.

Хемолитичните токсини са токсини, които увреждат червените кръвни клетки.

Нефротоксините са токсини, които увреждат бъбреците.

Кардиотоксините са токсини, които увреждат сърцето.

Некротоксините са токсини, които разрушават тъканите, причинявайки тяхната некроза (некроза).

Отровни вещества фалотоксини и аматоксини се намират в различни видове: бледа гмурка, миризлива мухоморка, пролет.

Въглехидрати

Въглехидрати, или захариди, - органични вещества, които включват въглерод, кислород, водород. Въглехидратите съставляват около 1% от масата на сухото вещество в животинските клетки и до 5% в чернодробните и мускулните клетки. Растителните клетки са най-богати на въглехидрати (до 90% от сухата маса).

Химичният състав на въглехидратите се характеризира с тяхната обща формула C m (H 2 O) n, където m≥n. Броят на водородните атоми във въглехидратните молекули обикновено е два пъти по-голям от броя на кислородните атоми (това е като във водната молекула). Оттук и името въглехидрати.

Те са много по-изобилни в растителните клетки, отколкото в животинските клетки. Въглехидратите съдържат само въглерод, водород и кислород.

Най-простите въглехидрати са простите захари (монозахариди). Те съдържат пет (пентози) или шест (хексози) въглеродни атома и същия брой водни молекули.

Примери за монозахариди са глюкозата и фруктозата, открити в много растителни плодове. В допълнение към растенията, глюкозата също е част от кръвта.

Сложните въглехидрати са съставени от няколко молекули прости въглехидрати. Два монозахарида образуват дизахарид.

Диетичната захар (захароза), например, се състои от молекула глюкоза и молекула фруктоза.

Много Повече ▼молекулите на простите въглехидрати са включени в такива сложни въглехидрати като нишесте, гликоген, фибри (целулоза).

В една молекула влакна, например, от 300 до 3000 молекули глюкоза.

Функции на въглехидратите

Енергийна функция

една от основните функции на въглехидратите. Въглехидратите (глюкоза) са основният източник на енергия в животинския организъм. Осигуряват до 67% от дневната консумация на енергия (поне 50%). При разделянето на 1 g въглехидрат се отделят 17,6 kJ, вода и въглероден диоксид.

функция за съхранение

изразява се в натрупване на нишесте от растителните клетки и гликоген от животинските клетки, които играят ролята на източници на глюкоза, като лесно я освобождават при необходимост.

Подпорна и строителна функция

Въглехидратите са част от клетъчните мембрани и клетъчните стени (целулозата е част от клетъчната стена на растенията, черупката на членестоногите се образува от хитин, муреинът образува клетъчната стена на бактериите). В комбинация с липиди и протеини те образуват гликолипиди и гликопротеини. Рибозата и дезоксирибозата са част от мономерите на нуклеотидите.

Рецепторна функция

Олигозахаридните фрагменти на гликопротеините и гликолипидите на клетъчните стени изпълняват рецепторна функция, възприемайки сигнали от външната среда.

Защитен функция

Слузта, секретирана от различни жлези, е богата на въглехидрати и техните производни (например гликопротеини). Те предпазват хранопровода, червата, стомаха, бронхите от механични повреди, предотвратяват проникването на бактерии и вируси в тялото.

Липиди

Липидите са група от органични съединения, които нямат една единствена химична характеристика. Обединява ги фактът, че всички те са неразтворими във вода, но силно разтворими в органични разтворители (етер, хлороформ, бензин).

Разграничете прости и сложни липиди.

Простите липиди са двукомпонентни вещества, които са естери на висши мастни киселини и всеки алкохол, по-често глицерол.

Сложните липиди се състоят от многокомпонентни молекули.

от прости липидиобмисли мазнини и восъци.

мазнинишироко разпространени в природата. Мазнините са естери на висши мастни киселини и тривалентен алкохол глицерол. В химията тази група органични съединения обикновено се нарича триглицериди, тъй като и трите хидроксилни групи на глицерола са свързани с мастни киселини.

В състава на триглицеридите са открити над 500 мастни киселини, чиито молекули имат сходна структура.

Подобно на аминокиселините, мастните киселини имат една и съща група за всички киселини - хидрофилна карбоксилна група (-COOH) и хидрофобен радикал, който ги отличава една от друга. Следователно общата формула на мастните киселини е R-COOH. Радикалът е въглеводородна опашка, която се различава в различните мастни киселини по броя на -СН2 групите.

Повечето отмастни киселини съдържа четен брой въглеродни атоми в "опашката", от 14 до 22 (най-често 16 или 18). В допълнение, въглеводородната опашка може да съдържа различни количества двойни връзки. Чрез наличието или отсъствието на двойни връзки във въглеводородната опашка, наситени мастни киселини, несъдържащи двойни връзки във въглеводородната опашка и ненаситени мастни киселини, имащи двойни връзкимежду въглеродни атоми (-CH=CH-). Ако наситените мастни киселини преобладават в триглицеридите, тогава те са твърди при стайна температура (мазнини), ако ненаситените мастни киселини са течни (масла). Плътността на мазнините е по-ниска от тази на водата, така че те плуват във водата и са на повърхността.

Восък- група прости липиди, които са естери на висши мастни киселини и висши високомолекулни алкохоли. Срещат се както в животинския, така и в растителния свят, където изпълняват главно защитни функции.

При растенията например те покриват листата, стъблата и плодовете с тънък слой, предпазвайки ги от намокряне с вода и проникване на микроорганизми. Срокът на годност на плодовете зависи от качеството на восъчното покритие. Медът се съхранява под покритието от пчелен восък и се развиват ларви.

до сложни липидивключват фосфолипиди, гликолипиди, липопротеини, стероиди, стероидни хормони, витамини A, D, E, K.

Фосфолипиди- естери на многовалентни алкохоли с висши мастни киселини, съдържащи остатък от фосфорна киселина. Понякога допълнителни групи (азотни основи, аминокиселини) могат да бъдат свързани с него.

По правило фосфолипидната молекула има два остатъка от висша мастна киселина и един остатък от фосфорна киселина. Фосфолипидите присъстват във всички клетки на живите същества, като участват главно в образуването на фосфолипидния двоен слой на клетъчните мембрани - остатъците от фосфорна киселина са хидрофилни и винаги насочени към външната и вътрешната повърхност на мембраната, а хидрофобните опашки са насочени един към друг вътре мембраната.

Гликолипидиса въглехидратни производни на липидите. В състава на техните молекули, наред с поливалентния алкохол и висшите мастни киселини, влизат и въглехидрати. Те са локализирани предимно върху външната повърхност на плазмената мембрана, където техните въглехидратни компоненти са сред другите въглехидрати на клетъчната повърхност.

Липопротеини- липидни молекули, свързани с протеини. Има много от тях в мембраните, протеините могат да проникнат през мембраната, да се намират под или над мембраната, могат да бъдат потопени в липидния двоен слой на различни дълбочини.

Липоиди- мастноподобни вещества. Те включват стероиди(широко разпространен в животинските тъкани холестерол и неговите производни - хормони на надбъбречната кора - минералкортикоиди, глюкокортикоиди, естрадиол и тестостерон - съответно женски и мъжки полови хормони). Терпените са липоиди ( етерични масла, от които зависи миризмата на растенията), гиберелини (растежни вещества на растенията), някои пигменти (хлорофил, билирубин), мастноразтворими витамини (A, D, E, K).

Липидните функции са показани в таблица 4.1.

Таблица 4.2.

Функции на мазнините

Ориз. 9. Химическа структура на липидите и въглехидратите

Аденозин трифосфат (АТФ)

Той е част от всяка клетка, където изпълнява една от най-важните функции – енергиен склад. Молекулите на АТФ са съставени от азотната основа аденин, въглехидратната рибоза и три молекули фосфорна киселина.

Нестабилните химични връзки, които свързват молекулите на фосфорната киселина в АТФ, са много богати на енергия (макроергични връзки): когато тези връзки се разкъсат, енергията се освобождава и се използва в живата клетка за осигуряване на жизненоважни процеси и синтеза на органични вещества.

Ориз. 4.10. Структурата на молекулата на АТФ

4.4. Практическа задача

Инструкция

Основните елементи, открити в клетките, са водород, въглерод, кислород и азот. Тези химични елементи се наричат ​​биогенни, защото играят решаваща роляв клетъчната активност. Те представляват деветдесет и пет процента от общата клетъчна маса. Тези елементи се допълват от вещества като сяра и фосфор, които заедно с биогенните елементи образуват молекулите на основните органични съединения в клетките.

Също толкова важно за функционирането е наличието на макронутриенти. Техният брой е малък, под процент от общата маса, но безценен. Макронутриентите включват вещества като натрий, калий, хлор, магнезий и калций.

Всички макронутриенти се намират в клетките под формата на йони и участват пряко в редица клетъчни процеси, например, калциевите йони участват в мускулните контракции, двигателните функции и съсирването на кръвта, а йоните са отговорни за работата на рибозомите. Растителните клетки също не могат без магнезий - той е част от хлорофила и осигурява функционирането на митохондриите. Натрият и калият, елементи, съдържащи се в човешките клетки, на свой ред са отговорни за предаването на нервните импулси и сърдечната честота.

Не по-малко важно функционално значение имат микроелементите - вещества, чието съдържание не надвишава една стотна от процента от общата маса на клетките. Това са желязо, цинк, манган, мед, кобалт, цинк, а за определен тип клетки и бор, алуминий, хром, флуор, селен, молибден, йод и силиций.

Значението на елементите, които изграждат клетките, не се отразява в процентно изражение. Например, без мед функционирането на редокс процесите ще бъде голям въпрос, освен това този елемент, въпреки ниското си съдържание в клетките, има голямо значениев живота на мекотелите, като е отговорен за транспортирането на кислород в тялото.

Желязото е същият микроелемент като медта и съдържанието му в клетките е ниско. Но без това вещество здрав човекпросто е невъзможно да си го представим. Хемоглобинът хем и много ензими не могат без този елемент. Желязото също е носител на електрони.

Клетките на водорасли, гъби, хвощ и мекотели се нуждаят от елемент като силиций. Ролята му при гръбначните животни е не по-малко изразена - най-високо е съдържанието му във връзките и хрущялите. Флуорът се съдържа в големи количества в клетките на емайла на зъбите и костите, а борът е отговорен за растежа на растителните организми. Дори и най-малкото съдържание на микроелементи в клетките има своето значение и играе своята незабележима, но важна роля.

Отделна група сред макронутриентите е органогенни елементи(O, C, H, N), които образуват молекулите на всички органични вещества.

Макронутриенти, тяхната роля в клетката.Органогенни елементи -кислород, въглерод, водород и азот съставляват ≈ 98% от химичното съдържание на клетката. Те лесно образуват ковалентни връзки чрез споделяне на два електрона (по един от всеки атом) и поради това образуват голямо разнообразие от органични вещества в клетката.

Други макроелементи в животинските и човешките клетки (калий, натрий, магнезий, калций, хлор, желязо) също са жизненоважни и представляват около 1,9%.

И така, калиеви и натриеви йони регулират осмотичното налягане в клетката, определят нормалния ритъм на сърдечната дейност, появата и провеждането на нервен импулс. Калциевите йони участват в съсирването на кръвта, свиването на мускулните влакна. Неразтворимите калциеви соли участват в образуването на костите и зъбите.

Магнезиевите йони играят важна роля във функционирането на рибозомите и митохондриите. Желязото е част от хемоглобина.

Микроелементи, тяхната роля в клетката.Биологичната роля на микро- и ултрамикроелементите се определя не от процентното им съдържание, а от факта, че те влизат в състава на ензими, витамини и хормони. Например кобалтът е част от витамин B 12, йодът е част от хормона тироксин, медта е част от ензимите, които катализират редокс процесите.

Ултрамикроелементи, тяхната роля в клетката.Тяхната концентрация не надвишава 0,000001%. Това са следните елементи: злато, сребро, олово, уран, селен, цезий, берилий, радий и др. Физиологичната роля на много химични елементи все още не е установена, но те са необходими за нормалното функциониране на организма. Например, дефицитът на ултрамикроелемента Селен води до развитие на рак.

Обща информация за биологично значениеосновните химични елементи, съдържащи се в клетките на живите организми, са представени в таблица 4.1.

При липса на важен химичен елемент в почвата на определен регион, което причинява неговия дефицит в организма местни жители, има т.нар ендемични заболявания.

Всички химични елементи се съдържат в клетката под формата на йони или са част от химикали.

Раздел. 4.1.Основните химични елементи на клетката и тяхното значение за живота и дейността на организмите

Клетъчни химикали