Éléments chimiques biologiquement importants. Composition chimique de la cellule

Les organismes sont constitués de cellules. Les cellules de différents organismes ont des compositions chimiques similaires. Le tableau 1 présente les principaux éléments chimiques présents dans les cellules des organismes vivants.

Tableau 1. Contenu en éléments chimiques dans la cellule

En fonction du contenu de la cellule, trois groupes d'éléments peuvent être distingués. Le premier groupe comprend l'oxygène, le carbone, l'hydrogène et l'azote. Ils représentent près de 98 % de la composition totale de la cellule. Le deuxième groupe comprend le potassium, le sodium, le calcium, le soufre, le phosphore, le magnésium, le fer et le chlore. Leur contenu dans la cellule est de dixièmes et centièmes de pour cent. Les éléments de ces deux groupes sont classés comme macronutriments(du grec macro- grand).

Les éléments restants, représentés dans la cellule par des centièmes et des millièmes de pour cent, sont inclus dans le troisième groupe. Ce microéléments(du grec micro- petit).

Aucun élément propre à la nature vivante n’a été trouvé dans la cellule. Tous les éléments chimiques répertoriés sont inclus dans la composition nature inanimée. Cela indique l'unité de la nature vivante et inanimée.

Une carence en n’importe quel élément peut entraîner des maladies et même la mort de l’organisme, puisque chaque élément joue un rôle spécifique. Les macroéléments du premier groupe constituent la base des biopolymères - protéines, glucides, acides nucléiques, ainsi que les lipides, sans lesquels la vie est impossible. Le soufre fait partie de certaines protéines, le phosphore fait partie des acides nucléiques, le fer fait partie de l'hémoglobine et le magnésium fait partie de la chlorophylle. Le calcium joue un rôle important dans le métabolisme.

Certains des éléments chimiques contenus dans la cellule sont inclus dans matière organique- des sels minéraux et de l'eau.

Des sels minéraux se trouvent généralement dans la cellule sous forme de cations (K +, Na +, Ca 2+, Mg 2+) et d'anions (HPO 2-/4, H 2 PO -/4, CI -, HCO 3), dont le rapport détermine l'acidité du milieu, importante pour la vie des cellules.

(Dans de nombreuses cellules, l'environnement est légèrement alcalin et son pH ne change presque pas, puisqu'un certain rapport de cations et d'anions y est constamment maintenu.)

Parmi les substances inorganiques présentes dans la nature vivante, joue un rôle énorme eau.

Sans eau, la vie est impossible. Il constitue une masse importante pour la plupart des cellules. Les cellules du cerveau et des embryons humains contiennent beaucoup d'eau : plus de 80 % d'eau ; dans les cellules du tissu adipeux - seulement 40, % Avec la vieillesse, la teneur en eau des cellules diminue. Une personne qui a perdu 20 % de son eau meurt.

Les propriétés uniques de l’eau déterminent son rôle dans l’organisme. Il est impliqué dans la thermorégulation, provoquée par la capacité thermique élevée de l'eau - consommation grande quantitéénergie lorsqu’elle est chauffée. Qu’est-ce qui détermine la capacité calorifique élevée de l’eau ?

Dans une molécule d’eau, un atome d’oxygène est lié de manière covalente à deux atomes d’hydrogène. La molécule d'eau est polaire car l'atome d'oxygène a une charge partiellement négative et chacun des deux atomes d'hydrogène a une charge partielle.

Partiellement charge positive. Une liaison hydrogène se forme entre l’atome d’oxygène d’une molécule d’eau et l’atome d’hydrogène d’une autre molécule. Les liaisons hydrogène assurent la connexion d'un grand nombre de molécules d'eau. Lorsque l'eau est chauffée, une partie importante de l'énergie est dépensée pour rompre les liaisons hydrogène, ce qui détermine sa capacité thermique élevée.

Eau - bon solvant. En raison de leur polarité, ses molécules interagissent avec des ions chargés positivement et négativement, favorisant ainsi la dissolution de la substance. Par rapport à l'eau, toutes les substances cellulaires sont divisées en hydrophiles et hydrophobes.

Hydrophile(du grec hydroélectrique- l'eau et filleo- amour) sont appelés substances qui se dissolvent dans l'eau. Ceux-ci incluent des composés ioniques (par exemple, les sels) et certains composés non ioniques (par exemple, les sucres).

Hydrophobe(du grec hydroélectrique- l'eau et Phobos- peur) sont des substances insolubles dans l'eau. Ceux-ci incluent, par exemple, les lipides.

Jeux d'eau grand rôle dans les réactions chimiques se produisant dans une cellule solutions aqueuses. Il dissout les produits métaboliques dont l’organisme n’a pas besoin et favorise ainsi leur élimination du corps. La teneur élevée en eau de la cellule lui confère élasticité. L'eau facilite le mouvement de diverses substances au sein d'une cellule ou d'une cellule à l'autre.

Les corps de la nature vivante et inanimée sont constitués des mêmes éléments chimiques. Les organismes vivants contiennent des substances inorganiques - de l'eau et des sels minéraux. Les nombreuses fonctions d'importance vitale de l'eau dans une cellule sont déterminées par les caractéristiques de ses molécules : leur polarité, leur capacité à former des liaisons hydrogène.

COMPOSANTS INORGANIQUES DE LA CELLULE

Environ 90 éléments se trouvent dans les cellules des organismes vivants, et environ 25 d'entre eux se trouvent dans presque toutes les cellules. Selon leur contenu dans la cellule, les éléments chimiques sont divisés en trois Grands groupes: macroéléments (99%), microéléments (1%), ultramicroéléments (moins de 0,001%).

Les macroéléments comprennent l'oxygène, le carbone, l'hydrogène, le phosphore, le potassium, le soufre, le chlore, le calcium, le magnésium, le sodium et le fer.
Les microéléments comprennent le manganèse, le cuivre, le zinc, l'iode et le fluor.
Les ultramicroéléments comprennent l'argent, l'or, le brome et le sélénium.

COMPOSANTS ORGANIQUES DES CELLULES

Enzymes.

La fonction la plus importante des protéines est catalytique. Les molécules de protéines qui augmentent la vitesse des réactions chimiques dans une cellule de plusieurs ordres de grandeur sont appelées enzymes. Pas un seul processus biochimique dans le corps ne se produit sans la participation d'enzymes.

Actuellement, plus de 2 000 enzymes ont été découvertes. Leur efficacité est plusieurs fois supérieure à celle des catalyseurs inorganiques utilisés dans la production. Ainsi, 1 mg de fer dans l’enzyme catalase remplace 10 tonnes de fer inorganique. La catalase augmente le taux de décomposition du peroxyde d'hydrogène (H 2 O 2) de 10 à 11 fois. L'enzyme qui catalyse la réaction de formation d'acide carbonique (CO 2 + H 2 O = H 2 CO 3) accélère la réaction 10 7 fois.

Une propriété importante des enzymes est la spécificité de leur action : chaque enzyme catalyse seulement une ou un petit groupe de réactions similaires.

La substance sur laquelle agit l’enzyme est appelée substrat. Les structures des molécules d’enzyme et de substrat doivent correspondre exactement les unes aux autres. Ceci explique la spécificité de l'action des enzymes. Lorsqu’un substrat est combiné à une enzyme, la structure spatiale de l’enzyme change.

La séquence d’interaction entre l’enzyme et le substrat peut être représentée schématiquement :

Substrat+Enzyme - Complexe enzyme-substrat - Enzyme+Produit.

Le diagramme montre que le substrat se combine avec l’enzyme pour former un complexe enzyme-substrat. Dans ce cas, le substrat est transformé en une nouvelle substance – un produit. Au stade final, l'enzyme est libérée du produit et interagit à nouveau avec une autre molécule substrat.

Les enzymes ne fonctionnent qu'à une certaine température, concentration de substances et acidité de l'environnement. Des conditions changeantes entraînent des modifications de la structure tertiaire et quaternaire de la molécule protéique et, par conséquent, la suppression de l'activité enzymatique. Comment cela peut-il arriver? Seule une certaine partie de la molécule enzymatique, appelée centre actif. Le centre actif contient de 3 à 12 résidus d'acides aminés et est formé à la suite de la courbure de la chaîne polypeptidique.

Sous l'influence de divers facteurs, la structure de la molécule d'enzyme change. Dans ce cas, la configuration spatiale du centre actif est perturbée et l'enzyme perd son activité.

Les enzymes sont des protéines qui agissent comme des catalyseurs biologiques. Grâce aux enzymes, la vitesse des réactions chimiques dans les cellules augmente de plusieurs ordres de grandeur. Une propriété importante des enzymes est leur spécificité d'action dans certaines conditions.

Acides nucléiques.

Les acides nucléiques ont été découverts dans la seconde moitié du XIXe siècle. Le biochimiste suisse F. Miescher, qui a isolé une substance à haute teneur en azote et en phosphore des noyaux cellulaires et l'a appelée « nucléine » (du lat. cœur- cœur).

Stocké dans les acides nucléiques informations héréditaires sur la structure et le fonctionnement de chaque cellule et de tous les êtres vivants sur Terre. Il existe deux types d'acides nucléiques : l'ADN (acide désoxyribonucléique) et l'ARN (acide ribonucléique). Les acides nucléiques, comme les protéines, sont spécifiques à une espèce, c'est-à-dire que les organismes de chaque espèce possèdent leur propre type d'ADN. Pour découvrir les raisons de la spécificité des espèces, considérons la structure des acides nucléiques.

Les molécules d'acide nucléique sont très longues chaînes, composé de plusieurs centaines, voire millions de nucléotides. Tout acide nucléique ne contient que quatre types de nucléotides. Les fonctions des molécules d'acide nucléique dépendent de leur structure, des nucléotides qu'elles contiennent, de leur nombre dans la chaîne et de la séquence du composé dans la molécule.

Chaque nucléotide est constitué de trois composants : une base azotée, un glucide et un acide phosphorique. Chaque nucléotide d'ADN contient l'un des quatre types de bases azotées (adénine - A, thymine - T, guanine - G ou cytosine - C), ainsi que du carbone désoxyribose et un résidu d'acide phosphorique.

Ainsi, les nucléotides de l'ADN ne diffèrent que par le type de base azotée.

La molécule d'ADN est constituée d'un grand nombre de nucléotides reliés en chaîne dans une certaine séquence. Chaque type de molécule d’ADN possède son propre nombre et sa propre séquence de nucléotides.

Les molécules d'ADN sont très longues. Par exemple, pour écrire en lettres la séquence des nucléotides des molécules d’ADN d’une cellule humaine (46 chromosomes), il faudrait un livre d’environ 820 000 pages. L'alternance de quatre types de nucléotides peut former un nombre infini de variantes de molécules d'ADN. Ces caractéristiques structurelles des molécules d'ADN leur permettent de stocker une énorme quantité d'informations sur toutes les caractéristiques des organismes.

En 1953, le biologiste américain J. Watson et le physicien anglais F. Crick créent un modèle de la structure de la molécule d'ADN. Les scientifiques ont découvert que chaque molécule d’ADN est constituée de deux chaînes interconnectées et torsadées en spirale. Cela ressemble à une double hélice. Dans chaque chaîne, quatre types de nucléotides alternent dans une séquence spécifique.

La composition nucléotidique de l'ADN varie selon différents types bactéries, champignons, plantes, animaux. Mais cela ne change pas avec l'âge, cela dépend peu des changements environnement. Les nucléotides sont appariés, c'est-à-dire que le nombre de nucléotides adénine dans toute molécule d'ADN est égal au nombre de nucléotides thymidine (A-T) et le nombre de nucléotides cytosine est égal au nombre de nucléotides guanine (C-G). Cela est dû au fait que la connexion de deux chaînes entre elles dans une molécule d'ADN obéit à une certaine règle, à savoir : l'adénine d'une chaîne est toujours reliée par deux liaisons hydrogène uniquement avec la thymine de l'autre chaîne, et la guanine - par trois liaisons hydrogène avec la cytosine, c'est-à-dire que les chaînes nucléotidiques d'une molécule d'ADN sont complémentaires, se complètent.

Les molécules d'acide nucléique - ADN et ARN - sont constituées de nucléotides. Les nucléotides d'ADN comprennent une base azotée (A, T, G, C), le désoxyribose glucidique et un résidu de molécule d'acide phosphorique. La molécule d'ADN est une double hélice, constituée de deux chaînes reliées par des liaisons hydrogène selon le principe de complémentarité. La fonction de l'ADN est de stocker les informations héréditaires.

Les cellules de tous les organismes contiennent des molécules d'ATP - acide adénosine triphosphorique. L'ATP est une substance cellulaire universelle dont la molécule possède des liaisons riches en énergie. La molécule d'ATP est un nucléotide unique qui, comme les autres nucléotides, se compose de trois composants : une base azotée - l'adénine, un glucide - le ribose, mais au lieu d'un, elle contient trois résidus de molécules d'acide phosphorique (Fig. 12). Les connexions indiquées sur la figure par une icône sont riches en énergie et sont appelées macroergique. Chaque molécule d'ATP contient deux liaisons à haute énergie.

Lorsqu'une liaison à haute énergie est rompue et qu'une molécule d'acide phosphorique est éliminée à l'aide d'enzymes, 40 kJ/mol d'énergie sont libérées et l'ATP est convertie en ADP - acide adénosine diphosphorique. Lorsqu’une autre molécule d’acide phosphorique est éliminée, 40 kJ/mol supplémentaires sont libérés ; L'AMP se forme - acide adénosine monophosphorique. Ces réactions sont réversibles, c'est-à-dire que l'AMP peut être converti en ADP, l'ADP en ATP.

Les molécules d'ATP sont non seulement décomposées, mais également synthétisées, leur contenu dans la cellule est donc relativement constant. L'importance de l'ATP dans la vie d'une cellule est énorme. Ces molécules jouent un rôle prépondérant dans le métabolisme énergétique nécessaire pour assurer la vie de la cellule et de l’organisme dans son ensemble.

Une molécule d'ARN est généralement une chaîne unique, composée de quatre types de nucléotides - A, U, G, C. Trois principaux types d'ARN sont connus : ARNm, ARNr, ARNt. Le contenu des molécules d'ARN dans une cellule n'est pas constant, elles participent à la biosynthèse des protéines. L'ATP est une substance énergétique universelle de la cellule, qui contient des liaisons riches en énergie. L'ATP joue un rôle central dans le métabolisme énergétique cellulaire. L'ARN et l'ATP se trouvent à la fois dans le noyau et dans le cytoplasme de la cellule.

Tâches et tests sur le thème "Thème 4. "Composition chimique de la cellule".

• polymère, monomère;
• glucide, monosaccharide, disaccharide, polysaccharide ;
• lipide, acide gras, glycérol ;
• acide aminé, liaison peptidique, protéine ;
• catalyseur, enzyme, site actif ;
• acide nucléique, nucléotide.

Algorithme pour résoudre des problèmes.

Type 1. Autocopie de l'ADN.

L'une des chaînes d'ADN a la séquence nucléotidique suivante :
AGTACCGATACCGATTTACCG...
Quelle séquence nucléotidique possède la deuxième chaîne de la même molécule ?

Pour écrire la séquence nucléotidique du deuxième brin d'une molécule d'ADN, lorsque la séquence du premier brin est connue, il suffit de remplacer la thymine par l'adénine, l'adénine par la thymine, la guanine par la cytosine et la cytosine par la guanine. Après avoir effectué ce remplacement, on obtient la séquence :
TATTGGGCTATGAGCTAAAATG...

Type 2. Codage protéique.

La chaîne d'acides aminés de la protéine ribonucléase commence comme suit : lysine-glutamine-thréonine-alanine-alanine-alanine-lysine...
Par quelle séquence nucléotidique commence le gène correspondant à cette protéine ?

Pour ce faire, utilisez la table du code génétique. Pour chaque acide aminé, nous trouvons sa désignation de code sous la forme du triplet de nucléotides correspondant et l'écrivons. En disposant ces triplets les uns après les autres dans le même ordre que les acides aminés correspondants, on obtient la formule de la structure d'une section d'ARN messager. En règle générale, il existe plusieurs de ces triplés, le choix se fait en fonction de votre décision (mais un seul des triplés est pris). Il peut donc y avoir plusieurs solutions.
ААААААААЦУГЦГГЦУГЦГАAG

Par quelle séquence d'acides aminés commence une protéine si elle est codée par la séquence de nucléotides suivante :
ACCTTCCATGGCCGGT...

En utilisant le principe de complémentarité, on retrouve la structure d'une section d'ARN messager formée sur un segment donné d'une molécule d'ADN :
UGCGGGGUACCGGCCCA...

On se tourne ensuite vers le tableau du code génétique et pour chaque triplet de nucléotides, en commençant par le premier, on trouve et on écrit l'acide aminé correspondant :
Cystéine-glycine-tyrosine-arginine-proline-...

Ivanova T.V., Kalinova G.S., Myagkova A.N. " Biologie générale". Moscou, "Lumières", 2000

• Thème 4. " Composition chimique cellules." §2-§7 pp. 7-21
• Thème 5. "Photosynthèse". §16-17 p. 44-48
• Thème 6. "Respiration cellulaire". §12-13 p. 34-38
• Thème 7. "Informations génétiques". §14-15 p. 39-44

La cellule se compose d'environ 70 éléments de base , que l'on peut trouver dans le tableau périodique. Parmi ceux-ci seulement 24 trouvé dans absolument toutes les cellules.

Les principaux éléments sont l'hydrogène, le carbone, l'oxygène et l'azote. Ce sont les principaux éléments cellulaires, mais des éléments tels que le potassium, l'iode, le magnésium, le chlore, le fer, le calcium et le soufre jouent également un rôle tout aussi important. Il s’agit de macroéléments dont les cellules contiennent des quantités relativement faibles (jusqu’à des dixièmes de pour cent).

Il y a encore moins d'oligoéléments dans les cellules (moins de 0,01 % de la masse cellulaire). Ceux-ci comprennent le cuivre, le molybdène, le bore, le fluor, le chrome, le zinc, le silicium et le cobalt.

La signification et le contenu des éléments dans les cellules des organismes sont donnés dans le tableau.

Tableau 4.1

Fonction des macroéléments dans le corps

Tableau 4.1 (fin)

Fonction des microéléments et ultramicroéléments dans le corps humain

Matière organique

Les composés organiques représentent en moyenne 20 à 30 % de la masse cellulaire d'un organisme vivant. Ceux-ci comprennent des polymères biologiques - protéines, acides nucléiques et polysaccharides, ainsi que des graisses et un certain nombre de substances organiques de faible poids moléculaire - acides aminés, sucres simples, nucléotides, etc.

Les polymères sont des molécules complexes ramifiées ou linéaires qui se décomposent en monomères lors de l'hydrolyse. Si un polymère est constitué d'un type de monomère, alors un tel polymère est appelé homopolymère ; si la molécule de polymère contient différents monomères, alors c'est un hétéropolymère.

Si un groupe de monomères différents dans une molécule de polymère est répété, c'est un hétéropolymère régulier ; s'il n'y a pas de répétition d'un certain groupe de monomères, c'est un hétéropolymère irrégulier.

Faisant partie de la cellule, ils sont représentés par des protéines, des glucides, des graisses, des acides nucléiques (ADN et ARN) et de l'adénosine triphosphate (ATP).

Écureuils

Parmi les substances organiques de la cellule, les protéines occupent la première place en quantité et en importance. Les protéines, ou protéines (du grec protos - premier, principal) sont des hétéropolymères de haut poids moléculaire, des substances organiques qui se décomposent lors de l'hydrolyse en acides aminés.

Les protéines simples (constituées uniquement d'acides aminés) contiennent du carbone, de l'hydrogène, de l'azote, de l'oxygène et du soufre.

Certaines protéines (protéines complexes) forment des complexes avec d'autres molécules contenant du phosphore, du fer, du zinc et du cuivre - ce sont des protéines complexes qui, en plus des acides aminés, contiennent également un groupe prothétique non protéique. Il peut être représenté par des ions métalliques (métalloprotéines - hémoglobine), des glucides (glycoprotéines), des lipides (lipoprotéines), des acides nucléiques (nucléoprotéines).

Les protéines ont un poids moléculaire énorme : l'une des protéines, la globuline du lait, a masse moléculaire 42000.

Les protéines sont des hétéropolymères irréguliers dont les monomères sont des acides α-aminés. Plus de 170 ont été trouvés dans les cellules et les tissus divers acides aminés, mais les protéines ne contiennent que 20 acides aminés α.

Selon que les acides aminés peuvent être synthétisés dans l'organisme, on les distingue : les acides aminés non essentiels - dix acides aminés synthétisés dans l'organisme et les acides aminés essentiels - les acides aminés qui ne sont pas synthétisés dans l'organisme. Les acides aminés essentiels doivent être apportés à l’organisme par l’alimentation.

Selon la composition en acides aminés, les protéines sont complètes, s'ils contiennent l'ensemble des acides aminés essentiels et défectueux, si certains acides aminés essentiels manquent dans leur composition.

La formule générale des acides aminés est présentée sur la figure. Tous α -acides aminés à α L'atome de carbone contient un atome d'hydrogène, un groupe carboxyle (-COOH) et un groupe amino (-NH 2). Le reste de la molécule est représenté par un radical.

Le groupe amino attache facilement un ion hydrogène, c'est-à-dire présente des propriétés de base. Le groupe carboxyle abandonne facilement un ion hydrogène et présente les propriétés d'un acide. Les acides aminés sont amphotère composés, car en solution, ils peuvent agir à la fois comme acides et comme bases. Dans les solutions aqueuses, les acides aminés existent sous différentes formes ioniques. Cela dépend du pH de la solution et du fait que l'acide aminé soit neutre, acide ou basique.

En fonction du nombre de groupes amino et de groupes carboxyle inclus dans la composition des acides aminés, on distingue les acides aminés neutres, ayant un groupe carboxyle et un groupe amino, les acides aminés basiques, qui ont un groupe aminé supplémentaire dans le radical, et les acides aminés acides. les acides, qui ont un groupe carboxyle supplémentaire dans le radical.

Peptides– des substances organiques constituées d'un petit nombre de résidus d'acides aminés reliés par une liaison peptidique. La formation de peptides résulte de la réaction de condensation des acides aminés. (Fig. 4.6).

Lorsque le groupe amino d'un acide aminé interagit avec le groupe carboxyle d'un autre, une liaison covalente azote-carbone se produit entre eux, appelée peptide. Selon le nombre de résidus d'acides aminés inclus dans le peptide, on distingue les dipeptides, les tripeptides, les tétrapeptides, etc. La formation d’une liaison peptidique peut être répétée plusieurs fois. Cela conduit à la formation polypeptides. Si un polypeptide est constitué d'un grand nombre de résidus d'acides aminés, il est alors déjà appelé protéine. À une extrémité de la molécule se trouve un groupe amino libre (appelé extrémité N) et à l’autre extrémité, un groupe carboxyle libre (appelé extrémité C).

Structure d'une molécule de protéine

L'exécution de certaines fonctions spécifiques par les protéines dépend de la configuration spatiale de leurs molécules ; de plus, il est énergétiquement défavorable pour la cellule de maintenir les protéines sous une forme dépliée, sous forme de chaîne, c'est pourquoi les chaînes polypeptidiques subissent un repliement, acquérant ainsi une certaine structure tridimensionnelle, ou conformation. Il existe 4 niveaux d'organisation spatiale des protéines.

Structure primaire protéine - la séquence d'arrangement des résidus d'acides aminés dans la chaîne polypeptidique qui constitue la molécule protéique. La liaison entre les acides aminés est une liaison peptidique.

La structure primaire d'une molécule protéique détermine les propriétés des molécules protéiques et sa configuration spatiale. Le remplacement d'un seul acide aminé par un autre dans une chaîne polypeptidique entraîne une modification des propriétés et des fonctions de la protéine.

Par exemple, le remplacement du sixième acide aminé glutamine dans la sous-unité b de l'hémoglobine par de la valine conduit au fait que la molécule d'hémoglobine dans son ensemble ne peut pas remplir sa fonction principale - le transport de l'oxygène (dans de tels cas, une personne développe une maladie - drépanocytose anémie).

La première protéine dont la séquence d’acides aminés a été identifiée était l’hormone insuline. Des recherches ont été menées à l'Université de Cambridge par F. Sanger de 1944 à 1954. Il a été constaté que la molécule d'insuline est constituée de deux chaînes polypeptidiques (21 et 30 résidus d'acides aminés) maintenues l'une près de l'autre par des ponts disulfure. Pour son travail minutieux, F. Sanger a reçu le prix Nobel.

Riz. 4.6. Structure primaire d'une molécule protéique

Structure secondaire– repliement ordonné de la chaîne polypeptidique en hélice α(ressemble à un ressort allongé) et Structure β (couche pliée). DANS α- spirales Groupe NH de ce résidu d'acide aminé interagit avec Groupe CO le quatrième reste. Presque tous les groupes « CO » et « NH » participent à la formation de liaisons hydrogène. Ils sont plus faibles que les peptides, mais, répétés plusieurs fois, confèrent stabilité et rigidité à cette configuration. Au niveau de la structure secondaire, on trouve des protéines : fibroïne (soie, toile d'araignée), kératine (cheveux, ongles), collagène (tendons).

Structure tertiaire- pose de chaînes polypeptidiques dans globules, résultant de l'apparition de liaisons chimiques (hydrogène, ionique, disulfure) et de l'établissement d'interactions hydrophobes entre les radicaux des résidus d'acides aminés. Le rôle principal dans la formation de la structure tertiaire est joué par les interactions hydrophiles-hydrophobes. Dans les solutions aqueuses, les radicaux hydrophobes ont tendance à se cacher de l'eau et se regroupent à l'intérieur du globule, tandis que les radicaux hydrophiles, du fait de l'hydratation (interaction avec les dipôles de l'eau), ont tendance à apparaître à la surface de la molécule.

Dans certaines protéines, la structure tertiaire est stabilisée par des liaisons covalentes disulfure formées entre les atomes de soufre de deux résidus de cystéine. Au niveau de la structure tertiaire se trouvent des enzymes, des anticorps et certaines hormones. En fonction de la forme de la molécule, les protéines se distinguent entre globulaires et fibrillaires. Si les protéines fibrillaires remplissent principalement des fonctions de soutien, alors les protéines globulaires sont solubles et remplissent de nombreuses fonctions dans le cytoplasme des cellules ou dans l'environnement interne de l'organisme.

Structure quaternaire caractéristique des protéines complexes dont les molécules sont formées de deux ou plusieurs globules. Les sous-unités sont maintenues dans la molécule exclusivement par des liaisons non covalentes, principalement hydrogène et hydrophobes.

La protéine de structure quaternaire la plus étudiée est hémoglobine. Il est formé de deux sous-unités a (141 résidus d'acides aminés) et de deux sous-unités b (146 résidus d'acides aminés).Chaque sous-unité est associée à une molécule d'hème contenant du fer. De nombreuses protéines à structure quaternaire occupent une position intermédiaire entre les molécules et les organites cellulaires - par exemple, les microtubules du cytosquelette sont constitués de protéines tubuline, composé de deux sous-unités. Le tube s'allonge grâce à la fixation de dimères à son extrémité.

Si, pour une raison quelconque, la conformation spatiale des protéines s'écarte de la normale, la protéine ne peut pas remplir ses fonctions.

Riz. 4.7. Structures des molécules protéiques

Propriétés des protéines

1. Les protéines sont composés amphotères, combinent des propriétés basiques et acides déterminées par les radicaux d'acides aminés. Il existe des protéines acides, basiques et neutres. La capacité de faire un don et d'ajouter du H + est déterminée propriétés du tampon protéines, l’un des tampons les plus puissants est l’hémoglobine présente dans les globules rouges, qui maintient le pH du sang à un niveau constant.
2. Il y a des écureuils soluble, Il y a insoluble protéines qui remplissent des fonctions mécaniques (fibroïne, kératine, collagène).
3. Il existe des protéines chimiquement actif(enzymes), manger chimiquement inactif.
4. Manger durableà l'influence de diverses conditions environnementales et extrêmement instable. Des facteurs externes (changements de température, composition saline de l'environnement, pH, rayonnement) peuvent perturber l'organisation structurelle de la molécule protéique.
5. Le processus de perte de la conformation tridimensionnelle inhérente à une molécule protéique donnée est appelé dénaturation. La cause de la dénaturation est la rupture des liaisons qui stabilisent une certaine structure protéique. Dans le même temps, la dénaturation ne s'accompagne pas d'une destruction de la chaîne polypeptidique. Un changement dans la configuration spatiale entraîne une modification des propriétés de la protéine et, par conséquent, rend impossible à la protéine de remplir ses fonctions biologiques inhérentes. .
6. La dénaturation peut être : réversible, le processus de restauration de la structure des protéines après dénaturation est appelé renaturation. Si la restauration de la configuration spatiale de la protéine est impossible, alors la dénaturation est appelée irréversible.
7. La destruction de la structure primaire d’une molécule protéique est appelée dégradation.

Riz. 4.8. Dénaturation et renaturation des protéines

Fonctions des protéines

Les protéines remplissent diverses fonctions dans la cellule.

Protéines à tertiaire organisation structurelle, mais dans la plupart des cas, seule la transition des protéines d'organisation tertiaire vers une structure quaternaire assure une fonction spécifique.

Fonction enzymatique

Toutes les réactions biologiques dans une cellule se produisent avec la participation de catalyseurs biologiques spéciaux - des enzymes, et toute enzyme est une protéine ; les enzymes sont localisées dans tous les organites cellulaires et dirigent non seulement le cours de diverses réactions, mais les accélèrent également par dizaines et centaines de milliers. de fois. Chaque enzyme est strictement spécifique.

Ainsi, la dégradation de l'amidon et sa transformation en sucre (glucose) sont provoquées par l'enzyme amylase, le sucre de canne est décomposé uniquement par l'enzyme invertase, etc.

De nombreuses enzymes sont utilisées depuis longtemps dans les industries médicale et alimentaire (boulangerie, brasserie, etc.).

Les enzymes sont spécifiques : elles peuvent catalyser un type de réaction : une molécule de substrat spécifique pénètre dans le centre actif.

Puisque presque toutes les enzymes sont des protéines (il existe ribozymes, ARN qui catalysent certaines réactions), leur activité est la plus élevée lorsqu'elle est physiologiquement conditions normales: la plupart des enzymes fonctionnent le plus activement uniquement lorsque une certaine température, pH et vitesse dépendent de la concentration de l'enzyme et du substrat.

Lorsque la température augmente jusqu'à une certaine valeur (en moyenne jusqu'à 50°C), l'activité catalytique augmente (pour chaque 10°C, la vitesse de réaction augmente environ 2 fois).

Fonction structurelle

Les protéines font partie de toutes les membranes entourant et imprégnant la cellule et les organites.

Lorsqu’elles sont combinées à l’ADN, les protéines constituent le corps des chromosomes et lorsqu’elles sont combinées à l’ARN, elles constituent le corps des ribosomes.

Les solutions de protéines de faible poids moléculaire font partie des fractions liquides des cellules.

Fonction de régulation

Certaines protéines sont des hormones - des substances biologiquement actives libérées dans le sang par diverses glandes qui participent à la régulation des processus métaboliques.

Les hormones insuline et glucagon régule le niveau de glucides dans le sang.

Fonction de transport

Ce sont des protéines qui sont associées au transfert d'oxygène, ainsi que d'hormones dans le corps des animaux et des humains (cela est réalisé par la protéine sanguine, l'hémoglobine).

La fonction motrice

Tous les types de réactions motrices cellulaires sont réalisés par des protéines contractiles spéciales, l'actine et la myosine, qui déterminent la contraction musculaire, le mouvement des flagelles et des cils chez les protozoaires, le mouvement des chromosomes pendant la division cellulaire et le mouvement des plantes.

Fonction de protection

De nombreuses protéines forment une enveloppe protectrice qui protège le corps des influences nocives, par exemple les formations cornées - cheveux, ongles, sabots, cornes. Il s'agit d'une protection mécanique. En réponse à l'introduction de protéines étrangères (antigènes) dans l'organisme, les cellules sanguines produisent des substances protéiques (anticorps) qui les neutralisent, protégeant ainsi l'organisme des effets néfastes. Il s'agit d'une défense immunologique.

Fonction énergétique

Les protéines peuvent servir de source d'énergie. En se décomposant en produits de dégradation finale - dioxyde de carbone, eau et substances contenant de l'azote, ils libèrent l'énergie nécessaire à de nombreux processus vitaux dans la cellule 17,6 KJ.

Fonction du récepteur

Les protéines réceptrices sont des molécules protéiques intégrées à la membrane qui peuvent modifier leur structure en réponse à l'ajout d'une certaine substance chimique.

Fonction de stockage

Cette fonction est assurée par des protéines dites de réserve, qui sont des sources de nutrition pour le fœtus, par exemple les protéines de l'œuf (ovalbumine). La principale protéine du lait (caséine) a également une fonction essentiellement nutritionnelle.

Un certain nombre d'autres protéines sont utilisées dans l'organisme comme source d'acides aminés, qui sont à leur tour des précurseurs de substances biologiquement actives qui régulent les processus métaboliques.

Fonction toxique

Toxines, substances toxiques d'origine naturelle. En règle générale, les toxines comprennent des composés de haut poids moléculaire (protéines, polypeptides, etc.), lorsqu'elles pénètrent dans l'organisme, des anticorps sont produits.

Selon la cible d'action, les toxines sont réparties dans les groupes suivants :

Les poisons hématiques sont des poisons qui affectent le sang.

Les neurotoxines sont des poisons qui affectent le système nerveux et le cerveau.

Les poisons myoxiques sont des poisons qui endommagent les muscles.

Les hémotoxines sont des toxines qui endommagent les vaisseaux sanguins et provoquent des saignements.

Les toxines hémolytiques sont des toxines qui endommagent les globules rouges.

Les néphrotoxines sont des toxines qui endommagent les reins.

Les cardiotoxines sont des toxines qui endommagent le cœur.

Les nécrotoxines sont des toxines qui détruisent les tissus, entraînant leur mort (nécrose).

Les substances toxiques, les phallotoxines et les amatoxines, sont contenues dans divers types: champignon vénéneux pâle, amanite mouche puante, printemps.

Les glucides

Les glucides, ou saccharides, - les substances organiques, qui comprennent le carbone, l'oxygène et l'hydrogène. Les glucides représentent environ 1 % de la masse de matière sèche des cellules animales et jusqu'à 5 % dans les cellules hépatiques et musculaires. Les cellules végétales sont les plus riches en glucides (jusqu'à 90 % de la masse sèche).

La composition chimique des glucides est caractérisée par leur formule générale C m (H 2 O) n, où m≥n. Le nombre d’atomes d’hydrogène dans les molécules de glucides est généralement deux fois supérieur au nombre d’atomes d’oxygène (c’est-à-dire le même que dans une molécule d’eau). D'où le nom - glucides.

Il y en a beaucoup plus dans les cellules végétales que dans les cellules animales. Les glucides ne contiennent que du carbone, de l'hydrogène et de l'oxygène.

Les glucides les plus simples comprennent les sucres simples (monosaccharides). Ils contiennent cinq (pentoses) ou six (hexoses) atomes de carbone et le même nombre de molécules d'eau.

Des exemples de monosaccharides sont le glucose et le fructose, présents dans de nombreux fruits végétaux. Outre les plantes, le glucose se trouve également dans le sang.

Les glucides complexes sont constitués de plusieurs molécules de glucides simples. Un disaccharide est formé de deux monosaccharides.

Le sucre de table (saccharose), par exemple, est constitué d'une molécule de glucose et d'une molécule de fructose.

Beaucoup plus grand nombre des molécules de glucides simples sont incluses dans des glucides complexes tels que l'amidon, le glycogène et les fibres (cellulose).

Dans une molécule de fibre, par exemple, il y a de 300 à 3 000 molécules de glucose.

Fonctions des glucides

Fonction énergétique

l'une des principales fonctions des glucides. Les glucides (glucose) sont les principales sources d'énergie du corps animal. Fournit jusqu'à 67% de la consommation énergétique quotidienne (au moins 50%). Lorsque 1 g de glucides est décomposé, 17,6 kJ d'eau et de dioxyde de carbone sont libérés.

Fonction de sauvegarde

s'exprime dans l'accumulation d'amidon dans les cellules végétales et de glycogène dans les cellules animales, qui jouent le rôle de sources de glucose, le libérant facilement selon les besoins.

Fonction de support et de construction

Les glucides font partie des membranes cellulaires et des parois cellulaires (la cellulose fait partie de la paroi cellulaire des plantes, la coquille des arthropodes est formée de chitine, la muréine forme la paroi cellulaire des bactéries). En se combinant avec les lipides et les protéines, ils forment des glycolipides et des glycoprotéines. Le ribose et le désoxyribose font partie des monomères des nucléotides.

Fonction du récepteur

Les fragments d'oligosaccharides des glycoprotéines et des glycolipides des parois cellulaires remplissent une fonction de récepteur, percevant les signaux provenant de l'environnement extérieur.

Protecteur fonction

Le mucus sécrété par diverses glandes est riche en glucides et en leurs dérivés (par exemple les glycoprotéines). Ils protègent l'œsophage, les intestins, l'estomac et les bronches des dommages mécaniques et empêchent les bactéries et les virus de pénétrer dans l'organisme.

Lipides

Les lipides sont un groupe de composés organiques qui ne possèdent pas une seule caractéristique chimique. Leur point commun est qu’ils sont tous insolubles dans l’eau, mais très solubles dans les solvants organiques (éther, chloroforme, essence).

Il existe des lipides simples et complexes.

Les lipides simples sont des substances à deux composants qui sont des esters d'acides gras supérieurs et un peu d'alcool, le plus souvent du glycérol.

Les lipides complexes sont constitués de molécules à plusieurs composants.

Depuis lipides simples considérer graisses et cires.

Graisses largement répandu dans la nature. Les graisses sont des esters d'acides gras supérieurs et d'alcool trihydrique - glycérol. En chimie, ce groupe de composés organiques est généralement appelé triglycérides, car les trois groupes hydroxyle du glycérol sont associés aux acides gras.

Plus de 500 acides gras ont été trouvés dans les triglycérides, dont les molécules ont une structure similaire.

Comme les acides aminés, les acides gras ont le même groupe pour tous les acides : un groupe carboxyle hydrophile (–COOH) et un radical hydrophobe, qui les distingue les uns des autres. Par conséquent, la formule générale des acides gras est R-COOH. Le radical est une queue d'hydrocarbure qui diffère selon les différents acides gras par le nombre de groupes –CH 2.

La plupart de les acides gras contiennent dans la « queue » un nombre pair d'atomes de carbone, de 14 à 22 (le plus souvent 16 ou 18). De plus, la queue d’hydrocarbure peut contenir un nombre variable de doubles liaisons. Basés sur la présence ou l'absence de doubles liaisons dans la queue d'hydrocarbure, ils distinguent les acides gras saturés, qui ne contiennent pas de doubles liaisons dans la queue d'hydrocarbure et d'acides gras insaturés qui ont doubles liaisons entre les atomes de carbone (-CH=CH-). Si les acides gras saturés prédominent dans les triglycérides, alors ils sont solides à température ambiante (graisses), s'ils sont insaturés, ils sont liquides (huiles). La densité des graisses est inférieure à celle de l'eau, donc dans l'eau elles flottent et se trouvent à la surface.

La cire– un groupe de lipides simples, qui sont des esters d’acides gras supérieurs et d’alcools de poids moléculaire plus élevé. On les trouve aussi bien dans le règne animal que dans le règne végétal, où ils remplissent principalement des fonctions protectrices.

Chez les plantes, par exemple, ils recouvrent les feuilles, les tiges et les fruits d'une fine couche, les protégeant de l'humidité et de la pénétration des micro-organismes. La durée de conservation des fruits dépend de la qualité de la couche de cire. Le miel est stocké sous le couvert de cire d'abeille et les larves se développent.

Aux lipides complexes comprennent les phospholipides, les glycolipides, les lipoprotéines, les stéroïdes, les hormones stéroïdes, les vitamines A, D, E et K.

Phospholipides– les esters d'alcools polyhydriques avec des acides gras supérieurs contenant un résidu d'acide phosphorique. Parfois, des groupes supplémentaires (bases azotées, acides aminés) peuvent lui être associés.

En règle générale, une molécule de phospholipide contient deux résidus d'acide gras supérieurs et un résidu d'acide phosphorique. Les phospholipides sont présents dans toutes les cellules des êtres vivants, participant principalement à la formation de la bicouche phospholipidique des membranes cellulaires - les résidus d'acide phosphorique sont hydrophiles et toujours dirigés vers la surface externe et interne de la membrane, et les queues hydrophobes sont dirigées les unes vers les autres à l'intérieur. la membrane.

Glycolipides- Ce sont des dérivés glucidiques des lipides. Leurs molécules, ainsi que l'alcool polyhydrique et les acides gras supérieurs, contiennent également des glucides. Ils sont localisés principalement sur la surface externe de la membrane plasmique, où leurs composants glucidiques sont inclus parmi d’autres glucides de la surface cellulaire.

Lipoprotéines– des molécules lipidiques associées aux protéines. Il y en a beaucoup dans les membranes, les protéines peuvent pénétrer de part en part dans la membrane, se situent sous ou au-dessus de la membrane et peuvent être immergées dans la bicouche lipidique à différentes profondeurs.

Lipoïdes- des substances grasses. Ceux-ci inclus stéroïdes(largement distribués dans les tissus animaux, le cholestérol et ses dérivés - hormones du cortex surrénalien - minéralocorticoïdes, glucocorticoïdes, estradiol et testostérone - hormones sexuelles féminines et masculines, respectivement). Les lipides comprennent les terpènes ( huiles essentielles, dont dépend l'odeur des plantes), les gibbérellines (substances de croissance des plantes), certains pigments (chlorophylle, bilirubine), les vitamines liposolubles (A, D, E, K).

Les fonctions des lipides sont présentées dans le tableau 4.1.

Tableau 4.2.

Fonctions des graisses

Riz. 9. Structure chimique des lipides et des glucides

Adénosine triphosphate (ATP)

Il fait partie de toute cellule, où il remplit l'une des fonctions les plus importantes : le stockage d'énergie. Les molécules d'ATP sont constituées de la base azotée adénine, du glucide ribose et de trois molécules d'acide phosphorique.

Les liaisons chimiques instables qui relient les molécules d'acide phosphorique dans l'ATP sont très riches en énergie (liaisons macroergiques) : lorsque ces liaisons sont rompues, de l'énergie est libérée et utilisée dans une cellule vivante pour soutenir les processus vitaux et la synthèse de substances organiques.

Riz. 4.10. La structure de la molécule d'ATP

4.4. Tâche pratique

Instructions

Les principaux éléments présents dans les cellules sont l'hydrogène, le carbone, l'oxygène et l'azote. Ces éléments chimiques sont dits biogéniques car ils jouent rôle décisif dans la vie des cellules. Ils représentent quatre-vingt-quinze pour cent de la masse cellulaire totale. Ces éléments sont complétés par des substances telles que le soufre et le phosphore qui, avec les éléments biogènes, forment les molécules des principaux composés organiques des cellules.

La présence de macroéléments est tout aussi importante pour le fonctionnement. Leur nombre est faible, moins d'un pour cent de la masse totale, mais inestimable. Les macroéléments comprennent des substances telles que le sodium, le potassium, le chlore, le magnésium et le calcium.

Tous les macroéléments se trouvent dans les cellules sous forme d'ions et sont directement impliqués dans un certain nombre de processus cellulaires Par exemple, les ions calcium sont impliqués dans les contractions musculaires, les fonctions motrices et la coagulation sanguine, et les ions sont responsables du fonctionnement des ribosomes. Les cellules végétales ne peuvent pas non plus se passer du magnésium : il fait partie de la chlorophylle et assure le fonctionnement des mitochondries. Le sodium et le potassium, éléments présents dans les cellules humaines, sont à leur tour responsables de la transmission de l'influx nerveux et du rythme cardiaque.

Les microéléments n'ont pas une importance fonctionnelle moins importante - des substances dont la teneur ne dépasse pas un centième de pour cent de la masse totale des cellules. Il s'agit du fer, du zinc, du manganèse, du cuivre, du cobalt, du zinc, et pour un certain type de cellule également du bore, de l'aluminium, du chrome, du fluor, du sélénium, du molybdène, de l'iode et du silicium.

L'importance des éléments qui composent les cellules ne se reflète pas en pourcentages. Par exemple, sans cuivre, le fonctionnement des processus redox serait fortement remis en question ; de plus, cet élément, malgré sa faible teneur dans les cellules, a grande importance dans la vie des mollusques, responsable du transport de l'oxygène dans tout le corps.

Le fer est un microélément comme le cuivre et sa teneur dans les cellules est faible. Mais sans cette substance personne en bonne santé C’est tout simplement impossible à imaginer. L'hémoglobine hème et de nombreuses enzymes ne peuvent se passer de cet élément. Le fer est également un porteur d'électrons.

Les cellules des algues, des éponges, des prêles et des mollusques ont besoin d'un élément tel que le silicium. Son rôle chez les vertébrés n'est pas moins prononcé - sa plus grande partie se trouve dans les ligaments et le cartilage. Le fluor se trouve en grande quantité dans les cellules de l'émail des dents et des os, et le bore est responsable de la croissance des organismes végétaux. Même la plus petite teneur en microéléments dans les cellules a sa signification et joue son rôle discret mais important.

Un groupe distinct parmi les macroéléments se compose de éléments organogènes(O, C, H, N), qui forment les molécules de toutes les substances organiques.

Macroéléments, leur rôle dans la cellule.Éléments organogènes - l'oxygène, le carbone, l'hydrogène et l'azote représentent ≈98 % du contenu chimique de la cellule. Ils forment facilement des liaisons covalentes en partageant deux électrons (un de chaque atome) et forment ainsi une grande variété de substances organiques dans la cellule.

D'autres macroéléments présents dans les cellules animales et humaines (potassium, sodium, magnésium, calcium, chlore, fer) sont également vitaux, représentant environ 1,9 %.

Ainsi, les ions Potassium et Sodium régulent la pression osmotique dans la cellule, déterminent le rythme normal de l'activité cardiaque, l'apparition et la conduction de l'influx nerveux. Les ions calcium participent à la coagulation du sang et à la contraction des fibres musculaires. Les sels de calcium insolubles participent à la formation des os et des dents.

Les ions magnésium jouent un rôle important dans le fonctionnement des ribosomes et des mitochondries. Le fer fait partie de l'hémoglobine.

Les microéléments, leur rôle dans la cellule. Le rôle biologique des micro et ultramicroéléments n'est pas déterminé par leur pourcentage, mais par le fait qu'ils font partie des enzymes, des vitamines et des hormones. Par exemple, le cobalt fait partie de la vitamine B12, l'iode fait partie de l'hormone thyroxine et le cuivre fait partie des enzymes qui catalysent les processus redox.

Ultramicroéléments, leur rôle dans la cellule. Leur concentration ne dépasse pas 0,000001 %. Il s'agit des éléments suivants : or, argent, plomb, uranium, sélénium, césium, béryllium, radium, etc. Le rôle physiologique de nombreux éléments chimiques n'est pas encore établi, mais ils sont nécessaires au fonctionnement normal de l'organisme. Par exemple, une carence en ultramicroélément Sélénium conduit au développement d’un cancer.

Informations générales sur signification biologique Les principaux éléments chimiques contenus dans les cellules des organismes vivants sont présentés dans le tableau 4.1.

Lorsqu'il y a une pénurie d'un élément chimique important dans le sol d'une certaine région, ce qui provoque sa carence dans le corps résidents locaux, soi-disant maladies endémiques.

Tous les éléments chimiques sont contenus dans la cellule sous forme d'ions ou font partie de substances chimiques.

Tableau 4.1. Éléments chimiques de base de la cellule et leur importance pour la vie et l'activité des organismes

Produits chimiques cellulaires