Химический состав живых организмов

Неорганические соединения в клетке

Вода (Н₂О)

Самое распространенное соединение в живых организмах. Вода имеет две формы: свободная - составляет 95% всей воды и связанная - 4%.

Содержание ее в  различных клетках колеблется от10% (в эмали зубов), 20% (в костной  ткани), 40 % (в жировой) до 90 % в клетках  развивающегося зародыша. С возрастом количество воды в клетках любого организма заметно снижается.

Исключительно важная роль воды обусловлена ее физико-химическими  свойствами. Полярность молекул и  способность образовывать водородные связи делают воду хорошим растворителем  для огромного количества веществ (сахара, диссоциированные соли, простые спирты, некоторые аминокислоты).

Функции воды:

1. Универсальный растворитель.
2. Транспортная.
3. Терморегуляторная (поддерживает тепловое равновесие клетки и организма в целом благодаря высокой теплоемкости и теплопроводности).
4. Осморегуляторная (принимает участие в явлениях осмоса, на котором основаны движение воды по проводящей системе растений и напряжение стенок растительных клеток – тургор; кровообращение).
5. Участвует в химических реакциях (участвует в обменных процессах, необходима для окисления и гидролиза белков, углеводов, жиров).
6. Среда, в которой протекают биохимические реакции.
7. Служит источником H⁺ при фотосинтезе.

Минеральные соли и кислоты

Большая часть минеральных  солей находится в диссоциированном состоянии в виде ионов. Наиболее важные из них катионы - это К⁺, Na⁺, Mg²⁺, NH₄⁺; анионы СI^-, HPO₄^2-, HCO₃^-, H₂PO₄^-, NO₃^-. Концентрация ионов в клетке и окружающей ее среде неодинаковая. Например, содержание калия в клетках выше, чем в межклеточном пространстве. Катионов натрия, наоборот, меньше в клетке. Снижение концентрации ионов К в клетке приводит к уменьшению в ней воды, количество которой возрастает в межклеточном пространстве тем больше, чем выше в межклеточной жидкости концентрация Na⁺. Уменьшение катионов натрия в межклеточном пространстве приводит к уменьшению в нем содержания воды. Неравномерное распределение ионов калия и натрия с наружной и внутренней стороны мембран нервных и мышечных клеток обеспечивает возможность возникновения и распространения электрических импульсов.

Функции минеральных солей:

1. Буфферность межклеточной жидкости (кислотно-щелочное равновесие плазмы, за счет поддержания определенной концентрации ионов водорода, обеспечивающей слабощелочную рН=7,2 при участии фосфатной и бикарбонатной систем).
2. Постоянное осмотическое давление (7,6 атм).
3. Активация ферментов.
4. Источник строительного материала для синтеза органических соединений (например, остаток РО₄^3- образует макроэргические связи АТФ, влияет на физиологическую активность белков и ферментов).
5. Обеспечивают раздражимость (К⁺, Na⁺, Са⁺²).
6. Обеспечивают сцепление клеток в многоклеточном организме (Са²⁺).
7. Нерастворимые соли Са₃(РО₄)₂ входит в состав межклеточного вещества костной ткани, раковин моллюсков, обеспечивая защиту и прочность.

Органические соединения в клетке

Белки

Белки — высокомолекулярные биополимеры, мономерами которых являются 20 аминокислот. В состав аминокислот входят: -NH₂- аминогруппа, обладающая основными свойствами и -СООН- карбоксильная группа, имеющая кислотные свойства. Аминокислоты отличаются друг от друга своими радикалами -R. Аминокислоты - амфотерные соединения, соединяющиеся друг с другом в молекуле белка с помощью пептидных связей.

Белки бывают простые  и сложные. Простые белки состоят  только из аминокислот (альбумины, глобулины, фибриноген, миозин). В состав сложных белков, кроме аминокислот, входят и другие органические соединения - жиры (липопротеиды), углеводы (гликопротеиды), металлы (металлопротеиды).

Уровни организации белковой молекулы

Первичная структура – это последовательность аминокислот, соединенных пептидными связями в определенной последовательности в полипептидной цепи (рис.3.).

Рис.3. Нативная структура белка ( из интернета www varson . ru )

Вторичная структура - свернутая в спираль посредством водородных связей, полипептидная цепь.

Третичная структура - дальнейшая укладка спирали, обуславливающая специфическую конфигурацию каждого белка в виде глобулы. Она стабилизируется ионными, водородными, ковалентными, гидрофобными связями. Биологическую активность белок проявляет только в виде третичной структуры.

Четвертичная  структура - глобулярные структуры объединяются вместе в единый комплекс за счет гидрофобных, водородных, ионных связей при участии неорганических компонентов (например, гемоглобин) (Рис.4).

Рис. 4. Уровни организации белков: 1 – первичный; 2 – вторичный; 3 – третичный;4 –  четвертичный.

Свойства белков

1. Водорастворимость.
2. Большой поверхностный заряд.
3. Буферные свойства.
4. Де- и ренатурация. При воздействии высокой температуры, кислот и других факторов сложные белковые молекулы разрушаются. Это явление называется денатурацией. При возвращении нормальных условий денатурированный белок способен восстановить свою структуру вновь, если не разрушается его первичная структура. Этот процесс называется ренатурацией.
5. Специфичность. Каждый вид организмов характеризуются специфичностью белков. В одном и том же организме каждая ткань имеет свои белки - это тканевая специфичность. Введение животному чужеродного белка – антигена, вызывает образование специфических белков – антител.

Функции белков

1. Ферментативная (каталитическая) ускорение химических реакций в клетке в сотни раз. Ферменты – биологические катализаторы, характеризующиеся следующими свойствами: а) это – глобулярные белки; б) их присутствие не влияет ни на природу, ни на свойства конечных продуктов реакции; в) их активность меняется в зависимости от рН, температуры, давления, концентрации субстрата; г) белки обладают специфичностью; д) увеличивая скорость реакции, ферменты не расходуются.
2. Структурная - участвуют в образовании клеточных мембран и органоидов.
3. Транспортная осуществляют перенос различных веществ, ионов через клеточную мембрану, гормонов и кислорода к органам и тканям.
4. Защитная - выражается, например, в форме выработки антител в ответ на проникновение в организм чужеродных белков или клеток.
5. Двигательная - обеспечивается особыми сократительными белками, участвующими во всех видах движения: мерцание ресничек, движение жгутиков у простейших, сокращение мышц у животных, движение листьев у растений.
6. Регуляторная - например, белки-гормоны: инсулин, белки-ингибиторы; белки – активаторы.
7. Энергетическая - при расщеплении 1г белка выделяется 4,2 ккал (17,6 кДж) энергии.

Жиры (липиды)

Жиры представляют собой сложные эфиры высших карбоновых кислот и многоатомного спирта – глицерина. Жиры нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях: в эфире, хлороформе, бензоле (Рис.5).

Рис. 5 Строение жиров.

Липоиды – жироподобные вещества, к которым относятся  фосфолипиды, пигменты – хлорофиллы, каротины, стероиды, воска, некоторые витамины (А, Д, Е, К).

Функции липидов

1. С труктурная - компоненты клеточных мембран.
2. Энергетическая - в ходе расщепления 1г жира выделяется 9,2 ккал (38,9 кДж) энергии.
3. Защитная - подкожный жировой слой, благодаря плохой теплопроводнрсти защищает от потери тепла, механических повреждений.
4. Источник метаболической воды - при окислении 100г жира образуется 105г воды.
5. Регуляция обменных процессов - например, стероидные гормоны.

 

Рис.6. Липиды входят в состав плазматических мембран ( из Интернета http://nauka.relis.ru/08/0512/08512072.htm )

Углеводы (сахариды)

Органические вещества, с общей формулой С_n(Н₂О)_n.

Рис.7. Изображение  молекул углеводов (моносазаридов) на плоскости (из Интернета http://www.xumuk.ru/uglevody/003.html )

Углеводы делятся  на 3 группы: моносахариды, дисахариды, полисахариды (Рис.7,8).

Моносахариды  – триозы - С_3: (молочная кислота); пентозы С₅ (рибоза, дезоксирибоза), гексозы С₆ (глюкоза, фруктоза, галактоза).

Дисахариды  – объединение двух моносахаридов: мальтоза состоит из 2-х молекул глюкозы, лактоза – из глюкозы + галактозы, сахароза - из глюкозы +фруктозы.

Полисахариды  – представляют собой длинные цепи, построенные из многих моносахаридных единиц. Цепи могут быть линейными и разветвленными. Наиболее широко распространенными полисахаридами у растений являются крахмал и целлюлоза (крахмал – запасное вещество в клетке растений, основной источник энергии; целлюлоза входит в состав внеклеточных волокнистых и одревесневших растительных тканей).

Рис.8. Пример строения молекул полисахаридов(из Интернета http://www.xumuk.ru/uglevody/003.html )

В тканях животных, человека и грибов содержится гликоген. Он в  значительных количествах накапливается  в печени, сердце, мышцах. Является поставщиком  глюкозы в крови. В состав клеточных  стенок грибов и членистоногих входит хитин, выполняющий опорную функцию.

Свойства углеводов : моно- и дисахариды растворимы в  воде, сладкие на вкус, кристаллизуются. Полисахариды, наоборот, несладкие, нерастворимые  в воде, не кристаллизуются.

Функции углеводов

1. строительная и опорная (моносахариды, первичные продукты фотосинтеза, служат исходным материалом для построения разнообразных органических веществ. Сложные полисахариды и их производные входят в состав плазматической мембраны, оболочки растительных и бактериальных клеток, наружного скелета членистоногих);
2. энергетическая - при окислении 1г углеводов освобождается 17,6 кДж энергии.
3. защитная - слизь, выделяемая различными железами, содержит углеводы. Она предохраняет стенки полых органов (бронхи, желудок, кишечник) от механических повреждений. Обладая антисептическими свойствами, слизь защищает организм от проникновения болезнетворных бактерий.

Нуклеиновые кислоты

Выполняют главную  роль в хранении и передаче генетической информации (Рис.9).

 

Рис.9. ДНК и жизнь ( http://www.artonline.ru/painting_info/15008 )

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)

ДНК находится в  ядре, где она вместе с белками  образует хромосомы. Хромосомы хорошо видны при микроскопировании  в период деления ядра; в интерфазе  они деспирализованы. ДНК имеется  в митохондриях и пластидах, где  их молекулы образуют кольцевые структуры. В цитоплазме прокариот также присутствует кольцевая ДНК.

 

Рис.10 ДНК (фото под электронным микроскопом, http://www.nanolab.kz/various/dnk.html )

Молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) - это самые крупные линейные нерегулярные биополимеры, их мономерами является нуклеотиды (Рис.8). Каждый нуклеотид состоит из: азотистого основания, пентозы - дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты. Нуклеотиды отличаются друг от друга азотистыми основаниями. Различают пуриновые (аденин и гуанин) и пиримидиновые (цитозин и тимин) азотистые основания. Соединение нуклеотидов в нити ДНК происходит через углевод одного нуклеотида и остаток фосфорной кислоты соседнего посредством фосфодиэфирных связей.