Общая характеристика органических соединений

Вещества, в состав которых входят атомы углерода, называютсяорганическими. Многообразие органических веществ обусловлено строением атома углерода и его химическими свойствами, способного образовывать химические связи различного типа между собой и атомами O, N, H. Атомы углерода способны образовывать стабильные цепи и кольца, служащие скелетами макромолекул. Среди органических веществ наибольшее биологическое значение имеют белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры и витамины.

Белки – это природные биополимеры, продукты реакции поликонденсации аминокислот. Аминокислота – полифункциональное органическое вещество, имеющее в своем составе две функциональные группы: аминогруппу (–NH₂) и карбоксильнуюгруппу (–СООН), соединенных с радикалом, также содержащим различные функциональные группы атомов. Природных аминокислот 18-23, их сочетание образует большое количество разновидностей молекул белков. По характеру влияния аминокислот на обмен веществ их разделяют на заменимые и незаменимые. Незаменимые аминокислоты должны обязательно поступать в организм с пищей.

При образовании молекул белков между аминокислотами образуется «пептидная» связь (–C–N–). Белки кроме сложного состава характеризуются и сложным строением белковых молекул. Различают четыре вида структур белковых молекул. Первичная структура – порядок расположения остатков аминокислот в полипептидной цепи. Вторичная структура – пространственное расположение полипептидной цепи (спираль или линейные структуры). Устойчивость молекуле обеспечивается различными химическими связями (водородной, ионной и других видов связи) между отдельными витками спирали. Третичная структура – пространственные расположением спирали, или иной структуры. Четвертичная структура – пространственное расположение субъединиц молекул белка, характерна для сложных белков, например гемоглобина.

Белок в живом веществе по структуре отличается от белка, подвергшегося воздействию, при котором он теряет структуру (четвертичную или третичную структуру белковой молекулы) и свойства живого белка. Неглубокое воздействие называютденатурацией, при которой свойства белка могут восстанавливаться. Одним из видов денатурации являетсяобратимая коагуляция. При необратимой коагуляциинативный белок превращается в«мертвый белок».

По составу различают две группы белков: протеины и протеиды. Протеины – простые белки, молекула образована только белком, например яичный альбумин. Протеиды – сложные белки, молекулы которых состоят из белковой и небелковой составляющих. Протеиды подразделяются на несколько групп, важнейшими из которых являются: гликопротеиды (сложное соединение белка и углевода), липопротеиды (комплекс молекул белка и липидов), нуклеопротеиды (комплекс белков и молекул нуклеиновых кислот).

По форме молекулы среди белков различают две группы: глобулярные и фибриллярные. Молекулы глобулярныхбелков имеютшарообразнуюформу, например у яичного альбумина. Такие белки растворимы в воде, способны к образованию коллоидных растворов. Фибриллярные белки имеют молекулы в форме нитей (фибрилл), например, миозин мышц, фиброин шелка. Фибриллярные белки нерастворимы в воде. По растворимости в различных растворителях белки разделяют на водорастворимые и жирорастворимые.

Функции белков в клетке: структурная, реагентная, каталитическая, энергетическая, запасающая. Функции белков в организме: воспринимающая, проводящая, сократительная, трофическая.

Жиры – органические соединения, являющиеся сложными эфирами, образованными остатками высших жирных кислот и спиртов, например глицерина. Липиды – жироподобные вещества. Среди жиров большое значение имеют глицериды – сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот. В молекулах жиров могут содержаться одинаковые или разные остатки жирных кислот. Глицериды в своем составе содержащие остатки фосфорной кислоты называют фосфоглицеридами.

По характеру углеводородного радикала жирные кислоты бываютпредельными (масляная, пальмитиновая, стеариновая) и непредельными (олеиновая, линолевая, линоленовая). По агрегатному состоянию различаюттвердые и жидкие жиры. Примером твердого жира является тристеарин, жидкого – триолеин. Жидкие и твердые жиры отличаются по составу: в состав жидких жиров входят остатки непредельных жирных кислот, а в состав твердых – предельных жирных кислот.

Функции жиров в организме: строительная, запасная, запасание воды, терморегуляционная, энергетическая, трофическая, защитная.

Углеводы – это органические вещества, состоящие из углерода, водорода и кислорода, имеющие общую формулу С_n(Н₂O)_m. Углеводы подразделяют на моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

Моносахариды – это углеводы, общая формула которых С_n(Н₂О)_n. Моносахариды по числу атомов углерода, содержащихся в молекуле, различают на тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы. Наибольшее биологическое значение имеютпентозы и гексозы.

Пентозы – это моносахариды, молекула которых содержит 5 атомов углерода. Среди них важное биологическое значение имеютрибоза и дезоксирибоза. Формуларибозы – С₅Н₁₀С₅. Рибоза входит в состав рибонуклеотидов, структурных единиц рибонуклеиновой кислоты (РНК). Формуладезоксирибозы – С₅Н₁₀O₄. Дезоксирибоза участвует в образовании дезоксирибонуклеотидов, мономеров дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

Гексозы – это моносахариды, молекулы которых содержат шесть атомов углерода. Общая формула гексоз С₆(Н₂O)₆. Наибольшее значение в природе имеетглюкоза, используемая организмом в качестве универсального питательного вещества и легкодоступного источника энергии.

Дисахаридыобразуются в резудьтате взаимодействия двух молекул моносахаридов. Важнейшим представителем дисахаридов являетсясахароза – продукт взаимодействия глюкозы и фруктозы. Ее формула в общем виде C₁₂H₂₂O₁₁. Для человека сахароза является источник глюкозы.

Полисахариды– это природные полимеры, образующиеся в результате взаимодействия большого количества молекул моносахаридов. Полисахариды на основе гексоз имеют общую формулу (С₆Н₁₀O₅)_n. Наиболее важными из полисахаридов являются крахмал, гликоген и целлюлоза (клетчатка).

Крахмал – это полисахарид, продукт реакции поликонденсации глюкозы. Крахмал выступает основным запасным веществом врастительных клетках, у животных и грибов запасным веществом является гликоген.

Молекулы крахмала имеют две разновидности, одна из которых называетсяамилоза (в этой молекуле нет боковых цепей), а другая –амилопектин, молекулы которых имеют боковые цепи. Гликоген по строению молекул подобен амилопектину. Важнейшим химическим свойством, обусловливающим биолого-экологическую роль крахмала и гликогена, является их способность подвергатьсягидролизу с образованием глюкозы. Для животных крахмал – важнейший пищевой продукт.

Целлюлоза (клетчатка) – полисахарид, являющийся продуктом реакции поликонденсации глюкозы. Ее общая формула (С₆Н₁₀O₅)_n. В отличие от крахмала молекулы целлюлозы строго линейны и имеютфибриллярную («нитчатую») структуру. Целлюлоза образует механически прочные нитчатые структуры, обеспечивающие защиту отдельных органоидов клетки и механическую прочность различных растительных тканей.

В природных условиях клетчатка (после отмирания растений) подвергается разложению, в результате которого возможно образование гумуса, нефти, различных видов каменного угля.

 

 

Лекция 3. Строение клетки

 

Основы клеточной теории

Общий план строения прокариотической клетки

Общий план строения эукариотической клетки

 

Основы клеточной теории

Впервые клетку обнаружил и описал Р. Гук (1665). В XIX в. в трудах Т. Шванна, М. Шлейдена были заложены основы клеточной теории строения организмов. Современную клеточную теорию можно выразить в следующих положениях: все организмы состоят из клеток; клетка является элементарной структурной, генетической и функциональной единицей живого. Развитие всех организмов начинается с одной клетки, поэтому она является элементарной единицей развития всех организмов. В многоклеточных организмах клетки специализируются на выполнении определенных функций.

В зависимости от структурной организации выделяют следующие формы жизни: доклеточные (вирусы) и клеточные. Среди клеточных форм исходя из особенностей организации клеточного наследственного материала выделяют про- и эукариотические клетки.

Вирусы – это организмы, имеющие очень малые размеры (от 20 до 3000 нм). Их жизнедеятельность может осуществляться только внутри клетки организма хозяина. Тело вируса образовано нуклеиновой кислотой (ДНК или РНК), которая содержится в белковой оболочке – капсиде, иногдакапсид покрыт мембраной.

 

Общий план строения прокариотической клетки

Основные компоненты прокариотической клетки: оболочка, цитоплазма. Оболочка состоит из плазмалеммы и поверхностных структур (клеточная стенка, капсула, слизистый чехол, жгутики, ворсинки).

Плазмалемма имеет толщину 7,5 нм и с наружной части образована слоем белковых молекул, под которым находятся два слоя молекул фосфолипидов, а далее располагается новый слой молекул белка. В плазмалемме имеютсяканалы, выстланные белковыми молекулами, через эти каналы осуществляется транспорт различных веществ, как в клетку, так и из нее.

Основной компонент клеточной стенки – муреин. В него могут быть встроены полисахариды, белки (антигенные свойства), липиды. Придает клетке форму, препятствует ее осмотическому набуханию и разрыву. Через поры легко проникают вода, ионы, мелкие молекулы.

Цитоплазма прокариотической клетки выполняет функцию внутренней среды клетки, в ней находятся рибосомы, мезосомы, включения и молекула ДНК.

Рибосомы – органоиды бобовидной формы, состоят из белка и РНК более мелкие (70S-рибосомы), чем у эукариот. Функция – синтез белка.

Мезосомы – система внутриклеточных мембран образующие складчатые впячивания, содержат ферменты дыхательной цепи (синтез АТФ).

Включения: липиды, гликоген, полифосфаты, белки, запасные питательные вещества

Молекула ДНК. Одна гаплоидная кольцевая двухцепочечная суперконденсированная молекула ДНК. Обеспечивает хранение, передачу генетической информации и регуляцию жизнедеятельности клетки.

 

Общий план строения эукариотической клетки

Типичная клетка эукариот состоит из трех составных частей – оболочки, цитоплазмы и ядра. Основу клеточной оболочки составляетплазмалемма (клеточная мембрана) иуглеводно-белковая поверхностная структура.

1. Плазмалемма эукариот отличается от прокариотической меньшим содержанием белков.

2. Углеводно-белковая поверхностная структура. Животные клетки имеют небольшую белковую прослойку (гликокаликс). У растений поверхностная структура клетки – клеточная стенка состоит из целлюлозы (клетчатки).

Функции клеточной оболочки: поддерживает форму клетки и придает механическую прочность, защищает клетку, осуществляет узнавание молекулярных сигналов, регулирует обмен веществ между клеткой и средой, осуществляет межклеточное взаимодействие.

Цитоплазма состоит изгиалоплазмы (основное вещество цитоплазмы),органоидов и включений. В гиалоплазме содержатся 3 типа органоидов:

двумембранные (митохондрии, пластиды);

одномембранные (эндоплазматическая сеть (ЭПС), аппарат Гольджи, вакуоли, лизосомы);

немембранные (клеточный центр, микротрубочки, микрофиламенты, рибосомы, включения).

1. Гиалоплазма представляет собой коллоидный раствор органических и неорганических соединений. Гиалоплазма способна к перемещению внутри клетки – циклозу. Основные функции гиалоплазмы: среда для нахождения органоидов и включений, среда для протекания биохимических и физиологических процессов, объединяет все структуры клетки в единое целое.

2. Митохондрии («энергетические станции клеток»). Наружная мембрана гладкая, внутренняя имеютскладки – кристы. Между внешней и внутренними мембранами находится матрикс. В матриксе митохондрий содержатся молекулы ДНК, мелкие рибосомы и различные вещества.

3. Пластиды характерны для растительных клеток. Различают три вида пластид: хлоропласты, хромопласты и лейкопласты.

I. Хлоропласты – зеленые пластиды, в которых осуществляется фотосинтез. Хлоропласт имеет двухмембранную оболочку. Тело хлоропласта состоит из бесцветногобелково-липидного стромы, пронизанной системой плоских мешочков (тилакоидов) образованных внутренней мембраной.Тилакоиды образуютграны. В строме содержатся рибосомы, крахмальные зерна, молекулы ДНК.

II. Хромопласты придают разным органам растения окраску.

III. Лейкопласты запасают питательные вещества. Из лейкопластов возможно образование хромопластов и хлоропластов.

4. Эндоплазматическая сеть представляет собой разветвленную систему трубочек, каналов и полостей. Различаютнегранулярную (гладкую) и гранулярную (шероховатую) ЭПС. На негранулярной ЭПС находятся ферменты жирового и углеводного обмена (происходит синтез жиров и углеводов). Награнулярной ЭПС располагаются рибосомы, осуществляющие биосинтез белка. Функции ЭПС: механическая и формообразующая функции; транспортная; концентрация и выделение.

5. Аппарат Гольджи состоит из плоских мембранных мешочков и пузырьков. В животных клетках аппарат Гольджи выполняет секреторную функцию. В растительных он является центром синтеза полисахаридов.

6. Вакуоли заполнены клеточным соком растений. Функции вакуолей: запасание питательных веществ и воды, поддержаниетургорного давления в клетке.

7. Лизосомы – мелкие органоиды сферической формы, образованы мембраной, внутри которой содержатся ферменты, гидролизующие белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры.

8. Клеточный центр. Функцией клеточного центра является управление процессом деления клеток.

9. Микротрубочки и микрофиламенты в совокупности формируют клеточный скелет животных клеток.

10. Рибосомы эукариот более крупные (80S).

11. Включения – запасные вещества, ивыделения – только в растительных клетках.

Ядро – важнейшая часть эукариотической клетки. Оно состоит из ядерной оболочки, кариоплазмы, ядрышек, хроматина.

1. Ядерная оболочка по строению аналогична клеточной мембране, содержит поры. Ядерная оболочка защищает генетический аппарат от воздействия веществ цитоплазмы. Осуществляет контроль за транспортом веществ.

2. Кариоплазма представляет собой коллоидный раствор, содержащий белки, углеводы, соли, другие органические и неорганические вещества. В кариоплазме содержатся все нуклеиновые кислоты: практически весь запас ДНК, информационные, транспортные и рибосомальные РНК.

3. Ядрышко – сферическое образование, содержит различные белки, нуклеопротеиды, липопротеиды, фосфопротеиды. Функция ядрышек – синтез зародышей рибосом.

4. Хроматин (хромосомы). В стационарном состоянии (время между делениями) ДНК равномерно распределены в кариоплазме в виде хроматина. При делении хроматин преобразуется в хромосомы.

Функции ядра: в ядре сосредоточена информация о наследственных признаках организма (информативная функция); хромосомы передают признаки организма от родителей к потомкам (функция наследования); ядро согласует и регулирует процессы в клетке (функция регуляции).