Органические вещества клетки.

Органические соединения в среднем составляют 20-30 % массы клетки живого организма. Наибольшее значение в жизнедеятельности клетки имеют белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты и АТФ.

Белки.

Белки – это высокомолекулярные полимерные соединения, мономером которых служат аминокислоты. Полимер – это вещество с очень высокой молекулярной массой, молекула которого состоит из большого количества повторяющихся единиц - мономеров.

Аминокислоты – амфотерные соединения, совмещающие свойства кислоты и основания. Общая формула АМК-т:

R

HN – CH – COOH

 

Аминокислота содержит аминогруппу (-NH₂), которая обладает свойствами основания и карбоксильную группу (-СООН) – кислотная.

R – радикал, у всех аминокислот R разные.

В клетках и тканях встречается свыше 170 аминокислот. В составе белков обнаруживается лишь 26 из них; основными же компонентами можно считать лишь 20 аминокислот.

Растения синтезируют все аминокислоты. Животные только часть. Те аминокислоты, которые не синтезируются организмом называются незаменимыми, поэтому должны поступать в организм в готовом виде, т.е. пищей (н-р: лейцин, изолейцин и др.).

Аминокислоты в белках соединяются друг с другом пептидными связями (NH – CO), которые образуются за счет аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группы другой с выделением молекулы воды:

О Н

 

Н₂N – HC –C + N –НС – СООН

R₁ ОН Н R₂

 

O H

H₂N – HC N – HC – COOH + H₂O

R₁ R₂

Структура белка:

1. Первичная – характеризует порядок чередования аминокислотных остатков в белковых молекулах. Первичная структура специфична для каждого белка и определяется генетической информацией, т.е. зависит от последовательности нуклеотидов в участке молекулы ДНК, данный блок. От первичной структуры зависит все свойства и функции белков. Замена одной единственной АМК-ты в составе молекул белка или изменение их расположение обычно влечет за собой изменения функции белка.

2. Вторичная – упаковка пептидной цепочки в спираль за счет образования водородных связей между –СО – NH – группами.

3. Третичная – свертывание вторичных структур в трехмерное образование шаровидной формы (глобулу), под влиянием гидрофобных, ионных, водородных и дисульфидных связей.

4. Четвертичная – соединение нескольких третичных структур. Фиксируются ионными, водородными и гидрофобными связями. Например, у гемоглобина - его молекула состоит из 4-х полипептидных цепей.

Свойства белков:

Денатурация – разрушение структуры белка, под воздействием неблагоприятных факторов среды (облучения, нагревание, химические вещества, тяжелые металлы). Если этот процесс не затрагивает первичной структуры, он обратим, и по окончании воздействия молекула самопроизвольно восстанавливается. Это свойство широко применяется в медицинской и пищевой промышленности, например, для приготовления антибиотиков, сывороток, пищевых концентраций.

Ренатурация – восстановление природной структуры белка и восстановление его функций.

Функции белков:

1. Каталитическая (ферментативная) – белки - ферменты ускоряют химические реакции, протекающие в клетке (ферменты: амилаза, пепсин).

2. Транспортная – перенос веществ (например, Hb переносит О₂ и СО₂, белки сыворотки крови (глобулины, альбумины) переносят гормоны, жирные кислоты.

3. Защитная – связывание и обезвреживание антигенов (чужеродных белков). При поступлении в организм бактерий или чужеродных белков в лейкоцитах (белые кровяные тельца) образуются особые белки – антитела (иммуноглобулины), они связывают и обезвреживают антигены. Фибриноген и протромбин участвуют в свертывании крови предотвращающих кровотечение.

4. Регуляторная – гормоны белковой природы влияют на процессы обмена веществ в организме. Например, инсулин и глюкогон (гормоны поджелудочной железы) регулируют уровень углеводов в крови.

5. Сократительная - белки мышц (актин и миозин) обеспечивают сокращение мышц.

6. Строительная – белки входят в состав всех клеточных структур. Стенки кровеносных сосудов, хрящи, волосы, ногти состоят преимущественно из белков.

7. Рецепторная – прием сигналов из внешней среды и передача их в клетку. Некоторые белки (белки - рецепторы), встроенные в клеточную мембрану, способны изменить свою структуру на действие внешней среды. Например, фитохром – светочувствительный белок, регулирует фотопериодическую реакцию растений.

8. Энергетическая – некоторые белки могут быть использованы клеткой, как источник энергии (очень редко). При окислении 1гр. белка выделяется 17,6 кДж энергии (или 4,2 ккал.).

 

Углеводы.

Углеводы – органические вещества, состоящие из углерода, водорода и кислорода. Общая формула: С_n(H₂О)_n. Углеводы образуются из неорганических веществ (H₂O и СО₂) в процессе фотосинтеза в хлоропластах зеленых растений.

В животных клетках содержание углеводов 1% (в печени до 5 %), в растительных клетках до 90%.

Различают:

1) простые углеводы – моносахариды, молекула которых состоит из одного мономера;

2) сложные – ди- и полисахариды, молекулы которых включают два и более мономеров.

Моносахариды – в зависимости от числа атомов углерода различают: триозы (3 атома); тетрозы (4 атома); пентозы (5атомов) – рибоза и дезоксирибоза; гексозы (6 атомов) – глюкоза, фруктоза, галактоза. Все моносахариды кристаллизируются, сладкие на вкус, легко растворяются в воде.

Олигосахариды – содержат 2-10 моносахаридных остатков. Наиболее важны дисахариды: мальтоза (солодовый сахар); лактоза (молочный сахар) и сахароза (тростниковый или свекловичный сахар). Дисахариды образуются в результате реакции конденсации (соединения) между двумя моносахаридами, обычно гексозами. Мальтоза образуется из крахмала в процессе его переваривания, она состоит из двух остатков глюкозы. Лактоза содержится только в молоке, состоит из глюкозы и галактозы. Сахароза наиболее распространена в растениях, в её состав входят глюкоза и фруктоза.

Полисахариды – полимеры, состоящие из десятков и сотен моносахаридов. Построены из линейных и разветвленных цепей. Это: крахмал, гликоген, хитин, целлюлоза (клетчатка).

Целлюлоза – линейный полисахарид, служит пищей для многих животных, бактерий и грибов. При гидролизе крахмала и гликогена в организме образуется глюкоза необходимая для процессов жизнедеятельности. Хитин – основной структурный элемент покровов членистоногих и клеточных стенок грибов.

Функции углеводов:

1. Энергетическая – глюкоза является основным источником энергии в клетке – при окислении 1 г углеводов вырабатывается 17,6 кДж энергии (4,2 Ккал).

2. Структурная – целлюлоза образует стенки у растительных клеток; хитин – главный структурный компонент наружного скелета членистоногих.

3. Запасающая – крахмал у растений, гликоген у животных, откладываясь в клетках, служат резервом пищи и энергии.

4. Рецепторная – гликопротеин входит в состав клеточных мембран и обеспечивает узнавание клетками друг друга.

5. Входят в состав АТФ, РНК (рибоза) и ДНК (дезоксирибоза).

 

Липиды.

К липидам относятся жиры и жироподобные вещества, нерастворимые в воде, но хорошо растворимые в неполярных органических растворителях (бензоле, бензине, эфире, хлороформе и т. д.)

Большинство липидов являются сложными эфирами жирных кислот и спиртов.

Жирные кислоты, являющиеся компонентами липидов, в свободном виде в природе встречаются редко. Те жирные кислоты, которые входят в состав липидов, состоят из длинной цепи атомов углерода и водорода соединенной с карбоксильной группой (- СООН). Именно жирные кислоты чаще всего выполняют функцию гидрофобных хвостов.

Среди спиртов, входящих в состав липидов, наиболее распространенным является трехатомный спирт – глицерин.

Представители различных групп липидов различаются в первую очередь составом и строением гидрофильных полярных головок.

Различают:

1. Простые липиды – нейтральный жир, воск.

2. Сложные – фосфолипиды, гликолипиды, липопротеиды.

3. Липоиды - стероиды и терпены

Нейтральный жир – сложные соединения трехатомного спирта – глицерина и жирных кислот.

Воск – сложные эфиры жирных кислот и длинноцепочных спиртов.

Фосфолипиды – соединение глицерина, жирных кислот и остатка фосфорной кислоты. Молекула состоит из головки, роль которой играет фосфатная группа и двух углеводородных хвостов (остатки жирных кислот). Группы, образующие полярную головку - гидрофильные (растворимы в воде), а неполярные группы - гидрофобные (нерастворимы в воде). Полярные головки молекул контактируют с водой, а гидрофобные хвосты выступают в воздух. Фосфолипиды являются компонентами мембран.

Гликолипиды – соединение липидов и углеводов. Состоящие из углевода головки гликолипидных молекул - полярны и это определяет их роль: подобно фосфолипидам они входят в состав мембран, особенно в миелиновой оболочке нервных волокон и на поверхности нервных клеток, а так же компоненты мембран хлоропластов.

Липопротеиды – это продукты соединения липидов с белками. Из липопротеидов состоят мембраны. В форме липопротеидов переносятся с кровью и лимфой липиды, т.е. липопротеиды – это транспортная форма липидов.

Стероиды и терпены, их молекулы не содержат жирных кислот.

К стероидам относятся:

- холестерол;

- желчные кислоты, например, холевая кислота (входят в состав желчи);

- половые гормоны, например: эстроген, прогестерон, тестостерон;

- витамин Д, при его недостатке развивается рахит.

К терпенам относятся:

- вещества, от которых зависит аромат эфирных масел растений, например, ментол у мяты, камфора;

- гиббереллины – ростовые вещества растений;

- фитол – входящий в состав хлорофилла;

- каратиноиды – фотосинтетичские элементы;

- натуральный каучук – линейный полимер изопрена, содержащий тысячи изопреновых единиц.

Функции липидов:

1. Структурная – совместно с белками входят в состав мембран, обеспечивают их полупроницаемость (фосфолипиды). Гликолипиды входят в состав клеток мозга и нервных клеток.

2. Регуляторная – некоторые гормоны имеют липидную природу (тестостерон – у мужчин, прогестрон – у женщин).

3. Защитная – сохранение тепла - накапливаясь в подкожно - жировой клетчатке; защитный каркас для внутренних органов - накапливаясь вокруг некоторых органов (почки, кишечник) жировой слой защищает организм от механических повреждений.

4. Является источником воды для живых организмов (горб верблюда заполненный жиром, который служит источником воды).

5. Энергетическая, при окислении 1г жира высвобождается 38,9 кДж (или 9,5 Ккал) энергии.

6. Воск используется у растений и животных в качестве водоотталкивающего покрытия; используется пчелами для строительства сот.

7. Функция запасания питательных веществ (капли жира в клетках).

Нуклеиновые кислоты.

Нуклеиновые кислоты - полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Представлены ДНК и РНК.

ДНК – полимер, состоящий из двух полинуклеотидных цепей, соединенных друг с другом и закрученных в спираль. Содержатся в ядре митохондриях, хлоропластах.

Нуклеотид ДНК состоит из:

1. Одного из азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин или тимин;

2. углевода (пентоза) – дизоксирибоза;

3. Остатака фосфорной кислоты (ОФК).

Нуклеотиды соединяются в цепочку так: углевод одного нуклеотида с остатком фосфорной кислоты другого.

А дезоксирибоза ОФК

 

Г дезоксирибоза ОФК

 

 

Т дезоксирибоза ОФК

 

 

Две цепочки нуклеотидов соединяются в молекулу ДНК по принципу комлементарности: в молекуле ДНК аденин всегда соединяется с тимином, гуанин с цитозином. Пара А-Т соединена двумя водородными связями, а пара Г-Ц – тремя.

 

А Т

Г Ц

 

Свойства ДНК:

Репликация - это процесс самоудвоения молекулы ДНК при участии ферментов.

Репарация - исправление нарушений последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК.

Функции ДНК:

1. Хранит и воспроизводит генетическую информацию;

2. Регулирует все процессы в клетке.

 

РНК – полимер, состоящий из одной цепи нуклеотидов. Цепочки РНК значительно короче ДНК.

Нуклеотиды РНК содержат:

1). Одно из четырех азотистых оснований: А, Г, Ц, У (тимин заменяется на урацил);

2). Пятиуглеродный сахар – рибозу;

3). Остаток фосфорной кислоты.

 

ОФК

Азотистые основания А, Г,Ц,У

рибоза

 

Нуклеотиды РНК соединяется в цепочку так же как в ДНК ковалентными связями:

 

Функции РНК.

По выполняемой функции различают несколько видов РНК:

1. Информационная (и-РНК) – переносит генетическую информацию от ДНК к рибосомам.

2. Рибосомная (р-РНК) – образует рибосомы;

3. Транспортная (т-РНК) – переносит аминокислоты к месту синтеза белка (к рибосомам).