Как биохимия. Как мы уже знаем, все живые организмы состоят из клеток. Клетки , в свою очередь состоят из химических элементов. Химические элементы, без которых была бы невозможна жизнь на Земле, называются биогенными элементами .
Биогенные элементы - это химические элементы , которые входят в состав клеток организма, а также те элементы, без которых невозможна жизнедеятельность клеток: органические и неорганические вещества , полимерные и низкомолекулярные. Каждый из нас с детства знает, что человек более чем наполовину состоит из воды. Соответственно, первым и самым главным биогенным веществом является вода.
Основные химические элементы организмов:
- водород ;
- кислород ;
- фосфор ;
- сера ;
- азот ;
- углерод .
Неорганические соединения
в составе живых организмов:
- карбонаты ;
- фосфаты ;
- соли аммония ;
- сульфаты .
Также к биогенным элементам можно отнести следующие неметаллы
:
1) Йод и йодные соединения очень важны для организма, играют большую роль в обменных процессах . Йод входит в состав тироксина - гормона щитовидной железы.
2) Хлор . Анионы этого элемента поддерживают солевую среду организма на уровне, необходимом для правильной жизнедеятельности. Также входит в состав некоторых органических соединений.
3) Кремний . Входит в состав связок и хрящей (ортокремниевая кислота), служит в качестве связки в некоторых полисахаридных цепях.
4) Селен и его производные. Входят в состав некоторых ферментов (селеноцестеин).
Другие органические вещества, входящие в состав живого организма:
- Уксусный альдегид;
- Уксусная кислота;
- Этанол - является продуктом и субстратом биохимических реакций.
Не менее важными являются следующие соединения:
ГЕМ - это соединение железа с молекулой парафина;
Кобаламин - кобальтовое соединение (витамин В12).
Кальций и магний - основные металлы, которые наряду с железом чаще всего встречаются в биологических системах. Магний и его ионы играют важную роль для функционирования клетки, точнее, рибосом и синтеза белка в клетке. Также магний является частью хлорофилла . Кальций в живом организме может присутствовать в виде нерастворимых солей:
- карбонат кальция - вещество, из которого состоят раковины моллюсков;
- фосфат кальция - участвует в построении скелета.
В состав ферментов входят многие металлы 4 периода периодической системы:
1) Железо участвует в процессе насыщения клеток кислородом, являясь частью гемоглобина.
2) Ионы цинка содержатся почти во всех ферментах.
3) Марганец также входит в состав некоторых ферментов, но более важную роль играет для поддержания нормальной внешней биосферы: обеспечивает выделение кислорода в атмосферу, а также участвует в фотохимическом восстановлении воды.
4) Молибден является составной частью нитродиназа - фермента азотфиксирующих бактерий, который способствует восстановлению азота извне до аммиака.
5) Кобальт - как мы уже сказали, является частью кобаламина или витамина В12.
Низкомолекулярные соединения, которые входят в состав живых организмов:
- Аминокислоты - из них состоят белки.
- Моно и алигосахариды - из них состоят структурные ткани организмов.
- Нуклеамиды - из них состоят нуклеиновые кислоты.
- Липиды - составляющие клеточных оболочек.
Также существует множество других веществ, которые активно участвуют в жизнедеятельности живых организмов: коферменты, терпены и многие другие.
Клетка состоит примерно из 70 основных элементов , которые можно найти в таблице Менделеева. Из них только 24 встречаются абсолютно во всех клетках.
Основные элементы – водород, углерод, кислород и азот. Это основные клеточные элементы, но не менее важную роль играют и такие элементы, как калий, йод, магний, хлор, железо, кальций и сера. Это макроэлементы, которых в клетках содержится относительно небольшое количество (до десятых долей процента).
Микроэлементов в клетках еще меньше (менее 0,01 % массы клеток). К ним относятся медь, молибден, бор, фтор, хром, цинк, кремний и кобальт.
Значение и содержание в клетках организмов элементов приведено в таблице.
| Элемент | Символ | Содержание в % | Значение для клетки и организма |
| Кислород | О | 62 | Входит в состав воды и органических веществ; участвует в клеточном дыхании |
| Углерод | С | 20 | Входит в состав всех органических веществ |
| Водород | Н | 10 | Входит в состав воды и органических веществ; участвует в процессах преобразования энергии |
| Азот | N | 3 | Входит в состав аминокислот, белков, нуклеиновых кислот, АТФ, хлорофилла, витаминов |
| Кальций | Са | 2,5 | Входит в состав клеточной стенки у растений, костей и зубов, повышает свертывание крови и сократимость мышечных волокон |
| Фосфор | Р | 1,0 | Входит в состав костной ткани и зубной эмали, нуклеиновых кислот, АТФ, некоторых ферментов |
| Сера | S | 0,25 | Входит в состав аминокислот (цистеин, цистин и метионин), некоторых витаминов, участвует в образовании дисульфидных связей при образовании третичной структуры белков |
| Калий | К | 0,25 | Содержится в клетке только в виде ионов, активирует ферменты белкового синтеза, обусловливает нормальный ритм сердечной деятельности, участвует в процессах фотосинтеза, генерации биоэлектрических потенциалов |
| Хлор | Cl | 0,2 | Преобладает отрицательный ион в организме животных. Компонент соляной кислоты в желудочном соке |
| Натрий | Na | 0,10 | Содержится в клетке только в виде ионов, обусловливает нормальный ритм сердечной деятельности, влияет на синтез гормонов |
| Магний | Mg | 0,07 | Входит в состав молекул хлорофилла, а также костей и зубов, активирует энергетический обмен и синтез ДНК |
| Йод | 1 | 0,01 | Входит в состав гормонов щитовидной железы |
| Железо | Fe | 0,01 | Входит в состав многих ферментов, гемоглобина и миоглобина, участвует в биосинтезе хлорофилла, в транспорте электронов, в процессах дыхания и фотосинтеза |
| Медь | Cu | Следы | Входит в состав гемоцианинов у беспозвоночных, в состав некоторых ферментов, участвует в процессах кроветворения, фотосинтеза, синтеза гемоглобина |
| Марганец | Mn | Следы | Входит в состав или повышает активность некоторых ферментов, участвует в развитии костей, ассимиляции азота и процесса фотосинтеза |
| Молибден | Mo | Следы | Входит в состав некоторых ферментов (нитратредуктаза), участвует в процессах связывания атмосферного азота клубеньковыми бактериями |
| Кобальт | Co | Следы | Входит в состав витамина В12, участвует в фиксации атмосферного азота клубеньковыми бактериями |
| Бор | В | Следы | Влияет на ростовые процессы растений, активирует восстановительные ферменты дыхания |
| Цинк | Zn | Следы | Входит в состав некоторых ферментов, расщепляющих полипептиды, участвует в синтезе растительных гормонов (ауксинов) и гликолизе |
| Фтор | F | Следы | Входит в состав эмали зубов и костей |
Биология — наука о жизни. Важнейшая задача биологии — изучение многообразия, строения, жизнедеятельности, индивидуального развития и эволюции живых организмов, их взаимоотношений со средой обитания.
Живые организмы имеют ряд особенностей, отличающих их от неживой природы. По отдельности каждое из отличий достаточно условно, поэтому их следует рассматривать в комплексе.
Признаки, отличающие живую материю от неживой:
- способность к размножению и передаче наследственной информации следующему поколению;
- обмен веществ и энергии;
- возбудимость;
- адаптированность к конкретным условиям обитания;
- строительный материал — биополимеры (важнейшие из них — белки и нуклеиновые кислоты);
- специализация от молекул до органов и высокая степень их организации;
- рост;
- старение;
- смерть.
Уровни организации живой материи:
- молекулярный,
- клеточный,
- тканевой,
- органный,
- организменный,
- популяционно-видовой,
- биогеоценотический,
- биосферный.
Многообразие жизни
Первыми на нашей планете появились безъядерные клетки. Большинством ученых принимается, что ядерные организмы появились в результате симбиоза древних архебактерий с синезелеными водорослями и бактериями-окислителями (теория симбиогенеза).
Цитология
Цитология — наука о клетке . Изучает строение и функции клеток одноклеточных и многоклеточных организмов. Клетка является элементарной единицей строения, функционирования, роста и развития всех живых существ. Поэтому процессы и закономерности, характерные для цитологии, лежат в основе процессов, изучаемых многими другими науками (анатомия, генетика, эмбриология, биохимия и др.).
Химические элементы клетки
Химический элемент
— определенный вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра. В клетках обнаружено около 80 химических элементов. Их можно разделить на четыре группы:
1 группа — углерод, водород, кислород, азот (98% от содержимого клетки),
2 группа — калий, натрий, кальций, магний, сера, фосфор, хлор, железо (1,9%),
3 группа — цинк, медь, фтор, йод, кобальт, молибден и др. (меньше 0,01%),
4 группа — золото, уран, радий и др. (меньше 0,00001%).
Элементы первой и второй групп в большинстве пособий называют макроэлементами , элементы третьей группы — микроэлементами , элементы четвертой группы — ультрамикроэлементами . Для макро- и микроэлементов выяснены процессы и функции, в которых они участвуют. Для большинства ультрамикроэлементов биологическая роль не выявлена.
| Химический элемент | Вещества, в которых химический элемент содержится | Процессы, в которых химический элемент участвует |
|---|---|---|
| Углерод, водород, кислород, азот | Белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы и др. органические вещества | Синтез органических веществ и весь комплекс функций, осуществляемых этими органическими веществами |
| Калий, натрий | Na + и K + | Обеспечивание функции мембран, в частности, поддержание электрического потенциала клеточной мембраны, работы Na + /Ka + -насоса, проведение нервных импульсов, анионный, катионный и осмотический балансы |
| Кальций | Са +2 | Участие в процессе свертывания крови |
| Фосфат кальция, карбонат кальция | Костная ткань, зубная эмаль, раковины моллюсков | |
| Пектат кальция | Формирование срединной пластинки и клеточной стенки у растений | |
| Магний | Хлорофилл | Фотосинтез |
| Сера | Белки | Формирование пространственной структуры белка за счет образования дисульфидных мостиков |
| Фосфор | Нуклеиновые кислоты, АТФ | Синтез нуклеиновых кислот |
| Хлор | Cl - | Поддержание электрического потенциала клеточной мембраны, работы Na + /Ka + -насоса, проведение нервных импульсов, анионный, катионный и осмотический балансы |
| HCl | Активизация пищеварительных ферментов желудочного сока | |
| Железо | Гемоглобин | Транспорт кислорода |
| Цитохромы | Перенос электронов при фотосинтезе и дыхании | |
| Марганец | Декарбоксилазы, дегидрогеназы | Окисление жирных кислот, участие в процессах дыхания и фотосинтеза |
| Медь | Гемоцианин | Транспорт кислорода у некоторых беспозвоночных |
| Тирозиназа | Образование меланина | |
| Кобальт | Витамин В 12 | Формирование эритроцитов |
| Цинк | Алькогольдегидрогеназа | Анаэробное дыхание у растений |
| Карбоангидраза | Транспорт СО 2 у позвоночных | |
| Фтор | Фторид кальция | Костная ткань, зубная эмаль |
| Йод | Тироксин | Регуляция основного обмена |
| Молибден | Нитрогеназа | Фиксация азота |
Атомы химических элементов в живых организмах образуют неорганические (вода, соли) и органические соединения (белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы). На атомном уровне различий между живой и неживой материей нет, различия появятся на следующих, более высоких, уровнях организации живой материи.
Вода
Вода — самое распространенное неорганическое соединение. Содержание воды составляет от 10% (зубная эмаль) до 90% массы клетки (развивающийся эмбрион). Без воды жизнь невозможна, биологическое значение воды определяется ее химическими и физическими свойствами.
Молекула воды имеет угловую форму: атомы водорода по отношению к кислороду образуют угол, равный 104,5°. Та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, часть, где находится кислород, — отрицательно, в связи с этим молекула воды является диполем. Между диполями воды образуются водородные связи. Физические свойства воды: прозрачна, максимальная плотность — при 4 °С, высокая теплоемкость, практически не сжимается; чистая вода плохо проводит тепло и электричество, замерзает при 0 °С, кипит при 100 °С и т.д. Химические свойства воды: хороший растворитель, образует гидраты, вступает в реакции гидролитического разложения, взаимодействует со многими оксидами и т.д. По отношению к способности растворяться в воде различают: гидрофильные вещества — хорошо растворимые, гидрофобные вещества — практически нерастворимые в воде.
Биологическое значение воды:
- является основой внутренней и внутриклеточной среды,
- обеспечивает поддержание пространственной структуры,
- обеспечивает транспорт веществ,
- гидратирует полярные молекулы,
- служит растворителем и средой для диффузии,
- участвует в реакциях фотосинтеза и гидролиза,
- способствует охлаждению организма,
- является средой обитания для многих организмов,
- способствует миграциям и распространению семян, плодов, личиночных стадий,
- является средой, в которой происходит оплодотворение,
- у растений обеспечивает транспирацию и прорастание семян,
- способствует равномерному распределению тепла в организме и мн. др.
Другие неорганические соединения клетки
Другие неорганические соединения представлены в основном солями, которые могут содержаться или в растворенном виде (диссоциированными на катионы и анионы), или твердом. Важное значение для жизнедеятельности клетки имеют катионы K + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+ (см. таблицу выше) и анионы HPO 4 2— , Cl — , HCO 3 — , обеспечивающие буферные свойства клетки. Буферность — способность поддерживать рН на определенном уровне (рН — десятичный логарифм величины, обратной концентрации водородных ионов). Величина рН, равная 7,0, соответствует нейтральному, ниже 7,0 — кислому, выше 7,0 — щелочному раствору. Для клеток и тканей характерна слабощелочная среда. За поддержание этой слабощелочной реакции отвечают фосфатная (1) и бикарбонатная (2) буферные системы.
Клетки растений и животных содержат неорганические и органические вещества. К неорганическим относят воду и минеральные вещества. К органическим веществам относят белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты.
Неорганические вещества
Вода - это соединение, которое живая клетка содержит в наибольшем количестве. Вода составляет около 70% массы клетки. Большинство внутриклеточных реакций протекает в водной среде. Вода в клетке находится в свободном и связанном состоянии.
Значение воды для жизнедеятельности клетки определено ее строением и свойствами. Содержание воды в клетках может быть различным. 95% воды находится в клетке в свободном состоянии. Она необходима как растворитель для органических и неорганических веществ. Все биохимические реакции в клетке идут при участии воды. Вода используется для выведения различных веществ из клетки. Вода обладает высокой теплопроводностью и предотвращает резкие колебания температуры. 5% воды находится в связанном состоянии, образуя непрочные соединения с белками.
Минеральные вещества в клетке могут быть в диссоциированном состоянии или в соединении с органическими веществами.
Химические элементы, которые участвуют в процессах обмена веществ и обладают биологической активностью, называют биогенными.
Цитоплазма содержит около 70% кислорода, 18% углерода, 10% водорода, кальций, азот, калий, фосфор, магний, серу, хлор, натрий, алюминий, железо. Эти элементы составляют 99,99% от состава клетки и их называют макроэлементами. Например, кальций и фосфор входят в состав костей. Железо - составная часть гемоглобина.
Марганец, бор, медь, цинк, йод, кобальт - микроэлементы. Они составляют тысячные доли процента от массы клетки. Микроэлементы нужны для образования гормонов, ферментов, витаминов. Они влияют на обменные процессы в организме. Например, йод входит в состав гормона щитовидной железы, кобальт - в состав витамина В 12 .
Золото, ртуть, радий и др. - ультрамикроэлементы - составляют миллионные доли процента от состава клетки.
Недостаток или избыток минеральных солей нарушает жизнедеятельность организма.
Органические вещества
Кислород, водород, углерод, азот входят в состав органических веществ. Органические соединения представляют собой круп- ные молекулы, называемые полимерами. Полимеры состоят из многих повторяющихся единиц (мономеров). К органическим полимерным соединениям относят углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты, АТФ.
Углеводы
Углеводы состоят из углерода, водорода, кислорода.
Мономерами углеводов являются моносахариды. Углеводы раз- деляют на моносахариды, дисахариды и полисахариды.
Моносахариды - простые сахара с формулой (СН 2 О) n , где n - любое целое число от трех до семи. В зависимости от числа угле- родных атомов в молекуле различают триозы (3С), тетрозы (4С), пентозы (5С), гексозы (6С), гептозы (7С).
Триозы С 3 Н 6 О 3 - например глицеральдегид и дигидроксиацетон - играют роль промежуточных продуктов в процессе дыхания, уча- ствуют в фотосинтезе. Тетрозы С 4 Н 8 О 4 встречаются у бактерий. Пентозы С 5 Н 10 О 5 - например рибоза - входит в состав РНК, дезоксирибоза входит в состав ДНК. Гексозы - С 6 Н 12 О 6 - например глюкоза, фруктоза, галактоза. Глюкоза - источник энергии для клетки. Вместе с фруктозой и галактозой глюкоза может участвовать в образовании дисахаридов.
Дисахариды образуются в результате реакции конденсации между двумя моносахаридами (гексозами) с потерей молекулы воды.
Формула дисахаридов С 12 Н 22 О 11 Среди дисахаридов наиболее широко распространены мальтоза, лактоза и сахароза.
Сахароза, или тростниковый сахар, синтезируется у растений. Мальтоза образуется из крахмала в процессе его переваривания в организме животных. Лактоза, или молочный сахар содержится только в молоке.
Полисахариды (простые) образуются в результате реакции конденсации большого числа моносахаридов. К простым полисахаридам относят крахмал (синтезируется у растений), гликоген (содержится в клетках печени и мышцах животных и человека), целлюлозу (образует клеточную стенку у растений).
Сложные полисахариды образуются в результате взаимодействия углеводов с липидами. Например, гликолипиды входят в состав мембран. К сложным полисахаридам относят также соединения углеводов с белками (гликопротеиды). Например, гликопротеиды входят в состав слизи, выделяемой железами желудоч- но-кишечного тракта.
Функции углеводов:
1. Энергетическая: 60% энергии организм получает при распаде углеводов. При расщеплении 1 г углеводов выделяется 17,6 кДж энергии.
2. Структурная и опорная: углеводы входят в состав плазматической мембраны, оболочки растительных и бактериальных клеток.
3. Запасающая: питательные вещества (гликоген, крахмал) откладываются в запас в клетках.
4. Защитная: секреты (слизь), выделяемые различными железами, предохраняют стенки полых органов, бронхов, желудка, кишечника от механических повреждений, вредных бактерий и вирусов.
5. Участвуют в фотосинтезе.
Жиры и жироподобные вещества
Жиры состоят из углерода, водорода, кислорода. Мономерами жиров являются жирные кислоты и глицерин. Свойства жиров определяются качественным составом жирных кислот и их количественным соотношением. Растительные жиры жидкие (масла), животные - твердые (например сало). Жиры нерастворимы в воде - это гидрофобные соединения. Жиры, соединяясь с белками, образуют липопротеиды, соединяясь с углеводами - гликолипиды. Гликолипиды и липопротеиды - это жироподобные вещества.
Жироподобные вещества входят в состав мембран клеток, мембранных органелл, нервной ткани. Жиры могут соединяться с глюко- зой и образовывать гликозиды. Например, гликозид дигитоксина - вещество, используемое при лечении болезней сердца.
Функции жиров:
1. Энергетическая: при полном распаде 1 г жира до углекислого газа и воды выделяется 38,9 кДж энергии.
2. Структурная: входят в состав клеточной мембраны.
3. Защитная: слой жира защищает организм от переохлаждения, механических ударов и сотрясений.
4. Регуляторная: стероидные гормоны регулируют процессы обмена веществ и размножение.
5. Жир - источник эндогенной воды. При окислении 100 г жира выделяется 107 мл воды.
Белки
В состав белков входят углерод, кислород, водород, азот. Мономерами белка являются аминокислоты. Белки построены из двадцати различных аминокислот. Формула аминокислоты:
В состав аминокислот входят: NH 2 - аминогруппа, обладающая основными свойствами; СООН - карбоксильная группа, имеет кислотные свойства. Аминокислоты отличаются друг от друга своими радикалами - R. Аминокислоты - амфотерные соединения. Они соединяются друг с другом в молекуле белка с помощью пептидных связей.
Схема конденсации аминокислот (образование пептидной связи)
Есть первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белка. Порядок, количество и качество аминокислот, входящих в состав молекулы белка, определяют его первичную структуру. Белки первичной структуры могут с помощью водородных связей соединяться в спираль и образовывать вторичную структуру. Полипептидные цепи скручиваются определенным образом в компактную структуру, образуя глобулу (шар) - это тре- тичная структура белка. Большинство белков имеют третичную структуру. Аминокислоты активны только на поверхности глобулы. Белки, имеющие глобулярную структуру, объединяются вместе и образуют четвертичную структуру. Замена одной аминокислоты приводит к изменению свойств белка (рис. 30).
При воздействии высокой температуры, кислот и других факторов может происходить разрушение белковой молекулы. Это явление называется денатурацией (рис. 31). Иногда денатуриро-
Рис. 30. Различные структуры молекул белка.
1 - первичная; 2 - вторичная; 3 - третичная; 4 - четвертичная (на примере гемоглобина крови).
Рис. 31. Денатурация белка.
1 - молекула белка до денатурации;
2 - денатурированный белок;
3 - восстановление исходной молекулы белка.
ванный белок при изменении условий вновь может восстановить свою структуру. Этот процесс называется ренатурацией и возможен лишь тогда, когда не разрушена первичная структура белка.
Белки бывают простые и сложные. Простые белки состоят только из аминокислот: например, альбумины, глобулины, фибриноген, миозин.
Сложные белки состоят из аминокислот и других органических соединений: например, липопротеины, гликопротеины, нук- леопротеины.
Функции белков:
1. Энергетическая. При распаде 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии.
2. Каталитическая. Служат катализаторами биохимических реакций. Катализаторы - ферменты. Ферменты ускоряют биохимические реакции, но не входят в состав конечных продуктов. Ферменты строго специфичны. Каждому субстрату соответствует свой фермент. Название фермента включает название субстрата и окончание «аза»: мальтаза, рибонуклеаза. Ферменты активны при определенной температуре (35 - 45 О С).
3. Структурная. Белки входят в состав мембран.
4. Транспортная. Например, гемоглобин переносит кислород и СО 2 в крови позвоночных.
5. Защитная. Защита организма от вредных воздействий: выработка антител.
6. Сократительная. Благодаря наличию белков актина и миозина в мышечных волокнах происходит сокращение мышц.
Нуклеиновые кислоты
Существует два типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Мономе- рами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды.
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). В состав нуклеотида ДНК входит одно из азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) или цитозин (Ц) (рис. 32), углевод дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты. Молекула ДНК представляет собой двойную спираль, построенную по принципу комплементарности. В молекуле ДНК комплементарны следующие азотистые основания: А = Т; Г = Ц. Две спирали ДНК соединены водородными связями (рис. 33).
Рис. 32. Строение нуклеотида.
Рис. 33. Участок молекулы ДНК. Комплементарное соединение нуклеотидов разных цепей.
ДНК способна к самоудвоению (репликации) (рис. 34). Репликация начинается с разделения двух комплементарных цепей. Каждая цепь используется в качестве матрицы для образования новой молекулы ДНК. В процессе синтеза ДНК участвуют ферменты. Каждая из двух дочерних молекул обязательно включает одну старую спираль и одну новую. Новая молекула ДНК абсо- лютно идентична старой по последовательности нуклеотидов. Такой способ репликации обеспечивает точное воспроизведение в дочерних молекулах той информации, которая была записана в материнской молекуле ДНК.
Рис. 34. Удвоение молекулы ДНК.
1 - матричная ДНК;
2 - образование двух новых цепей на основе матрицы;
3 - дочерние молекулы ДНК.
Функции ДНК:
1. Хранение наследственной информации.
2. Обеспечение передачи генетической информации.
3. Присутствие в хромосоме в качестве структурного компонента.
ДНК находится в ядре клетки, а также в таких органеллах клетки, как митохондрии, хлоропласты.
РНК (рибонуклеиновая кислота). Рибонуклеиновые кислоты бывают 3 видов: рибосомная, транспортная и информационная РНК. Нуклеотид РНК состоит из одного из азотистых оснований: аденина (А), гуанина (Г), цитозина (Ц), урацила (У), углевода - рибозы и остатка фосфорной кислоты.
Рибосомная РНК (рРНК) в соединении с белком входит в состав рибосом. рРНК составляет 80% от всей РНК в клетке. На рибосомах идет синтез белка.
Информационная РНК (иРНК) составляет от 1 до 10% от всей РНК в клетке. По строению иРНК комплементарна участку молекулы ДНК, несущему информацию о синтезе определенного белка. Длина иРНК зависит от длины участка ДНК, с которого считывали информацию. иРНК переносит информацию о синтезе белка из ядра в цитоплазму к рибосоме.
Транспортная РНК (тРНК) составляет около 10% всей РНК. Она имеет короткую цепь нуклеотидов в форме трилистника и находится в цитоплазме. На одном конце трилистника находится триплет нуклеотидов (антикодон), кодирующий определенную аминокислоту. На другом конце триплет нуклеотидов, к которому при- соединяется аминокислота. Для каждой аминокислоты имеется своя тРНК. тРНК переносит аминокислоты к месту синтеза белка, т.е. к рибосомам (рис. 35).
РНК находится в ядрышке, цитоплазме, рибосомах, митохондриях и пластидах.
АТФ - Аденазинтрифосфорная кислота. Аденазинтрифосфорная кислота (АТФ) состоит из азотистого основания - аденина, сахара - рибозы, и трех остатков фосфорной кислоты (рис. 36). В молекуле АТФ накапливается большое количество энергии, необходимой для биохимических процессов, идущих в клетке. Синтез АТФ происходит в митохондриях. Молекула АТФ очень неустой-
чива и способна отщеплять одну или две молекулы фосфата с выделением большого количества энергии. Связи в молекуле АТФ называют макроэргическими.
АТФ → АДФ + Ф + 40 кДж АДФ→ АМФ + Ф + 40 кДж
Рис. 35. Строение тРНК.
А, Б, В и Г - участки комплементарного соединения внутри одной цепочки РНК; Д - участок (активный центр) соединения с аминокислотой; Е - участок комплементарного соединения с молекулой.
Рис. 36. Строение АТФ и ее превращение в АДФ.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие вещества в клетке относят к неорганическим?
2. Какие вещества в клетке относят к органическим?
3. Что является мономером углеводов?
4. Какое строение имеют углеводы?
5. Какие функции выполняют углеводы?
6. Что является мономером жиров?
7. Какое строение имеют жиры?
8. Какие функции выполняют жиры?
9. Что является мономером белка? 10.Какое строение имеют белки? 11.Какие структуры имеют белки?
12.Что происходит при денатурации белковой молекулы?
13.Какие функции выполняют белки?
14.Какие нуклеиновые кислоты известны?
15.Что является мономером нуклеиновых кислот?
16.Что входит в состав нуклеотида ДНК?
17.Какое строение имеет нуклеотид РНК?
18.Какое строение имеет молекула ДНК?
19.Какие функции выполняет молекула ДНК?
20. Какое строение имеет рРНК?
21.Какое строение имеет иРНК?
22.Какое строение имеет тРНК?
23.Какие функции выполняют рибонуклеиновые кислоты?
24.Какое строение имеет АТФ?
25.Какие функции выполняет АТФ в клетке?
Ключевые слова темы «Химический состав клеток»
азотистое основание альбумины
аминокислотная группа аминокислоты
амфотерные соединения
антикодон
бактерии
белки
биологическая активность биологический катализатор
биохимические реакции
болезнь
вещества
видовая специфичность
витамины
вода
водородные связи вторичная структура выработка антител высокая температура галактоза гексозы гемоглобин гепарин
гидрофобные соединения
гликоген
гликозиды
гликопротеиды
глицерин
глобула
глобулины
глюкоза
гормоны
гуанин
двойная спираль дезоксирибоза денатурация дисахарид
диссоциированное состояние
ДНК
единица информации живой организм животное жизнедеятельность жирные кислоты жировая ткань жироподобные вещества жиры
запас питательных веществ избыток
индивидуальная специфичность
источник энергии
капли
карбоксильная группа
качество кислота
клеточная стенка кодон
колебание температуры
количество
комплементарность
конечные продукты
кости
крахмал
лактоза
лечение
липопротеиды
макроэлементы
макроэргические связи
мальтоза
масса
мембрана клетки
микроэлементы
минеральные соли
миозин
митохондрии
молекула
молочный сахар
мономер
моносахарид
мукополисахариды
мукопротеиды
наследственная информация недостаток
неорганические вещества нервная ткань нуклеиновые кислоты нуклеопротеиды нуклеотид обмен веществ обменные процессы органические вещества пентозы
пептидные связи первичная структура перенос кислорода плоды
подкожная клетчатка
полимер полисахарид
полупроницаемая мембрана
порядок
потеря
проникновение воды
процент
радикал
разрушение
распад
растворитель
растение
расщепление
реакция конденсации
ренатурация
рибоза
рибонуклеаза
рибосома
РНК
сахар
свертывание крови
свободное состояние
связанное состояние
семена
сердце
синтез белка
слой
слюна
сократимые белки
строение
субстрат
теплопроводность
тетрозы тимин
тканевая специфичность
третичная структура
трилистник
триозы
триплет
тростниковый сахар углеводы
ультрамикроэлементы
урацил
участок
ферменты
фибриноген
формула
фосфорная кислота фотосинтез фруктоза функция
химические элементы
хлоропласты
хромосома
целлюлоза
цепь
цитозин
цитоплазма
четвертичная структура шар
щитовидная железа
элементы
ядро
В зависимости от содержания химических элементов в клетке их разделяют на группы: макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.Отдельную групу среди макроелементов составляют органогенные элементы (O, C, H, N), которие образуют молекулы всех органических веществ.
Макроэлементы, их роль в клетке. Органогенные элементы - кислород, углерод, водород и азот составляют ≈ 98% химического содержания клетки. Они легко образуют ковалентные связи за счет обобщения двух электронов (по одному от каждого атома) и благодаря этому формируют большое разнообразие органических веществ в клетке.
Жизненно важными являются и другие макроэлементы в клетках животных и человека (калий, натрий, магний, кальций, хлор, железо), на долю которых приходится около 1,9% .
Так, ионы Калия и Натрия регулируют осмотическое давление в клетке, обуславливают нормальный ритм сердечной деятельности, возникновение и проведение нервного импульса. Ионы Кальция принимают участие в свертывание крови, сокращении мышечных волокон. Нерастворимые соли Кальция принимают участие в формировании костей и зубов.
Ионы магния играют важную роль в функционировании рибосом и митохондрий. Железо входит в состав гемоглобина.
Микроэлементы, их роль в клетке. Биологическая роль микро- и ультрамикроэлементов определяется не их процентным содержанием, а тем, что они входят в состав ферментов, витаминов и гормонов. Например, Кобальт входит в состав витамина В 12 , Йод – в состав гормона тироксина, Медь – в состав ферментов, катализирующих окислительно-востановительные процессы.
Ультрамикроэлементы, их роль в клетке. Их концентрация не привышает 0,000001 %. Это такие элементы: золото, серебро, свинец, уран, селен, цезий, берилий, радий, и др. Физиологическая роль многих химических элементов еще не установлена, но они необходимы для нормального функционирования организма. Например, дефицит ультрамикроэлемента Селена приводит к развитию раковых заболеваний.
Обобщенные сведения о биологическом значении основных химических элементов, содержащихся в клетках живых организмов, представлены в таблице 4.1.
При недостаче важного химического элемента в почве определенного региона, что обусловливает дефицит его в организме местных жителей, возникают так называемые эндемические болезни.
Все химические элементы содержатся в клетке в виде ионов или входят в состав химических веществ.
Табл. 4.1.Основные химические элементы клетки и их значение для жизнидеятольности организмов
| Элемент | Символ | Содержание | Значение для клетки и организма |
| Углерод | o | 15-18 | |
| Кислород | N | 65-75 1,5-3,0 | Главный структурный компонент всех органических соединений клетки |
| Азот | H | 8-10 | Обязательный компонент аминокислот |
| Водород | K | 0.0001 | Главный структурный компонент всех органических соединений клетки |
| Фосфор | S | 0,15-0,4 | Входит в состав костной ткани и зубной эмали, нуклеиновых кислот, АТФ и некоторых ферментов |
| Калий | Cl | 0,15-0,20 | Содержится в клетке только в виде ионов, активирует ферменты белкового синтеза, обуславливает ритм сердечной деятельности, участвует в процессах фотосинтеза |
| Сера | Ca | 0,05-0,10 | Входит в состав некоторых аминокислот, ферментов, витамина В |
| Хлор | Mg | 0,04-2,00 | Важнейший отрицательный ион в организме животных, компонент НС1 в желудочном соке |
| Кальций | Na | 0,02-0,03 | Входит в состав клеточной стенки растений, костей и зубов, активирует свертывание крови и сокращение мышечных волокон |
| Магний | Fe | 0,02-0,03 | Входит в состав молекул хлорофилла, а также костей и зубов, активирует энергетический обмен и синтез ДНК |
| Натрий | I | 0,010-0,015 | Содержится в клетке только в виде ионов, обуславливаетнормальный ритм сердечной деятельности, влияет на синтез гормонов |
| Железо | Cu | 0,0001 | Входит в состав многих ферментов, гемоглобина и миоглобина, участвует в биосинтезе хлорофилла, в процессах дыхания и фотосинтеза |
| Йод | Mn | 0,0002 | Входит в состав гормонов щитовидной железы |
| Медь | Mo | 0.0001 | Входит в состав некоторых ферментов, участвует в процессах кровообразования, фотосинтеза, синтеза гемоглобина |
| Марганец | Co | 0,0001 | Входит в состав некоторых ферментов или повышает их активность, принимает участие в развитии костей, ассимиляции азота и процессе фотосинтеза |
| Молибден | Zn | 0.0001 | Входит в состав некоторых ферментов, участвует н процессах связывания атмосферного азота растениями |
| Кобальт | o | 0,0003 | Входит в состав витамина В 12 , участвует в фиксации ат- мосферного азота растениями, развитии эритроцитов |
| Цинк | N | 15-18 | Входит в состав некоторых ферментов, участвует в синтезе растительных гормонов (фуксина) и спиртовом брожении |
Химические вещества клетки