Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Химический состав клетки

1. ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ КЛЕТКИ

Живые организмы почти на 98 % состоят из четырех химических элементов: кислорода (О), углерода (С), водорода (Н) и азота (N). На долю кислорода приходится 65%, углерода - 18 %, водорода - 10 % и азота - 3 %. Водород и кислород - составные элементы воды, на которую приходится 70-80 % массы клетки. Наряду с углеродом и азотом эти два элемента также являются основными составляющими органических соединений, участвующих в большинстве процессов жизнедеятельности. Многие биомолекулы содержат атомы серы (S, до 0,8 %) и фосфора (P, до 0,95 %). Перечисленные элементы наряду с кальцием (Ca), калием (K), кремнием (Si), магнием (Mg), хлором (Cl), натрием (Na) и железом (Fe), которые содержатся в десятых или сотых долях процента, входят в состав всех живых организмов и составляют группу макроэлементов.

Таблица 1. Содержание макроэлементов в органах и тканях живого организма

В несколько меньшем количестве (от тысячных до стотысячных долей процента) в клетках встречаются элементы, объединенные в группу микроэлементов. Это марганец (Mn), цинк (Zn), кобальт (Co), иод (I), селен (Se), медь (Cu), фтор (F), бор (B), никель (Ni), серебро (Ag), литий (Li), хром (Cr), алюминий (Al), барий (Ba) и некоторые другие. Суммарная масса всех микроэлементов - 0,02 %. И, наконец, третью группу составляют ультрамикроэлементы - золото (Au), ртуть (Hg), радий (Ra), стронций (Sr) и другие элементы, присутствующие в клетках в миллионных долях процента.

Элементные составы разных клеток многоклеточного организма могут несколько отличаться друг от друга, что связано с различным характером обмена веществ в разных клетках. Кроме того, некоторые организмы способны избирательно извлекать из окружающей среды и накапливать определённые химические элементы, необходимые для их жизнедеятельности. Например, морские водоросли накапливают йод, моллюски и ракообразные - медь, ряска - радий, диатомовые водоросли и злаки - кремний и т.д.

Роль далеко не всех элементов изучена достаточно полно и глубоко, хотя известно, что недостаток или отсутствие некоторых из них может привести к возникновению различных заболеваний. Так, недостаток йода в воде, почве, продуктах питания приводит к возникновению эндемического зоба, а недостаток фтора приводит к кариесу, отсутствие железа в необходимых количествах может служить поводом для развития анемии и т.д.

2. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА КЛЕТКИ

Вода

Вода составляет примерно 3/4 биомассы Земли, являясь самым простым химическим соединением, входящим в состав живых организмов. По количественному содержанию в клетке она занимает первое место, а в организмах ее в целом в 5 раз больше, чем во всех реках земного шара. Однако следует помнить, что у разных организмов и в разных тканях животных и растений содержание воды может сильно варьироваться.

Таблица 2. Содержание воды в различных органах и тканях взрослого человека (в % от массы ткани)

Существует зависимость между интенсивностью обмена веществ и содержанием воды в органах и тканях, что свидетельствует о большой биологической роли воды. При снижении интенсивности обмена веществ у животных, например при анабиозе, количество воды уменьшается. Уменьшается оно и с возрастом. Чем моложе организм или орган, тем больше в нем воды. Очевидно, что одной из причин снижения интенсивности обмена веществ является снижение содержания воды в организме. В процессе старения происходит постепенное обезвоживание организма, поэтому появляются морщины.

Таблица 3. Содержание и распределение воды в организме человека в зависимости от возраста (в % от массы тела)

По степени связанности вода организма делится на следующие виды:

ѓ гидратационная (химически связанная вода);

ѓ мобильная (свободная вода);

ѓ иммобильная (полусвязанная вода).

В связанном с молекулами белка состоянии находится 4 - 5 % воды. Это так называемая сольватная вода, которая образует гидратные оболочки вокруг белковых молекул, изолируя их друг от друга и препятствуя их агрегации, а также связывается с некоторыми ионами, например [Na(H₂O)_x]⁺ [Cl(H₂O)_y]^-. Сольватная вода по своим химическим и физическим свойствам отличается от свободной воды. Так, например, она не растворяет солей, а замерзает при температуре, близкой к -40 °С.

95 % воды находится в свободном состоянии и выполняет следующие функции:

ѓ играет роль растворителя химических веществ, обволакивая их гидратной (водной) оболочкой, которая постепенно переходит в водную среду, происходит растворение вещества, скорость химической реакции при этом увеличивается;

ѓ является средой протекания жизненно важных физико-химических процессов;

ѓ включается в качестве активного компонента в некоторые ферментативные реакции (гидролиз, гидратация, дегидратация и др.);

ѓ выполняет транспортные функции, благодаря низкой вязкости, подвижности, способности растворять органические и неорганические соединения обеспечивает приток веществ в клетку и удаление продуктов жизнедеятельности из неё;

ѓ определяет тургорное давление клетки;

ѓ благодаря высокой теплоёмкости и теплопроводности обеспечивает незначительные колебания температуры внутри клетки и равномерное распределение тепла по клетке и во всём организме, предохраняет его от перегревания;

ѓ служит основой жидкостей, которые смачивают (смазывают) покровы там, где происходит трение одного органа о поверхность другого, например, в суставах;

ѓ участвует в формировании клеточных структур.

Полусвязанная вода содержится в порах клеточных органоидов, между волокнистыми белковыми молекулами, между молекулами гликогена. При измельчении тканей она не вытекает, т.к. является растворителем и замерзает.

Основными водно-дисперсными системами организма человека являются кровь, слюна, лимфа, моча. Поступающая вода в организме распределяется между жидкостными средами следующим образом: около 60 % внутри клеток, ~15 % - в межклеточной жидкости, ~8 % содержится в составе крови и лимфы. При напряженной мышечной работе это распределение воды изменяется: увеличивается приток воды в клетки и межклеточную жидкость, а в плазме ее количество уменьшается. После работы часть воды постепенно возвращается в кровь.

Минеральные соли

Бульшая часть неорганических веществ находится в клетке в виде солей - серной, соляной, фосфорной и других кислот. Минеральные соли играют важную роль в развитии живых организмов. Их недостаток или избыток может привести к гибели организма. Соли могут находиться в клетке либо в виде ионов, либо в твёрдом состоянии.

Концентрации основных неорганических катионов и анионов в межклеточной жидкости и в плазме крови почти одинаковы.

Таблица 4. Сравнительное содержание основных катионов и анионов внутри клетки и во внеклеточных жидкостях человека (по А.Е. Строеву, %)

Na⁺ является основным катионом во внеклеточной среде, а K⁺ - внутри клетки. Из анионов вне клетки преобладает Cl^?, а внутри клетки - PO₃^?. Живой организм подчиняется физико-химическому закону электроотрицательности: сумма положительных зарядов катионов и отрицательных зарядов анионов должны быть равны. Для соблюдения этого закона в организме не хватает некоторого количества неорганических анионов. Недостаток отрицательных зарядов компенсируют анионы органических кислот и белков.

Калиевые, магниевые, натриевые соли в комплексе с белками входят в состав цитоплазмы клеток, они определяют кислотно-щелочное состояние цитоплазмы и плазмы крови. Возбудимость нервной, мышечной тканей, активность ферментов, ряд других важных процессов, протекающих в клетке, находятся в зависимости от концентрации тех или иных ионов различных солей. Поэтому в клетке в норме поддерживается строго определённый качественный и количественный состав солей. Так, например, повышение содержания ионов калия оказывает токсическое действие на сердечную мышцу. Отложение кальция в костях возможно только в присутствии ионов фосфора, при соотношение Са:Р = 2:1. Отложение фосфора возможно только в присутствии витамина D.

Неорганические ионы в клетке выполняют многочисленные биологические функции. Рассмотрим некоторые из них.

Биологические функции катионов

ѓ Структурообразующая:обусловлена комплексообразующими свойствами металлов, катионы которых участвуют в образовании функционально активных структур макромолекул и надмолекулярных комплексов (гем, хлорофилл, белки, нуклеиновые кислоты и т.д.).

ѓ Транспортная: катионы в составе металлопротеидов участвуют в переносе электронов или молекул простых веществ. Например, ионы железа и меди входят в цитохромы, которые переносят электроны, а железо в составе гемоглобина связывает и переносит кислород.

ѓ Регуляторная: ионы металлов, соединяясь с ферментами, влияют на активность катионов и регулируют (активируют или ингибируют) скорость химических реакций в клетке (Mg²⁺ активирует ДНК- и РНК-полимеразу, Ca²⁺ - креатинкиназу, Mg²⁺, Mn²⁺ - гексокиназу; ионы Mn²⁺, Zn²⁺, Co²⁺, Ni²⁺ ускоряют распад и синтез белков, а ионы Ca²⁺, Mg²⁺ участвуют в распаде и синтезе липидов и углеводов).

ѓ Осмотическая: катионы используются для регуляции осмотического и гидроосмотического давлений в клетке и организме в целом.

ѓ Биоэлектрическая: катионы участвуют в возникновении и регуляции величины разности потенциалов на клеточных мембранах в возбудимых клетках (нервных, мышечных) и проведении нервных импульсов.

ѓ Синтетическая: связана с использованием неорганических катионов для синтеза сложных молекул, например, Fe³⁺ - в синтезе гемоглобина, Ca²⁺ - в синтезе амилазы. Cu²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺, Co²⁺, Ni²⁺ поддерживают вторичную и третичную структуру ДНК и РНК, Zn²⁺, участвуют в образовании активного центра 30 ферментов.

Биологические функции анионов

ѓ Энергетическая:анионы участвуют в образовании главного носителя энергии в организме человека - молекулы АТФ - из АДФ и неорганических фосфатных анионов.

ѓ Механическая (или опорная): например, анион фосфора и катион кальция входят в состав гидроксилапатита и фосфата кальция костей, тем самым определяя их механическую прочность.

ѓ Синтетическая: связана с использованием неорганических анионов для синтеза сложных молекул. Например, I^- участвует в синтезе иодтиронинов в клетках щитовидной железы, SO₄^2- - в синтезе эфиросерных соединений, обезвреживающих в печени чужеродные вещества и биологические яды.

3. ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА КЛЕТКИ

На долю органических веществ приходится от 20 до 30 % массы клетки. В основном органические вещества представлены биополимерами, молекулы которых имеют большие размеры и состоят из многократно повторяющихся элементарных единиц - мономеров. Наиболее важная биологическая роль принадлежит таким веществам, как белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды, гормоны, АТФ, витамины и др.

Белки

Белки, или протеины (от греч. protos - первичный, первостепенный; термин введен в 1838 г.), занимают первое место среди всех органических веществ клетки по количеству и по своему значению в ее жизнедеятельности. На их долю приходится от 10 до 20 % сырой массы клетки. Они присутствуют во всех типах клеток и тканей. В организме человека обнаружено более 5 млн. типов белковых молекул, отличающихся по своему строению друг от друга и от белковых молекул других организмов.

Белковая молекула состоит из углерода (50-59 %), кислорода (21-24 %), водорода (6,5-7,3 %), азота (15-18 %), серы (до 2,5 %). Кроме того, в её состав могут входить железо, фосфор, магний, цинк, медь и некоторые другие элементы.

В 1871 году русский химик Н. Н. Любавин (1845-1918) установил, что белки состоят из аминокислот, т.е. именно аминокислоты являются мономерами сложных белковых молекул. Т.о., белки - это высокомолекулярные азотсодержащие вещества, состоящие из б-аминокислот L-ряда, связанных между собой пептидными связями.

Известно более 170 аминокислот, но только 20 из них входят в состав белков. Их называют протеиногенными. Растения синтезируют все аминокислоты из более простых веществ. Животные синтезируют не все аминокислоты. Некоторые из них должны поступать с пищей, это так называемые незаменимые аминокислоты. То есть, для человека по биологическому значению аминокислоты подразделяются на заменимые аминокислоты - синтезируются в организме человека в достаточном количестве (глицин, аланин, серин, цистеин, тирозин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, аспарагин, глутамин);

ѓ полузаменимые аминокислоты - образуются в организме, но в недостаточном количестве, поэтому их недостаток должен восполняться белковой пищей (тирозин, аргинин, гистидин);

ѓ незаменимые аминокислоты - в организме человека не синтезируются, поэтому они должны поступать с пищей (валин, лейцин, изолейцин, треонин, лизин, метионин, фенилаланин, триптофан).

Аминокислотный состав белков определяется не доступностью или незаменимостью той или иной аминокислоты, а назначением белка, его биологической функцией. В настоящее время определен аминокислотный состав многих сотен белков.

Все 20 аминокислот построены по одной схеме. На одном конце молекулы располагается карбоксильная группа - СООН, определяющая кислотные свойства молекулы; рядом с ней, при втором атоме углерода находится аминогруппа NН₂, определяющая основные свойства, и далее - радикал (R). Это либо -Н, либо группа -СН₃, либо другая более сложная группа.

Таблица 5 Протеиногенные аминокислоты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

HOCH

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Благодаря своему строению аминокислоты обладают амфотерными свойствами, т.е. одновременно проявляют свойства кислот и оснований: недиссоциированная форма аминокислоты в нейтральном водном растворе превращается в диполярную форму (цвиттерион), которая способна взаимодействовать как с кислотами, так и с основаниями. Рассмотрим амфотерность аминокислот на примере нейтральной молекулы:

Взаимодействие диполярного иона с кислотой (Н⁺) и основанием (ОН?) можно выразить следующей схемой:

По кислотно-основным свойствам аминокислоты делят в зависимости от физико-химических свойств бокового радикала на три группы: кислые, основные и нейтральные. К кислым относятся аминокислоты с карбоксильными группами в боковом радикале: аспарагиновая и глутаминовая кислоты, к основным - аминокислоты лизин, аргинин и гистидин, имеющие в боковом радикале группировку с основными свойствами: аминогруппу, гуанидиновую и имидазольную группы. Все остальные аминокислоты - нейтральные, так как их боковой радикал не проявляет ни кислых, ни основных свойств.

Следовательно, аминокислоты имеют суммарный нулевой, положительный или отрицательный заряд, зависящий от рН-среды. Значение рН-среды, при котором заряд аминокислоты равен нулю, называется изоэлектрической точкой. Изоэлектрическая точка отражает кислотно-основные свойства разных групп в аминокислотах и является одной из важных констант, характеризующих аминокислоту.

При взаимодействии аминокислот друг с другом образуются очень прочные ковалентные связи между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой аминокислоты, при этом выделяется молекула воды:

Каждую аминокислоту, входящую в состав белка, называют аминокислотным остатком. Аминокислотные остатки в молекуле белка соединены пептидными связями. Длина пептидной связи составляет 0,1325 нм, представляя собой среднюю величину между длинами одинарной С-N связи (0,146 нм) и двойной С=N связи (0,127 нм), т. е. пептидная связь частично имеет характер двойной связи. Это сказывается на свойствах пептидной группировки:

ѓ пептидная группировка имеет жесткую планарную структуру, т. е. все атомы, входящие в нее, располагаются в одной плоскости;

ѓ атомы кислорода и водорода в пептидной группировке находятся в трансположении по отношению к пептидной С-N связи:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Пептидная группировка (длины связей указаны в нм)

ѓ пептидная группировка может существовать в двух резонансных формах (кето- и енольной):

Эти свойства пептидной группировки определяют структуру полипептидной цепи, которая состоит из регулярно повторяющихся участков, образующих остов молекулы, и вариабельных участков - боковых радикалов аминокислотных остатков. Полипептидная цепь имеет определенное направление, поскольку каждый из ее строительных блоков имеет разные концы: амино- и карбоксильную группы. Началом полипептидной цепи считают конец, несущий свободную аминогруппу (N-конец), а заканчивается полипептидная цепь свободной карбоксильной группой (С-конец).

Соединение из двух аминокислот называется дипептидом, из трёх - трипептидом, из нескольких аминокислот - полипептидом, при этом возможно огромное количество комбинаций аминокислот. В каждой белковой молекуле порядок следования аминокислот и их количество строго определены, в норме постоянны и закодированы в молекуле ДНК, отвечающей за синтез данного полипептида. Перестановка аминокислот местами или замена одной аминокислоты на другую в белковой молекуле может привести к серьёзным нарушениям процессов, протекающих в клетке. Примером тому служит замена в в-цепи гемоглобина человека остатка глутаминовой кислоты, занимающего шестое положение, на остаток валина. Результатом этого является тяжелое, передающееся по наследству заболевание, - серповидноклеточная анемия.

Т.о., понятно, что последовательность аминокислот - фактор очень важный. Он и определяет первичную структуру белковой молекулы. Под первичной структурой белка понимают порядок чередования аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Первичная структура белка уникальна и определяется генами. К настоящему времени расшифрована первичная структура более тысячи белков из разных организмов, в том числе и человека. Кроме первичной структуры, выделяют ещё и вторичную, третичную, а для некоторых белков и четвертичную структуру.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

элементный состав клетки

1. А.П. Пехов. Биология с основами экологии : серия «Учебники для вузов. Специальная литература» - СПб. : Издательство «Лань», 2000. - 672 с.

2. И.К. Проскурина. Биохимия : учеб. пособие для студентов высш. учеб. заведений. - изд-во ВЛАДОС-ПРЕСС, 2003. - 240 с.

3. В.П. Комов, В.Н. Шведова. Биохимия : учеб. для вузов. - М. : Дрофа, 2004. - 640 с.

4. А.Я. Николаев. Биологическая химия. - М. : Медицинское информационное агенство, 2001. - 496 с.

5. Я. Кольман, К.-Г. Рём. Наглядная биохимия : пер. с нем. - М. : Мир, 2000. - 469 с.

6. Д.Г. Кнорре, С.Д. Мызина. Биологическая химия : учеб. для хим., биол. и мед. спец. вузов. - М. : Высшая школа, 2002. - 479 с.

Размещено на Allbest.ru