Химический состав клетки. Органические вещества

Химические элементы клетки образуют неорганические и органические вещества. Хотя в живых организмах преобладают неорганические вещества, именно органические вещества могут определить уникальность их химического состава и феномена жизни в целом, потому что они синтезируются преимущественно организмами в процессе жизнедеятельности и играют в реакциях самую важную роль.

К органическим компонентам клетки относятся: жиры, углеводы, белки и нуклеиновые кислоты.

А теперь обо всем по-порядку.

В живых организмах есть очень много разнообразных соединений, которые практически не встречаются в неживой природе и которые называют органическими соединениями. Каркасы молекул этих соединений выстроены из атомов углерода.

Среди органических соединений выделяются низкомолекулярные вещества (органические кислоты, их эфиры, аминокислоты, свободные жирные кислоты, азотистые основания и т. д.). Но основная масса сухого вещества клетки представлена высокомолекулярными соединениями, которые являются полимерами.

Различают полимеры линейные и разветвленные, гомополимеры (все мономеры одинаковые — остатки глюкозы в крахмале) и гетерополимеры (мономеры разные — остатки аминокислот в белках), регулярные (группа мономеров в полимере повторяется периодически) и нерегулярные (в молекулах нет видимой повторяемости мономерных звеньев).

Белки, или пептиды (греч. πεπτος – питательный)

Белки — это линейная структура, образованная из длинной цепи аминокислот, между которыми возникли пептидные связи. Такие связи образуется между карбоксильной группой (COOH) одной аминокислоты и аминогруппой другой аминокислоты (NH2).

Между понятиями пептиды и белки есть некоторая разница. В составе белков  сотни тысяч аминокислот. Пептидами — это небольшие белки, содержащие до 10 аминокислот. Ими являются некоторые гормоны: окситоцин, вазопрессин, тиреолиберин. Функция таких пептидов — регуляторная.

В пространственной организации белка можно выделить несколько уровней:

• Первичная – полипептидная цепь, в которой аминокислоты расположены линейно.
• Вторичная – полипептидная цепь закручивается в спираль, формируется α или β структура.
• Третичная – спирали скручиваются в глобулу (лат. globulus — шарик).
• Четвертичная – образуется у сложных белков путем соединения нескольких глобул.

Если оптимальные для белка условия резко меняются, он подвергается денатурации: происходит переход от высших структур организации к низшим, или “раскручивание белка”.

Обратите внимание на то, что аминокислотная последовательность (первичная структура белка) при этом не изменяется, а вот свойства белка меняются кардинально (происходит потеря его гидрофильности).

А теперь поговорим о функциях белка. Их несколько:

• Каталитическая (греч. katalysis – разрушение)

Белки являются природными катализаторами, благодаря которым в сотни тысяч раз ускоряются реакции в организме. Эту роль главным образом выполняют белки-ферменты (энзимы).

• Строительная

Белки входят в состав клеточных мембран. Сложные белки: коллаген, эластин – входят в состав соединительных тканей организма, благодаря чему последние становятся более прочными и эластичными.

• Регуляторная

У некоторых гормонов, которые регулируют обменные процессы в организме, белковое происхождение: инсулин, глюкагон, адренокортикотропный гормон (АКТГ).

• Защитная

Здесь, прежде всего, надо вспомнить об антителах – иммуноглобулинах, которые синтезируют B-лимфоциты. Антитела умеют нейтрализовать чужеродные организму антигены (то есть, разрушают бактерии).

Помимо антител, защитную функцию выполняют также белки свертывающей системы крови (тромбин и фибриноген): они умеют предохранять организм от кровопотери.

• Энергетическая

Если организм недостаточно питается, в нем происходит окисление  молекул белков. При расщеплении 1 г белков выделяется 17,6 кДж энергии.

• Транспортная

Некоторые белки крови могут присоединять к себе и переносить различные молекулы. Альбумины принимают участие в транспорте жирных кислот, глобулины – гормонов и некоторых ионов (Fe, Cu). Основной белок эритроцитов – гемоглобин — может переносить кислород, углекислый и угарный газы (угарный конечно нежелательно ему переносить, будет отравление)

• Сократительная

Двигательные белки, актин и миозин обеспечивают сокращение мышц. Когда мышечная ткань возбуждаться, тонкие нити актина начинают тереться о толстые нити миозина, что приводит к сокращению.

• Рецепторная

На поверхности мембраны белки образуют многочисленные рецепторы, которые, при соединении с гормонами, изменяют обмен веществ в клетке. Таким образом, гормоны реализуют воздействие на клетки органов-мишеней.

Жиры, или липиды (греч. lipos – жир)

Почему именно мыло может смыть жир с рук? Все просто. Молекула мыла повторяет свойства жира: одна часть ее гидрофобна, а другая гидрофильна. Мыло соединяется с молекулой жира гидрофобной частью, и вместе они легко смываются водой.

Функции жиров:

• Энергетическая

При окислении жиров выделяется много энергии: 1 г – 38,9 кДж. Это вдвое больше выделяющейся энергии при расщеплении 1г углеводов.

• Запасающая

Жиры умеют накапливаться в клетках, расположенных в подкожно-жировой клетчатке, внутренних органах. Эти запасы – резерв организма на случай голодания или при недостаточном питании. В жирах запасается и вода: в 100 г жира – 107 мл воды. Благодаря этому многие пустынные животные (верблюды) смогут достаточно долго обойтись без воды.

• Структурная

Жиры находятся в составе биологических мембран клеток человека вместе с белками. Из фосфолипидов выстроены мембраны всех клеток органов и тканей!

Например, холестерин – обязательный компонент мембраны, придающий  ей определенную жесткость и совершенно необходимый для нормальной жизнедеятельности (заболевания возникают только если нарушается липидный обмен).

• Терморегуляция

У жиров неважная теплопроводность. Находясь в подкожно-жировой клетчатке, они образуют термоизолирующий слой. Хороший пример — ластоногие (моржи и тюлени), киты: этот слой защищает их от переохлаждения.

• Гормональная

Некоторые гормоны по строению относятся к жирам: половые (андрогены – мужские и эстрогены – женские), гормон беременности (прогестерон), кортикостероиды.

• Участие в обмене веществ (метаболизме)

Производное жира – витамин D – участвует в обмене кальция и фосфора в организме. В коже образуется при воздействии ультрафиолетового излучения (солнечного света). Если возникает недостаток витамина D, то начинается заболевание — рахит.

Углеводы

• Моносахариды (греч. monos — единственный)

Простые сахара, они легко растворяются в воде и имеют сладкий вкус.

• Олигосахариды (греч. ὀλίγος — немногий)

При гидролизе олигосахариды распадаются на моносахариды. В состав олигосахаридов может входить от 2 до 10 моносахаридных остатков. Если в состав олигосахарида входят 2 остатка моносахарида, то его называют дисахарид (это сахароза, лактоза, мальтоза). Во время гидролиза сахароза распадается на глюкозу и фруктозу.

• Полисахариды

Это биополимеры, состоящие из сотен тысяч моносахаридов, обладающие высокой молекулярной массой. В воде они нерастворимы, а на вкус несладкие.

Крахмал, целлюлоза, гликоген, хитин и муреин – все это биополимеры. Давайте вспомним, где они находятся.

Клеточная стенка образована: у растений – целлюлозой, у грибов – хитином, у бактерий – муреином. Запасное питательное вещество растений – крахмал, животных — гликоген.

Функции углеводов:

• Энергетическая

При расщеплении 1 г углеводов высвобождается 17,6 кДж энергии.

• Запасающая

Запасное питательное вещество растений и животных – крахмал и гликоген. Расщепление гликогена позволяет нам оставаться в сознании и быть активными между приемами пищи.

Гликоген – разветвленная молекула, состоящую из остатков глюкозы. Благодаря большим размерам эта молекула хорошо удерживается в дает возможность ферментам быстро отщепить много молекул глюкозы одновременно.

При некоторых заболеваниях происходит нарушение распада гликогена. Из-за этого нейроны не получают глюкозы (источника энергии, соответственно не синтезируются и молекулы АТФ). Следствие – возможность частых потерей сознания.

• Структурная (опорная)

Целлюлоза находится в составе клеточных стенок растений, придает им нужную твердость. Хитин образует клеточную стенку грибов и наружный скелет членистоногих.

Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus — ядро)

Нуклеиновые кислоты представляют собой нерегулярные, линейные биополимеры, они играют основную роль в хранении (ДНК) и реализации (РНК) генетической информации. Впервые их описал в 19 веке швейцарец Фридрих Мишер.

ДНК – это полимер, состоящий из мономеров – нуклеотидов. Основной функцией ДНК считается хранение наследственной информации и кодирование аминокислот.

Установление структуры ДНК позволило решить ряд проблем.

1. Проблему хранения наследственной информации.
2. Проблему передачи информации.
3. Проблему разнообразия наследственной информации.

РНК играет значительно роль в процессе трансляции (считывания) генетической информации с образованием белков. РНК представляет собой линейные полинуклеотиды с тем же принципом организации, что и ДНК.

Все виды РНК синтезируются на матрице – ДНК, различают три вида РНК:

• Рибосомальная РНК (рРНК)
• Информационная РНК (иРНК, син. – матричная РНК, мРНК)
• Транспортная РНК (тРНК)