Органические вещества, входящие в состав клетки.

Органические вещества, входящие в состав клетки

К основным органическим веществам клетки относятся белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты, витамины и АТФ. Также в клетке встречаются карбоновые кислоты и другие органические соединения. Многие органические вещества клетки являются биополимерами.

Белки – это слож­ные ор­га­ни­че­ские ве­ще­ства, вы­пол­ня­ю­щие в клет­ке важ­ные функ­ции. Из всех ор­га­ни­че­ских ве­ществ клет­ки 50–70 % при­хо­дит­ся на белки. Обо­лоч­ка клет­ки, все ее внут­рен­ние струк­ту­ры по­стро­е­ны с уча­сти­ем бел­ко­вых мо­ле­кул.

Белки транс­пор­ти­ру­ют ве­ще­ства клет­ки, они вы­пол­ня­ют роль ка­та­ли­за­то­ров, уско­ря­ю­щих хи­ми­че­ские ре­ак­ции, очень труд­но пред­ста­вить себе хоть ка­кой-то про­цесс в клет­ке, ко­то­рый бы об­хо­дил­ся без уча­стия бел­ков (рис. 1).

Рис. 1. Участие белков в различных процессах клетки

Белки пред­став­ля­ют собой ги­гант­ские по­ли­мер­ные мо­ле­ку­лы, мо­но­ме­ра­ми ко­то­рых яв­ля­ют­ся ами­но­кис­ло­ты. В при­ро­де из­вест­но более 150 раз­лич­ных ами­но­кис­лот, но в по­стро­е­нии бел­ков живых ор­га­низ­мов участ­ву­ют толь­ко 20, их так и на­зы­ва­ют – вол­шеб­ные ами­но­кис­ло­ты. Бла­го­да­ря осо­бен­но­стям сво­е­го хи­ми­че­ско­го стро­е­ния ами­но­кис­ло­ты со­еди­ня­ют­ся друг с дру­гом, об­ра­зуя пер­вич­ную струк­ту­ру белка (рис. 2).

Рис. 2. Структура аминокислот

Уни­каль­ность или спе­ци­фич­ность белка опре­де­ля­ет­ся в первую оче­редь по­сле­до­ва­тель­но­стью со­еди­не­ния ами­но­кис­лот.

Ли­ней­ных бел­ков, в ко­то­рых ами­но­кис­ло­ты вы­стра­и­ва­лись бы в одну линию, в при­ро­де прак­ти­че­ски не су­ще­ству­ет. Бла­го­да­ря об­ра­зу­ю­щим­ся во­до­род­ным свя­зям между раз­ны­ми ча­стя­ми мо­ле­ку­лы белок при­об­ре­та­ет про­стран­ствен­ную или вто­рич­ную струк­ту­ру.

Возь­мем белок ге­мо­гло­би­на. Его вто­рич­ная струк­ту­ра – это спи­раль. И эта спи­раль тоже может из­ги­бать­ся в про­стран­стве, фор­ми­руя, таким об­ра­зом, тре­тич­ную струк­ту­ру белка.  В ре­зуль­та­те та­ко­го мно­го­крат­но­го скру­чи­ва­ния длин­ная и тон­кая нить мо­ле­ку­лы белка ста­но­вит­ся ко­ро­че, толще и со­би­ра­ет­ся в ком­пакт­ный комок – гло­бу­лу. Белок вы­пол­ня­ет в клет­ке свои функ­ции, толь­ко на­хо­дясь в форме гло­бу­лы. У неко­то­рых бел­ков встре­ча­ет­ся еще более слож­ная форма – чет­вер­тич­ная струк­ту­ра (рис. 3).

Рис. 3. Четвертичная структура белка

Таким об­ра­зом, свой­ства белка опре­де­ля­ют­ся не толь­ко по­сле­до­ва­тель­но­стью ами­но­кис­лот, но и его про­стран­ствен­ной струк­ту­рой – кон­фор­ма­ци­ей.

Белки, вы­пол­ня­ю­щие функ­цию ка­та­ли­за­то­ров, уско­ря­ю­щих хи­ми­че­ские про­цес­сы в клет­ке, на­зы­ва­ют фер­мен­та­ми. Фер­мен­ты участ­ву­ют в пе­ре­но­се ато­мов и мо­ле­кул, в рас­щеп­ле­нии и по­стро­е­нии бел­ков, жиров, уг­ле­во­дов и всех дру­гих со­еди­не­ний, то есть в кле­точ­ном об­мене ве­ществ. Ни одна хи­ми­че­ская ре­ак­ция в живых клет­ках и тка­нях не об­хо­дит­ся без уча­стия фер­мен­тов.

Кроме ка­та­ли­ти­че­ской, на белки воз­ло­же­на не менее важ­ная за­щит­ная функ­ция. Поиск и фик­са­ция ток­си­нов, по­па­да­ю­щих в клет­ку, уни­что­же­ние чу­же­род­ных ор­га­низ­мов – бак­те­рий и ви­ру­сов – эту ра­бо­ту тоже вы­пол­ня­ют белки.

За бел­ка­ми еще за­креп­ле­на ре­гу­ля­тор­ная функ­ция, сиг­наль­ная, за­пас­ная, ре­зерв­ная и много дру­гих функ­ций.

Нуклеиновые кислоты

Впер­вые нук­ле­и­но­вые кис­ло­ты об­на­ру­жи­ли в ядрах кле­ток, от­сю­да и их на­зва­ние. На ла­ты­ни «нук­ле­ус» зна­чит ядро. Су­ще­ству­ет два типа нук­ле­и­но­вых кис­лот: ри­бо­ну­кле­и­но­вая кис­ло­та, со­кра­щен­но РНК, и дез­ок­си­ри­бо­ну­кле­и­но­вая кис­ло­та –  ДНК (рис.4).

Нужно пой­мать пре­ступ­ни­ка – берем у него ана­лиз ДНК и спра­вед­ли­вость вос­тор­же­ство­ва­ла. Это воз­мож­но по­то­му, что струк­ту­ра каж­дой мо­ле­ку­лы ДНК уни­каль­на.

Рис. 4. Нуклеиновые кислоты

Мо­ле­ку­лы нук­ле­и­но­вых кис­лот – это очень длин­ные по­ли­мер­ные це­поч­ки, со­сто­я­щие из нук­лео­ти­дов (рис. 5). Нук­лео­тид – это со­еди­не­ние, со­сто­я­щее из азо­ти­сто­го ос­но­ва­ния и свя­зан­но­го с ним мо­но­са­ха­ри­да – ри­бо­зы или дез­ок­си­ри­бо­зы, от­сю­да раз­ни­ца в на­зва­нии РНК и ДНК. Также в со­став нук­лео­ти­да вхо­дит оста­ток фос­фор­ной кис­ло­ты – от од­но­го до трех.

Азо­ти­стые ос­но­ва­ния ДНК – это аде­нин, гу­а­нин, ци­то­зин и тимин (рис. 6). У РНК место ти­ми­на за­ни­ма­ет ура­цил.

Рис. 5. Нуклеотид

Рис. 6. Азотистые основания ДНК

Мо­ле­ку­ла ДНК – важ­ней­шее ве­ще­ство клет­ки. Если срав­нить клет­ку с че­ло­ве­че­ским ор­га­низ­мом, то ДНК – это мозг клет­ки. В по­сле­до­ва­тель­но­сти нук­лео­ти­дов мо­ле­ку­лы этой кис­ло­ты за­шиф­ро­ва­на вся на­след­ствен­ная ин­фор­ма­ция клет­ки и ор­га­низ­ма в целом. В клет­ках ор­га­низ­мов каж­до­го био­ло­ги­че­ско­го вида на­хо­дит­ся опре­де­лен­ное ко­ли­че­ство мо­ле­кул ДНК на клет­ку. По­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов в мо­ле­ку­ле ДНК все­гда стро­го ин­ди­ви­ду­аль­на и непо­вто­ри­ма не толь­ко для вида в целом, но и для каж­дой его особи. По­это­му мы с вами такие раз­ные и имен­но по­это­му вы­чис­лить по ДНК пре­ступ­ни­ка так про­сто.

Мо­ле­ку­лы ДНК у всех эу­ка­ри­от на­хо­дят­ся в ядре клет­ки и в ор­га­но­и­дах – ми­то­хон­дри­ях и пла­сти­дах, у про­ка­ри­от оформ­лен­но­го ядра нет, по­это­му у них ДНК распо­ла­га­ет­ся непо­сред­ствен­но в ци­то­плаз­ме (рис. 7).

Рис. 7. Молекулы ДНК эукариот и прокариот

У всех живых су­ществ мо­ле­ку­лы ДНК по­стро­е­ны по од­но­му и тому же прин­ци­пу (рис. 8).

Рис. 8. Структура ДНК

Они со­сто­ят из двух по­ли­нук­лео­тид­ных це­по­чек, скру­чен­ных в виде двой­ной спи­ра­ли в на­прав­ле­нии слева на­пра­во. При этом азо­ти­стые ос­но­ва­ния об­ра­ще­ны внутрь спи­ра­ли и скреп­ле­ны между собой во­до­род­ны­ми свя­зя­ми. А дез­ок­си­ри­бо­зы и остат­ки фос­фор­ной кис­ло­ты оста­ют­ся на внеш­ней сто­роне двой­ной спи­ра­ли.

Ри­бо­ну­кле­и­но­вая кис­ло­та по­хо­жа по стро­е­нию на ДНК, но ее мо­ле­ку­лы со­сто­ят толь­ко из одной це­поч­ки. Среди азо­ти­стых ос­но­ва­ний в нук­лео­ти­дах вме­сто ти­ми­на при­сут­ству­ет ура­цил, а вме­сто дез­ок­си­ри­бо­зы – уг­ле­вод ри­бо­за. Мо­ле­ку­лы РНК на­хо­дят­ся в ядре, ци­то­плаз­ме и неко­то­рых ор­га­но­и­дах клет­ки.

Ри­бо­ну­кле­и­но­вая кис­ло­та слу­жит по­сред­ни­ком между ДНК и син­те­зи­ру­е­мы­ми бел­ка­ми, участ­вуя в сбор­ке мо­но­ме­ров в по­ли­мер. По­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов со­от­вет­ству­ет по­сле­до­ва­тель­но­сти ами­но­кис­лот, из ко­то­рых стро­ит­ся белок. Таким об­ра­зом, ин­фор­ма­ция, за­шиф­ро­ван­ная в ДНК, пе­ре­да­ет­ся на РНК, и на ней уже про­ис­хо­дит син­тез нуж­но­го белка.

Эта функ­ция пе­ре­но­са ин­фор­ма­ции за­креп­ле­на в клет­ке за ин­фор­ма­ци­он­ны­ми РНК. По­ми­мо этого, су­ще­ству­ет еще два типа ри­бо­ну­кле­и­но­вой кис­ло­ты – это транс­порт­ные РНК и ри­бо­сом­ные РНК. Пер­вые пе­ре­но­сят ами­но­кис­ло­ты к месту син­те­за белка, вто­рые со­дер­жат­ся в мель­чай­ших ор­га­но­и­дах клет­ки – ри­бо­со­мах. Все эти РНК участ­ву­ют в син­те­зе бел­ков.

РНК РНК – это нерегулярный полимер, состоящий из нуклеотидов. Все виды РНК образуются в ядре на ДНК. Содержание в клетке сильно колеблется. РНК находится в ядре и цитоплазме. Строение нуклеотида – как у ДНК, за двумя исключениями: вместо дезоксирибозы в состав РНК входит рибоза, а вместо тимина –урацил. РНК состоит из одной цепочки. Выделяют три вида РНК: и-РНК (информационная РНК), или м-РНК (матричная РНК), содержится в ядре и цитоплазме. Ее функция – перенос информации о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка;

т-РНК (транспортная РНК) в основном содержится в цитоплазме клетки. Функция – перенос молекул аминокислот к месту синтеза белка;

р-РНК (рибосомная РНК) синтезируется в ядрышках и участвует в образовании рибосом. Это самая крупная РНК – она имеет наибольшую молекулярную массу, по сравнению с другими видами РНК.

Углеводы Углеводы – органические вещества, в состав которых входит углерод, водород и кислород. Общая формула: Сn(Н2О)m, где n и m не менее 3-х. Они делятся на три класса: моносахариды, олигосахариды и полисахариды. Моносахариды состоят из одной молекулы, это твердые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде и имеющие сладкий вкус. Рибоза и дезоксирибоза (С5Н10О5 и С5Н10О4соответственно) входят в состав ДНК и РНК. Глюкоза (С6Н12О6) – это основной первичный источник энергии в клетке. Фруктоза – изомер глюкозы. Олигосахариды состоят из 2-, 3- или 4-х остатков моносахаридов. Наиболее важны дисахариды, состоящие из 2-х остатков. Они хорошо растворимы в воде, сладкие на вкус. Сахароза (С12Н22О11) широко распространена в растениях. Лактоза (молочный сахар) – это важнейший источник энергии для детенышей млекопитающих. Полисахариды – высокомолекулярные вещества, состоящие из большого числа остатков моносахаридов. Их общая формула – (С6Н10О5)n. Плохо растворимы в воде, не имеют сладкого вкуса. Крахмал представлен двумя формами: амилоза (состоит из остатков глюкозы, соединенных в неразветвленную цепь) и амилопектин (состоит из остатков глюкозы, соединенных в линейные и разветвленные цепи). Гликоген – полисахарид животных и грибов. По структуре напоминает крахмал, но сильнее разветвлен. Клетчатка (целлюлоза) – главный структурный полисахарид растений, входит в состав клеточных стенок. Это линейный полимер. Хитин входит в состав клеточных стенок грибов и кутикулы членистоногих. Это неразветвленный полимер. Муреин входит в состав клеточной стенки бактерий, это гликопротеид. Функции углеводов: 1. Энергетическая – 1 г при полном распаде дает 17,6 кДж; 2. структурная; 3. входят в состав РНК и ДНК; 4. опорная (целлюлоза у растений); 5. запасающая (крахмал и гликоген).

Липиды Липиды объединяют жиры и жироподобные вещества (липоиды). Жиры – это сложные эфиры жирных кислот и глицерина. Жирные кислоты: пальмитиновая, стеариновая (насыщенные), олеиновая, линолевая (ненасыщенные). Растительные жиры богаты ненасыщенными кислотами, поэтому они легкоплавкие, при комнатной температуре – жидкие. Животные жиры содержат в основном насыщенные кислоты, поэтому они более тугоплавкие, при комнатной температуре – твердые. Все жиры нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в неполярных растворителях; плохо проводят тепло. К жирам относятся фосфолипиды (это основной компонент мембран клеток) – в их состав входит остаток фосфорной кислоты. К липоидам относятся стероиды, воск и др. Функции липидов: 1. структурная; 2. энергетическая – 1 г при полном распаде дает 38,9 кДж; 3. запас питательных веществ (жировая ткань); 4. терморегуляция (подкожный жир); 5. запас воды -при окислении 100 г жира выделяется 107 мл воды; 6. защита внутренних органов от повреждения; 7. гормоны (эстрогены, андрогены, стероидные гормоны);

АТФ АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) – это основной источник энергии для клеток живых организмов. АТФ состоит из трех остатков фосфорной кислоты, рибозы (моносахарид) и аденина (остаток азотистого основания). При отщеплении одного остатка фосфорной кислоты образуется АДФ (аденозиндифосфорная кислота), а если отщепляются два остатка – то АМФ (аденозинмонофосфорная кислота). Реакция отщепления каждого остатка сопровождается освобождением 40 кДж/моль. Такая фосфорно-кислородная связь в АТФ называется макроэргической. АТФ имеет две макроэргические связи. АТФ образуется в митохондриях из АМФ, которая присоединяет сначала один, затем второй остаток фосфорной кислоты с поглощением 40 кДж/моль энергии (или из АДФ с присоединением одного остатка фосфорной кислоты). АТФ расходуется на различные процессы в клетке, например на биосинтез белка.

Скачано с www.znanio.ru