Егэ биология биохимия клетки

Пройти тестирование по этим заданиям
Вернуться к каталогу заданий

Версия для печати и копирования в MS Word

Пройти тестирование по этим заданиям

ХИМИЧЕСКАЯ
ОРГАНИЗАЦИЯ КЛЕТКИ

Химические элементы, входящие в
состав клетки и выполняющие какие – либо функции, называют биогенными. Все
клетки живых организмов сходны по химическому составу. Из всех элементов
периодической системы Д.И. Менделеева в организме человека обнаружено 80
постоянно присутствующих, из них 25 необходимы для нормальной
жизнедеятельности.

Все  присутствующие 
в  клетке  элементы 
делятся, в зависимости от ихсодержания в клетке, на группы: 

Макроэлементы
— хи­ми­че­ские эле­мен­ты или их соединения, ис­поль­зу­е­мые ор­га­низ­ма­ми
в срав­ни­тель­но боль­ших количествах: кислород, водород, углерод, азот,
железо, фосфор, калий, кальций, сера, магний, натрий, хлор и др. При
этом H, O, N, Cвы­де­ля­ют в осо­бую группу — органогены.

Микроэлементы  – В, Ni, Cu, Co, Zn, Mb,
I,Mn,
F,
 и др.; несмотря на их малое количество, микроэлементы влияют на
обмен веществ.

Живую клетку отличают 2 особенности:
в ней много воды, в которой все вещества растворены; и много органических
веществ. Изучение химического состава клетки показало, что в живых организмах
нет никаких особых химических элементов, свойственных только им. Именно в этом
проявляется единство химического состава живой и неживой природы.

Клетка состоит из органических и неорганических
веществ.

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА
КЛЕТКИ

Это 
вода, соли, кислоты, основания (составляют 1- 1,5% массы клетки).

Вода 
–  важнейшее  неорганическое  вещество  клетки. Вода –
это преобладающий компонент большинства клеток (исключение – костная ткань и
эмаль зубов). В молодых  клетках —  95% воды, в старых – 60%. В клетке вода
находится в свободном и связанном состоянии. Молекулы связанной воды прочно
соединены с белками.

Молекула воды представляет собой
диполь – на одном конце «–» заряд, на другом «+» заряд, но в целом молекула
электронейтральна. Между  отдельными  молекулами  воды 
образуются водородные  связи,  определяющие  физические 
и  химические  свойства воды.

Физические свойства воды: так как молекулы воды полярны, то вода
обладает свойством растворять полярные молекулы других
веществ. 

Вещества растворимые  в 
воде,  называются гидрофильными (соли, кислоты, спирты,  белки,
углеводы).

Вещества,  нерастворимые 
в  воде  называются гидрофобными
(жиры  и жироподобные вещества).

Полярность молекулы воды, способность
образовывать водородные связи объясняет её высокую удельную теплоемкость.
Вследствие этого в живых  организмах не происходит резких колебаний температуры. Это свойство 
воды  обеспечивает  поддержание  теплового  баланса 
в организме. 

 Вода – универсальный растворитель, в
ней происходят все биохимические процессы в клетке. В активных клетках на долю
воды приходится до 75%  — это клетки головного мозга и мышцы, в менее активных,
например, в жировой ткани – 40%.

Функции воды:

1)     
Универсальный растворитель

2)     
Придает упругость и объем клетке

3)     
Участвует в реакциях гидролиза – это
реакции расщепления органических соединений до простых.

4)     
Источник  водорода и кислорода при фотосинтезе

5)     
По жидкой цитоплазме передвигаются 
вещества в организме

6)     
При участии воды осуществляется
терморегуляция

Неорганические
ионы

Соли диссоциируют
на катионы и анионы. Наиболее значимые из них:

1)     
Соединения азота
служат источником минерального питания растений, биосинтеза белков

2)     
Фосфор
входит в состав нуклеиновых кислот, АТФ, фосфолипидов, костей, хитинового
покрова членистоногих

3)     
Ионы кальция
входят в состав костей, кальций также необходим для мышечного сокращения и
свертываемости крови

4)     
Ионы калия участвуют
в проведении нервного импульса,

5)     
Магний  входит
в состав хлорофилла

6)     
Цинк
входит в состав гормона поджелудочной железы инсулина

7)     
Железо
входи в состав гемоглобина

     
Йод
входит в состав гормонов щитовидной железы.

ОРГАНИЧЕСКИЕ
ВЕЩЕСТВА КЛЕТКИ

К
основным органическим веществам клетки относятся белки, липиды, углеводы,
нуклеиновые кислоты, АТФ.

УГЛЕВОДЫ

Углеводы – это органические вещества, в состав которых
входят С, Н, О.                                     

В растительных клетках углеводов больше, чем в
животных.

Углеводы делятся на 3 группы:

ü  ПРОСТЫЕ
САХАРА – МОНОСАХАРИДЫ  состоят из одной
молекулы. Это бесцветные, кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде,
имеют сладкий вкус. Среди них выделяют:

– Рибоза  входит в состав РНК и
АТФ;

– Дезоксирибоза в составе ДНК;

– Глюкоза (виноградный сахар)
основной первичный источник энергии в клетке. Содержится в плодах, крови;

– Фруктоза содержится в мёде,
фруктах;

– Галактоза содержится в молоке.

ü  ДИСАХАРИДЫ
– состоят из 2-х остатков моносахаридов. Гидрофильные и сладкие на вкус. Среди
них выделяют:

– Сахароза широко распространена в
растениях.

– Лактоза  (молочный сахар) входит
в состав молока млекопитающих.

– Мальтоза – это основной
структурный элемент крахмала и гликогена.

ü  ПОЛИСАХАРИДЫ
– высокомолекулярные соединения, состоящие из большого числа остатков
моносахаридов. Не имеют сладкого вкуса и гидрофобны.

– Хитин – входит в состав клеточных
стенок грибов и наружных  покровов членистоногих. Это неразветвленный полимер.

– Крахмал — запасное вещество в
тканях растений. Состоит из разветвленных молекул и растворимый в воде.

– Гликоген (животный крахмал) –
запасное вещество у животных и человека.Он более ветвистый, чем крахмал и хорошо
растворимый в воде.

– Целлюлоза (клетчатка) – полимер,
образованный остатками глюкозы. Входит в состав клеточной стенки растений.

– Муреин – входит  в состав
клеточной стенки бактерий.

ФУНКЦИИ  УГЛЕВОДОВ:

1)   
Структурная или строительная
– углеводы участвуют в построении ряда клеточных структур. Например,  целлюлоза 
входит в состав клеточной стенки растений, а в сочетании с белками
(гликопротеиды) входят в состав костей, хрящей, связок. Простые сахара входят в
состав ДНК и РНК, муреин составляет основу клеточной стенки бактерий, а хитин –
основа наружного покрова у членистоногих и клеточной стенки грибов.

2)   
Энергетическая
– углеводы служат источником энергии, которая расходуется на деление клетки,
биосинтез белка, движение и функционирование клеток. При окислении 1 г
углеводов освобождается 17,6 кДЖ энергии.

3)   
Защитная функция
– слизь богата углеводами, она предохраняет стенки внутренних полых органов.
Хитиновый покров защищает членистоногих от повреждений, клеточные стенки
бактерий, грибов и растений также выполняют защитную функцию.

4)   
Опорная функция
– целлюлоза в составе клеточной стенки осуществляют функцию опоры и каркаса.

5)   
Запасающая функция
– при избытке углеводы запасаются в виде крахмала в растительных  клетках, у
человека и животных – это животный крахмал – гликоген.

ЛИПИДЫ=ЖИРЫ

Обширная группа жиров и
жироподобных веществ. Молекулы жиров построены из глицерина
и жирных карбоновых кислот. Липиды состоят из
атомов углерода, кислорода и водорода.

Жиры
являются макромолекулами, но не являются биополимерами.

Они
гидрофобны, но хорошо растворимы в органических растворителях. Присутствуют во
всех клетках.

1) 
Животные жиры
содержат насыщенные кислоты, они тугоплавкие и  твердые. Содержатся
в мясе. Подкожной жировой клетчатке, молоке. Насыщенные кислоты менее полезны
для организма, они хуже усваиваются организмом.

2) 
Растительные жиры (масла)
богаты ненасыщенными кислотами. Легкоплавкие.

3) 
Воска
– это сложные эфиры. Восковым налетом покрыты листья и плоды многих растений,
воск используется в строительстве пчелиных сот, воском покрыта кожа и шерсть
млекопитающих, перья птиц. Функция – смягчение волос, придание эластичности
перьям и водоотталкивающих свойств у водоплавающих птиц.

4) 
Фосфолипиды
– по структуре сходны с жирами, но в их молекуле есть несколько остатков
фосфорной кислоты. Они составляют основу билипидного слоя цитоплазматической
мембраны.

5) 
Липиды + белки  =липопротеины (в
такой форме жиры переносятся кровью и лимфой)

6)Липиды
+  углеводы  =  гликолипиды (компоненты мембран хлоропластов)

6)  Стероиды
– это гормоны, имеющие липидную природу (у человека это половые гормоны,
гормоны надпочечников).

ФУНКЦИИ 
ЛИПИДОВ:

1)               
Структурная или строительная – фосфолипиды
входят в состав клеточных мембран, миелин– жироподобное вещество белого
цвета покрывает нервные волокна снаружи и во много раз ускоряет передачу
нервных импульсов.ЭТО ВАЖНО! Нерастворимость в воде делает липиды
важнейшим структурным компонентом клеточных мембран.

2) 
Энергетическая функция 
–  половина энергии,  потребляемой  клетками  позвоночных  животных  в
состоянии покоя, образуется в результате окисления (расщепления) жиров.
Энергетический  эффект  от расщепления  1 г жира –  39 кДж, что в два раза
больше энергетического эффекта  от  расщепления 1 г глюкозы или белка.

3)  Запасающая
функция – жиры запасаются в семенах растений
(подсолнечник, лен и т.д.), а также в виде подкожного жирового слоя у животных,
обитающих в условиях холодного климата.

4)  Источник
эндогенной воды – в организме накапливается
так называемый бурый жир, при окислении (расщеплении)  которого выделяется
незначительное количество воды. Эта метаболическая вода очень важна для
некоторых обитателей пустыни, в частности для верблюдов, способных длительное
время обходиться без воды. Животные, впадающие в спячку, такие как медведи и
сурки, также получают необходимую для жизнедеятельности воду в результате
окисления жиров. У человека бурый жир находится между лопатками и в области
шеи.

5)  Теплоизоляционная
(или функция теплоизоляции) – подкожный жир плохо
проводит тепло, поэтому оно сохраняется в организме, что позволяет им выжить в
условиях холодного климата. У китообразных подкожный слой жира способствует
плавучести.

6)  Защитная
функция – подкожный жировой слой защищает от
механических повреждений и охлаждения.

7)  Регуляторная
функция – ряд гормонов, например, кортизон –
гормон надпочечников, а также  половые гормоны  являются липидами. А также есть
жирорастворимые витамины А, D, E, К.

БЕЛКИ

Белки — это нерегулярные биополимеры,
мономерами которых являются аминокислоты. Если в молекуле определенной
закономерности  повтора мономеров нет, то такой полимер называется
нерегулярным.

Белок — это полипептид, выполняющий
биологическую функцию. Белки по содержанию занимают первое место из
органических веществ.

Функции белков:

1.    
Каталитическая функция
стоит на первом месте!

Все ферменты в живых
организмах имеют белковую природу, в небольших количествах они вступают в
реакцию и по её окончании выходят неизменными. Ферменты — биологические
катализаторы, увеличивающие скорость  химических реакций в клетке в сотни тысяч
раз. Ферменты отличаются
специфичностью:
например, фермент, расщепляющий белки, не действует на молекулу крахмала.
Каждый фермент действует в определенных условиях, лучше всего при температуре
36, 6 – 38 градусов. Её повышение подавляет активность, а иногда и разрушает
ферменты.  На ферменты оказывает влияние и химическая среда: одни из них
активны только в кислой среде (например пепсин — фермент желудка), другие – в
щелочной (трипсин – фермент тонкой кишки).Не все белки являются ферментами!

2.Структурная
или строительная функция:

Белки входят в состав всех клеточных и
внеклеточных структур. Белки образуют клеточный скелет. Белки гистоны вместе с
ДНК образуют хромосомы. Примеры: коллаген входит в состав сухожилий, кератин в
состав волос и ногтей.

3.  Защитная функция:

Антитела — это особые
белки, которые вырабатываются в ответ на проникновение чужеродных веществ в
организм, и обезвреживают их. Иммуноглобулины и
интерфероны – белки, которые
«склеивают» антигены. Белки плазмы крови фибрин и фибриноген
участвуют в свертывании крови.

4.    
Регуляторная функция:

Некоторые гормоны — белки.
Например, инсулин — гормон поджелудочной железы. Регулирует углеводный обмен.  

5.    
Двигательная или
сократительная функция:

Актин и миозин – это
белки мышц, осуществляют сокращение мышц. Двигательные белки входят в состав
жгутиков, ресничек животных, бактерий, водорослей. Белки веретена деления
обеспечивают движение хромосом от экватора к полюсам клетки во время деления.

6.    
Транспортная функция:

Гемоглобинкрови осуществляет
транспорт О₂, СО₂. Миоглобин  — переносит О2 в мышцах. Мембранные белки обеспечивают
транспорт в клетку, из клетки и внутри клетки.

7.    
Энергетическая функция:

Расщепляясь до аминокислот, и далее до более
простых веществ Н2О и  СО2. Они выделяют 17,6 кДЖ энергии. Эта
функция крайне редко реализуется, только после того когда в организме
заканчиваются углеводы и липиды.

8.    
Запасающая функция:

 Запасные белки служат для развития зародыша
и вскармливания младенца. Например, казеин — белок молока, яичный белок, белок
зерен пшеницы. Много белка запасается в плодах семейства бобовых.

9.Сигнальная
функция

Белки, встроенные в мембрану клетки,
способны менять свою структуру в ответ на раздражение. Тем самым передаются
сигналы из внешней среды внутрь клетки.

АМИНОКИСЛОТЫ

Мономерами белков являются аминокислоты, их 20.
Существуют заменимые и незаменимые аминокислоты. Незаменимые должны поступать с пищей в организм
человека, так как они не могут быть синтезированы организмом. Заменимые аминокислоты
поступают в составе пищи и могут синтезироваться в организме человека.

Общая формула аминокислоты

В
основе взаимодействия аминокислот между собой лежит образование прочной
пептидной связи:

СТРУКТУРНАЯ
ОРГАНИЗАЦИЯ БЕЛКОВ

Первичная (I) структура белков.

Определение:
первичная структура белка — это последовательность расположения
аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Аминокислоты соединяются в
полипептид с помощью  пептидных связей.

Вторичная (II) структура
белков.

Имеет вид спирали. Такая структура
удерживается благодаря большому количеству непрочных водородных связей.

Вторичная структура белка

Третичная (III) структура белка.

Определение:
третичная структура белка — это пространственная трехмерная
конфигурация (клубок), которую принимает в пространстве закрученная спираль. Удерживается
такая структура с помощью гидрофобных взаимодействий, ковалентных связей. Определяющими
являются гидрофобные взаимодействия.

Третичная
структура белка.

Четвертичная (IV) структура.

Определение: четвертичная
структура белка представляет собой способ взаимного расположения в пространстве
полипептидных цепей в молекуле белка, необходимый для проявления специфических
функций.

Четвертичной структурой обладает около 5%
белков, в том числе гемоглобин. В эритроцитах содержится гемоглобин — комплекс
белка глобина с небелковой железосодержащей частью — гемом. IVструктура
возможна только, если белок состоит из нескольких полипептидных цепей или
по-другому субъединиц.

Четвертичная
структура гемоглобина.

Денатурация– это разрушение природной структуры белка, при этом белок теряет свои
биологические свойства.Денатурацию могут вызвать высокие или низкие
температуры, сильные кислоты и основания и др. Если первичная структура не
разрушена, то возможна ренатурация – восстановление исходной структуры белка.

НУКЛЕИНОВЫЕ
КИСЛОТЫ

Нуклеиновые
кислоты – это  нерегулярные, линейные биополимеры, играют основную роль в
хранении (ДНК) и реализации (РНК) генетической информации. Впервые описаны в 19
веке швейцарцем Фридрихом  Мишером. Различают 2 вида нуклеиновых кислот: ДНК и
РНК. Мономерами ДНК и РНК являются нуклеотиды, которые построены из азотистого
основания, пентозы (простого сахара) и остатка фосфорной кислоты. В РНК сахар –
рибоза, в ДНК – дезоксирибоза.

В качестве оснований в ДНК
содержаться :аденин (А), гуанин (Г),тимин (Т) и цитозин
(Ц). В РНК вместо Т содержится урацил (У). Мономеры в нуклеиновых
кислотах связаны между собой ковалентными связями. 

Какова роль нуклеиновых кислот в
биосинтезе белка?

1) В ДНК содержится информация о
первичной структуре молекул белка.

2) Эта информация переписывается на
молекулу и-РНК, которая переносит ее из ядра к рибосоме, т. е. и-РНК служит
матрицей для сборки молекул белка.

3) т-РНК присоединяют аминокислоты и
доставляют их к месту синтеза белка — к рибосоме.

Принципы строения ДНК:

1. ДНК
– это полимер, состоящий из мономеров — нуклеотидов. Основная функция ДНК –
хранение наследственной информации и кодирование аминокислот.

2.
Состав нуклеотидов ДНК подчиняется правилу Чаргаффа: в ДНК число
остатков А всегда равно числу остатков Т, число остатков Г – числу остатков Ц.

3. Структура ДНК стабилизируется
водородными связями между А и Т, Г и Ц. Такие пары называются комплементарными.
В паре А
и Т – 2 водородные связи,
в паре Ц
и Г – 3водородные связи. В
связи с этим последовательность оснований в одной цепи определяет последовательность
оснований в другой цепи. Это ключевое свойство ДНК.

В 1953
г. Уотсон и Крик предложили пространственную модель структуры ДНК,
которая представляет собой правовинтовую спираль, образованную 2-мя
полинуклеотидными цепями, закрученными друг относительно друга и вокруг общей
оси.

Установление структуры ДНК позволило
решить ряд проблем.

1) Проблема хранения наследственной информации.
Решение:  ДНК состоит из нуклеотидов, последовательность которых хранит и
кодирует наследственную информацию.

2) Проблема передачи информации.
Решение: ДНК состоит из двух комплементарных цепей и способна к самоудвоению с
последующим  расхождением  по  клетке.  Решение  – сначала наследственная 
информация  удваивается, а затем передается потомству в первоначальном виде.

3)  Проблема  разнообразия 
наследственной  информации. Каким  образом  всего  4  нуклеотида  определяют 
различия  между организмами? Решение:   Количество  нуклеотидов  в  ДНК
насчитывает  сотни  тысяч. Они могут чередоваться в различной
последовательности. Новая  последовательность  нуклеотидов определяет новый
набор генетических признаков организма.

ДНК может находиться в линейной и
кольцевой формах. Все одноцепочечные молекулы – кольцевые (хромосомы некоторых
бактерий, геномы вирусов, большинство митохондриальных и хлоропластных ДНК). У
прокариот ДНК расположена в цитоплазме.

Двухцепочечные молекулы ДНК –
линейные, составляют основу хромосом эукариот. Содержание ДНК в клетке строго
постоянно. У эукариот ДНК в основном находится в ядрев виде плотно упакованных,
скрученных структурах – хромосомах.

Функции РНК:
играет роль в трансляции (считывании) генетической информации с образованием
белков. РНК предст. собой линейные полинуклеотиды с тем же принципом
организации, что и ДНК. РНК в отличие от ДНК молекулы лабильные, то есть
неустойчивые, подвижные, способные к образованию петель. Свою функцию РНК
способна выполнять только в одноцепочечном состоянии.

Виды РНК:
матричная или информационная, рибосомальная, транспортная.

1) иРНК (матричная
или информационная) синтезируется с ДНК  в ядре и выходит в цитоплазму, она содержит
информацию о составе полипептидной цепи белка. Она имеет несколько областей с
различной функцией: 1) инициирующий кодон АУГ
с него начинается биосинтез белка; 2) кодирующая часть – содержит информацию
о последовательности аминокислот в белке; 3)стоп кодон, на нем
заканчивается биосинтез; Зрелые мРНК находятся в цитоплазме.

2)
тРНК(транспортная) в основном содержится в
цитоплазме клетки, и переносит аминокислоты к месту синтеза белка. тРНК имеет
структуру «клеверного листа». тРНК содержит участок под названием акцепторный
– присоединяет аминокислоту, на противоположном участке находятся – 3
нуклеотида, этот участок называется антикодон, он взаимодействует с кодоном иРНК.
Это самые маленькие РНК.

Примечание: на рисунке Д – это
акцепторный конец, Е — антикодон

3) рРНК
(рибосомальная) – синтезируется в ядрышках и вместе с белками составляют
большую и малую субъединицы рибосом. Это самая крупная РНК.

АТФ

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) –
это основной источник энергии для клеток живых организмов. АТФ состоит из аденина,
сахара рибоза и трёх остатков фосфорной кислоты, которые соединены друг с
другом высокоэнергетическими  или, по-другому, макроэргическими (богатыми
энергией) связями.

При отщеплении одного остатка
фосфорной кислоты образуется АДФ (аденозиндифосфорная кислота), а если
отщепляется два остатка фосфорной кислоты, то образуется АМФ
(аденозинмонофосфорная кислота). Реакция отщепления каждого остатка фосфорной
кислоты сопровождается выделением 40 кДЖ энергии. АТФ имеет 2 макроэргические
связи (на схеме показаны красным цветом).

АТФ образуется в митохондриях в ходе
кислородного этапа энергетического обмена. АТФ расходуется на различные
процессы в клетке, например биосинтез белка, деление клетки, функционирование,
движении и т.д.

Таким образом, АТФ является
универсальным аккумулятором энергии в живых организмах.

Химический состав клетки

(подготовка к ЕГЭ)

Углеводы, или сахариды, — одна из основных групп органических соединений. Они входят в состав клеток всех живых организмов.

Основная функция углеводов — энергетическая (при расщеплении и окислении молекул углеводов выделяется энергия, которая обеспечивает жизнедеятельность организма). При избытке углеводов они накапливаются в клетке в качестве запасных веществ (крахмал, гликоген) и при необходимости используются организмом в качестве источника энергии. Углеводы также используются и в качестве строительного материала.

Общая формула углеводов

Cn(H2O)m

Углеводы состоят из углерода, водорода и кислорода.

В состав производных углеводов могут входить и другие элементы.

Растворимые в воде углеводы. Моносахариды и дисахариды

Пример:

Из моносахаридов наибольшее значение для живых организмов имеют рибоза, дезоксирибоза, глюкоза, фруктоза, галактоза.

Глюкоза — основной источник энергии для клеточного дыхания.

Фруктоза — составная часть нектара цветов и фруктовых соков.

Рибоза и дезоксирибоза — структурные элементы нуклеотидов, являющихся мономерами нуклеиновых кислот (РНК и ДНК).
Дисахариды образуются путем соединения двух молекул моносахаридов и по своим свойствам близки к моносахаридам. Например, и те и другие хорошо растворимы в воде и имеют сладкий вкус.

Пример:

Сахароза (тростниковый сахар), мальтоза (солодовый сахар), лактоза (молочный сахар) — дисахариды, образовавшиеся в результате слияния двух молекул моносахаридов:

Сахароза (глюкоза + фруктоза) — основной продукт фотосинтеза, транспортируемый в растениях.

Лактоза (глюкоза + галактоза) — входит в состав молока млекопитающих.

Мальтоза (глюкоза + глюкоза) — источник энергии в прорастающих семенах.

Функции растворимых углеводов : транспортная, защитная, сигнальная, энергетическая.

Нерастворимые в воде полисахариды

Полисахариды состоят из большого числа моносахаридов. С увеличением количества мономеров растворимость полисахаридов уменьшается и сладкий вкус исчезает.

Пример:

Полимерные углеводы: крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин.

Функции полимерных углеводов: структурная, запасающая, энергетическая, защитная.
Крахмал состоит из разветвленных спирализованных молекул, образующих запасные вещества в тканях растений.

Целлюлоза является важным структурным компонентом клеточных стенок грибов и растений.

Целлюлоза нерастворима в воде и обладает высокой прочностью.

Хитин состоит из аминопроизводных глюкозы и входит в состав клеточных стенок некоторых грибов и формирует наружный скелет членистоногих животных.
Гликоген — запасное вещество животной клетки.

Известны также сложные полисахариды, выполняющие структурные функции в опорных тканях животных (они входят в состав межклеточного вещества кожи, сухожилий, хрящей, придавая им прочность и эластичность).

Липиды — обширная группа жироподобных веществ (сложных эфиров жирных кислот и трехатомного спирта глицерина), нерастворимых в воде. К липидам относят жиры, воска, фосфолипиды и стероиды (липиды, не содержащие жирных кислот).

Липиды состоят из атомов водорода, кислорода и углерода.

Липиды присутствуют во всех без исключения клетках, но их содержание в разных клетках сильно варьирует (от 2—3 до 50—90%).

Липиды могут образовывать сложные соединения с веществами других классов, например, с белками (липопротеины) и с углеводами (гликолипиды).

Функции липидов:

• Запасающая — жиры являются основной формой запасания липидов  в клетке.
• Энергетическая — половина энергии, потребляемой клетками позвоночных животных в состоянии покоя, образуется в результате окисления жиров (при окислении они дают более чем в два раза больше энергии по сравнению с углеводами).
• Жиры используются и как источник воды (при окислении 1 г жира образуется более 1 г воды).
• Защитная — подкожный жировой слой защищает организм от механических повреждений.
• Структурная — фосфолипиды входят в состав клеточных мембран.
• Теплоизоляционная — подкожный жир помогает сохранить тепло.
• Электроизоляционная — миелин, выделяемый клетками Шванна (образуют оболочки нервных волокон), изолирует некоторые нейроны, что во много раз ускоряет передачу нервных импульсов.
• Гормональная (регуляторная) — гормон надпочечников — кортизон и половые гормоны (прогестерон и тестостерон) являются стероидами ().
• Смазывающая — воски покрывают кожу, шерсть, перья и предохраняют их от воды. Восковым налетом покрыты листья многих растений, воск используется в строительстве пчелиных сот.

Белки (протеины, полипептиды) — самые многочисленные, наиболее разнообразные и имеющие первостепенное значение биополимеры. В состав молекул белков входят атомы углерода, кислорода, водорода, азота и иногда серы, фосфора и железа.

Мономерами белков являются аминокислоты, которые (имея в своём составе карбоксильную и амино- группы) обладают свойствами кислоты и основания (амфотерны).

Благодаря этому аминокислоты могут соединяться друг с другом (их количество в одной молекуле может достигать нескольких сотен). В связи с этим молекулы белков имеют большие размеры и их называют макромолекулами.

Структура белковой молекулы

Под структурой белковой молекулы понимают ее аминокислотный состав, последовательность мономеров и степень скрученности молекулы белка.

В молекулах белков встречается всего 20 видов различных аминокислот и огромное разнообразие белков создается за счет различного их сочетания.

• Последовательность аминокислот в составе полипептидной цепи — это первичная структура белка (она уникальна для любого белка и определяет его форму, свойства и функции). Первичная структура белка уникальна для любого типа белка и определяет форму его молекулы, его свойства и функции.
• Длинная молекула белка сворачивается и приобретает сначала вид спирали в результате образования водородных связей между —СО и —NН группами разных аминокислотных остатков полипептидной цепи (между углеродом карбоксильной группы одной аминокислоты и азотом аминогруппы другой аминокислоты). Эта спираль — вторичная структура белка.
• Третичная структура белка — трёхмерная пространственная “упаковка” полипептидной цепи в виде глобулы (шарика). Прочность третичной структуры обеспечивается разнообразными связями, возникающими между радикалами аминокислот (гидрофобными, водородными, ионными и дисульфидными S-S связями).
• Некоторые белки (например, гемоглобин крови человека) имеют четвертичную структуру. Она возникает в результате соединения нескольких макромолекул с третичной структурой в сложный комплекс. Четвертичная структура удерживается непрочными ионными, водородными и гидрофобными связями.

Структура белков может нарушаться (подвергаться денатурации) при нагревании, обработке некоторыми химическими веществами, облучении и др. При слабом воздействии распадается только четвертичная структура, при более сильном — третичная, а затем — вторичная, и белок остается в виде полипептидной цепи. В результате денатурации белок теряет способность выполнять свою функцию.

Нарушение четвертичной, третичной и вторичной структур обратимо. Этот процесс называют ренатурацией.

Разрушение первичной структуры необратимо.

Кроме простых белков, состоящих только из аминокислот, есть еще и сложные белки, в состав которых могут входить углеводы (гликопротеины), жиры (липопротеины), нуклеиновые кислоты (нуклеопротеины) и др.

Функции белков

• Каталитическая (ферментативная) функция. Специальные белки — ферменты — способны ускорять биохимические реакции в клетке в десятки и сотни миллионов раз. Каждый фермент ускоряет одну и только одну реакцию. В состав ферментов входят витамины.

• Структурная (строительная) функция — одна из основных функций белков (белки входят в состав клеточных мембран; белок кератин образует волосы и ногти; белки коллаген и эластин – хрящи и сухожилия).

• Транспортная функция — белки обеспечивают активный транспорт ионов через клеточные мембраны (транспортные белки в наружной мембране клеток), транспорт кислорода и углекислого газа (гемоглобин крови и миоглобин в мышцах), транспорт жирных кислот (белки сыворотки крови способствуют переносу липидов и жирных кислот, различных биологически активных веществ).

• Сигнальная функция. Прием сигналов из внешней среды и передача информации в клетку происходит за счёт встроенных в мембрану белков, способных изменять свою третичную структуру в ответ на действие факторов внешней среды.
• Сократительная (двигательная) функция — обеспечивается сократительными белками – актином и миозином (благодаря сократительным белкам двигаются реснички и жгутики у простейших, перемещаются хромосомы при делении клетки, сокращаются мышцы у многоклеточных, совершенствуются другие виды движения у живых организмов.

• Защитная функция — антитела обеспечивают иммунную защиту организма; фибриноген и фибрин защищают организм от кровопотерь, образуя тромб.

• Регуляторная функция присуща белкам — гормонам (не все гормоны являются белками!). Они поддерживают постоянные концентрации веществ в крови и клетках, участвуют в росте, размножении и других жизненно важных процессах (например, инсулин регулирует содержание сахара в крови).
• Энергетическая функция — при длительном голодании белки могут использоваться в качестве дополнительного источника энергии после того, как израсходованы углеводы и жиры (при полном расщеплении 1 г белка до конечных продуктов выделяется 17,6 кДж энергии). Аминокислоты, высвобождающиеся при расщеплении белковых молекул, используются для построения новых белков. 

Нуклеиновые кислоты (от лат. нуклеус — ядро) впервые были обнаружены в 1868 г. в ядрах лейкоцитов швейцарским ученым Ф. Мишером. Позже было выяснено, что нуклеиновые кислоты содержатся во всех клетках (в цитоплазме, ядре и во всех органоидах клетки).

Первичная структура молекул нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты — самые крупные из молекул, образуемые живыми организмами. Они являются биополимерами, состоящими из мономеров — нуклеотидов.

Обрати внимание!

Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, пятиуглеродного сахара (пентозы) и фосфатной группы (остатка фосфорной кислоты).

В зависимости от вида пятиуглеродного сахара (пентозы), различают два типа нуклеиновых кислот: 

• дезоксирибонуклеиновые кислоты (сокращенно ДНК) — молекула ДНК содержит пятиуглеродный сахар — дезоксирибозу.
• рибонуклеиновые кислоты (сокращенно РНК) — молекула РНК содержит пятиуглеродный сахар — рибозу.

Есть различия и в азотистых основаниях, входящих в состав нуклеотидов ДНК и РНК:

Нуклеотиды ДНК: А — аденин,  Г — гуанин, Ц — цитозин, Т — тимин
Нуклеотиды РНК: А — аденин, Г — гуанин, Ц — цитозин, У — урацил

Вторичная структура молекул ДНК и РНК

Вторичная структура — это форма молекул нуклеиновых кислот.

Пространственная структура молекулы ДНК была смоделирована американскими учеными Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком в 1953 г.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — состоит из двух спирально закрученных цепей, которые по всей длине соединены друг с другом водородными связями. Такую структуру (свойственную только молекулам ДНК), называют двойной спиралью.

Рибонуклеиновая кислота (РНК) — линейный полимер, состоящий из одной цепи нуклеотидов.

Исключение составляют вирусы, у которых встречаются одноцепочечные ДНК и двухцепочечные РНК.

Подробнее о ДНК и РНК будет рассказано в разделе «Хранение и предача генетической информации. Генетический код».

Аденозинтрифосфорная кислота – АТФ

Нуклеотиды являются структурной основой для целого ряда важных для жизнедеятельности органических веществ, например, макроэргических соединений.
Универсальным источником энергии во всех клетках служит АТФ — аденозинтрифосфорная кислота или аденозинтрифосфат.
АТФ содержится в цитоплазме, митохондриях, пластидах и ядрах клеток и является наиболее распространенным и универсальным источником энергии для большинства биохимических реакций, протекающих в клетке.
АТФ обеспечивает энергией все функции клетки: механическую работу, биосинтез веществ, деление и т.д. В среднем содержание АТФ в клетке составляет около 0,05% её массы, но в тех клетках, где затраты АТФ велики (например, в клетках печени, поперечно полосатых мышц), её содержание может доходить до 0,5%.

Строение АТФ

АТФ представляет собой нуклеотид, состоящий из азотистого основания — аденина, углевода рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты, в двух из которых запасается большое количество энергии.

Связь между остатками фосфорной кислоты называют макроэргической (она обозначается символом ~), так как при ее разрыве выделяется почти в 4 раза больше энергии, чем при расщеплении других химических связей.

АТФ — неустойчивая структура и при отделении одного остатка фосфорной кислоты, АТФ переходит в аденозиндифосфат (АДФ) высвобождая 40 кДж энергии.

Другие производные нуклеотидов

Особую группу производных нуклеотидов составляют переносчики водорода. Молекулярный и атомарный водород обладает большой химической активностью и выделяется или поглощается в ходе различных биохимических процессов. Одним из наиболее широко распространенных переносчиков водорода является никотинамиддинуклеотидфосфат (НАДФ).

Молекула НАДФ способна присоединять два атома или одну молекулу свободного водорода, переходя в восстановленную форму НАДФ⋅H2  . В таком виде водород может быть использован в различных биохимических реакциях.
Нуклеотиды могут также принимать участие в регуляции окислительных процессов в клетке.

Витамины

Витамины (от лат. vita — жизнь) — сложные биоорганические соединения, совершенно необходимые в малых количествах для нормальной жизнедеятельности живых организмов. От других органических веществ витамины отличаются тем, что не используются в качестве источника энергии или строительного материала. Некоторые витамины организмы могут синтезировать сами (например, бактерии способны синтезировать практически все витамины), другие витамины поступают в организм с пищей.
Витамины принято обозначать буквами латинского алфавита. В основу современной классификации витаминов положена их способность растворяться в воде и жирах (они делятся на две группы: водорастворимые (B1, B2, B5, B6, B12, PP, C) и жирорастворимые (A, D, E, K)).
Витамины участвуют практически во всех биохимических и физиологических процессах, составляющих в совокупности обмен веществ. Как недостаток, так и избыток витаминов может привести к серьезным нарушениям многих физиологических функций в организме.

Минеральные вещества в клетке находятся в виде солей в твердом состоянии, либо диссоциированны на ионы.
Неорганические ионы представлены катионами и анионами минеральных солей.

Пример:

Катионы: K+, Na+, Ca2+, Mg2+, NH+4

Анионы: Cl−, H2PO−4, HPO2−4, HCO−3, NO−3, SO−4, PO3−4, CO2−3

Вместе с растворимыми органическими соединениями неорганические ионы обеспечивают стабильные показатели осмотического давления.

Концентрация катионов и анионов в клетке и в окружающей ее среде — различна. Внутри клетки преобладают катионы K+ и крупные отрицательные органические ионы, в околоклеточных жидкостях всегда больше ионов Na+ и Cl−. В результате образуется разность потенциалов между содержимым клетки и окружающей ее средой, обеспечивающая такие важные процессы как раздражимость и передача возбуждения по нерву или мышце.  

Являясь компонентами буферных систем организма, ионы определяют их свойства — способность поддерживать рН на постоянном уровне (близко к нейтральной реакции), несмотря на то, что в процессе обмена веществ непрерывно образуются кислые и щелочные продукты.

Пример:

Анионы фосфорной кислоты (HPO2−4 и H2PO−4) создают фосфатную буферную систему млекопитающих, поддерживающую рН внутриклеточной жидкости в пределах 6,9 — 7,4.
Угольная кислота и ее анионы (H2CO3 и NO−3) создают бикарбонатную буферную систему и поддерживают рН внеклеточной среды (плазмы крови) на уровне 7,4.

Соединения азота, фосфора, кальция и другие неорганические вещества используются для синтеза органических молекул (аминокислот, белков, нуклеиновых кислот и др.).

Пример:

Ионы некоторых металлов (Mg, Ca, Fe, Zn, Cu, Mn, Mo, Br, Co) являются компонентами многих ферментов, гормонов и витаминов или активируют их.

Калий — обеспечивает функционирование клеточных мембран, поддерживает кислотно-щелочное равновесие, влияет на активность и концентрацию магния.

ИоныNa+ и K+ способствуют проведению нервных импульсов и возбудимости клетки. Эти ионы входит также в состав натрий-калиевого насоса (активный транспорт) и создают трансмембранный потенциал клеток (обеспечивает избирательную проницаемость клеточной мембраны, что достигается за счет разности концентраций ионов Na+ и K+: внутри клетки больше K+, снаружи больше Na+).

Ключевая роль в регуляции мышечного сокращения принадлежит ионам кальция (Ca2+). Миофибриллы обладают способностью взаимодействовать с АТФ и сокращаться лишь при наличии в среде определенных концентраций ионов кальция. Ионы кальция также необходимы для процесса свертывания крови.

Железо входит в состав гемоглобина крови.

Азот входит в состав белков. Все важнейшие части клеток (цитоплазма, ядро, оболочка и др. ) построены из белковых молекул.

Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот; обеспечение нормального роста костной и зубной тканей.  

При недостатке минеральных веществ нарушаются важнейшие процессы жизнедеятельности клетки.

Тест

1.Выберите примеры функций белков, осуществляемых ими на клеточном уровне жизни.

1) обеспечивают транспорт ионов через мембрану

2) входят в состав волос, перьев

3) формируют кожные покровы

4) антитела связывают антигены

5) запасают кислород в мышцах

6) обеспечивают работу веретена деления

---

2. Выберите признаки РНК.

1) содержится в рибосомах и ядрышке

2) способна к репликации

3) состоит из одной цепи

4) содержится в хромосомах

5) набор нуклеотидов АТГЦ

6) набор нуклеотидов АГЦУ

3.Какие функции выполняют липиды в организме животных?

1) ферментативную

2) запасающую

3) энергетическую

4) структурную

5) сократительную

6) рецепторную

4. Какие функции выполняют углеводы в организме животных?

1) каталитическую

2) структурную

3) запасающую

4) гормональную

5) сократительную

6) энергетическую

---

5. Белки, в отличие от нуклеиновых кислот,

1) участвуют в образовании плазматической мембраны

2) входят в состав хромосом

3) участвуют в гуморальной регуляции

4) осуществляют транспортную функцию

5) выполняют защитную функцию

6) переносят наследственную информацию из ядра к рибосоме

---

6Какие из перечисленных белков невозможно обнаружить внутри мышечной клетки? 

1) актин

2) гемоглобин

3) фибриноген

4) АТФаза

5) РНК-полимераза

6) трипсин

7. Выберите особенности строения молекул белков.

1) состоят из жирных кислот

2) состоят из аминокислот

3) мономеры молекулы удерживаются пептидными связями

4) состоят из одинаковых по строению мономеров

5) представляют собой многоатомные спирты

6) четвертичная структура молекул состоит из нескольких глобул

8. Выберите три функции, характерные только для белков.

1) энергетическая

2) каталитическая

3) двигательная

4) транспортная

5) структурная

6) запасающая

---

9.Все приведённые ниже химические элементы, кроме двух, являются органогенами. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите в ответ цифры, под которыми они указаны.

1) водород

2) азот

3) магний

4) хлор

5) кислород

---

10. Выберите ТРИ функции ДНК в клетке

1) посредник в передаче наследственной информации

2) хранение наследственной информации

3) кодирование аминокислот

4) матрица для синтеза иРНК

5) регуляторная

6) структурирование хромосом

---

11Молекула ДНК

1) полимер, мономером которого является нуклеотид

2) полимер, мономером которого является аминокислота

3) двуцепочный полимер

4) одноцепочный полимер

5) содержит наследственную информацию

6) выполняет энергетическую функцию в клетке

12. Какие признаки характерны для молекулы ДНК?

1) состоит из одной полипептидной нити

2) состоит из двух полинуклеотидных нитей, закрученных в спираль

3) имеет нуклеотид, содержащий урацил

4) имеет нуклеотид, содержащий тимин

5) сохраняет наследственную информацию

6) переносит информацию о строении белка из ядра к рибосоме

---

13. Чем молекула иРНК отличается от ДНК?

1) переносит наследственную информацию из ядра к рибосоме

2) в состав нуклеотидов входят остатки азотистых оснований, углевода и фосфорной кислоты

3) состоит из одной полинуклеотидной нити

4) состоит из связанных между собой двух полинуклеотидных нитей

5) в ее состав входит углевод рибоза и азотистое основание урацил

6) в ее состав входит углевод дезоксирибоза и азотистое основание тимин

---

14. Все приведенные ниже признаки, кроме двух, являются функциями липидов. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны.

1) запасающую

2) гормональную

3) ферментативную

4) переносчика наследственной информации

5) энергетическую

15. Все приведённые ниже признаки, кроме двух, можно использовать для описания значения белков в организме человека и животных. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите в ответ цифры, под которыми они указаны.

1) служат основным строительным материалом

2) расщепляются в кишечнике до глицерина и жирных кислот

3) образуются из аминокислот

4) в печени превращаются в гликоген

5) в качестве ферментов ускоряют химические реакции

16.Все перечисленные ниже признаки, кроме двух, можно использовать для описания молекулы ДНК. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны.

1) состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных в спираль

2) переносит информацию к месту синтеза белка

3) в комплексе с белками строит тело рибосомы

4) способна самоудваиваться

5) в комплексе с белками образует хромосомы

17. Все перечисленные ниже признаки, кроме двух, можно использовать для описания молекулы инсулина. Определите два признака, «выпадающие» из общего списка, и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны

1) состоит из аминокислот

2) гормон надпочечников

3) катализатор многих химических реакций

4) гормон поджелудочной железы

5) вещество белковой природы

18Все перечисленные ниже признаки, кроме двух, можно использовать для описания яичного белка альбумина. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны.

1) состоит из аминокислот

2) пищеварительный фермент

3) денатурирует обратимо при варке яйца

4) мономеры связаны пептидными связями

5) молекула образует первичную, вторичную и третичную структуры

---

19Все перечисленные ниже признаки, кроме двух, можно использовать для описания молекулы крахмала. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны.

1) состоит из одной цепи

2) хорошо растворяется в воде

3) в комплексе с белками образует клеточную стенку

4) подвергается гидролизу

5) является запасным веществом в мышечных клетках

20. Выберите органоиды клетки, содержащие наследственную информацию.

1) ядро

2) лизосомы

3) аппарат Гольджи

4) рибосомы

5) митохондрии

6) хлоропласты

21Задание 4 Выберите структуры, характерные только для растительной клетки.

1) митохондрии

2) хлоропласты

3) клеточная стенка

4) рибосомы

5) вакуоли с клеточным соком

6) аппарат Гольджи

22Вирусы, в отличие от бактерий,

1) имеют клеточную стенку

2) адаптируются к среде

3) состоят только из нуклеиновой кислоты и белка

4) размножаются вегетативно

5) не имеют собственного обмена веществ

6) ведут только паразитический образ жизни

23.Сходное строение клеток растений и животных — доказательство

1) их родства

2) общности происхождения организмов всех царств

3) происхождения растений от животных

4) усложнения организмов в процессе эволюции

5) единства органического мира

6) многообразия организмов

24Какие функции выполняет комплекс Гольджи?

1) синтезирует органические вещества из неорганических

2) расщепляет биополимеры до мономеров

3) накапливает белки, липиды, углеводы, синтезированные в клетке

4) обеспечивает упаковку и вынос веществ из клетки

5) окисляет органические вещества до неорганических

6) участвует в образовании лизосом

---

25К автотрофам относят

1) споровые растения

2) плесневые грибы

3) одноклеточные водоросли

4) хемотрофные бактерии

5) вирусы

6) большинство простейших

26Какие из перечисленных органоидов являются мембранными?

 1) лизосомы

2) центриоли

3) рибосомы

4) микротрубочки

5) вакуоли

6) лейкопласты

27Выберите положения синтетической теории эволюции.

1) Виды реально существуют в природе и формируются длительное время.

2) Мутации и комбинации генов служат материалом для эволюции.

3) Движущими силами эволюции являются мутационный процесс, популяционные волны, комбинативная изменчивость.

4) В природе существуют различные виды борьбы за существование между организмами.

5) Естественный отбор — направляющий фактор эволюции.

6) Естественный отбор сохраняет одних особей и уничтожает других.

28Какие вещества входят в состав клеточной мембраны?

1) липиды

2) хлорофилл

3) РНК

4) углеводы

5) белки

6) ДНК

29. В каких из перечисленных органоидов клетки происходят реакции матричного синтеза?

 1) центриоли

2) лизосомы

3) аппарат Гольджи

4) рибосомы

5) митохондрии

6) хлоропласты

30. К эукариотам относят

1) обыкновенную амёбу

2) дрожжи

3) малярийного паразита

4) холерный вибрион

5) кишечную палочку

6) вирус иммунодефицита человека

31. Клетки прокариот отличаются от клеток эукариот

1) наличием нуклеоида в цитоплазме

2) наличием рибосом в цитоплазме

3) синтезом АТФ в митохондриях

4) присутствием эндоплазматической сети

5) отсутствием морфологически обособленного ядра

6) наличием впячиваний плазматической мембраны, выполняющих функцию мембранных органоидов

32.Каковы особенности строения и функций митохондрий 

1) внутренняя мембрана образует граны

2) входят в состав ядра

3) синтезируют собственные белки

4) участвуют в окислении органических веществ до и

5) обеспечивают синтез глюкозы

6) являются местом синтеза АТФ

33. Какие из перечисленных функций выполняет плазматическая мембрана клетки? Запишите в ответ цифры в порядке возрастания.

1) участвует в синтезе липидов

2) осуществляет активный транспорт веществ

3) участвует в процессе фагоцитоза

4) участвует в процессе пиноцитоза

5) является местом синтеза мембранных белков

6) координирует процесс деления клетки

34.Каковы особенности строения и функций рибосом? Запишите в ответ цифры в порядке возрастания.

1) имеют одну мембрану

2) состоят из молекул ДНК

3) расщепляют органические вещества

4) состоят из большой и малой частиц

5) участвуют в процессе биосинтеза белка

6) состоят из РНК и белка

35. Какие из перечисленных органоидов являются мембранными? Запишите в ответ цифры в порядке возрастания.

1) лизосомы

2) центриоли

3) рибосомы

4) вакуоли

5) лейкопласты

6) микротрубочки

36.Все приведённые ниже признаки, кроме двух, можно использовать для описания функций цитоплазмы. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите в ответ цифры, под которыми они указаны.

1) внутренней среды, в которой расположены органоиды

2) синтеза глюкозы

3) взаимосвязи процессов обмена веществ

4) окисления органических веществ до неорганических

5) осуществления связи между органоидами клетки

37.Все приведенные ниже признаки, кроме двух, можно использовать для характеристики общих свойств митохондрий и хлоропластов. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны.

1) формируют лизосомы

2) являются двумембранными

3) являются полуавтономными органоидами

4) участвуют в синтезе АТФ

5) образуют веретено деления

38Все перечисленные ниже признаки, кроме двух, можно использовать для описания изображённого на рисунке органоида клетки. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите в таблицу в таблицу цифры, под которыми они указаны.

1) содержится в клетках растений и животных

2) характерен для прокариотических клеток

3) участвует в образовании лизосом

4) образует секреторные пузырьки

5) двумембранный органоид

39Все перечисленные ниже признаки, кроме двух, можно использовать для описания изображённого на рисунке органоида клетки. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны.

1) одномембранный органоид

2) состоит из крист и хроматина

3) содержит кольцевую ДНК

4) синтезирует собственный белок

5) способен к делению

40.Все перечисленные ниже признаки, кроме двух, можно использовать для описания изображённого на рисунке органоида клетки. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите в таблицу в таблицу цифры, под которыми они указаны.

1) одномембранный органоид

2) содержит фрагменты рибосом

3) оболочка пронизана порами

4) содержит молекулы ДНК

5) содержит митохондрии

41Все перечисленные ниже признаки, кроме двух, можно использовать для описания изображённой на рисунке клетки. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка; запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны.

1) есть клеточная мембрана

2) клеточная стенка состоит из хитина

3) наследственный аппарат заключён в кольцевой хромосоме

4) запасное вещество — гликоген

5) клетка способна к фотосинтезу

42Все перечисленные ниже признаки, кроме двух, можно использовать для описания изображённой на рисунке клетки. Определите два признака, «выпадающих» из общего списка; запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны

1) есть клеточная мембрана

2) есть аппарат Гольджи

3) есть несколько линейных хромосом

4) есть рибосомы

5) есть клеточная стенка

Химический состав клетки

Для всего живого характерно избирательное отношение к окружающей среде. Из 110 элементов периодической системы Д. И. Менделеева в состав организмов входит более половины. Однако необходимых для жизни элементов, без которых живое не может обойтись, всего около 20.

Все эти элементы входят в состав неживой природы и земной коры, а также в состав живых организмов, но их процентное распределение в живых и неживых телах различно.

Элементный состав живой материи

Накоплением знаний о биомолекулах занимается молекулярная биология, развивающаяся в тесном контакте с биохимией. Биохимия изучает жизнь на уровне молекул и элементов.

Макроэлементы (греч. makrós — большой и лат. elemėntum — первоначальное вещество) — химические элементы, являющиеся основными компонентами всех живых организмов. К ним относят кислород, водород, углерод, азот, железо, фосфор, калий, кальций, сера, магний, натрий и хлор. Эти элементы также и универсальные компоненты органических соединений. Их концентрация достигает в сумме 98 — 99%.

Все макроэлементы разделяют на 2 группы.

Роль макроэлементов I и II групп

Макроэлементы I группы	Макроэлементы II группы
O, C, H и N	P, S, K, Mg, Na, Ca, Fe и Cl
Главные компоненты всех живых организмов (98% массы)	Обязательные компоненты всех живых организмов (0,01 — 0,9% массы)
Входят в состав подавляющего большинства органических и неорганических веществ клетки. В частности, все углеводы и липиды состоят из O, C, H, белки и нуклеиновые кислоты — из O, C, H и N	Входят в состав многих неорганических и органических соединений клетки, в том числе ферментов и др.
Поступают в живые организмы из атмосферы, с водой и пищей	Поступают в организмы растений в составе ионов солей, в организмы животных — с пищей

Содержание биоэлементов в клетке

Элемент	Содержание в клетке, % от массы
Кислород (О)	65,00 — 75,00
Углерод (С)	15,00 — 18,00
Водород (Н)	8,00 — 10,00
Азот (N)	1,00 — 3,00
Фосфор (P)	0,20 — 1,00
Сера (S)	0,15 — 0,20

Микроэлементы (греч. mikrós — малый и лат. elemėntum — первоначальное вещество) — химические элементы, содержащиеся в организмах в низких концентрациях (обычно тысячные доли процента и ниже), но крайне необходимые для нормальной жизнедеятельности. Это алюминий, медь, марганец, цинк, молибден, кобальт, никель, иод, селен, бром, фтор, бор и некоторые другие.

Микроэлементы входят в состав разнообразных биологически активных соединений: ферментов (например, Zn, Cu, Mn, Mo; всего известно около 200 металлоферментов), витаминов (Со — в состав витамина B₁₂), гормонов (I — в тироксин, Zn и Со — в инсулин), дыхательных пигментов (Cu — в гемоцианин). Микроэлементы влияют на рост, размножение, кроветворение и т. д.

Роль микроэлементов в организме

Кобальт входит в состав витамина В₁₂ и принимает участие в синтезе гемоглобина, его недостаток приводит к анемии.

1 — кобальт в природе; 2 — структурная формула витамина В₁₂; 3 — эритроциты здорового человека и эритроциты больного анемией

Молибден в составе ферментов участвует в фиксации азота у бактерий и обеспечивает работу устьичного аппарата у растений.

1 — молибденит (минерал, содержащий молибден); 2 — азотфиксирующие бактерии; 3 — устьичный аппарат

Медь является компонентом фермента, участвующего в синтезе меланина (пигмента кожи), влияет на рост и размножение растений, на процессы кроветворения у животных организмов.

1 — медь; 2 — частицы меланина в клетках кожи; 3 — рост и развитие растения

Йод у всех позвоночных животных входит в состав гормона щитовидной железы — тироксина.

1 — йод; 2 — внешний вид щитовидной железы; 3 — клетки щитовидной железы, синтезирующие тироксин

Бор влияет на ростовые процессы у растений, его недостаток приводит к отмиранию верхушечных почек, цветков и завязей.

1 — бор в природе; 2 — пространственная структура бора; 3 — верхушечная почка

Цинк входит в состав гормона поджелудочной железы — инсулина, а также действует на рост животных и растений.

1 — пространственная структура инсулина; 2 — поджелудочная железа; 3 — рост и развитие животных

В организмы растений и микроорганизмов микроэлементы поступают из почвы и воды; в организмы животных и человека — с пищей, в составе природных вод и с воздухом.

Ультрамикроэлементы (лат. ultra — сверх, за пределами; греч. mikrós — малый и лат.elemėntum — первоначальное вещество) — химические элементы, содержащиеся в организмах в ничтожно малых концентрациях. К ним относят золото, бериллий, серебро и некоторые другие элементы. 

Их физиологическая роль в живых организмах пока до конца не установлена.

ТЕСТ

ВИДЕО

Химический состав клетки

Клетка — элементарная единица жизни на Земле. Она обладает всеми признаками живого организма: растет, размножается, обменивается с окружающей средой веществами и энергией, реагирует на внешние раздражители. Начало биологической эволюции связано с появлением на Земле клеточных форм жизни. Одноклеточные организмы представляют собой существующие отдельно друг от друга клетки. Тело всех многоклеточных — животных и растений — построено из большего или меньшего числа клеток, которые являются своего рода блоками, составляющими сложный организм. Независимо от того, представляет ли собой клетка целостную живую систему — отдельный организм или составляет лишь его часть, она наделена набором признаков и свойств, общим для всех клеток.

В клетках обнаружено около 60 элементов периодической системы Менделеева, встречающихся и в неживой природе. Это одно из доказательств общности живой и неживой природы. В живых организмах наиболее распространены водород, кислород, углерод и азот, которые составляют около 98 % массы клеток. Такое обусловлено особенностями химических свойств водорода, кислорода, углерода и азота, вследствие чего они оказались наиболее подходящими для образования молекул, выполняющих биологические функции. Эти четыре элемента способны образовывать очень прочные ковалентные связи посредством спаривания электронов, принадлежащих двум атомам. Ковалентно связанные атомы углерода могут формировать каркасы бесчисленного множества различных органических молекул. Поскольку атомы углерода легко образуют ковалентные связи с кислородом, водородом, азотом, а также с серой, органические молекулы достигают исключительной сложности и разнообразия строения.

Кроме четырех основных элементов в клетке в заметных количествах (10ые и 100ые доли процента) содержатся железо, калий, натрий, кальций, магний, хлор, фосфор и сера. Все остальные элементы (цинк, медь, йод, фтор, кобальт, марганец и др.) находятся в клетке в очень малых количествах и поэтому называются микроэлементами.

Химические элементы входят в состав неорганических и органических соединений. К неорганическим соединениям относятся вода, минеральные соли, диоксид углерода, кислоты и основания. Органические соединения — это белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры (липиды) и липоиды. Кроме кислорода, водорода, углерода и азота в их состав могут входить другие элементы. Некоторые белки содержат серу. Составной частью нуклеиновых кислот является фосфор. Молекула гемоглобина включает железо, магний участвует в построении молекулы хлорофилла. Микроэлементы, несмотря на крайне низкое содержание в живых организмах, играют важную роль в процессах жизнедеятельности. Йод входит в состав гормона щитовидной железы — тироксина, кобальт — в состав витамина В12 гормон островковой части поджелудочной железы — инсулин — содержит цинк. У некоторых рыб место железа в молекулах пигментов, переносящих кислород, занимает медь.

Неорганические вещества

Вода. Н2О — самое распространенное соединение в живых организмах. Содержание ее в разных клетках колеблется в довольно широких пределах: от 10% в эмали зубов до 98% в теле медузы, но среднем она составляет около 80% массы тела. Исключительно важная роль воды в обеспечении процессов жизнедеятельности обусловлена ее физико-химическими свойствами. Полярность молекул и способность образовывать водородные связи делают воду хорошим растворителем для огромного количества веществ. Большинство химических реакций, протекающих в клетке, может происходить только в водном растворе. Вода участвует и во многих химических превращениях.

Общее число водородных связей между молекулами воды изменяется в зависимости от t°. При t° таяния льда разрушается примерно 15% водородных связей, при t° 40°С — половина. При переходе в газообразное состояние разрушаются все водородные связи. Этим объясняется высокая удельная теплоемкость воды. При изменении t° внешней среды вода поглощает или выделяет теплоту вследствие разрыва или новообразования водородных связей. Таким путем колебания t° внутри клетки оказываются меньшими, чем в окружающей среде. Высокая теплота испарения лежит в основе эффективного механизма теплоотдачи у растений и животных.

Вода как растворитель принимает участие в явлениях осмоса, играющего важную роль в жизнедеятельности клетки организма. Осмосом называют проникновение молекул растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор какого-либо вещества. Полупроницаемыми называются мембраны, которые пропускают молекулы растворителя, но не пропускают молекулы (или ионы) растворенного вещества. Следовательно, осмос — односторонняя диффузия молекул воды в направлении раствора.

Минеральные соли. Большая часть неорганических в-в клетки находится в виде солей в диссоциированном, либо в твердом состоянии. Концентрация катионов и анионов в клетке и в окружающей ее среде неодинакова. В клетке содержится довольно много К и очень много Nа. Во внеклеточной среде, например в плазме крови, в морской воде, наоборот, много натрия и мало калия. Раздражимость клетки зависит от соотношения концентраций ионов Na+, K+, Ca2+, Mg2+. В тканях многоклеточных животных К входит в состав многоклеточного вещества, обеспечивающего сцепленность клеток и упорядоченное их расположение. От концентрации солей в большой мере зависят осмотическое давление в клетке и ее буферные свойства. Буферностью называется способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию ее содержимого на постоянном уровне. Буферность внутри клетки обеспечивается главным образом ионами Н2РО4 и НРО42-. Во внеклеточных жидкостях и в крови роль буфера играют Н2СО3 и НСО3—. Анионы связывают ионы Н и гидроксид-ионы (ОН—), благодаря чему реакция внутри клетки внеклеточных жидкостей практически не меняется. Нерастворимые минеральные соли (например, фосфорнокислый Са) обеспечивает прочность костной ткани позвоночных и раковин моллюсков.

Органические вещества клетки

Белки. Среди органических веществ клетки белки стоят на первом месте как по количеству (10 – 12% от общей массы клетки), так и по значению. Белки представляют собой высокомолекулярные полимеры (с молекулярной массой от 6000 до 1 млн. и выше), мономерами которых являются аминокислоты. Живыми организмами используется 20 аминокислот, хотя их существует значительно больше. В состав любой аминокислоты входит аминогруппа (-NH2), обладающая основными свойствами, и карбоксильная группа (-СООН), имеющая кислотные свойства. Две аминокислоты соединяются в одну молекулу путем установления связи HN-CO с выделением молекулы воды. Связь между аминогруппой одной аминокислоты и карбоксилом другой называется пептидной. Белки представляют собой полипептиды, содержащие десятки и сотни аминокислот. Молекулы различных белков отличаются друг от друга молекулярной массой, числом, составом аминокислот и последовательностью расположения их в полипептидной цепи. Понятно поэтому, что белки отличаются огромным разнообразием, их количество у всех видов живых организмов оценивается числом 1010 – 1012.

Цепь аминокислотных звеньев, соединенных ковалентное пептидными связями в определенной последовательности, называется первичной структурой белка. В клетках белки имеют вид спирально закрученных волокон или шариков (глобул). Это объясняется тем, что в природном белке полипептидная цепочка уложена строго определенным образом в зависимости от химического строения входящих в ее состав аминокислот.

Вначале полипептидная цепь сворачивается в спираль. Между атомами соседних витков возникает притяжение и образуются водородные связи, в частности, между NH- и СО- группами, расположенными на соседних витках. Цепочка аминокислот, закрученная в виде спирали, образует вторичную структуру белка. В результате дальнейшей укладки спирали возникает специфичная для каждого белка конфигурация, называемая третичной структурой. Третичная структура обусловлена действием сил сцепления между гидрофобными радикалами, имеющимися у некоторых аминокислот, и ковалентными связями между SH- группами аминокислоты цистеина (S-S- связи). Количество аминокислот гидрофобными радикалами и цистеина, а также порядок их расположения в полипептидной цепочке специфичны для каждого белка. Следовательно, особенности третичной структуры белка определяются его первичной структурой. Биологическую активность белок проявляет только в виде третичной структуры. Поэтому замена даже одной аминокислоты в полипептидной цепочке может привести к изменению конфигурации белка и к снижению или утрате его биологической активности.

В некоторых случаях белковые молекулы объединяются друг с другом и могут выполнять свою функцию только в виде комплексов. Так, гемоглобин — это комплекс из четырех молекул и только в такой форме способен присоединять и транспортировать О. подобные агрегаты представляют собой четвертичную структуру белка. По своему составу белки делятся на два основных класса — простые и сложные. Простые белки состоят только из аминокислот нуклеиновые кислоты (нуклеотиды), липиды (липопротеиды), Ме (металлопротеиды), Р (фосфопротеиды).

Функции белков в клетке чрезвычайно многообразны. Одна из важнейших – строительная функция: белки участвуют в образовании всех клеточных мембран и органоидов клетки, а также внутриклеточных структур. Исключительно важное значение имеет ферментативная (каталитическая) роль белков. Ферменты ускоряют химические реакции, протекающие в клетке, в 10ки и 100ни миллионов раз. Двигательная функция обеспечивается специальными сократительными белками. Эти белки участвуют во всех видах движений, к которым способны клетки и организмы: мерцание ресничек и биение жгутиков у простейших, сокращение мышц у животных, движение листьев у растений и др. Транспортная функция белков заключается в присоединении химических элементов (например, гемоглобин присоединяет О) или биологически активных веществ (гормонов) и переносе их к тканям и органам тела. Защитная функция выражается в форме выработки особых белков, называемых антителами, в ответ на проникновение в организм чужеродных белков или клеток. Антитела связывают и обезвреживают чужеродные вещества. Белки играют немаловажную роль как источники энергии. При полном расщеплении 1г. белков выделяется 17,6 кДж (~4,2 ккал).

Углеводы. Углеводы, или сахариды — органические вещества с общей формулой (СН2О)n. У большинства углеводов число атомов Н вдвое больше числа атомов О, как в молекулах воды. Поэтому эти вещества и были названы углеводами. В живой клетке углеводы находятся в количествах, не превышающих 1 – 2, иногда 5% (в печени, в мышцах). Наиболее богаты углеводами растительные клетки, где их содержание достигает в некоторых случаях 90% от массы сухого вещества (семена, клубни картофеля и т.д.).

Углеводы бывают простые и сложные. Простые углеводы называются моносахаридами. В зависимости от числа атомов углевода в молекуле моносахариды называются триозами, тетрозами, пентозами или гексозами. Из шести углеродных моносахаридов — гексоз — наиболее важное значение имеют глюкоза, фруктоза и галактоза. Глюкоза содержится в крови (0,1 – 0,12%). Пентозы рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот и АТФ. Если в одной молекуле объединяются два моносахарида, такое соединение называется дисахаридом. Пищевой сахар, получаемый из тростника или сахарной свеклы, состоит из одной молекулы глюкозы и одной молекулы фруктозы, молочный сахар — из глюкозы и галактозы.

Сложные углеводы, образованные многими моносахаридами, называются полисахаридами. Мономером таких полисахаридов, как крахмал, гликоген, целлюлоза, является глюкоза. Углеводы выполняют две основные функции: строительную и энергетическую. Целлюлоза образует стенки растительных клеток. Сложный полисахарид хитин служит главным структурным компонентом наружного скелета членистоногих. Строительную функцию хитин выполняет и у грибов. Углеводы играют роль основного источника энергии в клетке. В процессе окисления 1 г. углеводов освобождается 17,6 кДж (~4,2 ккал). Крахмал у растений и гликоген у животных откладываются в клетках и служат энергетическим резервом.

Нуклеиновые кислоты. Значение нуклеиновых кислот в клетке очень велико. Особенности их химического строения обеспечивают возможность хранения, переноса и передачи по наследству дочерним клеткам информации о структуре белковых молекул, которые синтезируются в каждой ткани на определенном этапе индивидуального развития. Поскольку большинство свойств и признаков клеток обусловлено белками, то понятно, что стабильность нуклеиновых кислот – важнейшее условие нормальной жизнедеятельности клеток и целых организмов. Любые изменения структуры клеток или активности физиологических процессов в них, влияя, таким образом, на жизнедеятельность. Изучение структуры нуклеиновых кислот имеет исключительно важное значение для понимания наследования признаков у организмов и закономерностей функционирования, как отдельных клеток, так и клеточных систем — тканей и органов.

Существуют 2 типа нуклеиновых кислот — ДНК и РНК. ДНК — полимер, состоящий из двух нуклеотидных спиралей, заключенных так, что образуется двойная спираль. Мономеры молекул ДНК представляют собой нуклеотиды, состоящие из азотистого основания (аденина, тимина, гуанина или цитозина), углевода (дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты. Азотистые основания в молекуле ДНК соединены между собой неодинаковым количеством Н-связей и располагаются попарно: аденин (А) всегда против тимина (Т), гуанин (Г) против цитозина (Ц). Схематически расположение нуклеотидов в молекуле ДНК можно изобразить так:

Рисунок 1. Расположение нуклеотидов в молекуле ДНК

Из рис.1. видно, что нуклеотиды соединены друг с другом не случайно, а избирательно. Способность к избирательному взаимодействию аденина с тимином и гуанина с цитозином называется комплементарностью. Комплементарное взаимодействие определенных нуклеотидов объясняется особенностями пространственного расположения атомов в их молекулах, которые позволяют им сближаться и образовывать Н-связи. В полинуклеотидной цепочке соседние нуклеотиды связаны между собой через сахар (дезоксирибозу) и остаток фосфорной кислоты. РНК так же, как и ДНК, представляет собой полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Азотистые основания трех нуклеотидов те же самые, что входят в состав ДНК (А, Г, Ц); четвертое — урацил (У) – присутствует в молекуле РНК вместо тимина. Нуклеотиды РНК отличаются от нуклеотидов ДНК и по строению входящего в их состав углевода (рибоза вместо дизоксирибозы).

В цепочке РНК нуклеотиды соединяются путем образования ковалентных связей между рибозой одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого. По структуре различаются двух цепочечные РНК. Двух цепочечные РНК являются хранителями генетической информации у ряда вирусов, т.е. выполняют у них функции хромосом. Одно цепочечные РНК осуществляют перенос информации о структуре белков от хромосомы к месту их синтеза и участвуют в синтезе белков.

Существует несколько видов одно цепочечной РНК. Их названия обусловлены выполняемой функцией или местом нахождения в клетке. Большую часть РНК цитоплазмы (до 80 – 90%) составляет рибосомальная РНК (рРНК), содержащаяся в рибосомах. Молекулы рРНК относительно невелики и состоят в среднем из 10 нуклеотидов. Другой вид РНК (иРНК), переносящие к рибосомам информацию о последовательности аминокислот в белках, которые должны синтезироваться. Размер этих РНК зависит от длины участка ДНК, на котором они были синтезированы. Транспортные РНК выполняют несколько функций. Они доставляют аминокислоты к месту синтеза белка, «узнают» (по принципу комплементарности) триплет и РНК, соответствующий переносимой аминокислоте, осуществляют точную ориентацию аминокислоты на рибосоме.

Жиры и липоиды. Жиры представляют собой соединения жирных высокомолекулярных кислот и трехатомного спирта глицерина. Жиры не растворяются в воде – они гидрофобны. В клетке всегда есть и другие сложные гидрофобные жироподобные вещества, называемые липоидами. Одна из основных функций жиров — энергетическая. В ходе расщепления 1 г. жиров до СО2 и Н2О освобождается большое количество энергии – 38,9 кДж (~9,3 ккал). Содержание жира в клетке колеблется в пределах 5 – 15% от массы сухого вещества. В клетках живой ткани количество жира возрастает до 90%. Главная функция жиров в животном (и отчасти — растительном) мире — запасающая.

При полном окислении 1 г жира (до углекислого газа и воды) выделяется около 9 ккал энергии. (1 ккал = 1000 кал; калория (кал, cal) — внесистемная единица количества работы и энергии, равная количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 мл воды на 1 °C при стандартном атмосферном давлении 101,325 кПа; 1 ккал = 4,19 кДж). При окислении (в организме) 1 г белков или углеводов выделяется только около 4 ккал/г. У самых разных водных организмов — от одноклеточных диатомовых водорослей до гигантских акул — жир случит «поплавком», уменьшая среднюю плотность тела. Плотность животных жиров составляет около 0,91 – 0,95 г/см³. Плотность костной ткани позвоночных близка к 1,7 – 1.8 г/см³, а средняя плотность большинства других тканей близка к 1 г/см³. Понятно, что жира нужно довольно много, чтобы «уравновесить» тяжелый скелет.

Жиры и липоиды выполняют и строительную функцию: они входят в состав клеточных мембран. Благодаря плохой теплопроводности жир способен к защитной функции. У некоторых животных (тюлени, киты) он откладывается в подкожной жировой ткани, образуя слой толщиной до 1 м. Образование некоторых липоидов предшествует синтезу ряда гормонов. Следовательно, этим веществам присуща и функция регуляции обменных процессов.