Химический состав клетки для егэ

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 живых организмов

Химический состав живых организмов можно выразить в двух видах — атомном и молекулярном.

Атомный (элементный) состав характеризует соотношение атомов элементов, входящих в живые организмы.
Молекулярный (вещественный) состав отражает соотношение молекул веществ.

Элементарный состав

По относительному содержанию элементы, входящие в состав живых организмов, делят на три группы.

Группы элементов по их содержанию в живых организмах

Группа элементов	Элементы	Суммарное содержание в клетке, %
Макроэлементы	O, C, H, N (основные, или органогены) Ca, K, Si, Mg, P, S, Na, Cl, Fe	98–99 1–2
Микроэлементы	Mn, Co, Zn, Cu, B, I, F, Mo и др.	0,1
Ультрамикроэлементы	Se, U, Hg, Ra, Au, Ag и др. менее	0,01

Макроэлементы составляют основную массу процентного состава живых организмов.

Содержание некоторых химических элементов в природных объектах

Элемент	В живых организмах, % от сырой массы	В земной коре, %	В морской воде, %
Кислород	65–75	49,2	85,8
Углерод	15–18	0,4	0,0035
Водород	8–10	1,0	10,67
Азот	1,5–3,0	0,04	0,37
Фосфор	0,20–1,0	0,1	0,003
Сера	0,15–0,2	0,15	0,09
Калий	0,15–0,4	2,35	0,04
Хлор	0,05–0,1	0,2	0,06
Кальций	0,04–2,0	3,25	0,05
Магний	0,02–0,03	2,35	0,14
Натрий	0,02–0,03	2,4	1,14
Железо	0,01–0,015	4,2	0,00015
Цинк	0,0003	< 0,01	0,00015
Медь	0,0002	< 0,01	< 0,00001
Йод	0,0001	< 0,01	0,000015
Фтор	0,0001	0,1	2,07

Химические элементы, которые входят в состав живых организмов и при этом выполняют биологические функции, называются биогенными. Даже те из них, которые содержатся в клетках в ничтожно малых количествах, ничем не могут быть заменены и совершенно необходимы для жизни. В основном это макро- и микроэлементы. Физиологическая роль большинства микроэлементов не раскрыта.

Роль биогенных элементов в живых организмах

Название элемента	Символ элемента	Роль в живых организмах
Углерод	С	Входит в состав органических веществ, в форме карбонатов входит в состав раковин моллюсков, коралловых полипов, покровов тела простейших, бикарбонатной буферной системы (HCO3-, Н2CO3)
Кислород	О	Входит в состав воды и органических веществ
Водород	Н	Входит в состав воды и органических веществ
Азот	N	Входит в состав всех аминокислот, нуклеиновых кислот, АТФ, НАД, НАДФ, ФАД
Фосфор	Р	Входит в состав нуклеиновых кислот, АТФ, НАД, НАДФ, ФАД, фосфолипидов, костной ткани, эмали зубов, фосфатной буферной системы (HPO4, H2PO4-)
Сера	S	Входит в состав серосодержащих аминокислот (цистина, цистеина, метионина), инсулина, витамина В1, кофермента А, многих ферментов, участвует в формировании третичной структуры белка (образование дисульфидных связей), в бактериальном фотосинтезе (сера входит в состав бактериохлорофилла, H2S является источником водорода), окисление соединений серы — источник энергии в хемосинтезе
Хлор	Cl	Преобладающий отрицательный ион в организме, участвует в создании мембранных потенциалов клеток, осмотического давления для поглощения растениями воды из почвы и тургорного давления для поддержания формы клетки, процессах возбуждения и торможения в нервных клетках, входит в состав соляной кислоты желудочного сока
Натрий	Na	Главный внеклеточный положительный ион, участвует в создании мембранных потенциалов клеток (в результате работы натрий-калиевого насоса), осмотического давления для поглощения растениями воды из почвы и тургорного давления для поддержания формы клетки, в поддержании сердечного ритма (вместе с ионами K+ и Ca2+)
Калий	K	Преобладающий положительный ион внутри клетки, участвует в создании мембранных потенциалов клеток (в результате работы натрий-калиевого насоса), поддержании сердечного ритма (вместе с ионами Na+ и Ca2+), активирует ферменты, участвующие в синтезе белка
Кальций	Ca	Входит в состав костей, зубов, раковин, участвует в регуляции избирательной проницаемости клеточной мембраны, процессах свёртывания крови; поддержании сердечного ритма (вместе с ионами K+ и Na2+), образовании желчи, активирует ферменты при сокращении поперечно-полосатых мышечных волокон
Магний	Mg	Входит в состав хлорофилла, многих ферментов
Железо	Fe	Входит в состав гемоглобина, миоглобина, некоторых ферментов
Медь	Cu	Входит в состав некоторых ферментов
Цинк	Zn	Входит в состав некоторых ферментов
Марганец	Mn	Входит в состав некоторых ферментов
Молибден	Mo	Входит в состав некоторых ферментов
Кобальт	Co	Входит в состав витамина В12
Фтор	F	Входит в состав эмали зубов, костей
Йод	I	Входит в состав гормона щитовидной железы — тироксина
Бром	Br	Входит в состав витамина В1
Бор	В	Влияет на рост растений

Молекулярный состав

Химические элементы входят в состав клеток в виде ионов и молекул неорганических и органических веществ. Важнейшие неорганические вещества в клетке — вода и минеральные соли, важнейшие органические вещества — углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты.

Содержание в клетке химических веществ

Вещество	Содержание, % от сырой массы
Вода	75–85
Белки	10–15
Жиры	1–5
Углеводы	0,2–2,0
Нуклеиновые кислоты	1–2
Низкомолекулярные органические соединения	0,1–0,5
Неорганические соединения	1,0–1,5

Неорганические вещества

Вода

Вода — преобладающее вещество всех живых организмов. Она обладает уникальными свойствами благодаря особенностям строения: молекулы воды имеют форму диполя и между ними образуются водородные связи. Среднее содержание воды в клетках большинства живых организмов составляет около 70%. Вода в клетке присутствует в двух формах: свободной (95% всей воды клетки) и связанной (4–5% связаны с белками). Функции воды представлены в таблице.

Функции воды

Функция	Характеристика
Вода как растворитель	Вода является лучшим из известных растворителей, в ней растворяется больше веществ, чем в любой другой жидкости. Многие химические реакции в клетке являются ионными, поэтому протекают только в водной среде. Молекулы воды полярны, поэтому вещества, молекулы которых также полярны, хорошо растворяются в воде, а вещества, молекулы которых не полярны, нерастворяются (плохо растворяются) в воде. Вещества, растворяющиеся в воде, называются гидрофильными (спирты, сахара, альдегиды, аминокислоты), нерастворяющиеся — гидрофобными (жирные кислоты, целлюлоза).
Вода как реагент	Вода участвует во многих химических реакциях: реакциях гидролиза, полимеризации, в процессе фотосинтеза и т. д.
Транспортная	Передвижение по организму вместе с водой растворённых в ней веществ к различным его частям и выведение ненужных продуктов из организма.
Вода как термостабилизатор и терморегулятор	Эта функция обусловлена такими свойствами воды, как высокая теплоёмкость (благодаря наличию водородных связей): смягчает влияние на организм значительных перепадов температуры в окружающей среде; высокая теплопроводность (вследствие небольших размеров молекул) позволяет организму поддерживать одинаковую температуру во всем его объёме; высокая теплота испарения (благодаря наличию водородных связей): вода используется для охлаждения организма при потоотделении у млекопитающих и транспирации у растений.
Структурная	Цитоплазма клеток содержит обычно от 60 до 95% воды, и именно она придаёт клеткам их нормальную форму. У растений вода поддерживает тургор (упругость эндоплазматической мембраны), у некоторых животных служит гидростатическим скелетом (медузы, круглые черви). Это возможно благодаря такому свойству воды, как полная несжимаемость.

Минеральные соли

Минеральные соли в водном растворе клетки диссоциируют на катионы и анионы.
Наиболее важные катионы — K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, NH₄₊,
Наиболее важные анионы — Cl^—, SO₄^2-, HPO₄^2-, H₂PO_4^—, HCO_3^—, NO_3^—.
Существенным является не только концентрация, но и соотношение отдельных ионов в клетке.
Функции минеральных веществ представлены в таблице.

Функции минеральных веществ

Функция	Характеристика
Поддержание кислотно- щелочного равновесия	Наиболее важные буферные системы млекопитающих — фосфатная и бикарбонатная. Фосфатная буферная система (HPO4 2-, H2PO4—) поддерживает рН внутриклеточной жидкости в пределах 6,9–7,4. Бикарбонатная система (HCO3—, Н2CO3) сохраняет рН внеклеточной среды (плазмы крови) на уровне 7,4.
Участие в создании мембранных потенциалов клеток	В составе наружной клеточной мембраны клетки имеются так называемые ионные насосы. Один из них — натрий-калиевый насос — белок, пронизывающий плазматическую мембрану, накачивает ионы натрия внутрь клетки и выкачивает из неё ионы натрия. При этом на каждые два поглощённых иона калия выводятся три иона натрия. В результате образуется разность зарядов (потенциалов) внешней и внутренней поверхностей мембраны клетки: внутренняя сторона заряжена отрицательно, наружная — положительно. Разность потенциалов необходима для передачи возбуждения по нерву или мышце.
Активация ферментов	Ионы Ca, Mg, Fe, Zn, Cu, Mn, Co и других металлов являются компонентами многих ферментов, гормонов и витаминов.
Создание осмотического давления в клетке	Более высокая концентрация ионов солей внутри клетки обеспечивает поступление в неё воды и создание тургорного давления.
Строительная (структурная)	Соединения азота, фосфора, серы и другие неорганические вещества служат источником строительного материала для синтеза органических молекул (аминокислот, белков, нуклеиновых кислот и др.) и входят в состав ряда опорных структур клетки и организма. Соли кальция и фосфора входят в состав костной ткани животных.

Кроме того, соляная кислота входит в состав желудочного сока животных и человека, ускоряя процесс переваривания белков пищи. Остатки серной кислоты способствуют выведению чужеродных веществ из организма. Натриевые и калиевые соли азотистой и фосфорной кислот, кальциевая соль серной кислоты служат важными компонентами минерального питания растений, их вносят в почву в качестве удобрений.

Органические вещества

Полимер — многозвеньевая цепь, в которой звеном является какое-либо относительно простое вещество — мономер. Полимеры бывают линейные и разветвленные, гомополимеры (все мономеры одинаковые — остатки глюкозы в крахмале) и гетерополимеры (мономеры разные — остатки аминокислот в белках), регулярные (группа мономеров в полимере периодически повторяется) и нерегулярные (в молекулах нет видимой повторяемости мономерных звеньев).
Биологические полимеры — это полимеры, входящие в состав клеток живых организмов и продуктов их жизнедеятельности. Биополимерами являются белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. Свойства биополимеров зависят от числа, состава и порядка расположения составляющих их мономеров. Изменение состава и последовательности мономеров в структуре полимера приводит к значительному числу вариантов биологических макромолекул.

Углеводы

Углеводы — органические соединения, состоящие из одной или многих молекул простых сахаров. Содержание углеводов в животных клетках составляет 1–5 %, а в некоторых клетках растений достигает 70 %.
Выделяют три группы углеводов: моносахариды, олигосахариды (состоят из 2–10 молекул простых сахаров), полисахариды (состоят более чем из 10 молекул сахаров). Соединяясь с липидами и белками, углеводы образуют гликолипиды и гликопротеины.

Характеристика углеводов

Группа	Строение	Характеристика
Моносахариды (или простые сахара)	Это кетонные или альдегидные производные многоатомных спиртов.	В зависимости от числа атомов углерода различают триозы, тетрозы, пентозы (рибоза, дезоксирибоза), гексозы (глюкоза, фруктоза) и гептозы. В зависимости от функциональной группы сахара разделяют на альдозы, имеющие в составе альдегидную группу (глюкоза, рибоза, дезоксирибоза), и кетозы, имеющие в составе кетонную группу (фруктоза). Моносахариды — бесцветные твёрдые кристаллические вещества, легко растворимые в воде, имеющие, как правило, сладкий вкус. Моносахариды могут существовать в ациклических и циклических формах, которые легко превращаются друг в друга. Олиго- и полисахариды образуются из циклических форм моносахаридов.
Олигосахариды	Состоят из 2–10 молекул простых сахаров. В природе в большей степени представлены дисахаридами, состоящими из двух моносахаридов, связанных друг с другом с помощью гликозидной связи.	Наиболее часто встречаются мальтоза, или солодовый сахар, состоящий из двух молекул глюкозы; лактоза, входящая в состав молока и состоящая из галактозы и глюкозы; сахароза, или свекловичный сахар, включающий глюкозу и фруктозу. Дисахариды, как и моносахариды, растворимы в воде и обладают сладким вкусом.
Полисахариды	Состоят более чем из 10 молекул сахаров. В полисахаридах простые сахара (глюкоза, галактоза и др.) соединены между собой гликозидными связями. Если присутствуют только 1–4, гликозидные связи, то образуется линейный, неразветвлённый полимер (целлюлоза), если присутствуют и 1–4, и 1–6 связи, полимер будет разветвлённым (крахмал, гликоген). Полисахариды утрачивают сладкий вкус и способность растворяться в воде.	Целлюлоза — линейный полисахарид, состоящий из молекул β-глюкозы, соединённых 1–4 связями. Целлюлоза является главным компонентом клеточной стенки растений. Она нерастворима в воде и обладает большой прочностью. У жвачных животных целлюлозу расщепляют ферменты бактерий, постоянно обитающих в специальном отделе желудка. Крахмал и гликоген являются основными формами запасания глюкозы у растений и животных соответственно. Остатки α-глюкозы в них связаны 1–4 и 1–6 гликозидными связями. Хитин образует у членистоногих наружный скелет (панцирь), у грибов придаёт прочность клеточной стенке.

Функции углеводов представлены в таблице.

Функции углеводов

Функция	Характеристика
Энергетическая	При окислении простых сахаров (в первую очередь глюкозы) организм получает основную часть необходимой ему энергии. При полном расщеплении 1 г глюкозы высвобождается 17,6 кДж энергии.
Запасающая	Крахмал (у растений) и гликоген (у животных, грибов и бактерий) играют роль источника глюкозы, высвобождая её по мере необходимости.
Строительная (структурная)	Целлюлоза (у растений) и хитин (у грибов) придают прочность клеточным стенкам. Рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот. Рибоза также входит в состав АТФ, ФАД, НАД, НАДФ.
Рецепторная	Функция узнавания клетками друг друга обеспечивается гликопротеинами, входящими в состав клеточных мембран. Утрата способности узнавать друг друга характерна для клеток злокачественных опухолей.
Защитная	Хитин образует покровы (наружный скелет) тела членистоногих.

Липиды

Липиды — жиры и жироподобные органические соединения, практически нерастворимые в воде. Их содержание в разных клетках сильно варьируется от 2–3 (в клетках семян растений) до 50–90% (в жировой ткани животных). В химическом отношении липиды, как правило, сложные эфиры жирных кислот и ряда спиртов

Они делятся на несколько классов. Наиболее распространены в живой природе нейтральные жиры, воска, фосфолипиды, стероиды. В состав большинства липидов входят жирные кислоты, молекулы которых содержат гидрофобный длинноцепочечный углеводородный «хвост» и гидрофильную карбоксильную группу.
Жиры — сложные эфиры трёхатомного спирта глицерина и трёх молекул жирных кислот. Воска — это сложные эфиры многоатомных спиртов и жирных кислот. Фосфолипиды имеют в молекуле вместо остатка жирной кислоты остаток фосфорной кислоты. Стероиды не содержат жирных кислот и имеют особую структуру. Также для живых организмов характерны липопротеины — соединения липидов с белками без образования ковалентных связей и гликолипиды — липиды, в которых помимо остатка жирной кислоты содержится одна или несколько молекул сахара.
Функции липидов представлены в таблице.

Функции липидов

Функция	Характеристика
Строительная (структурная)	Фосфолипиды вместе с белками являются основой биологических мембран. Стероид холестерин — важный компонент клеточных мембран у животных. Липопротеины и гликолипиды входят в состав мембран клеток некоторых тканей. Воск входит в состав пчелиных сот.
Гормональная (регуляторная)	Многие гормоны по химической природе являются стероидами. Например, тестостерон стимулирует развитие полового аппарата и вторичных половых признаков, характерных для мужчин; прогестерон (гормон беременности) способствует имплантации яйцеклетки в матке, задерживает созревание и овуляцию фолликулов, стимулирует рост молочных желёз; кортизон и кортикостерон влияют на обмен углеводов, белков, жиров, обеспечивая адаптацию организма к большим мышечным нагрузкам.
Энергетическая	При окислении 1 г жирных кислот высвобождается 38,9 кДж энергии и синтезируется в два раза больше АТФ, чем при расщеплении такого же количества глюкозы. У позвоночных половина энергии, потребляемой в состоянии покоя, образуется за счёт окисления жирных кислот.
Запасающая	В виде жиров хранится значительная часть энергетических запасов организма: твёрдые жиры у животных, жидкие жиры (масла) у растений, например, у подсолнечника, сои, клещевины. Кроме того, жиры служат источником воды (при сгорании 1 г жира образуется 1,1 г воды). Это особенно ценно для пустынных и арктических животных, испытывающих дефицит свободной воды.
Защитная	У млекопитающих подкожный жир выступает в качестве термоизолятора (защита от охлаждения) и амортизатора (защита от механических воздействий). Воск покрывает эпидермис растений, кожу, перья, шерсть, волосы животных, предохраняя от смачивания.

Белки

Белки представляют собой самый многочисленный и наиболее разнообразный класс органических соединений клетки. Белки — это биологические гетерополимеры, мономерами которых являются аминокислоты.

По химическому составу аминокислоты — это соединения, содержащие одну карбоксильную группу (—СООН) и одну аминную (—NH₂), связанные с одним атомом углерода, к которому присоединена боковая цепь — какой-либо радикал R. Именно радикал придаёт аминокислоте её неповторимые свойства.
В образовании белков участвуют только 20 аминокислот. Они называются фундаментальными, или основными: аланин, метионин, валин, пролин, лейцин, изолейцин, триптофан, фенилаланин, аспарагин, глутамин, серин, глицин, тирозин, треонин, цистеин, аргинин, гистидин, лизин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты. Некоторые из аминокислот не синтезируются в организмах животных и человека и должны поступать с растительной пищей. Они называются незаменимыми: аргинин, валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин.
Аминокислоты, соединяясь друг с другом ковалентными пептидными связями, образуют различной длины пептиды
Пептидной (амидной) называется ковалентная связь, образованная карбоксильной группой одной аминокислоты и аминной группой другой.
Белки представляют собой высокомолекулярные полипептиды, в состав которых входят от ста до нескольких тысяч аминокислот.
Выделяют 4 уровня организации белков:

Уровни организации белков

Уровень	Характеристика
Первичная структура	Последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Она образуется за счёт ковалентных пептидных связей между аминокислотными остатками. Первичная структура определяется последовательностью нуклеотидов в участке молекулы ДНК, кодирующем данный белок. Первичная структура любого белка уникальна и определяет его форму, свойства и функции. Молекулы белков могут принимать различные пространственные формы (конформации). Существуют вторичная, третичная и четвертичная пространственные структуры белковой молекулы.
Вторичная структура	Образуется укладкой полипептидных цепей в α-спираль или β-структуру. Она поддерживается за счёт водородных связей между атомами водорода групп NH— и атомами кислорода групп СО—. α-спираль формируется в результате скручивания полипептидной цепи в спираль с одинаковыми расстояниями между витками. Она характерна для глобулярных белков, имеющих сферическую форму глобулы. β-структура представляет собой продольную укладку трёх полипептидных цепей. Она характерна для фибриллярных белков, имеющих вытянутую форму фибриллы.
Третичная структура	Образуется при сворачивании спирали в клубок (глобулу, домен). Домены — глобулоподобные образования с гидрофобной сердцевиной и гидрофильным наружным слоем. Третичная структура формируется за счёт связей, образующихся между радикалами (R) аминокислот, за счёт ионных, гидрофобных и дисперсионных взаимодействий, а также за счёт образования дисульфидных (S — S) связей между радикалами цистеина.
Четвертичная структура	Характерна для сложных белков, состоящих из двух и более полипептидных цепей (глобул), не связанных ковалентными связями, а также для белков, содержащих небелковые компоненты (ионы металлов, коферменты). Четвертичная структура поддерживается в основном силами межмолекулярного притяжения и в меньшей степени водородными и ионными связями.

Конфигурация белка зависит от последовательности аминокислот, но на неё могут влиять и конкретные условия, в которых находится белок.
Утрата белковой молекулой своей структурной организации называется денатурацией.

Денатурация может быть обратимой и необратимой. При обратимой денатурации разрушается четвертичная, третичная и вторичная структуры, но благодаря сохранению первичной структуры при возвращении нормальных условий возможна ренатурация белка — восстановление нормальной (нативной) конформации. При необратимой денатурации происходит разрушение первичной структуры белка. Денатурация может быть вызвана высокой температурой (выше 45 °C), обезвоживанием, ионизирующим излучением и другими факторами. Изменение конформации (пространственной структуры) белковой молекулы лежит в основе ряда функций белков (сигнальные, антигенные свойства и др.).
По химическому составу различают простые и сложные белки. Простые белки состоят только из аминокислот (фибриллярные белки, антитела — иммуноглобулины). Сложные белки содержат белковую часть и небелковую — простетические группы. Различают липопротеины (содержат липиды), гликопротеины (углеводы), фосфопротеины (одну или несколько фосфатных групп), металлопротеины (различные металлы), нуклеопротеины (нуклеиновые кислоты). Простетические группы обычно играют важную роль при выполнении белком его биологической функции.
Функции белков представлены в таблице.

Функции белков

Функция	Характеристика
Каталитическая (ферментативная)	Все ферменты являются белками. Белки-ферменты катализируют протекание в организме химических реакций. Например, каталаза разлагает перекись водорода, амилаза гидролизует крахмал, липаза — жиры, трипсин — белки, нуклеаза — нуклеиновые кислоты, ДНК-полимераза катализирует удвоение ДНК.
Строительная (структурная)	Её осуществляют фибриллярные белки. Например, кератин содержится в ногтях, волосах, шерсти, перьях, рогах, копытах; коллаген — в костях, хрящах, сухожилиях; эластин — в связках и стенках кровеносных сосудов.
Транспортная	Ряд белков способен присоединять и переносить различные вещества. Например, гемоглобин переносит кислород и углекислый газ, белки-переносчики осуществляют облегчённую диффузию через плазматическую мембрану клетки.
Гормональная (регуляторная)	Многие гормоны являются белками, пептидами, гликопептидами. Например, соматропин регулирует рост; инсулин и глюкагон регулируют уровень глюкозы в крови: инсулин повышает проницаемость клеточных мембран для глюкозы, что усиливает её расщепление в тканях, отложение гликогена в печени, глюкагон способствует превращению гликогена печени в глюкозу.
Защитная	Например, иммуноглобулины крови являются антителами; интерфероны — универсальные противовирусные белки; фибрин и тромбин участвуют в свёртывании крови.
Сократительная (двигательная)	Например, актин и миозин образуют микрофиламенты и осуществляют сокращение мышц, тубулин образует микротрубочки и обеспечивает работу веретена деления.
Рецепторная (сигнальная)	Например, гликопротеины входят в состав гликокаликса и воспринимают информацию из окружающей среды; опсин — составная часть светочувствительных пигментов родопсина и йодопсина, находящихся в клетках сетчатки глаза.
Запасающая	Например, альбумин запасает воду в яичном желтке, миоглобин содержит запас кислорода в мышцах позвоночных, белки семян растений бобовых — запас питательных веществ для зародыша.
Энергетическая	При расщеплении 1 г белков высвобождается 17,6 кДж энергии.

Ферменты. Белки-ферменты катализируют протекание в организме химических реакций. Эти реакции, в силу энергетических причин, сами по себе либо вообще не протекают в организме, либо протекают слишком медленно.
Ферментативную реакцию можно выразить общим уравнением:
Е+S → [ES] → E+P,
где субстрат (S) обратимо реагирует с ферментом (Е) с образованием фермент-субстратного комплекса (ES), который затем распадается с образованием продукта реакции (Р). Фермент не входит в состав конечных продуктов реакции.
В молекуле фермента имеется активный центр, состоящий из двух участков — сорбционного (отвечает за связывание фермента с молекулой субстрата) и каталитического (отвечает за протекание собственно катализа). В ходе реакции фермент связывает субстрат, последовательно изменяет его конфигурацию, образуя ряд промежуточных молекул, дающих в конечном итоге продукты реакции.
Отличие ферментов от катализаторов неорганической природы:
1. Один фермент катализирует только один тип реакций.
2. Активность ферментов ограничена довольно узкими температурными рамками (обычно 35–45^оС).
3. Ферменты активны при определенных значениях рН (большинство в слабощелочной среде).

Нуклеиновые кислоты

Мононуклеотиды. Мононуклеотид состоит из одного азотистого основания — пуринового (аденин — А, гуанин — Г) или пиримидинового (цитозин — Ц, тимин — Т, урацил — У), сахара-пентозы (рибоза или дезоксирибоза) и 1–3 остатков фосфорной кислоты.
В зависимости от числа фосфатных групп различают моно-, ди- и трифосфаты нуклеотидов, например, аденозинмонофосфат — АМФ, гуанозиндифосфат — ГДФ, уридинтрифосфат — УТФ, тимидинтрифосфат — ТТФ и т. д.
Функции мононуклеотидов представлены в таблице.

Функции мононуклеотидов

Функция	Характеристика
Строительная (структурная)	Наиболее важная роль нуклеотидов состоит в том, что они служат строительными блоками для сборки полинуклеотидов: ДНК и РНК (дезоксирибонуклеиновых и рибонуклеиновых кислот).
Энергетическая	АТФ является универсальным переносчиком и хранителем энергии в клетке, участвует как источник энергии почти во всех внутриклеточных реакциях.
Транспортная	Производные нуклеотидов служат переносчиками некоторых химических групп, например, НАД (никотинамидадениндинуклеотид) и ФАД (флавинадениндинуклеотид) — переносчики атомов водорода.

Полинуклеотиды. Нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды) — полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Существуют два типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота).
Нуклеотиды ДНК и РНК состоят из следующих компонентов:

1. Азотистое основание (в ДНК: аденин, гуанин, цитозин и тимин; в РНК: аденин, гуанин, цитозин и урацил).
2. Сахар-пентоза (в ДНК — дезоксирибоза, в РНК — рибоза).
3. Остаток фосфорной кислоты.

​ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — линейный полимер, состоящий из четырёх типов мономеров: нуклеотидов А, Т, Г и Ц, связанных друг с другом ковалентной связью через остатки фосфорной кислоты.

Молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных цепей (двойная спираль). При этом между аденином и тимином образуются две водородные связи, а между гуанином и цитозином — три. Эти пары азотистых оснований называют комплементарными. В молекуле ДНК они всегда расположены друг напротив друга. Цепи в молекуле ДНК противоположно направлены. Пространственная структура молекулы ДНК была установлена в 1953 г. Д. Уотсоном и Ф. Криком.

Виды РНК

Вид	Характеристика	Доля в клетке, %
Информационная РНК (иРНК), или матричная РНК (мРНК)	Имеет незамкнутую цепь. Служит в качестве матриц для синтеза белков, перенося информацию об их структуре с молекулы ДНК к рибосомам в цитоплазму.	Около 5
Транспортная РНК (тРНК)	Доставляет аминокислоты к синтезируемой молекуле белка. Молекула тРНК состоит из 70–90 нуклеотидов и благодаря внутрицепочечным комплементарным взаимодействиям приобретает характерную вторичную структуру в виде «клеверного листа». 1 — 4 — участки комплементарного соединения внутри одной цепочки РНК; 5 — участок комплементарного соединения с молекулой мРНК; 6 — участок (активный центр) соединения с аминокислотой	Около 10
Рибосомная РНК (рРНК)	В комплексе с рибосомными белками образует рибосомы — органоиды, на которых происходит синтез белка.	Около 85

Функции РНК: участие в биосинтезе белков.
Самоудвоение ДНК. Молекулы ДНК обладают способностью, не присущей ни одной другой молекуле, — способностью к удвоению. Процесс удвоения молекул ДНК называется репликацией.

В основе репликации лежит принцип комплементарности — образование водородных связей между нуклеотидами А и Т, Г и Ц.
Репликацию осуществляют ферменты ДНК-полимеразы. Под их воздействием цепи молекулы ДНК разделяются на небольшом отрезке молекулы. На цепи материнской молекулы достраиваются дочерние цепи. Затем расплетается новый отрезок, и цикл репликации повторяется.
В результате образуются дочерние молекулы ДНК, ничем не отличающиеся друг от друга и от материнской молекулы. В процессе деления клетки дочерние молекулы ДНК распределяются между образующимися клетками. Так осуществляется передача информации из поколения в поколение.
Под воздействием различных факторов внешней среды (ультрафиолетового излучения, различных химических веществ) молекула ДНК может повреждаться. Происходят разрывы цепей, ошибочные замены азотистых оснований нуклеотидов и др. Кроме того, изменения в ДНК могут происходить самопроизвольно, например, в результате рекомбинации — обмена фрагментами ДНК. Произошедшие изменения в наследственной информации также передаются потомству.
В некоторых случаях молекулы ДНК способны «исправлять» возникающие в её цепях изменения. Эта способность называется репарацией. В восстановлении исходной структуры ДНК участвуют белки, которые узнают изменённые участки ДНК и удаляют их из цепи, тем самым восстанавливая правильную последовательность нуклеотидов, сшивая восстановленный фрагмент с остальной молекулой ДНК.
Сравнительная характеристика ДНК и РНК представлена в таблице.

Сравнительная характеристика ДНК и РНК

Признаки	ДНК	РНК
Местонахождение в клетке	Ядро, митохондрии, пластиды. Цитоплазма у прокариот	Ядро, рибосомы, цитоплазма, митохондрии, хлоропласты
Местонахождение в ядре	Хромосомы	Кариоплазма, ядрышко (рРНК)
Строение макромолекулы	Двуцепочечный (как правило) линейный полинуклеотид, свёрнутый правозакрученной спиралью, с водородными связями между двумя цепями	Одноцепочечный (как правило) полинуклеотид. Некоторые вирусы имеют двуцепочечную РНК
Мономеры	Дезоксирибонуклеотиды	Рибонуклеотиды
Состав нуклеотида	Азотистое основание (пуриновое — аденин, гуанин, пиримидиновое — тимин, цитозин); углевод (дезоксирибоза); остаток фосфорной кислоты	Азотистое основание (пуриновое — аденин, гуанин, пиримидиновое — урацил, цитозин); углевод (рибоза); остаток фосфорной кислоты
Типы нуклеотидов	Адениловый (А), гуаниловый (Г), тимидиловый (Т), цитидиловый (Ц)	Адениловый (А), гуаниловый (Г), уридиловый (У), цитидиловый (Ц)
Свойства	Способна к самоудвоению (репликации) по принципу комплементарности: А=Т, Т=А, Г=Ц, Ц=Г. Стабильна	Не способна к самоудвоению. Лабильна. Генетическая РНК вирусов способна к репликации
Функции	Химическая основа хромосомного генетического материала (гена); синтез ДНК; синтез РНК; информация о структуре белков	Информационная (иРНК) — переносит информацию о структуре белка с молекулы ДНК к рибосомам в цитоплазму; транспортная (тРНК) — переносит аминокислоты к рибосомам; рибосомальная (рРНК) — входит в состав рибосом; митохондриальная и пластидная — входят в состав рибосом этих органелл

Строение клетки
Клеточная теория

Становление клеточной теории:

• Роберт Гук в 1665 году обнаружил клетки в срезе пробки и впервые применил термин клетка.
• Антони ван Левенгук открыл одноклеточные организмы.
• Маттиас Шлейден в 1838 году и Томас Шванн в 1839 году сформулировали основные положения клеточной теории. Однако они ошибочно считали, что клетки возникают из первичного неклеточного вещества.
• Рудольф Вирхов в 1858 году доказал, что все клетки образуются из других клеток путём клеточного деления.

Основные положения клеточной теории:

1. Клетка является структурной единицей всего живого. Все живые организмы состоят из клеток (исключение составляют вирусы).
2. Клетка является функциональной единицей всего живого. Клетка проявляет весь комплекс жизненных функций.
3. Клетка является единицей развития всего живого. Новые клетки образуются только в результате деления исходной (материнской) клетки.
4. Клетка является генетической единицей всего живого. В хромосомах клетки содержится информация о развитии всего организма.
5. Клетки всех организмов сходны по химическому составу, строению и функциям.

Типы клеточной организации

Среди живых организмов только вирусы не имеют клеточного строения. Все остальные организмы представлены клеточными формами жизни. Различают два типа клеточной организации: прокариотический и эукариотический. К прокариотам относятся бактерии и цианобактерии (сине-зелёные), к эукариотам — растения, грибы и животные.

Прокариотические клетки устроены сравнительно просто. Они не имеют ядра, область расположения ДНК в цитоплазме называется нуклеоид, единственная молекула ДНК кольцевая и не связана с белками, клетки меньше эукариотических, в состав клеточной стенки входит гликопептид — муреин, мембранные органоиды отсутствуют, их функции выполняют впячивания плазматической мембраны (мезосомы), рибосомы мелкие, микротрубочки отсутствуют, поэтому цитоплазма неподвижна, а реснички и жгутики имеют особую структуру.

Эукариотические клетки имеют ядро, в котором находятся хромосомы — линейные молекулы ДНК, связанные с белками, в цитоплазме расположены различные мембранные органоиды.
Растительные клетки отличаются наличием толстой целлюлозной клеточной стенки, пластид, крупной центральной вакуоли, смещающей ядро к периферии. Клеточный центр высших растений не содержит центриоли. Запасным углеводом является крахмал.
Клетки грибов имеют клеточную стенку, содержащую хитин, в цитоплазме имеется центральная вакуоль, отсутствуют пластиды. Только у некоторых грибов в клеточном центре встречается центриоль. Главным резервным углеводом является гликоген.
Животные клетки не имеют клеточной стенки, не содержат пластид и центральной вакуоли, для клеточного центра характерна центриоль. Запасным углеводом является гликоген.
В зависимости от количества клеток, из которых состоят организмы, их делят на одноклеточные и многоклеточные. Одноклеточные организмы состоят из одной-единственной клетки, выполняющей функции целостного организма. Одноклеточными являются все прокариоты, а также простейшие, некоторые зелёные водоросли и грибы. Тело многоклеточных организмов состоит из множества клеток, объединённых в ткани, органы и системы органов. Клетки многоклеточного организма специализированы для выполнения определённой функции и могут существовать вне организма лишь в микросреде, близкой к физиологической (например, в условиях культуры тканей). Клетки в составе многоклеточного организма различаются по размерам, форме, структуре и выполняемым функциям. Несмотря на индивидуальные особенности, все клетки построены по единому плану и имеют много общих черт.

Характеристика структур эукариотической клетки

Название	Строение	Функции
I. Поверхностный аппарат клетки	Плазматическая мембрана, надмембранный комплекс, субмембранный комплекс	Взаимодействие с внешней средой; обеспечение клеточных контактов; транспорт: а) пассивный (диффузия, осмос, облегченная диффузия через поры); б) активный; в) экзоцитоз и эндоцитоз (фагоцитоз, пиноцитоз)
1. Плазматическая мембрана	Два слоя липидных молекул, в которые встроены молекулы белка (интегральные, полуинтегральные и периферические)	Структурная
2. Надмембранный комплекс:
а) гликокаликс	Гликолипиды и гликопротеины	Рецепторная
б) клеточная стенка у растений и грибов	Целлюлоза у растений, хитин у грибов	Структурная; защитная; обеспечение тургора клетки
3. Субмембранный комплекс	Микротрубочки и микрофиламенты	Обеспечивает механическую устойчивость плазматической мембраны
II. Цитоплазма
1. Гиалоплазма	Коллоидный раствор неорганических и органических веществ	Протекание ферментативных реакций; синтез аминокислот, жирных кислот; формирование цитоскелета; обеспечение движения цитоплазмы (циклоза)
2. Одномембранные органеллы:
а) эндоплазматический ретикулум:	Система мембран, образующих цистерны, канальцы	Транспорт веществ внутри и вне клетки; разграничение ферментных систем; место образования одномембранных органелл: комплекса Гольджи, лизосом, вакуолей
гладкий	Рибосом нет	Синтез липидов и углеводов
шероховатый	Рибосомы есть	Синтез белков
б) аппарат Гольджи	Плоские цистерны, крупные цистерны, микровакуоли	Образование лизосом; секреторная; накопительная; укрупнение белковых молекул; синтез сложных углеводов
в) первичные лизосомы	Пузырьки, ограниченные мембраной, содержащие ферменты	Участие во внутриклеточном пищеварении; защитная
г) вторичные лизосомы:
пищеварительные вакуоли	Первичная лизосома + фагосома	Эндогенное питание
остаточные тельца	Вторичная лизосома, содержащая непереваренный материал	Накопление нерасщеплённых веществ
аутолизосомы	Первичная лизосома + разрушенные органеллы клеток	Аутолиз органелл
д) вакуоли	В клетках растений мелкие пузырьки, отделённые от цитоплазмы мембраной; полость заполнена клеточным соком	Поддержание тургора клетки; запасающая
е) пероксисомы	Мелкие пузырьки, содержащие ферменты, нейтрализующие перекись водорода	Участие в реакциях обмена; защитная
3. Двумембранные органеллы:
а) митохондрии	Внешняя мембрана, внутренняя мембрана с кристами, матрикс, содержащий ДНК, РНК, ферменты, рибосомы	Клеточное дыхание; синтез АТФ; синтез белков митохондрий
б) пластиды:	Внешняя и внутренняя мембраны, строма
хлоропласты	В строме мембранные структуры — ламеллы, образующие диски — тилакоиды, собранные в стопки — граны, содержащие пигмент хлорофилл. В строме — ДНК, РНК, рибосомы, ферменты	Фотосинтез; определение окраски листьев, плодов
хромопласты	Содержат жёлтые, красные, оранжевые пигменты	Определение окраски листьев, плодов, цветов
лейкопласты	Не содержат пигментов	Накопление запасных питательных веществ
4. Немембранные органеллы:
а) рибосомы	Имеют большую и малую субъединицы	Синтез белка
б) микротрубочки	Трубочки диаметром 24 нм, стенки образованы тубулином	Участие в образовании цитоскелета, делении ядра
в) микрофиламенты	Нити диаметром 6 нм из актина и миозина	Участие в образовании цитоскелета; образование кортикального слоя под плазматической мембраной
г) клеточный центр	Участок цитоплазмы и две центриоли, перпендикулярные друг другу, каждая образована девятью триплетами микротрубочек	Участие в делении клетки
д) реснички и жгутики	Выросты цитоплазмы; в основании находятся базальные тельца. На поперечном срезе ресничек и жгутиков по периметру расположено девять пар микротрубочек и одна пара в центре	Участие в передвижении
5. Включения	Капли жира, гранулы гликогена, гемоглобин эритроцитов	Запасающая; секреторная; специфическая
III. Ядро	Имеет двумембранную оболочку, кариоплазму, ядрышко, хроматин	Регуляция активности клетки; хранение наследственной информации; передача наследственной информации
1. Ядерная оболочка	Состоит из двух мембран. Имеет поры. Связана с эндоплазматическим ретикулумом	Отделяет ядро от цитоплазмы; регулирует транспорт веществ в цитоплазму
2. Кариоплазма	Раствор белков, нуклеотидов и других веществ	Обеспечивает нормальное функционирование генетического материала
3. Ядрышки	Мелкие тельца округлой формы, содержат рРНК	Синтез рРНК
4. Хроматин	Неспирализованная молекула ДНК, связанная с белками (мелкозернистые гранулы)	Образуют хромосомы при делении клетки
5. Хромосомы	Спирализованная молекула ДНК, связанная с белками. Плечи хромосомы соединены центромерой, может быть вторичная перетяжка, отделяющая спутник, плечи оканчивают стеломерами	Передача наследственной информации

Основные различия клеток прокариот и эукариот

Признак	Прокариоты	Эукариоты
Организмы	Бактерии и цианобактерии (сине-зелёные водоросли)	Грибы, растения, животные
Ядро	Имеется нуклеоид — часть цитоплазмы, где содержится ДНК, не окружённая мембраной	Ядро имеет оболочку из двух мембран, содержит одно или несколько ядрышек
Генетический материал	Кольцевая молекула ДНК, не связанная с белками	Линейные молекулы ДНК, связанные с белками, организованы в хромосомы
Ядрышко (и)	Нет	Есть
Плазмиды (нехромосомные кольцевые молекулы ДНК)	Есть	В составе митохондрий и пластид
Организация генома	До 1,5 тыс. генов. Большинство представлены в единственной копии	От 5 до 200 тыс. генов. До 45% генов представлены несколькими копиями
Клеточная стенка	Есть (у бактерий прочность придает муреин, у цианобактерий — целлюлоза, пектиновые вещества, муреин)	Есть у растений (целлюлоза) и грибов (хитин), у животных нет
Мембранные органоиды: эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, вакуоли, лизосомы, митохондрии и др.	Нет	Есть
Мезосома (впячивание плазматической мембраны в цитоплазму)	Есть	Нет
Рибосомы	Мельче, чем у эукариот	Крупнее, чем у прокариот
Жгутики	если есть, то не имеют микротрубочек и не окружены плазматической мембраной	если есть, то имеют микротрубочки, окружены плазматической мембраной
Размеры	диаметр в среднем 0,5–5 мкм	диаметр обычно до 40 мкм

Основные различия животной и растительной клеток

Признак	Растительная клетка	Животная клетка
Клеточная стенка	Есть	Нет
Пластиды	Есть	Нет
Вакуоли	Есть крупные, занимают до 70–95% объёма клетки, оттесняя остальные органоиды к периферии клетки, поддерживают тургорное давление	Есть небольшие пищеварительные и сократительные вакуоли, не аналогичные вакуолям растительных клеток
Гликокаликс	Нет	Есть
Микроворсинки	Нет	Есть
Клеточный центр	Есть только у низших растений	Есть
Гранулы гликогена	Нет	Есть
Гранулы крахмала	Есть	Нет

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

Пройти тестирование по этим заданиям
Вернуться к каталогу заданий

Версия для печати и копирования в MS Word

Пройти тестирование по этим заданиям

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»

Раздел ЕГЭ: 2.3. Химический состав клетки. Макро- и микроэлементы. Взаимосвязь строения и функций неорганических и органических веществ (белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, АТФ), входящих в состав клетки. Роль химических веществ в клетке и организме человека.

Химические элементы клетки образуют неорганические и органические вещества. Несмотря на то что в живых организмах преобладают неорганические вещества, именно органические вещества определяют уникальность их химического состава и феномена жизни в целом, поскольку они синтезируются преимущественно организмами в процессе жизнедеятельности и играют в реакциях важнейшую роль.

Следует отметить, что содержание химических веществ в различных клетках и тканях может существенно различаться. Например, если в животных клетках среди органических соединений преобладают белки, то в клетках растений — углеводы.

Макро- и микроэлементы

В живых организмах встречается около 80 химических элементов, однако только для 27 из этих элементов установлены их функции в клетке и организме. Остальные элементы присутствуют в незначительных количествах, и, по-видимому, попадают в организм с пищей, водой и воздухом.  В зависимости от концентрации их делят на макроэлементы и микроэлементы.

Концентрация каждого из макроэлементов в организме превышает 0,01 % , а их суммарное содержание — 99 %. К макроэлементам относят кислород, углерод, водород, азот, фосфор, серу, калий, кальций, натрий, хлор, магний и железо. Первые четыре из перечисленных элементов (кислород, углерод, водород и азот) называют также органогенными, поскольку они входят в состав основных органических соединений. Фосфор и сера также являются компонентами ряда органических веществ, например белков и нуклеиновых кислот. Фосфор необходим для формирования костей и зубов.

Без оставшихся макроэлементов невозможно нормальное функционирование организма. Так, калий, натрий и хлор участвуют в процессах возбуждения клеток. Кальций входит в состав клеточных стенок растений, костей, зубов и раковин моллюсков, требуется для сокращения мышечных клеток и свертывания крови. Магний является компонентом хлорофилла — пигмента, обеспечивающего протекание фотосинтеза. Он также принимает участие в биосинтезе белка и нуклеиновых кислот. Железо входит в состав гемоглобина, и необходимо для функционирования многих ферментов.

 Микроэлементы содержатся в организме в концентрациях менее 0,01 % , а их суммарная концентрация в клетке не достигает и 0,1 %. К микроэлементам относятся цинк, медь, марганец, кобальт, йод, фтор и др.

Цинк входит в состав молекулы гормона поджелудочной железы — инсулина, медь требуется для процессов фотосинтеза и дыхания. Кобальт является компонентом витамина В12, отсутствие которого приводит к анемии. Йод необходим для синтеза гормонов щитовидной железы, обеспечивающих нормальное протекание обмена веществ, а фтор связан с формированием эмали зубов.

Как недостаток, так и избыток или нарушение обмена макро- и микроэлементов приводят к развитию различных заболеваний. В частности, недостаток кальция и фосфора вызывают рахит, нехватка азота — тяжелую белковую недостаточность, дефицит железа — анемию, отсутствие йода — нарушение образования гормонов щитовидной железы и снижение интенсивности обмена веществ, уменьшение поступления фтора — кариес. Свинец токсичен почти для всех организмов.

Недостаток макро- и микроэлементов можно компенсировать путем увеличения их содержания в пище и питьевой воде, а также за счет приема лекарственных препаратов.

Химические элементы клетки образуют различные соединения — неорганические и органические.

 Неорганические вещества

К неорганическим веществам клетки относятся вода, минеральные соли, кислоты и др.

Вода (Н2О) — наиболее распространенное неорганическое вещество клетки, обладающее уникальными физико-химическими свойствами. В теле взрослого человека ее в среднем 66 %, однако кости содержат около 20 % воды, печени — 70 %, а мозг — 86 %.

В клетке вода является растворителем, средой для протекания реакций, исходным веществом и продуктом химических реакций, выполняет транспортную и терморегуляторную функции, придает клетке упругость, обеспечивает тургор растительной клетки. Все вещества делятся на растворимые в воде (гидрофильные) и нерастворимые в ней (гидрофобные).

Минеральные соли могут находиться в растворенном или нерастворенном состояниях. Растворимые соли диссоциируют на ионы — катионы и анионы. Наиболее важными катионами являются ионы калия и натрия, облегчающие перенос веществ через мембрану и участвующие в возникновении и проведении нервного импульса, а также ионы кальция, которые принимают участие в процессах сокращения мышечных волокон и свертывании крови; магния, входящего в состав хлорофилла; железа, входящего в состав ряда белков, в том числе гемоглобина. Важнейшими анионами являются фосфат-анион, входящий в состав АТФ и нуклеиновых кислот, и остаток угольной кислоты, смягчающий колебания рН среды. Ионы минеральных солей обеспечивают проникновение самой воды в клетку и ее удержание в ней. Если в среде концентрация солей ниже, чем в клетке, то вода проникает в клетку. Также ионы определяют буферные свойства цитоплазмы, т. е. ее способность поддерживать постоянство слабощелочной рН цитоплазмы, несмотря на постоянное образование в клетке кислотных и щелочных продуктов.

Нерастворимые соли (CaCO₃, Ca₃(PO₄)₂ и др.) входят в состав костей, зубов, раковин и панцирей одноклеточных и многоклеточных животных.

Кроме того, в организмах могут вырабатываться и другие неорганические соединения, например кислоты и оксиды. Так, обкладочные клетки желудка человека вырабатывают соляную кислоту, которая активирует пищеварительный фермент пепсин, а оксид кремния пропитывает клеточные стенки хвощей и образует панцири диатомовых водорослей.

Органические вещества

К органическим веществам клетки относят углеводы, липиды, белки, нуклеиновые кислоты, АТФ, витамины и др. они могут быть представлены как относительно простыми молекулами, так и более сложными. В тех случаях, когда сложная молекула (макромолекула) образована значительным числом повторяющихся более простых молекул, ее называют полимером, а ее структурные единицы — мономерами. В зависимости от того, повторяются или нет звенья полимеров, их относят к регулярным или нерегулярным.

 Углеводы

Углеводы — это органические соединения, в состав которых входят в основном три химических элемента — углерод, водород и кислород, хотя целый ряд углеводов содержит также азот или серу.

Общая формула углеводов — C_m(H₂O)_n. Их делят на моно-, олиго- и полисахариды.

1) Моносахариды содержат единственную молекулу сахара, которую невозможно расщепить на более простые. Это кристаллические вещества, сладкие на вкус и хорошо растворимые в воде. Моносахариды принимают активное участие в обмене веществ в клетке и входят в состав сложных углеводов — олигосахаридов и полисахаридов.

Моносахариды классифицируют по количеству углеродных атомов (C₃ — C₉), например пентозы (C₅) и гексозы (C₆). К пентозам относятся рибоза и дезоксирибоза. Рибоза входит в состав РНК и АТФ. Дезоксирибоза является компонентом ДНК. Гексозы (С₆Н₁₂О₆) — это глюкоза, фруктоза, галактоза и др. Глюкоза (виноградный сахар) встречается во всех организмах, в том числе в крови человека, поскольку является энергетическим резервом. Она входит в состав сахарозы, лактозы, мальтозы, крахмала, целлюлозы и др. Фруктоза (плодовый сахар) в наибольших концентрациях содержится в плодах, меде, корнеплодах сахарной свеклы. Она не только принимает активное участие в процессах обмена веществ, но и входит в состав сахарозы и некоторых полисахаридов, например инсулина.

2) К олигосахаридам относят углеводы, образованные несколькими остатками моносахаридов. Они в основном также хорошо растворимы в воде и сладки на вкус. В зависимости от количества этих остатков различают дисахариды (два остатка), трисахариды (три) и др.

К дисахаридам относятся сахароза, лактоза, мальтоза и др. Сахароза (свекловичный или тростниковый сахар) состоит из остатков глюкозы и фруктозы, она встречается в запасающих органах некоторых растений. Особенно много сахарозы в корнеплодах сахарной свеклы и сахарного тростника, откуда их получают промышленным способом. Она служит эталоном сладости углеводов. Лактоза (молочный сахар), образована остатками глюкозы и галактозы, содержится в материнском и коровьем молоке. Мальтоза (солодовый сахар) состоит из двух остатков глюкозы. Она образуется в процессе расщепления полисахаридов в семенах растений и в пищеварительной системе человека, используется при производстве пива.

3) Полисахариды — это биополимеры, мономерами которых являются остатки моно- или дисахаридов. Большинство полисахаридов нерастворимы в воде и несладкие на вкус. К ним относятся крахмал, гликоген, целлюлоза и хитин. Крахмал — это белое порошкообразное вещество, не смачиваемое водой, но образующее при заваривании горячей водой взвесь — клейстер. Мономером крахмала является глюкоза (рис. 3). Крахмал — основное запасное вещество растений, которое накапливается в запасающих органах растений. Качественной реакцией на крахмал является реакция с йодом, при которой он окрашивается в сине-фиолетовый цвет.

Гликоген (животный крахмал) — это запасной полисахарид животных и грибов, который у человека в наибольших количествах накапливается в мышцах и печени. Мономером гликогена является глюкоза. По сравнению с молекулами крахмала молекулы гликогена более разветвлены.

Целлюлоза, или клетчатка, — основной опорный полисахарид растений. Мономером целлюлозы является глюкоза. Целлюлоза входит в состав клеточных стенок растений. Целлюлоза является основой древесины, она используется в строительстве, при производстве тканей, бумаги, спирта и многих органических веществ.

Хитин — это полисахарид, мономером которого является азотсодержащий моносахарид на основе глюкозы. Он входит в состав клеточных стенок грибов и панцирей членистоногих.

 Функции углеводов. Углеводы выполняют в клетке пластическую (строительную), энергетическую, запасающую и опорную функции. Энергетическая ценность расщепления 1 г углеводов составляет 17,2 кДж. Углеводы могут также входить в состав сложных липидов и белков, образуя гликолипиды и гликопротеины, в частности в клеточных мембранах.

Липиды

Липиды — это разнородная в химическом отношении группа низкомолекулярных веществ с гидрофобными свойствами. Данные вещества нерастворимы в воде, образуют в ней эмульсии, но при этом хорошо растворяются в органических растворителях. Липиды маслянисты на ощупь, многие из них оставляют на бумаге характерные невысыхающие следы.

В зависимости от строения молекулы липиды делят на простые и сложные. К простым липидам относятся нейтральные липиды (жиры), воски, стерины и стероиды. Сложные липиды содержат и другой, нелипидный компонент. Наиболее важными из них являются фосфолипиды и гликолипиды.

 Жиры являются производными трехатомного спирта глицерина и высших жирных кислот. Среди жирных кислот есть как насыщенные, так и ненасыщенные, то есть содержащие двойные связи.

Из насыщенных жирных кислот чаще всего встречаются пальмитиновая и стеариновая, а из ненасыщенных — олеиновая. Некоторые ненасыщенные жирные кислоты не синтезируются в организме человека или синтезируются в недостаточном количестве, и поэтому являются незаменимыми. Остатки глицерина образуют гидрофильные «головки», а остатки жирных кислот — «хвосты». Жиры растений большей частью содержат ненасыщенные жирные кислоты, вследствие чего они являются жидкими и называются маслами. Масла содержатся в семенах многих растений, таких как подсолнечник, соя, рапс и др.

Воски — это сложные смеси жирных кислот и жирных спиртов. У растений они образуют пленку на поверхности листа, которая защищает от испарения, проникновения возбудителей заболеваний и т. п. У ряда животных они также покрывают тело или служат для построения сот.

К стеринам относятся такой липид, как витамин D, и холестерол — обязательный компонент клеточных мембран, а к стероидам — половые гормоны: эстрадиол, тестостерон и др.

Фосфолипиды, помимо остатков глицерина и жирных кислот, содержат остаток ортофосфорной кислоты. Они входят в состав клеточных мембран и обеспечивают их барьерные свойства.

Гликолипиды также являются компонентами мембран, но их содержание там невелико. Нелипидной частью гликолипидов являются углеводы.

 Функции липидов. Липиды выполняют в клетке пластическую (строительную), энергетическую, запасающую, защитную и регуляторную функции. При расщеплении 1 г липидов выделяется 38,9 кДж энергии. Они откладываются в запас в различных органах растений и животных. Подкожная жировая клетчатка защищает внутренние органы животных от переохлаждения или перегревания, от ударов, а у водных животных — еще и повышает плавучесть. Регуляторная функция липидов связана с тем, что некоторые из них являются гормонами.

Белки

 Белки — это высокомолекулярные соединения, биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты, связанные пептидными связями. Аминокислотой называют органическое соединение, имеющее аминогруппу, карбоксильную группу и радикал. В состав белка могут входить 20 аминокислот, которые различаются радикалами. Аминокислоты делят на заменимые и незаменимые.

 Заменимые аминокислоты, образуются в организме человека в необходимом количестве, а незаменимые должны поступать с пищей, но могут частично синтезироваться микроорганизмами кишечника. Полностью незаменимых аминокислот насчитывается 8: валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин.

Последовательность из двух аминокислот, связанных пептидными связями, называется дипептидом, из трех — трипептидом и т. д. Среди пептидов встречаются такие важные соединения, как гормоны (окситоцин, вазопрессин), антибиотики и др. Цепочка из более чем двадцати аминокислот называется полипептидом, а полипептиды, содержащие более 60 аминокислотных остатков, — это белки.

Уровни структурной организации белка. Белки могут иметь первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры. Первичная структура белка — это последовательность аминокислот, соединенных пептидной связью (рис. 8).

Вторичная структура представляет собой пространственную укладку белковой молекулы в виде спирали, удерживаемой водородными связями между атомами кислорода и водорода пептидных группировок разных витков спирали или складок.

Третичная структура белка представляет собой глобулу, удерживаемую гидрофобными, водородными, дисульфидными (S—S) и другими связями между радикалами аминокислот. Она характерна для большинства белков организма, например, миоглобина мышц.

Четвертичная структура — наиболее сложная, образованная несколькими полипептидными цепями, соединенными в основном слабыми взаимодействиями. Она характерна для немногих белков, таких как, например, гемоглобин.

По форме молекулы различают фибриллярные и глобулярные белки. Первые из них вытянуты, как, например, коллаген соединительной ткани или кератины волос и ногтей. Глобулярные же белки имеют форму клубка (глобулы), как миоглобин мышц.

Простые и сложные белки. Простые белки состоят только из аминокислот, тогда как сложные белки (липопротеины, хромопротеины, гликопротеины, нуклеопротеины и др.) содержат белковую и небелковую части. Хромопротеины содержат окрашенную небелковую часть. К ним относятся гемоглобин, миоглобин, хлорофилл, цитохромы и др. Небелковой частью липопротеинов является липид, а гликопротеинов — углевод. Как липопротеины, так и гликопротеины входят в состав клеточных мембран. Нуклеопротеины представляют собой комплексы белков и нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). Они выполняют важнейшие функции в процессах хранения и передачи наследственной информации.

Свойства белков. Многие белки хорошо растворимы в воде, однако есть среди них и такие, которые растворяются только в растворах солей, щелочей, кислот или органических растворителях. Структура молекулы белка и его функциональная активность зависят от условий окружающей среды. Утрата белковой молекулой своей структуры, вплоть до первичной, называется денатурацией. Она происходит вследствие изменения температуры, рН, атмосферного давления, под действием кислот, щелочей, солей тяжелых металлов, органических растворителей и т. п. Обратный процесс восстановления вторичной и более высоких структур называется ренатурацией, однако он не всегда возможен. Полное разрушение белковой молекулы называется деструкцией.

 Функции белков. Белки выполняют в клетке ряд функций: пластическую (строительную), каталитическую (ферментативную), энергетическую, сигнальную (рецепторную), сократительную (двигательную), транспортную, защитную, регуляторную и запасающую.

Энергетическая ценность 1 г белка составляет 17,2 кДж. Белки-рецепторы мембран принимают активное участие в восприятии сигналов окружающей среды и их передаче по клетке. Без белков невозможно движение клеток и организмов в целом, так как они составляют основу жгутиков и ресничек, а также обеспечивают сокращение мышц и перемещение внутриклеточных компонентов. В крови человека и многих животных белок гемоглобин переносит кислород и часть углекислого газа, другие белки транспортируют ионы и электроны. Защитная роль белков связана, в первую очередь, с иммунитетом, поскольку белок интерферон способен уничтожать многие вирусы, а белки-антитела подавляют развитие бактерий и иных чужеродных агентов. Среди белков и пептидов немало гормонов, например, гормон поджелудочной железы инсулин, регулирующий концентрацию глюкозы в крови. У некоторых организмов белки могут откладываться в запас, как в семенах бобовых, или белки куриного яйца.

 Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты — это биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. В настоящее время известно два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК).

Нуклеотид образован азотистым основанием, остатком сахара-пентозы и остатком ортофосфорной кислоты. Особенности нуклеотидов в основном определяются азотистыми основаниями, входящими в их состав, поэтому даже условно нуклеотиды обозначаются по первым буквам их названий. В состав нуклеотидов могут входить пять азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), урацил (У) и цитозин (Ц). Пентозы нуклеотидов — рибоза и дезоксирибоза — определяют, какой нуклеотид будет образован — рибонуклеотид или дезоксирибонуклеотид. Рибонуклеотиды являются мономерами РНК, могут выступать в качестве сигнальных молекул (цАМФ) и входить в состав макроэргических соединений, например АТФ, и коферментов, таких как НАДФН + Н⁺, НАДН + Н⁺, ФАДН₂ и др., а дезоксирибонуклеотиды входят в состав ДНК.

 Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — двухцепочечный биополимер, мономерами которого являются дезоксирибонуклеотиды. В состав дезоксирибонуклеотидов входят только четыре азотистых основания из пяти возможных — аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц), а также остатки дезоксирибозы и ортофосфорной кислоты. Нуклеотиды в цепи ДНК соединяются между собой через остатки ортофосфорной кислоты, образуя фосфодиэфирную связь. При образовании двухцепочечной молекулы азотистые основания направлены вовнутрь молекулы. Однако соединение цепей ДНК происходит не случайным образом — азотистые основания разных цепей соединяются между собой водородными связями по принципу комплементарности: аденин соединяется с тимином двумя водородными связями (А=Т), а гуанин с цитозином — тремя (Г≡Ц) (рис. 14). Для нее были установлены правила Чаргаффа:

Структура ДНК была расшифрована Ф. Криком и Д. Уотсоном. Согласно их модели третичная структура молекулы ДНК представляет собой правозакрученную двойную спираль. Расстояние между нуклеотидами в цепи ДНК равно 0,34 нм.

Основной функцией ДНК является хранение и передача наследственной информации, которая записана в виде последовательностей нуклеотидов.

ДНК эукариотических клеток сосредоточена в ядре, митохондриях и пластидах, а прокариотических — находится прямо в цитоплазме. Ядерная ДНК является основой хромосом, она представлена незамкнутыми молекулами. ДНК митохондрий, пластид и прокариот имеет кольцевую форму.

Рибонуклеиновая кислота (РНК) — биополимер, мономерами которого являются рибонуклеотиды. Они содержат также четыре азотистых основания — аденин (А), урацил (У), гуанин (Г) и цитозин (Ц), отличаясь тем самым от ДНК по одному из оснований (вместо тимина в РНК встречается урацил). Остаток сахара-пентозы в рибонуклеотидах представлен рибозой. РНК — в основном одноцепочечные молекулы, за исключением некоторых вирусных. Выделяют три основных типа РНК: информационные, или матричные (иРНК, мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все они образуются в процессе транскрипции — переписывания с молекул ДНК.

 иРНК составляют наименьшую фракцию РНК в клетке (2—4 %). Они являются матрицами для синтеза полипептидных цепей. Информация о структуре белка записана в них в виде последовательностей нуклеотидов, причем каждую аминокислоту кодирует триплет нуклеотидов — кодон.

 рРНК представляют собой наиболее многочисленный тип РНК в клетке (до 80 °%). Они образуются в ядрышках и входят в состав клеточных органоидов — рибосом.

 тРНК — наименьшие из молекул РНК, так как содержат всего 73—85 нуклеотидов. Их доля от общего количества РНК клетки составляет около 16 °%. Функция тРНК — транспорт аминокислот к месту синтеза белка (на рибосомы). Вторичная структура молекулы тРНК напоминает листок клевера. На одном из концов молекулы находится участок для прикрепления аминокислоты, а в одной из петель — триплет нуклеотидов, комплементарный кодону иРНК и определяющий, какую именно аминокислоту будет переносить тРНК — антикодон (рис. 16).

Все типы РНК принимают активное участие в процессе реализации наследственной информации, которая с ДНК переписывается на иРНК, а на последней осуществляется синтез белка. тРНК в процессе синтеза белка доставляет аминокислоты к рибосомам, а рРНК входит в состав непосредственно рибосом.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) — это нуклеотид, содержащий, помимо азотистого основания аденина и остатка рибозы, три остатка фосфорной кислоты. Связи между остатками фосфорной кислоты — макроэргические (при расщеплении выделяется 42 кДж/ моль энергии, тогда как стандартная химическая связь при расщеплении дает 12 кДж/моль).

При необходимости макроэргическая связь АТФ расщепляется с образованием аденозиндифосфорной кислоты (АДФ), фосфорного остатка и выделением энергии:

АТФ + Н₂О → АДФ + H₃PO₄ + 42 кДж.

 АДФ также может расщепляться с образованием АМФ (аденозинмонофосфорной кислоты) и остатка фосфорной кислоты:

 АДФ + Н₂О → АМФ + H₃PO₄ + 42 кДж.

 В процессе энергетического обмена (при дыхании, брожении), а также в процессе фотосинтеза АДФ присоединяет фосфорный остаток и превращается в АТФ. Реакция восстановления АТФ называется фосфорилированием. АТФ является универсальным источником энергии для всех процессов жизнедеятельности живых организмов.

---

Это конспект по теме «Химический состав клетки». Выберите дальнейшие действия:

• Перейти к следующему конспекту: 
• Вернуться к списку конспектов по Биологии.
• Проверить знания по Биологии.