Лекция 3. Химическая организация клетки

В настоящее время в организме человека выявлено 86 элементов периодической системы Д.И.Менделеева. Среди этого количества 25 являются необходимыми для нормальной жизнедеятельности, из которых 18 абсолютно необходимы а 7 элементов полезны. На долю четырех химических элементов приходится около 98% массы клеток: кислород (65-75%), углерод (15-18%), водород (8-10%) и азот (1,5-3%). Все другие элементы разделяются на две большие группы: макроэлементы (около 1,9%) и микроэлементы (около 0,1%).

К макроэлементам относятся такие как калий, натрий, магний, кальций, железо, сера, фосфор, хлор; к микроэлементам – цинк, медь, йод, фтор, марганец, селен, кобальт, молибден, стронций, никель, хром и некоторые другие. Роль микроэлементов исключительно важна в регуляции обмена веществ, без них невозможна нормальная жизнедеятельность и клетки, и организма в целом.

В состав клеток входят органические и неорганические вещества. Все клетки в основном состоят из воды, на долю которой приходится 70-80% массы. Вода представляет собой универсальный растворитель, именно в водной среде происходит большая часть внутри- и межклеточных биохимических реакций.Процессы теплообразования и теплоотдачи также осуществляются в клетке с использованием воды. Содержащиеся в клетке вещества разделяются на две большие группы по растворимости в воде: гидрофильные (растворяющиеся в воде) – это соли, основания, кислоты,белки, углеводы, спирты), и гидрофобные (не растворяющиеся в воде) – это жиры и жироподобные вещества. Большая группа веществ с высокой молекулярной массой может обладать как гидрофильными, так и гидрофобными свойствами. Такие вещества называют амфипатическими. Вещества с амфипатическими свойствами – например фосфолипиды, образующие клеточные мембраны, нуклеиновые кислоты, входящие в состав хромосом и др.

Неорганические вещества – соли, кислоты, основания, положительные и отрицательные ионы, составляют 1-1,5% массы клетки. Роль неорганических веществ весьма велика и разнообразна в клетке и организме в целом. При дальнейшем изложении курса неорганические вещества и ионы будут неоднократно упоминаться в связи со структурой и функцией большинства систем организма человека.

В спектре органических веществ преобладают белки – 10-20% массы, жиры (липиды) –1-5%,углеводы-0,2-2,0, нуклеиновые кислоты – 1-2%. В основном это высокомолекулярные соединения, молекулярная масса которых превышает 20000 дальтон (единица массы веществ, равная 1/ 12 массы атома углерода). Содержание низкомолекулярных веществ в клетке не превышает 0,5%.

Молекула белка представляет собой полимер, который состоит из большого числа повторяющихся единиц – мономеров.Мономерами белка служат аминокислоты,которых известно 20.

Рис.16 Структурная формула аминокислоты

В пространственном изображении некоторые аминокислоты выглядят так:

.

аланин глутамин валин

Рис.17 Пространственные формулы некоторых аминокислот.

В составе белковой молекулы аминокислоты соединены между собой пептидными связями, образуя таким образом полипептидную цепь.Такая полипептидная цепь образует первичную структуру белка.Цепь закручивается в спираль, которая представляет собой уже вторичную структуру белка.За счет особой пространственной ориентации цепи возникает третичная структура белка, определяющая его специфичность и биологическую активность. Несколько третичных структур могут объединяться и образовывать четвертичную структуру белка.

Рис.18 Модель типичной белковой молекулы

Рис 19. Уровни организации белковой молекулы.

В организме белки выполняют важнейшие функции. Большая часть белков обладает ферментативными свойствами, т.е. они увеличивают скорость химических реакций в клетке во много сотен и даже миллионов раз. Белки входят в состав практически всех клеточных структур клеток, выполняя строительную (пластическую) функцию. Кроме того, двигательная активность клеток также обеспечивается белковыми молекулами, такими как актин, миозин, динеин. С помощью белков осуществляется транспорт веществ в клетку и из нее. Защитная (иммунологическая) функция в организме осуществляется также специальными белками, называемыми антителами. Белки также являются эффективными источниками энергии для клеток.

К липидам относятся жиры и жироподобные вещества. Это большая группа веществ с плохой растворимостью в воде (гидрофобность) и хорошей растворимостью в жирах (свойство липофильности). Молекулы липидов построены из глицерина и жирных кислот.

Рис.20 Пальмитиновая кислота Рис.21 Стеариновая кислота

К жироподобным веществам относятся такие, как холестерин, некоторые гормоны (стероидный ряд), лецитин и другие.Из липидов построены биологические мембраны клеток. Кроме того, липиды являются важным источником энергии для клеток. При полном окислении 1 г жира высвобождается 38,9 кДж энергии, тогда как при окислении 1 г белка или углевода освобождается лишь 17,6 кДж.

Углеводы в животных клетках встречаются в виде моносахаридов и полисахаридов. Также, как и белки, полисахариды построены из мономеров – моносахаридов. Наиболее важными моносахаридами в клеточном метаболизме являются глюкоза (с шестью атомами углерода в кольце) и сахароза (пять атомов углерода).

Рис.22 Глюкоза Рис.23. Сахароза (пентоза)

Именно пентозы входят в состав нуклеотидов – полимерных молекул, состоящих из белковой части, углеводной и остатков фосфорной кислоты, из которых строятся высокомолекулярные носители генетической информации- нуклеиновые кислоты -ДНК и РНК( дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая кислоты).

Рис 24 Структурная формула нуклеотида

Рис 25.Пиримидиновые основания Рис 26 Пуриновые основания

Рис 27. Двойная спираль ДНК.

В процессе конечной сборки молекул ДНК и РНК нуклеотиды формируют полинуклеотидные цепи. В молекуле ДНК полинуклеотидных цепей две, причем они комплементарны друг другу; т.е. нуклеотиды каждой из цепей взаимодействуют также и между цепями, характерным образом создавая сложную пространственную конфигурацию молекулы ДНК. Причем, между цепями пурины взаимодействуют только с пиримидинами, т.е. аденин(А) взаимодействует с тимином (Т), а гуанин (Г) с цитозином (Ц).

Рис 28. Пары пуринов и пиримидинов, объединяющие две полинуклеотидные цепочки в ДНК.

В молекуле РНК вместо пиримидина тимина имеется пиримидин урацил.

Моносахариды хорошо растворяются в воде а полисахариды – плохо. Весьма важными полисахаридами в животных клетках является гликоген, в растительных – крахмал и целлюлоза. Углеводы являются источниками энергии для клеток. Они входят в состав комплексных соединений с белками и липидами, формируя клеточные каркасы, мембранные комплексы в виде рецепторов клеточного взаимодействия.

Наиболее существенной для энергетического обеспечения жизнедеятельности клеток в животном и растительном мире является АТФ - аденозин-трифосфорная кислота(более подробно см. главу по клеточной биоэнергетике)