Понятие о неорганических соединениях клетки: воде и минеральных солях.
Многие элементы в клетке содержатся в виде ионов. Из катионов важны К+, Na+, Са2+, Mg2+, а из анионов H2PO4-, Cl- и НСОЗ- Содержание катионов и анионов в клетке обычно значительно отличается от содержания их в среде обитания клетки. В частности, концентрация К + внутри клетки очень высокая, а Na+ - низкая. Напротив, в окружающей клетку среде (крови, морской воде) очень мало К+ и довольно высока концентрация Na +. Например, в мышечных клетках содержание К + в 30 раз выше, чем в крови, и, наоборот, содержание Na + в 10 раз ниже, чем в окружающей среде. Пока клетка жива, эти различия в концентрации К + и N а + между клеткой и межклеточной средой стойко удерживаются. От концентрации солей внутри клетки зависят буферные свойства цитоплазмы. Буферностью называют способность клетки сохранять определенную концентрацию водородных ионов (рН). В клетке поддерживается слабощелочная реакция (рН 7,2).
Среди веществ клетки на первом месте по массе стоит вода. Содержание воды в разных клетках отличается, в большинстве случаев вода составляет более 2/3 массы клетки. Высокое содержание воды в клетке - важнейшее условие ее деятельности. При потере большей части воды многие организмы гибнут, а ряд одноклеточных и даже многоклеточных организмов временно утрачивает все признаки жизни. Такое состояние называется анабиозом. После увлажнения клетки пробуждаются и становятся вновь активными.
Молекула воды электронейтральна. Но электрический заряд внутри молекулы распределен неравномерно: в области протонов водорода преобладает положительный заряд, в области, где расположен кислород, выше плотность отрицательного заряда. Следовательно, частица воды - это диполь. Дипольным свойством молекулы воды объясняется способность ее ориентироваться в электрическом поле, присоединяться к различным молекулам и участкам молекул, несущим заряд. В результате этого образуются гидраты.
Способностью воды образовывать гидраты обусловлены ее универсальные растворяющие свойства. Если энергия притяжения молекул воды к молекулам какого-либо вещества больше, чем энергия притяжения между молекулами воды, то вещество растворяется. В зависимости от этого различают гидрофильные (греч. hydr6s - вода и phileo - люблю) вещества, хорошо растворимые в воде (например, соли, щелочи, кислоты и др.), и гидрофобные (греч. hydrоs - вода и phоbos - боязнь) вещества, трудно или вовсе не растворимые в воде (жиры, жироподобные вещества, каучук и др.).
Большинство реакций, протекающих в клетке, могут идти только в водном растворе. Вода - непосредственный участник многих реакций. Например, расщепление белков, углеводов и других веществ происходит в результате катализируемого ферментами взаимодействия их с водой. Такие реакции называются реакциями гидролиза.
В клетках и тканях различают две формы воды - свободную и связанную. Свободная - обладает достаточной подвижностью и участвует в основном в транспорте веществ в организме. Связанная может формировать гидратные оболочки ионов и молекул, образовывать коллоидные растворы белков.
Вода обладает большой теплоемкостью за счет водородных связей. Это сводит к минимуму происходящие в ней температурные изменения. Благодаря этому биохимические процессы протекают в меньшем интервале температур и с более постоянной скоростью.
Вода обладает большой теплотой испарения, т. е. испарение сопровождается охлаждением. Это явление используется, например, у животных при потоотделении и у растений при транспирации. Эти свойства делают воду идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия клетки и организма.
Вода - основная среда для протекания биохимических реакций клетки. Она источник кислорода, выделяемого при фотосинтезе, и водорода, который используется для восстановления продуктов ассимиляции углекислого газа.
Вода - основное средство передвижения веществ в организме (ток крови и лимфы, восходящие и нисходящие токи растворов по сосудам у растений) и в клетке.
Вода играет важную роль в осмотическом поступлении веществ в клетку и организм и в поддержании тургoра.
УГЛЕВОДЫ И ЛИПИДЫ, СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ
План лекции:
1. Определение, структура, содержание углеводов.
2. Классификация углеводов
3. Функции углеводов.
4. Определение, структура, содержание жиров.
5. Функции липидов.
1.Определение, структура, содержание углеводов.
УГЛЕВОДЫ- органические вещества, в состав которых входят углерод, кислород и водород. При этом соотношение двух последних элементов аналогично соотношению их в молекуле воды, т. е. на два атома водорода приходится один атом кислорода. Общая формула углеводов такова: Сп(Н2О)п (где п - не меньше трех). В животной клетке углеводы находятся в количестве, не превышающем 2-5%. Наиболее богаты углеводами растительные клетки, где их содержание в некоторых случаях достигает 90% сухой массы (например, в клубнях картофеля, семенах и т. д.).
Классификация углеводов
МОНОСАХАРИДЫ(простые сахара). Состоят они из одной молекулы. Это твердые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, сладкие на вкус. В зависимости от числа углеродных атомов, входящих в молекулу углевода, различают:
ТРИОЗЫ- моносахариды, содержащие 3 атома углерода; в живых организмах важное значение имеют, например, глицерин и его производные (молочная кислота, пировиноградная кислота).
ТЕТРОЗЫ - 4 атома углерода; в процессах жизнедеятельности наиболее важна эрuтроза. Этот сахар в растениях - один из промежуточных продуктов фотосинтеза. Уже на уровне тетроз происходит образование кольцевых молекул углеводов.
ПЕНТОЗЫ - 5 атомов углерода; Эта группа углеводов включает такие важные вещества, как рuбоза и дезоксuрuбоза - сахара, входящие в состав мономеров нуклеиновых кислот - РНК и ДНК.
ГЕКСОЗЫ- 6 атомов углерода. Из гексоз наиболее широко распространены глюкоза, фруктоза и галактоза. Их общая формула C6H1206.
Глюкоза - виноградный сахар в свободном состоянии встречается как в растениях, так и в животных организмах. Она входит в состав полисахаридов. Глюкоза - первичный и главный источник энергии для клеток. Она обязательно находится в крови. Снижение ее количества в крови влечет за собой немедленное нарушение жизнедеятельности нервных и мышечных клеток, иногда сопровождаемое судорогами или обморочным состоянием. Уровень содержания глюкозы в крови регулируется сложным механизмом работы нервной системы и желез внутренней секреции. Глюкоза входит в структуры почти всех клеток органов и тканей, регулирует осмотическое давление. (Осморегуляцuя - процесс, обеспечивающий относительное постоянство концентрации активных веществ во внутренней среде клетки, в организме.)
Фруктоза в большом количестве в свободном виде встречается в плодах, поэтому ее часто называют плодовым сахаром. Особенно много фруктозы в меде, сахарной свекле, фруктах. Путь распада фруктозы в организме короче, чем глюкозы, что имеет важное значение при питании больного сахарным диабетом, когда глюкоза очень слабо усваивается клетками.
Галактоза - пространственный изомер глюкозы. Она входит в состав лактозы - молочного сахара, а также некоторых полисахаридов. Галактоза в печени и других органах превращается в глюкозу.
ПОЛИСАХАРИДЫНесколько молекул моносахаридов, соединяясь между собой с выделением воды, образуют молекулу полисахарида. Поэтому полисахариды относятся к полимерам. Ди-, три- и тетрасахариды составляют группу полисахаридов первого порядка, или олигосахаридов. Более сложные углеводы, содержащие в молекуле значительно большее количество остатков простых сахаров, называются полисахаридами второго порядка. Это сложные вещества с очень большой молекулярной массой.
Полисахариды первого порядка (олигосахариды).Из олигосахаридов нас особенно интересуют дисахариды. К ним относятся сахароза, лактоза и мальтоза.
Сахароза - тростниковый или свекловичный сахар; общая формула C12H22011. Сахароза состоит из остатков глюкозы и фруктозы. Чрезвычайно широко распространена в растениях (семена, ягоды, корни, клубни, плоды). Играет большую роль в питании многих животных и человека. Очень легко растворима в воде.
Лактоза - молочный сахар, имеет в составе глюкозу и галактозу. Этот дисахарид находится в молоке и является основным источником энергии для детенышей млекопитающих.
Мальтоза - основной структурный элемент крахмала и гликогена. Состоит из двух молекул глюкозы. Под действием фермента мальтоза гидролизуется с образованием двух молекул глюкозы.
Полисахариды второго порядка.Это высокомолекулярные углеводы, состоящие из большого числа моносахаридов. Как и предыдущая группа углеводов, полисахариды второго порядка могут гидролизоваться до моносахаридов.
В функциональном отношении различают полисахариды резервного и структурного назначения. Типичные резервные полисахариды - крахмал и гликоген. К структурным полисахаридам относят клетчатку (целлюлозу).
Крахмал - резервный полисахарид растений; содержится в большом количестве в клубнях картофеля, плодах, семенах. Находится в виде зернышек слоистого строения, нерастворимых в холодной воде. В горячей воде крахмал образует коллоидный раствор, называемый в быту крахмальным клейстером. Количество остатков глюкозы в молекуле крахмала исчисляется несколькими тысячами.
Гликоген — резервный полисахарид животных и человека, а также в грибов, дрожжей и т. д. В значительных количествах накапливается в печени, мышцах, сердце и других органах. Является поставщиком глюкозы в кровь. По структуре напоминает крахмал, но разветвлен сильнее. Молекула гликогена состоит примерно из 30000 остатков глюкозы.
Клетчатка (целлюлоза) - главный структурный полисахарид клеточных оболочек растений. В ней аккумулировано около 50% всего углерода биосферы. Клетчатка нерастворима в воде, она лишь набухает в ней. Молекула целлюлозы представляет собой не разветвленную вытянутую цепочку моносахаридов. Множество линейных молекул целлюлозы уложено параллельно; они связаны в пучки водородными связями. Этим определяется прочность растительных волокон.
Полисахариды можно подразделить на гомо- и гетерополисахариды. Гомоnолuсахарuды имеют в своем составе моносахариды только одного вида. Например, крахмал и гликоген построены только из молекул глюкозы. Гетероnолuсахарuды представляют собой полимеры, построенные из моносахаридов различных типов и их производных. В живых организмах встречаются комплексы углеводов с белками (гликопротеиды) и жирами (гликолипиды). Они выполняют различные функции
3. Функции углеводов.
Энергетическая функция. Углеводы служат основным источником энергии для организма.
Структурная функция. Во всех без исключения тканях и органах обнаружены углеводы и их производные. Они входят в состав оболочек клеток и субклеточных образований. Принимают участие в синтезе многих важнейших веществ. В растениях полисахариды выполняют и опорную функцию.
Функция запаса питательных веществ. В организме и клетке углеводы обладают способностью накапливаться в виде крахмала у растений и гликогена у животных. Крахмал и гликоген представляют собой запасную форму углеводов и расходуются по мере возникновения потребности в энергии. При полноценном питании в печени может накапливаться до 10% гликогена, а при голодании его содержание может снижаться до 0,2 % массы печени.
Защитная функция. Вязкие секреты (слизи), выделяемые различными железами, богаты углеводами и их производными, в частности гликопротеидами. Они предохраняют стенки полых органов (пищевод, кишки, желудок, бронхи) от механических повреждений, проникновения вредных бактерий и вирусов.
4. Определение, структура, содержание жиров.
ЛИПИДЫ (греч. lipos- жир) - органические соединения с различной структурой, но общими свойствами. Объединяют жиры и жироподобные вещества. Они нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях: эфире, бензине, хлороформе и др. Липиды очень широко представлены в живой природе и играют чрезвычайно важную роль в клетке и организме. Содержание жира в клетках обычно не велико и составляет 5-15% от сухой массы. Существуют, однако, клетки, содержание жира в которых достигает почти 90% от сухой массы. Эти наполненные жиром клетки имеются в жировой ткани.
По химической структуре жиры представляют собой сложные соединения трехатомного спирта глицеринa и высокомолекулярных жирных кислот.
ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ делятся на две группы: насыщенные, т. е. не содержащие двойных связей, и ненасыщенные, или неnредельные, содержащие двойные связи. К насыщенным кислотам принадлежат пальмитиновая и стеариновая кислоты, а к ненасыщенным – олеиновая. Растительные жиры или масла богаты непредельными жирными кислотами, поэтому они являются легкоплавкими - жидкими при комнатной температуре. Например, в оливковом масле глицерин связан с остатками олеиновой кислоты. Животные жиры при комнатной температуре твердые, так как содержат главным образом насыщенные жирные кислоты. Например, говяжье сало состоит из глицерина и насыщенных патльмитиновой и стеариновой кислот.
Из формулы жира видно, что его молекула, с одной стороны, содержит остаток глицерина - вещества, хорошо растворимого в воде, а с другой стороны - остатки жирных кислот, углеводородные цепочки которых практически нерастворимы в воде. При нанесении капли жира на поверхность воды в сторону воды обращена глицериновая часть молекулы жира, а из воды «торчат» вверх цепочки жирных кислот. Тончайший слой этих веществ, входящих в состав клеточных мембран, препятствует смешиванию содержимого клетки или отдельных ее частей с окружающей средой.
ЖИРОПОДОБНЫЕ ВЕЩЕСТВА
фосфолunuды - это тоже сложные соединения глицерина и жирных кислот. От настоящих жиров они отличаются тем, что содержат остаток фосфорной кислоты, к которой присоединены азотсодержащие органические соединения. Фосфолипиды – основные компоненты мембран клеток.
глuколuпuды, состоят из углеводов и липидов. Особенно их много в составе ткани мозга и нервных волокон.
лuпопротеuды, представляющие собой комплексные соединения различных белков с жирами.
5. Функции липидов.
Структурная. Липиды принимают участие в построении мембран клеток всех органов и тканей. Они участвуют в образовании многих биологически важных соединений.
Энергетическая. Липиды обеспечивают 25-30% всей энергии, необходимой организму. При полном распаде 1 г жира выделяется 38,9 кДж энергии, что примерно в 2 раза больше по сравнению с углеводами и белками.
Функция запасания питательных веществ. Жиры являются своего рода «энергетическими консервами». Жировыми депо могут быть и капли жира внутри клетки, и «жировое тело» у насекомых, и подкожная клетчатка, в которой сосредоточены жировые клетки-липоциты у человека.
Функция терморегуляции. Жиры плохо проводят тепло. Они откладываются под кожей, образуя у некоторых животных огромные скопления. Например, у кита слой подкожного жира достигает 1 м. Это позволяет теплокровному животному жить в холодной воде полярного океана.
Функция эндогенной воды: при окислении 100 г жира выделяются 107 мл воды. Благодаря такой воде существуют многие пустынные животные, например песчанки, тушканчики, с этим связано и накопление жира в горбах у верблюда.
Защитная функция. Слой жира защищает нежные органы от ударов и сотрясений (например, околопочечная капсула, жировая подушка около глаза). Жироподобные соединения покрывают тонким слоем листья растений, не давая им намокать во время обильных дождей.
Регуляторная функция. Например, к липидам относятся половые гормоны человека и животных: зстрадuол (женский) и тестостерон (мужской). Из ненасыщенных жирных кислот в клетках человека и животных синтезируются такие регуляторные вещества, как nростагландuны. Они обладают широким спектром биологической активности: регулируют сокращение мускулатуры внутренних органов, поддерживают тонус сосудов; регулируют функции различных отделов мозга, например центры теплорегуляции.
БЕЛКИ,
СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ.
План лекции:
1. Биополимеры.
2. Строение белковой молекулы.
3. Уровни организации белковой молекулы..
4. Функции белков.
Биополимеры.
Многие органические соединения, входящие в состав клетки, характеризуются большим размером молекул - их называют макромолекуламu (греч. тзсгоs - большой). Такие молекулы обычно состоят из повторяющихся, сходных по структуре низкомолекулярных соединений - мономеров (греч. monos - один), ковалентно связанных между собой. Образованная мономерами макромолекула называется полимером (греч. Poly - много).
Виды полимеров: Регулярные - построены из одинаковых мономеров (если мономер обозначить буквой А, то полимер будет выглядеть так А-А-А-А-А...А). Нерегулярные - полимеры, в которых нет определенной закономерности в последовательности мономеров(А-Б-В-Б-А-В...)
Оказалось, что перестановка и новые сочетания нескольких типов мономеров в длинных полимерных цепях обеспечивают построение множества их вариантов и определяют различные свойства макромолекул.
После удаления воды из клетки в сухом остатке на первом месте по содержанию стоят белки. Они составляют 10-20% от сырой массы и 50-80% от сухой массы клетки. Белки называют также протеинами (греч. protos - первый, главный).
2. Строение белковой молекулы.
Белки - это нерегулярные полимеры, мономерами которых являются аминокислоты.В состав большинства белков входят 20 разных аминокислот. В каждой из них содержатся одинаковые группировки атомов: аминогруппа -NH2 и карбоксильная группа -СООН Участки молекул, лежащие вне амино- и карбоксильной групп, которыми отличаются аминокислоты, называются радикалами (R).
В клетке находятся свободные аминокислоты, составляющие аминокислотный фонд, за счет которого происходит синтез новых белков. Этот фонд пополняется аминокислотами, постоянно поступающими в клетку вследствие расщепления белков пищи пищеварительными ферментами или собственных запасных белков.
Соединение аминокислот происходит через общие для них группировки: аминогруппа одной аминокислоты соединяется с карбоксильной группой другой аминокислоты, при соединении их выделяется молекула воды. Между соединившимися аминокислотами возникает связь называемая пептидной, а образовавшееся соединение нескольких аминокислот называют nеnтидом. Соединение из большого числа аминокислот называют nолunеnтuдом. Белок может представлять собой один или несколько полипептидов.
В состав большинства белков входит 300-500 аминокислотных остатков, но есть и более крупные белки, состоящие из 1500 и более аминокислот.