Раздел 1

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА

1.2. Молекулярно-генетический и клеточный уровни организации жизни

1.2.2. Структурно-химическая и функциональная организация клеток еукаріотичних

1.2.2.2. Макро и микроэлементы, значение воды и водородных связей в процессах жизнедеятельности клетки

Живая клетка содержит ограниченный набор химических элементов, причем шесть из них составляют более 99 % от ее общей массы: С, Н, N, О, Р, S. Из атомов этих элементов образованы практически все молекулы клеток различных организмов.

Все химические элементы, которые входят в состав клеток, можно разделить на четыре группы:

1. Органогенные - это кислород, водород, углерод и азот. их общее содержание составляет 95-98 %.

2. Макроэлементы - кальций, калий, фосфор, сера, кремний, натрий, хлор, магний, железо, которые содержатся в десятых долях процента.

3. Микроэлементы - кобальт, цинк, медь, мар

ганец, хром, бром, бор, йод, литий, радій. их содержание составляет около 0,01 %.

4. Ультрамикроэлементы - все остальные химические элементы, содержание которых менее 0,01 %.

Химические элементы выполняют много важных функций: входят в состав органических и неорганических соединений клетки, активируют деятельность целого ряда ферментов, создают разность потенциалов на био - мембранах и т.д.

Среди неорганических соединений важна роль принадлежит воде. ее содержание в большинстве клеток составляет 6070 %, а в некоторых клетках может достигать 90 % массы клетки. Большинство внутриклеточных реакций происходит в водном среде. Вода имеет уникальные физико-химические свойства: высокая температура кипения, плавления и испарения. Молекула воды состоит из двух атомов водорода, соединенных с атомом кислорода прочной ковалентной связью. Молекулам воды присущ полярный характер: на ее разных полюсах размещены положительный и отрицательный заряды (рис. 1.21). Благодаря этому две молекулы воды могут привлекаться за счет сил электростатического взаимодействия между частично отрицательным зарядом на атоме кислорода одной молекулы и положительным зарядом на атоме водорода другой. Такой тип связи называется водородным. Итак, уникальные свойства воды заключаются в полярном характере ее молекул, способности к образованию полярных связей и большом поверхностном натязі.

Рис. 1.21. Строение молекулы воды.

Вода выполняет много важных функций в клетке:

1) это хороший растворитель;

2) она определяет физические свойства клетки - объем, внутриклеточное давление;

3) вода является средой для химических реакций;

4) обеспечивает в клетке терморегуляцию (за счет высокой теплоемкости) и т.п.

Клетки построены из специфического и в то же время ограниченного набора одинаковых для всех видов живых существ больших молекул, содержащих углерод. Благодаря малым размерам и контента на внешний оболочке четырех электронов атом углерода может образовывать четыре крепкие ковалентные связи с другими атомами. Важна способность атомов углерода соединяться друг с другом в цепи, кольца и образовывать большие и сложные молекулы. Основные группы этих молекул являются относительно простыми углеводами, жирными кислотами, аминокислотами и нуклеотидами. Углеводы являются важнейшим источником энергии для клеток, они запасают ее, создают резервные полисахариды. Главная функция жирных кислот - образование клеточных мембран и участие в энергетическом обмене. Полимеры, построенные из аминокислот, представленные разнообразными и многофункциональными молекулами белков. Нуклеотиды играют главную роль в аккумуляции и переносе энергии (АТФ, НАД), однако основное значение заключается в потому, что они являются субъединицами информационных молекул ДНК и РНК.

Белки. Клетки в значительной степени состоят из белков, на которых приходится более половины массы сухого вещества клетки. Белки определяют структуру и форму клетки; кроме того, они являются рецепторами молекулярного распознавания и катализа. Белки непосредственно принимают участие в процессах обмена веществ и выполнении функций клеткой.

Белки построены из 20 различных аминокислот, каждая из которых имеет химическую индивидуальность. Комбинации из 20 аминокислот могут образовывать бесчисленное количество различных по структуре и функциями белков.

Белковые молекулы образуются за помощью пептидных связей между аминокислотами. Несколько аминокислот, соединенных пептидными связями, называют полипептидами.

Простые белки образованы только аминокислотами. В состав сложных белков могут входить липиды (ліпопроте'їди), углеводы (глікопротеіди). Многие ферменты содержат в активном центре вещества небелковой природы (коферменты). Уровни структурной организации белков приведены на рис. 1.22.

Рис. 1.22. Уровни структурной организации белков:

а - первичная структура; б - вторичная структура; в - третичная структура; г - четвертичная структура.

Аминокислотная последовательность белковой молекулы определяет ее пространственную структуру. Структура поли - пептидной цепи стабилизируется нековалентни

Органические соединения - углеродсодержащие вещества живых организмовмы взаимодействиями между ее частями. Аминокислоты группируются внутри молекулы, а возникновение локальных водородных связей между пептидными группами приводит к образование ос-спиралей.

В зависимости от формы, белки могут быть фібршіярними и глобулярними. Фибриллярные - длинные, удлиненные, довольно стабильные, плохо растворимые в воде. Некоторые имеют способность к сокращению, например, актин, миозин. Большинства белков свойственна глобулярна структура. Они имеют вид сферы и хорошо растворимые в воде, например, гемоглобин, альбумин, большинство ферментов. Классификация белков приведены в табл. 1.3.

Таблица 1.3. Классификация белков по их функциям

Функции белков. Функции белка определяются химическим строением и физико-химическими свойствами поверхности. Специфические места на поверхности белка или внутри, образованные закономерно расположенными аминокислотными остатками, формируют центры специфического связывания других веществ и определяют функцию того или иного белка. Основные функции белков: а) каталитическая - ферменты в тысячи раз ускоряют химическую модификацию молекул-субстратов, обеспечивающие все основные функции клетки; 6) регуляторная - гормоны белковой природы принимают участие в регуляции и координации многих метаболических и физиологических процессов живых организмов; в) структурная - белки обеспечивают образование всех элементов клеток и организма: органелл, мембран, тканей, органов, а также структурное связь между ними; г) защитная - белки защищают организм, создают его защитные покровы, оболочки органов и клеток, образующих антитела, регулируют рН; д) рецепторная - белки распознают сигналы, поступающие из внешней среды, преобразуют их и передают в необходимый отдел организма; е) транспортная функция заключается в способности отдельных белков переносить вещества к месту использования. Например, переносчик различных веществ через биомембраны, а также цитоскелет - гемоглобин; ж) двигательная функция обеспечивается мышечными белками: актином, міозином и другими, из которых состоят мышечные ткани; с) энергетическая роль связана с возможностью использования органических молекул белков в энергетическом обмене. В результате их разрушения образуется АТФ.

Нуклеиновые кислоты. Нуклеиновые кислоты - уникальные молекулы, необходимые каждой клетке для сохранения и передачи генетической информации. Нуклеиновые кислоты обеспечивают процессы синтеза белков, а этим, в свою очередь, определяется характер обмена веществ, закономерности роста и развития, явления наследственности и изменчивости.

Есть две основные группы нуклеиновых кислот: ДНК и РНК (рис. 1.23). Они отличаются химическим строением и биологическими свойствами. Детально строение и функции нуклеиновых кислот представлено в разделе 1.2.3.1.

Рис. 1.23. Две основные группы нуклеиновых кислот.

Углеводы. Углеводы - это органические вещества, мжль общую формулу С_х(Н₂О)_в, где х и у могут милл разные значения. их разделяют на три основных класса: моносахариды, дисахариды, полисахариды.

Глюкоза является наиболее важным моносахаридом в живых системах, ключевым звеном энергетического обмена и структурным мономером полисахаридов. Другие важные моносахариды: фруктоза, галактоза, рибои др. Моносахариды хорошо растворимые в воде и диффундируют в цитоплазму через клеточные мембраны. Основная функция - источник энергии для различных метаболических процессов. В результате последовательных реакций окиснюван - ния гексози превращаются в конечном итоге на СО₂ и Н₂О. Суммарное уравнение реакции:

Энергия, которая высвобождается, генерируется и запасается в виде двух соединений - АТФ и НАДФ. Моносахариды могут путем трансаминирования превращаться в некоторые аминокислоты. Они также образуют субстраты для синтеза жиров.

Наиболее важными являются дисахаридами мальтоза (образована двумя молекулами глюкозы), сахароза (состоит из глюкозы и фруктозы) и лактоза (состоит из глюкозы и галактозы). их основная функция - источник энергии для клетки.

Полисахариды построены из повторяющихся молекул глюкозы. В клетках животных это гликоген, в растительных - крахмал. Основная функция - запасают большое количество энергии. Некоторые полисахариды связываются с белками и образуют гликопротеины.

Липиды. Это нерастворимые в воде органические вещества клетки, которые можно изъять только органическими растворителями. Химически очень разнообразная группа, но практически все они являются сложными эфирами жирных кислот и спирта. Большая часть липидов клетки - это сложные эфиры органических кислот и спирта глицерола (глицерина). Все липиды являются высококалорийным источником энергии клетки.

Основным компонентом многих видов липидов являются жирные кислоты. Это карбоновые кислоты с длинными углеводородными "хвостами", например, пальмитиновая кислота:

Различные виды жирных кислот отличаются количеством углеродных звеньев и ненасыщенных связей. Жирные кислоты, связываясь с глицерином, образуют три - ацилгліцероли (триглицериды) и в таком виде сохраняются в качестве энергетического резерва (жир).

В фосфолипидах две ОН-группы связаны с жирными кислотами, а одна ОН-группа - с фосфатом.

Жирные кислоты и фосфолипиды имеют гидрофобный хвостик и полярную головку. Важнейшая функция жирных кислот - участие в построении клеточных мембран. В воде они образуют липидные бішари, самоорганизованные и составляют основу всех мембран клетки.