Химический состав клеток

Макроэлементы, их роль в клетке. В клетках разных организмов обнаружено около 70 элементов периодической системы элементов Д. И. Менделеева, но лишь 24 из них имеют вполне установленное значение и встречаются постоянно во всех типах клегок.

Наибольший удельный вес в элементном составе клетки приходится на кислород, углерод, водород и азот. Это так называемые основные, или биогенные, элементы. Атомы этих элементов образуют молекулы всех органических веществ клеток; на их долю приходится более 95% массы клеток, причем относительное содержание элементов в живом веществе намного выше, чем в земной коре. К главным элементам органических молекул относятся также фосфор и сера.

Жизненно важными являются, кроме того, кальций, магний, калий, натрий и хлор (в клетках животных) , входящие в состав клетки в виде ионов. Их содержание в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента. Перечисленные элементы составляют группу макроэлементов.

Ионы кальция принимают участие в регуляции ряда клеточных процессов, в том числе мышечного сокращения и других двигательных функций, а также в свертывании крови. Нерастворимые соли кальция участвуют в формировании костей и зубов, карбонат кальция - в образовании раковин моллюсков, укреплении оболочек клеток некоторых видов растений. Концентрация ионов магния важна для поддержания целостности и функционирования рибосом. Кроме того, магний входит в состав хлорофилла и поддерживает нормальную работу митохондрий.

Ионы калия и натрия участвуют в поддержании определенной ионной силы и создании буферной среды, регулируют осмотическое давление в клетке, обусловливают нормальный ритм сердечной деятельности, обеспечивают передачу нервного импульса. Хлор в виде анионов участвует в создании солевой среды животных организмов (для растений хлор является микроэлементом) и, кроме того, иногда входит в состав органических соединений.

Микроэлементы, их роль в клетке. Другие химические элементы - медь, марганец, железо, кобальт, цинк, а также (для некоторых организмов) бор, фтор, хром, селен, алюминий, кремний, молибден и иод -- содержатся в небольших количествах (не более 0,01% массы клеток) . Они относятся к группе микроэлементов.

Процентное содержание в организме того или иного элемента никоим образом не характеризует степень его важности и необходимости в организме. Кобальт, например, входит в состав витамина В12, иод - в состав гормонов тироксина и тиронина, а медь - в состав ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные процессы; кроме того, медь участвует в переносе кислорода в тканях моллюсков. Железо является составной частью комплексов, выполняющих ряд жизненно важных функций. К ним относятся, например, гем гемоглобина, некоторые ферменты и переносчики электронов (цитохром С) .

Значительное число ферментов с разнообразным механизмом действия содержат ионы цинка, марганца, кобальта и молибдена.

Кремний встречается у диатомовых водорослей, хвощей, губок и моллюсков. В хрящах и связках позвоночных животных его содержание может достигать нескольких сотых долей процента.

Бор влияет на рост растений, фтор входит в состав эмали зубов и костей.

Сегодня обнаружено и выделено в чистом виде много химических элементов таблицы Менделеева, а пятая их часть встречается в каждом живом организме. Они, подобно кирпичикам, являются главными составляющими органических и неорганических веществ.

Какие химические элементы входят в состав клетки, по биологии каких веществ можно судить об их наличии в организме - все это мы рассмотрим далее в статье.

Что такое постоянство химического состава

Для соблюдения стабильности в организме каждая клетка должна поддерживать концентрацию каждой своей составляющей на постоянном уровне. Этот уровень определяется видовой принадлежностью, средой обитания, экологическими факторами.

Чтобы ответить на вопрос, какие химические элементы входят в состав клетки, необходимо четко понимать, что в составе любого вещества находятся какие-либо из составляющих таблицы Менделеева.

Порой идет речь о сотых и тысячных долях процента содержания определенного элемента в клетке, но при этом изменение названного числа хотя бы на тысячную часть уже может нести серьезные последствия для организма.

Из 118 химических элементов в клетке человека должно быть как минимум 24. Нет таких составляющих, которые встречались бы в живом организме, но не входили в состав неживых объектов природы. Этот факт подтверждает тесную связь между живым и неживым в экосистеме.

Роль различных элементов, входящих в состав клетки

Так какие химические элементы входят в состав клетки? Их роль в жизнедеятельности организма, следует заметить, напрямую зависит от частоты встречаемости и концентрации их в цитоплазме. Однако, несмотря на разное содержание элементов в клетке, значимость каждого из них в равной степени высока. Дефицит любого из них может привести к пагубному воздействию на организм, отключив из метаболизма важнейшие биохимические реакции.

Перечисляя, какие химические элементы входят в состав клетки человека, нужно упомянуть три основных вида, которые мы рассмотрим далее:

Основные биогенные элементы клетки

Неудивительно, что элементы О, С, Н, N относятся к биогенным, ведь именно они образуют все органические и многие неорганические вещества. Невозможно представить белки, жиры, углеводы или нукленовые кислоты без этих важнейших для организма составляющих.

Функция этих элементов определила их высокое содержание в организме. На их долю в совокупности приходится 98% от всей сухой массы тела. В чем еще может проявляться активность этих ферментов?

1. Кислород. Его содержание в клетке около 62% от общей сухой массы. Функции: построение органических и неорганических веществ, участие в цепи дыхания;
2. Углерод. Его содержание достигает 20%. Основная функция: входит в состав всех ;
3. Водород. Его концентрация принимает значение в 10%. Кроме того, что этот элемент является составляющей органических веществ и воды, он также учавствует в преобразованиях энергии;
4. Азот. Количество не превышает 3-5%. Его основная роль - это образование аминокислот, нуклеиновых кислот, АТФ, многих витаминов, гемоглобина, гемоцианина, хлорофилла.

Вот какие химические элементы входят в состав клетки и образуют большинство необходимых для нормальной жизнедеятельности веществ.

Значение макроэлементов

Макроэлементы также помогут подсказать, какие химические элементы входят в состав клетки. Из курса биологии становится понятно, что, кроме основных, 2% сухой массы составляют другие составляющие периодической таблицы. И к макроэлементам относятся те из них, содержание которых не ниже 0,01%. Их основные функции представлены в виде таблицы.

Кальций (Са)		Отвечает за сокращение мышечных волокон, входит в состав пектина, костей и зубов. Усиливает свертываемость крови.
Фосфор (Р)		Входит в состав важнейшего источника энергии - АТФ.
		Участвует в образовании дисульфидных мостиков при сворачивании белка в третичную структуру. Входит в состав цистеина и метионина, некоторых витаминов.
		Ионы калия участвуют в клетки, а также влияют на потенциал мембраны.
		Главный анион организма
Натрий (Na)		Аналог калия, участвующий в тех же процессах.
Магний (Mg)		Ионы магния - это регуляторы процесса В центре молекулы хлорофилла также распологается атом магния.
		Участвует в транспорте электронов по ЭТЦ дыхания и фотосинтеза, является структурным звеном миоглобина, гемоглобина и многих ферментов.

Надеемся, из перечисленного несложно определить, какие химические элементы входят в состав клетки и относятся к макроэлементам.

Микроэлементы

Есть и такие составляющие клетки, без которых организм не может нормально функционировать, однако их содержание всегда меньше 0,01%. Давайте определим, какие химические элементы входят в состав клетки и относятся к группе микроэлементов.

		Входит в состав ферментов ДНК- и РНК-полимераз, а также многих гормонов (например, инсулин).
		Участвует в процессах фотосинтеза, синтеза гемоцианина и некоторых ферментов.
		Является структурной составляющей гормонов Т3 и Т4 щитовидной железы
Марганец (Mn)	менее 0,001	Входит в состав ферментов, костей. Участвует в азотфиксации у бактерий
	менее 0,001	Влияет на процесс роста растений.
		Входит в состав костей и эмали зубов.

Органические и неорганические вещества

Кроме перечисленных, еще какие химические элементы входят в состав клетки? Ответы можно найти, просто изучив строение большинства веществ организма. Среди них выделяют молекулы органического и неорганического происхождения, и каждая из этих групп имеет в составе фиксированный набор элементов.

Основные классы органических веществ - это белки, нуклеиновые кислоты, жиры и углеводы. Они построены полностью из основных биогенных элементов: скелет молекулы всегда образован углеродом, а водород, кислород и азот входят в состав радикалов. У животных доминирующим классом являются белки, а у растений - полисахариды.

Неорганические вещества - это все минеральные соли и, конечно же, вода. Среди всей неорганики в клетке больше всего Н 2 О, в которой растворены остальные вещества.

Все сказанное выше поможет вам определить, какие химические элементы входят в состав клетки, и их функции в организме больше не будут для вас загадкой.

Все живые организмы, за исключением вирусов, состоят из клеток. Давайте же разберемся, что это такое и какова ее структура.

Что такое клетка?

Это основная структурная единица живых существ. У нее присутствует собственный обмен веществ. Клетка может существовать и как самостоятельный организм: примером этого являются инфузории, амебы, хламидомонады и т. д. Эта структура состоит из разнообразных веществ, как органических, так и неорганических. Все химические вещества клетки играют определенную функцию в ее строении и обмене.

Химические элементы

В составе клетки насчитывается около 70 различных химических элементов, но основными из них являются кислород, углерод, водород, калий, фосфор, азот, сера, хлор, натрий, магний, кальций, железо, цинк, медь. Первые три представляют собой основу всех органических соединений. Все химические элементы клетки играют определенную роль.

Кислород

Количество этого элемента составляет 65-75 процентов от массы всей клетки. Он входит в состав практически всех органических соединений, а также воды, этим и обусловлено такое высокое его содержание. Этот элемент выполняет очень важную функцию в клетках организмов: кислород служит в качестве окислителя в процессе клеточного дыхания, вследствие которого синтезируется энергия.

Углерод

Данный элемент, как и водород, содержится во всех органических веществах. В химический состав клетки входит его около 15-18 процентов. Углерод в виде СО принимает участие в процессах регуляции клеточных функций, также он в виде СО 2 участвует в фотосинтезе.

Водород

Данного элемента в клетке содержится приблизительно 8-10 процентов. Наибольшее его количество находится в молекулах воды. Клетками некоторых бактерий молекулярный водород окисляется для синтеза энергии.

Калий

В химический состав клетки входит около 0,15-0,4 % данного химического элемента. Он выполняет очень важную роль, участвуя в процессах генерации нервного импульса. Вот почему для укрепления нервной системы рекомендуется употреблять препараты с содержанием калия. Также этот элемент способствует поддержанию мембранного потенциала клетки.

Фосфор

Количество этого элемента в составе клетки равно 0,2-1 % от общего ее веса. Он входит в состав молекул АТФ, а также некоторых липидов. Фосфор присутствует в межклеточном веществе и в цитоплазме в виде ионов. Большая его концентрация наблюдается в клетках мышечной и костной ткани. Кроме того, неорганические соединения, включающие этот элемент, используются клеткой для синтеза органических веществ.

Азот

Этот элемент входит в химический состав клетки в количестве 2-3 %. Он содержится в белках, нуклеиновых кислотах, аминокислотах и нуклеотидах.

Сера

Она входит в состав многих белков, так как содержится в серосодержащих аминокислотах. В малой концентрации присутствует в цитоплазме и межклеточном веществе в виде ионов.

Хлор

Содержится в количестве 0,05-0,1 %. Поддерживает электронейтральность клетки.

Натрий

Этот элемент присутствует в составе клетки в количестве 0,02-0,03 %. Он выполняет те же функции, что и калий, а также принимает участие в процессах осморегуляции.

Кальций

Количество этого химического элемента составляет 0,04-2 %. Кальций участвует в процессе поддержания мембранного потенциала клетки и экзоцитоза, то есть выделения из нее наружу определенных веществ (гормонов, белков и т. д.)

Магний

В химический состав клетки входит 0,02-0,03 % этого элемента. Он принимает участие в энергетическом обмене и синтезе ДНК, является составляющей ферментов, хлорофилла, содержится в рибосомах и митохондриях.

Железо

Количество этого элемента составляет 0,01-0,015 %. Однако в эритроцитах его гораздо больше, так как он является основой гемоглобина.

Цинк

Содержится в инсулине, а также во многих ферментах.

Медь

Этот элемент является одной из составляющий окислительных ферментов, которые принимают участие в синтезе цитохромов.

Белки

Это самые сложные соединения в клетке, основные вещества, из которых она состоит. Они состоят из аминокислот, соединенных в определенном порядке в цепочку, а потом закрученных в клубок, форма которого специфична для каждого вида белка. Эти вещества выполняют множество важных функций в жизнедеятельности клетки. Одной из самых важных является ферментативная функция. Белки выступают в качестве природных катализаторов, ускоряя процесс химической реакции в сотни тысяч раз — расщепление и синтез каких-либо веществ невозможны без них. Каждый вид ферментов участвует только в одной определенной реакции и не может вступать в другую. Также белки выполняют защитную функцию. Вещества этой группы, охраняющие клетку от попадания в нее чужеродных белков, называются антителами. Эти вещества также защищают от болезнетворных вирусов и бактерий весь организм в целом. Кроме того, эти соединения выполняют транспортную функцию. Она заключается в том, что в мембранах существуют белки-транспортеры, которые переносят наружу или внутрь клетки определенные вещества. Пластическая функция этих веществ также очень важна. Они являются основным строительным материалом, из которого состоит клетка, ее мембраны и органеллы. Иногда белки также осуществляют энергетическую функцию — при недостатке жиров и углеводов клетка расщепляет эти вещества.

Липиды

К этой группе веществ относятся жиры и фосфолипиды. Первые — основной источник энергии. Они также могут накапливаться в качестве запасных веществ на случай голодания организма. Вторые служат основной составляющей клеточных мембран.

Углеводы

Самым распространенным веществом этой группы является глюкоза. Она и подобные ей простые углеводы выполняют энергетическую функцию. Также к углеводам относятся полисахариды, молекулы которых состоят из тысяч объединенных молекул - моносахаридов. Они в основном выполняют структурную роль, входя в состав мембран. Основные полисахариды растительных клеток — это крахмал и целлюлоза, животных — гликоген.

Нуклеиновые кислоты

В эту группу химических соединений входят ДНК, РНК и АТФ.

ДНК

Это вещество выполняет важнейшую функцию — оно отвечает за хранение и наследственную передачу генетической информации. ДНК находится в хромосомах ядра. Макромолекулы этого вещества образуются из нуклеотидов, которые, в свою очередь, состоят из азотистого основания, представленного пуринами и пиримидинами, углеводородом и остатками фосфорной кислоты. Они бывают четырех видов: адениловые, гуаниловые, тимидиловые и цитидиловые. Название нуклеотида зависит от того, какие пурины входят в его состав, это может быть аденин, гуанин, тимин и цитозин. Молекула ДНК имеет форму двух цепочек, закрученных в спираль.

РНК

Данное соединение выполняет функцию реализации информации, которая находится в ДНК, через синтез белков, состав которых зашифрован. Это вещество очень похоже на описанную выше нуклеиновую кислоту. Основным их отличием является то, что РНК состоит из одной цепочки, а не двух. Также в состав нуклеотидов РНК входит азотистое основание урацил вместо тимина и рибоза. Поэтому данное вещество формируется из таких нуклеотидов, как адениловый, гуаниловый, уридиловый и цитидиловый.

АТФ

Любая энергия, полученная растительными клетками в процессе фотосинтеза или животными вследствие окисления жиров и углеводов, запасается в конечном счете в АТФ, из которой клетка получает ее, когда это нужно.

Таблица 4.1

Функция макроэлементов в организме

Элементы	Функция	Недостаток
Фосфор	Участвует в построении всех клеток организма, во всех обменных процессах, очень важен для работы мозга, участвует в образовании гормонов.	Хроническая усталость, снижение внимания. Иммунодефицитные состояния. Снижение сопротивляемости к инфекциям. Дистрофические изменения в миокарде. Остеопороз.
Кальций	Формирование костной ткани, минерализация зубов. Участие в процессах свертывания крови. Регуляция проницаемости клеточных мембран. Регуляция процессов нервной проводимости и мышечных сокращений. Поддержание стабильной сердечной деятельности. Активатор ферментов и гормонов.	Общая слабость, повышенная утомляемость. Боли, судороги в мышцах. Нарушения процессов роста. Декальцинация скелета, остеопороз, деформация скелета. Нарушения иммунитета. Снижение свертываемости крови, кровоточивость.
Магний	Участие в обменных процессах, взаимодействие с калием, натрием, кальцием. Активатор для множества ферментативных реакций. Регуляции нервно-мышечной проводимости, тонуса гладкой мускулатуры	Раздражительность, головные боли, перепады артериального давления, сердцебиения.
Калий	Помогает выработке практически всех ферментов. Отвечает за сердечную проводимость и состояние сердечно-сосудистой системы в целом. Формирование электрического потенциала путем обмена с ионами натрия («калиево-натриевый насос»)	Сердечные аритмии, сонливость, мышечная слабость, тошнота, задержка мочи, снижение давления.
Натрий	Обеспечивает кислотно-щелочное равновесие. Помогает тканям удерживать воду. Формирование электрического потенциала путем обмена с ионами калия («калиево-натриевый насос»)	Исхудание, слабость, выпадение волос, кишечные расстройства, судорожные сокращения мышц
Железо	Участвует в производстве гемоглобина и дыхательных ферментов. Стимулирует кроветворение.	Железодефицитная анемия и гипоксия. Головные боли, снижение памяти. Замедление умственного и физического развития у детей. Учащенное сердцебиение. Угнетение иммунитета. Увеличение риска развития инфекционных и опухолевых заболеваний.

Таблица 4. 1 (окончание)

Функция микроэлементв и ультрамикроэлементов в организме человека

Элементы	Функция	Недостаток
Йод	Играет важную роль в образовании гормона щитовидной железы - тироксина.	Нарушаются функции щитовидной железы, а при йододефиците меняется и ее структура - вплоть до развития зоба.
Хром	Контролирует переработку сахаров и прочих углеводов, инсулиновый обмен.	Повышение сахара в крови, нарушения усвоения глюкозы, при длительном дефиците может развиться диабет.
Медь	Участвует в синтезе красных кровяных телец, коллагена (он отвечает за упругость кожи), обновлении кожных клеток. Способствует правильному усвоению железа.	Анемия, нарушение пигментации волос и кожи, температура ниже нормы, психические расстройства.
Селен	Замедляет процессы старения, укрепляет иммунитет. Является естественным антиоксидантом - защищает клетки от рака.	Снижение иммунитета, ухудшение работы сердца
Цинк	Помогает клеткам поджелудочной железы вырабатывать инсулин. Участвует в жировом, белковом и витаминном обмене, синтезе ряда гормонов. Стимулирует репродуктивную функцию у мужчин, общий иммунитет, сопротивляемость инфекциям.	Задержка психомоторного развития у детей, облысение, дерматиты, снижение иммунитета и репродуктивной функции, раздражительность, депрессии.
Марганец	Участвует в окислительных процессах, обмене жирных кислот и контролирует уровень холестерина.	Нарушение холестеринового обмена, атеросклероз сосудов.
Молибден	Стимулирует обмен веществ, помогает нормальному расщеплению жиров.	Нарушения липидного (жирового) и углеводного обмена веществ, проблемы с пищеварением.
Фтор	Участвует в формировании твердых тканей зубов и зубной эмали. От него же во многом зависит крепость костей.	Хрупкость зубной эмали, воспалительные заболевания десен (например, пародонтит).
Кобальт	Активирует ряд ферментов, усиливает производство белков, участвует в выработке витамина В12 и в образовании инсулина.	Дефицит витамина В12, что ведет за собой нарушения обмена веществ.

Органические вещества

Органические соединения составляют в среднем 20–30% массы клетки живого организма. К ним относятся биологические полимеры – белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, а также жиры и ряд низкомолекулярных органических веществ – аминокислоты, простые сахара, нуклеотиды и т.д.

Полимеры – сложные разветвленные или линейные молекулы, при гидролизе распадающиеся до мономеров. Если полимер состоит из одного вида мономеров, то такой полимер называют гомополимером, если в состав полимерной молекулы входят различные мономеры – то это гетерополимер.

Если группа различных мономеров в полимерной молекуле повторяется – это регулярный гетерополимер, если нет повторения определенной группы мономеров – гетерополимер нерегулярный.

В составе клетки они представлены белками, углеводами, жирами, нуклеиновыми кислотами (ДНК и РНК) и аденозинтрифосфатом (АТФ).

Белки

Из органических веществ клетки по количеству и значению на первом месте стоят белки. Белки, или протеины (от греч. протос – первый, главный) – высокомолекулярные гетерополимеры, органические вещества и распадающиеся при гидролизе до аминокислот.

В состав простых белков (состоящих только из аминокислот) входят углерод, водород, азот, кислород и сера.

Часть белков (сложные белки) образует комплексы с другими молекулами, содержащими фосфор, железо, цинк и медь – это сложные белки, содержащие помимо аминокислот еще и небелковую - простетическую группу. Она может быть представлена ионами металлов (металлопротеины - гемоглобин), углеводами (гликопротеины), липидами (липопротеины), нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеины).

Белки обладают огромной молекулярной массой: Один из белков – глобулин молока – имеет молекулярную массу 42000.

Белки представляют собой нерегулярные гетерополимеры, мономерами которых являются α-аминокислоты. В клетках и тканях обнаружено свыше 170 различных аминокислот, но в состав белков входит лишь 20 α-аминокислот .

В зависимости от того, могут ли аминокислоты синтезироваться в организме, различают: заменимые аминокислоты – десять аминокислот, синтезируемых в организме и незаменимые аминокислоты – аминокислоты, которые в организме не синтезируются. Незаменимые аминокислоты должны поступать в организм вместе с пищей.

В зависимости от аминокислотного состава, белки бывают полноценными , если содержат весь набор незаменимых аминокислот и неполноценными , если какие-то незаменимые аминокислоты в их составе отсутствуют.

Общая формула аминокислот приведена на рисунке. Все α -аминокислоты при α -атоме углерода содержат атом водорода, карбоксильную группу (-СООН) и аминогруппу (-NH 2). Остальная часть молекулы представлена радикалом.

Аминогруппа легко присоединяет ион водорода, т.е. проявляет основные свойства. Карбоксильная группа легко отдает ион водорода – проявляет свойства кислоты. Аминокислоты являются амфотерными соединениями, так как в растворе они могут выступать как в роли кислот, так и оснований. В водных растворах аминокислоты существуют в разных ионных формах. Это зависит от рН раствора и от того, какая аминокислота: нейтральная, кислая или основная.

В зависимости от количества аминогрупп и карбоксильных групп, входящих в состав аминокислот, различают нейтральные аминокислоты, имеющие одну карбоксильную группу и одну аминогруппу, основные аминокислоты, имеющие в радикале еще одну аминогруппу и кислые аминокислоты, имеющие в радикале еще одну карбоксильную группу.

Пептиды – органические вещества, состоящие из небольшого количества остатков аминокислот, соединенных пептидной связью. Образование пептидов происходит в результате реакции конденсации аминокислот (рис. 4.6).

При взаимодействии аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группой другой, между ними возникает ковалентная азот-углеродная связь, которую называют пептидной . В зависимости от количества аминокислотных остатков, входящих в состав пептида, различают дипептиды, трипептиды, тетрапептиды и т.д. Образование пептидной связи может повторяться многократно. Это приводит к образованию полипептидов . Если полипептид состоит из большого количества остатков аминокислот, то его уже называют белком. На одном конце молекулы находится свободная аминогруппа (его называют N-концом), а на другом – свободная карбоксильная группа (его называют С-концом).

Структура белковой молекулы

Выполнение белками определенных специфических функций зависит от пространственной конфигурации их молекул, кроме того, клетке энергетически невыгодно держать белки в развернутой форме, в виде цепочки, поэтому полипептидные цепи подвергаются укладке, приобретая определенную трехмерную структуру, или конформацию . Выделяют 4 уровня пространственной организации белков.

Первичная структура белка – последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи, составляющей молекулу белка. Связь между аминокислотами – пептидная.

Первичная структура белковой молекулы определяет свойства молекул белка и ее пространственную конфигурацию. Замена всего лишь одной аминокислоты на другую в полипептидной цепочке приводит к изменению свойств и функций белка.

Например, замена в b-субъединице гемоглобина шестой глутаминовой аминокислоты на валин приводит к тому, что молекула гемоглобина в целом не может выполнять свою основную функцию – транспорт кислорода (в таких случаях у человека развивается заболевание – серповидноклеточная анемия).

Первым белком, у которого была выявлена аминокислотная последовательность, стал гормон инсулин. Исследования проводились в Кембриджском университете Ф.Сэнгером с 1944 по 1954 год. Было выявлено, что молекула инсулина состоит из двух полипептидных цепей (21 и 30 аминокислотных остатков), удерживаемых около друг друга дисульфидными мостиками. За свой кропотливый труд Ф.Сэнгер был удостоен Нобелевской премии.

Рис. 4.6. Первичное строение молекулы белка

Вторичная структура – упорядоченное свертывание полипептидной цепи в α-спираль (имеет вид растянутой пружины) и β-структра (складчатый слой) . В α- спирали NH-группа данного остатка аминокислоты взаимодействует с СО-группой четвертого от нее остатка. Практически все «СО-» и «NН-группы» принимают участие в образовании водородных связей. Они слабее пептидных, но, повторяясь многократно, придают данной конфигурации устойчивость и жесткость. На уровне вторичной структуры существуют белки: фиброин (шелк, паутина), кератин (волосы, ногти), коллаген (сухожилия).

Третичная структура - укладка полипептидных цепей в глобулы , возникающей в результате возникновения химических связей (водородных, ионных, дисульфидных) и установления гидрофобных взаимодействий между радикалами аминокислотных остатков. Основную роль в образовании третичной структуры играют гидрофильно-гидрофобные взаимодействия. В водных растворах гидрофобные радикалы стремятся спрятаться от воды, группируясь внутри глобулы, в то время как гидрофильные радикалы в результате гидратации (взаимодействия с диполями воды) стремятся оказаться на поверхности молекулы.

У некоторых белков третичная структура стабилизируется дисульфидными ковалентными связями, возникающими между атомами серы двух остатков цистеина. На уровне третичной структуры существуют ферменты, антитела, некоторые гормоны. По форме молекулы различают белки глобулярные и фибриллярные. Если фибриллярные белки выполняют в основном опорные функции, то глобулярные белки растворимы и выполняют множество функций в цитоплазме клеток или во внутренней среде организма.

Четвертичная структура характерна для сложных белков, молекулы которых образованы двумя и более глобулами. Субъединицы удерживаются в молекуле исключительно при помощи нековалентных связей, в первую очередь водородных и гидрофобных.

Наиболее изученным белком, имеющим четвертичную структуру, является гемоглобин . Он образован двумя a-субъединицами (141 аминокислотный остаток) и двумя b-субъединицами (146 аминокислотных остатков).С каждой субъединицей связана молекула гема, содержащая железо. Многие белки с четвертичной структурой занимают промежуточное положение между молекулами и клеточными органеллами – например микротрубочки цитоскелета состоят из белка тубулина , состоящего из двух субъединиц. Трубочка удлиняется в результате присоединения димеров к торцу.

Если по каким-либо причинам пространственная конформация белков отклоняется от нормальной, белок не может выполнять свои функции

Рис. 4.7. Структуры молекул белка

Свойства белков

1. Белки являются амфотерными соединениями , сочетают в себе основные и кислотные свойства, определяемые радикалами аминокислот. Различают кислые, основные и нейтральные белки. Способность отдавать и присоединять Н + определяют буферные свойства белков, один из самых мощных буферов - гемоглобин в эритроцитах, поддерживающий рН крови на постоянном уровне.
2. Есть белки растворимые , есть нерастворимые белки, выполняющие механические функции (фиброин, кератин, коллаген).
3. Есть белки химически активные (ферменты), есть химически неактивные.
4. Есть устойчивые к воздействию различных условий внешней среды и крайне неустойчивые . Внешние факторы (изменение температуры, солевого состава среды, рН, радиация) могут вызывать нарушение структурной организации молекулы белка.
5. Процесс утраты трехмерной конформации, присущей данной молекуле белка, называют денатурацией . Причиной денатурации является разрыв связей, стабилизирующих определенную структуру белка. Вместе с тем, денатурация не сопровождается разрушением полипептидной цепи.. Изменение пространственной конфигурации приводит к изменению свойств белка и, как следствие, делает невозможным выполнение белком свойственных ему биологических функций.
6. Денатурация может быть: обратимой , процесс восстановления структуры белка после денатурации называется ренатурацией. Если восстановление пространственной конфигурации белка невозможно, то денатурация называется необратимой .
7. Разрушение первичной структуры белковой молекулы называется деградацией .

Рис. 4.8. Денатурация и ренатурация белка

Функции белков

Белки выполняют в клетке разнообразные функции.

Функциональной активностью обладают белки с третичной структурной организацией, но в большинстве случаев только переход белков третичной организации в четвертичную структуру обеспечивает специфическую функцию.

Ферментативная функция

Все биологические реакции в клетке протекают при участии особых биологических катализаторов - ферментов, а любой фермент - белок, ферменты локализованы во всех органеллах клеток и не только направляют ход различных реакций, но и ускоряют их в десятки и сотни тысяч раз. Каждый из ферментов строго специфичен.

Так, распад крахмала и прев­ращение его в сахар (глюкозу) вызывает фермент амилаза, тростниковый сахар расщепляет только фермент инвертаза и т.д.

Многие ферменты давно уже применяют в медицинской, а также в пищевой (хлебопечение, пивоварение и др.) промышленности.

Ферменты специфичны – могут катализировать один тип реакций – в активный центр попадает определенная молекула субстрата.

Поскольку почти все ферменты являются белками (есть рибозимы , РНК, катализирующие некоторые реакции), их активность наиболее высока при физиологически нормальных условиях: большинство ферментов наиболее активно работает только при определенной температуре, рН, скорость зависит от концентрации фермента и субстрата.

При повышении температуры до некоторого значения (в среднем до 50°С) каталитическая активность растет (на каждые 10°С скорость реакции повышается примерно в 2 раза).

Структурная функция

Белки входят в состав всех мембран, окружающих и пронизывающих клетку, и органелл.

В соединении с ДНК белок составляет тело хромосом, а в соединении с РНК - тело рибосом.

Растворы низкомолекулярных белков входят в состав жидких фракций клеток.

Регуляторная функция

Некоторые белки являются гормонами - биологически активными веществами, выделяющиеся в кровь различными железами, которые принимают участие в регуляции процессов обмена веществ.

Гормоны инсулин и глюкагон регулирует уровень углеводов в крови.

Транспортная функция

Именно с белками связан перенос кислорода, а также гормонов в теле животных и человека (его осу­ществляет белок крови гемоглобин).

Двигательная функция

Все виды двигательных реакций клетки выполняются особыми сократительными белками актином и миозином, которые обус­ловливают сокращение мускулатуры, движение жгутиков и ресничек у простейших, перемещение хромосом при делении клетки, движение растений.

Защитная функция

Многие белки образуют защитный покров, предохраняющий организм от вредных воздействий, например рого­вые образования - волосы, ногти, копыта, рога. Это механическая защита. В ответ на внедрение в организм чужеродных белков (антиге­нов) в клетках крови вырабатываются вещества белковой природы (антитела), которые обезвреживают их, предохраняя организм от повреждающего действия. Это иммунологическая защита.

Энергетическая функция

Белки могут служить источником энергии. Расщепляясь до конечных продуктов распада - диоксида углерода, воды и азотсодержащих веществ, они выделяют энергию, необходимую для многих жизненных процессов в клетке 17,6 Кдж.

Рецепторная функция

Белки-рецепторы – встроенные в мембрану молекулы белков, способных изменять свою структуру в ответ на присоединение определенного химического вещества.

Запасающая функция

Эту функцию выполняют так называемые резервные белки, являющиеся источниками питания для плода, например белки яйца (овальбумины). Основной белок молока (казеин) также выполняет главным образом питательную функцию.

Ряд других белков используется в организме в качестве источника аминокислот, которые в свою очередь являются предшественниками биологически активных веществ, регулирующих процессы метаболизма.

Токсическая функция

Токсины, токсичные вещества природного происхождения. Обычно к токсинам относят высокомолекулярные соединения (белки, полипептиды и др.), при попадании которых в организм происходит выработка антител.

По мишени действия токсины разделяют на следующие группы:

Гематические яды - яды, затрагивающие кровь.

Нейротоксины - яды, поражающие нервную систему и мозг.

Миоксичные яды - яды, повреждающие мышцы.

Гемотоксины - токсины, которые повреждают кровеносные сосуды и вызывают кровотечение.

Гемолитические токсины - токсины, которые повреждают эритроциты.

Нефротоксины - токсины, которые повреждают почки.

Кардиотоксины - токсины, которые повреждают сердце.

Некротоксины - токсины, которые разрушают ткани, вызывая их омертвление (некроз).

Ядовитые вещества фаллотоксины и аматоксины содержатся в различных видах: бледной поганке, мухоморе вонючем, весеннем.

Углеводы

Углеводы , или сахариды , - органические вещества, в состав которых входит углерод, кислород, водород. Углеводы составляют около 1% массы сухого вещества в животных клетках, а в клетках печени и мышц - до 5%. Наиболее богаты углеводами растительные клетки (до 90% сухой массы).

Химический состав углеводов характеризуется их общей формулой С m (Н 2 О) n , где m≥n. Количество атомов водорода в молекулах углеводов, как правило, в два раза больше атомов кислорода (то есть как в молекуле воды). Отсюда и название - углеводы.

В растительных клетках их значительно больше, чем в животных. Углеводы содержат только углерод, водород и кислород.

К про­стейшим углеводам относятся простые сахара (моносахариды). Они содержат пять (пентозы) или шесть (гексозы) атомов углерода и столько же молекул воды.

Примерами моносахаридов могут служить глюкоза и фруктоза, находящиеся во многих плодах рас­тений. Кроме растений глюкоза входит также в состав крови.

Сложные углеводы состоят из нескольких молекул простых уг­леводов. Из двух моносахаридов образуется дисахарид.

Пищевой сахар (сахароза), например, состоит из молекулы глюкозы и мо­лекулы фруктозы.

Значительно большее число молекул простых уг­леводов входит в такие сложные углеводы, как крахмал, гликоген, клетчатка (целлюлоза).

В молекуле клетчатки, например, от 300 до 3000 молекул глюкозы.

Функции углеводов

Энергетическаяфункция

одна из основных функций углеводов. Углеводы (глюкоза) – основные источники энергии в животном организме. Обеспечивают до 67% суточного энергопотребления (не менее 50%). При расщеплении 1 г углевода выделяется 17,6 кДж, вода и углекислый газ.

Запасающаяфункция

выражается в накоплении крахмала клетками растений и гликогена клетками животных, которые играют роль источников глюкозы, легко высвобождая ее по мере необходимости.

Опорно-строительнаяфункция

Углеводы входят в состав клеточных мембран и клеточных стенок (целлюлоза входит в состав клеточной стенки растений, из хитина образован панцирь членистоногих, муреин образует клеточную стенку бактерий). Соединяясь с липидами и белками, образуют гликолипиды и гликопротеины. Рибоза и дезоксирибоза входят в состав мономеров нуклеотидов.

Рецепторнаяфункция

Олигосахаридные фрагменты гликопротеинов и гликолипидов клеточных стенок выполняют рецепторную функцию, воспринимая сигналы, поступающие из внешней среды.

Защитная функция

Слизи, выделяемые различными железами, богаты углеводами и их производными (например, гликопротеинами). Они предохраняют пищевод, кишечник, желудок, бронхи от механических повреждений, препятствуют проникновению в организм бактерий и вирусов.

Липиды

Липиды – сборная группа органических соединений, не имеющих единой химической характеристики. Их объединяет то, что все они нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях (эфире, хлороформе, бензине).

Различают простые и сложные липиды.

Простые липиды, представляют собой двухкомпонентные вещества, являющиеся сложными эфирами высших жирных кислот и какого-либо спирта, чаще – глицерина.

Сложные липиды состоят имеют многокомпонентные молекулы.

Из простых липидов рассмотрим жиры и воска .

Жиры широко распространены в природе. Жиры – это сложные эфиры высших жирных кислот и трехатомного спирта – глицерина. В химии эту группу органических соединений принято называть триглицеридами, так как все три гидроксильные группы глицерина связаны с жирными кислотами.

В составе триглицеридов обнаружено более 500 жирных кислот, молекулы которых имеют сходное строение.

Как и аминокислоты, жирные кислоты имеют одинаковую для всех кислот группировку – гидрофильную карбоксильную группу (–СООН) и гидрофобный радикал, которым они отличаются друг от друга. Поэтому общая формула жирных кислот имеет вид R-CООН. Радикал представляет собой углеводородный хвост, отличающийся у разных жирных кислот количеством группировок –СН 2 .

Большая часть жирных кислот содержит в "хвосте" четное число атомов углерода, от 14 до 22 (чаще всего 16 или 18). Кроме того, углеводородный хвост может содержать различное количество двойных связей. По наличию или отсутствию двойных связей в углеводородном хвосте различают насыщенные жирные кислоты , не содержащие в углеводородном хвосте двойных связей и ненасыщенные жирные кислоты, имеющие двойные связи между атомами углерода (-СН=СН-). Если в триглицеридах преобладают насыщенные жирные кислоты, то они твердые при комнатной температуре (жиры), если ненасыщенные – жидкие (масла). Плотность жиров ниже, чем у воды, поэтому в воде они всплывают и находятся на поверхности.

Воска – группа простых липидов, представляющих собой сложные эфиры высших жирных кислот и высших высокомолекулярных спиртов. Встречаются как в животном, так и в растительном царстве, где выполняют главным образом защитные функции.

У растений они, например, покрывают тонким слоем листья, стебли и плоды, предохраняя их от смачивания водой и проникновения микроорганизмов. От качества воскового покрытия зависят сроки хранения фруктов. Под покровом пчелиного воска хранится мед и развиваются личинки.

К сложным липидам относятся фосфолипиды, гликолипиды, липопротеины, стероиды, стероидные гормоны, витамины А,D,E,K.

Фосфолипиды – сложные эфиры многоатомных спиртов с высшими жирными кислотами, содержащие остаток фосфорной кислоты. Иногда с ней могут быть связаны добавочные группировки (азотистые основания, аминокислоты).

Как правило, в молекуле фосфолипидов имеется два остатка высших жирных и один остаток фосфорной кислоты. Фосфолипиды присутствуют во всех клетках живых существ, участвуя главным образом в формировании фосфолипидного бислоя клеточных мембран – остатки фосфорной кислоты гидрофильны и всегда направлены к внешней и внутренней поверхности мембраны, а гидрофобные хвосты направлены друг к другу внутри мембраны.

Гликолипиды – это углеводные производные липидов. В состав их молекул наряду с многоатомным спиртом и высшими жирными кислотами входят также углеводы. Они локализованы преимущественно на наружной поверхности плазматической мембраны, где их углеводные компоненты входят в число других углеводов клеточной поверхности.

Липопротеины – липидные молекулы, связанные с белками. Их очень много в мембранах, белки могут пронизывать мембрану насквозь, находится под- или над мембраной, могут быт погружены в липидный бислой на различную глубину.

Липоиды – жироподобные вещества. К ним относятся стероиды (широко распространенный в животных тканях холестерин и его производные – гормоны коры надпочечников – минералокортикоиды, глюкокортикоиды, эстрадиол и тестостерон – соответственно женский и мужской половые гормоны). К липоидам относятся терпены (эфирные масла, от которых зависит запах растений), гиббереллины (ростовые вещества растений), некоторые пигменты (хлорофилл, билирубин), жирорастворимые витамины (А, D, E, K).

Функции липидов показаны в таблице 4.1.

Таблица 4.2.

Функции жиров

Энергетическая	Основная функция триглицеридов. При расщеплении 1 г липидов выделяется 38,9 кДж
Структурная	Фосфолипиды, гликолипиды и липопротеины принимают участие в образовании клеточных мембран.
Запасающая	Жиры и масла являются резервным пищевым веществом у животных и растений. Важно для животных, впадающих в холодное время года в спячку или совершающих длительные переходы через местность, где нет источников питания Масла семян растений необходимы для обеспечения энергией проростка.
Защитная	Прослойки жира и жировые капсулы обеспечивают амортизацию внутренних органов. Слои воска используются в качестве водоотталкивающего покрытия у растений и животных.
Теплоизоляционная	Подкожная жировая клетчатка препятствует оттоку тепла в окружающее пространство. Важно для водных млекопитающих или млекопитающих, обитающих в холодном климате.
Регуляторная	Гиббереллины регулируют рост растений. Половой гормон тестостерон отвечает за развитие мужских вторичных половых признаков. Половой гормон эстроген отвечает за развитие женских вторичных половых признаков, регулирует менструальный цикл. Минералокортикоиды (альдостерон и др.) контролируют водно-солевой обмен. Глюкокортикоиды (кортизол и др.) принимают участие в регуляции углеводного и белкового обменов.
Источник метаболической воды	При окислении 1 кг жира выделяется 1,1 кг воды. Важно для обитателей пустынь.
Каталитическая	Жирорастворимые витамины A, D, E, K являются кофакторами ферментов, т. е., сами по себе эти витамины не обладают каталитической активностью, но без них ферменты не могут выполнять свои функции.

Рис. 9. Химическое строение липидов и углеводов

Аденозинтрифосфат (АТФ)

Входит в состав любой клетки, где он выполняет одну из важнейших функций - на­копителя энергии. Молекулы АТФ состоят из азотистого основания аденина, углевода рибозы и трех молекул фосфорной кислоты.

Не­устойчивые химические связи, которыми соединены молекулы фос­форной кислоты в АТФ, очень богаты энергией (макроэргические связи): при разрыве этих связей энергия высвобождается и исполь­зуется в живой клетке для обеспечения процессов жизнедеятель­ности и синтеза органических веществ.

Рис. 4.10. Строение молекулы АТФ

4.4. Практическое задание

В человеческом организме обнаружено 86 химических элементов, входящих в состав Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Эти элементы условно разделяют на четыре группы:

• макроэлементы – элементы, составляющие основную массу клетки (приблизительно 98-99% в пересчете на сухую массу), среди которых углерод (C), водород (H), кислород (O) и азот (N);
• элементы, содержание которых в клетке, в пересчете на сухую массу, составляет около 1,9%. Это калий (K), натрий (Na), кальций (Ca), магний (Mg), сера (S), фосфор (P), хлор (Cl) и железо (Fe);
• элементы, содержание которых в клетке, в пересчете на сухую массу, менее 0,01% — микроэлементы. Это цинк (Zn), медь (Cu), фтор (F), йод (I), кобальт (Co), молибден (Mo) и др.
• элементы, содержание которых в клетке, в пересчете на сухую массу, менее 0,00001% — ультрамикроэлементы: золото (Au), уран (U), радий (Ra) и др.

Роль химических элементов в клетках живых организмов

Каждый элемент, входящий в состав живого организма, отвечает за выполнение определенной функции (табл. 1).

Таблица 1.Роль химических элементов в клетках живых организмов.

Химический элемент	Вещества, в которых химический элемент содержится	Процессы, в которых химический элемент участвует
Углерод, водород, кислород, азот	Белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы и др. органические вещества	Синтез органических веществ и весь комплекс функций, осуществляемых этими органическими веществами
Калий, натрий		Обеспечение функции мембран, в частности, поддержание электрического потенциала клеточной мембраны, работы Na + /Ka + -насоса, проведение нервных импульсов, анионный, катионный и осмотический балансы
		Участие в процессе свертывания крови
	Фосфат кальция, карбонат кальция	Костная ткань, зубная эмаль, раковины моллюсков
	Пектат кальция	Формирование срединной пластинки и клеточной стенки у растений
	Хлорофилл	Фотосинтез
		Формирование пространственной структуры белка за счет образования дисульфидных мостиков
	Нуклеиновые кислоты, АТФ	Синтез нуклеиновых кислот
		Поддержание электрического потенциала клеточной мембраны, работы Na + /Ka + -насоса, проведение нервных импульсов, анионный, катионный и осмотический балансы
		Активизация пищеварительных ферментов желудочного сока
	Гемоглобин	Транспорт кислорода
	Цитохромы	Перенос электронов при фотосинтезе и дыхании
Марганец	Декарбоксилазы, дегидрогеназы	Окисление жирных кислот, участие в процессах дыхания и фотосинтеза
	Гемоцианин	Транспорт кислорода у некоторых беспозвоночных
	Тирозиназа	Образование меланина
	Витамин В 12	Формирование эритроцитов
	Алькогольдегидрогеназа	Анаэробное дыхание у растений
	Карбоангидраза	Транспорт СО 2 у позвоночных
	Фторид кальция	Костная ткань, зубная эмаль
	Тироксин	Регуляция основного обмена
Молибден	Нитрогеназа	Фиксация азота

Недостаток какого-либо элемента может привести к заболеванию, и даже гибели организма, так как каждый элемент играет определенную роль. Макроэлементы первой группы составляют основу биополимеров — белков, углеводов, нуклеиновых кислот, а также липидов, без которых жизнь невозможна. Сера входит в состав некоторых белков, фосфор — в состав нуклеиновых кислот, железо — в состав гемоглобина, а магний — в состав хлорофилла. Кальций играет важную роль в обмене веществ

Часть химических элементов, содержащихся в клетке, входит в состав неорганических веществ — минеральных солей и воды. Минеральные соли находятся в клетке, как правило, в виде катионов (К + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+) и анионов (HPO 4 2- , H 2 PO 4 — , СI — , НСО 3 —), соотношение которых определяет важную для жизнедеятельности клеток кислотность среды, так слабощелочная среда многих клеток и ее рН почти не изменяется, потому что в ней постоянно поддерживается определенное соотношение катионов и анионов.

Вода играет большую роль в химических реакциях, протекающих в клетке в водных растворах. Она растворяет ненужные организму продукты обмена веществ и тем самым способствует выводу их из организма. Большое содержание воды в клетке придает ей упругость. Вода способствует перемещению различных веществ внутри клетки или из клетки в клетку.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Задание

Как отразится на жизнедеятельности клетки и организма недостаток какого-либо необходимого элемента? Приведите примеры.

Ответ

Недостаток какого-либо микроэлемента приводит к уменьшению синтеза того органического вещества, в состав которого этот микроэлемент входит. В результате нарушаются процессы роста, обмена веществ, воспроизведения и т.д. Например, дефицит йода в пище приводит к общему падению активности организма и разрастанию щитовидной железы - эндемическому зобу. Недостаток бора вызывает отмирание верхушечных почек у растений. Нехватка селена может привести к возникновению раковых заболеваний у человека и животных.