Клетка как биологическая система

Основы цитологии

Основные понятия:

клеточная теория, цитология, клетка – единица строения, жизнедеятельности, роста и развития организма, классификация живого, прокариоты и эукариоты, химическая организация клетки, строение про- и эукариотной клеток, взаимосвязь строения и функций органоидов клетки, сравнительная характеристика клеток растений, животных, грибов и бактерий

Началом изучения клетки считают 1665 г.: английский натуралист Роберт Гук, рассматривая в микроскоп срез пробкового дерева, увидел ячейки, которые назвал «клетками». Формирование представлений о клетке происходило в процессе развития биологической науки.

Из истории развития представлений о клетке:

Зарождение и развитие понятия о клетке	1665 г. – Р. Гук ввел понятие «клетка»; 1680 г. – А. Левенгук открыл одноклеточные организмы; 1833 г. – Р. Броун обнаружил внутри клеток растений плотные образования, которые назвал «ядрами»; 1838 г. – М. Шлейден пришел к выводу, что все растительные клетки имеют ядро, Т. Шванн обнаружил ядра в животных клетках.
Возникновение клеточной теории	1838 г. - Т. Шванн и М. Шлейден обобщили знания о клетке, сформулировали основные положения клеточной теории: все растительные и животные организмы состоят из клеток, сходных по строению.
Развитие клеточной теории	1858 г. – Р. Вирхов утверждал, что каждая новая клетка происходит только из клетки в результате ее деления; 1858 г. – К. Бэр установил, что все организмы начинают свое развитие с одной клетки (эмбрион млекопитающего развивается из одной клетки – оплодотворенной яйцеклетки).

Цитология (от греч. kytos) – наука о клетке. Успехи науки цитологии неразрывно связаны с развитием методов исследования: совершенствование светового микроскопа и появлением электронного, применение специальных красителей, позволяющих избирательно выявить клеточные структуры

Основные положения клеточной теории на современном этапе можно сформулировать следующим образом:

Основные положения	Характеристика
1. Клетка – основная структурная единица строения, развития и жизнедеятельности	Все организмы состоят из клеток. Многоклеточные организмы развиваются из одной оплодотворенной яйцеклетки. Процессы жизнедеятельности организма складываются из жизнедеятельности отдельных клеток
2. Клетки всех организмов сходны по химическому составу, строению, функциям	Все клетки содержат органические соединения: углеводы, липиды, белки, нуклеиновые кислоты и неорганические вещества: воду и соли. Все клетки имеют оболочку, цитоплазму, ядро и другие клеточные структуры – органоиды Все клетки имеют способность к росту, размножению, дыханию, выделению, обмену веществ и энергии, обладают раздражимостью
3. Все новые клетки образуются при делении исходных клеток	Рост организма происходит в результате деления клеток, новые клетки образуются только при делении исходных, материнских клеток. В многоклеточных организмах клетки специализируются по функциям и образуют ткани

Вывод: все организмы, кроме вирусов, имеют клеточное строение, сходный химический состав клеток, образование клеток происходит сходным образом, что говорит об единстве происхождения всего живого.

Создание клеточной теории стало важнейшим событием в биологии, одним из решающих доказательств единства живой природы. Клеточная теория оказала значительное влияние на развитие биологии как науки, послужила фундаментом для развития таких дисциплин, как эмбриология, гистология и физиология. Она позволила создать основы для понимания жизни, индивидуального развития организмов, для объяснения эволюционной связи между ними. Основные положения клеточной теории сохранили свое значение и сегодня, хотя более чем за сто пятьдесят лет были получены новые сведения о структуре, жизнедеятельности и развитии клетки. Клетки бывают прокариотические и эукариотические . Организмы, образованные прокариотическими клетками, называются прокариоты , а организмы, образованные эукариотическими клетками, - эукариоты.

Классификация живого

Основанием для такого разделения организмов на царства являются способы питания этих организмов и строение клеток.

Химический состав клетки. В состав организмов входит большая часть химических элементов Периодической системы Д.И. Менделеева.

Макроэлементы – водород, кислород, углерод, азот. К этой группе относят также калий, натрий, кальций, сера, фосфор, магний, железо, хлор (содержание этих элементов в клетке составляет десятые и сотые доли процента). В сумме макроэлементы составляют около 98%.

Микроэлементы – цинк, медь, йод, фтор, молибден, бор, марганец, кобальт (содержание этих элементов в клетке составляет сотые и тысячные доли процента).

Ультрамикроэлементы – золото, платина, ртуть, цезий (содержание этих элементов в клетке не превышает тысячных долей процента).

Микроэлементы и ультрамикроэлементы играют важную роль в организме: железо входит в состав гемоглобина, йод – компонент гормона щитовидной железы, недостаток селена приводит к возникновению раковых заболеваний.

ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Химические элементы образуют органические и неорганические вещества:

Органические вещества Неорганические вещества

Углеводы Белки Жиры АТФ Нуклеиновые Минеральные Вода

кислоты вещества

Неорганические вещества клетки

Вода – один из самых основных компонентов живой клетки, составляет в среднем 70-80% массы клетки. В клетке вода находится в свободной (95%) и связанной (5%) формах. Помимо того, что она входит в их состав, для многих организмов это еще и среда обитания.

Роль воды в клетке определяется ее уникальными химическими и физическими свойствами, связанными главным образом с малыми размерами молекул, с полярностью ее молекул и с их способностью образовывать друг с другом водородные связи. Вода как компонент биологических систем выполняет следующие важнейшие функции:

1. Вода - универсальный растворитель для полярных веществ, например солей, сахаров, спиртов, кислот и др. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными.

2. Молекулы воды участвуют во многих химических реакциях, например при гидролизе полимеров.

3. В процессе фотосинтеза вода является донором электронов, источником ионов водорода и свободного кислорода.

4. Неполярные вещества вода не растворяет и не смешивается с ними, поскольку не может образовывать с ними водородные связи. Нерастворимые в воде вещества называются гидрофобными.

5. Вода обладает высокой удельной теплоемкостью. Для разрыва водородных связей, удерживающих молекулы воды, требуется поглотить большое количество энергии. Это свойство обеспечивает поддержание теплового баланса организма при значительных перепадах температуры в окружающей среде.

6. Вода отличается высокой теплопроводностью, что позволяет организму поддерживать одинаковую температуру во всем его объеме.

7. Вода характеризуется высокой теплотой парообразования, т. е. способностью молекул уносить с собой значительное количество тепла при одновременном охлаждении организма. Благодаря этому свойству воды, проявляющемуся при потоотделении у млекопитающих, тепловой одышке у крокодилов и других животных, транспирации у растений, предотвращается их перегрев.

8. Для воды характерно исключительно высокое поверхностное натяжение. Это свойство имеет большое значение для передвижения растворов по тканям (кровообращение, восходящий и нисходящий токи в растениях). Многим мелким организмам поверхностное натяжение позволяет удерживаться на воде или скользить по ее поверхности.

9. Вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма.

10. У растений вода определяет тургор клеток, а у некоторых животных выполняет опорные функции, являясь гидростатическим скелетом (круглые и кольчатые черви, иглокожие).

11. Вода - составная часть смазывающих жидкостей (синовиальной - в суставах позвоночных, плевральной - в плевральной полости, перикардиальной - в околосердечной сумке) и слизей (облегчают передвижение веществ по кишечнику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей). Она входит в состав слюны, желчи, слез и др.

Свойства, функции и значение воды

Минеральные соли . Молекулы солей в водном растворе распадаются на катионы и анионы. Наибольшее значение имеют катионы (К+, Na+, Са2+, Mg2+, NH4+) и анионы (Сl- , Н2Р04 -, НР042- , НС03 -, NO3 2-, SO4 2-) .Некоторые ионы участвуют в активации ферментов, создании осмотического давления в клетке, в процессах мышечного сокращения, свертывании крови и др. Ряд катионов и анионов необходим для синтеза важных органических веществ (например, фосфолипидов, АТФ, нуклеотидов, гемоглобина, хлорофилла и др.), а также аминокислот, являясь источниками атомов азота и серы. Соляная кислота входит в состав желудочного сока. Соли кальция и фосфора присутствуют в костной ткани животных и человека.

Органические вещества. Основой всех органических соединений является углерод (С), который образует связи с другими атомами и их группами. В результате образуются сложные химические соединения, разные по строению и функциям, - макромолекулы (от греч. macros – большой).

Макромолекулы состоят из повторяющихся низкомолекулярных соединений, - мономеров (от греч. monos – один).

Полимер (от греч. poly – много) – макромолекула, образованная мономерами.

В молекулах полимеров мономеры могут быть одинаковые или разные. В зависимости от того, какие мономеры входят в состав полимеров, полимеры делятся на следующие группы:

Полимеры

Регулярные Нерегулярные

А-А-А-А-A-A- - А-В-А-С- В-А-А-D- C- A-

A-S-D-A-S-D-A-S-D-

Полимеры, входящие в состав живых организмов, называются биополимеры, свойства которых зависят от строения их молекул, числа и разнообразия мономеров. Биополимеры универсальны, так как построены по единому плану у всех живых организмов. Разнообразие свойств биополимеров обусловлено различным сочетанием мономеров, образующих различные варианты. Свойства биополимеров проявляются только в живой клетке.

Углеводы, или сахариды , - органические соединения, в состав которых входят углерод, водород и кислород. Название «углеводы» они получили из-за своего химического состава: общая формула большинства из них Сn(H2O)n.

Состав и строение углеводов

Моносахариды – простые сахара, имеющие общую формулу (СН2О)n , где n=3-9. Среди моносахаридов различают триозы (3С), тетраозы (4С), пентозы (5С) – рибоза, дезоксирибоза, гексозы (6С) – глюкоза, галактоза. Моносахариды хорошо растворяются в воде, они сладкие на вкус. Фруктоза входит в состав меда, находится в плодах, зеленых частях растений. Глюкоза находится в плодах, крови, лимфе, является основным источником энергии, входит в состав дисахаридов и полисахаридов.

Дисахариды – вещества, образованные в результате конденсации двух молекул моносахаридов с потерей одной молекулы воды. У растений - это сахароза (С12Н22О11) и мальтоза, у животных – лактоза. Сахароза – основная транспортная форма углеводов в растениях. Лактоза образуется в молочной железе и присутствует в молоке.

глюкоза + глюкоза = мальтоза;
глюкоза + галактоза = лактоза;
глюкоза + фруктоза = саxароза.

По своим свойствам дисахариды близки к моносахаридам. Они хорошо растворяются в воде и имеют сладкий вкус.

Полисахариды – это высокомолекулярные углеводы, образованные путем соединения большого числа молекул моносахаридов, У растений – крахмал, целлюлоза (клетчатка), формула (С6Н10О5)n ; у животных – гликоген, хитин. Целлюлоза – основной опорный компонент клеточной стенки у растений. Крахмал – основной резервный углевод растений. Гликоген – резервный полисахарид животных (накапливается в печени и мышцах. Хитин входит в состав покровов членистоногих, обеспечивает прочность покровных структур грибов.

Локализация в клетке и организме: клеточная стенка, клеточные включения, клеточный сок растений, покровы членистоногих.

Функции углеводов :

1) Энергетическая. Углеводы – это основной источник энергии для организмов. В процессе окисления 1 г углеводов освобождается 17,6 кДж.

2) Структурная. Клеточные стенки растений построены из целлюлозы. Покровы тела членистоногих, клеточные стенки грибов состоят из хитина. Углеводы входят в состав органоидов, молекул ДНК и РНК.

3) Запасающая. Эту функцию выполняют у растений крахмал, у животных гликоген. Они обладают способностью накапливаться в клетках и расходоваться по мере возникновения потребности в энергии.

4) Защитная. Железы выделяют секреты, которые содержат углеводы. Секреты защищают стенки полых органов (желудок, кишечник) от механических повреждений, проникновения болезнетворных бактерий.

Липиды - это жироподобные вещества, большинство из которых состоит из жирных кислот и трехатомного спирта; это сложные эфиры высших жирных кислот и трехатомного спирта глицерина.

Жиры – наиболее простые и широко распространенные липиды. Жидкие жиры называются маслами. У животных масла встречаются в молоке, но чаще встречаются у растений в семенах, плодах.

Состав и строение липидов

Место синтеза в клетке: на мембранах гладкой эндоплазматической сети.

Локализация в клетке и организме: клеточная мембрана, клеточные включения, подкожная жировая клетчатка и сальники.

Функции липидов :

1) Энергетическая. Липиды – «энергетическое депо». При окислении 1 г липидов до СО2 и Н2О освобождается 38,9 кДж, что в два раза больше по сравнению с углеводами и белками.

2) Структурная. Липиды принимают участие в построении мембран клеток и образовании важных биологических соединений, например, гормонов, витаминов.

3) Запасающая. В растениях чаще накапливаются масла, а не жиры. Семена сои и подсолнечника богаты маслами.

4) Защитная и теплоизоляционная. Жиры плохо проводят тепло. Они откладываются под кожей животных, у некоторых достигают такие скопления толщины до 1 м, например, у китов. Жировой слой защищает животных от переохлаждения. Жировая ткань выполняет функцию терморегулятора. У китов, кроме того, он играет еще и другую роль - способствует плавучести. Благодаря низкой теплопроводности слой подкожного жира помогает сохранить тепло, что позволяет, например, многим животным обитать в условиях холодного климата.

5) Смазывающая и водоотталкивающая. Воск покрывает кожу, шерсть, перья, делает их более эластичными и предохраняет от влаги. Восковой налет имеют листья и плоды многих растений. Такой слой защищает листья во время сильных дождей от намокания.

6) Регуляторная. Многие биологически активные вещества (половые гормоны - тестостерон у

мужчин и прогестерон у женщин), витамины (A, D, E) являются соединениями липидной

7) Источник метаболической воды. Одним из продуктов окисления жира является вода, которая

очень важна для некоторых обитателей животного мира пустынь, например, для верблюдов.

Жир, который запасают эти животные в горбах, является источником воды. Окисление 100 г

жира дает примерно 105 г воды. Необходимую для жизнедеятельности воду медведи, сурки и

другие животные, впадающие в спячку, получают в результате окисления жира.

8) В миелиновых оболочках аксонов нервных клеток липиды являются изоляторами при проведении нервных импульсов.

9) Воск используется пчелами в строительстве сот.

Липиды могут образовывать комплексы с другими биологическими молекулами - белками и сахарами.

Белки, или протеины (от греч. protos – первый) – самые многочисленные, разнообразные и имеющие первостепенное значение органические соединения. Белки – макромолекулы, так как имеют большие размеры.

Химический состав молекул белка: углерод, кислород, водород, азот, сера, также могут быть фосфор, железо, цинк, медь.

Белки - это полимеры, состоящие из повторяющихся низкомолекулярных мономеров. Аминокислоты – мономеры белковых молекул. Известно около 200 аминокислот, встречающихся в живых организмах, но только 20 из них входят в состав белков. Это так называемые основные, или белокобразующие аминокислоты. 20 аминокислот обеспечивают многообразие белков. У растений все необходимые аминокислоты синтезируются из первичных продуктов фотосинтеза. Человек и животные не способны синтезировать ряд аминокислот и должны получать их в готовом виде вместе с пищей. Такие аминокислоты называются незаменимыми. К ним относятся лизин, валин, лейцин, изолейцин, треонин, фенилаланин, триптофан, метионин, аргинин и гистидин (всего 10).

Строение аминокислоты:

Между аминогруппой одной аминокислоты и карбоксильной группой другой аминокислоты образуется ковалентная связь, которая называется пептидная связь, а молекула белка – полипептид .

В растворе аминокислоты могут выступать в роли как кислот, так и оснований, т. е. они являются амфотерными соединениями. Карбоксильная группа -СООН способна отдавать протон, функционируя как кислота, а аминная - NH2 - принимать протон, проявляя таким образом свойства основания.

Структура белков. Каждому белку в определенной среде свойственна особая пространственная структура. При характеристике пространственной (трехмерной) структуры выделяют четыре уровня организации молекул белков.

Уровни структурной организации белка: а - первичная структура - аминокислотная последовательность белка; б - вторичная структура - полипептидная цепь закручена в виде спирали; в - третичная структура белка; г - четвертичная структура гемоглобина.

Место синтеза белков в клетке: на рибосомах.

Локализация белков в клетке и организме: присутствуют во всех органоидах и цитоплазматическом матриксе.

Пространственная структура белка:

Первичная структура белка – последовательность аминокислот, соединенных друг с другом пептидными связями в полипептидную цепь. От первичной структуры зависят все свойства и функции белков. Замена одной-единственной аминокислоты в составе молекул белка или нарушение порядка в их расположении обычно влечет за собой изменение функции белка.

Вторичная структура белковой молекулы достигается ее спирализацией: полипептидная цепь, состоящая из последовательно соединенных аминокислот, закручивается в спираль, образуются непрочные водородные связи между – СО- и – NН- группами.

При образовании третичной структуры спирализованная белковая молекула еще многократно сворачивается, образуя шарик – глобулу. Прочность третичной структуры определяется различными связями, например, дисульфидными связями (-S-S-), ионные, водородные, гидрофобное взаимодействие.

Четвертичная структура - это соединение, состоящее из нескольких молекул белка, имеющих третичную структуру. Химические связи - ионные, водородные, гидрофобное взаимодействие.

И так, первичная структура – это линейная структура, в виде полипептидной цепи; вторичная – спиральная, за счет водородных связей; третичная – глобулярная; четвертичная – объединение нескольких молекул белка с третичной структурой.

Свойство белка – денатурация - нарушение природной структуры белка, которая бывает обратимая, если не разрушена первичная структура, и необратимая, если первичная структура разрушена.

Воздействие факторов среды

(температура, химические вещества, излучение и др.)

Денатурация белка (разрушение структур)

Ренатурация – полное восстановление структуры белка.

Под влиянием различных химических и физических факторов (обработка спиртом, ацетоном, кислотами, щелочами, высокой температурой, облучением, высоким давлением и т. д.) происходит изменение вторичной, третичной и четвертичной структур белка вследствие разрыва водородных и ионных связей. Процесс нарушения естественной структуры белка называется денатурацией. При этом наблюдается уменьшение растворимости белка, изменение формы и размеров молекул, потеря ферментативной активности и т. д. Процесс денатурации может быть полным или частичным. В некоторых случаях переход к нормальным условиям среды сопровождается самопроизвольным восстановлением естественной структуры белка. Такой процесс называется ренатурацией.

Простые и сложные белки. По химическому составу выделяют белки простые и сложные. К простым относятся белки, состоящие только из аминокислот, а к сложный - белки, содержащие белковую часть и небелковую - ионы металлов, остаток фосфорной кислоты, углеводы, липиды и др.

Функции белков :

1) Ферментативная , или каталитическая. Катализаторы – это вещества, ускоряющие химические реакции. Ферменты – это катализаторы биохимических реакций. Ферменты ускоряют реакции в организме в десятки и сотни тысяч раз. Они высокоспецифичны, так как каждый фермент катализирует только определенную реакцию.

Ферменты = Биокатализаторы (ускорители химических реакций, протекающих в клетках)

2) Структурная. Белки входят в состав всех мембран и органоидов клетки (например, в соединении с РНК белок образует рибосомы).

3) Энергетическая . При распаде 1 г белков до конечных продуктов (СО2, Н2О и азотсодержащие вещества) выделяется 17,6 кДж.

4) Запасающая. Эту функцию выполняют белки – источники питания (белок яйца – альбумин,

белок молока – казеин, клетки эндосперма и яйцеклетки).

5) Защитная. Все живые клетки и организмы имеют защитные системы. У человека и животных - это иммунная защита. В лимфоцитах образуются антитела – защитные белки, которые обезвреживают чужеродные тела. Другой пример защитной функции – свертывание белка фибриногена в крови, что приводит к образованию сгустка крови – тромба, который закупоривает сосуд, кровотечение прекращается. Механическую защиту обеспечивают роговые образования – волосы, рога, копыта. В состав этих образований входят белки. Растения тоже образуют защитные белки, например, алкалоиды, благодаря которым покровы растений становятся более прочными и устойчивыми.

6) Регуляторная. Многие белки – гормоны , регулирующие физиологические процессы (белковую природу имеют инсулин и глюкагон). Клетки поджелудочной железы вырабатывают гормон инсулин, регулирующий содержание глюкозы в крови.

Поджелудочная железа

Гормон инсулин

Глюкоза (в крови) à Гликоген (в клетках печени)

7) Транспортная. Функция транспортных белков заключается в присоединении химических элементов или биологически активных веществ и переносе их к тканям и органам.

Гемоглобин (находится в эритроцитах)

Гемоглобин + кислород Гемоглобин + углекислый газ

8) Двигательная. Сократительные белки участвуют во всех видах движения, к которым способны клетки и организмы. Примеры: движение жгутиков и ресничек у простейших одноклеточных животных, сокращение мышц у многоклеточных животных (белки миозин и актин обеспечивают сокращение мышечных клеток), движение листьев у растений.

9) Сигнальная. Белки, встроенные в мембрану клетки, осуществляют прием сигналов из

внешней среды и передачу информации в клетку. Такие белковые молекулы способны

изменять свою третичную структуру в ответ на действия факторов внешней среды.

10) Токсическая (токсины, обеспечивающие защиту от врагов и умерщвление добычи).

Функции белка	Характеристика
1. Структурная	Белки входят в состав клеточных мембран и органоидов
2. Энергетическая	При окислении 1 г белков выделяется 17,6 кДж
3. Запасающая	Белки – запасной питательный и энергетический материал
4. Каталитическая, ферментативная	Белки – ферменты, ускоряющие химические реакции
5. Регуляторная	Многие белки – гормоны, регулирующие физиологические процессы
6. Транспортная	Перенос различных веществ (гемоглобин + кислород)
7. Двигательная	Сократительные белки обеспечивают движение (хромосомы к полюсам клетки)
8. Защитная	Защищают организм от чужеродных тел
9. Сигнальная	Осуществляют прием сигналов из внешней среды и передачу информации в клетку
10. Токсическая	Токсины обеспечивают защиту от врагов и умерщвление добычи

Белки используются как источник энергии редко, поскольку они выполняют ряд других важных функций. Белки обычно используются, когда истощаются такие источники, как углеводы и жиры. Углеводы и жиры откладываются в запас; когда в пище не хватает какого-либо органического соединения, возможно превращение в организме одних органических соединений в другие: белков в жиры и углеводы, углеводы и жиры друг в друга. Но углеводы и жиры не могут превращаться в белки.

Основные свойства и уровни организации живой природы

Уровни организации живых систем отражают соподчиненность, иерархичность структурной организации жизни:

Молекулярно-генетический - отдельные биополимеры (ДНК, РНК, белки);

Клеточный - элементарная самовоспроизводящаяся единица жизни (прокариоты, одноклеточные эукариоты), ткани, органы;

Организменный - самостоятельное существование отдельной особи;

Популяционно-видовой - элементарная эволюционирующая единица - популяция;

Биогеоценотический - экосистемы, состоящие из разных популяций и среды их обитания;

Биосферный - все живое население Земли, обеспечивающее круговорот веществ в природе.

Природа - это весь существующий материальный мир во всем многообразии его форм. Единство природы проявляется в объективности ее существования, общности элементного состава, подчиненности одним и тем же физическим законам, в системности организации. Различные природные системы, как живые, так и неживые, взаимосвязаны и взаимодействуют между собой. Примером системного взаимодействия является биосфера.

Биология - это комплекс наук, изучающих закономерности развития и жизнедеятельности живых систем, причины их многообразия и приспособленности к окружающей среде, взаимосвязь с другими живыми системами и объектами неживой природы.

Объектом исследования биологии является живая природа.

Предметом исследования биологии являются:

Общие и частные закономерности организации, развития, обмена веществ, передачи наследственной информации;

Разнообразие форм жизни и самих организмов, а также их связи с окружающей средой.

Все многообразие жизни на Земле объясняется эволюционным процессом и действием окружающей среды на организмы.

Сущность жизни определяется М.В. Волькенштейном как существование на Земле «живых тел, представляющих собой открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров - белков и нуклеиновых кислот».

Основные свойства живых систем:

Обмен веществ;

Саморегуляция;

Раздражимость;

Изменчивость;

Наследственность;

Размножение;

Химический состав клетки. Неорганические вещества клетки

Цитология - наука, изучающая строение и функции клеток. Клетка является элементарной структурной и функциональной единицей живых организмов. Клеткам одноклеточных организмов присущи все свойства и функции живых систем. Клетки многоклеточных организмов дифференцированы по строению и функциям.

Атомный состав: в состав клетки входит около 70 элементов Периодической системы элементов Менделеева, причем 24 из них присутствуют во всех типах клеток.

Макроэлементы - Н, О, N, С, микроэлементы - Mg, Na, Са, Fe, К, Р, CI, S, ультрамикроэлементы - Zn, Сu, I, F, Мn, Со, Si и др.

Молекулярный состав: в состав клетки входят молекулы неорганических и органических соединений.

Неорганические вещества клетки

Вода. Молекула воды имеет нелинейную пространственную структуру и обладает полярностью. Между отдельными молекулами образуются водородные связи, определяющие физические и химические свойства воды.

Рис. 1. Молекула воды Рис. 2. Водородные связи между молекулами воды

Физические свойства воды:

Вода может находиться в трех состояниях - жидком, твердом и газообразном;

Вода - растворитель. Полярные молекулы воды растворяют полярные молекулы других веществ. Вещества, растворимые в воде, называют гидрофильными. Вещества, не растворимые в воде, - гидрофобными;

Высокая удельная теплоемкость. Для разрыва водородных связей, удерживающих молекулы воды, требуется поглотить большое количество энергии. Это свойство воды обеспечивает поддержание теплового баланса в организме;

Высокая теплота парообразования. Для испарения воды необходима достаточно большая энергия. Температура кипения воды выше, чем у многих других веществ. Это свойство воды предохраняет организм от перегрева;

Молекулы воды находятся в постоянном движении, они сталкиваются друг с другом в жидкой фазе, что немаловажно для процессов обмена веществ;

Сцепление и поверхностное натяжение. Водородные связи обусловливают вязкость воды и сцепление ее молекул с молекулами других веществ (когезия). Благодаря силам сцепления молекул на поверхности воды создается пленка, которую характеризует поверхностное натяжение;

Плотность. При охлаждении движение молекул воды замедляется. Количество водородных связей между молекулами становится максимальным. Наибольшую плотность вода имеет при 4°С. Замерзая, вода расширяется (необходимо место для образования водородных связей), и ее плотность уменьшается, поэтому лед плавает на поверхности воды, что защищает водоем от промерзания;

Способность к образованию коллоидных структур. Молекулы воды образуют вокруг нерастворимых молекул некоторых веществ оболочку, препятствующую образованию крупных частиц. Такое состояние этих молекул называется дисперсным (рассеянным). Мельчайшие частицы веществ, окруженные молекулами воды, образуют коллоидные растворы (цитоплазма, межклеточные жидкости).

Биологические функции воды:

Транспортная - вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма. В природе вода переносит продукты жизнедеятельности в почвы и к водоемам;

Метаболическая - вода является средой для всех биохимических реакций и донором электронов при фотосинтезе, она необходима для гидролиза макромолекул до их мономеров;

Участвует в образовании:

1) смазывающих жидкостей, которые уменьшают трение (синовиальная - в суставах позвоночных животных, плевральная, в плевральной полости, перикардиальная - в околосердечной сумке);

2) слизей, которые облегчают передвижение веществ по кишечнику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей;

3) секретов (слюна, слезы, желчь, сперма и т.д.) и соков в организме.

Неорганические ионы. Неорганические ионы клетки представлены: катионами К+, Na+, Са2+, Mg2+, NH3 и анионами Сl-, NOi2-, H2PO4-, HCO3-, HPO42-.

Разность между количеством катионов и анионов на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникновение потенциала действия, что лежит в основе нервного и мышечного возбуждения.

Анионы фосфорной кислоты создают фосфатную буферную систему, поддерживающую рН внутриклеточной среды организма на уровне 6-9.

Угольная кислота и ее анионы создают бикарбонатную буферную систему и поддерживают рН внеклеточной среды (плазмы крови) на уровне 4-7.

Соединения азота служат источником минерального питания, синтеза белков, нуклеиновых кислот. Атомы фосфора входят в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов, а также костей позвоночных, хитинового покрова членистоногих. Ионы кальция входят в состав вещества костей, они также необходимы для осуществления мышечного сокращения, свертывания крови.

К ним относятся вода и минеральные соли.

Вода необходима для осуществления жизненных процессов в клетке. Ее содержание составляет 70-80% от массы клетки. Основные функции воды:

представляет собой универсальный растворитель;

является средой, в которой протекают биохимические реакции;

определяет физиологические свойства клетки (упругость, объем);

участвует в химических реакциях;

поддерживает тепловое равновесие организма благодаря высокой теплоемкости и теплопроводности;

является основным средством для транспорта веществ.

Минеральные соли присутствуют в клетке в виде ионов: катионы К + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+ ; анионы – Cl - , HCO 3 - , H 2 РО 4 - .

3. Органические вещества клетки.

Органические соединения клетки состоят из многих повторяющихся элементов (мономеров) и представляют собой крупные молекулы - полимеры. К ним относят белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. Их содержание в клетке: белки -10-20%; жиры - 1-5%; углеводы - 0,2-2,0%; нуклеиновые кислоты - 1-2%; низкомолекулярные органические вещества – 0,1-0,5%.

Белки – высокомолекулярные (с большой молекулярной массой) органические вещества. Структурной единицей их молекулы является аминокислота. В образовании белков принимают участие 20 аминокислот. В состав молекулы каждого белка входят только определенные аминокислоты в свойственном этому белку порядке расположения. Аминокислота имеет следующую формулу:

H 2 N – CH – COOH

В состав аминокислот входят NH 2 – аминогруппа, обладающая основными свойствами; СООН – карбоксильная группа с кислотными свойствами; радикалы, отличающие аминокислоты друг от друга.

Существуют первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белка. Аминокислоты, соединенные между собой пептидными связями, определяют его первичную структуру. Белки первичной структуры с помощью водородных связей соединяются в спираль и образуют вторичную структуру. Полипептидные цепи, скручиваясь определенным образом в компактную структуру, образуют глобулу (шар) - третичная структура белка. Большинство белков имеет третичную структуру. Следует отметить, что аминокислоты активны только на поверхности глобулы. Белки с глобулярной структурой объединяются и формируют четвертичную структуру (например, гемоглобин). При воздействии высокой температуры, кислот и других факторов сложные белковые молекулы разрушаются – денатурация белка . При улучшении условий денатурированный белок способен восстанавливать свою структуру, если не разрушается его первичная структура. Этот процесс называется ренатурацией.

Белки отличаются видовой специфичностью: для каждого вида животных характерен набор определенных белков.

Различают белки простые и сложные. Простые состоят только из аминокислот (например, альбумины, глобулины, фибриноген, миозин и др.). В состав сложных белков, кроме аминокислот, входят и другие органические соединения, например, жиры и углеводы (липопротеиды, гликопротеиды и др.).

Белки выполняют следующие функции:

ферментативную (например, фермент амилаза расщепляет углеводы);

структурную (например, входят в состав мембран и др. органоидов клетки);

рецепторную (например, белок родопсин способствует лучшему зрению);

транспортную (например, гемоглобин переносит кислород или углекислый газ);

защитную (например, белки иммуноглобулины участвуют в формировании иммунитета);

двигательную (например, актин и миозин участвуют в сокращении мышечных волокон);

гормональную (например, инсулин превращает глюкозу в гликоген);

энергетическую (при расщеплении 1 г белка выделяется 4,2 ккал энергии).

Жиры (липиды) - соединения трёхатомного спирта глицерина и высокомолекулярных жирных кислот. Химическая формула жиров:

CH 2 -O-C(O)-R¹

CH 2 -O-C(O)-R³, где радикалы могут быть разными.

Функции липидов в клетке:

структурная (принимают участие в построении клеточной мембраны);

энергетическая (при распаде в организме 1 г жира выделяется 9,2 ккал энергии);

защитная (сохраняют от потери тепла, механических повреждений);

жир – источник эндогенной воды (при окислении 10 г жира выделяется 11 г воды);

регуляция обмена веществ.

Углеводы – их молекулу можно представить общей формулой С n (Н 2 О) n – углерод и вода.

Углеводы делят на три группы: моносахариды (включают одну молекулу сахара - глюкоза, фруктоза и др.), олигосахариды (включают от 2 до 10 остатков моносахаридов: сахароза, лактоза) и полисахариды (высокомолекулярные соединения – гликоген, крахмал и др.).

Функции углеводов:

служат исходными элементами для построения разнообразных органических веществ, например, при фотосинтезе - глюкоза;

основной источник энергии для организма, при их разложении с использованием кислорода выделяется больше энергии, чем при окислении жира;

защитная (например, слизь, выделяемая различными железами, содержит много углеводов; она предохраняет стенки полых органов (бронхи, желудок, кишечник) от механических повреждений; обладая антисептическими свойствами);

структурная и опорная функции: входят в состав плазматической мембраны.

Нуклеиновые кислоты – это фосфорсодержащие биополимеры. К ним относятся дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК) кислоты .

ДНК - самые крупные биополимеры, их мономером является нуклеотид . Он состоит из остатков трех веществ: азотистого основания, углевода дезоксирибозы и фосфорной кислоты. Известны 4 нуклеотида, участвующие в образовании молекулы ДНК. Два азотистых основания являются производными пиримидина – тимин и цитозин. Аденин и гуанин относят к производным пурина.

Согласно модели ДНК, предложенной Дж. Уотсоном и Ф. Криком (1953), молекула ДНК представляет собой две спирально обвивающие друг друга нити.

Две нити молекулы удерживаются вместе водородными связями, которые возникают между их комплементарными азотистыми основаниями. Аденин комплементарен тимину, а гуанин – цитозину. ДНК в клетках находится в ядре, где она вместе с белками образует хромосомы . ДНК имеется также в митохондриях и пластидах, где их молекулы располагаются в виде кольца. Основная функция ДНК – хранение наследственной информации, заключенной в последовательности нуклеотидов, образующих ее молекулу, и передача этой информации дочерним клеткам.

Рибонуклеиновая кислота одноцепочечная. Нуклеотид РНК состоит из одного из азотистых оснований (аденина, гуанина, цитозина или урацила), углевода рибозы и остатка фосфорной кислоты.

Различают несколько видов РНК.

Рибосомальная РНК (р-РНК) в соединении с белком входит в состав рибосом. На рибосомах осуществляется синтез белка. Информационная РНК (и-РНК) переносит информацию о синтезе белка из ядра в цитоплазму. Транспортная РНК (т-РНК) находится в цитоплазме; присоединяет к себе определенные аминокислоты и доставляет их к рибосомам – месту синтеза белка.

РНК находится в ядрышке, цитоплазме, рибосомах, митохондриях и пластидах. В природе есть еще один вид РНК – вирусная. У одних вирусов она выполняет функцию хранения и передачи наследственной информации. У других вирусов данную функцию выполняет вирусная ДНК.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) - является особым нуклеотидом, образованным азотистым основанием аденином, углеводом рибозой и тремя остатками фосфорной кислоты.

АТФ – универсальный источник энергии, необходимой для биологических процессов, протекающих в клетке. Молекула АТФ очень неустойчива и способна отщеплять одну или две молекулы фосфата с выделением большого количества энергии. Эта энергия расходуется на обеспечение всех жизненных функций клетки – биосинтеза, движения, генерации электрического импульса и др. Связи в молекуле АТФ называются макроэргическими. Отщепление фосфата от молекулы АТФ сопровождается выделением 40 кДж энергии. Синтез АТФ происходит в митохондриях.

Впервые химические вещества классифицировал в конце IX столетия арабский ученый Абу Бакр ар-Рази. Он, опираясь на происхождение веществ, распределили их по трем группам. В первой группе он отвел место минеральным, во второй - растительным и в третьей - животным веществам.

Этой классификации было суждено просуществовать почти целое тысячелетие. Лишь в XIX веке из тех групп сформировали две - органические и неорганические вещества. Химические вещества обоих типов строятся благодаря девяноста элементам, внесенным в таблицу Д. И. Менделеева.

Группа неорганических веществ

Среди неорганических соединений различают простые и сложные вещества. Группа простых веществ объединяет металлы, неметаллы и благородные газы. Сложные вещества представлены оксидами, гидроксидами, кислотами и солями. Все могут строиться из любых химических элементов.

Группа органических веществ

В состав всех органических соединений в обязательном порядке входит углерод и водород (в этом их принципиальное отличие от минеральных веществ). Вещества, образованные C и H называются углеводородами - простейшими органическими соединениями. В составе производных углеводородов находится азот и кислород. Они, в свою очередь, классифицированы на кислород- и азотсодержащие соединения.

Группа кислородсодержащих веществ представлена спиртами и эфирами, альдегидами и кетонами, карбоновыми кислотами, жирами, восками и углеводами. К азотсодержащим соединениям причислены амины, аминокислоты, нитросоединения и белки. У гетероциклических веществ положение двояко - они, в зависимости от строения, могут относиться и к тому и к другому виду углеводородов.

Химические вещества клетки

Существование клеток возможно, если в их состав входят органические и неорганические вещества. Они погибают, когда в них отсутствует вода, минеральные соли. Клетки умирают, если сильно обеднены нуклеиновыми кислотами, жирами, углеводами и белками.

Они способны к нормальной жизнедеятельности, если в них находится несколько тысяч соединений органической и неорганической природы, способных вступать во множество различных химических реакций. Биохимические процессы, текущие в клетке - основа ее жизнедеятельности, нормального развития и функционирования.

Химические элементы, насыщающие клетку

Клетки живых систем содержат группы химических элементов. Они обогащены макро-, микро- и ультрамикроэлементами.

• Макроэлементы, прежде всего, представлены углеродом, водородом, кислородом и азотом. Эти неорганические вещества клетки образуют практически все ее органические соединения. А еще к ним причислены жизненно необходимые элементы. Клетка не способна жить и развиваться без кальция, фосфора, серы, калия, хлора, натрия, магния и железа.
• Группа микроэлементов образована цинком, хромом, кобальтом и медью.
• Ультрамикроэлементы - еще одна группа, представляющая важнейшие неорганические вещества клетки. Группа сформирована золотом и серебром, оказывающим бактерицидное действие, ртутью, препятствующей обратному всасыванию воды, заполняющей почечные канальцы, оказывающей влияние на ферменты. В нее же включена платина и цезий. Определенную роль в ней отводят селену, дефицит которого ведет к различным видам рака.

Вода в составе клетки

Важность воды, распространенного на земле вещества для жизни клетки, неоспорима. В ней растворяются многие органические и неорганические вещества. Вода - та благодатная среда, где протекает невероятное количество химических реакций. Она способна растворять продукты распада и обмена. Благодаря ей клетку покидают шлаки и токсины.

Эта жидкость наделена высокой теплопроводностью. Это позволяет теплу равномерно распространяться по тканям тела. У нее существенная теплоемкость (способность поглощать теплоту, когда собственная температура изменяется минимально). Такая способность не позволяет возникать в клетке резким перепадам температур.

Вода обладает исключительно высоким поверхностным натяжением. Благодаря ему растворенные неорганические вещества, как и органические, без труда передвигаются по тканям. Множество небольших организмов, используя особенность поверхностного натяжения, держатся на водной поверхности и свободно по ней скользят.

Тургор растительных клеток зависит от воды. С опорной функцией у определенных видов животных справляется именно вода, а не какие-нибудь другие неорганические вещества. Биология выявила и изучила животных с гидростатическими скелетами. К ним относятся представители иглокожих, круглых и кольчатых червей, медуз и актиний.

Насыщенность клеток водой

Работающие клетки заполнены водой на 80 % от их общего объема. Жидкость пребывает в них в свободной и связанной форме. Белковые молекулы прочно соединяются со связанной водой. Они, окруженные водной оболочкой, изолируются друг от дружки.

Молекулы воды полярны. Они образуют водородные связи. Благодаря водородным мостикам вода обладает высокой теплопроводностью. Связанная вода позволяет клеткам выдерживать пониженные температуры. На долю свободной воды приходится 95 %. Она способствует растворению веществ, вовлекаемых в клеточный обмен.

Высокоактивные клетки в тканях мозга содержат до 85 % воды. Мышечные клетки насыщены водой на 70 %. Менее активным клеткам, образующим жировую ткань, достаточно 40 % воды. Она в живых клетках не только растворяет неорганические химические вещества, она ключевой участник гидролиза органических соединений. Под ее воздействием органические вещества, расщепляясь, превращаются в промежуточные и конечные вещества.

Важность минеральных солей для клетки

Минеральные соли представлены в клетках катионами калия, натрия, кальция, магния и анионами HPO 4 2- , H 2 PO 4 - , Cl - , HCO 3 - . Правильные пропорции анионов и катионов создают необходимую для жизни клетки кислотность. Во многих клетках поддерживается слабощелочная среда, которая практически не меняется и обеспечивает их стабильное функционирование.

Концентрация катионов и анионов в клетках отлична от их соотношения в межклеточном пространстве. Причина тому - активная регуляция, направленная на транспортировку химических соединений. Такое течение процессов обуславливает постоянство химических составов в живых клетках. После гибели клеток концентрация химических соединений в межклеточном пространстве и цитоплазме обретает равновесие.

Неорганические вещества в химической организации клетки

В химическом составе живых клеток нет каких-либо особых элементов, характерных только для них. Это определяет единство химических составов живых и неживых объектов. Неорганические вещества в составе клетки играют огромную роль.

Сера и азот помогают формироваться белкам. Фосфор участвует в синтезе ДНК и РНК. Магний - важная составляющая ферментов и молекул хлорофилла. Медь необходима окислительным ферментам. Железо - центр молекулы гемоглобина, цинк входит в состав гормонов, вырабатываемых поджелудочной железой.

Важность неорганических соединений для клеток

Соединения азота преобразуют белки, аминокислоты, ДНК, РНК и АТФ. В растительных клетках ионы аммония и нитраты в процессе окислительно-восстановительных реакций превращаются в NH 2 , становятся участниками синтеза аминокислот. Живые организмы используют аминокислоты для формирования собственных белков, необходимых для строительства тел. После гибели организмов белки вливаются в круговорот веществ, при их распаде азот выделяется в свободной форме.

Неорганические вещества, в составе которых есть калий, играют роль «насоса». Благодаря «калиевому насосу» в клетки сквозь мембрану проникают вещества, в которых они остро нуждаются. Калиевые соединения приводят к активизации жизнедеятельности клеток, благодаря им проводятся возбуждения и импульсы. Концентрация ионов калия в клетках весьма высока в отличие от окружающей среды. Ионы калия после гибели живых организмов легко переходят в природное окружение.

Вещества, содержащие фосфор, способствуют формированию мембранных структур и тканей. В их присутствии образуются ферменты и нуклеиновые кислоты. Солями фосфора в той или иной степени насыщены различные слои почвы. Корневые выделения растений, растворяя фосфаты, усваивают их. Вслед за отмиранием организмов остатки фосфатов, подвергаются минерализации, превращаясь в соли.

Неорганические вещества, содержащие кальций, способствуют формированию межклеточного вещества и кристаллов в растительных клетках. Кальций из них проникает в кровь, регулируя процесс ее свертывания. Благодаря ему формируются кости, раковины, известковые скелеты, коралловые полипы у живых организмов. Клетки содержат ионы кальция и кристаллы его солей.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

1. Органические и неорганические соединения в клетке

2. Нуклеиновые кислоты

3. Строение и биологические функции липидов

4. Нейтральные жиры и воски

5. Омыляемые сложные липиды

6. Неомыляемые липиды

Литература

1. Органические и неорганические соединения в клетке

В клетке содержится несколько тысяч веществ, которые участвуют в разнообразных химических реакциях. Химические процессы, протекающие в клетке, - одно из основных условий ее жизни, развития и функционирования.

Основные вещества клетки = Нуклеиновые кислоты + Белки + Жиры (липиды) + Углеводы + Вода + Кислород + Углекислый газ.

В неживой природе эти вещества нигде не встречаются вместе.

По количественному содержанию в живых системах все химические элементы подразделяются на три группы.

Макроэлементы . Основные или биогенные элементы, на их долю приходится более 95 % массы клеток клетки, входит в состав практически всех органических веществ клетки: углерод, кислород, водород, азот. А также жизненно важные элементы, количество которых составляет до 0,001% от массы тела - кальций, фосфор, сера, калий, хлор, натрий, магний и железо.

Микроэлементы - элементы, количество которых составляет от 0,001% до 0, 000001 % от массы тела: цинк, медь.

Ультрамикроэлементы - химические элементы, количество которых не превышает от 0,000001 % от массы тела. К ним относят золото, серебро оказывают бактерицидное воздействие, ртуть подавляет обратное всасывание воды в почечных канальцах, оказывая воздействие на ферменты. Так же сюда относят платину и цезий. Некоторые к этой группе относят и селен, при его недостатке развиваются раковые заболевания.

Химические вещества, входящие в состав клетки:

- неорганические - соединения, которые встречаются и в неживой природе: в минералах, природных водах;

- органические - химические соединения, в состав которых входят атомы углерода. Органические соединения чрезвычайно многообразны, но только четыре класса их имеют всеобщее биологическое значение: белки, липиды (жиры), углеводы, нуклеиновые кислоты, АТФ.

Неорганические соединения

Вода - одно из самых распространённых и важных веществ на земле. В воде растворяется больше веществ, чем в любой другой жидкости. Именно поэтому в водной среде клетки осуществляется множество химических реакций. Вода растворяет продукты обмена веществ и выводит их из клетки и организма в целом. Вода обладает высокой теплопроводностью, что создаёт возможность равномерного распределения теплоты между тканями тела.

Вода обладает большой теплоемкостью, т.е. способностью поглощать теплоту при минимальном изменении собственной температуры. Благодаря этому она предохраняет клетку от резких изменений температуры.

Минеральные соли находятся в клетке, как правило, в виде катионов K + , Na + , Ca 2+, Mg 2 + и анионов (HPO 4 2 - H 2 PO 4 - , Сl - , HCO 3), соотношение которых определяет важную для жизнедеятельности клеток кислотность среды. (У многих клеток среда слабощелочная и ее pH почти не изменяется, так как в ней постоянно поддерживается определенное соотношение катионов и анионов.)

Органические соединения

Углеводы широко распространены в живых клетках. В состав молекулы углеводов входит углерод, водород и кислород.

К липидам относятся жиры, жироподобные вещества. В клетке при окислении жиров образуется большое количество энергии, которая используется на различные процессы. Жиры могут накапливаться в клетках и служить запасом энергии.

Белки - обязательная составная часть всех клеток. В состав этих биополимеров входят 20 типов мономеров. Такими мономерами являются аминокислоты. Образование линейных молекул белков происходит в результате соединения аминокислот друг с другом. Карбоксильная группа одной аминокислоты сближается с аминогруппой другой, и при отщеплении молекулы воды между аминокислотными остатками возникает прочная ковалентная связь, называемая пептидной. Соединение, состоящее из большого числа аминокислот, называется полипептидом. Каждый белок по составу является полипептидом.

Нуклеиновые кислоты. В клетках имеются два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Нуклеиновые кислоты выполняют в клетке важнейшие биологические функции. В ДНК хранится наследственная информация обо всех свойствах клетки и организма в целом. Различные виды РНК принимают участие в реализации наследственной информации через синтез белка.

Особо важную роль в биоэнергетике клетки играет адениловый нуклеотид, к которому присоединены два остатка фосфорной кислоты - аденозинтри-фосфорная кислота (АТФ). Энергию АТФ все клетки используют для процессов биосинтеза, движения, производства тепла, нервных импульсов, то есть для всех процессов жизнедеятельности. АТФ - универсальный биологический аккумулятор энергии. Световая энергия Солнца и энергия, заключённая в потребляемой пище, запасаются в молекулах АТФ.

Органические соединения в клетке

В составе клеток содержится множество органических соединений. Мы рассмотрим наиболее важные группы, которые определяют основные свойства клетки и организма в целом. К ним относятся Б, Ж, У, НК, АТФ.

Многие органические соединения, входящие в состав клетки, характеризуются большим размером молекул и называются макромолекулами. Обычно они состоят из повторяющихся, сходных по структуре низкомолекулярных соединений, ковалентно связанных между собой - мономеров. Образованная мономерами макромолекула называется полимером. Большинство природных полимеров построены их одинаковых мономеров и называются регулярными (А-А-А-А-А), полимеры, в которых нет определенной последовательности мономеров называются нерегулярными (А-Б-В-Б-В-А)

Белки

Больше всего в клетке, после воды, содержится белков - 10-20%. Белки - нерегулярные полимеры, мономерами которых являются АК. Белки, по сравнению с обычными органическими соединениями, обладают рядом существенных особенностей: огромная молекулярная масса. Молекулярная масса одного из белков яйца равна 36000, а одного из мышечных белков достигает 1500000 кДа. В то время как молекулярная масса бензола 78, а этилового спирта - 46. Ясно, что белковая молекула по сравнению с ними - великан.

Как было сказано выше, мономерами белков являются АК. В составе белковых полимеров обнаружено 20 различных аминокислот, каждая их которых имеет особое строение, свойство и название. При этом, молекула каждой АК состоит из двух частей. Одна из которых одинаковая у всех аминокислот и в ее состав входит аминогруппа и кислотная карбоксильная группа, а другая - различна и называется радикалом. Через общую группировку происходит сцепление АК при образовании белкового полимера. Между соединившимися АК возникает связь -HN-CO-, называемая пептидной связью, а образовавшееся соединение - пептидом. Из двух АК образуется дипептид (димер), из трех - трипептид (триммер), из многих - полипептид (полимер).

Белки различаются по АК составу и по числу АК звеньев, и по их порядку расположения в цепи. Если обозначить каждую АК буквой, то получится алфавит из 20 букв.

Строение молекулы белка. Если учесть, что размер каждого АК звена составляет около 3 ангстрем, то очевидно, макромолекула белка, которая состоит из нескольких сотен АК звеньев, должна была представлять собой огромную цепь. В действительности макромолекулы белка имеют вид шариков (глобул). Следовательно, в природном белке полипептидная цепь каким-то образом закручена, как-то уложена. Исследования показали, что в укладке полипептидной цепи нет ничего случайного и хаотичного, каждому белку присущ определенный постоянный характер укладки.

Выделяют несколько уровней организации белковой молекулы:

· первичная структура белка, представляющая собой полипептидную цепь, состоящую из цепи аминокислотных звеньев, связанных между собой пептидными связями.

· вторичная структура белка, где белковая нить закручивается в виде спирали. Витки спирали располагаются тесно, и между атомами и аминокислотными радикалами, находящимися на соседних витках, возникает напряжение. В частности, между пептидными связями, расположенными на соседних витках, образуются водородные связи (между NH- и CO-группами). Водородные связи слабее ковалентных, но повторяясь многократно, они дают прочное сцепление. Такая структура является довольно устойчивой. Вторичная структура подвергается дальнейшей укладке.

· третичная структура белка поддерживается еще более слабыми связями, чем водородные - гидрофобными. Несмотря на их слабость, в сумме они дают значительную энергию взаимодействия. Участие "слабых" связей в поддержание специфической структуры белковой макромолекулы обеспечивает ее достаточную устойчивость и высокую подвижность.

· четвертичная структура белка образуется в результат соединения нескольких белковых макромолекул друг с другом, которые и являются мономерами макромолекулы белка. Крепление четвертичной структуры обусловлена наличием слабых связей и -S-S- связи.

Чем выше уровень организации белка, тем слабее поддерживающие его связи. Под влияние различных физических и химических факторов - высокой температуры, действия химических веществ, лучистой энергии и др. - "слабые" связи рвутся, структура белка - четвертичная, третичная и вторичная - деформируются, разрушаются и свойства его изменяются. Нарушение природной уникальной структуры белка называется денатурацией. Степень денатурации белка зависит от интенсивности воздействия на него различного фактора: чем интенсивнее воздействие, тем глубже денатурация. Белки отличаются друг от друга по легкости денатурации: яичный белок - 60-70 єС, сократительный белок мышц - 40-45єС. Многие белки денатурируются от ничтожных концентраций химических веществ, а некоторые даже от незначительного механического воздействия.

Процесс денатурации обратим, т.е. денатурированный белок может перейти обратно в природный. Даже полностью развернутая молекула способна самопроизвольно восстановить свою структуру. Отсюда следует, что все особенности строения макромолекулы природного белка определяются первичной структурой, т.е. составом АК и порядком их следования в цепи.

Роль белков в клетке. Значение белков для жизни велико и многообразно. Прежде всего, белки - строительный материал. Они участвуют в образовании оболочки, органоидов и мембран клетки. У высших животных из белков построены кровеносные сосуды, сухожилия, волосы и т.д.

Громадное значением имеет каталитическая роль белков. Скорость химических реакций зависит от свойств реагирующих веществ и от их концентрации. Чем вещества активнее, чем концентрация их больше, тем скорость реакции выше. Химическая активность клеточных веществ, как правило, невелика. Концентрация их в клетке большей частью незначительна. Т.е. реакции в клетке должны протекать очень медленно. А между тем известно, что химические реакции внутри клетки протекают со значительной скоростью. Это достигается благодаря наличию в клетке катализаторов. Все клеточные катализаторы - белки. Их называют биокатализаторами, а чаще - ферментами. По химической структуре катализаторы - белки, т.е. они состоят из обычных АК, обладают вторичной и третичной структурами. В большинстве случаев ферменты катализируют превращение веществ, размеры молекул которых по сравнению с макромолекулами ферментов очень малы. Почти каждая химическая реакции в клетке катализируется своим собственным ферментом.

Кроме каталитической роли очень важна двигательная функция белков. Все виды движений, к которым способны клетки и организмы, - сокращение мышц у высших животных, мерцание ресничек у простейших, движение жгутиков, двигательные реакции у растений - выполняют особые сократительные белки.

Еще одна функция белков - транспортная. Белок крови гемоглобин присоединяя к себе кислород, разносит его по всему организму.

При введении в организм чужеродных веществ или клеток в нем происходит выработка особых белков, называемых антителами, которые связывают и обезвреживают чужеродные тела. В этом случае белки выполняют защитную роль.

Наконец, существенная значительна роль белков как источника энергии. Белки распадаются в клетке до АК. Часть их расходуется на синтез белков, а часть подвергается глубокому расщеплению, в ходе которого освобождается энергия. При полном распаде 1 г белка освобождается 17,6 кДж (4,2 ккал).

Углеводы

В животной клетке углеводы содержатся в небольшом количестве - 0,2-2%. В клетках печени и мышцах содержание их более высокое - до 5 %. Наиболее богаты углеводами растительные клетки. В высушенных листьях, семенах, плодах, клубнях картофеля их почти 90%.

Углеводы - органические вещества, в состав которых входят углерод, кислород и водород. Все углеводы разделяются на две группы: моносахариды и полисахариды. Несколько молекул моносахаридов, соединяясь между собой с выделением воды, образуют молекулы полисахарида. Полисахариды - полимеры, в которых роль мономеров играют моносахариды.

Моносахариды . Эти углеводы называются простыми сахарами. Они состоят из одной молекулы и представляют собой бесцветные, твердые кристаллические вещества, сладкие на вкус. В зависимости от числа углеродных атомов, входящих в состав молекулы углевода, различают триозы - моносахариды, содержащие 3 атома углерода; тетраозы - 4 атома углерода; пентозы - 5 атомов углерода, гексозы - 6 атомов углерода.

Глюкоза в свободном состоянии встречается как в растениях, так и в животных организмах.

Глюкоза - первичный и главный источник энергии для клеток. Она обязательно находится в крови. Снижение ее количества в крови приводит к нарушению жизнедеятельности нервных и мышечных клеток, иногда сопровождается судорогами и обморочным состоянием.

Глюкоза является мономером таких полисахаридов как крахмал, гликоген, целлюлоза.

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 короче, чем у глюкозы, что имеет большое значение при питании больного диабетом, когда глюкоза очень слабо усваивается клетками.

Полисахариды . Из двух моносахаров образуются дисахариды, из трех - трисахариды, из многих - полисахариды. Ди- и трисахариды, подобно моносахаридам, хорошо растворимы в воде, обладают сладким вкусом. С увеличением числа мономерных звеньев растворимость полисахаридов уменьшается, сладкий вкус исчезает.

Сахароза состоит из остатков сахарозы и фруктозы. Чрезвычайно широко распространена в растениях. Играет большую роль в питании многих животных и человека. Хорошо растворима в воде. Главный источник получения ее в пищевой промышленности - сахарная свекла и сахарный тростник.

Лактоза - молочный сахар, имеет в составе глюкозу и галактозу. Этот дисахарид находится в молоке и является основным источником энергии для детенышей млекопитающего. Используется в микробиологии для приготовления питательных сред.

Мальтоза состоит из двух молекул глюкозы. Мальтоза - основной структурный элемент крахмала и гликогена.

Крахмал - резервный полисахарид растений; содержится в большом количестве в клетках клубней картофеля, плодов и семян. Находится в виде зернышек слоистого строения, нерастворимых в холодной воде. В горячей воде крахмал образует коллоидный раствор.

Гликоген - полисахарид, содержащийся в клетках животных и человека, а также в грибах, в т.ч. и дрожжах. Он играет важную роль в обмене углеводов в организме. В значительных количествах накапливается в клетках печени, мышцах, сердце. Является поставщиком глюкозы в кровь.

Функции углеводов .

Энергетическая функция , т.к. углеводы служат основным источником энергии для организма, для осуществления любой формы клеточной активности. Углеводы подвергаются в клетке глубокому окислению и расщеплению до простейших продуктов: СО 2 и Н 2 О. В ходе этого процесса освобождается энергия. При полном расщеплении и окислении 1 г углеводов освобождается 17,6 кДж (4,2 ккал) энергии.

Структурная функция . Во всех без исключения клетках обнаружены углеводы и их производные, которые входят в состав клеточных оболочек, принимают участие в синтезе многих важнейших веществ. В растениях полисахариды выполняют опорную функцию. Так целлюлоза входит в состав клеточной стенки бактерий и растительных клеток, хитин образует клеточные стенки грибов и хитиновый покров тела членистоногих. Углеводы обеспечивают процесс узнавания клетками друг друга. Благодаря этому происходит опознание сперматозоидами яйцеклетки своего биологического вида, клетки одного типа удерживаются вместе с образованием тканей, отторгаются несовместимые организмы и трансплантаты.

Запасание питательных веществ . В клетках углеводы накапливаются в виде крахмала у растений и гликогена у животных и грибов. Эти вещества представляют собой запасную форму углеводов и расходуются по мере возникновения потребности в энергии. В печени при полноценном питании 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 предохраняются стенки полых органов (пищевода, кишечника, желудка, бронхов) от механических повреждений, проникновения вредных бактерий и вирусов. Углеводы запускают сложные каскады иммунных реакций

Углеводы входят в состав носителей генетической информации - нуклеиновых кислот: рибоза - РНК, дезоксирибоза - ДНК; рибоза входит в состав основного носителя энергии клетки - АТФ, акцепторов водорода - ФАД, НАД, НАДФ.

Липиды

Под термином липиды объединяют жиры и жироподобные вещества. Липиды - органические соединения с различной структурой, но общими свойствами. Они нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях: эфире, бензине, хлороформе. Липиды очень широко представлены в живой природе и играют чрезвычайно важную роль в клетке. Содержание жира в клетках составляет от 5-15% от сухой массы. Однако существуют клетки содержание жира, в которых достигает почти 90% от сухой массы - клетки жировой ткани. Жир содержится в молоке всех млекопитающих животных, причем самок дельфинов содержание жира в молоке достигает 40%. У некоторых растений большое количество жира сосредоточено в семенах и плодах (подсолнечника, грецкого ореха)

По химической структуре жиры представляют собой соединения глицерина (трехатомного спирта) с высокомолекулярными органическими кислотами. Из них чаще всего встречается пальмитиновая

(СН 3 -(СН 2) 14 -СООН),

стеариновая

(СН 3 -(СН 2) 16 -СООН),

олеиновая

(СН 3 -(СН 2) 7 -СН=СН-(СН 2) 7 СООН)

жирные кислоты.

Из формулы видно, что молекула жира содержит остаток глицерина - вещества хорошо растворимого в воде, и 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 вверх "торчат" цепочки жирных кислот. Такая организация веществ, входящих в состав клеточных мембран, препятствует смешиванию содержимого клетки с окружающей средой.

Кроме жира, в клетке обычно присутствует довольно большое количество веществ, обладающих, как и жиры, сильно гидрофобными свойствами - липоиды, которые по химической структура сходны с жирами. Особенно много их содержится в желтке яйца, в клетках мозговой ткани.

Функции липидов.

Биологическое значение жира многообразно. Прежде всего, велико его значение как источника энергии - энергетическая функция . Жиры, как и углеводы, способны расщепляться в клетке до простых продуктов (СО 2 и Н 2 О), и в ходе этого процесса освобождается 38,9 кДж на 1 г жира (9,3 ккал), что в два раза больше по сравнению с углеводами и белками.

Структурная функция . Двойной слой фосфолипидов является основой клеточной мембраны. Липиды принимают участие в образовании многих биологически важных соединений: холестерина (желчные кислоты), зрительного пурпура глаза (липопротеины); необходимы для нормального функционирования нервной ткани (фосфолипиды).

Функция запасания питательных веществ . Жиры являются своего рода энергетическими консервантами. Жировыми депо могут быть и капли жира внутри клетки, и "жировое тело" у насекомых, и подкожная клетчатка. Жиры являются основным источником энергии для синтеза АТФ, источником метаболической воды (т.е. воды, образующейся входе обмена веществ), которая образуется в ходе окисления жира и очень важна для обитателей пустыни. Поэтому жир в горбе верблюда служит в первую очередь источником воды. химический органический липид углевод

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.

У многих млекопитающих существует специальная жировая ткань, играющая в основном роль терморегулятора, своеобразного биологического обогревателя. Это ткань называют бурым жиром, т.к. она имеет бурый цвет, т.к. богата митохондриями красно-бурой окраски из-за находящихся в ней железосодержащих белков. В этой ткани производится тепловая энергия, имеющая важной значение для млекопитающих в условиях жизни при низких температурах.

Защитная функция . Гликолипиды участвуют распознавании и связывании токсинов возбудителей опасных болезней - столбняк, холера, дифтерия. Воски являются водоотталкивающим покрытием? У растений восковой налет есть на листьях, плодах, семенах, у животных воски входят в состав соединений, покрывающих кожу, шерсть, перья.

Регуляторная функция . Многие гормоны являются производными холестерина: половые (тестостерон у мужчин и прогестерон у женщин). Жирорастворимые витамины (А, D, E, K) необходимы для роста и развития организма. Терпенами являются душистые вещества растений, привлекающие насекомых-опылителей, гиббереллины - регуляторы роста растений.

2. Нуклеиновые кислоты

Название "нуклеиновые кислоты" происходит от латинского "нуклеус" - ядро. Они впервые были обнаружены и выделены из ядерных клеток. Впервые их описал в 1869 году швейцарский биохимик Фридрих Мишер. Из остатков клеток, содержащихся в гное, он выделил вещество, в состав которого входят азот и фосфор. НК - природные высокомолекулярные органические соединения, обеспечивающие хранение и передачу наследственной (генетической) информации в живых организмах. НК - важные биополимеры, построенные из большого числа мономерных единиц, называемых нуклеотидами, определяющие основные свойства живого.

В природу существуют НК двух типов, различающихся по составу, строению и функциям:

ДНК - полимерная молекула, состоящая из тысячи и даже миллионов мономеров - дезоксирибонуклеотидов (нуклеотид). ДНК содержится преимущественно в ядре клеток, а также небольшое количество в митохондриях и хлоропластах. Количество ДНК в клетке относительно постоянно.

Нуклеотид, являющийся мономером, является продуктом химического соединения трех разных веществ: азотистого основания, углевода (дезоксирибозы) и фосфорной кислоты. В ДНК входят 4 типа нуклеотидов, отличающихся лишь по структуре азотистого основания: пуриновые основания - аденин и гуанин, пиримидиновые основания - цитозин и тимин.

Сцепление нуклеотидов между собой, когда они соединяются в цепь ДНК, происходит через фосфорную кислоту. За счет гидроксила фосфорной кислоты одного нуклеотида и гидроксила дезоксирибозы соседнего нуклеотида выделяется молекула воды, и остатки нуклеотидов соединяются прочной ковалентной связью.

При этом следует отметить, что количество пуриновых оснований аденина (А) равно количеству пиримидиновых оснований тимина (Т), т.е. А=Т; количество пурина гуанина (Г) всегда равно количеству пиримидина - цитозина Г=Ц - правило Чаргаффа.

ДНК состоит из двух спирально закрученных одна вокруг другой полинуклеотидных цепей. Ширина спирали около 20 ангстрем, а длина значительно велика и может достигать нескольких десятков и даже сотен микрометров. А цепи каждой ДНК нуклеотиды следуют в определенном и постоянном порядке. При замене хотя бы одного нуклеотида возникает новая структура с новыми свойствами.

При образовании спирали азотистые основания одной цепи располагаются точно против азотистых оснований другой. В расположении противоположных нуклеотидов имеется важная закономерность: против А одной цепи оказывается всегда Т другой цепи, а против Г - только Ц - комплементарность. Объясняется это тем, что края молекул А = Т, Г? Ц соответствуют друг другу геометрически. При это между молекулами образуются водородные связи, причем связь Г-Ц более прочная. Двойная спираль прошита многочисленными слабыми водородными связями, что обуславливает ее прочность и подвижность.

Принцип комплементарности позволяет понять, как синтезируются новые молекулы ДНК незадолго до деления клетки. Этот синтез обусловлен замечательной способностью ДНК к удвоению и определяет передачу наследственных свойств от материнской клетки к дочерней.

Спиральная двутяжня цепь ДНК начинает раскручиваться с одного конца, и на каждой цепи из находящейся в окружающей среде свободных нуклеотидов собирается новая цепь. Сборка новой цепи идет согласно принципу комплементарности. В результате вместо одной молекулы ДНК возникают две молекулы точно такого же нуклеотидного состава, как и первоначальная. При этом одна цепь материнская, а другая синтезируется вновь.

РНК - полимер, мономером которого является рибонуклеотид. РНК находится в ядре и цитоплазме. Количество РНК в клетке постоянно колеблется. РНК представляет собой однонитевую молекулу, построенную таким же образом, как и одна из цепей ДНК. Нуклеотиды РНК очень близки, хотя и не тождественны нуклеотидам ДНК. Их тоже 4, состоят они из азотистого основания, пентозы и фосфорной кислоты. Три основания совершенно одинаковы ДНК: А, Г, Ц, однако вместо Т, присутствующего в ДНК, в состав РНК входит У. В РНК вместо углевода дезоксирибозы - рибоза. Связь между нуклеотидами также осуществляется через остаток фосфорной кислоты.

3. Строение и биологические функции липидов

Липиды - это органические соединения, как правило, растворимые в органических растворителях, но не растворимые в воде.

Липиды - один из важнейших классов сложных молекул, присутствующих в клетках и тканях животных. Липиды выполняют самые разнообразные функции: снабжают энергией клеточные процессы, формируют клеточные мембраны , участвуют в межклеточной и внутриклеточной сигнализации. Липиды служат предшественниками стероидных гормонов, жёлчных кислот, простагландинов и фосфоинозитидов. В крови содержатся отдельные компоненты липидов (насыщенные жирные кислоты, мононенасыщенные жирные кислоты и полиненасыщенные жирные кислоты), триглицериды, холестерин, эфиры холестерина и фосфолипиды. Все эти вещества не растворимы в воде, поэтому в организме имеется сложная система транспорта липидов. Свободные (неэтерифицированные) жирные кислоты переносятся кровью в виде комплексов с альбумином. Триглицериды, холестерин и фосфолипиды транспортируются в форме водорастворимых липопротеидов. Некоторые липиды используются для создания наночастиц, например, липосом. Мембрана липосом состоит из природных фосфолипидов, что определяет их многие привлекательные качества. Они нетоксичны, биодеградируемы, при определённых условиях могут поглощаться клетками, что приводит к внутриклеточной доставке их содержимого. Липосомы предназначены для целевой доставки в клетки препаратов фотодинамической или генной терапии, а также компонентов другого назначения, например, косметического.

Липиды крайне разнообразны по своему химическому строению и свойствам. В зависимости от способности к гидролизу, липиды подразделяют на омыляемые и неомыляемые.

В свою очередь, в зависимости от особенностей химического строения омыляемые липиды подразделяют на простые и сложные. При гидролизе простых липидов образуются два вида соединений - спирты и карбоновые кислоты.

К простым омыляемым липидам относятся жиры и воски.

К сложным омыляемым липидам относятся фосфолипиды, сфинголипиды и гликолипиды, которые при гидролизе образуют три или более вида соединений.

К неомыляемым липидам относятся стероиды, терпены, жирорастворимые, простагландины.

Биологические функции липидов крайне разнообразны. Они являются: главными компонентами биомембран; запасным, изолирующим и защищающим органы и ткани материалом; наиболее калорийной частью пищи; важным и обязательным компонентом диеты человека и животных; регуляторами транспорта воды и солей; иммуномодуляторами; регуляторами активности некоторых ферментов; эндогормонами; передатчиками биологических сигналов. Этот список увеличивается по мере изучения липидов. Поэтому для понимания сути многих биологических процессов нужно иметь представление о липидах на таком же уровне, как о белках, нуклеиновых кислотах и углеводах.

4. Н ейтральные жиры и воски

Нейтральные жиры. Нейтральные жиры - это наиболее распространенные в живой природе липиды. По химическому строению они представляют собой сложные эфиры глицерина и высших жирных монокарбоновых кислот - триацилглицерины.

Все природные жиры содержат один и тот же спирт - глицерин, и наблюдаемые различия в биохимических и физико-химических свойствах между жирами обусловлены строением боковых радикалов (R1, R2, R3), представленных остатками жирных кислот. Липиды, обнаруженные в организме человека, содержат разнообразные жирные кислоты. В настоящее время известно свыше 800 природных жирных кислот. Для обозначения жирных кислот в биохимии принято использовать упрощенные числовые символы, которые задают параметры химического строения кислоты, а именно: первая цифра - это число атомов углерода в ее молекуле, цифра после двоеточия - это число двойных связей, а цифры в скобках указывают на атомы углерода, при которых располагается двойная связь. Например, числовой код молекулы олеиновой кислоты - 18: 1 (9) означает, что в ее состав входит 18 атомов углерода, и имеется одна двойная связь, расположенная между 8 и 9 атомами углерода.

Жирные кислоты, встречающиеся в составе природных липидов, как правило, содержат четное число атомов углерода, имеют неразветвленное строение (прямоцепочечная цепь) и подразделяются на насыщенные, моно- и полиненасыщенные. Из насыщенных жирных кислот наиболее часто встречаются пальмитиновая, стеариновая и арахиновая кислоты; из мононенасыщенных - олеиновая; а из полиненасыщенных - линолевая, линоленовая и арахидоновая кислоты. Ненасыщенные природные жирные кислоты имеют цис-конфигурацию, придающую углеводородной цепи укороченный и изогнутый вид, что имеет важное биологическое значение.

Содержание ненасыщенных жирных кислот в природных триацилглице-ринах выше, чем насыщенных. В связи с тем, что в отличие от насыщенных, ненасыщенные жирные кислоты имеют более низкую температуру плавления, содержащие их нейтральные жиры остаются жидкими даже при температуре ниже 5 0 С. Поэтому преобладание в нейтральных жирах ненасыщенных жирных кислот особенно полезно для организмов, существующих в условиях низких температур. Ненасыщенные жирные кислоты (олеиновая, линолевая) преобладают также в растительных жирах, называемых маслами. За счет высокого содержания насыщенных жирных кислот животные жиры при комнатной температуре имеют твердую консистенцию. Жидкие жиры могут быть превращены в твердые, путем гидрирования двойных связей ненасыщенных жирных кислот в присутствии катализаторов. Как правило, гидрирование проводят при температуре 175-190С, небольшом избыточном давлении в присутствии никеля в качестве катализатора. Такой процесс используется в пищевой промышленности при изготовлении пищевых жиров. Так, маргарин представляет собой смесь гидрированных жиров с добавлением молока и других веществ.

Триацилглицерины могут содержать одинаковые (простые триацилгли-церины) или разные ацильные остатки (сложные триацилглицерины):

Природные жиры представляют собой смесь разнообразных триацилглицеринов, в которой массовая доля смешанных триацилглицеринов очень высока. Например, молочный жир в основном образован олеопальмитобутирилглицерином.

В связи с тем, что животные и растительные жиры представляют собой смеси сложных триацилглицеринов, находящихся в разных поли-морфных кристаллических формах, они плавятся в определенном температурном интервале.

Таким образом, свойства жиров определяются качественным составом жирных кислот и их количественным соотношением. Для характеристики свойств жира используют такие константы (жировые числа), как кислотное число, йодное число и др.

Кислотное число определяется массой КОН [мг], которая необходима для нейтрализации свободных жирных кислот, содержащихся в 1 г жира. Кислотное число является важным показателем качества природных жиров: его увеличение при хранении жировых продуктов свидетельствует о происходящих в жире процессах гидролиза.

Йодное число - масса йода [мг], связываемая 100 г жира - дает представление о содержании в жире ненасыщенных жирных кислот. Жиры практически нерастворимы в воде и хорошо растворимы в органических растворителях. Однако в присутствии поверхностно-активных веществ (ПАВ), таких как желчные кислоты, белки, мыла, шампуни, они могут образовывать устойчивые эмульсии в воде. На этом свойстве основаны процессы усвоения жиров в организме и моющего действия растворов ПАВ. Устойчивой, сложной (эмульсия и суспензия) природной дисперсной системой является молоко, в котором частички жидких и твердых жиров стабилизированы белками.

Низкая электро- и теплопроводность жиров обусловлена их неполярной природой, и именно поэтому жиры для многих живых организмов служат защитой, как от охлаждения, так и от перегрева.

Под действием света, кислорода воздуха и влаги, при контакте с металлическими поверхностями жиры в процессе хранения подвергаются окислению и гидролизу и приобретают неприятный вкус и запах (прогоркание) за счет образования альдегидов и кислот с короткими цепями, например, масляной кислоты. Процесс прогоркания предотвращают добавлением антиоксидантов, наиболее активным и нетоксичным из которых является витамин Е.

Воски - продукты различного происхождения, которые присутствуют в организмах животных, в микроорганизмах и растениях. Воски состоят главным образом из сложных эфиров высших насыщенных и ненасыщенных монокарбоновых кислот и высших одно- или многоатомных спиртов жирного (реже ароматического) ряда. Причем и кислоты, и спирты обычно содержат четное число атомов углерода. Кроме того, воски могут содержать небольшое количество свободных жирных кислот, многоатомных спиртов, насыщенных углеводородов, душистых и красящих веществ.

Сложные эфиры восков подвергаются омылению труднее, чем жиры. Они также растворяются только в органических растворителях. Температуры плавления большинства восков лежат в интервале 40-90°С, и их можно формовать при нагревании.

Воски подразделяются на природные и животные. У многих растений воски составляют 80% от всех липидов. Растительные воски обычно содержат, помимо эфиров с большой молекулярной массой, еще и значительное количество насыщенных углеводородов. Покрывая тонким слоем листья, стебли и плоды, воски защищают растения от вредителей и болезней, а также от лишней потери воды. Растительные воски применяются в фармакологии, технике, а также в бытовых и косметических целях. Примером животных восков служит пчелиный воск, содержащий кроме высших эфиров 15% высших карбоновых кислот (С 16-С 36) и 12-17% высших углеводородов (С 21-С 35); ланолин - сложная смесь различных восков, кислот и спиртов, покрывающая шерсть овец, в отличие от других восков, ланолин образует устойчивые эмульсии с водой при ее избытке; спермацет - смесь эфиров мирицилового и цетилового спирта и пальмитиновой кислоты, содержится в черепной полости кашалота и служит ему звукопроводом при эхолокации.

Животные воски используются в фармакологии и косметологии для приготовления различных кремов и мазей, а также для изготовления кремов для обуви.

5. О мыляемые сложные липиды

Омыляемые сложные липиды подразделяют на фосфо-, сфинго- и глико-липиды. Омыляемые сложные липиды являются сложными эфирами глицерина или сфингозина и жирных кислот. Но, в отличие от нейтральных жиров, в молекулах сложных липидов присутствуют остатки фосфорной кислоты или углеводов.

Омыляемые сложные липиды - это эффективные поверхностно-активные вещества, содержащие одновременно как гидрофобные, так и гидрофильные фрагменты. Рассмотрим особенности химического строения основных представителей омыляемых сложных липидов.

Фосфолипиды .

Природные фосфолипиды являются производными фосфатидной кислоты, состоящей из остатков глицерина, фосфорной и жирных кислот. Фосфолипиды содержат два остатка жирных кислот (R1 и R2) и дополнительный полярный радикал (R3), как правило, представленный остатком азотистого основания и соединенный эфирной связью с фосфатной группой.

Главными представителями природных фосфолипидов являются фосфатидилэтаноламин (кефалин) - R3 - остаток этаноламина, фосфатидилхолин (лецитин) - R3 - остаток холина, фосфатидилсерин - R3 - остаток серина и фосфатидилинозит - R3 -остаток инозита.

Все перечисленные выше соединения обладают избирательной растворимостью в органических растворителях, практически не растворимы в ацетоне, что используется для отделения фосфолипидов от других липидов. За счет двойных связей в углеводородных цепях ненасыщенных жирных кислот фосфолипиды легко окисляются кислородом воздуха, меняя при этом окраску от светло-желтой до коричневой.

Фосфолипиды составляют основу липидного слоя биологических мембран и очень редко встречаются в составе запасных отложений жиров. Преимущественное участие фосфолипидов в формировании клеточных мембран объясняется их способностью выступать в роли поверхностно-активных веществ и образовывать молекулярные комплексы с белками - хиломикроны, липопротеины. В результате межмолекулярных взаимодействий, удерживающих друг возле друга углеводородные радикалы, образуется внутренний гидрофобный слой мембраны. Полярные фрагменты, расположенные на внешней поверхности мембраны, образуют гидрофильный слой.

Благодаря полярности молекул фосфолипидов обеспечивается односторонняя проницаемость клеточных мембран. В связи с этим фосфолипиды широко распространены в растительных и животных тканях, особенно в нервной ткани человека и позвоночных животных. В микроорганизмах они являются преобладающей формой липидов.

Все вышеперечисленные свойства фосфолипидов обусловливают эффект снижения пограничного натяжения на внутренних стенках альвеол, что облегчает диффузию молекулярного кислорода и способствует его проникновению в легочное пространство и последующему присоединению к гемоглобину. Альвеолы клетки синтезируют и продуцируют специфическую слизь, которая состоит из 10% белков и 90% фосфолипидов, гидратированных водой. Эту смесь называют "легочный сурфактант" (от англ. surface active agent - поверхностно-активный агент).

Различия в строении радикала R3 практически не влияют на биохимические свойства фосфолипидов. Так, и фосфатидилэтаноламины (кефалины) и фосфатидилсерины участвуют в формировании мембран клеток. Фосфатидил-холины в большом количестве содержатся в желтках яиц птиц (по этой причине и получили свое название лецитины от греч. lecitos - желток), в мозговой ткани человека и животных, в соевых бобах, семенах подсолнечника, зародышах пшеницы. Причем, холин (витаминоподобное соединение) может присутствовать в тканях и в свободном виде, выполняя роль донора метильных групп в процессах синтеза различных веществ, например, метионина. Поэтому при недостатке холина наблюдается нарушение обмена веществ, которое приводит, в частности, к жировому перерождению печени. Производное холина - ацетилхолин - является медиатором нервной системы. Фосфатидилхолины широко используются в медицине при лечении заболеваний нервной системы, в пищевой промышленности как биологически активные добавки (в шоколад, маргарин), а также в качестве антиоксидантов. Фосфатидилинозиты представляют интерес как предшественники простагландинов - биохимических регуляторов, особенно высоко их содержание в нервных волокнах спинного мозга. Инозит, как и холин, является витаминоподобным соединением.

Сфинголипиды .

Природные сфинголипиды являются структурными аналогами фосфолипидов, содержащими вместо глицерина ненасыщенный двухатомный аминоспирт сфингозин или его ненасыщенный аналог дигидросфингозин.

Заместители у двойной связи в молекуле сфингозина находятся в трансположении, а расположение заместителей у асимметричных атомов углерода соответствует D-конфигурации.

Самыми распространенными сфинголипидами являются сфингомиелины.

В сравнении с фосфолипидами, сфинголипиды более устойчивы к действию окислителей. Они нерастворимы в эфире, что используется при их отделении от фосфолипидов. Сфинголипиды входят в состав мембран растительных и животных клеток, особенно богата ими нервная ткань.

Гликолипиды

Гликолипиды могут быть как сложными эфирами глицерина - гликозилдиацилглицерины, так и сфингозина - гликосфинголипиды. В состав молекул гликолипидов входят остатки углеводов, чаще D-галактоза. Гликозилдиацилглицерины содержат один или два остатка моносахарида (D-галактоза или D-глюкоза), связанных с ОН-группой глицерина в-гликозидной связью. Гликозилдиацилглицерины были выделены из листьев растений (по-видимому, они специфически связаны с хлоропластами), где их концентрация примерно в 5 раз превышает концентрацию фосфолипидов из бактерий-фотосинтетиков. В животных тканях соединения подобного рода не обнаружены.

Гликосфинголипиды содержат один или несколько остатков углеводов и в зависимости от их числа различают цереброзиды и ганглиозиды. Остаток гексозы в цереброзидах присоединен в-гликозидной связью. Из жирных кислот, обнаруженных в цереброзидах, чаще всего встречаются нервоновая, цереброновая и лигноцериновая (С 24).

Цереброзидсульфатиды - производные цереброзидов, образующиеся при их этерификации серной кислотой по третьему атому углерода гексозы, присутствуют в белом веществе мозга.

Ганглиозиды , в отличие от цереброзидов, имеют более сложное строение: их молекулы содержат гетероолигосахариды, образованные остатками D-глюкозы, D-галактозы, N-ацетилглюкозамина и N-ацетилнейраминовой кислоты. Все ганглиозиды являются кислыми соединениями и, так же как и цереброзиды, активно участвуют в контроле и регуляции межклеточных контактов, рецепции пептидных гормонов, вирусов, бактериальных токсинов. В связи с тем, что структура и состав ганглиозидов контролируются генетически, они обладают высокой тканевой специфичностью и выполняют функции антигенов клеточных поверхностей.

6. Н еомыляемые липиды

Рассмотрим особенности химического строения и биохимических функций наиболее важных представителей неомыляемых липидов - стероидов и терпенов.

Стероиды .

К стероидам относится обширный класс природных веществ, в основе молекул которых лежит конденсированный остов, называемый стераном. Наиболее распространенным среди многочисленных биологических соединений стероидной природы является холестерин.

Холестерин - одноатомный спирт (холестерол); он проявляет свойства вторичного спирта и алкена. Около 30% холестерина в организме содержится в свободном виде, остальное количество - в составе ацилхолестеринов, т.е. сложных эфиров с высшими карбоновыми кислотами, как насыщенными (пальмитиновой и стеариновой), так и ненасыщенными (линолевой, арахидоновой и др.), т.е. в виде ацилхолестеринов. Общее содержание холестерина в организме человека составляет 210-250 г. В больших количествах он содержится в головном и спинном мозге, является компонентом биомембран.

Важнейшая биохимическая функция холестерина обусловлена тем, что он играет роль промежуточного продукта в синтезе многих соединений стероидной природы: в плаценте, семенниках, желтом теле и надпочечниках происходит превращение холестерина в гормон прогестерон, который является начальным субстратом сложной цепи биосинтеза стероидных половых гормонов и кортикостероидов.

Другие пути использования холестерина в организме связаны с образованием витамина D и необходимых для пищеварения желчных кислот - холевой и 7-дезоксихолевой.

В организме холевая кислота, образуя амиды по карбонильной группе с глицином и таурином, превращается в глицинхолевую и таурохолевую кислоты.

Анионы этих кислот являются эффективными поверхностно-активными веществами. В кишечнике они участвуют в процессах эмульгирования жиров и тем самым способствуют их всасыванию и перевариванию.

Желчные кислоты используют в качестве лекарственных препаратов, предотвращающих образование и растворение уже имеющихся желчных камней, которые состоят из холестерина и билирубина.

Транспорт нерастворимых в жидкостях организма липидов, в том числе и холестерина, осуществляется в составе особых частиц - липопротеинов, представляющих собой сложные по составу комплексы с белками.

В крови обнаружено несколько форм липопротеинов, которые отличают по плотности: хиломикроны, липопротеины очень низкой плотности (ЛОНП), липопротеины низкой плотности (ЛНП) и липопротеины высокой плотности (ЛВП). Липопротеины можно разделить с помощью ультрацентрифугирования.

Липопротеины представляют собой сферические частицы, гидрофильная поверхность которых представляет собой слой ориентированных фосфолипидов и белков, а ядро образовано гидрофобными молекулами триацилглицеринов и эфиров холестерина.

Триацилглицерины и холестерин под действием специфических ферментов (липопротеинлипаза) высвобождаются из хиломикронов и затем потребляются жировой тканью, печенью, сердцем и другими органами.

При некоторых нарушениях обмена веществ или высокой концентрации холестерина в крови повышается концентрация ЛОНП и ЛНП, что ведет к их отложению на стенках сосудов (атеросклероз), в том числе в артериях сердечной мышцы (ишемическая болезнь сердца и инфаркт миокарда).

Терпены .

Терпены - это ряд биологически активных углеводородов и их кислородсодержащих производных, углеродный скелет которых состоит из нескольких звеньев изопрена С 5 Н 8 . Поэтому общая формула для большинства терпенов - (С 5 Н 8) n . Терпены могут иметь ациклическое или циклическое (би-, три- и полициклическое) строение. Структуры терпенов с общей формулой С 1 0 Н 1 6 - мирцен и лимонен:

В состав эфирных масел входят производные терпенов, содержащие гидроксильные, альдегидные или кетогруппы, - терпеноиды. Среди них большое применение находят ментол (содержится в масле мяты, от которой и получил свое название, от лат. menta - мята), линалоол (жидкость с запахом ландыша), цитраль, камфара.

К терпенам относятся смоляные кислоты, которые имеют общую формулу С 2 0 Н 3 0 О 2 и составляют 4/5 смолы хвойных растений (живица). При переработке живицы получают твердый остаток смоляных кислот - канифоль, которая служит сырьем для многих отраслей промышленности. Кроме того, терпеновые группировки (изопреноидные цепи) входят в структуру многих сложных биологически активных соединений, таких как каратиноиды, фитол и др.

Фитол в свободном виде в природе не встречается, но входит в состав молекул хлорофилла, витаминов А и Е и других биосоединений.

Каучук и гутта являются политерпенами, в молекулах которых остатки изопрена связаны "голова к хвосту".

Литература

1. Черкасова Л.С., Мережинский М.Ф., Обмен жиров и липидов, Минск, 1961;

2. Маркман А.Л., Химия липидов, в. 1--2, Таш., 1963--70;

3. Тютюнников Б.Н., Химия жиров, М., 1966;

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Белки (протеины) как сложные органические соединения. Формулы аминокислот. Строение молекулы белка, явление денатурации белка. Что такое углеводы, их строение, химическая формула. Самые распространенные моносахариды и полисахариды. Жиры и липоиды.

реферат , добавлен 07.10.2009


Органические соединения І группы. Натрииорганические соединения - органические соединения, содержащие связь C-Na. Органические производные кальция, стронция, бария и магния. Борорганические соединения. Соединения алюминия. Кремнийорганические соединения.

реферат , добавлен 10.04.2008


Жиры как существенная часть нашей пищи. Фосфатиды, стерины и витамины. Носители запаха. Гидролиз жиров. Природные высокомолекулярные азотосодержащие соединения - белки. Молекулы белка. Углеводы, моносахариды, глюкоза, лактоза, крахмал, дисахариды.

доклад , добавлен 14.12.2008


Полимеры как органические и неорганические, аморфные и кристаллические вещества. Особенности структуры их молекулы. История термина "полимерия" и его значения. Классификация полимерных соединений, примеры их видов. Применение в быту и промышленности.

презентация , добавлен 10.11.2010


Строение и общие свойства аминокислот, их классификация и химические реакции. Строение белковой молекулы. Физико-химические свойства белков. Выделение белков и установление их однородности. Химическая характеристика нуклеиновых кислот. Структура РНК.

курс лекций , добавлен 24.12.2010


Химическая связь в органических молекулах. Классификация химических реакций. Кислотные и основные свойства органических соединений. Гетерофункциональные производные бензольного ряда. Углеводы, нуклеиновые кислоты, липиды. Гетероциклические соединения.

учебное пособие , добавлен 29.11.2011


Металлоорганические соединения. Щелочные металлы первой подгруппы. Органические соединения лития, способы получения, химические свойства. Взаимодействие алкиллития с карбонильными соединениями. Элементы второй группы. Магнийорганические соединения.

реферат , добавлен 03.12.2008


Углеводы как органические вещества, молекулы которых состоят из атомов углерода, водорода и кислорода, знакомство с классификацией: олигосахариды, полисахариды. Характеристика представителей моносахаридов: глюкоза, фруктовый сахар, дезоксирибоза.

презентация , добавлен 18.03.2013


Основные химические вещества: белки, липиды, углеводы, витамины, минеральные вещества и пищевые добавки. Основные химические процессы, происходящие при тепловой кулинарной обработке. Потери при тушении, запекании, припускании и пассеровании продуктов.

курсовая работа , добавлен 07.12.2010


Углеводы - важнейшие химические соединения живых организмов. В растительном мире составляют 70-80% из расчета на сухое вещество. Функции углеводов: энергетическая – главный вид клеточного топлива, функция запасных питательных веществ, защитная, регуляторн