Биологически важные химические элементы клетки

Элемент и его символ

Значение для клетки

Водород — Н бор —В Углерод — С Азот — N Кислород — О Фтор — F Натрий — Na Магний — Mg Фосфор — Р Сера — S Хлор — С1 Калий — К Кальций — Са Марганец —Мп Железо — Fe Кобальт Медь — Си Цинк — Zn йод — I

Входит в состав воды и биологических веществ Необходим некоторым растениям Входит в состав биологических веществ Структурный компонент белков и нуклеиновых кислот Входит в состав воды и биологических веществ Входит в состав эмали зубов Главный внеклеточный положительный ион Активирует образование многих ферментов; струк­турный компонент хлорофилла Входит в состав костной ткани, нуклеиновых кислот Входит в состав белков и многих других биологиче­ских веществ Преобладающий отрицательный ион в организме животных Преобладающий положительный ион внутри клеток Основной компонент костей и зубов; активирует со­кращение мышечных волокон Необходим организмам в следовых количествах Входит в состав многих органических веществ Входит в состав витамина В12 Необходим организмам в следовых количествах (об­наружен в составе некоторых ферментов) Необходим организмам в следовых количествах (об­наружен в некоторых ферментах и инсулине) Входит в состав гормона щитовидной железы

 

 

3.Биологические полимеры.

 

В состав клеток входит множество органических соединений: углеводы, белки, липиды, нуклеиновые кислоты и другие соедине­ния, которых нет в неживой природе. Органическими веществами называют химические соединения, в состав которых входят атомы углерода.

Атомы углерода способны вступать друг с другом в прочную ковалентную связь, образуя множество разнообразных цепных или кольцевых молекул.

самыми простыми углеродсодержащими соединениями явля­ются углеводороды, соединения, которые содержат только углерод и водород.' Однако в большинстве органических, т. е. углеродных, соединений, содержатся и другие элементы (кислород, азот, фос­фор, сера).

Биологические полимеры (биополимеры). Биологические поли­меры — это органические соединения, входящие в состав клеток живых организмов.

Полимер (от греч. «поли» — много) — многозвеньевая цепь, в которой звеном является какое-либо относительно простое веще­ство — мономер. Мономеры, соединяясь между собой, образуют цепи, состоящие из тысяч мономеров. Если обозначить тип моно­мера определенной буквой, например А, то полимер можно изобра­зить в виде очень длинного сочетания мономерных звеньев: А—А— А—А—...А. Это, например, известные вам органические вещества: крахмал, гликоген, целлюлоза и др. Биополимерами являются бел­ки, нуклеиновые кислоты, полисахариды.

Свойства биополимеров зависят от строения их молекул: от числа и разнообразия мономерных звеньев, образующих полимер.

Если соединить вместе два типа мономеров А и Б, то можно получить очень большой набор разнообразных полимеров. Строе­ние и свойства таких полимеров будут зависеть от числа, соотноше­ния и порядка чередования, т. е. положения мономеров в цепях. Полимер, в молекуле которого группа мономеров периодически повторяется, называют регулярным. Таковы, например, схемати­чески изображенные полимеры с закономерным чередованием мономеров:

...АБ АБ АБ АБ...

...ААББААББ...

...А Б Б АББ АББ А...

Однако значительно больше можно получить вариантов полиме­ров, в которых нет видимой закономерности в повторяемости моно­меров. Такие полимеры называют нерегулярными.

Допустим, что каждый из мономеров определяет какое-либо свойство полимера. Например, мономер А определяет высокую прочность, а мономер Б — электропроводность. Сочетая эти два мономера в разных соотношениях и по-разному чередуя их, можно получить огромное число полимерных материалов с разными свой­ствами. Если же взять не два типа мономеров (А и Б), а больше, то и число вариантов полимерных цепей значительно возрастет.

Оказалось, что сочетание и перестановка нескольких типов мономеров в длинных полимерных цепях обеспечивают построение множества вариантов и определяют различные свойства биополиме­ров, входящих в состав всех организмов. Этот принцип лежит в основе многообразия жизни на нашей планете.

 

 

4. Углеводы, их строение и функции.

 

В составе клеток всех живых организ­мов широкое распространение имеют углеводы. Углеводами назы­вают органические соединения, состоящие из углерода, водорода и кислорода. В углеводах водород и кислород находятся, как правило, в тех же соотношениях, что и в воде (отсюда их название — угле­вод). Общая формула углеводов С_п(Н₂0)_т. Примером может слу­жить один из самых распространенных углеводов — глюкоза, эле­ментный состав которой С₆Н_]20₆.

Глюкоза является про­стым сахаром. Несколько остатков простых Сахаров соединяются между собой и образуют сложные сахара. В составе молока нахо­дится молочный сахар (дисахарид), который состоит из остатков молекул двух простых Сахаров. Молочный сахар — основной источ­ник энергии для детенышей всех млекопитающих.

Тысячи остатков молекул одинаковых Сахаров, соединяясь между собой, образуют биополимеры — полисахариды. В составе живых организмов имеется много разнообразных полисахаридов; у расте­ний это крахмал, у животных — гликоген. Все они состоят из тысяч молекул глюкозы. Крахмал и гликоген играют роль как бы аккумуляторов энергии, необходимой для жизнедеятельности клеток и организма. Очень богаты крахмалом пшеница, рожь, куку­руза и др.

Функции углеводов. В пищеварительном тракте человека и животных крахмал расщепляется особыми белками до глюкозы. Глюкоза, всасываясь из кишечника в кровь, окисляется в клетках с освобождением энергии химических связей, а избыток ее запасается в клетках печени и мышц в виде гликогена, В периоды интенсивной мышечной работы или нервного напряжения (либо при голодании) в мышцах и печени животных расщепление гликогена усиливается. При этом образуется глюкоза, которая потребляется интенсивно работающими мышечными и нервными клетками.

Таким образом, биополимеры полисахариды — это вещества, в которых запасается используемая клетками энергия растительных и животных организмов. Однако это не единственная функция поли­сахаридов.

В растениях в результате полимеризации глюкозы образуется также целлюлоза. Из целлюлозных волокон строится прочная основа клеточных стенок растений. Благодаря особому строению целлюлоза не растворима в воде и обладает высокой прочностью. По этой причине целлюлозу используют и для изготовления тканей. Ведь хлопок — почти чистая целлюлоза. В кишечнике человека и большинства животных нет ферментов, способных расщеплять связи между молекулами глюкозы, входящими в состав целлюлозы. У жвачных животных целлюлозу расщепляют ферменты бактерий, постоянно обитающих в специальном отделе желудка.

Известны также сложные полисахариды, состоящие из двух типов простых Сахаров, которые регулярно чередуются в длинных цепях. Такие полисахариды выполняют структурные функции в опорных тканях животных. Они входят в состав межклеточного вещества кожи, сухожилий, хрящей, придавая им прочность и эла­стичность. Таким образом, второй важной функцией углеводных биополимеров является их структурная функция.

Имеются полимеры Сахаров, которые входят в состав клеточных мембран; они обеспечивают взаимодействие клеток одного типа, узнавание клетками друг друга. Если разделенные клетки печени смешать с клетками почек, то они самостоятельно разойдутся в две группы благодаря взаимодействию однотипных клеток: клетки почек соединятся в одну группу, а клетки печени — в другую. Утрата способности узнавать друг друга характерна для злокаче­ственных клеток. Выяснение механизмов узнавания и взаимодей­ствия клеток может иметь очень важное значение, в частности, для разработки средств лечения рака.

5. Строение и функции липидов.

 

Липиды разнообразны по структуре. Всем им присуще, однако, одно общее свойство: все они неполярны. Поэтому они рас­творяются в таких неполярных жидкостях, как хлороформ, эфир, но практически нерастворимы в воде. К липидам относятся и жиры. При окислении жиров образуется большое количество эне­ргии, "которая расходуется на различные процессы. В этом заклю­чается энергетическая функция жиров.

Жиры могут накапливаться в клетках и служить запасным питательным веществом. У некоторых животных (например, у китов, ластоногих) под кожей откладывается толстый слой подкожного жира, который благодаря низкой теплопроводности защищает их от переохлаждения.

Некоторые липиды являются гормонами и принимают участие в регуляции физиологических функций организма. Липиды, содержа­щие фосфор (фосфолипиды), служат важнейшей составной частью клеточных мембран, т. е. они выполняют структурную функцию.

 

6. Строение и функции белков.

Белки — обязательная составная часть всех кле­ток. В состав этих биополимеров входят мономеры 20 типов. Такими мономерами являются аминокислоты, которые состоят из атомов углерода, водорода, кислорода, азота и серы.

В результате соединения аминокислот однотипной химической связью, образуются линейные молекулы белков. В составе боль­шинства белков находится в среднем 300—500 остатков аминоки­слот. Известно несколько очень коротких природных белков, дли­ной в 3—8 аминокислот, и очень длинных биополимеров, длиной более чем в 1500 аминокислот.

Каждая из 20 аминокислот отличается от любой другой аминоки­слоты особой химической группировкой, так называемой R-группой или радикалом.

Строение белков. Выделяют первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры белков.

Первичная структура определяется порядком чередо­вания аминокислот в цепи. Двадцать разных аминокислот можно уподобить 20 буквам химического алфавита, из которых составлены «слова» длиной в 300—500 букв. С помощью 20 букв можно написать безграничное множество таких длинных слов. Если считать, что замена или перестановка хотя бы одной буквы в слове придает ему новый смысл, то число комбинаций в слове длиной в 500 букв соста­вит 20⁵⁰⁰.

Известно, что замена даже одного аминокислотного звена дру­гим в белковой молекуле изменяет ее свойства. В каждой клетке содержится несколько тысяч разных видов белковых молекул, и для каждого из них характерна строго определенная последователь­ность аминокислот. Именно порядок чередования аминокислот в данной белковой молекуле определяет ее особые физико-химичес­кие и биологические свойства. Исследователи умеют расшифровы­вать последовательность аминокислот в длинных белковых молеку­лах и синтезировать такие молекулы.

В живой клетке многие белки или отдельные участки их пред­ставляют собой не вытянутую нить, а спираль с одинаковыми рас­стояниями между витками. Такая спираль представляет собой вто­ричную структуру белковой молекулы.

Спираль обычно свернута в клубок. Этот клубок образован зако­номерным переплетением участков белковой цепи. Положительно и отрицательно заряженные группы аминокислот притягиваются и сближают даже далеко отстоящие друг от друга участки белковой цепи. Сближаются и иные участки белковой молекулы, несущие, например, «водоотталкивающие» (гидрофобные) группы. В резуль­тате взаимодействия различных остатков аминокислот спирализованная молекула белка образует клубок — третичную структуру.

Для каждого вида белка характерна своя форма клубка с изгибами и петлями. Третичная структура зависит от первичной структуры, т. е. от порядка расположения аминокислот в цепи.

наконец, некоторые белки, например гемоглобин, состоят из нескольких цепей, различающихся по первичной структуре. Объединяясь вместе, они создают сложный белок, обладающий не только третичной, но и четвертичной структурой.

 

Белки — строительные материалы. Некоторые бактерии и все растения способны синтезировать все аминокислоты, из которых. Строятся белки, используя для этого неорганические вещества: азот и углекислый газ воздуха, водород, полученный при расщеплении ' йоды (за счет энергии света), неорганические вещества почвы. Животные в процессе эволюции утратили способность осущест­ви ять синтез десяти особенно сложных аминокислот, называемых незаменимыми. Они получают их в готовом виде с растительной и животной пищей. Такие аминокислоты содержатся в белках молоч­ных продуктов (молоко, сыр, творог), в яйцах, рыбе, мясе, а также и сое, бобах и некоторых других растениях. В пищеварительном тракте белки расщепляются до аминокислот, которые всасываются в кровь и попадают в клетки. В клетках из готовых аминокислот строятся собственные белки, характерные для данного организма. Белки являются обязательным компонентом всех клеточных струк­тур и в этом состоит их важная структурная роль.

Белки — ферменты. В каждой живой клетке происходят непре­рывно сотни биохимических реакций. В ходе этих реакций идут рас­щепление и окисление поступающих извне питательных веществ. Полученную вследствие окисления энергию питательных веществ и продукты их расщепления клетка использует для синтеза необходи­мых ей разнообразных органических соединений. Быстрое протека­ние таких реакций обеспечивают биологические катализаторы, или ускорители реакций — ферменты. В настоящее время известно более тысячи ферментов. Каждый фермент обеспечивает одну реакцию или несколько реакций одного типа. Например, жиры в пищеварительном тракте (а также внутри клеток) расщепляются специальным ферментом, который не действует на полисахариды (крахмал, гликоген) или на белки. В свою очередь, фермент, расще­пляющий только крахмал или гликоген, не действует на жиры. Каждая молекула фермента способна осуществлять от нескольких тысяч до нескольких миллионов операций в минуту. В ходе этих реакций ферментный белок не расходуется. Он соединяется с реаги­рующими веществами, ускоряет их превращения и выходит из реак­ции неизменным.

Ферменты выполняют работу наилучшим образом. Только при оптимальной температуре (например, у человека и теплокровных животных при 37° С). Для ферментативных реакций нужна опреде­ленная концентрация ионов водорода в среде.

Процесс расщепления или синтеза любого вещества в клетке, как правило, разделен на ряд химических операций. Каждую опера­цию выполняет отдельный фермент. Группа таких ферментов составляет своего рода биохимический конвейер.

Регуляторные белки. Известно, что в специализированных клет­ках-животных и растений производятся специальные регуляторы физиологических процессов — гормоны. Часть гормонов (но не все) животных и человека являются белками. Так, белковый гормон (гормон поджелудочной железы) инсулин активирует захват клет­ками молекул глюкозы и расщепление или запасание их внутри клетки. Если не хватает инсулина, то глюкоза накапливается в крови в избытке. Клетки без помощи инсулина не способны ее захватить — они голодают. Именно в этом причина развития диа­бета — болезни, вызываемой недостатком инсулина в организме.

Гормоны выполняют важнейшую функцию в организме, управ­ляя активностью ферментов. Так, инсулин активирует в клетках печени фермент, синтезирующий из глюкозы другое органическое вещество — гликоген и ряд других ферментов.

Белки — средства защиты. При попадании бактерий или вирусов в кровь животных и человека организм реагирует выработкой спе­циальных защитных белков — антител. Эти белки связываются с чужеродными для организма белками возбудителей заболеваний, чем подавляется их жизнедеятельность. На каждый чужеродный белок организм вырабатывает специальные «антибелки» — антитела.

Антитела обладают удивительным свойством: среди тысяч раз­нообразных белков они «узнают» только один белок — чужеродный и только с ним реагируют. Такой механизм сопротивления возбуди­телям заболеваний называют иммунитетом. Помимо антител, рас­торопных в крови, имеются антитела на поверхности специальных клеток, которые «узнают» и захватывают чужеродные клетки. Это клеточный иммунитет, обеспечивающий в большинстве случаев и уничтожение вновь возникающих раковых клеток.

Чтобы предупредить заболевание, людям и животным вводят ослабленные или убитые бактерии либо вирусы (вакцины), кото­рые не вызывают болезнь, но заставляют специальные клетки орга­низма производить антитела против этих возбудителей. Если через некоторое время болезнетворная неослабленная бактерия или вирус попадают в такой организм, они встречают прочный защитный барьер из антител. Миллионы человеческих жизней спасены вакци­нацией против оспы, бешенства, полиомиелита, желтой лихорадки и других болезней.

Белки — источник энергии. Белки могут служить источником энергии для клетки. При недостатке углеводов или жиров окисля­ются молекулы аминокислот. Освободившаяся при этом энергия используется на поддержание процессов жизнедеятельности орга­низма.

 

ЛИТЕРАТУРА