Организмы состоят из клеток. Клетки разных организмов обладают сходным химическим составом. В таблице 1 представлены основные химические элементы, обнаруженные в клетках живых организмов.

Таблица 1. Содержание химических элементов в клетке

По содержанию в клетке можно выделить три группы элементов. В первую группу входят кислород, углерод, водород и азот. На их долю приходится почти 98% всего состава клетки. Во вторую группу входят калий, натрий, кальций, сера, фосфор, магний, железо, хлор. Их содержание в клетке составляет десятые и сотые доли процента. Элементы этих двух групп относят к макроэлементам (от греч. макрос - большой).

Остальные элементы, представ ленные в клетке сотыми и тысячными долями процента, входят в третью группу. Это микроэлементы (от греч. микро - малый).

Каких-либо элементов, присущих только живой природе, в клетке не обнаружено. Все перечисленные химические элементы входят и в состав неживой природы. Это указывает на единство живой и неживой природы.

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

Часть химических элементов, содержащихся в клетке, входит в со став неорганических веществ - минеральных солей и воды.

Минеральные соли находятся в клетке, как правило, в виде катионов (К + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+) и анионов (HPO 2-/4 , H 2 PO -/4 , СI - , НСО 3), соотношение которых определяет важную для жизнедеятельности клеток кислотность среды.

(У многих клеток среда слабощелочная и ее рН почти не изменяется, так как в ней постоянно поддерживается определенное соотношение катионов и анионов.)

Из неорганических веществ в живой природе огромную роль играет вода .

Без воды жизнь невозможна. Она составляет значительную массу большинства клеток. Много воды содержится в клетках мозга и эмбрионов человека: воды более 80%; в клетках жировой ткани - всего 40.% К старости содержание воды в клетках снижается. Человек, потерявший 20% воды, погибает.

Уникальные свойства воды определяют ее роль в организме. Она участвует в теплорегуляции, которая обусловлена высокой теплоемкостью воды - потреблением большого количества энергии при нагревании. Чем же определяется высокая теплоемкость воды?

В молекуле воды атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода. Молекула воды полярна, так как атом кислорода имеет частично отрицательный заряд, а каждый из двух атомов водорода имеет

Частично положительный заряд. Между атомом кислорода одной молекулы воды и атомом водорода другой молекулы образуется водородная связь. Водородные связи обеспечивают соединение большого числа молекул воды. При нагревании воды значительная часть энергии расходуется на разрыв водородных связей, что и определяет ее высокую теплоемкость.

Вода - хороший растворитель . Благодаря полярности ее молекулы взаимодействуют с положительно и отрицательно заряженными ионами, способствуя тем самым растворению вещества. По отношению к воде все вещества клетки делятся на гидрофильные и гидрофобные.

Гидрофильными (от греч. гидро - вода и филео - люблю) называют вещества, которые растворяются в воде. К ним относят ионные соединения (например, соли) и некоторые неионные соединения (например, сахара).

Гидрофобными (от греч. гидро - вода и фобос - страх) называют вещества, нерастворимые в воде. К ним относят, например, липиды.

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

Тела живой и неживой природы состоят из одинаковых химических элементов. В состав живых организмов входят неорганические вещества - вода и минеральные соли. Жизненно важные многочисленные функции воды в клетке обусловлены особенностями ее молекул: их полярностью, способностью образовывать водородные связи.

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ

В клетках живых организмов встречается около 90 элементов, причем примерно 25 из обнаружены практически во всех клетках. По содержанию в клетке химические элементы подразделяются на три большие группы: макроэлементы(99%), микроэлементы(1%), ультрамикроэлементы(менее 0,001%).

К макроэлементам относятся кислород, углерод, водород, фосфор, калий, сера, хлор, кальций, магний, натрий, железо.
К микроэлеметам относятся марганец, медь, цинк, йод, фтор.
К ультрамикроэлементам относятся серебро, золото, бром, селен.

ОРГАНИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ

Ферменты.

Важнейшая функция белков - каталитическая. Белковые молекулы, увеличивающие на несколько порядков скорость химических реакции в клетке, называют ферментами . Ни один биохимический процесс в организме не происходит без участия ферментов.

В настоящее время обнаружено свыше 2000 ферментов. Их эффективность во много раз выше, чем эффективность неорганических катализаторов, используемых в производстве. Так, 1 мг железа в составе фермента каталазы заменяет 10 т неорганического железа. Каталаза увеличивает скорость разложения пероксида водорода (Н 2 О 2) в 10 11 раз. Фермент, катализирующий реакцию образования угольной кислоты (СО 2 +Н 2 О = Н 2 СО 3), ускоряет реакцию в 10 7 раз.

Важным свойством ферментов является специфичность их действия, каждый фермент катализирует только одну или небольшую группу сходных реакций.

Вещество, на которое воздействует фермент, называют субстратом . Структуры молекулы фермента и субстрата должны точно соответствовать друг другу. Этим объясняется специфичность действия ферментов. При соединении субстрата с ферментом пространственная структура фермента изменяется.

Последовательность взаимодействия фермента и субстрата можно изобразить схематично:

Субстрат+Фермент - Фермент-субстратный комплекс - Фермент+Продукт.

Из схемы видно, что субстрат соединяется с ферментом с образованием фермент-субстратного комплекса. При этом субстрат превращается в новое вещество - продукт. На конечном этапе фермент освобождается от продукта и вновь вступает во взаимодействие с очередной молекулой субстрата.

Ферменты функционируют лишь при определенной температуре, концентрации веществ, кислотности среды. Изменение условий приводит к изменению третичной и четвертичной структуры белковой молекулы, а, следовательно, и к подавлению активности фермента. Как это происходит? Каталитической активностью обладает лишь определенный участок молекулы фермента, называемый активным центром . Активный центр содержит от 3 до 12 аминокислотных остатков и формируется в результате изгиба полипептидной цепи.

Под влиянием разных факторов изменяется структура молекулы фермента. При этом нарушается пространственная конфигурация активного центра, и фермент теряет свою активность.

Ферменты - это белки, играющие роль биологических катализаторов. Благодаря ферментам на несколько порядков возрастает скорость химических реакций в клетках. Важное свойство ферментов - специфичность действия в определенных условиях.

Нуклеиновые кислоты.

Нуклеиновые кислоты были от крыты во второй половине XIX в. швейцарским биохимиком Ф. Мишером, который выделил из ядер клеток вещество с высоким содержанием азота и фосфора и назвал его "нуклеином" (от лат. нуклеус - ядро).

В нуклеиновых кислотах хранится наследственная информация о строении и функционировании каждой клетки и всех живых существ на Земле. Существует два типа нуклеиновых кислот - ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Нуклеиновые кислоты, как и белки, обладают видовой специфичностью, то есть организмам каждого вида присущ свой тип ДНК. Чтобы выяснить причины видовой специфичности, рассмотрим строение нуклеиновых кислот.

Молекулы нуклеиновых кислот представляют собой очень длинные цепи, состоящие из многих сотен и даже миллионов нуклеотидов. Любая нуклеиновая кислота содержит всего четыре типа нуклеотидов. Функции молекул нуклеиновых кислот зависят от их строения, входящих в их состав нуклеотидов, их числа в цепи и последовательности соединения в молекуле.

Каждый нуклеотид состоит из трех компонентов: азотистого основания, углевода и фосфорной кислоты. В состав каждого нуклеотида ДНК входит один из четырех типов азотистых оснований (аденин - А, тимин - Т, гуанин - Г или цитозин - Ц), а также угле вод дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты.

Таким образом, нуклеотиды ДНК различаются лишь типом азотистого основания.

Молекула ДНК состоит из огромного множества нуклеотидов, соединенных в цепочку в определенной последовательности. Каждый вид молекулы ДНК имеет свойственное ей число и последовательность нуклеотидов.

Молекулы ДНК очень длинные. Например, для буквенной записи последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК из одной клетки человека (46 хромосом) потребовалась бы книга объемом около 820000 страниц. Чередование четырех типов нуклеотидов может образовать бесконечное множество вариантов молекул ДНК. Указанные особенности строения молекул ДНК позволяют им хранить огромный объем информации обо всех признаках организмов.

В 1953 г. американским биологом Дж. Уотсоном и английским физиком Ф. Криком была создана модель строения молекулы ДНК. Ученые установили, что каждая молекула ДНК состоит из двух цепей, связанных между собой и спирально закрученных. Она имеет вид двойной спирали. В каждой цепи четыре типа нуклеотидов чередуются в определенной последовательности.

Нуклеотидный состав ДНК различается у разных видов бактерий, грибов, растений, животных. Но он не меняется с возрастом, мало зависит от изменений окружающей среды. Нуклеотиды парные, то есть число адениновых нуклеотидов в любой молекуле ДНК равно числу тимидиновых нуклеотидов (А-Т), а число цитозиновых нуклеотидов равно числу гуаниновых нуклеотидов (Ц-Г). Это связано с тем, что соединение двух цепей между собой в молекуле ДНК подчиняется определенному правилу, а именно: аденин одной цепи всегда связан двумя водородными связями только с Тимином другой цепи, а гуанин - тремя водородными связями с цитозином, то есть нуклеотидные цепи одной молекулы ДНК комплементарны, дополняют друг друга.

Молекулы нуклеиновых кислот - ДНК и РНК состоят из нуклеотидов. В состав нуклеотидов ДНК входит азотистое основание (А, Т, Г, Ц), углевод дезоксирибоза и остаток молекулы фосфорной кислоты. Молекула ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух цепей, соединенных водородными связями по принципу комплементарности. Функция ДНК - хранение наследственной информации.

В клетках всех организмов имеются молекулы АТФ - аденозинтрифосфорной кислоты. АТФ - универсальное вещество клетки, молекула которого имеет богатые энергией связи. Молекула АТФ - это один своеобразный нуклеотид, который, как и другие нуклеотиды, состоит из трех компонентов: азотистого основания - аденина, углевода - рибозы, но вместо одного содержит три остатка молекул фосфорной кислоты (рис. 12). Связи, обозначенные на рисунке значком, - богаты энергией и называются макроэргическими . Каждая молекула АТФ содержит две макроэргические связи.

При разрыве макроэргической связи и отщеплении с помощью ферментов одной молекулы фосфорной кислоты освобождается 40 кДж/моль энергии, а АТФ при этом превращается в АДФ - аденозиндифосфорную кислоту. При отщеплении еще одной молекулы фосфорной кислоты освобождается еще 40 кДж/моль; образуется АМФ - аденозинмонофосфорная кислота. Эти реакции обратимы, то есть АМФ может пре вращаться в АДФ, АДФ - в АТФ.

Молекулы АТФ не только расщепляются, но и синтезируются, по этому их содержание в клетке относительно постоянно. Значение АТФ в жизни клетки огромно. Эти молекулы играют ведущую роль в энергетическом обмене, необходимом для обеспечения жизнедеятельности клетки и организма в целом.

Молекула РНК, как правило, одиночная цепь, состоящая из четырех типов нуклеотидов - А, У, Г, Ц. Известны три основных вида РНК: иРНК, рРНК, тРНК. Содержание молекул РНК в клетке непостоянно, они участвуют в биосинтезе белка. АТФ - универсальное энергетическое вещество клетки, в котором имеются богатые энергией связи. АТФ играет центральную роль в обмене энергии в клетке. РНК и АТФ содержатся как в ядре, так и в цитоплазме клетки.

Задачи и тесты по теме "Тема 4. "Химический состав клетки"."

• полимер, мономер;
• углевод, моносахарид, дисахарид, полисахарид;
• липид, жирная кислота, глицерин;
• аминокислота, пептидная связь, белок;
• катализатор, фермент, активный центр;
• нуклеиновая кислота, нуклеотид.

Алгоритм решения задач.

Тип 1. Самокопирование ДНК.

Одна из цепочек ДНК имеет такую последовательность нуклеотидов:
АГТАЦЦГАТАЦТЦГАТТТАЦГ...
Какую последовательность нуклеотидов имеет вторая цепочка той же молекулы?

Чтобы написать последовательность нуклеотидов второй цепочки молекулы ДНК, когда известна последовательность первой цепочки, достаточно заменить тимин на аденин, аденин на тимин, гуанин- на цитозин и цитозин на гуанин. Произведя такую замену, получаем последовательность:
ТАЦТГГЦТАТГАГЦТАААТГ...

Тип 2. Кодирование белков.

Цепочка аминокислот белка рибонуклеазы имеет следующее начало: лизин-глутамин-треонин-аланин-аланин-аланин-лизин...
С какой последовательности нуклеотидов начинается ген, соответствующий этому белку?

Для этого следует воспользоваться таблицей генетического кода. Для каждой аминокислоты находим ее кодовое обозначение в виде соответствующей тройки нуклеотидов и выписываем его. Располагая эти тройки друг за другом в таком же порядке, в каком идут соответствующие им аминокислоты, получаем формулу строения участка информационной РНК. Как правило таких троек несколько, выбор делается по Вашему решению (но, берется только одна из троек). Решений соответственно может быть несколько.
АААЦАААЦУГЦГГЦУГЦГААГ

С какой последовательности аминокислот начинается белок, если он закодирован такой последовательностью нуклеотидов:
АЦГЦЦЦАТГГЦЦГГТ...

По принципу комплементарности находим строение участка информационной РНК, образующейся на данном отрезке молекулы ДНК:
УГЦГГГУАЦЦГГЦЦА...

Затем обращаемся к таблице генетического кода и для каждой тройки нуклеотидов, начиная с первой, находим и выписываем соответствующую ей аминокислоту:
Цистеин-глицин-тирозин-аргинин-пролин-...

Иванова Т.В., Калинова Г.С., Мягкова А.Н. "Общая биология". Москва, "Просвещение", 2000

• Тема 4. "Химический состав клетки." §2-§7 стр. 7-21
• Тема 5. "Фотосинтез." §16-17 стр. 44-48
• Тема 6. "Клеточное дыхание." §12-13 стр. 34-38
• Тема 7. "Генетическая информация." §14-15 стр. 39-44

Химические элементы клетки

В живых организмах нет ни одного химического элемента, который не был бы найден в телах неживой природы (что указывает на общность живой и неживой природы).
Разные клетки включают в себя практически одни и те же химические элементы (что доказывает единство живой природы); и в то же время, даже клетки одного многоклеточного организма, выполняющие различные функции, могут существенно отличаться друг от друга по химическому составу.
Из известных в настоящее время более 115 элементов, около 80 обнаружено в составе клетки.

Все элементы по содержанию их в живых организмах разделяются на три группы:

1. макроэлементы - содержание которых превышает 0,001% от массы тела.
   98% от массы любой клетки приходится на четыре элемента (их иногда называют органогены ): - кислород (O) - 75%, углерод (C) - 15%, водород (H) - 8%, азот (N) - 3%. Эти элементы составляют основу органических соединений (а кислород и водород, кроме того, входят в состав воды, которая также содержится в клетке). Около 2% от массы клетки приходится ещё восемь макроэлементов : магний (Mg), натрий (Na), кальций (Ca), железо (Fe), калий (K), фосфор (P), хлор (Cl), сера (S);
2. Остальные химические элементы содержатся в клетке в очень небольших количествах: микроэлементы - те, на долю которых приходится от 0,000001% до 0,001%, - бор (В), никель (Ni), кобальт (Co), медь (Cu), молибден (Mb), цинк (Zn) и др.;
3. ультрамикроэлементы - содержание которых не превышает 0,000001% - уран (U), радий (Ra), золото (Au), ртуть (Hg), свинец (Pb), цезий (Cs), селен (Se) и др.

Живые организмы способны накапливать определенные химические элементы. Так, например, некоторые водоросли накапливают йод, лютики - литий, ряска - радий и т.д.

Химические вещества клетки

Элементы в виде атомов входят в состав молекул неорганических и органических соединений клетки.

К неорганическим соединениям относятся вода и минеральные соли.

Органические соединения характерны только для живых организмов, в то время как неорганические существуют и в неживой природе.

К органическим соединениям относятся соединения углерода с молекулярной массой от 100 до нескольких сотен тысяч.
Углерод - химическая основа жизни. Он может вступать в связь со многими атомами и их группами, образуя цепочки, кольца, составляющие скелет различных по химическому составу, строению, длине и форме органических молекул. Из них образуются сложные химические соединения, различающиеся по строению и функциям. Эти органические соединения, входящие в состав клеток живых организмов получили название биологические полимеры , или биополимеры . Они составляют более 97% от сухого вещества клетки.

В клетке встречается около 70 химических элементов Периодической системы Д. И. Менделеева, однако содержание этих элементов существенно отличается от их концентраций в окружающей среде, что доказывает единство органического мира.

Химические элементы, имеющиеся в клетке, делят на три большие группы: макроэлементы, мезоэлементы (олигоэлементы) и микроэлементы .
Содержание макроэлементов составляет около 98 % массы клетки. К ним относятся углерод, кислород, водород и азот, входящие в состав основных органических веществ. Мезоэлементы - это сера, фосфор, калий, кальций, натрий, железо, магний, хлор, составляющие в сумме около 1,9 % массы клетки. Сера и фосфор являются компонентами важнейших органических соединений. Химические элементы, концентрация которых в клетке около 0,1 %, относятся к микроэлементам . Это цинк, йод, медь, марганец, фтор, кобальт и др.
Вещества клетки делят на неорганические и органические. К неорганическим веществам относятся вода и минеральные соли.
Благодаря своим физико-химическим свойствам вода в клетке является растворителем, средой для протекания реакций, исходным веществом и продуктом химических реакций, выполняет транспортную и терморегуляторные функции, придает клетке упругость, обеспечивает ту prop растительной клетки.

Минеральные соли в клетке могут находиться в растворенном или не растворенном состояниях. Растворимые соли диссоциируют на ионы. Наиболее важными катионами являются калий и натрий, облегчающие перенос веществ через мембрану и участвующие в возникновении и проведении нервного импульса; кальций, который принимает участие в процессах сокращения мышечных волокон и свертывании крови, магний, входящий в состав хлорофилла, и железо, входящее в состав ряда белков, в том числе гемоглобина. Цинк входит в состав молекулы гормона поджелудочной железы - инсулина, медь требуется для процессов фотосинтеза и дыхания. Важнейшими анионами являются фосфат-анион, входящий в состав АТФ и нуклеиновых кислот, и остаток угольной кислоты, смягчающий колебания рН среды. Недостаток кальция и фосфора приводит к рахиту, нехватка железа - к анемии.

Органические вещества клетки представлены углеводами, липидами, белками, нуклеиновыми кислотами, АТФ, витаминами и гормонами.
В состав углеводов входят в основном три химических элемента: углерод, кислород и водород. Их общая формула C m (H 2 0) n . Различают простые и сложные углеводы. Простые углеводы {моносахариды) содержат единственную молекулу сахара. Их классифицируют по количеству углеродных атомов, например, пентозы (С 5) и гексозы (С 6). К пентозам относятся рибоза и дезоксирибоза. Рибоза входит в состав РНК и АТФ. Дезоксирибоза является компонентом ДНК. Гексозы - это глюкоза, фруктоза, галактоза и др. Они принимают активное участие в обмене веществ в клетке и входят в состав сложных углеводов - олигосахаридов и полисахаридов. К олигосахаридам (дисахаридам) относятся сахароза (глюкоза + фруктоза), лактоза или молочный сахар (глюкоза+галактоза) и др.

Примерами полисахаридов являются крахмал, гликоген, целлюлоза и хитин. Углеводы выполняют в клетке пластическую (строительную), энергетическую (энергетическая ценность расщепления 1 г углеводов - 17,6 кДж), запасающую и опорную функции. Углеводы могут также входить в состав сложных липидов и белков.
Липиды - это группа гидрофобных веществ. К ним относят жиры, стероиды воска, фосфолипиды и т. д.

Жир - это сложный эфир трехатомного спирта глицерина и высших органических (жирных) кислот. В молекуле жира можно выделить гидрофильную часть - «головку» (остаток глицерина) и гидрофобную часть - «хвосты» (остатки жирных кислот), поэтому в воде молекула жира ориентируется строго определенным образом: гидрофильная часть направлена к воде, а гидрофобная - от нее.
Липиды выполняют в клетке пластическую (строительную), энергетическую (энергетическая ценность расщепления 1 г жира - 38,9 кДж), запасающую, защитную (амортизационную) и регуляторную (стероидные гормоны) функции.
Белки - это биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Аминокислоты содержат аминогруппу, карбоксильную группу и радикал. Отличаются аминокислоты только радикалами. В состав белков входит 20 основных аминокислот. Соединяются аминокислоты между собой с образованием пептидной связи. Цепочка из более чем 20 аминокислот называется полипептидом или белком. Белки образуют четыре основные структуры: первичную, вторичную, третичную и четвертичную.
- это последовательность аминокислот, соединенных пептидной связью.

Вторичная структура - это спираль, или складчатая структура, удерживаемая водородными связями между атомами кислорода и водорода пептидных группировок разных витков спирали или складок. Третичная структура (глобула) удерживается гидрофобными, водородными, дисульфидными и другими связями.

Третичная структура характерна для большинства белков организма, например, миоглобина мышц.

Четвертичная структура наиболее сложная, образованная несколькими полипептидными цепями, соединенными в основном теми же связями, что и в третичной. Четвертичная структура характерна для гемоглобина, хлорофилла и др.
Белки могут быть простыми и сложными . Простые белки состоят только из аминокислот, тогда как сложные белки (липопротеины, хромопротеины, гликопротеины, нуклеопротеины и др.) содержат белковую и небелковую части. Например, в состав гемоглобина помимо четырех полипептидных цепей белка глобина входит небелковая часть - гем, в центре которой находится ион железа, придающий гемоглобину красную окраску.
Функциональная активность белков зависит от условий окружающей среды. Утрата белковой молекулой своей структуры вплоть до первичной называется денатурацией. Обратный процесс восстановления вторичной и более высоких структур - это ренатурация. Полное разрушение белковой молекулы называется деструкцией.
Белки выполняют в клетке ряд функций: пластическую (строительную), каталитическую (ферментативную), энергетическую (энергетическая ценность расщепления 1 г белка - 17,6 кДж), сигнальную (рецепторную), сократительную (двигательную), транспортную , защитную , регуляторную , запасающую .
Нуклеиновые кислоты - это биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. В состав нуклеотида входят азотистое основание, остаток сахара-пентозы и остаток ортофосфорной кислоты. Выделяют два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновую (РНК) и дезоксири-бонуклеиновую (ДНК).
ДНК включает четыре типа нуклеотидов: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). В состав этих нуклеотидов входит сахар де-зоксирибоза. Для ДНК установлены правила Чаргаффа:
1) количество адениловых нуклеотидов в ДНК равно количеству тимидиловых (А = Т);
2) количество гуаниловых нуклеотидов в ДНК равно количеству цитидиловых (Г = Ц);
3) сумма адениловых и гуаниловых нуклеотидов равна сумме тимидиловых и цитидиловых (А + Г = Т + Ц).
Структура ДНК была открыта Ф. Криком и Д. Уотсоном (Нобелевская премия по физиологии и медицине 1962 г.). Молекула ДНК представляет собой двуцепочечную спираль. Нуклеотиды соединяются между собой через остатки фосфорной кислоты, образуя фосфодиэфирную связь, при этом азотистые основания направлены вовнутрь. Расстояние между нуклеотидами в цепи равно 0,34 нм.
Нуклеотиды разных цепей соединяются между собой водородными связями по принципу комплементарности: аденин соединяется с тими-ном двумя водородными связями (А = Т), а гуанин с цитозином - тремя (Г = Ц).

Важнейшим свойством ДНК является способность к репликации (самоудвоению). Основной функцией ДНК является хранение и передача наследственной информации.

Она сосредоточена в ядре, митохондриях и пластидах.
В состав РНК входят также четыре нуклеотида: аденин (А), ура-цил (У), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Остаток сахара-пентозы в ней представлен рибозой. РНК - в основном одноцепочечные молекулы. Выделяют три вида РНК: информационную (и-РНК), транспортную (т-РНК) и рибосомальную (р-РНК).

Все они принимают активное участие в процессе реализации наследственной информации, которая с ДНК переписывается на и-РНК, а на последней осуществляется уже синтез белка, т-РНК в процессе синтеза белка приносит аминокислоты к рибосомам, р-РНК входит в состав самих рибосом.

КСЕ. Тема 4.

1. Какие основные элементы и вещества слагают живую клетку?

В зависимости от того, в каком количестве входят химические элементы в состав веществ, образующих живой организм, принято выделять несколько групп атомов. Первую группу (около 98% массы клетки) об­разуют четыре элемента: водород, кислород, углерод и азот. Их называют макроэлементами. Это главные компоненты всех органических соединений. Вместе с двумя элементами второй группы - серой и фосфором, являющимися необ­ходимыми составными частями молекул биологических по­лимеров (от греч. polys - много; meros - часть) - белков и нуклеиновых кислот, их часто называют биоэлементами.

В меньших количествах в состав клетки, кроме упомя­нутых фосфора и серы, входят 6 элементов: калий и натрий, кальций и магний, железо и хлор. Каждый из них выполняет важную функцию в клетке. Например, Na, К и Cl обеспечи­вают проницаемость клеточных мембран для различных ве­ществ и проведение импульса по нервному волокну. Са и Р участвуют в формировании межклеточного вещества костной ткани, определяя прочность кости. Кроме того, Са - один из факторов, от которых зависит нормальная свертывае­мость крови. Железо входит в состав гемоглобина - белка эритроцитов, участвующего в переносе кислорода от легких к тканям. Наконец, Mg в клетках растений включен в хло­рофилл - пигмент, обусловливающий фотосинтез, а у жи­вотных входит в состав биологических катализаторов - ферментов, участвующих в биохимических превращениях.

Все остальные элементы - третья группа (цинк, медь, йод, фтор и др.) содержатся в клетке в очень малых количе­ствах. Общий их вклад в массу клетки всего 0,02%. Поэто­му их называют микроэлементами. Однако это не означает, что они меньше нужны организму, чем другие элементы. Микроэлементы также важны для живого организма, но включаются в его состав в меньших количествах. Цинк, например, входит в молекулу гормона поджелудочной железы - инсулина, который участвует в регуляции обме­на углеводов, а йод - необходимый компонент тирокси­на - гормона щитовидной железы, регулирующего интен­сивность обмена веществ всего организма в целом и его рост в процессе развития.

Все перечисленные химические элементы участвуют в по­строении организма в виде ионов либо в составе тех или иных соединений - молекул неорганических и органиче­ских веществ.

Неорганические вещества, входящие в состав клетки

Вода. Самое распространенное неорганическое соедине­ние в живых организмах - вода. Ее содержание колеблется в широких пределах: в клетках эмали зубов воды около 10%, а в клетках развивающегося зародыша - более 90%. В сред­нем в многоклеточном организме вода составляет около 80% массы тела.

Роль воды в клетке очень велика. Ее функции во многом определяются химической природой. Дипольный характер строения молекул обусловливает способность воды активно вступать во взаимодействие с различными веществами. Ее молекулы вызывают расщепление ряда водорастворимых веществ на катионы и анионы. В результате этого ионы бы­стро вступают в химические реакции. Большинство хими­ческих реакций представляет собой взаимодействие между растворимыми в воде веществами.

Таким образом, полярность молекул и способность обра­зовывать водородные связи делают воду хорошим раствори­телем для огромного количества неорганических и органи­ческих веществ. Кроме того, в качестве растворителя вода обеспечивает как приток веществ в клетку, так и удаление из нее продуктов жизнедеятельности, поскольку большин­ство химических соединений может проникнуть через на­ружную клеточную мембрану только в растворенном виде.

Не менее важна и чисто химическая роль воды. Под дей­ствием некоторых катализаторов - ферментов - она всту­пает в реакции гидролиза, т. е. реакции, при которых к сво­бодным валентностям различных молекул присоединяются группы ОН - или Н - воды. В результате образуются новые вещества с новыми свойствами.

Вода в известной степени является теплорегулятором; за счет хорошей теплопроводности и большой теплоемкости воды, при изменении температуры окружающей среды, внутри клетки температура остается неизменной или ее ко­лебания оказываются значительно меньшими, чем в окру­жающей клетку среде.

Минеральные соли. Большая часть неорганических ве­ществ клетки находится в виде солей - либо диссоцииро­ванных на ионы, либо в твердом состоянии. Среди первых большое значение имеют катионы К - , Na + Са 2+ , которые обеспечивают такое важнейшее свойство живых организ­мов, как раздражимость. В тканях многоклеточных живот­ных кальций входит в состав межклеточного «цемента», обусловливающего сцепление клеток между собой и упоря­доченное их расположение в тканях. От концентрации солей внутри клетки зависят буферные свойства клетки.

Буферностью называют способность клетки поддержи­вать слабощелочную реакцию своего содержимого на посто­янном уровне.

Нерастворимые минеральные соли, например фосфорно­кислый кальций, входят в состав межклеточного вещества костной ткани, в раковины моллюсков, обеспечивая проч­ность этих образований.

Органические вещества входящие в состав клетки

Органические соединения составляют в среднем 20- 30% массы клетки живого организма. К ним относятся био­логические полимеры - белки, нуклеиновые кислоты и уг­леводы, а также жиры и ряд небольших молекул - гормо­нов, пигментов, АТФ и многих других. В различные типы клеток входит неодинаковое количество органических со­единений. В растительных клетках преобладают сложные углеводы - полисахариды; в животных - больше белков и жиров. Тем не менее каждая из групп органических веществ в любом типе клеток выполняет сходные функции.

Биологические полимеры - белки. Среди органических веществ клетки белки занимают первое место как по количеству, так и по значению. У жи­вотных на них приходится около 50% сухой массы клетки. В организме человека встречаются 5 млн. типов белковых молекул, отличающихся не только друг от друга, но и от белков других организмов. Несмотря на такое разнообразие и слож­ность строения они построены всего из 20 различных амино­кислот. Соединение двух аминокислот в одну молекулу называ­ется дипептидом, трех аминокислот - трипептидом и т. д., а соединение, состоящее из 20 и более аминокислотных ос­татков, - полипептидом.

Углеводы, или сахариды, - органические вещества с общей формулой С n (Н 2 0) m . У большинства углеводов число молекул воды соответствует количеству атомов углерода. Поэтому эти вещества и были названы углеводами.

В животной клетке углеводы находятся в количествах, не превышающих 1-2, иногда 5%. Наиболее богаты угле­водами растительные клетки, где их содержание в некото­рых случаях достигает 90% сухой массы (клубни картофе­ля, семена и т. д.). Углеводы бывают простыми и слож­ными.

Простые углеводы называют моносахаридами. В зави­симости от числа атомов углерода в молекуле моносахариды называют триозами - 3 атома, тетрозами - 4, пентозами - 5 или гексозами - 6 атомов углерода. Из шестиуглеродных моносахаридов - гексоз - наиболее важны глюкоза, фрук­тоза и галактоза. Глюкоза содержится в крови (0,08- 0,12%). Пентозы - рибоза и дезоксирибоза - входят в со­став нуклеиновых кислот и АТФ.

Если в одной молекуле объединяются два моносахари­да, такое соединение называют дисахаридом. К дисахаридам относятся пищевой сахар - сахароза, получаемый из тростника или сахарной свеклы, который состоит из одной молекулы глюкозы и одной молекулы фруктозы, и молоч­ный сахар, образуемый молекулами глюкозы и галактозы.

Сложные углеводы, образованные многими моносахари­дами, называют полисахаридами. Мономерами таких по­лисахаридов, как крахмал, гликоген, целлюлоза, является глюкоза. Полисахариды, как правило, - разветвленные полимеры.

Жиры (липиды) представляют собой соединения вы­сокомолекулярных жирных кислот и трехатомного спирта глицерина. Жиры не растворяются в воде, они гидрофобны (от греч. hydor - вода и phobos - страх). В клетках всегда есть и другие сложные гидрофобные жироподобные вещест­ва, называемые липоидами.

Важна роль жиров и как растворителей гидрофобных органических соединений, необходимых для нормального протекания биохимических превращений в организме.

Биологически полимеры - нуклеиновые кислоты. Значение нуклеиновых кислот в клетке очень велико. Особенности их химического строения обеспечивают воз­можность хранения, переноса и передачи по наследству до­черним клеткам информации о структуре белковых моле­кул, которые синтезируются в каждой ткани на определен­ном этапе индивидуального развития.

Поскольку большинство свойств и признаков обусловле­но белками, то понятно, что стабильность нуклеиновых кис­лот - важнейшее условие нормальной жизнедеятельности клеток и целых организмов. Любые изменения строения нуклеиновых кислот влекут за собой изменения структуры клеток или активности физиологических процессов в них, влияя таким образом на жизнеспособность.

Изучение структуры нуклеиновых кислот, которую впер­вые установили американский биолог Дж. Уотсон и англий­ский физик Ф. Крик, имеет исключительно важное значе­ние для понимания наследования признаков у организмов и закономерностей функционирования как отдельных клеток, так и клеточных систем – тканей и органов.

Существуют два типа нуклеиновых кислот: ДНК и РНК.

Все живые организмы состоят из клеток. Химический состав клеток растений и животных имеет множество общих черт. В клетках растений содержится огромное количество химических элементов, которые также могут входить в состав предметов неживой природы. Они участвуют в различных химических реакциях, происходящих внутри клетки. В химическом составе клеток живых организмов, в том числе растений, преимущественно содержатся такие элементы, как углерод, водород, кислород, азот. В целом эти элементы составляют до 98% массы клетки. Относительное содержание этих элементов в живом веществе значительно выше, чем в земной коре.

Другие элементы (калий, кальций, сера, фосфор, натрий, кремний, хлор, железо, магний) составляют десятые или сотые доли процента от общей массы клетки растения. Содержание остальных химических элементов, к примеру, цинка, меди, йода, в живом организме еще меньше (тысячные и десятитысячные доли процента). Химические элементы, соединяясь между собой, образуют неорганические и органические вещества.

Органические вещества являются важным структурным компонентом живых организмов, в том числе растений. К ним относятся углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты, т.д. Белки входят в состав разнообразных клеточных образований, регулируют процессы жизнедеятельности и откладываются про запас. Жиры откладываются в семени и других частях растения.

Значение жиров состоит в том, что вследствие их расщепления освобождается необходимая для жизнедеятельности организма растения энергия. Углеводы являются основной группой органических соединений, благодаря расщеплению которых живые организмы получают энергию, необходимую для их существования.

Самым распространенным запасным углеводом, который образуется в клетках растений, благодаря фотосинтезу, является крахмал.

Огромное количество этого соединения откладывается, например, в клетках клубней картофеля или семян злаков. Другие углеводы – сахара – придают сладкий вкус плодам растений. А такой углевод, как целлюлоза, входит в состав клеточных оболочек растений. Нуклеиновым кислотам принадлежит ведущая роль в сохранении наследственной информации и передачи ее потомкам.

К неорганическим веществам в составе растительной клетки можно отнести воду и минеральные соли. Вода составляет от 60 до 95% общей массы клетки. Благодаря воде, клетка приобретает необходимую упругость, форму. Также вода принимает участие в обмене веществ.

Вода обеспечивает движение питательных веществ внутри растения и играет важную роль в регулировании температуры организма.

Примерно 1-1,5% массы клетки составляют минеральные соли, в том числе соли калия, натрия и кальция.

Большое значение играют соли магния и железа, так как они участвуют в образовании хлорофилла. Из-за недостатка либо отсутствия этих элементов листья бледнеют или вообще теряют зеленую окраску, нарушаются или приостанавливаются процессы фотосинтеза.

Таким образом, растительная клетка представляет собой своеобразную «природную лабораторию», где продуцируются и преобразуются различные химические соединения. Благодаря этому, клетку считают элементарной составной частью и функциональной единицей живого организма.

Похожие материалы: