Всего в природе известно 110 химических элементов. Из них в состав клетки могут входить примерно 70. Однако, соотношение химических элементов в живых организмах
|
|
Скачать 199.93 Kb.
|
|
ОСНОВЫ БИОХИМИИ. СОДЕРЖАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В КЛЕТКЕ. Всего в природе известно 110 химических элементов. Из них в состав клетки могут входить примерно 70. Однако, соотношение химических элементов в живых организмах отличается от их соотношения в объектах неживой природы. Например, в земной коре наиболее распространены кремний, алюминий, кислород и натрий /около 90 %/, а живые организмы на 98% состоят из углерода, кислорода, водорода и азота. В зависимости от процентного соотношения в живых организмах химические элементы делят на 4 группы.
Все химические элементы содержатся в организме или в виде ионов, или входят в состав неорганических и органических молекул. Можно ли по процентному содержанию химических элементов в клетке судить о их значении? ^ 1. Вода. Известно, что вода - это жидкое, прозрачное вещество, без вкуса и запаха. Может находиться в 3 агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном. В клетке вода находится только в жидком состоянии, в 2 формах: 1. свободная вода (около 95%) 2. связанная вода (4-5%). Связанная вода образуется при взаимодействии с молекулами белка. Растворения белка не происходит, но образуются коллоидные растворы. При этом между молекулой белка и молекулами воды образуются водородные связи, и молекула белка оказывается окруженной водной оболочкой. ^ 1. Молекула воды полярна, её называют диполем. 2. Между молекулами воды образуются водородные связи. Названные особенности определяет физические свойства воды и её биологическое значение. 1.1. Влияние полярности молекул воды на ее биологическое значение. Из-за высокой полярности своих молекул вода является лучшим из известных растворителей. Вещества, растворимые в воде, называются гидрофильными. Это - соли, спирты, сахара и многие другие вещества, содержащиеся в клетке. Вещества, нерастворимые в воде, называются гидрофобными. Вода, как растворитель, очень важна для жизнедеятельности клетки, так как вещества, растворяясь в воде, легко транспортируются по организму. Вода выполняет разнообразные транспортные функции: 1. Вода, растворяя многие вещества, переносит их по организму (кровь животных , флоэмный и ксилемный токи у растений). 2. Вредные продукты обмена веществ выводятся из организма в растворенном виде. 3. Многие вещества проникают через мембрану клетки только в растворенном виде. 4. В водной среде клетки происходит диффузия гидрофильных веществ. 5. С водой связано явление осмоса - это перемещение молекул воды из области высокой их концентрации в область низкой концентрации (Пояснить на примере эритроцитов, морских и пресноводных рыб). Из-за полярности молекул вода является активным реагентом: 1. Большинство биохимических реакций клетки протекают только в водном растворе. 2. Вода участвует в реакциях гидролиза (расщепление веществ водой). Например, расщепление белков, углеводов и др. 3. Вода образуется в результате синтеза органических веществ. 4. Молекулы воды являются обязательным участником процесса фотосинтеза, поставляя водород. 1.2. Влияние водородных связей между диполями воды на её биологическое значение. Большое количество водородных связей между диполями воды определяет физические свойства воды:
^ Минеральные соли бывают растворимые и нерастворимые. Растворимые соли диссоциируют в клетке на катионы и анионы. Наибольшее значение для жизнедеятельности клетки имеют катионы K Очень важным является соотношение ионов в клетке, которое поддерживается клеткой на определённом уровне. Например, в клетке ионов К в 30-40 раз больше, чем за её пределами. А ионов Na и Cl наоборот больше за пределами клетки. Такая разность в концентрации ионов обеспечивает образование нервного импульса. Кроме того, соотношение ионов определяет реакцию среды клетки, которая так же является постоянной (слабощелочной, почти нейтральной - pH 7,2). Содержание солей в клетке обеспечивает явление осмоса. Нерастворимые минеральные соли представлены в основном фосфатом кальция, который входит в состав костной ткани позвоночных, образует известковые раковины моллюсков, известковые структуры некоторых простейших. ^ Соляная кислота создаёт кислую среду в желудке животных и человека, что способствует более быстрому перевариванию белков пищи. Соляная кислота содержится и в специальных органах насекомоядных растений. Остатки фосфорной кислоты способны изменять активность ферментов клетки, входят в сотав нуклеиновых кислот, АТФ, фосфолипидов и др. веществ. Остатки серной кислоты присоединяются к нерастворимым чужеродным веществам и делают их растворимыми. в растворимом виде они легко выводятся из организма. Соли азотной, фосфорной, серной кислот обеспечивают минеральное питание растений. Все эти соли легко растворимы и вместе с водой они поступают в растения. ^ 1. Химические связи органических веществ. Основная химическая связь в органических веществах - ковалентная. Основу любой органической молекулы составляют атомы углерода, соединенные ковалентно. К ним ковалентно присоединяются другие химические элементы (H,N,O,P,S). Ковалентные связи между атомами углерода бывают одинарные, двойные или тройные. Самые прочные связи – одинарные ковалентные связи. Двойные или тройные относительно легко разрываются и образующиеся свободные валентности вступают в химические взаимодействия. Количество одинарных. двойных и тройных связей очень сильно влияет на свойства веществ. 2. Полимеры и мономеры среди органических веществ. Часть органических веществ имеют относительно небольшую молекулярную массу, например всем известная глюкоза (180). Молекулы таких веществ называются малыми органическими молекулами. Другие же органические вещества имеют огромные, сложно устроенные молекулы. Их молекулярные массы достигают нескольких десятков тысяч единиц. Такие гигантские молекулы называют макромолекулами. ^ В результате возникают длинные линейные или разветвленные макромолекулы. Некоторые макромолекулы являются полимерами. ^ повторяющихся малых органических молекул, ковалентно связанных между собой. Повторяющиеся малые молекулы в этом случае называются мономерами. Некоторые полимеры образованы несколькими миллиардами мономеров (например, ДНК). От числа мономеров и их последовательности зависят свойства полимеров. ^ Функции белков в клетке очень разнообразны и важны для её жизнедеятельности, поэтому белки называют протеинами, что означает "занимаю первое место". 1. Каталитическая или ферментативная функция белков. Каталитическая функция заключается в том, что специальные белки-ферменты ускоряют биохимические реакции. Каталитическая функция белков очень важна для клетки и организма, так как все процессы жизнедеятельности основываются на многочисленных биохимических реакциях, протекающих только с участием белков-ферментов. Ферментами могут быть только белки. В настоящее время известно около 2 000 различных ферментов, каждый из которых катализирует определённую реакцию. ^ Необходимость ферментативного катализа вызвана тем, что биохимические реакции в организме протекают в очень мягких условиях: при температуре 36-37 градусов и при обычном давлении. Те же самые реакции вне организма без участия ферментов, но при таких же температуре и давлении, становятся невозможными. О ферментативном катализе академик Берг писал: "Организмы совершают нечто с физической точки зрения невероятное." 1.1. Строение ферментов. Ферментативную функцию выполняют глобулярные белки с большой молекулярной массой. Как правило, белки-ферменты не имеют четвертичной структуры, могут быть как простыми так и сложными. ^ Если фермент является простым белком, то его активный центр образован заряженными аминокислотами. Если же фермент - сложный белок, то его активный центр состоит из небелковой части (например, из атомов железа, меди, цинка и др.). ^ Строение активного центра точно соответствует строению вещества, с которым фермент взаимодействует ("ключ-замок"). Именно поэтому фермент может взаимодействовать только с одним определённым веществом и катализировать определённую реакцию. Например, фермент пептидаза разрывает только пептидные связи, а ДНК-полимераза синтезирует только молекулу ДНК. Активность ферментов регулируется с помощью специальных веществ - активаторов (повышают активность) и ингибиторов (снижают активность). Строение молекул ингибиторов очень похоже на строение молекул субстрата, поэтому ингибиторы легко взаимодействуют с активным центром фермента. Образуется очень прочный комплекс фермента и ингибитора, так как между ними образуются ковалентные связи. В результате фермент теряет активность и в дальнейшем в биохимических реакциях не участвует. 1.2. Механизм действия фермента. 1. Фермент сближается с субстратом (вещество, с которым взаимодействует данный фермент). 2. Между активным центром фермента и субстратом образуются слабые химические связи ( ионные или водородные). Образуется фермент-субстратный комплекс. 3. В составе фермент-субстратного комплекса субстрат становится более активным, в результате происходит реакция, которая без участия фермента была невозможной. Вещество, образующееся в результате ферментативной реакции, называется продуктом. 4. Фермент отсоединяется от продукта реакции и вновь вступает во взаимодействие с субстратом. 1.3. Свойства ферментов. 1. Специфичность действия: каждый фермент катализирует определённую биохимическую реакцию или тип реакций. 2. Один фермент может катализировать как прямую, так и обратную реакции, но эти реакции протекают при различных условиях. 3. Ферменты очень чувствительны к изменениям температуры. При значительном снижении или повышении t происходит денатурация белковой молекулы, изменяется или разрушается активный центр, в результате фермент теряет активность. 4. Ферменты очень чувствительны к реакции среды (pH). Например, ферменты слюны активны только в нейтральной среде, а ферменты желудочного сока - в кислой. При изменении реакции среды проходит денатурация. 5. Активность фермента может регулироваться активаторами и ингибиторами. 6. В клетках сначала синтезируются неактивные ферменты, которые впоследствии активизируются. 7. Ферменты в клетке действуют не отдельно друг от друга, а в виде ферментных комплексов (систем). Ферментный комплекс осуществляет цепь взаимосвязанных реакций. Продукт предыдущей реакции является субстратом для следующей реакции. УГЛЕВОДЫ. Углеводы - органические вещества, состоящие только из C,H,O Соотношение атомов водорода и кислорода такое же, как и в молекуле воды - 2:1 Отсюда их название - углеводы. Общая структурная формула углеводов Cn (H2O)n Классификация углеводов. В зависимости от химического строения углеводы делят на 4 группы: моносахариды, дисахариды, олигосахариды и полисахариды. Особенности каждой группы – см. тетрадь. Важнейшие полисахариды: крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин. Большинство полисахаридов являются гомополимерами, так как они образованы только одним видом мономеров - глюкозой. Между молекулами глюкозы возникают особые ковалентные связи, которые называются гликозидными. Несмотря на то, что все полисахариды состоят из ковалетно связанных молекул глюкозы, они обладают разными свойствами и выполняют различные биологические функции. Содержание в живых организмах. Содержание углеводов в клетках растений и животных сильно различается. Количество углеводов в клетках растений в среднем составляет 20%, но в некоторых частях растений, например, в клубнях картофеля, достигает 70%. В клетках животных углеводов намного меньше, не превышает 5%. Но, несмотря на различия в содержании, углеводы в любых клетках играют большую роль. Функции углеводов. Биологические функции веществ, как известно, определяются их физическими свойствами и строением, поэтому разные группы углеводов выполняют в организме разные функции. Моносахариды и небольшие олигосахариды выполняют энергетическую функцию, полисаха- риды - структурную и запасающую. Более крупные олигосахариды и некоторые небольшие полисахариды выполняют рецепторную функцию.
Из углеводов ферментативная функция характерна только для моносахаридов и олигосахаридов. Из-за наличия свободных гидроксильных групп моносахариды хорошо растворимы в воде и поэтому доступны для действия ферментов. Основным источником энергии являются моносахарид глюкоза. Другие моносахариды сначала превращаются в глюкозу и лишь затем подвергаются расщеплению.
Молекулы крахмала и гликогена разветвлены или имеют спиральную форму, поэтому вещества аморфны и прочностью не обладают. Из-за отсутствия прочности крахмал и гликоген не могут выполнять структурную функцию. Не могут они выполнять и энергетическую функцию, так как плохо растворимы в воде. Но зато из-за частичной растворимости они не доступны для расщепляющих глюкозу ферментов и поэтому могут запасаться и накапливаться в клетках. Очень важно ещё и то, что их крупные молекулы не могут проникнуть через клеточную мембрану и покинуть клетку. Запасающая функция очень тесно связана с энергетической. При необходимости в дополнительных количествах энергии гликоген в организме животного преобразуется в глюкозу, которая затем расщепляется с образованием энергии. У растений крахмал также может расщепляться до глюкозы.
Структурная функция определяется физическими свойствами этих углеводов: целлюлоза и хитин очень прочные и нерастворимые. Прочность этих полисахаридов определяется тем, что они имеют очень длинные линейные молекулы, расположенные очень плотно и параллельно друг другу. Кроме того, между соседними молекулами образуется множество водородных связей, которые придают веществу дополнительную прочность. В образовании водородных связей участвуют гироксильные группы, поэтому свободных функциональных групп нет, следовательно, целлюлоза и хитин нерастворимы в воде.
^ Липиды - это жироподобные органические вещества, нерастворимые в воде (т.е. гидрофобные), но хорошо растворимые в органических растворителях - ацетоне, бензине и др. Молекулы липидов имеют очень большие размеры, поэтому их называют макромолекулами. Но в то же время липиды не являются полимерами (искл. каучук), так их макромолекулы образованы всего лишь несколькими малыми молекулами, а не большим их количеством. 1^ �. В зависимости от особенностей строения различают несколько групп липидов: 1. простые липиды (жиры, воска) 2. сложные липиды (фосфолипиды, гликолипиды, липопротеины) 3. жироподобные вещества (стерины , например, холестерин терпены - ментол, камфора, ге- раниол, каучук) 2. Особенности строения и функций основных групп липидов. 2.1. Простые липиды. Простые липиды образуются в результате взаимодействия трёхатомного спирта глицерина (имеет 3 гидроксильные группы -ОН) и 3 молекул жирных кислот. Свойства липида зависят от набора жирных кислот в его молекуле. Например, растительные масла - жидкие, так как в их составе в основном содержатся ненасыщенные жирные кислоты (с двойными и тройными ковалентными связями). В животных жирах содержатся насыщенные жирные кислоты (все ковалентные связи - одинарные), поэтому они твёрдые. Одинарные связи наиболее богаты энергией, поэтому животные жиры в отличие от растительных масел более энергоёмкие вещества. ^ 1. Жиры выполняют энергетическую функцию. При расщеплениии 1 г жира образуется 38,9 кДж энергии, что примерно в 2 раза больше, чем при расщеплении углеводов. Но всё-таки основным источником энергии в организме является глюкоза, так как жиры нерастворимы в воде и плохо доступны для действия ферментов. Жиры сначала преобразуются в глюкозу, которая затем расщепляется с образованием энергии. Энергетическая ценность жира определяется числом одинарных связей в его молекуле. Чем больше одинарных связей, тем выше энергетическая ценность жира. В молекулах твёрдых жиров содержатся в основном одинарные связи, поэтому твёрдые жиры имеют большую энергетическую ценность по сравнению с растительными маслами. 2. Кроме энергетической функции жиры выполняют запасающую функцию. У животных они запасаются в подкожной жировой клетчатке, у растений - в семенах. Примеры масличных растений - самостоятельно. Засённые жиры при необходимости расщепляются организмами для получения энергии. 3. Некоторые простые жиры выполняют защитную функцию. Например, подкожная жировая клетчатка защищает животных от потерь тепла. Воска покрывают листья и плоды растений, что защищает их от повреждений. Воска, покрывающие шерсть и перья животных защищают их от намокания. 4. Молекулы жиров входят в состав мембраны клетки. Значит, они выполняют структурную функцию. Таким образом, простые жиры выполняют энергетическую, запасающую, защитную и структурную функции. ^ . В составе сложных липидов одна из жирных кислот заменяется каким-либо другим веществом. Например, в фосфолипидах содержится остаток фосфорной кислоты; в гликолипидах - остаток молекулы глюкозы. Комплекс белка и липида называется липопротеином. Сложные липиды в большом количестве содержатся в мембранах клетки, поэтому они выполняют структурную функцию. ^ В составе молекул жироподобных веществ нет жирных кислот, но они как и другие липиды нерастворимы в воде. Жироподобные вещества имеют очень сложные кольцевые молекулы. К ним относятся стерины (например, холестерин) и терпены. Жироподобные вещества выполняют регуляторную функцию. Например, на основе холестерина образуются половые гормоны, регулирующие некоторые процессы в организме. На основе жироподобных веществ образуются витамины А и D, которые регулируют обмен веществ. К жироподобным веществам относятся терпены - вещества с сильным и резким запахом. Терпены содержатся в различных частях растений и своим запахом защищают растения от поедания животными. Это, например, эфирные масла – ментол, гераниол, лимонен, камфора. К терпенам относится и природный каучук. Каучук - единственный полимер среди липидов. . ^ Высокоэнергетические (макроэргические) соединения - группа органических веществ, в химических связях которых аккумулировано большое количество энергии. Такие связи называются макроэргическими (высокоэнергетическими, пирофосфатными). Макроэргические связи являются разновидностью ковалентной связи. Макроэргическая связь возникает между фосфатами, которые имеют одноимённый отрицательный заряд и взаимно отталкиваются друг от друга. Поэтому макроэргическая связь, хотя и богата энергией, но является непрочной. При разрыве обычной ковалентной связи выделяется 12 кДж энергии на моль вещества, а при разрыве макроэргической - 40-50 кДж. Столько же энергии требуется на её образование. Высокоэнергетические соединения образуются на основе нуклеотидов РНК в процессе фосфорилирования. Фосфорилирование - процесс присоединения остатка фосфорной кислоты к какой-либо молекуле. Фосфорилирование может происходить в гиалоплазме клетки, в митохондриях и хлоропластах. В жизни клетки первостепенное значение имеет фосфорилирование АДФ, которое приводит к образованию АТФ. Основным, универсальным высокоэнергетическим веществом является АТФ. АТФ образуется на основе аденилового нуклеотида РНК. Адениловый нуклеотид состит из 2 элементов: аденозина (аденин + рибоза) и фосфата, поэтому имеет второе название - аденозинмонофосфат или АМФ. При определенных условиях к АМФ может присоединиться еще один остаток фосфорной кислоты. Между фосфатами возникает макроэргическая связь. В результате образуется аденозиндифосфат или АДФ. Если к АДФ присоединится еще один фосфат - образуется АТФ. Таким образом, АТФ является производным аденилового нуклеотида РНК и содержит 2 макроэргические связи. Кроме АТФ и АДФ существуют и другие макроэргические соединения: УДФ и УТФ, ЦДФ и ЦТФ, ГДФ и ГТФ. Наиболее богаты энергией АТФ, УТФ, ГТФ, ЦТФ. Но функции этих веществ различны. АТФ - универсальный переносчик и источник энергии в клетке. Энергия АТФ используется для всех процессов жизнедеятельности клетки ( синтез разл. веществ, образование тепла, движение, биолюминесценция и др.). ^ ГДФ и ГТФ - для синтеза липидов. ЦДФ и ЦТФ - для синтеза петидов. Использование макроэргических соединений. Энергию клетка получает в результате расщепления органических веществ. Наиболее эффективно происходит процесс окисления органических веществ в митохондрияхЭтот процесс происходит в митохондриях. Образующаяся энергия затрачивается на фосфорилирование и образование АТФ. Затем АТФ покидает митохондрию и перемещается в цитоплазму клетки, где требуется энергия для различных процессов. То есть высокоэнергетические соединения являются переносчиками энергии от места её образования к месту её использования. Высвобождение энергии АТФ происходит в результате дефосфорилирования АТФ – процесса её расщепления и отсоедидинение остатка фосфорной кислоты. В результате образуется АДФ и молекула фосфата, разрушается макроэргическая связь, что сопровождается выделением энергии. Дефосфорилирование осуществляется с участием ферментов фосфатаз. Иногда дефосфорилирование продолжается, и АДФ расщепляется до АМФ. Средняя продолжительность жизни АТФ не более 1 минуты. За сутки в организме человека (70 кг) при сидячей работе образуется и расщепляется в общей сложности около 200 кг АТФ. Такое количество АТФ необходимо для обеспечения энергетических потребностей организма. ^ РНК (рибонуклеиновая кислота) - одноцепочечный полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Нуклеотиды РНК, так же как и у ДНК, состоят из азотистого основания, простого сахара и остатка фосфорной кислоты, ковалентно связанных между собой. Но в нуклеотиде РНК простым сахаром является рибоза. Среди азотистых оснований отсутствует тимин, он замещен на урацил. Главное отличие от ДНК состоит в том, что РНК состоит лишь из одной цепи нуклеотидов. Цепи РНК значительно короче цепей ДНК. В зависимости от выполняемых функций различают 3 вида РНК. 1. Информационная РНК (и-РНК) или матричная (м-РНК) представляет собой полинуклеотидную незамкнутую цепь. Содержится в ядре и цитоплазме. Функция - перенос информации о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка (к рибосомам). 2. Транспортная РНК (т-РНК). Молекулы т-РНК самые короткие: состоят из 80-100 нуклеотидов. Благодаря образованию внутрицепочечных водородных связей между комплементарными нуклеотидами молекула т-РНК приобретает характерную вторичную структуру, которая схематично изображается в виде трилистника. 3. Рибосомная РНК (р-РНК) - самые крупные, состоят из 3-5 тысяч нуклеотидов. Р-РНК в комплексе с рибосомными белками образует рибосомы (органоиды клетки, на которых происходит синтез белка). Все виды РНК синтезируются на основе ДНК. |
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Похожие:
База данных защищена авторским правом ©MedZnate 2000-2016
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям