Юлия Верхошенцева - Биология с основами экологии

Основной вклад в построение молекул жизненно важных соединений вносят макроэлементы вместе с S и P, поэтому их называют биогенными, или биоэлементами . Макроэлементы вместе с S входят в состав белков, а вместе с P – в состав нуклеиновых кислот; О, Н, С образуют липиды (с S и P) и углеводы.

Третья группа объединяет остальные элементы. Их не более 0,01 % вещества клетки, однако, это не значит, что без них организм может легко обойтись. Элементы третьей группы подразделяют на микро (от 10 - 12% до 10 -3%) и ультрамикроэлементы (не более 10 -12%). К последним относят Ag, Au, Hg, Be, U, As и др. Биологическая роль многих из них не выявлена.

Все химические соединения образуют два больших класса: неорганические и органические. Органические соединения содержат углерод, его наличие является их отличительным признаком. Из всего многообразия органических соединений особое биологическое значение имеют нуклеиновые кислоты, белки, углеводы и липиды (жиры).

Неорганические вещества. Вода – самое распространенное вещество в живых существах. В многоклеточных организмах вода составляет до 80 % массы. У человека содержание воды в различных органах колеблется от 10 % (в клетках эмали зубов) до 85 % (в клетках головного мозга). Вода в клетках присутствует в двух формах: свободной (95 % всей воды в клетках) и связанной (от 4 % до 5 % связана с белками).

Молекула воды полярна (диполь). Центры ее положительного (у атомов водорода) и отрицательного (у кислорода) зарядов разнесены. Атом кислорода молекулы воды притягивается к атому водорода другой молекулы с образованием так называемой водородной связи (рисунок 1).

Рисунок 1 – Образование водородной связи между молекулами воды

Значительное сцепление молекул воды между собой и с молекулами других веществ позволяет воде легко перемещаться вверх по сосудам растений и переносить питательные вещества.

Соли. Большая часть неорганических веществ находится в клетке в виде солей. Они образованы катионами К +, Na +, Mg 2+, Са 2+и анионами соляной, серной, фосфорной и угольной кислот. Катионы К +, Na +, Са 2+обеспечивают раздражимость клетки. Различное их количество на внешней и внутренней стороне мембраны создает разность потенциалов, позволяющую передавать возбуждение по нерву и мышце. Содержание К +в мышечных клетках в 30 раз выше, чем в крови; Na +участвует в транспорте глюкозы, других сахаров, аминокислот; Ca 2+и Mg 2+активируют ряд ферментов. Анионы угольной и фосфорной кислот обусловливают буферность клетки – свойство поддерживать необходимую для нормальной жизнедеятельности слабощелочную среду. Некоторые нерастворимые в воде соли входят в состав организмов в твердом виде. Прочность костной ткани придает содержащийся в ее межклеточном веществе фосфат кальция, а крепкие раковины моллюсков состоят из карбоната кальция.

Органические вещества. Углеводы – органические соединения с общей химической формулой Сn(H 2О)m. Содержание углеводов в животных клетках составляет от 1 % до 5 %, а в клетках растений достигает 70 %.

Углеводы подразделяют на моносахариды (простые сахара), дисахариды или олигосахариды (состоят из 2-10 молекул простых сахаров) и полисахариды (сложные сахара).

Липиды – разнообразные по строению жироподобные вещества, почти нерастворимые в воде (гидрофобные), но хорошо растворимые в неполярных растворителях (хлороформе, метаноле). Наиболее распространенные липиды: воски , нейтральные жиры, фосфолипиды и стероиды .

Белки – высокомолекулярные полимерные органические вещества, определяющие структуру и жизнедеятельность клетки и организма в целом. Структурной единицей, мономером их биополимерной молекулы является аминокислота. Все организмы для синтеза белков используют 20 одних и тех же аминокислот, 8 из них не могут синтезироваться организмом человека и должны поступать с пищей – их называют незаменимыми.

Выделяют четыре уровня организации белковых молекул: первичный, вторичный, третичный и четвертичный (рисунок 2).

Ферменты – органические вещества белковой природы, которые синтезируются в клетках и во много раз ускоряют протекающие в них реакции, не подвергаясь при этом химическим превращениям.

Все ферменты помимо белка содержат небелковые компоненты. Белковая часть называется апоферментом, а небелковая – кофактор (если это простое неорганическое вещество, например Zn 2+) или кофермент (коэнзим) (если это органическое соединение).

Нуклеиновые кислоты. Мононуклеотиды. Мононуклеотид состоит из одного пуринового (аденин – А, гуанин – Г) или пиримидинового (цитозин – Ц, тимин – Т, урацил – У) азотистого основания, сахара – пентозы и 1-3 остатков фосфорной кислоты.

Полинуклеотиды. Существует два типа нуклеиновых кислот: ДНК и РНК. Нуклеиновые кислоты – полимеры, мономерами которых служат нуклеотиды.

Нуклеотиды ДНК и РНК состоят из следующих компонентов:

1. Азотистое основание (в ДНК: аденин, гуанин, цитозин и тимин; в РНК: аденин, гуанин, цитозин и урацил).

2. Сахар – пентоза (в ДНК – дезоксирибоза, в РНК – рибоза).

3. Остаток фосфорной кислоты.

ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота длинноцепочечный неразветвленный полимер, состоящий из четырех типов мономеров – нуклеотидов А, Т, Г, Ц – связанных друг с другом ковалентной связью через остатки фосфорной кислоты (рисунок 3).

РНК – рибонуклеиновая кислота вместо дезоксирибозы содержит рибозу, а вместо тимина – урацил. РНК, как правило, имеют лишь одну цепь, более короткую, чем цепи ДНК. Двуцепочечные РНК встречаются у некоторых вирусов.

Виды РНК: информационная (матричная) – и – РНК, транспортная – тРНК, рибосомная – р – РНК.

Аденозинтрифосфорная кислота – АТФ. Энергия, поступающая с пищей, запасается клеткой в виде химических связей органических молекул, которые клетка синтезирует. Универсальным источником энергии в клетке являются молекулы глюкозы. Энергия, выделяющаяся при расщеплении глюкозы, запасается в молекулах АТФ – универсальном аккумуляторе энергии. У растений АТФ образуются в хлоропластах в процессе фотосинтеза и в митохондриях. Использование АТФ позволяет организму легко и быстро высвобождать и запасать энергию. По строению АТФ сходна с адениловым нуклеотидом, входящим в состав РНК, только вместо одного остатка фосфорной кислоты (фосфата) в состав АТФ входят три остатка (рисунок 4).

Практическая часть

Самостоятельная работа

Задание 1