Химическая организация клетки

Вид материала

Документы

Содержание P, Ca – формирование костной ткани, прочность костей. Ca Cu обеспечивает рост тканей, входит в состав ферментов. I B отвечает за процесс роста. Mo Минеральные соли. Уровни организации белковой молекулы Последовательность аминокислот в полипептидной цепи принято называть первичной структурой белка. Третичная структура – клубок из полипептидной спирали. Процесс утраты белковой молекулой своей структурной организации называется денатурацией. Функции белков 2. Транспортная. Гемоглобин крови, осуществляет перенос кислорода к клеткам и удаляет углекислый газ. 4. Защитная – выработка антител при попадании болезнетворных микробов. 7. Еще одна функция белка – запасающая. Многообразие углеводов Функции углеводов Функции жиров Нуклеиновые кислоты Строение нуклеотида РНК Сравнительная характеристика ДНК и РНК Местонахождение в ядре Мономеры - нуклеотиды ... Полное содержание

Подобный материал:

• Тематический тест. Тема: «Химическая организация клетки». Вариант №1. Задание в составе, 40.09kb.
• В. И. Ермолаева 1 семестр 2005/06 уч г. График лабораторных занятий по химии для всех, 82.76kb.
• Контрольная работа №2 по теме «Строение клетки», 53.62kb.
• Общий план строения клетки. Цитоплазма. Общая морфофункциональная характеристика. Классификация, 202.88kb.
• Рабочая программа по дисциплине «Основы научных и инженерных исследований» Направление, 83.71kb.
• Тематический план лекций по гистологии, цитологии и эмбриологии для студентов стоматологического, 99.17kb.
• Отчет о результатах самообследования основной образовательной программы по специальностям:, 1627.98kb.
• Методичка №47 : Фармация Физиология «жкт», 18017.42kb.
• Биосинтез белка, 17.68kb.
• Рабочая программа по дисциплине "Химическая технология неорганических веществ " Направление:, 112.47kb.

Занятие 3


Химическая организация клетки


Неорганические вещества клетки


Рассматривая нахождение химических элементов на Земле, обычно принимают во внимание три сферы неживой природы: атмосферу, гидросферу, литосферу и четвертую сферу – область существования живых организмов – биосферу. Русский ученый В.И.Вернадский, проводя детальный анализ содержания элементов в земной коре и в живых организмах, пришел к выводу, что качественный состав этих объектов близок. Он предполагал, что в живом организме когда-нибудь будут найдены все элементы периодической системы, обнаруженные в неживой природе Земли.

Действительно, к настоящему времени в организме человека надежно установлено присутствие около 70 элементов периодической системы.

В зависимости от содержания в живом организме химические элементы подразделяются на несколько групп.


Макроэлементы:

а) H, O, C, N - 98%

+ S, P - биоэлементы, образуют органические соединения.

б) K, Na, Ca, Mg, Fe, Cl - около 2%

K, Na, Cl – проницаемость клеточных мембран, проведение нервного импульса.

P, Ca – формирование костной ткани, прочность костей.

Ca - обеспечивает свертываемость крови.

Fe – входит в состав гемоглобина.

Mg - входит в состав хлорофилла у растений, в состав ферментов у животных.


Микроэлементы – содержание около 0,02%.

Zn входит в состав инсулина – гормона поджелудочной железы, усиливает активность половых желез.

Cu обеспечивает рост тканей, входит в состав ферментов.

I входит в состав тироксина – гормона щитовидной железы.

F входит в состав эмали зубов.

Co входит в состав витамина В₁₂.

Mn обеспечивает обмен веществ.

B отвечает за процесс роста.

Mo отвечает за использование железа, за задержку фтора в организме.

Недостаток макро- и микроэлементов приводит к различным заболеваниям. И чтобы их предотвратить, необходимо употреблять определенные продукты питания. Например, кальций. После 4-х главных элементов занимает пятое место. У взрослого человека за сутки из костной ткани выводится до 700 мг кальция и столько же откладывается вновь. Следовательно, костная ткань помимо опорной функции, играет роль депо кальция и фосфора, откуда организм извлекает их при недостатке поступления с пищей.

Например, при падении атмосферного давления, организму для сохранения равновесия требуется больше, чем обычно, кальция. Если его запасов в крови нет, то он усиленно извлекается из костей. Когда процесс выходит за пределы нормы, развивается патология, чаще у пожилых, и они говорят «ох, как кости болят! Это к плохой погоде…»


Вода.

Вода - 60 % - 95 % от общей массы организма.

Вода – обязательное условие жизненной активности клетки.

Вода - среда обитания для многих организмов.


Свойства воды:

• малые размеры молекулы;
  
• полярность молекул;
  
• способность образовывать водородные связи друг с другом.
  

Функции воды:

• универсальный растворитель для полярных веществ, служит средой для транспорта различных веществ внутри организма;
  
• теплоёмкость: биохимические процессы идут в малом диапазоне температур;
  
• большая теплота испарения: используется при терморегуляции у животных (потоотделение) и растений (охлаждение листьев);
  
• большая теплота плавления: препятствует образованию кристаллов льда в клетках при понижении температуры;
  
• плотность льда меньше плотности воды: он не тонет, и водоёмы промерзают сверху вниз (в противном случае реки и озера холодных и умеренных поясов промёрзли бы за зиму насквозь);
  
• поверхностное натяжение: обеспечивает движение воды по капиллярам организмов;
  
• необходимый компонент метаболических реакций (фотосинтез, гидролиз);
  
• осморегулятор: обеспечивает внутриклеточное давление на стенку клетки.
  

Минеральные соли.

Кроме воды, в числе неорганических веществ, входящих в состав клетки, нужно назвать соли, представляющие собой ионные соединения. В водном растворе они диссоциируют с образованием катиона металла и аниона кислотного остатка.

Для процессов жизнедеятельности клетки наиболее важны:

Катионы: K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ .

Анионы: H₂PO₃^-, Cl^- ,HCO₃^2-.

Концентрация ионов на внешней поверхности клетки отличается от их концентрации на внутренней поверхности. На внешней поверхности клеточной мембраны очень высокая концентрация ионов натрия, а на внутренней поверхности высока концентрация ионов калия. Вследствие этого образуется разность потенциалов между внутренней и внешней поверхностью клеточной мембраны, что обусловливает передачу возбуждения по нерву или мышце.

Ионы кальция и магния являются активаторами многих ферментов.

От концентрации солей внутри клетки зависят ее буферные свойства. Буферность – это способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию на постоянном уровне. Буферность внутри клетки обеспечивается анионами H₂PO₃^- и HCO₃^2-.

Во внеклеточной жидкости и в крови роль буфера играют Н₂СО₃ и НСО₃^2- .

Анионы слабых кислот и слабые щелочи связывают ионы водорода и гидроксид-ионы, благодаря чему реакция внутри клетки не изменяется.

Соляная кислота создает кислую среду в желудке, ускоряя переваривание белков пищи.

Ионы кальция и фосфора содержатся в костной ткани.

Минеральные соли поступают в клетки организма из внешней среды. Избыток солей вместе с водой выводится из организма во внешнюю среду.


Белки


В клетке содержится много органических соединений. К ним относят биологические полимеры – белки, нуклеиновые кислоты и углеводы, а также жиры и ряд небольших молекул – гормоны, пигменты, аминокислоты, простые углеводы, нуклеотиды и др. После удаления воды, в сухом остатке на 1 месте по содержанию стоят белки. Они составляют 10-20% от сырой массы и 50-80% от сухой массы клетки.

Белки называют также протеинами (греч. protos – первый, главный). Этим названием выделяется первостепенное значение белков для жизненного процесса.

Многие органические соединения, входящие в состав клетки, характеризуются большими размерами молекул. Как называются такие молекулы? (Макромолекулы). Они состоят обычно из повторяющихся сходных по строению низкомолекулярных соединений, связанных между собой ковалентными связями. Их строение можно сравнить с бусинками на нити. Как называются эти составные элементы? (Мономеры). Они образуют полимеры. Большинство полимеров построено из одинаковых мономеров.

Таким образом, белки – это высокомолекулярные полимерные соединения, мономерами которых являются аминокислоты.

В клетке находятся свободные аминокислоты, составляющие аминокислотный фонд, за счет которого происходит синтез новых белков. Этот фонд пополняется аминокислотами, постоянно поступающими в клетку вследствие расщепления белков пищи пищеварительными ферментами или собственных запасных белков. Природных аминокислот – 150, в белки входят – 20. 8 из них – незаменимые, т.е. они не способны синтезироваться в организме человека, но поступают в него с растительной пищей. И соответственно 12 – заменимые, образуемые в организме.

В организме человека встречается 5 млн типов белковых молекул, отличающихся не только друг от друга, но и от белков других организмов. Такое разнообразие обеспечивается сочетанием всего лишь 20 разных аминокислот, составляющих несколько сотен, а иногда и тысяч комбинаций. Теоретически из 20 аминокислот можно составить 2 _* 10¹⁸ вариантов белковых молекул, различающихся порядком чередования аминокислот, а значит формой, и свойствами.

Форма белковых молекул может быть спиралевидной, складчатой, шарообразной.


Уровни организации белковой молекулы


Таким образом, каждый белок имеет очень сложную структуру. Выделяют первичную, вторичную, третичную, четвертичную структуры.

Последовательность аминокислот в полипептидной цепи принято называть первичной структурой белка.

Вторичная структура – спираль с одинаковым расстоянием между витками (α-структура) или складчатый слой в виде «гармошки» (β-структура), образованная путем возникновения водородных связей.






Третичная структура – клубок из полипептидной спирали.





Четвертичная структура – структура из нескольких полипептидных цепей.




Процесс утраты белковой молекулой своей структурной организации называется денатурацией.

Процесс восстановления структурной организации белковой молекулы называется ренатурацией.


Функции белков:

1. Структурная. Белки участвуют в образовании всех клеточных мембран и органоидов клетки, а так же внеклеточных структур. Образуют покровные, мышечные ткани. Например, коллаген кожи. Натуральный коллаген со временем уменьшается и исчезает, что приводит к образованию морщин. Впрыскиванием коллагена в верхний слой кожи коллаген возмещается. Почти все мелкие и крупные морщины можно корректировать этой терапией.

2. Транспортная. Гемоглобин крови, осуществляет перенос кислорода к клеткам и удаляет углекислый газ.

3. Ферментативная (каталитическая) – способность белков ускорять в организме те или иные химические процессы.

– амилазы, катализирующие расщепление крахмала на мелкие части сложных сахаров и на отдельные растворимые сахара;
– протеазы, расщепляющие белки на составляющие их аминокислоты;
– липазы, расщепляющие животные и растительные жиры на составные части: глицерин и жирные кислоты;

Современное название ферментов – энзимы.

4. Защитная – выработка антител при попадании болезнетворных микробов.

При прививках в организм вводится ослабленная или убитая культура бактерий, и в ответ на это вырабатываются антитела. Они и защищают организм от заболевания при попадании настоящих болезнетворных бактерий. Защитная реакция наблюдается и при трансплантации. Это грозное явление отторжения чужеродной ткани до сих пор ограничивает возможности лечения ряда заболеваний.  Выработка иммунитета – это важная защитная функция белка. 

5. Регуляторная или гормональная. Гормоны – это биологически активные вещества, вырабатываемые железами внутренней секреции. Гормоны имеют белковую природу, т.е. по своему химическому составу представляют собой белки.

6. Двигательная функция обеспечивается специальными сократительными белками. Эти белки участвуют во всех видах движения, известных в природе: образование ложноножек у амеб, мерцание ресничек и биение жгутиков у простейших, сокращение мышц у многоклеточных животных. Белки актин и миозин – образуют мышечную ткань животных и человека.

7. Еще одна функция белка – запасающая.

К запасным белкам относят альбумин – белок яйца, казеин – белок молока. 

8. Энергетическая. При недостатке углеводов или жиров окисляются молекулы аминокислот. Освободившаяся при этом энергия используется на поддержание процессов жизнедеятельности организма. При полном расщеплении 1 г белка выделяется 17, 6 кДж энергии.

Углеводы

В составе большинства углеводов число молекул воды вдвое превышает количество атомов углерода, поэтому они были так названы. Иное название углеводов – сахариды.

В животной клетке углеводов содержится всего 1-2%, иногда до 5%, в растительных же клетках их содержание может достигать до 90% (клубни картофеля, семена растений и т.д.).


Многообразие углеводов




Моносахариды Дисахариды Полисахариды

Глюкоза Сахароза Крахмал

Фруктоза Лактоза Гликоген

Галактоза Мальтоза Хитин

Дезоксирибоза Целлюлоза (клетчатка)

Рибоза


Моносахариды – это простые сахара. Из них наиболее важны глюкоза, фруктоза и галактоза. Глюкоза содержится в крови (0, 1 – 0, 12%). Рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот (РНК и ДНК).

Дисахариды – это углеводы, состоящие из двух моносахаридов. Наиболее распространена в растениях сахароза (тростниковый сахар). В состав сахарозы входит глюкоза и фруктоза.

Полисахариды – это сложные углеводы, образованные остатками многих моносахаридов. Мономером таких полисахаридов, как крахмал, гликоген, целлюлоза является глюкоза.

Функции углеводов:

Углеводы выполняют две основные функции:

1. Строительную. Например, целлюлоза образует стенки растительных клеток; полисахарид
   

хитин – главный структурный компонент наружного скелета членистоногих (раков, пауков, насекомых); у грибов хитин образует клеточную стенку.

2. Энергетическую. Углеводы играют роль основного источника энергии в клетке. В процессе
   

окисления 1 г углеводов освобождается 17, 6 кДж энергии. У растений запасное питательное вещество – крахмал, у животных – гликоген, откладывается в клетках и служит резервом пищи и энергии.


Липиды

Нерастворимые в воде органические вещества называют липидами. Это большая группа

органических соединений. Самые распространенные из них – нейтральные жиры, которые принято делить на твердые и жидкие (масла).


Жиры




При 20 ⁰С


Твердые Жидкие (масла)

При расщеплении жиры распадаются на глицирин и жирные кислоты.

Содержание жира в клетке колеблется в пределах 5 – 15% от массы сухого вещества. В клетках жировой ткани количества жира возрастает до 90%.


Функции жиров:

1. Энергетическая – основная функция жиров. При расщеплении 1 г жиров до CO₂ и H₂O освобождается 38, 9 кДж энергии.

В организме животных, впадающих в спячку, накапливается избыток жира, у позвоночных животных жир откладывается еще и под кожей, образуя подкожную клетчатку. Подкожная жировая клетчатка служит надежным теплоизолятором, то есть предохраняет организм от потери тепла. Например, у китов слой подкожного жира достигает 1 м.

Одним из продуктов окисления жиров является вода, что играет важную роль в жизнедеятельности животных, обитающих в пустыне. Жир, которым заполнен горб верблюда, служит в первую очередь не источником энергии, а источником воды.

2. Строительная. Важную роль для живых организмов играют фосфолипиды, которые являются компоненты клеточных мембран клетки. Аналогичную функцию выполняют и гликолепиды (соединения липидов с углеводами) и липопротеиды (соединения с белками).

Из липидов можно так же выделить воск, который используется у растений и животных в качестве водоотталкивающего покрытия. Из воска пчелы строят соты.

Стероиды – желчные кислоты и их соли так же относятся к липидам. К ним относятся половые гормоны (тестостерон и эстрогены), гормоны коры надпочечников, витамин D, холестерол и т.д.


Нуклеиновые кислоты


В основном мы уже познакомились с химическим составом клетки. Вода, минеральные соли, белки, углеводы, липиды – это вещества, которые составляют материальную основу структуры и жизнедеятельности клетки. Они обеспечивают обмен веществ, передвижение, рост. Но есть еще одно свойство живого – способностью к самовоспроизведению.

Благодаря особенностям своего химического строения нуклеиновые кислоты хранят, переносят и передают по наследству дочерним клеткам информацию о структуре белковых молекул. Любое изменение структуры нуклеиновых кислот влекут за собой изменение структуры белков. Большинство свойств и признаков клеток обусловлено белками, поэтому стабильность нуклеиновых кислот – важнейшее условие нормальной жизнедеятельности клеток и целых организмов.

Структуру нуклеиновых кислот установили в 1953 году американский биолог Джеймс Уотсон и английский физик Френсис Крик, за что получили Нобелевскую премию.

Нуклеиновые кислоты – это биологические полимеры, построенных из огромного числа мономеров, называемых нуклеотидами.

Различают два типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота).

Молекула нуклеотида состоит из трех частей: азотистого основания, моносахарида и фосфорной кислоты.


Строение нуклеотида РНК





В состав нуклеотида РНК входит:

А) азотистое основание – урацил (У). Кроме урацила, для РНК характерны еще аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц);

Б) моносахарид – рибоза;

В) фосфорная кислота.


Нуклеотиды ДНК имеют подобное строение, отличием является моносахарид – дезоксирибоза и отсутствие урацила (У), которое в ДНК заменено тимином (Т).


Сравнительная характеристика ДНК и РНК

Признаки	РНК	ДНК
Местонахождение в клетке	Ядро, рибосомы, цитоплазма, митохондрии, хлоропласты	Ядро, митохондрии, хлоропласты
Местонахождение в ядре	Ядрышко	Хромосомы
Строение молекулы	Одинарная цепь	Двойная спирально закрученная цепь
Мономеры - нуклеотиды	Рибонуклеотиды	Дезоксирибонуклеотиды
Состав нуклеотида	Азотистое основание (аденин, гуанин, урацил, цитозин), углевод – рибоза и фосфорная кислота	Азотистое основание (аденин, гуанин, тимин, цитозин), углевод – дезоксирибоза и фосфорная кислота
Азотистые основания	Аденин (А) Гуанин (Г) Урацил (У) Цитозин (Ц)	Аденин (А) Гуанин (Г) Тимин (Т) Цитозин (Ц)
Свойства	Не способна к самоудвоению	Способна к самоудвоению (репликации) по принципу комплементарности: А-Т, Т-А, Г-Ц, Ц-Г
Функции	иРНК переписывает и передает информацию о первичной структуре белковой молекулы; рРНК входит в состав рибосом; тРНК переносит аминокислоты к рибосомам	Хранит, воспроизводит, и передает информацию о структуре белка

Вопросы и задания:

1. Какие химические элементы составляют большую часть массы клетки?
   
2. Что такое микроэлементы? Приведите примеры и охарактеризуйте их биологическое значение.
   
3. Каково строение молекулы воды? Каково биологическое значение воды в клетке?
   
4. Какие минеральные соли входят в состав живых организмов?
   
5. Какие органические вещества входят в состав клетки?
   
6. Из каких простых органических соединений (мономеров) состоят белки?
   
7. Какие функции белков вам известны?
   
8. Какие группы углеводов вам известны?
   
9. Какой простой углевод служит мономером крахмала, гликогена, целлюлозы?
   
10. Перечислите функции углеводов. Какие клетки наиболее богаты углеводами?
    
11. Что такое липиды?
    
12. Молекулы, каких веществ образуются при расщеплении жиров?
    
13. Откуда в организме берется метаболическая вода?
    
14. Что такое нуклеиновые кислоты? Какие типы нуклеиновых кислот вы знаете?
    
15. Кто и когда установил структуру нуклеиновых кислот?
    
16. Что является мономером нуклеиновых кислот?
    
17. Что входит в состав нуклеотидов ДНК и РНК?
    
18. Чем строение молекул ДНК отличается от иРНК?
    

Выполните задания:

1. Что характерно для ферментов? (Три ответа).
   

1. представляют собой фрагменты молекулы ДНК;
   
2. имеют белковую природу;
   
3. ускоряют химические реакции;
   
4. участвуют в терморегуляции;
   
5. регулируют процессы жизнедеятельности;
   
6. могут содержать витамины.
   

2. Раскройте не менее 3-х функций белков, расположенных в плазматических мембранах клетки.