Живі системи, органічні речовини клітини

У клітці міститься безліч різноманітних органічних сполук, різноманітних за структурою і виконуваних функцій. Органічні речовини можуть бути низькомолекулярними (амінокислоти, цукри, органічні кислоти, нуклеотиди, ліпіди і т.д.) і високомолекулярними. Більшість високомолекулярних органічних сполук у клітині є биополимерами. Полімерами називаються молекули, що складаються з великого числа повторюваних одиниць - мономерів. з'єднаних один з одним ковалентними зв'язками. До биополимерам, тобто до полімерів, що входять до складу клітини, відносяться білки, полісахариди і нуклеїнові кислоти.

Особливу групу органічних сполук клітини складають ліпіди (жири і жироподібні речовини). Всі вони є гідрофобними сполуками. тобто нерозчинні у воді, але розчинні в неполярних органічних розчинниках (хлороформі, бензолі, ефірі) До ліпідів відносяться нейтральні жири, фосфоліпіди, воски, стероїди і деякі інші сполуки. Опціїліпідів в живих організмах різноманітні. Фосфоліпіди присутні у всіх клітинах, виконуючи структурну функцію в якості основи біологічних мембран. Стероїд холестерин є важливим компонентом мембран у тварин. Нейтральні жири і деякі інші ліпіди забезпечують енергетичну функцію. Вони накопичуються в живих організмах в якості запасних поживних речовин. При окисленні 1 г жиру вивільняється 38 кДж енергії, що в два рази більше, ніж при окисленні такої ж кількості глюкози. З енергетичною функцією жирів пов'язана їх запасающая функція. У вигляді жиру зберігається значна частина енергетичного запасу організму. Крім того, жири служать істочнікомводи, яка виділяється при його окисленні. Це особливо важливо для пустельних тварин, що мають дефіцит води. Наприклад, саме жирові відкладення знаходяться в горбі у верблюда. Для ряду ліпідів властива захисна функція. У ссавців підшкірний жир виступає в якості термоізолятора. Віск захищає пір'я і шерсть тварин від змочування. Ряд ліпідів виконує в організмі регуляторну функцію. Наприклад, гормони кори надниркових залоз за своєю хімічною природою є стероїдами. Частина ліпідів беруть активну участь в обміні речовин, наприклад жиророзчинні вітаміни А, D, E і K.

Вуглеводи (цукри, цукри) представляють собою з'єднання із загальною хімічною формулою Сn (H2O) n. За кількістю ланок в полімерного ланцюга розрізняють три основні класи вуглеводів: моносахариди (прості цукри), олігосахариди (складаються з 2-10 молекул простих цукрів) і полісахариди (складаються більш ніж з 10 молекул простих цукрів). Залежно від числа атомів вуглецю, що входять до складу моносахарида, розрізняють тріози, тетрози, пентози, гексози і гептози. У природі найбільш поширені гексози (глюкоза і фруктоза) і пентози (рибоза і дезоксирибоза). Глюкоза є основним джерелом енергії для клітини, при повному окисленні 1 г глюкози виділяється 17,6 кДж енергії. Рибоза і дезоксирибоза входять до складу нуклеїнових кислот. З олігосахаридів найбільш часто зустрічаються дисахариди мальтоза (солодовий цукор), лактоза (молочний цукор), сахароза (буряковий цукор). Моносахарида і дисахариди добре розчинні у воді і мають солодкий смак. Полісахариди мають високу молекулярну масу, не мають солодкого смаку і нездатні розчинятися у воді. Вони є биополимерами. До найбільш поширених в природі полісахаридів відносяться полімери глюкози крохмаль. глікоген і целюлоза. а також хітин. що складається із залишків глюкозаміну. Крохмаль є основним запасним речовиною у рослин, глікоген - у тварин. Целюлоза і хітин виконують захисну функцію, забезпечуючи міцність покривів рослин, тварин і грибів. Таким чином, основні функції вуглеводів в природі - енергетична, запасающая і структурна.

Білки - це біополімери, мономерами яких є амінокислоти. В освіті білків бере участь 20 різних амінокислот. Амінокислоти в молекулах білка з'єднані ковалентними пептидними зв'язками. В молекулу білка може входити до кількох тисяч амінокислот. Виділяють 4 рівня просторової організації молекули білків. Послідовність амінокислот у поліпептидному ланцюжку називається первинною структурою білка. Первинна структура молекули будь-якого білка унікальна і визначає його просторову організацію, властивості і функції в клітині. Вторинна структура білка визначається укладанням ланцюжка амінокислот в певні структури, звані a-спіраллю і b-шаром. Вторинна структура білка формується за рахунок водневих зв'язків. Третинна структура утворюється при згортанні поліпептидного ланцюга з елементами вторинної структури в клубок (глобулу) і підтримується за рахунок іонних, гідрофільних і ковалентних (дисульфідних) зв'язків між різними залишками амінокислот. Четвертичная структура характерна для білків, що складаються з декількох поліпептидних ланцюгів. Втрата білковою молекулою своєї структурної організації, наприклад внаслідок нагрівання, називається денатурацією. Денатурація може бути оборотною і безповоротною. При оборотної денатурації може порушуватися четвертичная, третинна і вторинна структури білка, але первинна структура не порушується, і при поверненні нормальних умов за рахунок цього можлива ренатурації - відновлення нормальної конфігурації. При порушенні первинної структури денатурація буває незворотною.

Найважливішою функцією білків є каталітична. Всі ферменти. біологічні каталізатори є білками. Завдяки ферментам швидкість хімічних реакцій в клітині зростає в мільйони разів. Ферменти високоспецифічні: кожен фермент каталізує певний тип хімічної реакції в клітці. Саме завдяки ферментам можливі всі реакції обміну речовин, що відбуваються в живих організмах. Основні функції білків в клітині представлені в табл. 1.

Основні функції білків

збільшують швидкість хімічних реакцій організму в тисячі разів

Амілаза розщеплює крохмаль до глюкози, ліпаза розщеплює жири

є компонентами біологічних мембран і багатьох внутрішньоклітинних органел, головними компонентами опорних структур

Колаген складає основу хрящів і сухожиль, еластин - сполучної тканини, кератин - волосся і нігтів

Інсулін регулює обмін глюкози, гістони - активність генів

Нуклеїнові кислоти виступають в клітці в ролі носіїв генетичної інформації і забезпечують її реалізацію в процесі життєдіяльності організму. Вони являють собою біополімери, мономерами яких є нуклеотиди. Кожен нуклеотид складається з азотистої основи, цукру пентози і залишку фосфорної кислоти (рис. 3).

Мал. 3.Схема освіти нуклеотиду з азотистого підстави -цітозіна, пентози - дезоксирибози і фосфорної кислоти

Самі по собі нуклеотиди також грають в клітинах виключно важливу роль. Наприклад, молекула АТФ (аденозинтрифосфат) є багатим енергією з'єднанням, воно використовується практично у всіх енергозалежних процесах в клітці. У всіх живих клітинах присутній два типи нуклеїнових кислот - дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) і рибонуклеїнова кислота (РНК). Віруси містять лише один тип нуклеїнових кислот (або ДНК, або РНК).

МолекулаДНК є універсальним носієм генетичної інформації в клітині. Саме завдяки будовою і функціями цієї молекули ознаки передаються від батьків дітям, тобто здійснюється загальне властивість живого - спадковість. Кожен нуклеотид ДНК містить цукор дезоксирибози і одне з чотирьох азотистих основ - аденін (А), гуанін (Г, G), цитозин (Ц, C) і тимін (Т). Аденін і гуанін відносяться до похідних пурину. тимін і цитозин - до похідних піримідину.

Структурна організація молекули ДНК була розшифрована в 1953 р Дж. Уотсоном і Ф. Криком, який отримав за це відкриття Нобелівську премію. Молекула ДНК складається з двох ниток, розташованих паралельно один одному і закручених у подвійну спіраль. Ширина спіралі близько 2 нм. Нуклеотиди в кожній ните ДНК пов'язані ковалентними фосфодіефірнимі зв'язками. Дві нитки ДНК утримуються у вигляді подвійної спіралі за рахунок водневих зв'язків між азотистими підставами протилежних ланцюгів (рис. 4), ці зв'язки досить численні, що робить подвійну спіраль дуже стійкою структурою.

Мал. 4.Модель двухспіральной молекули ДНК за Уотсоном і Криком

Азотисті основи в подвійної спіралі ДНК утворюють водневі зв'язки відповідно до принципу компліментарності: аденін утворює водневі зв'язки тільки з тиміном, а гуанін з цитозином. Знаючи яке азотистих основ знаходиться в даному місці молекули ДНК, завдяки принципу компліментарності, можна визначити, яке азотистих основ розташоване навпроти в інший нитки. Саме тому на одній нитки як на матриці можна синтезувати другу нитку ДНК, що і дозволяє живим організмам зберігати генетичну інформацію і передавати її без зміни нащадкам, тобто забезпечувати таку важливу властивість живого, як спадковість. Процес подвоєння молекули ДНК називається реплікацією. Реплікація - напівконсервативний процес: дочірні клітини отримують по одній нитки материнської і однієї нитки знову синтезованої ДНК (рис. 5). У нормі реплікація завжди передує поділу клітини, і дочірні клітини отримують по копії молекули ДНК.

Мал. 5.Схема реплікації молекули ДНК: кожна з двох ланцюгів батьківської молекули ДНК використовується в якості матриці для синтезу нових компліментарних ниток (А). Схема, що ілюструє напів-консервативний характер реплікації ДНК, батьківські ланцюга показані темним, а знову синтезовані - світлим

У прокаріотів в клітці зазвичай є одна кільцева молекула ДНК (кільцева хромосома), вона розташована в цитоплазмі. Крім того, в клітці прокаріот можуть бути присутніми відносно невеликі кільцеві молекули ДНК, так звані плазміди. Зазвичай плазміди кодують якесь корисне для клітини властивість, наприклад, стійкість до антибіотиків або здатність до азотфіксації. У еукаріот лінійні молекули ДНК (хромосоми) знаходяться в ядрі. ДНК лінійних хромосом еукаріот знаходяться в комплексі зі спеціальними білками, гистонами.

На відміну від ДНК, молекула РНК. як правило, являє собою одноланцюговий лінійний біополімер, що складається з нуклеотидів. Кожен нуклеотид РНК, як і ДНК, складається з азотистої основи, залишку пятиуглеродного цукру рибози і залишку фосфорної кислоти. У нуклеотидах РНК, як і в ДНК, присутні азотисті основи аденін (А), гуанін (Г, G), цитозин (Ц, C), а замість пиримидина тиміну, присутнього в ДНК, є пиримидин урацил (У, U). Як і в молекулі ДНК, нуклеотиди в молекулі РНК з'єднані фосфодіефірнимі зв'язками. Нуклеотиди однієї молекули РНК можуть вступати в компліментарні взаємодії з іншими нуклеотидами цієї ж ланцюжка, в результаті утворюється вторинна і третинна структура молекули РНК. При цьому гуанін утворює компліментарну пару з цитозином, а аденін з урацілом.

Функція молекули РНК полягає в реалізації спадкової інформації (див. Далі). У клітці є три основних типи молекул РНК: інформаційна (матрична, іРНК, мРНК), рибосомная (рРНК) і транспортна (трансферна, тРНК).