Химический состав клетки: неорганические вещества, белки, липиды и углеводы
Элементный состав клетки (органогены), свойства воды и минеральных солей, моно- и полисахариды, липиды, аминокислоты, 4 структуры белковой молекулы и денатурация.
Все живые организмы Земли построены из тех же химических элементов, что и неживая природа, что подтверждает единство материального мира. По количественному содержанию в живой клетке элементы делят на 3 группы:
1. Органогены (биогенные элементы) — составляют до 98% массы клетки: Кислород (O, 65-75%), Углерод (C, 15-18%), Водород (H, 8-10%) и Азот (N, 2-3%). Углерод формирует стабильный четырехвалентный каркас всех биомолекул;
2. Макроэлементы (содержание от 1.9% до 0.001%): Фосфор (P, нуклеиновые кислоты, АТФ, кости), Калий (K, потенциал покоя, ритм сердца), Сера (S, аминокислоты цистеин и метионин), Хлор (Cl, желудочный сок), Натрий (Na, возбудимость), Магний (Mg, центральный атом молекулы хлорофилла), Кальций (Ca, свертывание крови, кости, мышечное сокращение), Железо (Fe, гемоглобин и миоглобин);
3. Микроэлементы (менее 0.001%): Йод (I, гормон тироксин), Фтор (F, эмаль зубов), Медь (Cu, гемоцианин), Кобальт (Co, витамин B₁₂), Цинк (Zn, инсулин).
Органогены
Магний (Mg)
Вода (H₂O) — самый распространенный компонент клетки (70-85%). Молекула воды представляет собой диполь (угол между связями O-H составляет 104.5°), благодаря чему молекулы воды образуют между собой трехмерную сетку водородных связей.
Биологические функции воды:
1. Универсальный полярный растворитель для гидрофильных веществ (сахара, соли, белки), среда для протекания всех биохимических реакций;
2. Высокая теплоемкость и теплопроводность — сглаживание температурных колебаний (терморегуляция и защита от перегрева);
3. Высокое поверхностное натяжение и когезия (сцепление молекул) — подъем растворов по ксилеме растений;
4. Участие в реакциях гидролиза и фотолизе (световая фаза фотосинтеза);
5. Создание тургорного давления и поддержание формы клеток.
Диполь воды
Гидрофильность
Углеводы (сахара, формула Cn(H₂O)_m) делятся на:
• Моносахариды: триозы, пентозы (рибоза в РНК, дезоксирибоза в ДНК), гексозы (глюкоза — C₆H₁₂O₆, фруктоза, галактоза);
• Дисахариды: сахароза (глюкоза + фруктоза), мальтоза (глюкоза + глюкоза), лактоза (глюкоза + галактоза);
• Полисахариды: крахмал и целлюлоза (у растений), гликоген (у животных и грибов), хитин (клеточная стенка грибов и кутикула членистоногих).
Липиды — гидрофобные органические соединения, нерастворимые в воде, но растворимые в неполярных растворителях:
• Триглицериды (нейтральные жиры) — сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и высших жирных кислот; выполняют энергетическую (38.9 кДж/г) и теплоизолирующую функции;
• Фосфолипиды — имеют гидрофильную полярную «головку» и два гидрофобных «хвоста», образуют липидный бислой всех клеточных мембран;
• Стероиды (холестерин, стероидные гормоны кортизол, тестостерон, эстрогены, витамин D).
Фосфолипид
Гликоген
Белки (протеины) — нерегулярные гетерополимеры, мономерами которых служат 20 стандартных альфа-аминокислот. Аминокислота содержит аминогруппу (-NH₂), карбоксильную группу (-COOH), атом H и вариабельный радикал (R), соединенные с центральным атомом C. Соединение аминокислот происходит через пептидную связь (-CO-NH-) с выделением воды.
4 уровня структуры белка:
1. Первичная структура — линейная цепочка аминокислот, соединенных прочными ковалентными ПЕПТИДНЫМИ СВЯЗЯМИ (закодирована в ДНК);
2. Вторичная структура — альфа-спираль или бета-складчатый лист, удерживаемые ВОДОРОДНЫМИ СВЯЗЯМИ между группами C=O и N-H пептидного остова;
3. Третичная структура — компактная глобула (клубок), стабилизированная ДИСУЛЬФИДНЫМИ МОСТИКАМИ (-S-S- между цистеинами), гидрофобными, ионными и водородными взаимодействиями радикалов;
4. Четвертичная структура — объединение нескольких глобул (субъединиц) в единый олигомерный функциональный комплекс (например, тетрамер гемоглобина из 4 субъединиц с 4 гемами).
Денатурация — разрушение четвертичной, третичной и вторичной структур под действием температуры, кислот или солей тяжелых металлов с утратой биологической активности (если первичная цепь цела, возможна ренатурация).
Пептидная связь (-CO-NH-)
Денатурация белка
На ЕНТ часто требуют определить тип связей или функцию белка:
• Связи в первичной структуре — ТОЛЬКО КОВАЛЕНТНЫЕ ПЕПТИДНЫЕ;
• Связи во вторичной структуре — ВОДОРОДНЫЕ;
• Ферментативная (каталитическая) функция присуща исключительно белкам и рибозимам (РНК);
• Регуляторная функция — белковые гормоны (инсулин, глюкагон, СТГ);
• Двигательная функция — сократительные белки актин и миозин;
• Защитная функция — антитела (иммуноглобулины), интерферон, фибрин.
Запомните для ЕНТ
Первичная структура = пептидные связи; Вторичная = водородные; Третичная = гидрофобные + дисульфидные -S-S-; Четвертичная = субъединицы (гемоглобин)!
- 1. Элементный состав клетки: органогены, макро- и микроэлементы~5 мин
- 2. Неорганические вещества: уникальные физико-химические свойства воды~5 мин
- 3. Углеводы и липиды: классификация и энергетическая роль~5 мин
- 4. Строение белков: 20 аминокислот и 4 уровня пространственной организации~5 мин
- 5. Ловушки ЕНТ: Функции белков и пептидные связи~5 мин
