Химический состав клетки: неорганические вещества, белки, липиды и углеводы

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).

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.

Углеводы (сахара, формула C_n(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).

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).

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.