Главная » Материнский капитал » Неорганические вещества клетки кратко. Химический состав клеток. Неорганические соединения клетки. Группа органических веществ

Неорганические вещества клетки кратко. Химический состав клеток. Неорганические соединения клетки. Группа органических веществ

Биология — наука о жизни. Важнейшая задача биологии — изучение многообразия, строения, жизнедеятельности, индивидуального развития и эволюции живых организмов, их взаимоотношений со средой обитания.

Живые организмы имеют ряд особенностей, отличающих их от неживой природы. По отдельности каждое из отличий достаточно условно, поэтому их следует рассматривать в комплексе.

Признаки, отличающие живую материю от неживой:

способность к размножению и передаче наследственной информации следующему поколению;
обмен веществ и энергии;
возбудимость;
адаптированность к конкретным условиям обитания;
строительный материал — биополимеры (важнейшие из них — белки и нуклеиновые кислоты);
специализация от молекул до органов и высокая степень их организации;
рост;
старение;
смерть.

Уровни организации живой материи:

молекулярный,
клеточный,
тканевой,
органный,
организменный,
популяционно-видовой,
биогеоценотический,
биосферный.

Многообразие жизни

Первыми на нашей планете появились безъядерные клетки. Большинством ученых принимается, что ядерные организмы появились в результате симбиоза древних архебактерий с синезелеными водорослями и бактериями-окислителями (теория симбиогенеза).

Цитология

Цитология — наука о клетке . Изучает строение и функции клеток одноклеточных и многоклеточных организмов. Клетка является элементарной единицей строения, функционирования, роста и развития всех живых существ. Поэтому процессы и закономерности, характерные для цитологии, лежат в основе процессов, изучаемых многими другими науками (анатомия, генетика, эмбриология, биохимия и др.).

Химические элементы клетки

Химический элемент — определенный вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра. В клетках обнаружено около 80 химических элементов. Их можно разделить на четыре группы:
1 группа — углерод, водород, кислород, азот (98% от содержимого клетки),
2 группа — калий, натрий, кальций, магний, сера, фосфор, хлор, железо (1,9%),
3 группа — цинк, медь, фтор, йод, кобальт, молибден и др. (меньше 0,01%),
4 группа — золото, уран, радий и др. (меньше 0,00001%).

Элементы первой и второй групп в большинстве пособий называют макроэлементами , элементы третьей группы — микроэлементами , элементы четвертой группы — ультрамикроэлементами . Для макро- и микроэлементов выяснены процессы и функции, в которых они участвуют. Для большинства ультрамикроэлементов биологическая роль не выявлена.

Химический элемент	Вещества, в которых химический элемент содержится	Процессы, в которых химический элемент участвует
Углерод, водород, кислород, азот	Белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы и др. органические вещества	Синтез органических веществ и весь комплекс функций, осуществляемых этими органическими веществами
Калий, натрий	Na + и K +	Обеспечивание функции мембран, в частности, поддержание электрического потенциала клеточной мембраны, работы Na + /Ka + -насоса, проведение нервных импульсов, анионный, катионный и осмотический балансы
Кальций	Са +2	Участие в процессе свертывания крови
	Фосфат кальция, карбонат кальция	Костная ткань, зубная эмаль, раковины моллюсков
	Пектат кальция	Формирование срединной пластинки и клеточной стенки у растений
Магний	Хлорофилл	Фотосинтез
Сера	Белки	Формирование пространственной структуры белка за счет образования дисульфидных мостиков
Фосфор	Нуклеиновые кислоты, АТФ	Синтез нуклеиновых кислот
Хлор	Cl -	Поддержание электрического потенциала клеточной мембраны, работы Na + /Ka + -насоса, проведение нервных импульсов, анионный, катионный и осмотический балансы
Хлор	HCl	Активизация пищеварительных ферментов желудочного сока
Железо	Гемоглобин	Транспорт кислорода
Железо	Цитохромы	Перенос электронов при фотосинтезе и дыхании
Марганец	Декарбоксилазы, дегидрогеназы	Окисление жирных кислот, участие в процессах дыхания и фотосинтеза
Медь	Гемоцианин	Транспорт кислорода у некоторых беспозвоночных
Медь	Тирозиназа	Образование меланина
Кобальт	Витамин В 12	Формирование эритроцитов
Цинк	Алькогольдегидрогеназа	Анаэробное дыхание у растений
Цинк	Карбоангидраза	Транспорт СО 2 у позвоночных
Фтор	Фторид кальция	Костная ткань, зубная эмаль
Йод	Тироксин	Регуляция основного обмена
Молибден	Нитрогеназа	Фиксация азота

Атомы химических элементов в живых организмах образуют неорганические (вода, соли) и органические соединения (белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы). На атомном уровне различий между живой и неживой материей нет, различия появятся на следующих, более высоких, уровнях организации живой материи.

Вода

Вода — самое распространенное неорганическое соединение. Содержание воды составляет от 10% (зубная эмаль) до 90% массы клетки (развивающийся эмбрион). Без воды жизнь невозможна, биологическое значение воды определяется ее химическими и физическими свойствами.

Молекула воды имеет угловую форму: атомы водорода по отношению к кислороду образуют угол, равный 104,5°. Та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, часть, где находится кислород, — отрицательно, в связи с этим молекула воды является диполем. Между диполями воды образуются водородные связи. Физические свойства воды: прозрачна, максимальная плотность — при 4 °С, высокая теплоемкость, практически не сжимается; чистая вода плохо проводит тепло и электричество, замерзает при 0 °С, кипит при 100 °С и т.д. Химические свойства воды: хороший растворитель, образует гидраты, вступает в реакции гидролитического разложения, взаимодействует со многими оксидами и т.д. По отношению к способности растворяться в воде различают: гидрофильные вещества — хорошо растворимые, гидрофобные вещества — практически нерастворимые в воде.

Биологическое значение воды:

является основой внутренней и внутриклеточной среды,
обеспечивает поддержание пространственной структуры,
обеспечивает транспорт веществ,
гидратирует полярные молекулы,
служит растворителем и средой для диффузии,
участвует в реакциях фотосинтеза и гидролиза,
способствует охлаждению организма,
является средой обитания для многих организмов,
способствует миграциям и распространению семян, плодов, личиночных стадий,
является средой, в которой происходит оплодотворение,
у растений обеспечивает транспирацию и прорастание семян,
способствует равномерному распределению тепла в организме и мн. др.

Другие неорганические соединения клетки

Другие неорганические соединения представлены в основном солями, которые могут содержаться или в растворенном виде (диссоциированными на катионы и анионы), или твердом. Важное значение для жизнедеятельности клетки имеют катионы K + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+ (см. таблицу выше) и анионы HPO 4 2— , Cl — , HCO 3 — , обеспечивающие буферные свойства клетки. Буферность — способность поддерживать рН на определенном уровне (рН — десятичный логарифм величины, обратной концентрации водородных ионов). Величина рН, равная 7,0, соответствует нейтральному, ниже 7,0 — кислому, выше 7,0 — щелочному раствору. Для клеток и тканей характерна слабощелочная среда. За поддержание этой слабощелочной реакции отвечают фосфатная (1) и бикарбонатная (2) буферные системы.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

1. Органические и неорганические соединения в клетке

2. Нуклеиновые кислоты

3. Строение и биологические функции липидов

4. Нейтральные жиры и воски

5. Омыляемые сложные липиды

6. Неомыляемые липиды

Литература

1. Органические и неорганические соединения в клетке

В клетке содержится несколько тысяч веществ, которые участвуют в разнообразных химических реакциях. Химические процессы, протекающие в клетке, - одно из основных условий ее жизни, развития и функционирования.

Основные вещества клетки = Нуклеиновые кислоты + Белки + Жиры (липиды) + Углеводы + Вода + Кислород + Углекислый газ.

В неживой природе эти вещества нигде не встречаются вместе.

По количественному содержанию в живых системах все химические элементы подразделяются на три группы.

Макроэлементы . Основные или биогенные элементы, на их долю приходится более 95 % массы клеток клетки, входит в состав практически всех органических веществ клетки: углерод, кислород, водород, азот. А также жизненно важные элементы, количество которых составляет до 0,001% от массы тела - кальций, фосфор, сера, калий, хлор, натрий, магний и железо.

Микроэлементы - элементы, количество которых составляет от 0,001% до 0, 000001 % от массы тела: цинк, медь.

Ультрамикроэлементы - химические элементы, количество которых не превышает от 0,000001 % от массы тела. К ним относят золото, серебро оказывают бактерицидное воздействие, ртуть подавляет обратное всасывание воды в почечных канальцах, оказывая воздействие на ферменты. Так же сюда относят платину и цезий. Некоторые к этой группе относят и селен, при его недостатке развиваются раковые заболевания.

Химические вещества, входящие в состав клетки:

- неорганические - соединения, которые встречаются и в неживой природе: в минералах, природных водах;

- органические - химические соединения, в состав которых входят атомы углерода. Органические соединения чрезвычайно многообразны, но только четыре класса их имеют всеобщее биологическое значение: белки, липиды (жиры), углеводы, нуклеиновые кислоты, АТФ.

Неорганические соединения

Вода - одно из самых распространённых и важных веществ на земле. В воде растворяется больше веществ, чем в любой другой жидкости. Именно поэтому в водной среде клетки осуществляется множество химических реакций. Вода растворяет продукты обмена веществ и выводит их из клетки и организма в целом. Вода обладает высокой теплопроводностью, что создаёт возможность равномерного распределения теплоты между тканями тела.

Минеральные соли находятся в клетке, как правило, в виде катионов K + , Na + , Ca 2+, Mg 2 + и анионов (HPO 4 2 - H 2 PO 4 - , Сl - , HCO 3), соотношение которых определяет важную для жизнедеятельности клеток кислотность среды. (У многих клеток среда слабощелочная и ее pH почти не изменяется, так как в ней постоянно поддерживается определенное соотношение катионов и анионов.)

Органические соединения

Углеводы широко распространены в живых клетках. В состав молекулы углеводов входит углерод, водород и кислород.

К липидам относятся жиры, жироподобные вещества. В клетке при окислении жиров образуется большое количество энергии, которая используется на различные процессы. Жиры могут накапливаться в клетках и служить запасом энергии.

Белки - обязательная составная часть всех клеток. В состав этих биополимеров входят 20 типов мономеров. Такими мономерами являются аминокислоты. Образование линейных молекул белков происходит в результате соединения аминокислот друг с другом. Карбоксильная группа одной аминокислоты сближается с аминогруппой другой, и при отщеплении молекулы воды между аминокислотными остатками возникает прочная ковалентная связь, называемая пептидной. Соединение, состоящее из большого числа аминокислот, называется полипептидом. Каждый белок по составу является полипептидом.

Нуклеиновые кислоты. В клетках имеются два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Нуклеиновые кислоты выполняют в клетке важнейшие биологические функции. В ДНК хранится наследственная информация обо всех свойствах клетки и организма в целом. Различные виды РНК принимают участие в реализации наследственной информации через синтез белка.

Особо важную роль в биоэнергетике клетки играет адениловый нуклеотид, к которому присоединены два остатка фосфорной кислоты - аденозинтри-фосфорная кислота (АТФ). Энергию АТФ все клетки используют для процессов биосинтеза, движения, производства тепла, нервных импульсов, то есть для всех процессов жизнедеятельности. АТФ - универсальный биологический аккумулятор энергии. Световая энергия Солнца и энергия, заключённая в потребляемой пище, запасаются в молекулах АТФ.

Органические соединения в клетке

В составе клеток содержится множество органических соединений. Мы рассмотрим наиболее важные группы, которые определяют основные свойства клетки и организма в целом. К ним относятся Б, Ж, У, НК, АТФ.

Многие органические соединения, входящие в состав клетки, характеризуются большим размером молекул и называются макромолекулами. Обычно они состоят из повторяющихся, сходных по структуре низкомолекулярных соединений, ковалентно связанных между собой - мономеров. Образованная мономерами макромолекула называется полимером. Большинство природных полимеров построены их одинаковых мономеров и называются регулярными (А-А-А-А-А), полимеры, в которых нет определенной последовательности мономеров называются нерегулярными (А-Б-В-Б-В-А)

Белки

Больше всего в клетке, после воды, содержится белков - 10-20%. Белки - нерегулярные полимеры, мономерами которых являются АК. Белки, по сравнению с обычными органическими соединениями, обладают рядом существенных особенностей: огромная молекулярная масса. Молекулярная масса одного из белков яйца равна 36000, а одного из мышечных белков достигает 1500000 кДа. В то время как молекулярная масса бензола 78, а этилового спирта - 46. Ясно, что белковая молекула по сравнению с ними - великан.

Как было сказано выше, мономерами белков являются АК. В составе белковых полимеров обнаружено 20 различных аминокислот, каждая их которых имеет особое строение, свойство и название. При этом, молекула каждой АК состоит из двух частей. Одна из которых одинаковая у всех аминокислот и в ее состав входит аминогруппа и кислотная карбоксильная группа, а другая - различна и называется радикалом. Через общую группировку происходит сцепление АК при образовании белкового полимера. Между соединившимися АК возникает связь -HN-CO-, называемая пептидной связью, а образовавшееся соединение - пептидом. Из двух АК образуется дипептид (димер), из трех - трипептид (триммер), из многих - полипептид (полимер).

Белки различаются по АК составу и по числу АК звеньев, и по их порядку расположения в цепи. Если обозначить каждую АК буквой, то получится алфавит из 20 букв.

Строение молекулы белка. Если учесть, что размер каждого АК звена составляет около 3 ангстрем, то очевидно, макромолекула белка, которая состоит из нескольких сотен АК звеньев, должна была представлять собой огромную цепь. В действительности макромолекулы белка имеют вид шариков (глобул). Следовательно, в природном белке полипептидная цепь каким-то образом закручена, как-то уложена. Исследования показали, что в укладке полипептидной цепи нет ничего случайного и хаотичного, каждому белку присущ определенный постоянный характер укладки.

Выделяют несколько уровней организации белковой молекулы:

· первичная структура белка, представляющая собой полипептидную цепь, состоящую из цепи аминокислотных звеньев, связанных между собой пептидными связями.

· вторичная структура белка, где белковая нить закручивается в виде спирали. Витки спирали располагаются тесно, и между атомами и аминокислотными радикалами, находящимися на соседних витках, возникает напряжение. В частности, между пептидными связями, расположенными на соседних витках, образуются водородные связи (между NH- и CO-группами). Водородные связи слабее ковалентных, но повторяясь многократно, они дают прочное сцепление. Такая структура является довольно устойчивой. Вторичная структура подвергается дальнейшей укладке.

· третичная структура белка поддерживается еще более слабыми связями, чем водородные - гидрофобными. Несмотря на их слабость, в сумме они дают значительную энергию взаимодействия. Участие "слабых" связей в поддержание специфической структуры белковой макромолекулы обеспечивает ее достаточную устойчивость и высокую подвижность.

· четвертичная структура белка образуется в результат соединения нескольких белковых макромолекул друг с другом, которые и являются мономерами макромолекулы белка. Крепление четвертичной структуры обусловлена наличием слабых связей и -S-S- связи.

Чем выше уровень организации белка, тем слабее поддерживающие его связи. Под влияние различных физических и химических факторов - высокой температуры, действия химических веществ, лучистой энергии и др. - "слабые" связи рвутся, структура белка - четвертичная, третичная и вторичная - деформируются, разрушаются и свойства его изменяются. Нарушение природной уникальной структуры белка называется денатурацией. Степень денатурации белка зависит от интенсивности воздействия на него различного фактора: чем интенсивнее воздействие, тем глубже денатурация. Белки отличаются друг от друга по легкости денатурации: яичный белок - 60-70 єС, сократительный белок мышц - 40-45єС. Многие белки денатурируются от ничтожных концентраций химических веществ, а некоторые даже от незначительного механического воздействия.

Процесс денатурации обратим, т.е. денатурированный белок может перейти обратно в природный. Даже полностью развернутая молекула способна самопроизвольно восстановить свою структуру. Отсюда следует, что все особенности строения макромолекулы природного белка определяются первичной структурой, т.е. составом АК и порядком их следования в цепи.

Роль белков в клетке. Значение белков для жизни велико и многообразно. Прежде всего, белки - строительный материал. Они участвуют в образовании оболочки, органоидов и мембран клетки. У высших животных из белков построены кровеносные сосуды, сухожилия, волосы и т.д.

Громадное значением имеет каталитическая роль белков. Скорость химических реакций зависит от свойств реагирующих веществ и от их концентрации. Чем вещества активнее, чем концентрация их больше, тем скорость реакции выше. Химическая активность клеточных веществ, как правило, невелика. Концентрация их в клетке большей частью незначительна. Т.е. реакции в клетке должны протекать очень медленно. А между тем известно, что химические реакции внутри клетки протекают со значительной скоростью. Это достигается благодаря наличию в клетке катализаторов. Все клеточные катализаторы - белки. Их называют биокатализаторами, а чаще - ферментами. По химической структуре катализаторы - белки, т.е. они состоят из обычных АК, обладают вторичной и третичной структурами. В большинстве случаев ферменты катализируют превращение веществ, размеры молекул которых по сравнению с макромолекулами ферментов очень малы. Почти каждая химическая реакции в клетке катализируется своим собственным ферментом.

Кроме каталитической роли очень важна двигательная функция белков. Все виды движений, к которым способны клетки и организмы, - сокращение мышц у высших животных, мерцание ресничек у простейших, движение жгутиков, двигательные реакции у растений - выполняют особые сократительные белки.

Еще одна функция белков - транспортная. Белок крови гемоглобин присоединяя к себе кислород, разносит его по всему организму.

При введении в организм чужеродных веществ или клеток в нем происходит выработка особых белков, называемых антителами, которые связывают и обезвреживают чужеродные тела. В этом случае белки выполняют защитную роль.

Наконец, существенная значительна роль белков как источника энергии. Белки распадаются в клетке до АК. Часть их расходуется на синтез белков, а часть подвергается глубокому расщеплению, в ходе которого освобождается энергия. При полном распаде 1 г белка освобождается 17,6 кДж (4,2 ккал).

Углеводы

В животной клетке углеводы содержатся в небольшом количестве - 0,2-2%. В клетках печени и мышцах содержание их более высокое - до 5 %. Наиболее богаты углеводами растительные клетки. В высушенных листьях, семенах, плодах, клубнях картофеля их почти 90%.

Углеводы - органические вещества, в состав которых входят углерод, кислород и водород. Все углеводы разделяются на две группы: моносахариды и полисахариды. Несколько молекул моносахаридов, соединяясь между собой с выделением воды, образуют молекулы полисахарида. Полисахариды - полимеры, в которых роль мономеров играют моносахариды.

Моносахариды . Эти углеводы называются простыми сахарами. Они состоят из одной молекулы и представляют собой бесцветные, твердые кристаллические вещества, сладкие на вкус. В зависимости от числа углеродных атомов, входящих в состав молекулы углевода, различают триозы - моносахариды, содержащие 3 атома углерода; тетраозы - 4 атома углерода; пентозы - 5 атомов углерода, гексозы - 6 атомов углерода.

Глюкоза в свободном состоянии встречается как в растениях, так и в животных организмах.

Глюкоза - первичный и главный источник энергии для клеток. Она обязательно находится в крови. Снижение ее количества в крови приводит к нарушению жизнедеятельности нервных и мышечных клеток, иногда сопровождается судорогами и обморочным состоянием.

Глюкоза является мономером таких полисахаридов как крахмал, гликоген, целлюлоза.

Фруктоза в большом количестве в свободном виде встречается в плодах, поэтому ее часто называют плодовым сахаром. Особенно много фруктозы в меде, сахарной свекле, фруктах. Путь распада короче, чем у глюкозы, что имеет большое значение при питании больного диабетом, когда глюкоза очень слабо усваивается клетками.

Полисахариды . Из двух моносахаров образуются дисахариды, из трех - трисахариды, из многих - полисахариды. Ди- и трисахариды, подобно моносахаридам, хорошо растворимы в воде, обладают сладким вкусом. С увеличением числа мономерных звеньев растворимость полисахаридов уменьшается, сладкий вкус исчезает.

Сахароза состоит из остатков сахарозы и фруктозы. Чрезвычайно широко распространена в растениях. Играет большую роль в питании многих животных и человека. Хорошо растворима в воде. Главный источник получения ее в пищевой промышленности - сахарная свекла и сахарный тростник.

Лактоза - молочный сахар, имеет в составе глюкозу и галактозу. Этот дисахарид находится в молоке и является основным источником энергии для детенышей млекопитающего. Используется в микробиологии для приготовления питательных сред.

Мальтоза состоит из двух молекул глюкозы. Мальтоза - основной структурный элемент крахмала и гликогена.

Крахмал - резервный полисахарид растений; содержится в большом количестве в клетках клубней картофеля, плодов и семян. Находится в виде зернышек слоистого строения, нерастворимых в холодной воде. В горячей воде крахмал образует коллоидный раствор.

Гликоген - полисахарид, содержащийся в клетках животных и человека, а также в грибах, в т.ч. и дрожжах. Он играет важную роль в обмене углеводов в организме. В значительных количествах накапливается в клетках печени, мышцах, сердце. Является поставщиком глюкозы в кровь.

Функции углеводов .

Энергетическая функция , т.к. углеводы служат основным источником энергии для организма, для осуществления любой формы клеточной активности. Углеводы подвергаются в клетке глубокому окислению и расщеплению до простейших продуктов: СО 2 и Н 2 О. В ходе этого процесса освобождается энергия. При полном расщеплении и окислении 1 г углеводов освобождается 17,6 кДж (4,2 ккал) энергии.

Структурная функция . Во всех без исключения клетках обнаружены углеводы и их производные, которые входят в состав клеточных оболочек, принимают участие в синтезе многих важнейших веществ. В растениях полисахариды выполняют опорную функцию. Так целлюлоза входит в состав клеточной стенки бактерий и растительных клеток, хитин образует клеточные стенки грибов и хитиновый покров тела членистоногих. Углеводы обеспечивают процесс узнавания клетками друг друга. Благодаря этому происходит опознание сперматозоидами яйцеклетки своего биологического вида, клетки одного типа удерживаются вместе с образованием тканей, отторгаются несовместимые организмы и трансплантаты.

Запасание питательных веществ . В клетках углеводы накапливаются в виде крахмала у растений и гликогена у животных и грибов. Эти вещества представляют собой запасную форму углеводов и расходуются по мере возникновения потребности в энергии. В печени при полноценном питании может накапливаться до 10% гликогена, а при голодании его содержание может снижаться до 0,2% массы печени.

Защитная функция . Вязкие секреты (слизи), выделяемые различными железами, богаты углеводами и их производными, в частности гликопротеидами. Они предохраняются стенки полых органов (пищевода, кишечника, желудка, бронхов) от механических повреждений, проникновения вредных бактерий и вирусов. Углеводы запускают сложные каскады иммунных реакций

Углеводы входят в состав носителей генетической информации - нуклеиновых кислот: рибоза - РНК, дезоксирибоза - ДНК; рибоза входит в состав основного носителя энергии клетки - АТФ, акцепторов водорода - ФАД, НАД, НАДФ.

Липиды

Под термином липиды объединяют жиры и жироподобные вещества. Липиды - органические соединения с различной структурой, но общими свойствами. Они нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях: эфире, бензине, хлороформе. Липиды очень широко представлены в живой природе и играют чрезвычайно важную роль в клетке. Содержание жира в клетках составляет от 5-15% от сухой массы. Однако существуют клетки содержание жира, в которых достигает почти 90% от сухой массы - клетки жировой ткани. Жир содержится в молоке всех млекопитающих животных, причем самок дельфинов содержание жира в молоке достигает 40%. У некоторых растений большое количество жира сосредоточено в семенах и плодах (подсолнечника, грецкого ореха)

По химической структуре жиры представляют собой соединения глицерина (трехатомного спирта) с высокомолекулярными органическими кислотами. Из них чаще всего встречается пальмитиновая

(СН 3 -(СН 2) 14 -СООН),

стеариновая

(СН 3 -(СН 2) 16 -СООН),

олеиновая

(СН 3 -(СН 2) 7 -СН=СН-(СН 2) 7 СООН)

жирные кислоты.

Из формулы видно, что молекула жира содержит остаток глицерина - вещества хорошо растворимого в воде, и остатки жирных кислот, углеводородные цепочки которых практически нерастворимы в воде. При нанесении капли жира на поверхность воды в сторону воды обращена глицериновая часть молекулы жира, а из воды вверх "торчат" цепочки жирных кислот. Такая организация веществ, входящих в состав клеточных мембран, препятствует смешиванию содержимого клетки с окружающей средой.

Кроме жира, в клетке обычно присутствует довольно большое количество веществ, обладающих, как и жиры, сильно гидрофобными свойствами - липоиды, которые по химической структура сходны с жирами. Особенно много их содержится в желтке яйца, в клетках мозговой ткани.

Функции липидов.

Биологическое значение жира многообразно. Прежде всего, велико его значение как источника энергии - энергетическая функция . Жиры, как и углеводы, способны расщепляться в клетке до простых продуктов (СО 2 и Н 2 О), и в ходе этого процесса освобождается 38,9 кДж на 1 г жира (9,3 ккал), что в два раза больше по сравнению с углеводами и белками.

Структурная функция . Двойной слой фосфолипидов является основой клеточной мембраны. Липиды принимают участие в образовании многих биологически важных соединений: холестерина (желчные кислоты), зрительного пурпура глаза (липопротеины); необходимы для нормального функционирования нервной ткани (фосфолипиды).

Функция запасания питательных веществ . Жиры являются своего рода энергетическими консервантами. Жировыми депо могут быть и капли жира внутри клетки, и "жировое тело" у насекомых, и подкожная клетчатка. Жиры являются основным источником энергии для синтеза АТФ, источником метаболической воды (т.е. воды, образующейся входе обмена веществ), которая образуется в ходе окисления жира и очень важна для обитателей пустыни. Поэтому жир в горбе верблюда служит в первую очередь источником воды. химический органический липид углевод

Функция терморегуляции . Жиры плохо проводят тепло. Они откладываются под кожей, образуя у некоторых животных огромные скопления. Например, у кита слой подкожного жира достигает 1 м. Это позволяет теплокровному животному жить в холодной воде полярного океана.

У многих млекопитающих существует специальная жировая ткань, играющая в основном роль терморегулятора, своеобразного биологического обогревателя. Это ткань называют бурым жиром, т.к. она имеет бурый цвет, т.к. богата митохондриями красно-бурой окраски из-за находящихся в ней железосодержащих белков. В этой ткани производится тепловая энергия, имеющая важной значение для млекопитающих в условиях жизни при низких температурах.

Защитная функция . Гликолипиды участвуют распознавании и связывании токсинов возбудителей опасных болезней - столбняк, холера, дифтерия. Воски являются водоотталкивающим покрытием? У растений восковой налет есть на листьях, плодах, семенах, у животных воски входят в состав соединений, покрывающих кожу, шерсть, перья.

Регуляторная функция . Многие гормоны являются производными холестерина: половые (тестостерон у мужчин и прогестерон у женщин). Жирорастворимые витамины (А, D, E, K) необходимы для роста и развития организма. Терпенами являются душистые вещества растений, привлекающие насекомых-опылителей, гиббереллины - регуляторы роста растений.

2. Нуклеиновые кислоты

Название "нуклеиновые кислоты" происходит от латинского "нуклеус" - ядро. Они впервые были обнаружены и выделены из ядерных клеток. Впервые их описал в 1869 году швейцарский биохимик Фридрих Мишер. Из остатков клеток, содержащихся в гное, он выделил вещество, в состав которого входят азот и фосфор. НК - природные высокомолекулярные органические соединения, обеспечивающие хранение и передачу наследственной (генетической) информации в живых организмах. НК - важные биополимеры, построенные из большого числа мономерных единиц, называемых нуклеотидами, определяющие основные свойства живого.

В природу существуют НК двух типов, различающихся по составу, строению и функциям:

ДНК - полимерная молекула, состоящая из тысячи и даже миллионов мономеров - дезоксирибонуклеотидов (нуклеотид). ДНК содержится преимущественно в ядре клеток, а также небольшое количество в митохондриях и хлоропластах. Количество ДНК в клетке относительно постоянно.

Нуклеотид, являющийся мономером, является продуктом химического соединения трех разных веществ: азотистого основания, углевода (дезоксирибозы) и фосфорной кислоты. В ДНК входят 4 типа нуклеотидов, отличающихся лишь по структуре азотистого основания: пуриновые основания - аденин и гуанин, пиримидиновые основания - цитозин и тимин.

Сцепление нуклеотидов между собой, когда они соединяются в цепь ДНК, происходит через фосфорную кислоту. За счет гидроксила фосфорной кислоты одного нуклеотида и гидроксила дезоксирибозы соседнего нуклеотида выделяется молекула воды, и остатки нуклеотидов соединяются прочной ковалентной связью.

При этом следует отметить, что количество пуриновых оснований аденина (А) равно количеству пиримидиновых оснований тимина (Т), т.е. А=Т; количество пурина гуанина (Г) всегда равно количеству пиримидина - цитозина Г=Ц - правило Чаргаффа.

ДНК состоит из двух спирально закрученных одна вокруг другой полинуклеотидных цепей. Ширина спирали около 20 ангстрем, а длина значительно велика и может достигать нескольких десятков и даже сотен микрометров. А цепи каждой ДНК нуклеотиды следуют в определенном и постоянном порядке. При замене хотя бы одного нуклеотида возникает новая структура с новыми свойствами.

При образовании спирали азотистые основания одной цепи располагаются точно против азотистых оснований другой. В расположении противоположных нуклеотидов имеется важная закономерность: против А одной цепи оказывается всегда Т другой цепи, а против Г - только Ц - комплементарность. Объясняется это тем, что края молекул А = Т, Г? Ц соответствуют друг другу геометрически. При это между молекулами образуются водородные связи, причем связь Г-Ц более прочная. Двойная спираль прошита многочисленными слабыми водородными связями, что обуславливает ее прочность и подвижность.

Принцип комплементарности позволяет понять, как синтезируются новые молекулы ДНК незадолго до деления клетки. Этот синтез обусловлен замечательной способностью ДНК к удвоению и определяет передачу наследственных свойств от материнской клетки к дочерней.

Спиральная двутяжня цепь ДНК начинает раскручиваться с одного конца, и на каждой цепи из находящейся в окружающей среде свободных нуклеотидов собирается новая цепь. Сборка новой цепи идет согласно принципу комплементарности. В результате вместо одной молекулы ДНК возникают две молекулы точно такого же нуклеотидного состава, как и первоначальная. При этом одна цепь материнская, а другая синтезируется вновь.

РНК - полимер, мономером которого является рибонуклеотид. РНК находится в ядре и цитоплазме. Количество РНК в клетке постоянно колеблется. РНК представляет собой однонитевую молекулу, построенную таким же образом, как и одна из цепей ДНК. Нуклеотиды РНК очень близки, хотя и не тождественны нуклеотидам ДНК. Их тоже 4, состоят они из азотистого основания, пентозы и фосфорной кислоты. Три основания совершенно одинаковы ДНК: А, Г, Ц, однако вместо Т, присутствующего в ДНК, в состав РНК входит У. В РНК вместо углевода дезоксирибозы - рибоза. Связь между нуклеотидами также осуществляется через остаток фосфорной кислоты.

3. Строение и биологические функции липидов

Липиды - это органические соединения, как правило, растворимые в органических растворителях, но не растворимые в воде.

Липиды - один из важнейших классов сложных молекул, присутствующих в клетках и тканях животных. Липиды выполняют самые разнообразные функции: снабжают энергией клеточные процессы, формируют клеточные мембраны , участвуют в межклеточной и внутриклеточной сигнализации. Липиды служат предшественниками стероидных гормонов, жёлчных кислот, простагландинов и фосфоинозитидов. В крови содержатся отдельные компоненты липидов (насыщенные жирные кислоты, мононенасыщенные жирные кислоты и полиненасыщенные жирные кислоты), триглицериды, холестерин, эфиры холестерина и фосфолипиды. Все эти вещества не растворимы в воде, поэтому в организме имеется сложная система транспорта липидов. Свободные (неэтерифицированные) жирные кислоты переносятся кровью в виде комплексов с альбумином. Триглицериды, холестерин и фосфолипиды транспортируются в форме водорастворимых липопротеидов. Некоторые липиды используются для создания наночастиц, например, липосом. Мембрана липосом состоит из природных фосфолипидов, что определяет их многие привлекательные качества. Они нетоксичны, биодеградируемы, при определённых условиях могут поглощаться клетками, что приводит к внутриклеточной доставке их содержимого. Липосомы предназначены для целевой доставки в клетки препаратов фотодинамической или генной терапии, а также компонентов другого назначения, например, косметического.

Липиды крайне разнообразны по своему химическому строению и свойствам. В зависимости от способности к гидролизу, липиды подразделяют на омыляемые и неомыляемые.

В свою очередь, в зависимости от особенностей химического строения омыляемые липиды подразделяют на простые и сложные. При гидролизе простых липидов образуются два вида соединений - спирты и карбоновые кислоты.

К простым омыляемым липидам относятся жиры и воски.

К сложным омыляемым липидам относятся фосфолипиды, сфинголипиды и гликолипиды, которые при гидролизе образуют три или более вида соединений.

К неомыляемым липидам относятся стероиды, терпены, жирорастворимые, простагландины.

Биологические функции липидов крайне разнообразны. Они являются: главными компонентами биомембран; запасным, изолирующим и защищающим органы и ткани материалом; наиболее калорийной частью пищи; важным и обязательным компонентом диеты человека и животных; регуляторами транспорта воды и солей; иммуномодуляторами; регуляторами активности некоторых ферментов; эндогормонами; передатчиками биологических сигналов. Этот список увеличивается по мере изучения липидов. Поэтому для понимания сути многих биологических процессов нужно иметь представление о липидах на таком же уровне, как о белках, нуклеиновых кислотах и углеводах.

4. Н ейтральные жиры и воски

Нейтральные жиры. Нейтральные жиры - это наиболее распространенные в живой природе липиды. По химическому строению они представляют собой сложные эфиры глицерина и высших жирных монокарбоновых кислот - триацилглицерины.

Все природные жиры содержат один и тот же спирт - глицерин, и наблюдаемые различия в биохимических и физико-химических свойствах между жирами обусловлены строением боковых радикалов (R1, R2, R3), представленных остатками жирных кислот. Липиды, обнаруженные в организме человека, содержат разнообразные жирные кислоты. В настоящее время известно свыше 800 природных жирных кислот. Для обозначения жирных кислот в биохимии принято использовать упрощенные числовые символы, которые задают параметры химического строения кислоты, а именно: первая цифра - это число атомов углерода в ее молекуле, цифра после двоеточия - это число двойных связей, а цифры в скобках указывают на атомы углерода, при которых располагается двойная связь. Например, числовой код молекулы олеиновой кислоты - 18: 1 (9) означает, что в ее состав входит 18 атомов углерода, и имеется одна двойная связь, расположенная между 8 и 9 атомами углерода.

Жирные кислоты, встречающиеся в составе природных липидов, как правило, содержат четное число атомов углерода, имеют неразветвленное строение (прямоцепочечная цепь) и подразделяются на насыщенные, моно- и полиненасыщенные. Из насыщенных жирных кислот наиболее часто встречаются пальмитиновая, стеариновая и арахиновая кислоты; из мононенасыщенных - олеиновая; а из полиненасыщенных - линолевая, линоленовая и арахидоновая кислоты. Ненасыщенные природные жирные кислоты имеют цис-конфигурацию, придающую углеводородной цепи укороченный и изогнутый вид, что имеет важное биологическое значение.

Содержание ненасыщенных жирных кислот в природных триацилглице-ринах выше, чем насыщенных. В связи с тем, что в отличие от насыщенных, ненасыщенные жирные кислоты имеют более низкую температуру плавления, содержащие их нейтральные жиры остаются жидкими даже при температуре ниже 5 0 С. Поэтому преобладание в нейтральных жирах ненасыщенных жирных кислот особенно полезно для организмов, существующих в условиях низких температур. Ненасыщенные жирные кислоты (олеиновая, линолевая) преобладают также в растительных жирах, называемых маслами. За счет высокого содержания насыщенных жирных кислот животные жиры при комнатной температуре имеют твердую консистенцию. Жидкие жиры могут быть превращены в твердые, путем гидрирования двойных связей ненасыщенных жирных кислот в присутствии катализаторов. Как правило, гидрирование проводят при температуре 175-190С, небольшом избыточном давлении в присутствии никеля в качестве катализатора. Такой процесс используется в пищевой промышленности при изготовлении пищевых жиров. Так, маргарин представляет собой смесь гидрированных жиров с добавлением молока и других веществ.

Триацилглицерины могут содержать одинаковые (простые триацилгли-церины) или разные ацильные остатки (сложные триацилглицерины):

Природные жиры представляют собой смесь разнообразных триацилглицеринов, в которой массовая доля смешанных триацилглицеринов очень высока. Например, молочный жир в основном образован олеопальмитобутирилглицерином.

В связи с тем, что животные и растительные жиры представляют собой смеси сложных триацилглицеринов, находящихся в разных поли-морфных кристаллических формах, они плавятся в определенном температурном интервале.

Таким образом, свойства жиров определяются качественным составом жирных кислот и их количественным соотношением. Для характеристики свойств жира используют такие константы (жировые числа), как кислотное число, йодное число и др.

Кислотное число определяется массой КОН [мг], которая необходима для нейтрализации свободных жирных кислот, содержащихся в 1 г жира. Кислотное число является важным показателем качества природных жиров: его увеличение при хранении жировых продуктов свидетельствует о происходящих в жире процессах гидролиза.

Йодное число - масса йода [мг], связываемая 100 г жира - дает представление о содержании в жире ненасыщенных жирных кислот. Жиры практически нерастворимы в воде и хорошо растворимы в органических растворителях. Однако в присутствии поверхностно-активных веществ (ПАВ), таких как желчные кислоты, белки, мыла, шампуни, они могут образовывать устойчивые эмульсии в воде. На этом свойстве основаны процессы усвоения жиров в организме и моющего действия растворов ПАВ. Устойчивой, сложной (эмульсия и суспензия) природной дисперсной системой является молоко, в котором частички жидких и твердых жиров стабилизированы белками.

Низкая электро- и теплопроводность жиров обусловлена их неполярной природой, и именно поэтому жиры для многих живых организмов служат защитой, как от охлаждения, так и от перегрева.

Под действием света, кислорода воздуха и влаги, при контакте с металлическими поверхностями жиры в процессе хранения подвергаются окислению и гидролизу и приобретают неприятный вкус и запах (прогоркание) за счет образования альдегидов и кислот с короткими цепями, например, масляной кислоты. Процесс прогоркания предотвращают добавлением антиоксидантов, наиболее активным и нетоксичным из которых является витамин Е.

Воски - продукты различного происхождения, которые присутствуют в организмах животных, в микроорганизмах и растениях. Воски состоят главным образом из сложных эфиров высших насыщенных и ненасыщенных монокарбоновых кислот и высших одно- или многоатомных спиртов жирного (реже ароматического) ряда. Причем и кислоты, и спирты обычно содержат четное число атомов углерода. Кроме того, воски могут содержать небольшое количество свободных жирных кислот, многоатомных спиртов, насыщенных углеводородов, душистых и красящих веществ.

Сложные эфиры восков подвергаются омылению труднее, чем жиры. Они также растворяются только в органических растворителях. Температуры плавления большинства восков лежат в интервале 40-90°С, и их можно формовать при нагревании.

Воски подразделяются на природные и животные. У многих растений воски составляют 80% от всех липидов. Растительные воски обычно содержат, помимо эфиров с большой молекулярной массой, еще и значительное количество насыщенных углеводородов. Покрывая тонким слоем листья, стебли и плоды, воски защищают растения от вредителей и болезней, а также от лишней потери воды. Растительные воски применяются в фармакологии, технике, а также в бытовых и косметических целях. Примером животных восков служит пчелиный воск, содержащий кроме высших эфиров 15% высших карбоновых кислот (С 16-С 36) и 12-17% высших углеводородов (С 21-С 35); ланолин - сложная смесь различных восков, кислот и спиртов, покрывающая шерсть овец, в отличие от других восков, ланолин образует устойчивые эмульсии с водой при ее избытке; спермацет - смесь эфиров мирицилового и цетилового спирта и пальмитиновой кислоты, содержится в черепной полости кашалота и служит ему звукопроводом при эхолокации.

Животные воски используются в фармакологии и косметологии для приготовления различных кремов и мазей, а также для изготовления кремов для обуви.

5. О мыляемые сложные липиды

Омыляемые сложные липиды подразделяют на фосфо-, сфинго- и глико-липиды. Омыляемые сложные липиды являются сложными эфирами глицерина или сфингозина и жирных кислот. Но, в отличие от нейтральных жиров, в молекулах сложных липидов присутствуют остатки фосфорной кислоты или углеводов.

Омыляемые сложные липиды - это эффективные поверхностно-активные вещества, содержащие одновременно как гидрофобные, так и гидрофильные фрагменты. Рассмотрим особенности химического строения основных представителей омыляемых сложных липидов.

Фосфолипиды .

Природные фосфолипиды являются производными фосфатидной кислоты, состоящей из остатков глицерина, фосфорной и жирных кислот. Фосфолипиды содержат два остатка жирных кислот (R1 и R2) и дополнительный полярный радикал (R3), как правило, представленный остатком азотистого основания и соединенный эфирной связью с фосфатной группой.

Главными представителями природных фосфолипидов являются фосфатидилэтаноламин (кефалин) - R3 - остаток этаноламина, фосфатидилхолин (лецитин) - R3 - остаток холина, фосфатидилсерин - R3 - остаток серина и фосфатидилинозит - R3 -остаток инозита.

Все перечисленные выше соединения обладают избирательной растворимостью в органических растворителях, практически не растворимы в ацетоне, что используется для отделения фосфолипидов от других липидов. За счет двойных связей в углеводородных цепях ненасыщенных жирных кислот фосфолипиды легко окисляются кислородом воздуха, меняя при этом окраску от светло-желтой до коричневой.

Фосфолипиды составляют основу липидного слоя биологических мембран и очень редко встречаются в составе запасных отложений жиров. Преимущественное участие фосфолипидов в формировании клеточных мембран объясняется их способностью выступать в роли поверхностно-активных веществ и образовывать молекулярные комплексы с белками - хиломикроны, липопротеины. В результате межмолекулярных взаимодействий, удерживающих друг возле друга углеводородные радикалы, образуется внутренний гидрофобный слой мембраны. Полярные фрагменты, расположенные на внешней поверхности мембраны, образуют гидрофильный слой.

Благодаря полярности молекул фосфолипидов обеспечивается односторонняя проницаемость клеточных мембран. В связи с этим фосфолипиды широко распространены в растительных и животных тканях, особенно в нервной ткани человека и позвоночных животных. В микроорганизмах они являются преобладающей формой липидов.

Все вышеперечисленные свойства фосфолипидов обусловливают эффект снижения пограничного натяжения на внутренних стенках альвеол, что облегчает диффузию молекулярного кислорода и способствует его проникновению в легочное пространство и последующему присоединению к гемоглобину. Альвеолы клетки синтезируют и продуцируют специфическую слизь, которая состоит из 10% белков и 90% фосфолипидов, гидратированных водой. Эту смесь называют "легочный сурфактант" (от англ. surface active agent - поверхностно-активный агент).

Различия в строении радикала R3 практически не влияют на биохимические свойства фосфолипидов. Так, и фосфатидилэтаноламины (кефалины) и фосфатидилсерины участвуют в формировании мембран клеток. Фосфатидил-холины в большом количестве содержатся в желтках яиц птиц (по этой причине и получили свое название лецитины от греч. lecitos - желток), в мозговой ткани человека и животных, в соевых бобах, семенах подсолнечника, зародышах пшеницы. Причем, холин (витаминоподобное соединение) может присутствовать в тканях и в свободном виде, выполняя роль донора метильных групп в процессах синтеза различных веществ, например, метионина. Поэтому при недостатке холина наблюдается нарушение обмена веществ, которое приводит, в частности, к жировому перерождению печени. Производное холина - ацетилхолин - является медиатором нервной системы. Фосфатидилхолины широко используются в медицине при лечении заболеваний нервной системы, в пищевой промышленности как биологически активные добавки (в шоколад, маргарин), а также в качестве антиоксидантов. Фосфатидилинозиты представляют интерес как предшественники простагландинов - биохимических регуляторов, особенно высоко их содержание в нервных волокнах спинного мозга. Инозит, как и холин, является витаминоподобным соединением.

Сфинголипиды .

Природные сфинголипиды являются структурными аналогами фосфолипидов, содержащими вместо глицерина ненасыщенный двухатомный аминоспирт сфингозин или его ненасыщенный аналог дигидросфингозин.

Заместители у двойной связи в молекуле сфингозина находятся в трансположении, а расположение заместителей у асимметричных атомов углерода соответствует D-конфигурации.

Самыми распространенными сфинголипидами являются сфингомиелины.

В сравнении с фосфолипидами, сфинголипиды более устойчивы к действию окислителей. Они нерастворимы в эфире, что используется при их отделении от фосфолипидов. Сфинголипиды входят в состав мембран растительных и животных клеток, особенно богата ими нервная ткань.

Гликолипиды

Гликолипиды могут быть как сложными эфирами глицерина - гликозилдиацилглицерины, так и сфингозина - гликосфинголипиды. В состав молекул гликолипидов входят остатки углеводов, чаще D-галактоза. Гликозилдиацилглицерины содержат один или два остатка моносахарида (D-галактоза или D-глюкоза), связанных с ОН-группой глицерина в-гликозидной связью. Гликозилдиацилглицерины были выделены из листьев растений (по-видимому, они специфически связаны с хлоропластами), где их концентрация примерно в 5 раз превышает концентрацию фосфолипидов из бактерий-фотосинтетиков. В животных тканях соединения подобного рода не обнаружены.

Гликосфинголипиды содержат один или несколько остатков углеводов и в зависимости от их числа различают цереброзиды и ганглиозиды. Остаток гексозы в цереброзидах присоединен в-гликозидной связью. Из жирных кислот, обнаруженных в цереброзидах, чаще всего встречаются нервоновая, цереброновая и лигноцериновая (С 24).

Цереброзидсульфатиды - производные цереброзидов, образующиеся при их этерификации серной кислотой по третьему атому углерода гексозы, присутствуют в белом веществе мозга.

Ганглиозиды , в отличие от цереброзидов, имеют более сложное строение: их молекулы содержат гетероолигосахариды, образованные остатками D-глюкозы, D-галактозы, N-ацетилглюкозамина и N-ацетилнейраминовой кислоты. Все ганглиозиды являются кислыми соединениями и, так же как и цереброзиды, активно участвуют в контроле и регуляции межклеточных контактов, рецепции пептидных гормонов, вирусов, бактериальных токсинов. В связи с тем, что структура и состав ганглиозидов контролируются генетически, они обладают высокой тканевой специфичностью и выполняют функции антигенов клеточных поверхностей.

6. Н еомыляемые липиды

Рассмотрим особенности химического строения и биохимических функций наиболее важных представителей неомыляемых липидов - стероидов и терпенов.

Стероиды .

К стероидам относится обширный класс природных веществ, в основе молекул которых лежит конденсированный остов, называемый стераном. Наиболее распространенным среди многочисленных биологических соединений стероидной природы является холестерин.

Холестерин - одноатомный спирт (холестерол); он проявляет свойства вторичного спирта и алкена. Около 30% холестерина в организме содержится в свободном виде, остальное количество - в составе ацилхолестеринов, т.е. сложных эфиров с высшими карбоновыми кислотами, как насыщенными (пальмитиновой и стеариновой), так и ненасыщенными (линолевой, арахидоновой и др.), т.е. в виде ацилхолестеринов. Общее содержание холестерина в организме человека составляет 210-250 г. В больших количествах он содержится в головном и спинном мозге, является компонентом биомембран.

Важнейшая биохимическая функция холестерина обусловлена тем, что он играет роль промежуточного продукта в синтезе многих соединений стероидной природы: в плаценте, семенниках, желтом теле и надпочечниках происходит превращение холестерина в гормон прогестерон, который является начальным субстратом сложной цепи биосинтеза стероидных половых гормонов и кортикостероидов.

Другие пути использования холестерина в организме связаны с образованием витамина D и необходимых для пищеварения желчных кислот - холевой и 7-дезоксихолевой.

В организме холевая кислота, образуя амиды по карбонильной группе с глицином и таурином, превращается в глицинхолевую и таурохолевую кислоты.

Анионы этих кислот являются эффективными поверхностно-активными веществами. В кишечнике они участвуют в процессах эмульгирования жиров и тем самым способствуют их всасыванию и перевариванию.

Желчные кислоты используют в качестве лекарственных препаратов, предотвращающих образование и растворение уже имеющихся желчных камней, которые состоят из холестерина и билирубина.

Транспорт нерастворимых в жидкостях организма липидов, в том числе и холестерина, осуществляется в составе особых частиц - липопротеинов, представляющих собой сложные по составу комплексы с белками.

В крови обнаружено несколько форм липопротеинов, которые отличают по плотности: хиломикроны, липопротеины очень низкой плотности (ЛОНП), липопротеины низкой плотности (ЛНП) и липопротеины высокой плотности (ЛВП). Липопротеины можно разделить с помощью ультрацентрифугирования.

Липопротеины представляют собой сферические частицы, гидрофильная поверхность которых представляет собой слой ориентированных фосфолипидов и белков, а ядро образовано гидрофобными молекулами триацилглицеринов и эфиров холестерина.

Триацилглицерины и холестерин под действием специфических ферментов (липопротеинлипаза) высвобождаются из хиломикронов и затем потребляются жировой тканью, печенью, сердцем и другими органами.

При некоторых нарушениях обмена веществ или высокой концентрации холестерина в крови повышается концентрация ЛОНП и ЛНП, что ведет к их отложению на стенках сосудов (атеросклероз), в том числе в артериях сердечной мышцы (ишемическая болезнь сердца и инфаркт миокарда).

Терпены .

Терпены - это ряд биологически активных углеводородов и их кислородсодержащих производных, углеродный скелет которых состоит из нескольких звеньев изопрена С 5 Н 8 . Поэтому общая формула для большинства терпенов - (С 5 Н 8) n . Терпены могут иметь ациклическое или циклическое (би-, три- и полициклическое) строение. Структуры терпенов с общей формулой С 1 0 Н 1 6 - мирцен и лимонен:

В состав эфирных масел входят производные терпенов, содержащие гидроксильные, альдегидные или кетогруппы, - терпеноиды. Среди них большое применение находят ментол (содержится в масле мяты, от которой и получил свое название, от лат. menta - мята), линалоол (жидкость с запахом ландыша), цитраль, камфара.

К терпенам относятся смоляные кислоты, которые имеют общую формулу С 2 0 Н 3 0 О 2 и составляют 4/5 смолы хвойных растений (живица). При переработке живицы получают твердый остаток смоляных кислот - канифоль, которая служит сырьем для многих отраслей промышленности. Кроме того, терпеновые группировки (изопреноидные цепи) входят в структуру многих сложных биологически активных соединений, таких как каратиноиды, фитол и др.

Фитол в свободном виде в природе не встречается, но входит в состав молекул хлорофилла, витаминов А и Е и других биосоединений.

Каучук и гутта являются политерпенами, в молекулах которых остатки изопрена связаны "голова к хвосту".

Литература

1. Черкасова Л.С., Мережинский М.Ф., Обмен жиров и липидов, Минск, 1961;

2. Маркман А.Л., Химия липидов, в. 1--2, Таш., 1963--70;

3. Тютюнников Б.Н., Химия жиров, М., 1966;

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Белки (протеины) как сложные органические соединения. Формулы аминокислот. Строение молекулы белка, явление денатурации белка. Что такое углеводы, их строение, химическая формула. Самые распространенные моносахариды и полисахариды. Жиры и липоиды.

реферат , добавлен 07.10.2009

Органические соединения І группы. Натрииорганические соединения - органические соединения, содержащие связь C-Na. Органические производные кальция, стронция, бария и магния. Борорганические соединения. Соединения алюминия. Кремнийорганические соединения.

реферат , добавлен 10.04.2008

Жиры как существенная часть нашей пищи. Фосфатиды, стерины и витамины. Носители запаха. Гидролиз жиров. Природные высокомолекулярные азотосодержащие соединения - белки. Молекулы белка. Углеводы, моносахариды, глюкоза, лактоза, крахмал, дисахариды.

доклад , добавлен 14.12.2008

Полимеры как органические и неорганические, аморфные и кристаллические вещества. Особенности структуры их молекулы. История термина "полимерия" и его значения. Классификация полимерных соединений, примеры их видов. Применение в быту и промышленности.

презентация , добавлен 10.11.2010

Строение и общие свойства аминокислот, их классификация и химические реакции. Строение белковой молекулы. Физико-химические свойства белков. Выделение белков и установление их однородности. Химическая характеристика нуклеиновых кислот. Структура РНК.

курс лекций , добавлен 24.12.2010

Химическая связь в органических молекулах. Классификация химических реакций. Кислотные и основные свойства органических соединений. Гетерофункциональные производные бензольного ряда. Углеводы, нуклеиновые кислоты, липиды. Гетероциклические соединения.

учебное пособие , добавлен 29.11.2011

Металлоорганические соединения. Щелочные металлы первой подгруппы. Органические соединения лития, способы получения, химические свойства. Взаимодействие алкиллития с карбонильными соединениями. Элементы второй группы. Магнийорганические соединения.

реферат , добавлен 03.12.2008

Углеводы как органические вещества, молекулы которых состоят из атомов углерода, водорода и кислорода, знакомство с классификацией: олигосахариды, полисахариды. Характеристика представителей моносахаридов: глюкоза, фруктовый сахар, дезоксирибоза.

презентация , добавлен 18.03.2013

Основные химические вещества: белки, липиды, углеводы, витамины, минеральные вещества и пищевые добавки. Основные химические процессы, происходящие при тепловой кулинарной обработке. Потери при тушении, запекании, припускании и пассеровании продуктов.

курсовая работа , добавлен 07.12.2010

Углеводы - важнейшие химические соединения живых организмов. В растительном мире составляют 70-80% из расчета на сухое вещество. Функции углеводов: энергетическая – главный вид клеточного топлива, функция запасных питательных веществ, защитная, регуляторн

Основные свойства и уровни организации живой природы

Уровни организации живых систем отражают соподчиненность, иерархичность структурной организации жизни:

Молекулярно-генетический - отдельные биополимеры (ДНК, РНК, белки);

Клеточный - элементарная самовоспроизводящаяся единица жизни (прокариоты, одноклеточные эукариоты), ткани, органы;

Организменный - самостоятельное существование отдельной особи;

Популяционно-видовой - элементарная эволюционирующая единица - популяция;

Биогеоценотический - экосистемы, состоящие из разных популяций и среды их обитания;

Биосферный - все живое население Земли, обеспечивающее круговорот веществ в природе.

Природа - это весь существующий материальный мир во всем многообразии его форм. Единство природы проявляется в объективности ее существования, общности элементного состава, подчиненности одним и тем же физическим законам, в системности организации. Различные природные системы, как живые, так и неживые, взаимосвязаны и взаимодействуют между собой. Примером системного взаимодействия является биосфера.

Биология - это комплекс наук, изучающих закономерности развития и жизнедеятельности живых систем, причины их многообразия и приспособленности к окружающей среде, взаимосвязь с другими живыми системами и объектами неживой природы.

Объектом исследования биологии является живая природа.

Предметом исследования биологии являются:

Общие и частные закономерности организации, развития, обмена веществ, передачи наследственной информации;

Разнообразие форм жизни и самих организмов, а также их связи с окружающей средой.

Все многообразие жизни на Земле объясняется эволюционным процессом и действием окружающей среды на организмы.

Сущность жизни определяется М.В. Волькенштейном как существование на Земле «живых тел, представляющих собой открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров - белков и нуклеиновых кислот».

Основные свойства живых систем:

Обмен веществ;

Саморегуляция;

Раздражимость;

Изменчивость;

Наследственность;

Размножение;

Химический состав клетки. Неорганические вещества клетки

Цитология - наука, изучающая строение и функции клеток. Клетка является элементарной структурной и функциональной единицей живых организмов. Клеткам одноклеточных организмов присущи все свойства и функции живых систем. Клетки многоклеточных организмов дифференцированы по строению и функциям.

Атомный состав: в состав клетки входит около 70 элементов Периодической системы элементов Менделеева, причем 24 из них присутствуют во всех типах клеток.

Макроэлементы - Н, О, N, С, микроэлементы - Mg, Na, Са, Fe, К, Р, CI, S, ультрамикроэлементы - Zn, Сu, I, F, Мn, Со, Si и др.

Молекулярный состав: в состав клетки входят молекулы неорганических и органических соединений.

Неорганические вещества клетки

Вода. Молекула воды имеет нелинейную пространственную структуру и обладает полярностью. Между отдельными молекулами образуются водородные связи, определяющие физические и химические свойства воды.

Рис. 1. Молекула воды Рис. 2. Водородные связи между молекулами воды

Физические свойства воды:

Вода может находиться в трех состояниях - жидком, твердом и газообразном;

Вода - растворитель. Полярные молекулы воды растворяют полярные молекулы других веществ. Вещества, растворимые в воде, называют гидрофильными. Вещества, не растворимые в воде, - гидрофобными;

Высокая удельная теплоемкость. Для разрыва водородных связей, удерживающих молекулы воды, требуется поглотить большое количество энергии. Это свойство воды обеспечивает поддержание теплового баланса в организме;

Высокая теплота парообразования. Для испарения воды необходима достаточно большая энергия. Температура кипения воды выше, чем у многих других веществ. Это свойство воды предохраняет организм от перегрева;

Молекулы воды находятся в постоянном движении, они сталкиваются друг с другом в жидкой фазе, что немаловажно для процессов обмена веществ;

Сцепление и поверхностное натяжение. Водородные связи обусловливают вязкость воды и сцепление ее молекул с молекулами других веществ (когезия). Благодаря силам сцепления молекул на поверхности воды создается пленка, которую характеризует поверхностное натяжение;

Плотность. При охлаждении движение молекул воды замедляется. Количество водородных связей между молекулами становится максимальным. Наибольшую плотность вода имеет при 4°С. Замерзая, вода расширяется (необходимо место для образования водородных связей), и ее плотность уменьшается, поэтому лед плавает на поверхности воды, что защищает водоем от промерзания;

Способность к образованию коллоидных структур. Молекулы воды образуют вокруг нерастворимых молекул некоторых веществ оболочку, препятствующую образованию крупных частиц. Такое состояние этих молекул называется дисперсным (рассеянным). Мельчайшие частицы веществ, окруженные молекулами воды, образуют коллоидные растворы (цитоплазма, межклеточные жидкости).

Биологические функции воды:

Транспортная - вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма. В природе вода переносит продукты жизнедеятельности в почвы и к водоемам;

Метаболическая - вода является средой для всех биохимических реакций и донором электронов при фотосинтезе, она необходима для гидролиза макромолекул до их мономеров;

Участвует в образовании:

1) смазывающих жидкостей, которые уменьшают трение (синовиальная - в суставах позвоночных животных, плевральная, в плевральной полости, перикардиальная - в околосердечной сумке);

2) слизей, которые облегчают передвижение веществ по кишечнику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей;

3) секретов (слюна, слезы, желчь, сперма и т.д.) и соков в организме.

Неорганические ионы. Неорганические ионы клетки представлены: катионами К+, Na+, Са2+, Mg2+, NH3 и анионами Сl-, NOi2-, H2PO4-, HCO3-, HPO42-.

Разность между количеством катионов и анионов на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникновение потенциала действия, что лежит в основе нервного и мышечного возбуждения.

Анионы фосфорной кислоты создают фосфатную буферную систему, поддерживающую рН внутриклеточной среды организма на уровне 6-9.

Угольная кислота и ее анионы создают бикарбонатную буферную систему и поддерживают рН внеклеточной среды (плазмы крови) на уровне 4-7.

Соединения азота служат источником минерального питания, синтеза белков, нуклеиновых кислот. Атомы фосфора входят в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов, а также костей позвоночных, хитинового покрова членистоногих. Ионы кальция входят в состав вещества костей, они также необходимы для осуществления мышечного сокращения, свертывания крови.

Учебник для 10-11 классов

Раздел I. Клетка - единица живого
Глава I. Химический состав клетки

В живых организмах содержится большое количество химических элементов. Они образуют два класса соединений - органические и неорганические. Химические соединения, основой строения которых являются атомы углерода, составляют отличительный признак живого. Эти соединения называют органическими. Органические соединения чрезвычайно многообразны, но только четыре класса их имеют всеобщее биологическое значение: белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды.

§ 1. Неорганические соединения

Биологически важные химические элементы. Из известных нам более 100 химических элементов в состав живых организмов входят около 80, причем только в отношении 24 известно, какие функции в клетке они выполняют. Набор этих элементов не случаен. Жизнь зародилась в водах Мирового океана, и живые организмы состоят преимущественно из тех элементов, которые образуют легко растворимые в воде соединения. Большинство таких элементов принадлежит к числу легких, их особенностью является способность вступать в прочные (ковалентные) связи и образовывать множество различных сложных молекул.

В составе клеток человеческого тела преобладают кислород (более 60%), углерод (около 20%) и водород (около 10%). На азот, кальций, фосфор, хлор, калий, серу, натрий, магний, вместе взятые, приходится около 5%. Остальные 13 элементов составляют не более 0,1%. Сходный элементный состав имеют клетки большинства животных; отличаются лишь клетки растений и микроорганизмов. Даже те элементы, которые в клетках содержатся в ничтожно малых количествах, ничем не могут быть заменены и совершенно необходимы для жизни. Так, содержание иода в клетках не превышает 0,01%. Однако при недостатке его в почве (из-за этого и в пищевых продуктах) задерживается рост и развитие детей. Содержание меди в клетках животных не превышает 0,0002%. Но при недостатке меди в почве (отсюда и в растениях) возникают массовые заболевания сельскохозяйственных животных.

Значение для клетки основных элементов приведено в конце этого параграфа.

Неорганические (минеральные) соединения. В состав живых клеток входит ряд относительно простых соединений, которые встречаются и в неживой природе - в минералах, природных водах. Это неорганические соединения.

Вода - одно из самых распространенных веществ на Земле. Она покрывает большую часть земной поверхности. Почти все живые существа состоят в основном из воды. У человека содержание воды в органах и тканях варьирует от 20% (в костной ткани) до 85% (в головном мозге). Около 2/3 массы человека составляет вода, в организме медузы до 95% воды, даже в сухих семенах растений вода составляет 10-12%.

Вода обладает некоторыми уникальными свойствами. Свойства эти настолько важны для живых организмов, что нельзя представить жизнь без этого соединения водорода и кислорода.

Уникальные свойства воды определяются структурой ее молекул. В молекуле воды один атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода (рис. 1). Молекула воды полярна (диполь). Положительные заряды сосредоточены у атомов водорода, так как кислород электроотрицательнее водорода.

Рис. 1. Образование водородных связей в воде

Отрицательно заряженный атом кислорода одной молекулы воды притягивается к положительно заряженному атому водорода другой молекулы с образованием водородной связи (рис. 1).

По прочности водородная связь примерно в 15-20 раз слабее ковалентной связи. Поэтому водородная связь легко разрывается, что наблюдается, например, при испарении воды. Вследствие теплового движения молекул в воде одни водородные связи разрываются, другие образуются.

Таким образом, в жидкой воде молекулы подвижны, что немаловажно для процессов обмена веществ. Молекулы воды легко проникают через клеточные мембраны.

Из-за высокой полярности молекул вода является растворителем других полярных соединений. В воде растворяется больше веществ, чем в любой другой жидкости. Именно поэтому в водной среде клетки осуществляется множество химических реакций. Вода растворяет продукты обмена веществ и выводит их из клетки и организма в целом.

Вода обладает большой теплоемкостью, т. е. способностью поглощать теплоту при минимальном изменении собственной температуры. Благодаря этому она предохраняет клетку от резких изменений температуры. Поскольку на испарение воды расходуется много теплоты, то, испаряя воду, организмы могут защищать себя от перегрева (например, при потоотделении).

Вода обладает высокой теплопроводностью. Такое свойство создает возможность равномерного распределения теплоты между тканями тела.

Вода служит растворителем для «смазочных» материалов, необходимых везде, где есть трущиеся поверхности (например, в суставах).

Вода имеет максимальную плотность при 4°С. Поэтому лед, обладающий меньшей плотностью, легче воды и плавает на ее поверхности, что защищает водоем от промерзания.

По отношению к воде все вещества клетки разделяются на две группы: гидрофильные - «любящие воду» и гидрофобные - «боящиеся воды» (от греч. «гидро» - вода, «филео» - любить и «фобос» - боязнь).

К гидрофильным относятся вещества, хорошо растворимые в воде. Это соли, сахара, аминокислоты. Гидрофобные вещества, напротив, в воде практически нерастворимы. К ним относятся, например, жиры.

Клеточные поверхности, отделяющие клетку от внешней среды, и некоторые другие структуры состоят из водонерастворимых (гидрофобных) соединений. Благодаря этому сохраняется структурная целостность клетки. Образно клетку можно представить в виде сосуда с водой, где протекают биохимические реакции, обеспечивающие жизнь. Стенки этого сосуда нерастворимы в воде. Однако они способны избирательно пропускать водорастворимые соединения.

Помимо воды, в числе неорганических веществ клетки нужно назвать соли, представляющие собой ионные соединения. Они образованы катионами калия, натрия, магния и иных металлов и анионами соляной, угольной, серной, фосфорной кислот. При диссоциации таких солей в растворах появляются катионы (К + , Na + , Са 2+ , Mg 2+ и др.) и анионы (СI - , НСО 3 - , HS0 4 - и др.). Концентрация ионов на внешней поверхности клетки отличается от их концентрации на внутренней поверхности. Разное число ионов калия и натрия на внутренней и внешней поверхности клетки создает разность зарядов на мембране. На внешней поверхности клеточной мембраны очень высокая концентрация ионов натрия, а на внутренней поверхности очень высокая концентрация ионов калия и низкая - натрия. 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, и при недостатке их нарушаются жизненно важные процессы в клетках. Ряд важных функций выполняют в живых организмах неорганические кислоты и их соли. Соляная кислота создает кислую среду в желудке животных и человека и в специальных органах насекомоядных растений, ускоряя переваривание белков пищи. Остатки фосфорной кислоты (Н 3 Р0 4), присоединяясь к ряду ферментных и иных белков клетки, изменяют их физиологическую активность. Остатки серной кислоты, присоединяясь к нерастворимым в воде чужеродным веществам, придают им растворимость и способствуют таким образом выведению их из клеток и организмов. Натриевые и калиевые соли азотистой и фосфорной кислот, кальциевая соль серной кислоты служат важными составными частями минерального питания растений, их вносят в почву как удобрения для подкормки растений. Более подробно значение для клетки химических элементов приведено ниже.

Биологически важные химические элементы клетки

Какова биологическая роль воды в клетке?
Какие ионы содержатся в клетке? Какова их биологическая роль?
Какую роль играют содержащиеся в клетке катионы?

Тема: «Химический состав клетки».

План:

1. Неорганические вещества клетки.

2. Органические вещества клетки.

В состав клетки входит около 70 химический элементов периодической системы Менделеева встречающихся и в неживой природе. Это свидетельствует о единстве органического и неорганического мира. Однако соотношение химических элементов в живой и неживой материи различно.

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

1 группа - макроэлементы (составляют 98% массы клетки): водород, кислород, углерод и азот. Они входят в состав углеводов, жиров и белков.

2 группа - макроэлементы (составляют примерно 1,9 % всего состава клетки): сера, фосфор, хлор, калий, натрий, магний, кальций, железо. Они так же выполняют важную функцию в клетке. Например, натрий, калий и кальций обеспечивают проницаемость клеточных мембран для различных веществ и проведение импульса по нервному волокну. Са – один из факторов, от которых зависит нормальная свертываемость крови. Fe входит в состав гемоглобина – белка эритроцитов, участвующего в переносе кислорода от легких к тканям.

3 группа - микроэлементы (0,1 %): цинк, медь, йод, фтор, кобальт, марганец, бор и др. Они также выполняют важную функцию. Микроэлементы входят в состав ферментов, витаминов, гормонов – веществ, обладающих большой биологической активностью. Недостаток или отсутствие в организме каких-либо микроэлементов может вызвать заболевание. Например, недостаток йода , входящего в состав гормона щитовидной железы – тироксина, приводит к уменьшению его образования, гипофункции органа и развитию заболевания. Цинк входит в состав ряда ферментов гормона поджелудочной железы – инсулина; он усиливает активность половых гормонов. Кобальт – необходимый компонент витамина В 12, участвующего в процессе синтеза НК, в белковом обмене, очень важен для кроветворения.

4 группа - ультрамикроэлементы (менее 0,00001%): золото, серебро, ртуть, уран, бериллий, радий и др.. Их роль до конца не изучена.

По химическому составу входящие в клетку вещества делятся на неорганические (встречаются и в неживой природе) и органические , характерные для живых организмов.

Неорганические вещества клетки.

Вода - самое распространенное неорганическое соединение. В среднем в многоклеточном организме составляет 80% массы тела. Функция воды во многом определяется её химическими и физическими свойствами. Эти свойства связаны с малыми размерами молекул воды, с их полярностью и способностью соединяться друг с другом водородными связями.

Функция воды:

1. Вода – основной растворитель для полярных веществ (соли, сахар, кислоты, спирты и др.). По отношению к воде все вещества разделяют на 2 группы: вещества хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными . Неполярные вещества (жиры, масла) вода не растворяет и не смешивается с ними, поскольку она не может образовать с ними водородные связи. Нерастворимые в воде вещества называются гидрофобными .

2. Вода обладает хорошей теплопроводностью и большой теплоемкостью, поэтому температура внутри клетки остается неизменной или её колебания оказываются значительно меньше, чем в окружающей клетку среде.

3. Вода обладает высокой теплотой парообразования, т.е. способностью молекул уносить с собой значительное количество тепла, охлаждая организм (это свойство воды используется при потоотделении у млекопитающих).

4. Вода обеспечивает как приток веществ в клетку так и удаление из неё.

5. Вода - источник О 2 и Н 2 при фотосинтезе.

6. Вода - стабилизатор структуры клетки, благодаря полярности молекул

7. Вода – осморегулятор: обеспечивает упругость и объем клетки.

8. Вода - участник гидролиза и окисления высокомолекулярных веществ.

Минеральные соли. Большая часть неорганических веществ в клетке находится в виде солей. Молекулы солей в водном растворе диссоциируют на катионы и анионы (NaCl = Na + + Cl - ; NaSO 4 = Na + + SO 4 2-)

Наибольшее значение имеют катионы: К + , Na + , Ca 2+ , NH 4 + и анионы: Cl - , Н 2 РО 4 - , HCO 3 - , NO 3 - , SO 4 2- .

Функции:

1. Поддержка постоянства внутренней среды организма: анионы фосфорной кислоты (Н 2 РО 4 и НРО 4 2-) создают буферную систему, поддерживающую рН внутри клетки на уровне 6,9. Во внеклеточной жидкости и в крови роль буфера играет угольная кислота и её анионы (Н 2 СО 3 и НСО 3 -) поддерживают рН= 7,4.

2. Обеспечение постоянства осмотического давления: внутри клетки концентрация солей выше – это обеспечивает поступление воды в клетку и создается тургорное давление.

3. Активация ферментов.

4. Образуют соединения с органическими веществами (Нb, хлорофил, тироксин, витамин В 12 , окислительные ферменты).

Просмотров