В составе живых организмов обнаружено большинство химических элементов Периодической системы элементов Д. И. Менделеева, открытых к настоящему времени. С одной стороны, в них не содержится ни одного элемента, которого не было бы в неживой природе, а с другой стороны, их концентрации в телах неживой природы и живых организмах существенно различаются.
Эти химические элементы образуют неорганические и органические вещества. Несмотря на то, что в живых организмах преобладают неорганические вещества, именно органические вещества определяют уникальность их химического состава и феномена жизни в целом, поскольку они синтезируются преимущественно организмами в процессе жизнедеятельности и играют в реакциях важнейшую роль.
Изучением химического состава организмов и химических реакций, протекающих в них, занимается наука биохимия.
Следует отметить, что содержание химических веществ в различных клетках и тканях может существенно различаться. Например, если в животных клетках среди органических соединений преобладают белки, то в клетках растений - углеводы.
| Химический элемент | Земная кора | Морская вода | Живые организмы |
| O | 49.2 | 85.8 | 65–75 |
| C | 0.4 | 0.0035 | 15–18 |
| H | 1.0 | 10.67 | 8–10 |
| N | 0.04 | 0.37 | 1.5–3.0 |
| P | 0.1 | 0.003 | 0.20–1.0 |
| S | 0.15 | 0.09 | 0.15–0.2 |
| K | 2.35 | 0.04 | 0.15–0.4 |
| Ca | 3.25 | 0.05 | 0.04–2.0 |
| Cl | 0.2 | 0.06 | 0.05–0.1 |
| Mg | 2.35 | 0.14 | 0.02–0.03 |
| Na | 2.4 | 1.14 | 0.02–0.03 |
| Fe | 4.2 | 0.00015 | 0.01–0.015 |
| Zn | < 0.01 | 0.00015 | 0.0003 |
| Cu | < 0.01 | < 0.00001 | 0.0002 |
| I | < 0.01 | 0.000015 | 0.0001 |
| F | 0.1 | 2.07 | 0.0001 |
Макро- и микроэлементы
В живых организмах встречается около 80 химических элементов, однако только для 27 из этих элементов установлены их функции в клетке и организме. Остальные элементы присутствуют в незначительных количествах, и, по-видимому, попадают в организм с пищей, водой и воздухом. Содержание химических элементов в организме существенно различается. В зависимости от концентрации их делят на макроэлементы и микроэлементы.
Концентрация каждого из макроэлементов в организме превышает 0,01 %, а их суммарное содержание - 99 %. К макроэлементам относят кислород, углерод, водород, азот, фосфор, серу, калий, кальций, натрий, хлор, магний и железо. Первые четыре из перечисленных элементов (кислород, углерод, водород и азот) называют также органогенными , поскольку они входят в состав основных органических соединений. Фосфор и сера также являются компонентами ряда органических веществ, например белков и нуклеиновых кислот. Фосфор необходим для формирования костей и зубов.
Без оставшихся макроэлементов невозможно нормальное функционирование организма. Так, калий, натрий и хлор участвуют в процессах возбуждения клеток. Калий также необходим для работы многих ферментов и удержания воды в клетке. Кальций входит в состав клеточных стенок растений, костей, зубов и раковин моллюсков и требуется для сокращения мышечных клеток, а также для внутриклеточного движения. Магний является компонентом хлорофилла - пигмента, обеспечивающего протекание фотосинтеза. Он также принимает участие в биосинтезе белка. Железо, помимо того, что оно входит в состав гемоглобина, переносящего кислород в крови, необходимо для протекания процессов дыхания и фотосинтеза, а также для функционирования многих ферментов.
Микроэлементы содержатся в организме в концентрациях менее 0,01 %, а их суммарная концентрация в клетке не достигает и 0,1 %. К микроэлементам относятся цинк, медь, марганец, кобальт, йод, фтор и др. Цинк входит в состав молекулы гормона поджелудочной железы - инсулина, медь требуется для процессов фотосинтеза и дыхания. Кобальт является компонентом витамина В12, отсутствие которого приводит к анемии. Йод необходим для синтеза гормонов щитовидной железы, обеспечивающих нормальное протекание обмена веществ, а фтор связан с формированием эмали зубов.
Как недостаток, так и избыток или нарушение обмена макро- и микроэлементов приводят к развитию различных заболеваний. В частности, недостаток кальция и фосфора вызывает рахит, нехватка азота - тяжелую белковую недостаточность, дефицит железа - анемию, а отсутствие йода - нарушение образования гормонов щитовидной железы и снижение интенсивности обмена веществ. Уменьшение поступления фтора с водой и пищей в значительной степени обусловливает нарушение обновления эмали зубов и, как следствие, предрасположенность к кариесу. Свинец токсичен почти для всех организмов. Его избыток вызывает необратимые повреждения головного мозга и центральной нервной системы, что проявляется потерей зрения и слуха, бессонницей, почечной недостаточностью, судорогами, а также может привести к параличу и такому заболеванию, как рак. Острое отравление свинцом сопровождается внезапными галлюцинациями и заканчивается комой и смертью.
Недостаток макро- и микроэлементов можно компенсировать путем увеличения их содержания в пище и питьевой воде, а также за счет приема лекарственных препаратов. Так, йод содержится в морепродуктах и йодированной соли, кальций - в яичной скорлупе и т. п.
Взаимосвязь строения и функций неорганических и органических веществ (белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, АТФ), входящих в состав клетки. Роль химических веществ в клетке и организме человека
Неорганические вещества
Химические элементы клетки образуют различные соединения - неорганические и органические. К неорганическим веществам клетки относятся вода, минеральные соли, кислоты и др., а к органическим - белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды, АТФ, витамины и др..
Вода (Н 2 О) - наиболее распространенное неорганическое вещество клетки, обладающее уникальными физико-химическими свойствами. У нее нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха. Плотность и вязкость всех веществ оценивается по воде. Как и многие другие вещества, вода может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом (лед), жидком и газообразном (пар). Температура плавления воды - 0°С, температура кипения - 100°С, однако растворение в воде других веществ может изменять эти характеристики. Теплоемкость воды также достаточно велика - 4200 кДж/моль·К, что дает ей возможность принимать участие в процессах терморегуляции. В молекуле воды атомы водорода расположены под углом 105°, при этом общие электронные пары оттягиваются более электроотрицательным атомом кислорода. Это обусловливает дипольные свойства молекул воды (один их конец заряжен положительно, а другой - отрицательно) и возможность образования между молекулами воды водородных связей. Сцепление молекул воды лежит в основе явления поверхностного натяжения, капиллярности и свойств воды как универсального растворителя. Вследствие этого все вещества делятся на растворимые в воде (гидрофильные) и нерастворимые в ней (гидрофобные). Благодаря этим уникальным свойствам предопределено то, что вода стала основой жизни на Земле.
Среднее содержание воды в клетках организма неодинаково и может изменяться с возрастом. Так, у полуторамесячного эмбриона человека содержание воды в клетках достигает 97,5 %, у восьмимесячного - 83 %, у новорожденного снижается до 74 %, а у взрослого человека составляет в среднем 66 %. Однако клетки организма различаются содержанием воды. Так, в костях содержится около 20 % воды, в печени - 70 %, а в мозге - 86 %. В целом можно сказать, что концентрация воды в клетках прямо пропорциональна интенсивности обмена веществ .
Минеральные соли могут находиться в растворенном или нерастворенном состояниях. Растворимые соли диссоциируют на ионы - катионы и анионы. Наиболее важными катионами являются ионы калия и натрия, облегчающие перенос веществ через мембрану и участвующие в возникновении и проведении нервного импульса; а также ионы кальция, который принимает участие в процессах сокращения мышечных волокон и свертывании крови; магния, входящего в состав хлорофилла; железа, входящего в состав ряда белков, в том числе гемоглобина. Важнейшими анионами являются фосфат-анион, входящий в состав АТФ и нуклеиновых кислот, и остаток угольной кислоты, смягчающий колебания рН среды. Ионы минеральных солей обеспечивают и проникновение самой воды в клетку, и ее удержание в ней. Если в среде концентрация солей ниже, чем в клетке, то вода проникает в клетку. Также ионы определяют буферные свойства цитоплазмы, т. е. ее способность поддерживать постоянство слабощелочной рН цитоплазмы, несмотря на постоянное образование в клетке кислотных и щелочных продуктов.
Нерастворимые соли (CaCO 3 , Ca 3 (PO 4) 2 и др.) входят в состав костей, зубов, раковин и панцирей одноклеточных и многоклеточных животных.
Кроме того, в организмах могут вырабатываться и другие неорганические соединения, например кислоты и оксиды. Так, обкладочные клетки желудка человека вырабатывают соляную кислоту, которая активирует пищеварительный фермент пепсин, а оксид кремния пропитывает клеточные стенки хвощей и образует панцири диатомовых водорослей. В последние годы исследуется также роль оксида азота (II) в передаче сигналов в клетках и организме.
Органические вещества
Органические соединения составляют в среднем 20-30% массы клетки живого организма. К ним относятся биологические полимеры - белки, нуклеиновые кислоты и углеводы, а также жиры и ряд небольших молекул - гормонов, пигментов, АТФ и многие другие.
В различные типы клеток входит неодинаковое количество органических соединений. В растительных клетках преобладают сложные углеводы - полисахариды, в животных - больше белков и жиров. Тем не менее, каждая из групп органических веществ в любом типе клеток выполняет сходные функции.
Липиды - так называют жиры и жироподобные вещества (липоиды). Относящиеся сюда вещества характеризуются растворимостью в органических растворителях и нерастворимостью (относительной) в воде.
Различают растительные жиры, имеющие при комнатной температуре жидкую консистенцию, и животные - твердую.
Функции липидов:
Структурная - фосфолипиды входят в состав клеточных мембран;
Запасающая - жиры накапливаются в клетках позвоночных животных;
Энергетическая - треть энергии, потребляемой клетками позвоночных животных в состоянии покоя, образуется в результате окисления жиров, которые используются и как источник воды;
Защитная - подкожный жировой слой защищает организм от механических повреждений;
Теплоизоляционная - подкожный жир помогает сохранить тепло;
Электроизоляционная - миелин, выделяемый клетками Шванна, изолирует некоторые нейроны, что во много раз ускоряет передачу нервных импульсов;
Питательная - желчные кислоты и витамин D образуются из стероидов;
Смазывающая - воски покрывают кожу, шерсть, перья животных и предохраняют их от воды; восковым налетом покрыты листья многих растений; воск используется пчелами в строительстве сот;
Гормональная - гормон надпочечников - кортизон и половые гормоны имеют липидную природу, их молекулы не содержат жирных кислот.
При расщеплении 1 г жира выделяется 38,9 кДж энергии.
Углеводы
В состав углеводов входят углерод, водород и кислород. Различают следующие углеводы. При расщеплении 1 г вещества выделяется 17,6 кДж энергии.
Моносахариды , или простые углеводы, которые в зависимости от содержания атомов углерода имеют названия триозы, пентозы, гексозы и т. д. Пентозы - рибоза и дезоксирибоза - входят в состав ДНК и РНК. Гексоза – глюкоза - служит основным источником энергии в клетке.
Полисахариды - полимеры, мономерами которых служат моносахариды гексозы. Наиболее известными из дисахаридов (два мономера) являются сахароза и лактоза. Важнейшими полисахаридами являются крахмал и гликоген, служащие запасными веществами клеток растений и животных, а также целлюлоза - важнейший структурный компонент растительных клеток.
Растения обладают большим разнообразием углеводов, чем животные, так как способны синтезировать их на свету в процессе фотосинтеза. Важнейшие функции углеводов в клетке: энергетическая, структурная и запасающая.
Энергетическая роль состоит в том, что углеводы служат источником энергии в растительных и животных клетках; структурная - клеточная стенка у растений почти полностью состоит из полисахарида целлюлозы; запасающая - крахмал служит запасным продуктом растений. Он накапливается в процессе фотосинтеза в вегетационный период и у ряда растений откладывается в клубнях, луковицах и т. д. В животных клетках эту роль выполняет гликоген, откладывающийся преимущественно в печени.
Белки
Среди органических веществ клетки белки занимают первое место, как по количеству, так и по значению. У животных на них приходится около 50% сухой массы клетки. В организме человека встречается около 5 млн. типов белковых молекул, отличающихся не только друг от друга, но и от белков других организмов. Несмотря на такое разнообразие и сложность строения, белки построены всего из 20 различных аминокислот. Часть белков, входящих в состав клеток органов и тканей, а также аминокислоты, поступившие в организм, но не использованные в синтезе белка, подвергаются распаду с освобождением 17,6 кДж энергии на 1 г вещества.
Белки выполняют в организме много разнообразных функций: строительную (входят в состав различных структурных образований); защитную (специальные белки - антитела - способны связывать и обезвреживать микроорганизмы и чужеродные белки) и др. Кроме этого, белки участвуют в свертывании крови, предотвращая сильные кровотечения, выполняют регуляторную, сигнальную, двигательную, энергетическую, транспортную функции (перенесение некоторых веществ в организме).
Исключительно важное значение имеет каталитическая функция белков. Термин «катализ» означает «развязывание», «освобождение». Вещества, относимые к катализаторам, ускоряют химические превращения, причем состав самих катализаторов после реакции остается таким же, каким был до реакции.
Ферменты
Все ферменты, выполняющие роль катализаторов, - вещества белковой природы, они ускоряют химические реакции, протекающие в клетке, в десятки и сотни тысяч раз. Каталитическую активность фермента обусловливает не вся его молекула, а только небольшой ее участок - активный центр, действие которого очень специфично. В одной молекуле фермента может быть несколько активных центров.
Одни молекулы ферментов могут состоять только из белка (например, пепсин) - однокомпонентные, или простые; другие содержат два компонента: белок (апофермент) и небольшую органическую молекулу - кофермент. Установлено, что в качестве коферментов в клетке функционируют витамины. Если учесть, что ни одна реакция в клетке не может осуществляться без участия ферментов, становится очевидным то важнейшее значение, которое имеют витамины для нормальной жизнедеятельности клетки и всего организма. Отсутствие витаминов снижает активность тех ферментов, в состав которых они входят.
Активность ферментов находится в прямой зависимости от действия целого ряда факторов: температуры, кислотности (pH среды), а также от концентрации молекул субстрата (вещества, на которое они действуют), самих ферментов и коферментов (витаминов и других веществ, входящих в состав коферментов).
Стимулировать или угнетать тот или иной ферментативный процесс может действие различных биологически активных веществ, как-то: гормоны, лекарственные препараты, стимуляторы роста растений, отравляющие вещества и др.
Витамины
Витамины - биологически активные низкомолекулярные органические вещества - участвуют в обмене веществ и преобразовании энергии в большинстве случаев как компоненты ферментов.
Суточная потребность человека в витаминах составляет миллиграммы, и даже микрограммы. Известно более 20 различных витаминов.
Источником витаминов для человека являются продукты питания, в основном растительного происхождения, в некоторых случаях - и животного (витамин D, A). Некоторые витамины синтезируются в организме человека.
Недостаток витаминов вызывает заболевание - гиповитаминоз, полное их отсутствие - авитаминоз, а излишек - гипервитаминоз.
Гормоны
Гормоны - вещества, вырабатываемые железами внутренней секреции и некоторыми нервными клетками - нейрогормонами. Гормоны способны включаться в биохимические реакции, регулируя процессы метаболизма (обмена веществ и энергии).
Характерными особенностями гормонов являются:1)высокая биологическая активность;2)высокая специфичность (гормональные сигналы в «клетки-мишени»);3)дистанционность действия (перенос гормонов кровью на расстояние к клеткам-мишеням);4)относительно небольшое время существования в организме (несколько минут или часов).
Нуклеиновые кислоты
Существует 2 типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая) и РНК (рибонуклеиновая кислота).
АТФ - аденозинтрифосфорная кислота, нуклеотид, состоящий из азотистого основания аденина, углевода рибозы и трех молекул фосфорной кислоты.
Структура неустойчива, под влиянием ферментов переходит в АДФ – аденозиндифосфорную кислоту (отщепляется одна молекула фосфорной кислоты) с выделением 40 кДж энергии. АТФ - единый источник энергии для всех клеточных реакций.
Особенности химического строения нуклеиновых кислот обеспечивают возможность хранения, переноса и передачи по наследству дочерним клеткам информации о структуре белковых молекул, которые синтезируются в каждой ткани на определенном этане индивидуального развития.
Нуклеиновые кислоты обеспечивают устойчивое сохранение наследственной информации и контролируют образование соответствующих им белков-ферментов, а белки-ферменты определяют основные особенности обмена веществ клетки.
Органические соединения составляют в среднем 20-30% массы клетки живого организма. К ним относятся биологические полимеры - белки, нуклеиновые кислоты и углеводы, а также жиры и ряд небольших молекул - гормонов, пигментов, АТФ и многие другие.
В различные типы клеток входит неодинаковое количество органических соединений. В растительных клетках преобладают сложные углеводы - полисахариды, в животных - больше белков и жиров. Тем не менее, каждая из групп органических веществ в любом типе клеток выполняет сходные функции.
Аминокислоты, азотистые основания, липиды, углеводы и т. д. поступают в клетку вместе с пищей или образуются внутри ее из предшественников. Они служат исходными продуктами для синтеза ряда полимеров, необходимых клетке.
Белки, как правило, являются мощными высокоспецифическими ферментами и регулируют обмен веществ клетки.
Нуклеиновые кислоты служат хранителями наследственной информации. Кроме того, нуклеиновые кислоты контролируют образование соответствующих белков-ферментов в нужном количестве и в нужное время.
Липиды
Липиды - так называют жиры и жироподобные вещества (липоиды). Относящиеся сюда вещества характеризуются растворимостью в органических растворителях и нерастворимостью (относительной) в воде.
Различают растительные жиры, имеющие при комнатной температуре жидкую консистенцию, и животные - твердую.
Липиды входят в состав всех плазматических мембран. Они выполняют в клетке энергетическую роль, активно участвуют в процессах метаболизма и размножения клетки.
Углеводы
В состав углеводов входят углерод, водород и кислород. Различают следующие углеводы.
- Моносахариды , или простые углеводы, которые в зависимости от содержания атомов углерода имеют названия триозы, пентозы, гексозы и т. д. Пентозы - рибоза и дезоксирибоза - входят в состав ДНК и РНК. Гексоза – глюкоза - служит основным источником энергии в клетке. Их эмпирическую формулу можно представить в виде Cn (H2O) n.
- Полисахариды - полимеры, мономерами которых служат моносахариды гексозы. Наиболее известными из дисахаридов (два мономера) являются сахароза и лактоза. Важнейшими полисахаридами являются крахмал и гликоген, служащие запасными веществами клеток растений и животных, а также целлюлоза - важнейший структурный компонент растительных клеток.
Растения обладают большим разнообразием углеводов, чем животные, так как способны синтезировать их на свету в процессе фотосинтеза. Важнейшие функции углеводов в клетке: энергетическая, структурная и запасающая.
Энергетическая роль состоит в том, что углеводы служат источником энергии в растительных и животных клетках; структурная - клеточная стенка у растений почти полностью состоит из полисахарида целлюлозы; запасающая - крахмал служит запасным продуктом растений. Он накапливается в процессе фотосинтеза в вегетационный период и у ряда растений откладывается в клубнях, луковицах и т. д. В животных клетках эту роль выполняет гликоген, откладывающийся преимущественно в печени.
Белки
Среди органических веществ клетки белки занимают первое место, как по количеству, так и по значению. У животных на них приходится около 50% сухой массы клетки. В организме человека встречается около 5 млн. типов белковых молекул, отличающихся не только друг от друга, но и от белков других организмов. Несмотря на такое разнообразие и сложность строения, белки построены всего из 20 различных аминокислот.
Более детально остановимся на свойствах белков. Важнейшие из них денатурация и ренатурация.
Денатурация - это утрата белковой молекулой своей структурной организации. Денатурация может быть вызвана изменением температуры, обезвоживанием, облучением рентгеновскими лучами и другими воздействиями. В начале разрушается самая слабая структура - четвертичная, затем - третичная, вторичная и при наиболее жестких условиях — первичная.
Если изменение условий среды не приводит к разрушению первичной структуры молекулы, то при восстановлении нормальных условий среды полностью воссоздается и структура белка. Такой процесс называется ренатурацией. Это свойство белков полностью восстанавливать утраченную структуру широко используется в медицинской и пищевой промышленности для приготовления некоторых медицинских препаратов, например, антибиотиков, для получения пищевых концентратов, сохраняющих длительное время в высушенном виде свои питательные вещества. У некоторых живых организмов обычная частичная обратная денатурация белков связана с их функциями (двигательной, сигнальной, каталитической и др.). Процесс разрушения первичной структуры белка всегда необратим и называется деструкцией.
Химические и физические свойства белков очень разнообразны: гидрофильные, гидрофобные; одни из них под действием факторов легко меняют свою структуру, другие - очень устойчивы. Белки делятся на простые - протеины, состоящие только из остатков аминокислот, и сложные - протеиды, в состав которых, кроме кислотных остатков аминокислот, входят и другие вещества небелковой природы (остатки фосфорной и нуклеиновой кислот, углеводов, липидов и др.).
Белки выполняют в организме много разнообразных функций: строительную (входят в состав различных структурных образований); защитную (специальные белки - антитела - способны связывать и обезвреживать микроорганизмы и чужеродные белки) и др. Кроме этого, белки участвуют в свертывании крови, предотвращая сильные кровотечения, выполняют регуляторную, сигнальную, двигательную, энергетическую, транспортную функции (перенесение некоторых веществ в организме).
Исключительно важное значение имеет каталитическая функция белков. Остановимся на этой функции более подробно. Термин «катализ» означает «развязывание», «освобождение». Вещества, относимые к катализаторам, ускоряют химические превращения, причем состав самих катализаторов после реакции остается таким же, каким был до реакции.
Ферменты
Все ферменты, выполняющие роль катализаторов, - вещества белковой природы, они ускоряют химические реакции, протекающие в клетке, в десятки и сотни тысяч раз. Каталитическую активность фермента обусловливает не вся его молекула, а только небольшой ее участок - активный центр, действие которого очень специфично. В одной молекуле фермента может быть несколько активных центров.
Одни молекулы ферментов могут состоять только из белка (например, пепсин) - однокомпонентные, или простые; другие содержат два компонента: белок (апофермент) и небольшую органическую молекулу - кофермент. Установлено, что в качестве коферментов в клетке функционируют витамины. Если учесть, что ни одна реакция в клетке не может осуществляться без участия ферментов, становится очевидным то важнейшее значение, которое имеют витамины для нормальной жизнедеятельности клетки и всего организма. Отсутствие витаминов снижает активность тех ферментов, в состав которых они входят.
Активность ферментов находится в прямой зависимости от действия целого ряда факторов: температуры, кислотности (pH среды), а также от концентрации молекул субстрата (вещества, на которое они действуют), самих ферментов и коферментов (витаминов и других веществ, входящих в состав коферментов).
Стимулировать или угнетать тот или иной ферментативный процесс может действие различных биологически активных веществ, как-то: гормоны, лекарственные препараты, стимуляторы роста растений, отравляющие вещества и др.
Витамины
Витамины - биологически активные низкомолекулярные органические вещества - участвуют в обмене веществ и преобразовании энергии в большинстве случаев как компоненты ферментов.
Суточная потребность человека в витаминах составляет миллиграммы, и даже микрограммы. Известно более 20 различных витаминов.
Источником витаминов для человека являются продукты питания, в основном растительного происхождения, в некоторых случаях — и животного (витамин D, A). Некоторые витамины синтезируются в организме человека.
Недостаток витаминов вызывает заболевание - гиповитаминоз, полное их отсутствие - авитаминоз, а излишек - гипервитаминоз.
Гормоны
Гормоны - вещества, вырабатываемые железами внутренней секреции и некоторыми нервными клетками - нейрогормонами, Гормоны способны включаться в биохимические реакции, регулируя процессы метаболизма (обмена веществ и энергии).
Характерными особенностями гормонов являются:
- высокая биологическая активность;
- высокая специфичность (гормональные сигналы в «клетки-мишени»);
- дистанционность действия (перенос гормонов кровью на расстояние к клеткам-мишеням);
- относительно небольшое время существования в организме (несколько минут или часов).
Гормоноподобные вещества (нейрогормоны) синтезируются нервными окончаниями. Нервные клетки синтезируют еще нейромедиаторы - вещества, обеспечивающие передачу импульса клеткам. Есть гормоны липоидной природы - стероиды (половые гормоны). Координирует работу системы желез внутренней секреции гипоталамус.
Индивидуальный рост растений регулируется и координируется фитогормонами, действующими как ускорители роста клеток, их деления, (стимулируют деление камбия и др.).
Алкалоиды
У растений и у некоторых других организмов выявлена еще одна группа биологически активных веществ - алкалоиды. Эти органические соединения являются ядовитыми для человека и животных. Некоторые из них оказывают наркотические действие, так как содержат никотин, морфин и др.
Алкалоиды обнаружены приблизительно у 2500 видов покрытосеменных растений, преимущественно из семейств пасленовых, лилейных, маковых, конопляных и других. По мнению ряда ученых, алкалоиды у растений выполняют защитную функцию — приспособления к защите их от поедания животными. Алкалоид колхицин используют в медицине, а также для экспериментального мутагенеза.
Нуклеиновые кислоты
Подобно белкам, нуклеиновые кислоты являются гетерополимерами. Их мономеры нуклеотиды, из которых слагаются молекулы нуклеиновых кислот, резко отличны от аминокислот. Существует 2 типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая) и РНК (рибонуклеиновая кислота).
АТФ - аденозинтрифосфорная кислота, нуклеотид, состоящий из азотистого основания аденина, углевода рибозы и трех молекул фосфорной кислоты.
Структура неустойчива, под влиянием ферментов переходит в АДФ – аденозиндифосфорную кислоту (отщепляется одна молекула фосфорной кислоты) с выделением 40 кДж энергии. АТФ - единый источник энергии для всех клеточных реакций. Ее превращение происходит по такой схеме:
Остановимся более подробно на значении нуклеиновых кислот, которые в клетке выполняют очень важные функции. Особенности химического строения нуклеиновых кислот обеспечивают возможность хранения, переноса и передачи по наследству дочерним клеткам информации о структуре белковых молекул, которые синтезируются в каждой ткани на определенном этане индивидуального развития.
Поскольку большинство свойств в организме обусловлено белками, то понятно, что стабильность нуклеиновых кислот - важнейшее условие жизнедеятельности клеток и целых организмов. Любые изменения строения нуклеиновых кислот влекут за собой изменения структуры клеток или активности физиологических процессов в них, влияя, таким образом, на жизнеспособность. Изучение структуры нуклеиновых кислот, которую впервые установили американский биолог Уотсон и английский физик Крик, имеет исключительно важное значение для понимания наследования признаков у организмов и закономерностей функционирования, как отдельных клеток, так и клеточных систем - тканей и органов.
Исследованиями биохимиков установлено, что и биосинтез белков в живых организмах осуществляется под контролем нуклеиновых кислот.
Таким образом, нуклеиновые кислоты обеспечивают устойчивое сохранение наследственной информации и контролируют образование соответствующих им белков-ферментов, а белки-ферменты определяют основные особенности обмена веществ клетки. Все это очень важно для поддержания химической стабильности организмов, имеет решающее значение для существования жизни на Земле.
Органические соединения составляют в среднем 20-30% массы клетки живого организма. К ним относятся биологические полимеры - белки, нуклеиновые кислоты и углеводы, а также жиры и ряд небольших молекул - гормонов, пигментов, АТФ и многие другие.
В различные типы клеток входит неодинаковое количество органических соединений. В растительных клетках преобладают сложные углеводы - полисахариды, в животных - больше белков и жиров. Тем не менее, каждая из групп органических веществ в любом типе клеток выполняет сходные функции.
Белки, как правило, являются мощными высокоспецифическими ферментами и регулируют обмен веществ клетки.
Нуклеиновые кислоты служат хранителями наследственной информации. Кроме того, нуклеиновые кислоты контролируют образование соответствующих белков-ферментов в нужном количестве и в нужное время.
Липиды . Среди низкомолекулярных органических соединений, входящих в состав живых организмов, важную роль играют липиды, к которым относят жиры, воски и разнообразные жироподобные вещества. Это гидрофобные соединения, нерастворимые в воде. Обычно общее содержание липидов в клетке колеблется в пределах 5–15 % от массы сухого вещества.
Однако в клетках подкожной жировой клетчатки их количество возрастает до 90 %.
Широко распространены в природе нейтральные жиры, которые представляют собой соединения высокомолекулярных жирных кислот и трёхатомного спирта глицерина.
Модель (А) и схема строения (Б) молекулы нейтрального жира
В цитоплазме клеток нейтральные жиры откладываются в виде жировых капель.
Жиры являются источником энергии. При окислении 1 г жира до углекислого газа и воды выделяется 38,9 кДж энергии (при окислении 1 г глюкозы – всего 17 кДж).
Жиры служат источником метаболической воды, из 1 г жира образуется 1,1 г воды. Используя свои жировые запасы, верблюды или впадающие в зимнюю спячку суслики могут обходиться без воды длительное время.
Жиры в основном откладываются в клетках жировой ткани. Эта ткань служит энергетическим депо организма, предохраняет его от потери тепла и выполняет защитную функцию. В полости тела между внутренними органами у позвоночных животных формируются упругие жировые прокладки, которые защищают органы от повреждений, а подкожная жировая клетчатка создаёт теплоизоляционный слой.
Воски – пластичные вещества, обладающие водоотталкивающими свойствами. У насекомых они служат материалом для постройки сот. Восковой налёт на поверхности листьев, стеблей, плодов защищает растения от механических повреждений, ультрафиолетового излучения и играет важную роль в регуляции водного баланса.
Не менее важное значение в организме имеют жироподобные вещества.
Представители этой группы – фосфолипиды – формируют основу всех биологических мембран. По своей структуре фосфолипиды сходны с жирами, но в их молекуле один или два остатка жирных кислот замещены остатком фосфорной кислоты.
Важную роль в жизнедеятельности всех живых организмов, особенно животных, играет жироподобное вещество – холестерин . В корковом слое надпочечников, в половых железах и в плаценте из него образуются стероидные гормоны (кортикостероиды и половые гормоны). В клетках печени из холестерина синтезируются желчные кислоты, необходимые для нормального переваривания жиров.
К жироподобным веществам относят также жирорастворимые витамины А, D, E, K, обладающие высокой биологической активностью.
Углеводами называют вещества с общей формулой Сn (H2 O) m. Углеводы - одна из основных групп органических веществ клеток. Они представляют собой первичные продукты фотосинтеза и исходные продукты биосинтеза других органических веществ в растениях (органические кислоты, спирты, аминокислоты и др.), а также входят в состав клеток всех других организмов. В животной клетке содержится I-2% углеводов, в растительных в некоторых случаях - 85-90%.
Выделяют три группы углеводов:
- моносахариды, или простые сахара;
- олигосахариды- соединения, состоящие из 2-10 последовательно соединенных молекул простых Сахаров;
- полисахариды, состоящие более чем из 10 молекул простых Сахаров или их производных.
Моносахариды , это соединения, в основе которых лежит неразветвленная углеродная цепочка, в которой при одном из атомов углерода находится карбонильная группа (С=0), а при всех остальных - по одной гидроксильной группе. В зависимости от длины углеродного скелета (количества атомов углерода) моносахариды разделяют на триозы (С3), гетрозы (С4), пентозы (С5), гексозы (С6), гептозы (С7). Примерами пентоз являются рибоза, дезоксирибоза, гексоз-глюкоза, фруктоза, галактоза.
Моносахариды хорошо растворяются в воде, они сладкие на вкус. В водном растворе моносахариды, начиная с пентоз, приобретают кольцевую форму.
Олигосахариды. При гидролизе олигосахариды образуют несколько молекул простых Сахаров. В олигосахаридах молекулы простых Сахаров соединены так называемыми гликозидными связями, соединяющими атом углерода одной молекулы через кислород с атомом углерода другой молекулы, например:
К наиболее важным олигосахаридам относятся мальтоза (солодовый сахар), лактоза (молочный сахар) и сахароза (тростниковый или свекловичный сахар):
глюкоза + глюкоза = мальтоза;
глюкоза + галактоза - лактоза;
глюкоза + фруктоза = саxароза.
Эти сахара называют также дисахаридами .
Полисахариды . Это высокомолекулярные (до 10 000 000 Да) биополимеры, состоящие из большого числа мономеров - простых Сахаров и их производных.
Полисахариды могут состоять из моносахаридов одного или разных типов. В первом случае они называются гомополисаха-риды (крахмал, целлюлоза, хитин и др.), во втором - гетеро-полисахариды (гепарин).
Полисахариды могут иметь линейную, неразветвленную структуру (целлюлоза) либо разветвленную (гликоген). Все полисахариды не растворимы в воде и не имеют сладкого вкуса. Некоторые из них способны набухать и ослизняться.
Наиболее важными полисахаридами являются:
- Целлюлоза - линейный полисахарид, состоящий из нескольких прямых параллельных цепей, соединенных между собой водородными связями.
- Крахмал (у растений) и гликоген (у животных, человека и грибов) являются основными запасными полисахаридами по ряду причин: будучи нерастворимыми в воде, они не оказывают на клетку ни осмотического, ни химического влияния, что важно при длительном нахождении их в живой клетке.
- Хитин образован молекулами pVD-глюкозы, в которой гидроксильная группа при втором атоме углерода замещена азотсодержащей группой NHCOCH3. Его длинные параллельные цепи так же, как и цепи целлюлозы, собраны в пучки. Хитин - основной структурный элемент покровов членистоногих и клеточных стенок грибов.
Функции углеводов:
Энергетическая . Глюкоза - основной источник энергии, высвобождаемой в клетках живых организмов в ходе клеточного дыхания. Крахмал и гликоген составляют энергетический запас в клетках.
Структурная . Целлюлоза входит в состав клеточных оболочек растений; хитин служит структурным компонентом покровов членистоногих и клеточных стенок многих грибов. Некоторые олигосахариды - составная часть цитоплазматической мембраны клетки (в виде гликопротеинов и гликолипи-дов), образующая гликокаликс. Пентозы участвуют в синтезе нуклеиновых кислот (рибоза входит в состав РНК, дезоксирибоза - в состав ДНК), некоторых коферментов (например, НАД, НАДФ, кофермента А, ФАД), АМФ; принимают участие в фотосинтезе (рибулозо-дифосфат является акцептором С02 в темновой фазе фотосинтеза).
Защитная. У животных гепарин препятствует свертыванию крови, у растений камеди и слизи, образующиеся при повреждении тканей, выполняют защитную функцию.
Животных, грибов и бактерий
| Признак | Бактерии | Животные | Грибы | Растения |
| Способ питания | Гетеротрофный или автотрофный | Гетеротрофный | Гетеротрофный | Автотрофный |
| Организация наследственной информации | Прокариоты | Эукариоты | Эукариоты | Эукариоты |
| Локализация ДНК | Нуклеоид, плаз- миды | Ядро, митохондрии | Ядро, митохондрии | Ядро, митохондрии, пластиды |
| Плазматическая мембрана | Есть | Есть | Есть | Есть |
| Клеточная стенка | Муреиновая | - | Хитиновая | Целлюлозная |
| Цитоплазма | Есть | Есть | Есть | Есть |
| Органоиды | Рибосомы | Мембранные и немембранные, в том числе клеточный центр | Мембранные и немембранные | Мембранные и немембранные, в том числе пластиды |
| Органоиды движения | Жгутики и ворсинки | Жгутики и реснички | Жгутики и реснички | Жгутики и реснички |
| Вакуоли | Редко | Сократительные, пищеварительные | Иногда | Центральная вакуоль с клеточным соком |
| Включения | Волютин | Гликоген | Гликоген | Крахмал |
Отличия в строении клеток представителей разных царств живой природы приведены на рис. 2.3.
Рис. 2.3. Строение клеток бактерий (А), животных (Б), грибов (В) и растений (Г)
2.3. Химическая организация клетки. Взаимосвязь строения и функций неорганических и органических веществ (белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, АТФ), входящих в состав клетки. Обоснование родства организмов на основе анализа химического состава их клеток.
Химический состав клетки.
В составе живых организмов обнаружено большинство химических элементов Периодической системы элементов Д. И. Менделеева, открытых к настоящему времени. С одной стороны, в них не содержится ни одного элемента, которого не было бы в неживой природе, а с другой стороны, их концентрации в телах неживой природы и живых организмах существенно различаются (табл. 2.2).
Эти химические элементы образуют неорганические и органические вещества. Несмотря на то что в живых организмах преобладают неорганические вещества (рис. 2.4), именно органические вещества определяют уникальность их химического состава и феномена жизни в целом, поскольку они синтезируются преимущественно организмами в процессе жизнедеятельности и играют в реакциях важнейшую роль.
Изучением химического состава организмов и химических реакций, протекающих в них, занимается наука биохимия.
Следует отметить, что содержание химических веществ в различных клетках и тканях может существенно различаться. Например, если в животных клетках среди органических соединений преобладают белки, то в клетках растений - углеводы.
Таблица 2.2
Содержание некоторых химических элементов в неживой природе и живых организмах , %
| Химический элемент | Земная кора | Морская вода | Живые организмы |
| О | 49,2 | 85,8 | 65-75 |
| С | 0,4 | 0,0035 | 15-18 |
| Н | 1,0 | 10,67 | 8-10 |
| N | 0,04 | 0,37 | 1,5-3,0 |
| Р | 0,1 | 0,003 | 0,20-1,0 |
| S | 0,15 | 0,09 | 0,15-0,2 |
| К | 2,35 | 0,04 | 0,15-0,4 |
| Са | 3,25 | 0,05 | 0,04-2,0 |
| С1 | 0,2 | 0,06 | 0,05-0,1 |
| Mg | 2,35 | 0,14 | 0,02-0,03 |
| Na | 2,4 | 1.14 | 0,02-0,03 |
| Fe | 4,2 | 0,00015 | 0,01-0,015 |
| Zn | | 0,00015 | 0,0003 |
| Сu | | | 0,0002 |
| I | | 0,000015 | 0,0001 |
| F | 0,1 | 2,07 | 0,0001 |
Макро- и микроэлементы
В живых организмах встречается около 80 химических элементов, однако только для 27 из этих элементов установлены их функции в клетке и организме. Остальные элементы присутствуют в незначительных количествах, и, по-видимому, попадают в организм с пищей, водой и воздухом. Содержание химических элементов в организме существенно различается (см. табл. 2.2). В зависимости от концентрации их делят на макроэлементы и микроэлементы.
Концентрация каждого из макроэлементов в организме превышает 0,01 %, а их суммарное содержание - 99 %. К макроэлементам относят кислород, углерод, водород, азот, фосфор, серу, калий, кальций, натрий, хлор, магний и железо. Первые четыре из перечисленных элементов (кислород, углерод, водород и азот) называют также органогенными, поскольку они входят в состав основных органических соединений. Фосфор и сера также являются компонентами ряда органических веществ, например белков и нуклеиновых кислот. Фосфор необходим для формирования костей и зубов.
Без оставшихся макроэлементов невозможно нормальное функционирование организма. Так, калий, натрий и хлор участвуют в процессах возбуждения клеток. Калий также необходим для работы многих ферментов и удержания воды в клетке. Кальций входит в состав клеточных стенок растений, костей, зубов и раковин моллюсков и требуется для сокращения мышечных клеток, а также для внутриклеточного движения. Магний является компонентом хлорофилла - пигмента, обеспечивающего протекание фотосинтеза. Он также принимает участие в биосинтезе белка. Железо, помимо того, что оно входит в состав гемоглобина , переносящего кислород в крови, необходимо для протекания процессов дыхания и фотосинтеза, а также для функционирования многих ферментов.
Микроэлементы содержатся в организме в концентрациях менее 0,01 %, а их суммарная концентрация в клетке не достигает и 0,1%. К микроэлементам относятся цинк, медь, марганец, кобальт, йод, фтор и др. Цинк входит в состав молекулы гормона поджелудочной железы - инсулина, медь требуется для процессов фотосинтеза и дыхания. Кобальт является компонентом витамина В 12 , отсутствие которого приводит к анемии. Йод необходим для синтеза гормонов щитовидной железы, обеспечивающих нормальное протекание обмена веществ, а фтор связан с формированием эмали зубов.
Как недостаток, так и избыток или нарушение обмена макро- и микроэлементов приводят к развитию различных заболеваний. В частности, недостаток кальция и фосфора вызывает рахит, нехватка азота - тяжелую белковую недостаточность , дефицит железа - анемию, а отсутствие йода - нарушение образования гормонов щитовидной железы и снижение интенсивности обмена веществ. Уменьшение поступления фтора с водой и пищей в значительной степени обусловливает нарушение обновления эмали зубов и, как следствие, предрасположенность к кариесу. Свинец токсичен почти для всех организмов. Его избыток вызывает необратимые повреждения головного мозга и центральной нервной системы, что проявляется потерей зрения и слуха, бессонницей, почечной недостаточностью, судорогами, а также может привести к параличу и такому заболеванию, как рак. Острое отравление свинцом сопровождается внезапными галлюцинациями и заканчивается комой и смертью.
Рис. 2.4. Содержание химических веществ в клетке
Недостаток макро- и микроэлементов можно компенсировать путем увеличения их содержания в пище и питьевой воде, а также за счет приема лекарственных препаратов. Так, йод содержится в морепродуктах и йодированной соли, кальций - в яичной скорлупе и т. п.
2.3.1. Неорганические вещества клетки.
Химические элементы клетки образуют различные соединения - неорганические и органические. К неорганическим веществам клетки относятся вода, минеральные соли, кислоты и др., а к органическим - белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды, АТФ, витамины и др. (рис. 2.4).
Вода (Н 2 0) - наиболее распространенное неорганическое вещество клетки, обладающее уникальными физико-химическими свойствами. У нее нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха. Плотность и вязкость всех веществ оценивается по воде. Как и многие другие вещества , вода может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом (лед), жидком и газообразном (пар). Температура плавления воды - 0°С, температура кипения - 100 °С, однако растворение в воде других веществ может изменять эти характеристики. Теплоемкость воды также достаточно велика - 4200 кДж/моль. К, что дает ей возможность принимать участие в процессах терморегуляции. В молекуле воды атомы водорода расположены под углом 105°, при этом общие электронные пары оттягиваются более электроотрицательным атомом кислорода. Это обусловливает дипольные свойства молекул воды (один их конец заряжен положительно, а другой - отрицательно) и возможность образования между молекулами воды водородных связей (рис. 2.5). Сцепление молекул воды лежит в основе явления поверхностного натяжения, капиллярности и свойств воды как универсального растворителя. Вследствие этого все вещества делятся на растворимые в воде (гидрофильные) и нерастворимые в ней (гидрофобные). Благодаря этим уникальным свойствам предопределено то, что вода стала основой жизни на Земле.
Среднее содержание воды в клетках организма неодинаково и может изменяться с возрастом. Так, у полуторамесячного эмбриона человека содержание воды в клетках достигает 97,5%, у восьмимесячного - 83 %, у новорожденного снижается до 74 %, а у взрослого человека составляет в среднем 66 %. Однако клетки организма различаются содержанием воды. Так, в костях содержится около 20% воды, в печени - 70%, а в мозге - 86%. В целом можно сказать, что концентрация воды в клетках прямо пропорциональна интенсивности обмена веществ.
Минеральные соли могут находиться в растворенном или нерастворенном состояниях. Растворимые соли диссоциируют на ионы - катионы и анионы. Наиболее важными катионами являются ионы калия и натрия, облегчающие перенос веществ через мембрану и участвующие в возникновении и проведении нервного импульса; а также ионы кальция, который принимает участие в процессах сокращения мышечных волокон и свертывании крови; магния, входящего в состав хлорофилла ; железа, входящего в состав ряда белков, в том числе гемоглобина. Важнейшими анионами являются фосфат-анион, входящий в состав АТФ и нуклеиновых кислот, и остаток угольной кислоты, смягчающий колебания рН среды. Ионы минеральных солей обеспечивают и проникновение самой воды в клетку, и ее удержание в ней. Если в среде концентрация солей ниже, чем в клетке, то вода проникает в клетку. Также ионы определяют буферные свойства цитоплазмы, т. е. ее способность поддерживать постоянство слабощелочной рН цитоплазмы, несмотря на постоянное образование в клетке кислотных и щелочных продуктов.
Нерастворимые соли (СаС0 3 , Са 3 (Р0 4) 2 и др.) входят в состав костей , зубов, раковин и панцирей одноклеточных и многоклеточных животных.
Кроме того, в организмах могут вырабатываться и другие неорганические соединения, например кислоты и оксиды. Так, обкладочные клетки желудка человека вырабатывают соляную кислоту, которая активирует пищеварительный фермент пепсин, а оксид кремния пропитывает клеточные стенки хвощей и образует панцири диатомовых водорослей. В последние годы исследуется также роль оксида азота (II) в передаче сигналов в клетках и организме.