Презентация - "Презентация "Химический состав клетки""

Химические элементы клетки

К макроэлементам относят элементы, содержание которых превышает 0,001 % от массы тела. 98 % массы любого организма составляют органогены: кислород, углерод, водород и азот.
Кислород (до 75 %) входит в состав воды, органических и минеральных веществ клетки. 
Углерод (около 15 %) является обязательной составной частью всех органических молекул.
Водород (8 %) содержится в воде и в органических веществах. 
Азот (около 3 %) входит в состав белков, нуклеиновых кислот, АТФ.
 
Приблизительно 2 % от массы клетки приходится ещё на восемь макроэлементов. Это магний (Mg), натрий (Na), кальций (Ca), железо (Fe), калий (K), фосфор (P), хлор (Cl), сера (S).

 
К микроэлементам относятся те элементы, на долю которых приходится от 0,000001 % до 0,001 %: бор (B), никель (Ni), кобальт (Co), медь (Cu), молибден (Mo), цинк (Zn) и др.

 
Третья группа — ультрамикроэлементы, содержание которых не превышает 0,000001 %: уран (U), радий (Ra), золото (Au), ртуть (Hg), свинец (Pb), цезий (Cs), селен (Se) и др.
 

Химические вещества клетки
В клетках находятся низкомолекулярные соединения: аминокислоты, моносахариды, нуклеотиды, витамины, а также 

высокомолекулярные (полимеры): белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты. 
 

Молекулы этих веществ (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся звеньев. Белки, полисахариды и нуклеиновые кислоты содержатся во всех живых клетках и выполняют важнейшие функции, обеспечивающие жизнедеятельность клетки. Поэтому их называют биополимерами.

Простые вещества, из которых образуются макромолекулы, называются мономерами.

Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды,

белков — аминокислоты,

а макромолекулы полисахаридов состоят из остатков глюкозы.

Молекулы этих веществ (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся звеньев. Белки, полисахариды и нуклеиновые кислоты содержатся во всех живых клетках и выполняют важнейшие функции, обеспечивающие жизнедеятельность клетки. Поэтому их называют биополимерами.

Простые вещества, из которых образуются макромолекулы, называются мономерами.

Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды,

белков — аминокислоты,

а макромолекулы полисахаридов состоят из остатков глюкозы.

Вода и её роль в жизнедеятельности клетки 

Свойства воды
Вода — полярный растворитель, в ней растворяются другие полярные вещества. Такие вещества называют гидрофильными. К этой группе относятся многие соли, моно- и дисахариды, аминокислоты, минеральные кислоты. В растворённом состоянии молекулы или ионы веществ могут свободно двигаться, и они легче вступают в химические реакции.

Вещества, нерастворимые в воде, называются гидрофобными. К ним относятся жиры, многие белки и нуклеиновые кислоты. Гидрофобность некоторых веществ имеет важное значение для живых организмов (например, из таких веществ формируются клеточные мембраны)

Важное свойство воды — способность растворять газообразные вещества (O2, CO2 и др.).

У воды высокая теплоёмкость, т. е. способностью поглощать много тепла при незначительном возрастании собственной температуры. Высокая теплоёмкость сглаживает температурные колебания и защищает организмы от быстрого и сильного охлаждения или нагревания.

Вода имеет высокую теплоту парообразования, для её испарения необходима довольно большая энергия. Использование значительного количества энергии на разрыв водородных связей при испарении воды способствует её охлаждению. Это свойство воды предохраняет организмы от перегрева. Примеры: испарение воды листьями растений и выделение пота у животных.

У воды также высокая теплопроводность, которая обеспечивает быстрое распределение тепла по всему организму.
 
Вода не сжимается. Она создаёт тургорное давление и поддерживается упругость тканей и органов. У некоторых беспозвоночных (например, у круглых червей) полостная жидкость выполняет функцию гидростатического скелета.

У воды высокое поверхностное натяжение. Поэтому кровь движется по капиллярам у животных и поднимается по сосудам в растениях.

Функции воды

1. Вода является универсальным растворителем. Благодаря разной растворимости веществ в воде формируются плазматические мембраны.
 
2. Вода выполняет в живых организмах транспортную функцию. Вещества поступают в клетки и организмы, а также переносятся внутри них в виде водных растворов.
  
3. Вода участвует в биохимических реакциях, протекающих в клетке (гидролиз веществ), является источником кислорода и водорода при фотолизе в световую фазу фотосинтеза.
  
4. Вода играет важную роль в осуществлении теплорегуляции.
 
5. Вода является составной частью слизей, образующихся в органах дыхания и пищеварения, а также секретов некоторых желез и органов: пищеварительных соков, желчи, слюны, пота, слёз и т. д.

Минеральные вещества и их роль в клетке 

Ионы кальция участвуют в регуляции мышечных сокращений, необходимы для процесса свёртывания крови. Твёрдые соли кальция входят в состав костной ткани, содержатся в раковинах моллюсков и панцирях ракообразных.
 
Ионы магния входят в состав хлорофилла, а ионы железа — в состав гемоглобина.
 
Катионы многих металлов (магния, кальция, железа, меди, кобальта, цинка, марганца и др.) необходимы для синтеза некоторых ферментов, гормонов и витаминов.
 
Анионы фосфорной и угольной кислот образуют буферные системы, поддерживающие на постоянном уровне содержание ионов водорода в клетке (рН среды). Анионы HPO2−4 и H2PO−4 (фосфатная буферная система) обеспечивают рН цитоплазмы клеток в пределах 6,9–7,4. Анионы HCO−3 и CO2−3 (бикарбонатная буферная система) поддерживают значение рН плазмы крови 7,4.
 
Минеральные соли, содержащие азот и фосфор, нужны для образования белков, ДНК, РНК, АТФ и др.
 
Фосфаты входят в состав костной и зубной ткани. Хлорид-ионы необходимы для образования соляной кислоты, содержащейся в желудочном соке, а сульфат ионы — для синтеза некоторых аминокислот.
 
Недостаток минеральных солей приводит к нарушению процессов обмена веществ и негативно сказывается на жизнедеятельности клетки

Состав, свойства и функции углеводов

Глюкоза является главным источником энергии в клетках всех живых организмов.
  
Фруктоза содержится в мёде, ягодах и фруктах.
 
Рибоза входит в состав важных химических соединений — РНК, АТФ, некоторых ферментов.
 
Дезоксирибоза — компонент молекул ДНК.
 
Все моносахариды — это сладкие на вкус кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде.

Олигосахариды содержат в молекулах от двух до десяти остатков моносахаридов. Молекулы дисахаридов образуются в результате соединения двух молекул моносахаридов. По свойствам они похожи на моносахариды: хорошо растворяются в воде, сладкие на вкус.
 
Сахароза состоит из остатков глюкозы и фруктозы. В растениях это вещество является растворимым запасным углеводом, а также продуктом фотосинтеза, который транспортируется от листьев к другим органам. Знакома всем как сахар (свекловичный или тростниковый).
 
Лактоза (молочный сахар) образована молекулами глюкозы и галактозы. Содержится в молоке.
 
Мальтоза (солодовый сахар) состоит из глюкозы. Образуется из крахмала при прорастании семян, является источником энергии для процесса прорастания.

Молекулы полисахаридов состоят из большого числа остатков моносахаридов. Эти вещества не имеют вкуса и не растворяются в воде.

Крахмал — запасной углевод растений. Его молекулы образованы остатками глюкозы, соединёнными в линейные или разветвлённые цепи.
 
Целлюлоза входит в состав клеточных стенок грибов и растений и придаёт им прочность. Молекулы целлюлозы тоже образованы остатками глюкозы, но они намного длиннее молекул крахмала. Целлюлоза не растворяется в воде и других растворителях.
 
Гликоген похож по строению на крахмал. Это запасной углевод у животных.
 
Хитин похож по строению на целлюлозу, но отличается наличием в его молекулах атомов азота.

Функции углеводов

1. Энергетическая функция углеводов заключается в том, что под влиянием ферментов происходит их расщепление и окисление с выделением энергии. Важно, что углеводы могут расщепляться как в присутствии кислорода, так и без него. Продуктами полного окисления этих веществ являются углекислый газ и вода.

2. Запасающая функция проявляется в накоплении излишков углеводов в клетках: у растений — крахмала, у животных и грибов — гликогена. При необходимости запасные углеводы расщепляются до глюкозы и используются клеткой для получения энергии. 
 
3. Строительная функция заключается в том, что углеводы служат строительным материалом: целлюлоза входит в состав клеточных стенок растений, а хитин образует клеточные стенки грибов и кутикулу членистоногих. Эти же углеводы выполняют защитную функцию. 

4. Сигнальная (рецепторная) функция состоит в том, что гликопротеины (комплексные соединения углеводов и белков), расположенные на поверхности клетки, воспринимают и передают в клетку сигналы из внешней среды

Состав липидов

Липиды — это нерастворимые в воде, жироподобные органические вещества. Как и углеводы, липиды образованы атомами трёх элементов: углерода, водорода и кислорода.
 
Липиды имеют разное строение. Выделяют следующие группы этих веществ:
жиры (сложные эфиры глицерина и жирных кислот);
фосфолипиды (сложные эфиры глицерина, жирных кислот и фосфорной кислоты);
воски (сложные эфиры высших спиртов и жирных кислот);
стероиды (не содержат карбоновых кислот).

Функции липидов

1. Энергетическая функция — одна из важнейших функций жиров. Окисление жиров сопровождается выделением большого количества энергии (энергетический эффект в два раза больше, чем для углеводов и белков).
 
2. Фосфолипиды выполняют структурную функцию — они образуют все плазматические мембраны в клетке.
 
3. Запасающую функцию в живых организмах выполняют жиры. Они откладываются про запас в семенах и плодах растений, в жировой клетчатке животных.
 
3. Жиры могут служить источником воды, так как при окислении 1 г жира образуется более 1 г воды. Поэтому некоторые животные могут долгое время выдерживать без воды (верблюды в пустыне — до двух недель, а медведи зимой — более двух месяцев).
 
4. Защитная функция проявляется в том, что запасы жира защищают внутренние органы от травм.
  
5. Подкожный жир сохраняет тепло и выполняет теплоизоляционную функцию.
 
6. Миелин, покрывающий отростки нервных клеток, изолирует их, ускоряя передачу нервных импульсов (электроизоляционная функция).
 
7. Некоторые гормоны (кортизон, альдостерон, тестостерон, прогестерон) имеют стероидную природу и выполняют регуляторную функцию.
  
8. Воски выполняют смазывающую функцию. Они покрывают листья и плоды многих растений, кожу, шерсть, перья животных и защищают их от намокания. Пчёлы используют воск как строительный материал для сот.

Белки: строение, свойства, функции 

Порядок соединения аминокислот в макромолекуле белка называют первичной структурой. Для каждого типа белка эта структура уникальна. Она определяет структуры высших уровней, свойства белка и его функции.
 
Полипептидная цепь сворачивается в спираль за счёт образования водородных связей между группировками атомов −NH и −CO, расположенными на разных участках макромолекулы. Эту спираль называют вторичной структурой белка.
  
Третичная структура белка возникает при взаимодействии радикалов аминокислот, а также за счёт дисульфидных мостиков, водородных и ионных связей. Молекула белка принимает форму глобулы (шарика).
 
У некоторых белков формируется четвертичная структура. Она представляет собой комплекс нескольких макромолекул, имеющих третичную структуру. Четвертичную структуру удерживают непрочные ионные и водородные связи, а также гидрофобные взаимодействия. 
 

Белки могут соединяться с углеводами, жирами и нуклеиновыми кислотами с образованием комплексных соединений: гликопротеинов, липопротеинов, нуклеопротеинов.
 
Под действием внешних факторов: облучения, нагревания, некоторых химических веществ и др. — происходит нарушение пространственной структуры белковых молекул. Этот процесс называется денатурацией.

Сначала происходит разрушение четвертичной структуры, потом третичной и вторичной. Первичная структура при денатурации сохраняется, но белок утрачивает свои свойства и функции.

Денатурация в некоторых случаях обратима. Обратный процесс называется ренатурацией.

Функции белков

1. Важнейшей функцией белков является каталитическая, или ферментативная. Белки-ферменты участвуют во всех биохимических реакциях, протекающих в клетке, и повышают скорость этих реакций во много раз. Для каждой реакции существует особый фермент.
  
2. Белки выполняют структурную (строительную) функцию. Они входят в состав плазматических мембран, образуют соединительные ткани (эластин и коллаген), волосы и ногти (кератин).
 

3. Сигнальную функцию также осуществляют белки, встроенные в мембрану. Под действием внешних факторов эти белки изменяют третичную структуру, что отражается на функционировании клетки. 
  
4. Транспортная функция белков проявляется в переносе ионов через клеточные мембраны, транспорте гемоглобином крови кислорода и углекислого газа, альбуминами плазмы — жирных кислот и т. д.
 
5. Двигательную функцию обеспечивают белки актин и миозин, способные сокращаться и растягиваться. Они приводят в движение реснички и жгутики одноклеточных организмов, сокращают мышцы у животных.
 

6. Защитная функция обеспечивается антителами иммунной системы организма, белками системы свёртывании крови (фибриногеном, протромбином и др.).
 
7. Регуляторную функцию выполняют белки-гормоны (инсулин, тиреотропин, соматотропин, глюкагон и др.).
 
8. Энергетическую функцию белки выполняют после израсходования запасов углеводов и жиров. При полном расщеплении 1 г белка до конечных продуктов выделяется 17,6 кДж энергии. 

Нуклеиновые кислоты: строение, функции

 РНК состоят из одной полинуклеотидной цепи, а молекулы ДНК — из двух

Репликация — удвоение (копирование) молекулы ДНК

1. Фрагмент цепи иРНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ЦУАЦААГГЦУАУ. Определите последовательность нуклеотидов на ДНК, антикодоны соответствующих тРНК и аминокислотную последовательность соответствующего фрагмента молекулы белка, используя таблицу генетического кода.
Генетический код (иРНК)

2. Антикодоны тРНК поступают к рибосомам в следующей последовательности нуклеотидов УЦГ, ЦГА, ААУ, ЦЦЦ. Определите последовательность нуклеотидов на иРНК, последовательность нуклеотидов на ДНК, кодирующих определенный белок и последовательность аминокислот во фрагменте молекулы синтезируемого белка, используя таблицу генетического кода:

3. Фрагмент начала гена имеет следующую последовательность нуклеотидов (верхняя цепь — смысловая, нижняя — транскрибируемая):
5’ − ТААТГАЦЦГЦАТАТАТЦЦАТ −3’
3’ − АТТАЦТГГЦГТАТАТАГГТА −5’
 
Ген содержит информативную и неинформативную части для трансляции. Информативная часть гена начинается с триплета, кодирующего аминокислоту Мет. С какого нуклеотида начинается информативная часть гена? Определите последовательность аминокислот во фрагменте полипептидной цепи. Ответ поясните. Для выполнения задания используйте таблицу генетического кода.

4. Фрагмент начала гена имеет следующую последовательность нуклеотидов (верхняя цепь — смысловая, нижняя — транскрибируемая):
5’ − АЦАТГГГАТЦЦТАТАТЦГЦГ − 3’
3’ − ТГТАЦЦЦТАГГАТАТАГЦГЦ − 5’
 
Ген содержит информативную и неинформативную части для трансляции. Информативная часть гена начинается с триплета, кодирующего аминокислоту Мет. С какого нуклеотида начинается информативная часть гена? Определите последовательность аминокислот во фрагменте полипептидной цепи. Ответ поясните. Для выполнения задания используйте таблицу генетического кода.

5. Молекулы тРНК, несущие соответствующие антикодоны, входят в рибосому в следующем порядке: ГУА, УАЦ, УГЦ, ГЦА.
Определите последовательность нуклеотидов смысловой и транскрибируемой цепей ДНК, иРНК и аминокислот в молекуле синтезируемого фрагмента белка. Ответ поясните. Для решения задания используйте таблицу генетического кода. При выполнении задания учитывайте, что антикодоны тРНК антипараллельны кодонам иРНК.

Особое строение нуклеиновых кислот встречается у вирусов — у них бывают одноцепочечные ДНК и двухцепочечные РНК.

В клетках присутствует три вида молекул РНК:
информационные, или матричные (иРНК, или мРНК),
рибосомные (рРНК)
транспортные (тРНК).
Каждый вид РНК выполняет свою функцию в процессе синтеза белка.

Двойная молекула ДНК закручивается в виде спирали. Один виток спирали состоит из 10 нуклеотидов и имеет длину 0,34 нм.

АТФ и другие органические соединения клетки

Аденозинтрифосфорная кислота — АТФ

Это вещество — своеобразный аккумулятор, без которого невозможно существование клетки.
  
АТФ находится в цитоплазме, в ядре, в двухмембранных органоидах (пластидах и митохондриях). Это основной и универсальный источник энергии, используемый клеткой для осуществления всех жизненных процессов. Благодаря расщеплению АТФ клетки могут осуществлять активный транспорт, синтезировать необходимые вещества, делиться и т. д. 
  
Количество АТФ определяется выполняемыми функциями — обычно в клетке содержится приблизительно 0,05 % АТФ от её массы. Но в активно функционирующих клетках (например, в мышцах) может быть и до 0,5 %.

Строение АТФ
АТФ — это нуклеотид, состоящий из аденина, рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты. Остатки фосфорной кислоты в молекуле АТФ соединены друг с другом высокоэнергетическими (макроэргическими) связями. При разрыве такой связи выделяется почти в 4 раза больше энергии, чем при разрыве других связей. Обычно макроэргические связи обозначают символом ∼.

При гидролизе молекулы АТФ происходит отделение одного остатка фосфорной кислоты и образуется аденозиндифосфат (АДФ). При этом высвобождается 40 кДж/моль энергии.

Молекулы тРНК, несущие соответствующие антикодоны, входят в рибосому в следующем порядке: ГУА, УАЦ, УГЦ, ГЦА. Определите последовательность нуклеотидов смысловой и транскрибируемой цепей ДНК, иРНК и аминокислот в молекуле синтезируемого фрагмента белка. Ответ поясните. Для решения задания используйте таблицу генетического кода. При выполнении задания учитывайте, что антикодоны тРНК антипараллельны кодонам иРНК.

Другие производные нуклеотидов

Важную роль в процессах обмена веществ играют производные нуклеотидов, которые являются переносчиками водорода в разных биохимических процессах (например, в фотосинтезе и клеточном дыхании). Одним из таких веществ служит никотинамиддинуклеотидфосфат (НАДФ).



В световую фазу фотосинтеза молекула НАДФ присоединяет водород и переходит в восстановленную форму НАДФ⋅H2, служащую источником атомов водорода в реакциях темновой фазы.

Витамины

Витамины — сложные органические соединения, которые в незначительных количествах требуются живым организмам для нормального протекания биохимических процессов. В отличии от других органических соединений витамины не являются источником энергии.
 
Большинство витаминов поступает с пищей, но некоторые могут синтезироваться и в самом организме. 

Витамины обычно называют буквами латинского алфавита. Их делят на две группы: водорастворимые (B1, B2, B5, B6, B12, PP, C) и жирорастворимые (A, D, E, K).

Витамины принимают участие в обмене веществ преимущественно как составная часть сложных ферментов. Их отсутствие или недостаток приводит к тяжёлым нарушениям жизнедеятельности организма.