Функции белков

Задание № 1

Задание № 1

Вопросы самоконтроля

1.Перечислите основные методы биологических исследований.

2.Назовите уровни организации начиная с низшего молекулярного

3.Расшифруйте сущность основных свойств живой материи

Тема 2. Химический состав клетки: неорганические вещества

1.Прочитайте ниже изложенный учебный материал.

2.Проанализируйте таблицы из приложения

3.Ответьте на вопросы самоконтроля.

В живых организмах обнаружено около 80 химических элементов. Но достоверно известно о функциях в организмах лишь в отношении 27 из них. В состав живых организмов входят атомы тех же элементов, что и в состав неживой природы, но их содержание иное.

По количественному содержанию в живом веществе элементы делятся на три группы.

1. Макроэлементы их концентрация в клетке достигает 99,9 %

А. Основные элементы (органогенные,) – водород, углерод, азот, кислород. Концентрация основных элементов в клетке достигает 98 %. Они являются универсальными компонентами органических соединений клетки.

Б. Макроэлементы – Na, К, Са, Cl, P, S, Fe, Mg. Их концентрация превышает 1-2%. Они также имеют универсальное значение в клетке. Например, натрий, калий и хлор обеспечивают проницаемость клеточных мембран для различных веществ и проведение импульса по нервному волокну. Кальций и фосфор участвуют в формировании межклеточного вещества костной такни, определяя прочность кости. Кроме того, кальций – один из факторов, от которых зависит нормальная свертываемость крови. Железо входит в состав гемоглобина и т.д

Водород, кислород, углерод, азот, серу фосфор еще часто называю биоэлементами, так как они являются необходимыми составными частями молекул биологических полимеров – белков и нуклеиновых кислот

3. Микроэлементы – Al, Ni, Br, F, B, Zn, I, Cu, F, Мn, Мо, Со и многие другие. Их суммарная доля составляет 0,1%. Входят в состав биологически активных соединений (ферментов, гормонов и витаминов) и влияют на усвоение организмом других макроэлементов; могут накапливаться в живых организмах(например, водоросли накапливают йод, лютики-литий)

3. Ультрамикроэлементы –Au, Be, Ag, Hg, Se и др. Концентрация ультрамикроэлементов в клетке менее 0,01%. Физиологическая роль этих компонентов в живых организмах пока не установлена (Приложения).

Неорганические вещества клетки: вода и минеральные соли.

К неорганическим соединениям относятся вода и минеральные соли. В количественном отношении первое место среди химических соединений любой клетки занимает вода. Ее содержание колеблется в зависимости от вида организма, условий его местообитания, типа клеток и их функционального состояния (в среднем доля воды от общей массы клетки составляет 70%) так, в клетках костной ткани содержится не более 20% воды, жировой ткани – около 40, в мышечных клетках -76, а в клетках развивающегося зародыша более 90%. С возрастом количество воды в клетках любого организма заметно снижается. Отсюда следует, что чем выше функциональная активность клеток и организма в целом, тем больше содержание воды в них, и наоборот.

Вода в клетке находится в двух формах - свободной и связанной.

Основными свойствами воды являются следующие.

1.Вода – универсальный растворитель для органических и неорганических молекул, вследствие полярности своих молекул. Благодаря полярности молекул и способности образовывать водородные связи, вода является хорошим растворителем для полярных веществ, называемых гидрофильными. К ним относятся ионные соединения, у которых заряженные частицы (ионы) диссоциируют (отделяются друг от друга) в воде, когда вещество растворяется (например, соли). Такой способностью обладают и некоторые не ионные соединения, в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы (сахаров, аминокислот, простых спиртов это ОН – группы). Неполярные вещества, например, липиды, практически нерастворимы в воде, т.е. они гидрофобны.

2.Вода служит средой для протекания химических реакций, а также участник многих химических реакций. Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы имеют возможность двигаться более свободно и соответственно его реакционная способность возрастает. По этой причине вода является основной средой, где протекают большинство реакций. Кроме того, все реакции гидролиза и многочисленные окислительно-восстановительные реакции идут при непосредственном участии воды.

3. Обеспечивает приток веществ в клетку и удаление из нее продуктов жизнедеятельности, поскольку большинство химических соединений может проникнуть через наружную цитоплазматическую мембрану только в растворенном виде.

4. Теплорегулятор. Вода обладает наивысшей удельной теплоемкостью из всех известных жидкостей. Это значит, что существенное увеличение тепловой энергии вызывает сравнительно небольшое повышение ее температуры. Такое явление обусловлено тем, что значительная часть этой энергии расходуется на разрыв водородных связей, ограничивающих подвижность молекул вода. Большая теплоемкость воды защищает ткани растений и животных от быстрого и сильного повышения температуры, тогда как высокая теплота парообразования обеспечивает надежную стабилизацию температуры тела организма. Необходимость значительных количеств энергии для испарения воды обусловлена наличием водородных связей между ее молекулами. Эта энергия черпается из окружающей среды, поэтому испарение сопровождается охлаждением. Указанное явление используется у животных при потоотделении, при тепловой одышке у собак, которые в жаркую погоду сидят с открытым ртом; оно играет важную физиологическую роль в охлаждении транспирирующих органов растений, особенно в условиях пустынь и сухих степей.

5. Своеобразный «скелет клетки – поддерживает ее форму.

Минеральные соли находятся в клетке либо в виде ионов, либо в твердом состоянии.

Среди ионов наибольшее значение имеют: катионы натрия, калия, кальция, которые обеспечивают такое важное свойство живых организмов как раздражимость. В тканях многоклеточных животных ионы кальция входят в состав межклеточного «цемента», обуславливающего сцепление клеток между собой и упорядоченное их расположение в тканях. От концентрации солей внутри клетки зависят буферные свойства клетки.

Буферность – способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию своего содержимого на постоянном уровне. Буферные растворы характеризуются тем, что внесение в них или образование в процессе обмена веществ небольших количеств кислоты или щелочи не оказывает влияния на значения рН вследствие образования соединений с карбонатами, фосфатами или органическими молекулами. Внутри клетки буферность обеспечивается главным образом анионами Н₂РО^-. Во внеклеточной жидкости и крови роль буфера играют НСО₃^-.Анионы слабых кислот и слабые щелочи связывают ионы водорода (Н⁺) и гидроксоионы (ОН^-), благодаря чему реакция внутри клетки практически не меняется.

Нерастворимые минеральные соли, например, фосфорнокислый кальций, входят в состав межклеточного вещества костной ткани, в раковины моллюсков, обеспечивая прочность этих образований.

Вопросы для самоконтроля

1.По химическому составу химические элементы, можно разделить на какие группы?

2.Какие элементы относят к биоэлементам?

3.Какие неорганические вещества входят в состав клетки?

4.Назовите функции воды в клетке?

5.Каково значение для клетки солей азота, фосфора, калия, натрия?

Тема 3. Химический состав клетки: органические вещества

1.Прочитайте ниже изложенный учебный материал.

2.Проанализируйте таблицы из приложения

3.Ответьте на вопросы самоконтроля.

К органическим соединениям относят белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и др. Органические соединения характерны только для живых организмов, в то время как неорганические существуют и в неживой природе. В этом существенное различие между живой и неживой природой.

Белки – это биополимеры, состоящие из множества простых структур мономеров.

Мономерами белков являются аминокислоты.

В жизни всех живых организмов белки имеют первостепенное значение. Отличаясь неисчерпаемым разнообразием структуры, которая в то же время строго специфична для каждого из них, белки создают вместе с нуклеиновыми кислотами материальную основу всего богатства организмов окружающего нас мира. На их долю приходится 50-80% сухой массы клетки. В организме человека насчитывается примерно 5 миллионов типов белковых молекул.

Молекулы белков имеют вид длинных цепей, которые состоят из 50-1500 аминокислот, соединенной прочной пептидной связью (ковалентная).

Специфичность белков определяется набором аминокислот, их количеством и последовательностью расположения в полипептидной цепочке. Замена одной единственной аминокислоты в составе молекулы белка или изменение последовательности их расположения, как правило, приводит к изменению его функции. Этим достигается огромное разнообразие первичной структуры белковой молекулы. Поэтому не удивительно, что живой организм может использовать для выполнения каждой своей функции особый вид белка и что его возможности в этом отношении неограниченны.

В состав белков входит 20 аминокислот. Аминокислоты делятся на незаменимые в питании они обязательно должны поступать пищей и кормом (они не могут синтезироваться в организме человека и животных). К ним относятся лизин, валин, лейцин, изолейцин, треонин, фенилаланин, триптофан, метионин, аланин, гистидин. Недостаточное содержание этих аминокислот в пище человека и рационе животных приводит к нарушению биосинтеза белка, замедлению роста и развития организма, к различным заболеваниям. Чтобы восполнить их недостаток. Вторая группа аминокислот могут синтезировать в организме человека и животных – это заменимые аминокислоты.

Молекула аминокислоты состоит из двух частей, одна у всех аминокислот одинаковая (аминогруппа и карбоксильная группа), а другая часть разная – радикал.

Если учесть, что молекула белка состоит из сотен аминокислотных остатков, должна была бы иметь большие размеры несколько десятков нанометров. В действительности же размеры молекул белков гораздо меньше, так как молекула белка скручена и уложена определенным образом, то есть имеет определенную структуру.

Структуры белка:

· Первичная структура белка.- линейная последовательность аминокислот. В молекуле белка аминокислоты нанизаны как бусины на нити.

· Вторичная структура представляет собой спирально закрученную белковую цепочку. Витки спирали удерживаются водородными связями, которые образуются между карбоксильными и аминогруппами, расположенными на соседних витках

· Третичная структура возникает в результате дальнейшей укладки спирали, возникает специфичная для каждого белка конфигурация. Она стабилизируется за счет связей между белковыми радикалами аминокислотных остатков –ковалентными дисульфидными связями (-S-S- связи), а также водородными, ионными и гидрофобными взаимодействиями.

· Четвертичная структура. В некоторых случаях 2, 3, 4 и более белковых молекул с третичной организацией объединяются в один комплекс. Пример такого сложного белка гемоглобин, состоящий из четырех субъединиц и небелковой части гемма. Только в такой форме он способен выполнять свою функцию. В четвертичной структуре белковые субъединицы химически не связаны друг с другом, однако вся структура достаточна прочна за счет действия слабых межмолекулярных сил.

Под влиянием различных химических и физических факторов (обработка спиртом, ацетоном, кислотами, щелочами, высокой температурой, облучением, высоким давлением и т.д.) происходит изменение третичной и четвертичной структуры белка вследствие разрыва водородных, ионных связей. Процесс нарушения естественной структуры белка называется денатурацией.

Виды белков: простые (протеины) – состоят только из аминокислот; сложные (протеиды) – это молекулы, в которые входит небелковая часть пигменты, липиды, фосфаты, углеводы)

1. Структурная (строительная, пластическая). Они входят в состав всех клеточных мембран и органелл клетки. Стенки кровеносных сосудов, хрящи, сухожилия у высших преимущественно из белка.

2. Двигательная обеспечивается особыми сократительными белками, благодаря которым осуществляются движение ресничек и жгутиков, сокращение мускулатуры, перемещение хромосом при делении клетки, движение органов растений и т.п.

3. Транспортная обеспечивается их способностью связывать и переносить с током крови многие химические соединения. К таким белкам относится прежде всего гемоглобин.

4. Защитная в клетке в ответ на проникновение в нее чужеродных веществ (антигенов), вырабатываются особые белки – иммуноглобулины (антитела), которые нейтрализуют чужеродные вещества и осуществляют иммунологическую защиту организма.

5. Сигнальная в поверхностную мембрану клетки встроены молекулы белков, способных изменять свою третичную структуру в ответ на действие факторов внешней среды. Так происходит прием сигналов из внешней среды и передача команд в клетку.

6. Ферментативная. Ферменты – катализаторы в живых клетках.

7. Энергетическая белки служат также энергетическим материалом. При расщеплении 1г белка до конечных продуктов выделяется 17,6 кДж энергии.

Углеводы - одна из основных групп органических соединений организма. В животной клетке содержание углеводов колеблется в пределах 1-2, в растительной оно может достигать в некоторых случаях 85-90% массы сухого вещества.

Углеводы состоят из углерода, водорода и кислорода, причем водород и кислород содержатся в том же соотношении что и в воде, отсюда и название.

Углеводы делятся:

· Моносахариды

· Дисахариды

· Полисахариды

Среди моносахаридов наибольшее значение имеют:рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот и АТФ. Глюкоза в клетке служит источником энергии. При расщеплении 1г глюкозы до конечных продуктов образуется 17,6 кДж энергии.

Дисахариды состоят из двух остатков моносахаридов. К дисахаридам относят сахарозу, мальтозу, лактоза. Дисахариды по своим свойствам близки к моносахаридам. Например, и те и другие хорошо растворимы в воде и имеют сладкий вкус. Выполняют энергетическую функцию.

Полисахариды состоят из множества остатков моносахаридов. К числу полисахаридов принадлежат крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин, муреин. Полисахариды играют главным образом роль запасных продуктов и легко мобилизируемых источников энергии (например, крахмал и гликоген). Полисахариды удобны в качестве запасных питательных веществ по ряду причин: будучи нерастворимыми в воде, они не оказывают на клетку ни осмотического ни химического влияния, что весьма важно при длительном хранении их в живой клетке: твердое, обезвоженное состояние полисахаридов увеличивает полезную массу продуктов запаса за счет экономии их объема, и наконец, при необходимости запасные полисахариды легко могут быть превращены в простые сахара путем гидролиза.

Также полисахариды используются в качестве строительного материала. Целлюлоза является одним из важнейших структурных компонентов клеточных стенок грибов. Хитин входит в состав клеточных стенок грибов, выполняя опорную функцию, а также встречается у отдельных групп животных (членистоногих) в качестве важного компонента их наружного скелета. Муреин входит в состав стенок бактерий.

И, конечно же полисахариды являются источниками энергии, в результате гидролиза полисахаридов образуется в результате расщепления которой образуется 17,6 кДж энергии.

Липиды – это обширная группа органических соединений, которые содержатся во всех живых клетках, нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в неполярных органических растворителях (эфир, бензин, хлороформ и др.).

Липиды отличаются исключительно большим разнообразием химической структуры, однако можно все же сказать, что настоящие липиды – это сложные эфиры жирных кислот и какого-либо спирта.

Большинство липидов являются сложными эфирами трехатомного спирта глицерина и трех остатков жирных кислот это жиры. Также к липидам относят стероиды (желчные кислоты, холестерин, половые гормоны, витамин D и др.), терпены (ростовые вещества растений – гиббериллины, каротиноиды, витамин К), воска, гликолипиды, липопротеины.

Липиды играют важную роль как источники энергии. При окислении они дают более чем в 2 раза больше энергии чем углеводы и белки, и, таким образом, более экономичны как форма хранения запасных питательных веществ. При расщеплении 1 г жира образуется 38,9 кДж энергии. Нерастворимость в воде делает липиды важнейшими структурными компонентами клеточных мембран, состоящих главным образом из фосфолипидов.

Благодаря низкой теплопроводности липиды выполняют защитные функции, т.е. служат для теплоизоляции организмов. Например, у многих позвоночных животных хорошо выражен подкожный жировой слой, что позволяет им жить в условиях холодного климата, а у китов он играет еще и другую роль – способствует плавучести.

Важно отметить также значение жира как источника воды. При окислении 100г жира образуется примерно 105г воды. Эта метаболическая вода очень важна для некоторых обитателей пустыни, в частности для верблюда, способного обходиться в течение 10-12 дней без воды: жир, запасаемый в его горбе, используется именно для этой цели. Необходимую для жизнедеятельности воду медведи, сурки и другие животные в спячке также получают в результате окисления жира.

Вопросы для самоконтроля

1.Почему белки называют полимерами?

2.Почему белков огромное число, ведь в их состав входит только 20 аминокислот?

3.Перечислите функции белков в клетке?

4.Какие функции в клетке выполняют углеводы?

9.Какую функцию выполняют липиды?