СПРАВОЧНИК ПО БИОЛОГИИ 5-11 классы - 2018 год
Структурные компоненты клетки - ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ
Молекулярный состав клетки
По содержанию элементы, входящие в состав клетки, делятся на три группы:
1) макроэлементы - выполняют структурные функции и составляют 99% массы клетки (98% приходится на четыре элемента: углерод, кислород,
азот и водород; 1% на калий, кальций, натрий, магний, железо, фосфор, хлор, серу и др.);
2) микроэлементы - к ним относятся в основном ионы, входящие в состав ферментов, гормонов и других веществ; концентрация от 0,001 до 0,000001% (медь, цинк, йод, фтор и т. д.);
3) ультрамикроэлементы, — физиологическая роль не выявлена, а концентрация не превышает 10-6%.!!!
Неорганические вещества клетки
Вода
Вода — это преобладающий компонент большинства клеток (в среднем около 80% массы клетки).
Значение воды: универсальный растворитель (для полярных веществ); участвует в реакциях (в том числе терморегуляции) и транспорте веществ; источник кислорода при фотосинтезе; определяет физические свойства клетки.
Ионы и соли
Соли входят в состав костей, панцирей, раковин животных, т. е. выполняют опорную и защитную функции, а также участвуют в минеральном обмене. Ионы натрия и калия принимают участие в проведении нервного импульса. Атомы железа входят в состав гемоглобина, а ионы магния - в состав хлорофилла. Ионы кальция принимают участие в свертываемости крови и мышечном сокращении, а фосфат-ионы — в образовании АТФ.
Органические вещества клетки
К основным органическим веществам клетки относятся белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты, витамины и АТФ. Многие органические вещества клетки являются биополимерами.
Белки
Белки - это нерегулярные полимеры, состоящие из остатков а-аминокислот (их около 20). Аминокислоты в белке соединены пептидной связью. Соединение из большого числа аминокислот называется полипептидом.
Пространственная организация белков включает четыре структуры:
1) первичную (линейную) - полипептидная цепь, т. е. нить аминокислот, соединенных ковалентными связями;
2) вторичную - белковая нить закручивается в спираль; в ней возникают водородные связи;
3) третичную - спираль далее свертывается, образуя глобулу (клубок) или фибриллу (вытянутая структура); в ней появляются гидрофобные и электростатические взаимодействия, а также ковалентные дисульфидные -S-S-связи;
4) четвертичную - соединение нескольких макромолекул белка вместе.
Разрушение структуры белка называется денатурацией. Она может быть необратимой (если повреждается первичная структура) или обратимой (если повреждаются другие структуры).
Функции белков: ферментативная (все ферменты являются белками); регуляторная (гормоны инсулин, глюкагон, соматотропин); транспортная (гемоглобин); защитная (иммуноглобулины (антитела), интерфероны);
строительная (кератин (в волосах), коллаген, тубулин); рецепторная (родопсин); сократительная, или двигательная (актин, миозин); а также энергетическая.
Хотя 1 г белка при полном распаде дает 17,6 кДж, организм использует этот резерв крайне редко, только если закончились углеводы и липиды.
Ферменты - это биологические катализаторы. Они специфичны, активны только в определенной среде и при определенной температуре. Все ферменты делят на две основные группы: белковые ферменты и ферменты, состоящие из двух частей: апофермента (белковая часть) и кофермента (небелковая часть; это ионы, витамины). Без кофермента апофермент не функционирует.
Углеводы
Углеводы — органические вещества, в состав которых входит углерод, водород и кислород. Общая формула: Сn(Н2O) n, где n не менее трех.
Выделяют три класса углеводов: моно-, ди- и полисахариды.
1. Моносахариды - твердые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде и имеющие сладкий вкус. Состоят из одной молекулы. Рибоза и дезоксирибоза (С5Н10О5 и С5Н10О4 соответственно) входят в состав ДНК и РНК. Глюкоза (С6Н12O6) - основной первичный источник энергии в клетке, является частью полисахаридов. Фруктоза - изомер глюкозы.
2. Дисахариды - вещества, состоящие их двух остатков моносахаридов; хорошо растворимы в воде, сладкие на вкус. Формула дисахаридов С12Н22О11. Сахароза обнаружена во всех органах растений, лактоза (молочный сахар) - важнейший источник энергии для детенышей млекопитающих.
3. Полисахариды - высокомолекулярные вещества, состоящие из большого числа остатков моносахаридов; плохо растворимы в воде, не имеют сладкого вкуса. Их общая формула (С6Н10О5) n. Крахмал - запасающее вещество у растений. Гликоген - полисахарид животных и грибов. Клетчатка (целлюлоза) - главный структурный полисахарид растений, входит в состав клеточных стенок; является линейным полимером. Хитин — составная часть клеточных стенок грибов и кутикулы членистоногих; это неразветвленный полимер. Муреин — входит в состав клеточной стенки бактерий; это гликопротеид.
Функции углеводов: знергетическая (1 г при полном распаде дает 17,6 кДж); структурная; опорная (целлюлоза, хитин); запасающая (крахмал, гликоген); строительная (входят в состав РНК и ДНК).
Липиды
Липиды объединяют жиры и жироподобные вещества (липоиды). Жиры - это сложные эфиры жирных кислот и глицерина. Растительные жиры богаты ненасыщенными кислотами, поэтому они жидкие. Животные жиры содержат з основном насыщенные кислоты, поэтому они твердые. Все жиры нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в неполярных растворителях; плохо проводят тепло. К жирам относятся фосфолипиды, (это основной компонент мембран клеток) - в их состав входит остаток фосфорной кислоты. К липоидам относятся стероиды, воска и др.
Функции липидов: структурная; энергетическая (1 г при полном распаде дает 38,9 кДж); запасание энергии (жировая ткань); защитная; регуляторная
(гормоны эстрогены, андрогены, стероидные гормоны); терморегуляция (подкожный жир). Также липиды являются поставщиками эндогенной воды - при окислении 100 г жира выделяется 107 мл воды (принцип верблюда).
АТФ (аденозинтрифосфорная кислота)
АТФ - это основной источник энергии для клеток живых организмов. АТФ состоит из трех остатков фосфорной кислоты, рибозы (моносахарид) и аденина (остаток азотистого основания).
При отщеплении одного остатка фосфорной кислоты образуется АДФ (аденозиндифосфорная кислота), а если отщепляются два остатка - АМФ (аденозинмонофосфорная кислота). Реакция отщепления каждого остатка сопровождается освобождением 40 кДж/моль. Такая фосфорно-кислородная связь в АТФ называется макроэргической. АТФ имеет две макроэргические связи.
Образуется АТФ в митохондриях, цитоплазме и хлоропластах. Расходуется на различные процессы в клетке, например, на биосинтез белка.
Нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые кислоты - это нерегулярные полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, остатка фосфорной кислоты и моносахарида. Существует два типа нуклеиновых кислот: ДНК и РНК.
1. ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Состоит из повторяющихся блоков - четырех разновидностей нуклеотидов: А (аденин), Т (тимин), Г (гуанин) и Ц (цитозин). В состав нуклеотида ДНК входит также моносахарид дез- оксирибоза.
В 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик открыли, что молекула ДНК представляет собой двойную спираль. Каждая спираль состоит из полинуклеотидной цепи: цепи закручены одна вокруг другой и вместе вокруг общей оси. Удерживаются они вместе с помощью водородных связей, возникающих между основаниями (между аденином и тимином - две, между цитозином и гуанином - три связи).
Полинуклеотидные цепи комплементарны друг другу: напротив аденина в одной цепи всегда находится тимин в другой, и наоборот (А-Т и Т-А); напротив цитозина - гуанин (Ц-Г и Г-Ц). Этот принцип строения ДНК называется принципом комплементарности.
Содержание ДНК в клетке строго постоянно. У эукариот ДНК в основном находится в ядре, митохондриях и пластидах, а у прокариот расположена в цитоплазме. Основная функция ДНК - хранение и передача наследственной информации.
2. РНК (рибонуклеиновая кислота). Это нерегулярный полимер, состоящий из нуклеотидов. Строение нуклеотида - как у ДНК, за исключением следующего: вместо дезоксирибозы в состав РНК входит рибоза, а вместо тимина - урацил. РНК состоит из одной цепочки. Все виды РНК образуются по матрице ДНК.
Содержание РНК в клетке сильно колеблется. Находится в ядре и цитоплазме. Выделяют три вида РНК:
1) и-РНК (информационная), или м-РНК (матричная) - содержится в ядре и цитоплазме; функция - перенос информации о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка;
2) т-РНК (транспортная) - самая маленькая РНК, в основном содержится в цитоплазме клетки; функция - перенос молекул аминокислот к месту синтеза белка;
3) р-РНК (рибосомная) - самая крупная РНК (имеет наибольшую молекулярную массу по сравнению с другими видами), синтезируется в ядрышках и участвует в образовании рибосом.