Органические вещества. 
Химический состав клетки

Клетки содержат множество разнообразных органических соединений: углеводы, липиды, белки, нуклеиновые кислоты и др.

В зависимости от молекулярной массы и структур различают малые низкомолекулярные органические молекулы — мономеры — и более крупные, высокомолекулярные макромолекулы — полимеры. Мономеры служат строительным материалом для полимеров.

Углеводы.

Содержание углеводов в животных клетках составляет 1−5%, а в некоторых клетках растении достигает 70%.

Различают три основных класса углеводов: моносахариды, олигосахариды и полисахариды, различающиеся числом мономерных звеньев.

Моносахариды — бесцветные, твердые кристаллические вещества, легко растворимые в воде, но нерастворимые в неполярных растворителях, имеющие, как правило, сладковатый вкус. В зависимости от числа атомов различают триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и гептозы. Наиболее распространены в природе гексозы (глюкоза, фруктоза) — основные источники энергии в клетках (при полном расщеплении 1 г глюкозы высвобождается 17,6 кДж энергии) и пентозы (рибоза, дезоксирибоза), входящие в состав нуклеиновых кислот.

Два или несколько ковалентно связанных друг с другом с помощью гликозидной связи моносахарида образуют ди — или олигосахариды. Дисахариды также широко распространены в природе: наиболее часто встречается мальтоза, или солодовый сахар, состоящий из двух молекул глюкозы.

Биологическое значение углеводов состоит в том, что они являются мощным и богатым источником энергии, необходимой клетке для осуществления различных форм активности. Полисахариды — удобная форма накопления энергоемких моносахаридов, а также незаменимый защитный и структурный компонент клеток и тканей животных, растений и микроорганизмов. Некоторые полисахариды входят в состав клеточных мембран и служат рецепторами, обеспечивая узнавание клеток друг другом и их взаимодействие.

Липиды.

Липиды представляют собой органические вещества, не растворимые в воде, но растворимые в неполярных растворителях — эфире, хлороформе, бензоле. Они обнаруживаются во всех без исключения клетках и разделены на несколько классов, выполняющих специфические биологические функции. Наиболее распространенными в составе живой природы являются нейтральные жиры, или триацилглицерины, воска, фосфоролипиды, стеролы.

Содержание липидов в разных клетках сильно варьирует: от 2 — 3 до 50 — 90% в клетках семян растении и жировой ткани животных.

Структурными компонентами большинства липидов являются жирные кислоты.

Жирные кислоты являются ценным источником энергии. При окислении 1 г жирных кислот высвобождается 38 кДж энергии и синтезируется в два раза большее количество АТФ, чем при расщеплении такого же количества глюкозы.

Жиры

Жиры — наиболее простые и широко распространенные липиды. Жиры являются основной формой запасания липидов в клетке. Жиры используются также в качестве источника воды (при сгорании 1 г жира образуется 1,1 г воды). У многих млекопитающих под кожей откладывается толстый слой подкожного жира, который защищает организм от переохлаждения.

Воска — это сложные эфиры, образуемые жирными кислотами и много атомными спиртами. У позвоночных животных секретируются кожными железами. Покрывая кожу и её производные (волосы, мех, шерсть, перья), воска смягчают их и предохраняют от действия воды. Фосфолипиды в состав молекул, которых входит остаток фосфорной кислоты, являются основой всех клеточных мембран.

Стероиды составляют группу липидов, не содержащих жирных кислот и имеющих особую структуру. К ним относится ряд гормонов, в частности кортизон, вырабатываемый корой надпочечников, различные половые гормоны, а также холестерин — важный компонент клеточных мембран у животных.

Белки.

Белки представляют собой самый многочисленный и наиболее разнообразный класс органических соединений клетки. Белки — это биологические гетерополимеры, мономерами которых являются аминокислоты.

Среди белков организма выделяют простые белки, состоящие только из аминокислот, и сложные, включающие помимо аминокислот, так называемые простатические группы различной химической природы. Липопротеины имеют в своем составе липидный компонент, гликопротеины — углеводный. В состав фосфопротеинов входит одна или несколько фосфатных групп. Металлопротеины содержат различные металлы; нуклеопротеины — нуклеиновые кислоты.

Простетические группы обычно играют важную роль при выполнении белком его биологической функции.

Белки выполняют в организме чрезвычайно важные и многообразные функции:

• · Служат катализаторами определенных химических реакции; у разных организмов обнаружено более 2000 различных ферментов.
• · Являются структурными компонентами биологических мембран и многих внутриклеточных органелл, главным компонентом опорных структур организма.
• · Обеспечивают движение клеток, внутриклеточных структур.
• · Связывают и переносят специфические молекулы и ионы из одного органа в другой.
• · Питают зародыш на ранних стадиях развития и запасают биологически ценные вещества и ионы.
• · Предохраняют организм от вторжения других организмов и повреждений.
• · Участвуют в регуляции активности клетки и организма.

Нуклеиновые кислоты.

Нуклеиновые кислоты составляют 1 — 5% сухой массы клетки и представлены монои полинуклеотидами. Мононуклеотид состоит из одного пуринового (аденин — А, гуанин — Г) или пиримидиного (цитозин — Ц, тимин — Т, урацил — У), азотистого основания, пятиуглеродного сахара (рибоза или дизоксорибоза) и 1−3 остатков фосфорной кислоты.

Мононуклеотиды выполняют в клетке исключительно важные функций. Они выступают в качестве источников энергии, причем АТФ является универсальным соединением, энергия которого используется почти во всех внутриклеточных реакциях, энергия ГТФ необходима в белоксинтезирующей деятельности рибосом. Производные нуклеотидов служат также переносчиками некоторых химических групп, например НАД (никотинамиддинуклеотид) — переносчик атомов водорода.

Однако наиболее важная роль нуклеотидов состоит в том, что они служат строительными блоками для сборки полинуклеотидов РНК и ДНК (рибонуклеиновых и дезоксирибонуклеиновых кислот).

РНК и ДНК — это линейные полимеры, содержащие от 70 — 80 до 10 в 9 степени мононуклеидов.

Нуклеотид РНК — содержит пятиугольный сахар — рибозу, одно из четырех азотистых оснований (гуанин, урацил, аденин или цитозин) и остаток фосфорной кислоты. Нуклеотиды, входящие в состав ДНК, содержат пятиугольный сахар — дезоксирибозу, одно из четырех основании (гуанин, тимин, аденин или цитозин) и остаток фосфорной кислоты.

Данные рентгеноструктурного анализа показали, что молекулы ДНК большинства живых организмов, за исключением некоторых фагов, состоят из двух полинуклеотидных цепей, антипараллельно направленных. Молекула ДНК имеет форму двойной спирали, в которой полинуклеотидные цепи закручены вокруг воображаемой центральной оси. Спираль ДНК характеризуется рядом параметров.

Ширина спирали около 2 нм. Шаг или полный оборот спирали составляет 3,4 нм и содержит 10 пар комплементарных нуклеотидов.

ДНК обладает уникальными свойствами: способностью к самоудвоению (репликации) и способностью к самовосстановлению (репарации).

Репликация осуществляется под контролем ряда ферментов и протекает в несколько этапов. Она начинается в определенных точках молекулы ДНК.

Специальные ферменты разрывают водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями, и спираль раскручивается. Полинуклеотидные цепи материнской молекулы удерживаются в раскрученном состоянии и служат матрицами для синтеза новых цепей.

С помощью фермента ДНК-полимеразы из имеющихся в среде трифосфатов дезоксиринуклеотидов (дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ) комплементарно материнским цепям собираются дочерние цепи. Репликация осуществляется одновременно на обеих материнских цепях, но с разной скоростью и некоторыми отличиями. На одной из цепей (лидирующей) сборка дочерней цепи идет непрерывно, на другой (отстающей).

— фрагментарно. В последующем синтезируемые фрагменты сшиваются с помощью фермента ДНКлигазы. В результате из одной молекулы ДНК образуется две, каждая из которых имеет материнскую и дочернюю цепи. Синтезируемые молекулы являются точными копиями друг друга и исходной молекулы ДНК. Такой способ репликации называется полуконсервативным и обеспечивает точное воспроизведение в дочерних молекулах той информации, которая была в материнской молекуле.

Репарацией называют способность молекулы ДНК «исправлять» возникающие в её цепях изменения. В восстановлении исходной структуры участвуют не менее 20 белков: узнающих измененные участки ДНК и удаляющих их из цепи, восстанавливающих правильную последовательность нуклеотидов и сшивающих восстановленный фрагмент с остальной молекулой ДНК.

Перечисленные особенности химической структуры и свойств ДНК обусловливают выполняемые ей функции. ДНК записывает, хранит, воспроизводит генетическую информацию, участвует в процессах ее реализации между новыми поколениями клеток и организмов.

Рибонуклеиновые кислоты — РНК — представлены разнообразными по размерам, структуре и выполняемым функциям молекулами. Все молекулы РНК являются копиями определенных участков молекулы ДНК и, помимо уже указанных отличий, оказываются короче ее и состоят из одной цепи. Между отдельными комплементарными друг другу участками одной цепи РНК возможно спаривание основании (А с У, Г с Ц) и образование спиральных участков. В результате молекулы приобретают специфическую конформацию.

Матричная, или информационная, РНК (мРНК, иРНК) синтезируются в ядре под контролем фермента РНК-полимеразы комплементарно информационным последовательностям ДНК, переносит эту информацию на рибосомы, где становится матрицей для синтеза белковой молекулы. В зависимости от объема копируемой информации молекула мРНК может иметь различную длину и составляет около 5% всей клеточной РНК.

Рибособная РНК (рРНК) синтезируется в основном в ядрышке, в области генов рРНК и представлена разнообразными по молекулярной массе молекулами, входящими в состав большой и малой субчастиц рибосом. На долю рРНК приходится 85% всей РНК клетки.

Транспортная РНК (тРНК) составляет около 10% клеточной РНК. Существует более 40 видов тРНК. При реализации генетической информации каждая тРНК присоединяет определенную аминокислоту и траспортирует ее к месту сборки полипентида. У эукариот тРНК состоят из 70−90 нуклеотидов.