Organske supstance živih sistema. Hemijski sastav biljnih i životinjskih ćelija Koja grupa supstanci preovlađuje u ćeliji

Organska jedinjenja čine u prosjeku 20-30% ćelijske mase živog organizma. To uključuje biološke polimere - proteine, nukleinske kiseline i ugljikohidrate, kao i masti i niz malih molekula - hormone, pigmente, ATP i mnoge druge.

Različite vrste ćelija sadrže različite količine organskih jedinjenja. U biljnim ćelijama dominiraju složeni ugljikohidrati - polisaharidi, dok je u životinjskim ćelijama više proteina i masti. Međutim, svaka od grupa organskih tvari u bilo kojoj vrsti stanice obavlja slične funkcije.

Aminokiseline, dušične baze, lipidi, ugljikohidrati itd. ulaze u ćeliju zajedno s hranom ili se unutar nje formiraju od prekursora. Oni služe kao polazni proizvodi za sintezu brojnih polimera neophodnih za ćeliju.

Proteini su, po pravilu, moćni, visoko specifični enzimi i regulišu ćelijski metabolizam.

Nukleinske kiseline služe kao skladište nasljednih informacija. Osim toga, nukleinske kiseline kontroliraju stvaranje odgovarajućih enzimskih proteina u pravoj količini iu pravo vrijeme.

Lipidi

Lipidi su naziv za masti i supstance slične mastima (lipoidi). Ovdje uključene tvari karakteriziraju topljivost u organskim rastvaračima i nerastvorljivost (relativna) u vodi.

Postoje biljne masti, koje imaju tečnu konzistenciju na sobnoj temperaturi, i životinjske masti, koje imaju čvrstu konzistenciju.

Lipidi su dio svih plazma membrana. Oni igraju energetsku ulogu u ćeliji i aktivno učestvuju u procesima metabolizma i reprodukcije ćelije.

Ugljikohidrati

Ugljikohidrati sadrže ugljik, vodonik i kisik. Razlikuju se sljedeći ugljikohidrati.

• Monosaharidi, odnosno jednostavni ugljikohidrati, koji se, ovisno o sadržaju atoma ugljika, nazivaju trioze, pentoze, heksoze itd. Pentoze - riboza i deoksiriboza - dio su DNK i RNK. Heksoza – glukoza – služi kao glavni izvor energije u ćeliji. Njihova empirijska formula može se predstaviti kao Cn (H2O) n.
• Polisaharidi- polimeri čiji su monomeri heksoza monosaharidi. Najpoznatiji disaharidi (dva monomera) su saharoza i laktoza. Najvažniji polisaharidi su škrob i glikogen, koji služe kao rezervne tvari za biljne i životinjske stanice, kao i celuloza, najvažnija strukturna komponenta biljnih stanica.

Biljke imaju veću raznolikost ugljikohidrata od životinja, jer su u stanju da ih sintetiziraju na svjetlu tokom procesa fotosinteze. Najvažnije funkcije ugljikohidrata u ćeliji: energetska, strukturna i skladišna.

Energetska uloga je da ugljikohidrati služe kao izvor energije u biljnim i životinjskim stanicama; strukturni - stanični zid biljaka gotovo se u potpunosti sastoji od celuloznog polisaharida; skladištenje - škrob služi kao rezervni proizvod za biljke. Akumulira se tokom procesa fotosinteze u toku vegetacije i kod niza biljaka se taloži u krtolama, lukovicama itd. U životinjskim ćelijama ovu ulogu ima glikogen, koji se taloži uglavnom u jetri.

Vjeverice

Među organskim materijama ćelija, proteini zauzimaju prvo mesto, kako po količini, tako i po važnosti. Kod životinja oni čine oko 50% suhe mase ćelije. U ljudskom tijelu nalazi se oko 5 miliona vrsta proteinskih molekula, koji se razlikuju ne samo jedni od drugih, već i od proteina drugih organizama. Uprkos takvoj raznolikosti i složenosti strukture, proteini se grade od samo 20 različitih aminokiselina.

Zaustavimo se detaljnije na svojstvima proteina. Najvažnije od njih su denaturacija i renaturacija.

Denaturacija je gubitak strukturne organizacije proteinskog molekula. Denaturacija može biti uzrokovana promjenama temperature, dehidracijom, izlaganjem rendgenskim zracima i drugim utjecajima. U početku se uništava najslabija struktura - kvartarna, zatim tercijarna, sekundarna i, u najtežim uslovima, primarna.

Ako promjena uvjeta okoline ne dovede do uništenja primarne strukture molekula, onda kada se normalni okolišni uvjeti uspostave, struktura proteina se potpuno obnavlja. Ovaj proces se naziva renaturacija. Ovo svojstvo proteina da potpuno obnove izgubljenu strukturu ima široku primjenu u medicinskoj i prehrambenoj industriji za pripremu određenih medicinskih preparata, na primjer, antibiotika, za dobivanje koncentrata hrane koji dugo zadržavaju hranjive tvari u osušenom obliku. U nekim živim organizmima uobičajena djelomična reverzna denaturacija proteina povezana je s njihovim funkcijama (motorne, signalne, katalitičke, itd.). Proces uništavanja primarne strukture proteina je uvijek nepovratan i naziva se destrukcija.

Hemijska i fizička svojstva proteina su vrlo raznolika: hidrofilna, hidrofobna; Neki od njih lako mijenjaju svoju strukturu pod utjecajem faktora, drugi su vrlo stabilni. Proteini se dijele na jednostavne - proteine ​​koji se sastoje samo od ostataka aminokiselina, i složene - proteine, koji osim kiselih ostataka aminokiselina sadrže i druge tvari neproteinske prirode (ostaci fosforne i nukleinske kiseline, ugljikohidrati, lipida, itd.).

Proteini obavljaju mnoge različite funkcije u tijelu: izgradnju (dio su različitih strukturnih formacija); zaštitni (posebni proteini - antitela - sposobni su da vežu i neutrališu mikroorganizme i strane proteine) itd. Osim toga, proteini učestvuju u zgrušavanju krvi, sprečavaju teška krvarenja, obavljaju regulatornu, signalnu, motoričku, energetsku, transportnu funkciju (prenos određenih supstanci). u telu).

Katalitička funkcija proteina je izuzetno važna. Pogledajmo ovu funkciju detaljnije. Izraz "kataliza" znači "razvezivanje", "oslobađanje". Supstance klasificirane kao katalizatori ubrzavaju kemijske transformacije, a sastav samih katalizatora nakon reakcije ostaje isti kao što je bio prije reakcije.

Enzimi

Svi enzimi koji deluju kao katalizatori su supstance proteinske prirode, oni ubrzavaju hemijske reakcije koje se dešavaju u ćeliji za desetine i stotine hiljada puta. Katalitička aktivnost enzima nije određena njegovom cijelom molekulom, već samo malim dijelom - aktivnim centrom, čije je djelovanje vrlo specifično. Jedan molekul enzima može imati nekoliko aktivnih centara.

Neki molekuli enzima mogu se sastojati samo od proteina (na primjer, pepsina) - jednokomponentni ili jednostavni; drugi sadrže dvije komponente: protein (apoenzim) i mali organski molekul - koenzim. Utvrđeno je da vitamini funkcionišu kao koenzimi u ćelijama. Ako uzmemo u obzir da se niti jedna reakcija u ćeliji ne može izvesti bez sudjelovanja enzima, postaje očito da su vitamini od najveće važnosti za normalno funkcioniranje stanice i cijelog organizma. Nedostatak vitamina smanjuje aktivnost enzima koji ih sadrže.

Aktivnost enzima direktno ovisi o djelovanju niza faktora: temperature, kiselosti (pH okoline), kao i o koncentraciji molekula supstrata (tvar na koju djeluju), samih enzima i koenzima ( vitamini i druge supstance koje čine koenzime).

Određeni enzimski proces može se potaknuti ili inhibirati djelovanjem različitih biološki aktivnih tvari, kao što su hormoni, lijekovi, stimulansi rasta biljaka, toksične tvari itd.

Vitamini

Vitamini - biološki aktivne niskomolekularne organske supstance - učestvuju u metabolizmu i pretvorbi energije u većini slučajeva kao komponente enzima.

Dnevna potreba osobe za vitaminima je miligrama, pa čak i mikrograma. Poznato je više od 20 različitih vitamina.

Izvor vitamina za ljude je hrana, uglavnom biljnog porijekla, au nekim slučajevima i životinjskog porijekla (vitamin D, A). Neki vitamini se sintetiziraju u ljudskom tijelu.

Nedostatak vitamina uzrokuje bolest - hipovitaminozu, njihov potpuni nedostatak - avitaminozu, a višak - hipervitaminozu.

Hormoni

Hormoni su supstance koje proizvode endokrine žlezde i neke nervne ćelije – hormoni su sposobni da učestvuju u biohemijskim reakcijama, regulišući metaboličke procese (metabolizam i energiju).

Karakteristične karakteristike hormona su:

1. visoka biološka aktivnost;
2. visoka specifičnost (hormonski signali u "ciljanim ćelijama");
3. daljinsko djelovanje (prijenos hormona krvlju na daljinu do ciljnih stanica);
4. relativno kratko vrijeme postojanja u tijelu (nekoliko minuta ili sati).

Supstance slične hormonima (neurohormoni) sintetiziraju se nervnim završecima. Nervne ćelije također sintetiziraju neurotransmitere - tvari koje osiguravaju prijenos impulsa do stanica. Postoje hormoni lipoidne prirode - steroidi (spolni hormoni). Hipotalamus koordinira rad sistema endokrinih žlezda.

Pojedinačni rast biljke reguliraju i koordiniraju fitohormoni, koji djeluju kao akceleratori rasta i diobe stanica (stimuliraju diobu kambija itd.).

Alkaloidi

U biljkama i nekim drugim organizmima identifikovana je još jedna grupa biološki aktivnih supstanci - alkaloidi. Ova organska jedinjenja su otrovna za ljude i životinje. Neki od njih imaju narkotično dejstvo, jer sadrže nikotin, morfijum itd.

Alkaloidi se nalaze u oko 2.500 vrsta kritosjemenjača, uglavnom iz porodica Solanaceae, Liliaceae, Poppy, Hemp i drugih. Prema brojnim naučnicima, alkaloidi u biljkama obavljaju zaštitnu funkciju - adaptacije kako bi ih zaštitile da ih životinje ne pojedu. Alkaloid kolhicin se koristi u medicini, kao i za eksperimentalnu mutagenezu.

Nukleinske kiseline

Kao i proteini, nukleinske kiseline su heteropolimeri. Njihovi monomeri, nukleotidi, koji čine molekule nukleinske kiseline, oštro se razlikuju od aminokiselina. Postoje 2 vrste nukleinskih kiselina: DNK (deoksiribonukleinska kiselina) i RNA (ribonukleinska kiselina).

ATP je adenozin trifosforna kiselina, nukleotid koji se sastoji od azotne baze adenina, ugljikohidrata riboze i tri molekula fosforne kiseline.

Struktura je nestabilna, pod utjecajem enzima prelazi u ADP - adenozin difosfornu kiselinu (odcijepi se jedan molekul fosforne kiseline) uz oslobađanje 40 kJ energije. ATP je jedini izvor energije za sve ćelijske reakcije. Njegova transformacija se odvija prema sljedećoj shemi:

Zaustavimo se detaljnije na značaju nukleinskih kiselina, koje obavljaju vrlo važne funkcije u ćeliji. Osobitosti hemijske strukture nukleinskih kiselina pružaju mogućnost skladištenja, prijenosa i nasljeđivanja u ćelije kćeri informacija o strukturi proteinskih molekula koji se sintetiziraju u svakom tkivu u određenoj fazi individualnog razvoja.

Budući da većinu svojstava u tijelu određuju proteini, jasno je da je stabilnost nukleinskih kiselina najvažniji uvjet za život stanica i cijelih organizama. Svaka promjena u strukturi nukleinskih kiselina povlači za sobom promjene u strukturi stanica ili aktivnosti fizioloških procesa u njima, čime utječe na vitalnost. Proučavanje strukture nukleinskih kiselina, koje su prvi ustanovili američki biolog Watson i engleski fizičar Crick, izuzetno je važno za razumijevanje nasljeđivanja osobina u organizmima i obrazaca funkcionisanja kako pojedinačnih ćelija tako i ćelijskih sistema – tkiva i organi.

Istraživanja biohemičara su utvrdila da se biosinteza proteina u živim organizmima odvija pod kontrolom nukleinskih kiselina.

Dakle, nukleinske kiseline osiguravaju stabilno očuvanje nasljednih informacija i kontroliraju stvaranje odgovarajućih enzimskih proteina, a enzimski proteini određuju glavne karakteristike ćelijskog metabolizma. Sve je to veoma važno za održavanje hemijske stabilnosti organizama i ključno je za postojanje života na Zemlji.

Oni čine 20-30% ćelijske mase. To uključuje biopolimere - proteine, nukleinske kiseline, ugljikohidrate, masti, ATP, itd.

Različite vrste ćelija sadrže različite količine organskih jedinjenja. Složeni ugljikohidrati prevladavaju u biljnim stanicama, dok proteini i masti prevladavaju u životinjskim stanicama. Ipak, svaka grupa organskih supstanci u bilo kojoj vrsti ćelije obavlja funkcije: davanje energije, kao građevinski materijal, prenošenje informacija itd.

Vjeverice. Među organskim supstancama, ćelije i proteini zauzimaju prvo mjesto po količini i važnosti. Kod životinja oni čine 50% suhe mase ćelije.

Ljudsko tijelo sadrži mnoge vrste proteinskih molekula koje se razlikuju jedna od druge i od proteina u drugim organizmima.

peptidna veza:

Kada se spoje, molekuli formiraju: dipeptid, tripeptid ili polipeptid. Ovo je spoj od 20 ili više aminokiselina. Redoslijed transformacije aminokiselina u molekulu je vrlo raznolik. To omogućava postojanje varijanti koje se razlikuju po zahtjevima i svojstvima proteinskih molekula.

Redoslijed aminokiselina u molekulu naziva se struktura.

Primarni – linearni.

Sekundarni – spiralni.

Tercijarni - globule.

Kvartar - asocijacija globula (hemoglobin).

Gubitak strukturne organizacije molekulom naziva se denaturacija. Uzrokuju ga promjene temperature, pH i zračenja. Uz manju izloženost, molekul može vratiti svoja svojstva. Koristi se u medicini (antibiotici).

Funkcije proteina u ćeliji su različite. Najvažnija je izgradnja. Proteini su uključeni u formiranje svih ćelijskih membrana u organelama. Katalitička funkcija je izuzetno važna - svi enzimi su proteini. Motoričku funkciju obezbjeđuju kontraktilni proteini. Transport – sastoji se od vezivanja hemijskih elemenata i njihovog prenošenja u tkiva. Zaštitnu funkciju pružaju posebni proteini - antitijela formirana u leukocitima. Proteini služe kao izvor energije - uz potpunu razgradnju 1g proteina oslobađa se 11,6 kJ.

Ugljikohidrati. To su spojevi ugljika, vodonika i kisika. Predstavljen šećerima. Ćelija sadrži do 5%. Najbogatije su biljne ćelije - do 90% mase (krompir, pirinač). Dijele se na jednostavne i složene. Jednostavni - monosaharidi (glukoza) C 6 H 12 O 6, grožđani šećer, fruktoza. Disaharid – (saharoza) C ]2 H 22 O 11 šećer od repe i šećerne trske. Polišećeri (celuloza, skrob) (C 6 H 10 O 5)n.

Ugljikohidrati obavljaju uglavnom građevinske i energetske funkcije. Kada se 1 g ugljikohidrata oksidira, oslobađa se 17,6 kJ. Skrob i glikogen služe kao energetske rezerve ćelije.

Lipidi. To su masti i materije slične mastima u ćeliji. Oni su estri glicerola i zasićenih i nezasićenih kiselina velike molekularne težine. Mogu biti čvrsta ili tečna – ulja. U biljkama se nalaze u sjemenu, od 5-15% suhe tvari.

Glavna funkcija je energija - kada se 1g masti razgradi, oslobađa se 38,9 kJ. Masti su rezerve hranljivih materija. Masti imaju građevinsku funkciju i dobar su toplotni izolator.

Nukleinske kiseline. To su složena organska jedinjenja. Sastoje se od C, H 2, O 2, N 2, P. Sadrže se u jezgrima i citoplazmi.

a) DNK je biološki polinukleotid koji se sastoji od dva lanca nukleotida. Nukleotidi - sastoje se od 4 azotne baze: 2 purina - adenina i valina, 2 pirimedina citozina i gvanina, kao i šećera - dezoksiriboze i ostatka fosforne kiseline.

U svakom lancu nukleotidi su povezani kovalentnim vezama. Lanci nukleotida formiraju spirale. DNK spirala prepuna proteina formira strukturu - hromozom.

b) RNK je polimer čiji su monomeri nukleotidi slični DNK, azotne baze - A, G, C. Umjesto timina nalazi se Urace. Ugljikohidrat u RNK je riboza, a tu je i ostatak fosforne kiseline.

Dvolančane RNK su nosioci genetske informacije. Jednolančani - nose informacije o redoslijedu aminokiselina u proteinu. Postoji nekoliko jednolančanih RNK:

Ribosomalni – 3-5 hiljada nukleotida;

Informativni – 300-30000 nukleotida;

Transport - 76-85 nukleotida.

Sinteza proteina se odvija na ribosomima uz učešće svih vrsta RNK.

Kontrolna pitanja

1. Da li je ćelija organizam ili njegov dio?

2. Elementarni sastav ćelija.

3. Voda i minerali.

4. Organske supstance ćelije.

Organske supstance u ćeliji Oni čine 20-30% ćelijske mase. To uključuje biopolimere - proteine, nukleinske kiseline, ugljikohidrate, masti, ATP, itd. Različite vrste ćelija sadrže različite količine organskih jedinjenja. Složeni ugljikohidrati prevladavaju u biljnim stanicama, dok proteini i masti prevladavaju u životinjskim stanicama. Ipak, svaka grupa organskih supstanci u bilo kojoj vrsti ćelije obavlja funkcije: obezbjeđuje energiju, kao građevinski materijal, prenosi informacije itd. Vjeverice. Među organskim supstancama, ćelije i proteini zauzimaju prvo mjesto po količini i važnosti. Kod životinja oni čine 50% suhe mase ćelije. U ljudskom tijelu postoji mnogo vrsta proteinskih molekula koje se razlikuju jedna od druge i od proteina drugih organizama Unatoč ogromnoj raznolikosti i složenosti strukture, proteini su izgrađeni od 20 aminokiselina: aminokiseline imaju amfoterna svojstva. međusobno komuniciraju:

peptidna veza:

Kada se spoje, molekuli formiraju: dipeptid, tripeptid ili polipeptid. Ovo je spoj od 20 ili više aminokiselina. Redoslijed transformacije aminokiselina u molekulu je vrlo raznolik. Ovo omogućava postojanje
opcije koje se razlikuju u zahtjevima i svojstvima proteinskih molekula. Redoslijed aminokiselina u molekulu naziva se struktura. Primarni – linearni. Sekundarni – spiralni. Tercijarni - globule. Kvartar - asocijacija globula (hemoglobin). Gubitak strukturne organizacije molekulom naziva se denaturacija. Uzrokuju ga promjene temperature, pH i zračenja. Uz manju izloženost, molekul može vratiti svoja svojstva. Koristi se u medicini (antibiotici). Funkcije proteina u ćeliji su različite. Najvažnija je izgradnja. Proteini su uključeni u formiranje svih ćelijskih membrana u organelama. Katalitička funkcija je izuzetno važna - svi enzimi su proteini. Motoričku funkciju obezbjeđuju kontraktilni proteini. Transport – sastoji se od vezivanja hemijskih elemenata i njihovog prenošenja u tkiva. Zaštitnu funkciju pružaju posebni proteini - antitijela formirana u leukocitima. Proteini služe kao izvor energije - uz potpunu razgradnju 1g proteina oslobađa se 11,6 kJ. Ugljikohidrati. To su spojevi ugljika, vodonika i kisika. Predstavljen šećerima. Ćelija sadrži do 5%. Najbogatije su biljne ćelije - do 90% mase (krompir, pirinač). Dijele se na jednostavne i složene. Jednostavni - monosaharidi (glukoza) C 6 H 12 O 6, grožđani šećer, fruktoza. Disaharid – (saharoza) C ]2 H 22 O 11 šećer od repe i šećerne trske. Polišećeri (celuloza, skrob) (C 6 H 10 O 5)n. Ugljikohidrati obavljaju uglavnom građevinske i energetske funkcije. Kada se 1 g ugljikohidrata oksidira, oslobađa se 17,6 kJ. Skrob i glikogen služe kao energetske rezerve ćelije. Lipidi. To su masti i materije slične mastima u ćeliji. Oni su estri glicerola i zasićenih i nezasićenih kiselina velike molekularne težine. Mogu biti čvrsta ili tečna – ulja. U biljkama se nalaze u sjemenu, od 5-15% suhe tvari. Glavna funkcija je energija - kada se 1g masti razgradi, oslobađa se 38,9 kJ. Masti su rezerve hranljivih materija. Masti obavljaju građevinsku funkciju i dobar su toplinski izolator. Nukleinske kiseline. To su složena organska jedinjenja. Sastoje se od C, H 2, O 2, N 2, P. Sadrže se u jezgrima i citoplazmi.
a) DNK je biološki polinukleotid koji se sastoji od dva lanca nukleotida. Nukleotidi - sastoje se od 4 azotne baze: 2 purina - adenina i valina, 2 pirimedina citozina i gvanina, kao i šećera - dezoksiriboze i ostatka fosforne kiseline. U svakom lancu nukleotidi su povezani kovalentnim vezama. Lanci nukleotida formiraju spirale. DNK spirala prepuna proteina formira strukturu - hromozom. b) RNK je polimer čiji su monomeri nukleotidi slični DNK, azotne baze - A, G, C. Umjesto timina nalazi se Urace. Ugljikohidrat u RNK je riboza, a tu je i ostatak fosforne kiseline.

Dvolančane RNK su nosioci genetske informacije. Jednolančani - nose informacije o redoslijedu aminokiselina u proteinu. Postoji nekoliko jednolančanih RNK: - Ribosomalna - 3-5 hiljada nukleotida; - Informativni – 300-30000 nukleotida; - Transport – 76-85 nukleotida. Sinteza proteina se odvija na ribosomima uz učešće svih vrsta RNK.

Kontrolna pitanja

1. Da li je ćelija organizam ili njegov dio? 2. Elementarni sastav ćelija. 3. Voda i minerali. 4. Organske supstance ćelije. 5. Proteini. 6. Ugljeni hidrati, masti. 7. DNK. 8. RNA.

Tema 2.2 Struktura i funkcije ćelije

Kontrolna pitanja

1. Šta se podrazumijeva pod nivoom organizacije ćelije? 2. Karakteristike prokariota i eukariota. 3. Struktura prokariota. 4. Morfologija prokariota. 5. Struktura eukariota. 6. Struktura i funkcije jezgra. 7. Kariotip i njegove karakteristike. 8. Struktura i funkcije nukleola. Tema 2.2.1 Golgijev kompleks, lizozomi, mitohondrije,

ribozomi, ćelijski centar; organoidi kretanja

Citoplazma- Ovo je unutrašnja polutečna sredina ćelije u kojoj se odvijaju svi biohemijski procesi. Sadrži strukture - organele i komunicira između njih. Organele imaju pravilne karakteristike strukture i ponašanja u različitim periodima života ćelije i obavljaju određene funkcije. Postoje organele karakteristične za sve ćelije - mitohondrije, ćelijski centar, Golgijev aparat, ribozomi, EPS, lizozomi. Organele kretanja - flagele i cilije karakteristične su za jednoćelijske organizme. U citoplazmi se talože razne supstance - inkluzije. To su trajne strukture koje nastaju u procesu života. Gusti uključci su granule, tekući uključci su vakuole. Njihova veličina je određena vitalnom aktivnošću ćelija. Strukturna organizacija ćelije zasniva se na membranskom principu strukture. To znači da se ćelija uglavnom sastoji od membrana. Sve membrane imaju sličnu strukturu. Prihvaćeni model je tečno-mozaična struktura: membranu čine dva reda lipida u koje su proteinski molekuli uronjeni na različitim dubinama. Vanjska citoplazmatska membrana Prisutan je u svim ćelijama i odvaja citoplazmu od spoljašnje sredine, formirajući površinu ćelije. Površina ćelije je heterogena, njena fiziološka svojstva su različita. Ćelija ima visoku čvrstoću i elastičnost. Citoplazmatska membrana ima pore kroz koje prolaze molekule tvari. Ulazak tvari u ćeliju je proces koji zahtijeva potrošnju energije. Ćelijska membrana ima svojstvo polupropusnosti. Mehanizam koji obezbjeđuje polupropusnost je osmoza. Osim osmoze, hemikalije i čvrste tvari mogu ući u ćeliju kroz izbočine – pinocetozom i fagocitozom. Citoplazmatska membrana također omogućava komunikaciju između stanica u tkivima višećelijskih organizama zahvaljujući brojnim naborima i izraslinama. Blok 2. Ćelija kao biološki sistem

2.3. Hemijski sastav ćelije. Makro- i mikroelementi. Odnos između strukture i funkcija neorganskih i organskih supstanci (proteini, nukleinske kiseline, ugljikohidrati, lipidi, ATP) koje čine ćeliju. Uloga hemikalija u ćeliji i ljudskom tijelu.

Hemijski sastav ćelije

Većina do sada otkrivenih hemijskih elemenata iz Periodnog sistema elemenata D.I. Mendeljejeva pronađena je u živim organizmima. S jedne strane, ne sadrže niti jedan element koji se ne bi našao u neživoj prirodi, a s druge strane, njihove koncentracije u tijelima nežive prirode i živim organizmima značajno se razlikuju.
Ovi hemijski elementi formiraju neorganske i organske supstance. Unatoč činjenici da anorganske tvari prevladavaju u živim organizmima, upravo organske tvari određuju jedinstvenost njihovog kemijskog sastava i fenomena života u cjelini, budući da ih sintetiziraju uglavnom organizmi u procesu života i igraju vitalnu ulogu u reakcije.
Nauka o biohemiji proučava hemijski sastav organizama i hemijske reakcije koje se u njima dešavaju.
Treba napomenuti da sadržaj hemikalija u različitim ćelijama i tkivima može značajno da varira. Na primjer, ako u životinjskim stanicama proteini prevladavaju među organskim spojevima, onda u biljnim stanicama prevladavaju ugljikohidrati.

Hemijski element	Zemljina kora	Morska voda	Živi organizmi
O	49,2	85,8	65-75
WITH	0,4	0,0035	15-18
N	1,0	10,67	8-10
N	0,04	0,37	1,5-3,0
R	0,1	0,003	0,20-1,0
S	0,15	0,09	0,15-0,2
TO	2,35	0,04	0,15-0,4
Sa	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
N / A	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

Makro- i mikroelementi

Oko 80 hemijskih elemenata nalazi se u živim organizmima, ali samo 27 od ovih elemenata ima svoju funkciju u stanici i organizmu. Preostali elementi prisutni su u malim količinama i, po svemu sudeći, ulaze u tijelo s hranom, vodom i zrakom. Sadržaj hemijskih elemenata u organizmu značajno varira. Ovisno o koncentraciji, dijele se na makroelemente i mikroelemente.
Koncentracija svakog makronutrijenta u organizmu prelazi 0,01%, a njihov ukupan sadržaj je 99%. Makroelementi uključuju kiseonik, ugljenik, vodonik, azot, fosfor, sumpor, kalijum, kalcijum, natrijum, hlor, magnezijum i gvožđe. Prva četiri od navedenih elemenata (kiseonik, ugljenik, vodonik i azot) nazivaju se i organogenim, jer su deo glavnih organskih jedinjenja. Fosfor i sumpor su takođe komponente brojnih organskih supstanci, kao što su proteini i nukleinske kiseline. Fosfor je neophodan za formiranje kostiju i zuba.
Bez preostalih makroelemenata nemoguće je normalno funkcioniranje organizma. Dakle, kalij, natrijum i hlor su uključeni u procese ćelijske ekscitacije. Kalijum je takođe neophodan za funkcionisanje mnogih enzima i zadržavanje vode u ćeliji. Kalcij se nalazi u ćelijskim zidovima biljaka, kostima, zubima i školjkama mekušaca i neophodan je za kontrakciju mišićnih stanica i unutarćelijsko kretanje. Magnezijum je komponenta hlorofila, pigmenta koji omogućava fotosintezu. Takođe učestvuje u biosintezi proteina. Gvožđe, osim što je deo hemoglobina, koji prenosi kiseonik u krvi, neophodno je za procese disanja i fotosinteze, kao i za rad mnogih enzima.
Mikroelementi su sadržani u organizmu u koncentracijama manjim od 0,01%, a njihova ukupna koncentracija u ćeliji ne dostiže 0,1%. Mikroelementi uključuju cink, bakar, mangan, kobalt, jod, fluor itd. Cink je dio molekula hormona pankreasa inzulina, bakar je neophodan za procese fotosinteze i disanja. Kobalt je komponenta vitamina B12, čiji nedostatak dovodi do anemije. Jod je neophodan za sintezu hormona štitnjače, koji osiguravaju normalan metabolizam, a fluor je povezan s formiranjem zubne cakline.
Sadržaj hemijskih elemenata u različitim ćelijama i organizmima nije u velikoj meri određen uslovima sredine. Tako ćelije morskih algi sadrže relativno puno joda, kralježnjaci sadrže željezo, a mekušci i rakovi sadrže bakar.
I nedostatak i višak ili poremećaj metabolizma makro- i mikroelemenata dovode do razvoja različitih bolesti. Konkretno, nedostatak kalcija i fosfora uzrokuje rahitis, nedostatak dušika uzrokuje ozbiljan nedostatak proteina, nedostatak željeza uzrokuje anemiju, a nedostatak joda uzrokuje poremećaj u stvaranju hormona štitnjače i smanjenje brzine metabolizma. Smanjenje unosa fluora iz vode i hrane u velikoj mjeri određuje poremećaj obnove zubne cakline i, kao posljedicu, predispoziciju za karijes. Olovo je toksično za gotovo sve organizme. Njegov višak uzrokuje nepovratna oštećenja mozga i centralnog nervnog sistema, što se manifestuje gubitkom vida i sluha, nesanicom, zatajenjem bubrega, napadima, a može dovesti i do paralize i bolesti poput raka. Akutno trovanje olovom je praćeno iznenadnim halucinacijama i završava komom i smrću.
Nedostatak makro- i mikroelemenata može se nadoknaditi povećanjem njihovog sadržaja u hrani i vodi za piće, kao i uzimanjem lijekova. Tako se jod nalazi u morskim plodovima i jodiranoj soli, kalcijum se nalazi u ljusci jajeta itd.

Neorganske supstance ćelije

Hemijski elementi ćelije formiraju različita jedinjenja - neorganska i organska. Neorganske tvari ćelije uključuju vodu, mineralne soli, kiseline itd., a organske tvari uključuju proteine, nukleinske kiseline, ugljikohidrate, lipide, ATP, vitamine itd.
Voda (H 2 0) - najčešća neorganska supstanca ćelije, koja ima jedinstvena fizičko-hemijska svojstva. Nema ukus, boju, miris. Gustoća i viskoznost svih supstanci se procjenjuju pomoću vode. Kao i mnoge druge supstance, voda može postojati u tri agregatna stanja: čvrstom (led), tečnom i gasovitom (para). Tačka topljenja vode je 0°C, tačka ključanja je 100°C, međutim, rastvaranje drugih supstanci u vodi može promijeniti ove karakteristike. Toplotni kapacitet vode je takođe prilično visok - 4200 kJ/mol.K, što joj daje mogućnost da učestvuje u procesima termoregulacije. U molekuli vode, atomi vodika se nalaze pod uglom od 105°, sa zajedničkim elektronskim parovima koje povlači elektronegativniji atom kiseonika. Time se određuju dipolna svojstva molekula vode (jedan kraj je pozitivno, a drugi negativno) i mogućnost stvaranja vodikovih veza između molekula vode. Kohezija molekula vode je u osnovi fenomena površinske napetosti, kapilarnosti i svojstava vode kao univerzalnog rastvarača. Kao rezultat toga, sve tvari se dijele na one rastvorljive u vodi (hidrofilne) i netopive u njoj (hidrofobne). Zahvaljujući ovim jedinstvenim svojstvima, unaprijed je određeno da je voda postala osnova života na Zemlji.
Prosječan sadržaj vode u tjelesnim ćelijama varira i može se mijenjati s godinama. Tako u ljudskom embrionu od mesec i po, sadržaj vode u ćelijama dostiže 97,5%, kod osmomesečnog - 83%, kod novorođenčeta se smanjuje na 74%, a u odrasla osoba u prosjeku iznosi 66%. Međutim, tjelesne ćelije se razlikuju po sadržaju vode. Dakle, kosti sadrže oko 20% vode, jetra - 70%, a mozak - 86%. Općenito, možemo reći da je koncentracija vode u stanicama direktno proporcionalna brzini metabolizma.
Mineralne soli mogu biti u otopljenom ili neotopljenom stanju. Rastvorljive soli disociraju na jone - katjone i anjone. Najvažniji kationi su joni kalija i natrija, koji olakšavaju prijenos tvari kroz membranu i učestvuju u nastanku i provođenju nervnih impulsa; kao i joni kalcija, koji sudjeluje u procesima kontrakcije mišićnih vlakana i zgrušavanja krvi; magnezijum, koji je dio hlorofila; gvožđe, koje je deo niza proteina, uključujući hemoglobin. Najvažniji anioni su fosfatni anion, koji je dio ATP-a i nukleinskih kiselina, te ostatak ugljične kiseline, koji ublažava fluktuacije pH okoline. Joni mineralnih soli osiguravaju prodiranje same vode u ćeliju i njeno zadržavanje u njoj. Ako je koncentracija soli u okolini niža nego u ćeliji, tada voda prodire u ćeliju. Joni određuju i puferska svojstva citoplazme, odnosno njenu sposobnost da održava konstantan blago alkalni pH citoplazme, uprkos stalnom stvaranju kiselih i alkalnih produkata u ćeliji.
Nerastvorljive soli (CaC0 3, Ca 3 (P0 4) 2 itd.) dio su kostiju, zuba, školjki i školjki jednoćelijskih i višećelijskih životinja.
Osim toga, organizmi mogu proizvoditi i druga anorganska jedinjenja, kao što su kiseline i oksidi. Tako parijetalne ćelije ljudskog želuca proizvode hlorovodoničnu kiselinu koja aktivira probavni enzim pepsin, a silicijum oksid prožima zidove ćelija preslice i formira ljuske dijatomeja. Posljednjih godina se proučava i uloga dušikovog oksida (II) u signaliziranju u stanicama i tijelu.

Organska materija

Opće karakteristike organskih supstanci ćelije

Organske supstance ćelije mogu biti predstavljene i relativno jednostavnim i složenijim molekulima. U slučajevima kada je složena molekula (makromolekula) formirana od značajnog broja ponavljajućih jednostavnijih molekula, naziva se polimer, a strukturne jedinice monomeri. U zavisnosti od toga da li se polimerne jedinice ponavljaju ili ne, dijele se na pravilne ili nepravilne. Polimeri čine do 90% mase suve materije ćelije. Pripadaju u tri glavne klase organskih jedinjenja - ugljikohidrati (polisaharidi), proteini i nukleinske kiseline. Polisaharidi su pravilni polimeri, dok su proteini i nukleinske kiseline nepravilni. Kod proteina i nukleinskih kiselina redoslijed monomera je izuzetno važan, jer oni obavljaju informacijsku funkciju.

Ugljikohidrati - To su organska jedinjenja koja se sastoje uglavnom od tri hemijska elementa - ugljenika, vodonika i kiseonika, iako jedan broj ugljenih hidrata sadrži i azot ili sumpor. Opšta formula ugljikohidrata je C m (H 2 0) n. Dijele se na jednostavne i složene ugljikohidrate.
Jednostavni ugljikohidrati (monosaharidi) sadrže jednu molekulu šećera koja se ne može razgraditi na jednostavnije. To su kristalne supstance, slatkog ukusa i veoma rastvorljive u vodi. Monosaharidi aktivno učestvuju u staničnom metabolizmu i dio su složenih ugljikohidrata - oligosaharida i polisaharida.
Monosaharidi se klasifikuju prema broju atoma ugljenika (C 3 -C 9), na primer, pentoze (C 5) i heksoze (C 6). Pentoze uključuju ribozu i deoksiribozu. Riboza je dio RNK i ATP-a. Deoksiriboza je komponenta DNK. Heksoze (C 6 H 12 0 6) su glukoza, fruktoza, galaktoza itd.
Glukoza(grožđani šećer) se nalazi u svim organizmima, uključujući i ljudsku krv, jer je rezerva energije. Sastoji se od mnogih složenih šećera: saharoze, laktoze, maltoze, škroba, celuloze itd.
Fruktoza(voćni šećer) nalazi se u najvećim koncentracijama u voću, medu i korijenu šećerne repe. Ne samo da aktivno učestvuje u metaboličkim procesima, već je i dio saharoze i nekih polisaharida, poput inzulina.
Većina monosaharida je sposobna dati reakciju „srebrnog ogledala“ i reducirati bakar kada se doda tečnost za filovanje (mešavina rastvora bakar (II) sulfata i kalijum natrijum tartarata) i ključa.
Oligosaharidi uključuju ugljikohidrate formirane od nekoliko monosaharidnih ostataka. Općenito su također vrlo topljivi u vodi i slatkog su okusa. U zavisnosti od broja ovih ostataka razlikuju se disaharidi (dva ostatka), trisaharidi (tri) itd. Disaharidi su saharoza, laktoza, maltoza itd.
Saharoza (šećer od repe ili šećerne trske) sastoji se od ostataka glukoze i fruktoze i nalazi se u organima za skladištenje nekih biljaka. Saharoze posebno ima u korijenskim plodovima šećerne repe i šećerne trske, odakle se industrijski dobijaju. Služi kao standard za slatkoću ugljikohidrata.
Laktoza, ili mliječni šećer, formiran je od ostataka glukoze i galaktoze, koji se nalaze u majčinom i kravljem mlijeku.
Maltoza(slani šećer) sastoji se od dvije jedinice glukoze. Nastaje pri razgradnji polisaharida u sjemenu biljaka i u probavnom sistemu čovjeka, a koristi se u proizvodnji piva.
Polisaharidi su biopolimeri čiji su monomeri mono- ili disaharidni ostaci. Većina polisaharida je nerastvorljiva u vodi i ima nezaslađen ukus. To uključuje škrob, glikogen, celulozu i hitin.
Škrob je bijela praškasta tvar koja se ne vlaži vodom, ali kada se zakuha vrućom vodom formira suspenziju - pastu. U stvarnosti, škrob se sastoji od dva polimera - manje razgranate amiloze i više razgranatog amilopektina. Monomer i amiloze i amilopektina je glukoza. Škrob je glavna skladišna tvar biljaka, koja se u ogromnim količinama nakuplja u sjemenu, plodovima, gomoljima, rizomima i drugim skladišnim organima biljaka. Kvalitativna reakcija na škrob je reakcija s jodom, u kojoj škrob postaje plavoljubičast.
Glikogen(životinjski škrob) je rezervni polisaharid životinja i gljiva, koji se kod ljudi u najvećim količinama akumulira u mišićima i jetri. Takođe je nerastvorljiv u vodi i nema sladak ukus. Monomer glikogena je glukoza. U poređenju sa molekulima škroba, molekuli glikogena su još više razgranati.
Celuloza ili vlakna, je glavni potporni polisaharid biljaka. Monomer celuloze je glukoza. Nerazgranate molekule celuloze formiraju snopove koji su dio staničnih zidova biljaka i nekih gljiva. Celuloza je osnova drveta, koristi se u građevinarstvu, u proizvodnji tekstila, papira, alkohola i mnogih organskih materija. Celuloza je hemijski inertna i ne otapa se ni u kiselinama ni u lužinama. Također se ne razgrađuje enzimima u ljudskom probavnom sistemu, ali njegovu probavu olakšavaju bakterije u debelom crijevu. Osim toga, vlakna stimuliraju kontrakcije zidova gastrointestinalnog trakta, pomažući da se poboljša njegovo funkcioniranje.
Chitin je polisaharid čiji je monomer monosaharid koji sadrži dušik. Dio je ćelijskih zidova gljiva i ljuski artropoda. Ljudskom probavnom sistemu takođe nedostaje enzim za varenje hitina;
Funkcije ugljikohidrata. Ugljikohidrati obavljaju plastične (konstrukcijske), energetske, skladišne ​​i potporne funkcije u ćeliji. Oni formiraju ćelijske zidove biljaka i gljiva. Energetska vrijednost razgradnje 1 g ugljikohidrata je 17,2 kJ. Glukoza, fruktoza, saharoza, škrob i glikogen su tvari za skladištenje. Ugljikohidrati također mogu biti dio složenih lipida i proteina, formirajući glikolipide i glikoproteine, posebno u ćelijskim membranama. Ništa manje važna je i uloga ugljikohidrata u međućelijskom prepoznavanju i percepciji signala iz vanjskog okruženja, jer funkcionišu kao receptori u sastavu glikoproteina.
Lipidi je hemijski heterogena grupa supstanci male molekularne težine sa hidrofobnim svojstvima. Ove tvari su netopive u vodi i u njoj formiraju emulzije, ali su vrlo topljive u organskim rastvaračima. Lipidi su masni na dodir, mnogi od njih ostavljaju karakteristične tragove koji se ne isušuju na papiru. Zajedno sa proteinima i ugljikohidratima, oni su jedna od glavnih komponenti stanica. Sadržaj lipida u različitim ćelijama nije isti, posebno ga ima mnogo u sjemenkama i plodovima nekih biljaka, u jetri, srcu i krvi.
Ovisno o strukturi molekula, lipidi se dijele na jednostavne i složene. Jednostavni lipidi uključuju neutralne lipide (masti), voskove, sterole i steroide. Složeni lipidi također sadrže još jednu, nelipidnu komponentu. Najvažniji od njih su fosfolipidi, glikolipidi itd.
Masti su derivati ​​trihidričnog alkohola glicerola i viših masnih kiselina. Većina masnih kiselina sadrži 14-22 atoma ugljika. Među njima postoje i zasićene i nezasićene, odnosno koje sadrže dvostruke veze. Najčešće zasićene masne kiseline su palmitinska i stearinska, a najčešće nezasićene masne kiseline su oleinska. Neke nezasićene masne kiseline se ne sintetiziraju u ljudskom tijelu ili se sintetiziraju u nedovoljnim količinama, pa su stoga esencijalne. Ostaci glicerola formiraju hidrofilne „glave“, a ostaci masnih kiselina „repove“.
Vjeverice - To su visokomolekularna jedinjenja, biopolimeri, čiji su monomeri aminokiseline povezane peptidnim vezama.
Amino kiseline naziva se organsko jedinjenje koje ima amino grupu, karboksilnu grupu i radikal. Ukupno se u prirodi nalazi oko 200 aminokiselina koje se razlikuju po radikalima i međusobnom rasporedu funkcionalnih grupa, ali samo 20 od njih može biti dio proteina. Takve aminokiseline se nazivaju proteinogene.
Nažalost, ne mogu se sve proteinogene aminokiseline sintetizirati u ljudskom tijelu, pa se dijele na zamjenjive i esencijalne.
Neesencijalne aminokiseline se stvaraju u ljudskom tijelu u potrebnim količinama, ali esencijalne ne. Moraju se snabdjeti hranom, ali ih mogu djelomično sintetizirati i crijevni mikroorganizmi. Postoji 8 potpuno esencijalnih aminokiselina, uključujući valin, izoleucin, leucin, lizin, metionin, treonin, triptofan i fenilalanin. Unatoč činjenici da se apsolutno sve proteinogene aminokiseline sintetiziraju u biljkama, biljni proteini su nekompletni jer ne sadrže cijeli set aminokiselina, a prisustvo proteina u vegetativnim dijelovima biljaka rijetko prelazi 1-2% mase. . Stoga je potrebno jesti proteine ​​ne samo biljnog, već i životinjskog porijekla.
Niz od dvije aminokiseline povezane peptidnim vezama naziva se dipeptid, od tri - tripeptid itd. Među peptidima postoje važna jedinjenja kao što su hormoni (oksitocin, vazopresin), antibiotici itd. Lanac od više od deset aminokiselina kiseline se nazivaju polipeptidi, a polipeptidi koji sadrže više od 50 aminokiselinskih ostataka su proteini.
Nivoi strukturne organizacije proteina. Proteini mogu imati primarnu, sekundarnu, tercijarnu i kvartarnu strukturu.
Primarna struktura proteina je niz aminokiselina povezanih peptidnom vezom. Primarna struktura u konačnici određuje specifičnost proteina i njegovu jedinstvenost, jer čak i ako pretpostavimo da prosječan protein sadrži 500 aminokiselinskih ostataka, onda je broj mogućih kombinacija 20.500, dakle, promjena lokacije barem jednog aminokiselina kiselina u primarnoj strukturi povlači za sobom promjenu sekundarne i više strukture, kao i svojstva proteina u cjelini.
Strukturne karakteristike proteina određuju njegov prostorni raspored – pojavu sekundarnih i tercijarnih struktura.
Sekundarna struktura je prostorni raspored proteinske molekule u obliku spirale ili nabora, koji se drži vodoničnim vezama između atoma kisika i vodika peptidnih grupa različitih zavoja spirale ili nabora. Mnogi proteini sadrže više ili manje dugačke regije sa sekundarnom strukturom. To su, na primjer, keratini kose i noktiju, svileni fibroin.
Tercijarna struktura Protein je također oblik prostornog rasporeda polipeptidnog lanca koji se drži zajedno hidrofobnim, vodoničnim, disulfidnim (S-S) i drugim vezama. Karakteristična je za većinu proteina u tijelu, poput mišićnog mioglobina.
Kvartarna struktura- najkompleksniji, formiran od nekoliko polipeptidnih lanaca povezanih uglavnom istim vezama kao u tercijarnom (hidrofobnom, jonskom i vodikovom), kao i drugim slabim interakcijama. Kvartarna struktura je karakteristična za nekoliko proteina, kao što su hemoglobin, hlorofil itd.
Na osnovu oblika molekula razlikuju se fibrilarni i globularni proteini. Prvi od njih su izduženi, poput kolagena vezivnog tkiva ili keratina kose i noktiju. Globularni proteini imaju oblik lopte (globule), poput mišićnog mioglobina.
Jednostavni i složeni proteini. Proteini mogu biti jednostavni ili složeni. Jednostavni proteini se sastoje samo od aminokiselina, dok složeni proteini (lipoproteini, hromoproteini, glikoproteini, nukleoproteini itd.) sadrže proteinske i neproteinske dijelove. Hromoproteini sadrže obojeni neproteinski dio. To uključuje hemoglobin, mioglobin, hlorofil, citokrome itd.
Dakle, u sastavu hemoglobina svaki od četiri polipeptidna lanca proteina globina povezan je sa neproteinskim dijelom - hemom, u čijem se središtu nalazi ion željeza, koji hemoglobinu daje crvenu boju. Neproteinski dio lipoproteina je lipid, a aglikoproteini su ugljikohidrati. I lipoproteini i glikoproteini su dio ćelijskih membrana. Nukleoproteini su kompleksi proteina i nukleinskih kiselina (DNK i RNK). Oni obavljaju najvažnije funkcije u procesima skladištenja i prijenosa nasljednih informacija.
Osobine proteina. Mnogi proteini su visoko rastvorljivi u vodi, ali postoje i oni koji se otapaju samo u rastvorima soli, lužina, kiselina ili organskih rastvarača. Struktura proteinske molekule i njena funkcionalna aktivnost zavise od uslova okoline. Gubitak strukture proteinskog molekula, čak i njegove primarne strukture, naziva se denaturacija.
Denaturacija nastaje usled promena temperature, pH, atmosferskog pritiska, pod uticajem kiselina, lužina, soli teških metala, organskih rastvarača itd. Obrnuti proces obnove sekundarnih i viših struktura naziva se renaturacija, međutim, nije uvijek moguće. Potpuno uništenje proteinske molekule naziva se destrukcija.
Proteini obavljaju niz funkcija u ćeliji: plastičnu (konstrukciju), katalitičku (enzimsku), energetsku, signalnu (receptorsku), kontraktilnu (motornu), transportnu, zaštitnu, regulatornu i skladišnu.
Konstrukcijska funkcija proteina povezana je s njihovim prisustvom u ćelijskim membranama i strukturnim komponentama ćelije. Energija - zbog činjenice da se prilikom razgradnje 1 g proteina oslobađa 17,2 kJ energije. Proteini membranskih receptora aktivno učestvuju u percepciji ekoloških signala i njihovom prijenosu kroz ćeliju, kao i u međućelijskom prepoznavanju. Bez proteina je nemoguće kretanje stanica i organizama u cjelini, jer oni čine osnovu flagela i cilija, a također osiguravaju kontrakciju mišića i kretanje intracelularnih komponenti. U krvi ljudi i mnogih životinja, protein hemoglobin prenosi kisik i dio ugljičnog dioksida, drugi proteini prenose ione i elektrone. Zaštitna uloga proteina povezana je prvenstveno sa imunitetom, jer je protein interferona sposoban da uništi mnoge viruse, a proteini antitijela potiskuju razvoj bakterija i drugih stranih agenasa. Među proteinima i peptidima postoji mnogo hormona, na primjer, hormon gušterače, inzulin, koji regulira koncentraciju glukoze u krvi. U nekim organizmima, proteini se mogu skladištiti kao rezerve, poput mahunarki u sjemenkama ili bjelančevina kokošjeg jajeta.
Nukleinske kiseline su biopolimeri čiji su monomeri nukleotidi. Trenutno su poznate dvije vrste nukleinskih kiselina: ribonukleinska kiselina (RNA) i deoksiribonukleinska kiselina (DNK).
Nukleotid je formiran od azotne baze, ostatka šećera pentoze i ostatka ortofosforne kiseline. Karakteristike nukleotida uglavnom su određene azotnim bazama koje ih čine, pa se, čak i konvencionalno, nukleotidi označavaju prvim slovima njihovih imena.
Nukleotidi mogu sadržavati pet azotnih baza: adenin (A), gvanin (G), timin (T), uracil (U) i citozin (C). Nukleotidi pentoze - riboza i deoksiriboza - određuju koji će nukleotid biti formiran - ribonukleotid ili deoksiribonukleotid. Ribonukleotidi su RNK monomeri, mogu djelovati kao signalni molekuli (cAMP) i biti dio visokoenergetskih jedinjenja, kao što je ATP, i koenzima, kao što su NADPH + H +, NADH + H +, FADH 2, itd., a deoksiribonukleotidi su dio DNK.
Deoksiribonukleinska kiselina (DNK) je dvolančani biopolimer čiji su monomeri deoksiribonukleotidi. Dezoksiribonukleotidi sadrže samo četiri azotne baze od pet mogućih - adenin (A), timin (T), gvanin (G) i citozin (C), kao i ostatke deoksiriboze i ortofosforne kiseline. Nukleotidi u lancu DNK povezani su jedni s drugima preko ostataka ortofosforne kiseline, formirajući fosfodiestarsku vezu. Kada se formira dvolančana molekula, azotne baze se usmjeravaju prema unutrašnjosti molekula. Međutim, spajanje lanaca DNK ne događa se nasumično – azotne baze različitih lanaca međusobno su povezane vodoničnim vezama po principu komplementarnosti: adenin je povezan s timinom pomoću dvije vodikove veze (A=T), a gvanin je povezan sa citozinom preko tri (G≡C).
Instalirani su za nju Chargaff pravila :
1. Broj nukleotida DNK koji sadrže adenin jednak je broju nukleotida koji sadrže timin (A=T).
2. Broj nukleotida DNK koji sadrže gvanin jednak je broju nukleotida koji sadrže citozin (G≡C).
3. Zbir deoksiribonukleotida koji sadrže adenin i gvanin jednak je zbiru deoksiribonukleotida koji sadrže timin i citozin (A+G = T+C).
4. Odnos zbira deoksiribonukleotida koji sadrže adenin i timin prema zbiru deoksiribonukleotida koji sadrže gvanin i citozin zavisi od vrste organizma.
Strukturu DNK dešifrovali su F. Crick i D. Watson (Nobelova nagrada za fiziologiju i medicinu, 1962.). Prema njihovom modelu, molekula DNK je desna dvostruka spirala. Udaljenost između nukleotida u lancu DNK je 0,34 nm.
Najvažnije svojstvo DNK je sposobnost replikacije (samo-dupliciranja). Glavna funkcija DNK je skladištenje i prijenos nasljednih informacija koje su zapisane u obliku nukleotidnih sekvenci. Stabilnost molekule DNK održavaju snažni sistemi za popravku (oporavak), ali ni oni nisu u stanju da u potpunosti eliminišu štetne efekte, što u konačnici dovodi do pojave mutacija. DNK eukariotskih ćelija koncentrisana je u jezgru, mitohondrijama i plastidima, dok se u prokariotskim ćelijama nalazi direktno u citoplazmi. Nuklearna DNK je osnova hromozoma, predstavljena je otvorenim molekulima. DNK mitohondrija, plastida i prokariota je kružna.
ribonukleinska kiselina (RNA)- biopolimer čiji su monomeri ribonukleotidi. Sadrže i četiri azotne baze - adenin (A), uracil (U), gvanin (G) i citozin (C), čime se od DNK razlikuju po jednoj od baza (umjesto timina, RNK sadrži uracil). Ostatak šećera pentoze u ribonukleotidima je predstavljen ribozom. RNK su uglavnom jednolančani molekuli, s izuzetkom nekih virusnih. Postoje tri glavne vrste RNK: glasnik ili šablon (mRNA), ribosomalna (rRNA) i transportna (tRNA). Svi oni nastaju u procesu transkripcije - prepisivanja iz DNK molekula.
mRNA čine najmanji dio RNK u ćeliji (2-4%), što je kompenzirano njihovom raznolikošću, budući da jedna ćelija može sadržavati hiljade različitih mRNA. To su jednolančani molekuli koji su šabloni za sintezu polipeptidnih lanaca. Informacije o strukturi proteina zabilježene su u njima u obliku nukleotidnih sekvenci, pri čemu je svaka aminokiselina kodirana tripletom nukleotida - kodonom.
rRNA su najzastupljenija vrsta RNK u ćeliji (do 80%). Njihova molekularna težina je u prosjeku 3000-5000; formiraju se u nukleolima i dio su ćelijskih organela - ribozoma. Čini se da rRNA također igraju ulogu u sintezi proteina.
tRNA su najmanji od RNK molekula, jer sadrže samo 73-85 nukleotida. Njihov udio u ukupnoj količini RNK u ćeliji je oko 16%. Funkcija tRNA je transport aminokiselina do mjesta sinteze proteina (ribozoma). Molekul tRNA je oblikovan kao list djeteline. Na jednom kraju molekule nalazi se mjesto za vezivanje aminokiseline, au jednoj od petlji nalazi se triplet nukleotida, komplementaran kodonu mRNA i koji određuje koju će aminokiselinu tRNA nositi - antikodon.
Sve vrste RNK aktivno učestvuju u procesu implementacije nasljednih informacija, koje se transkribuju iz DNK u mRNA, a potonja vrši sintezu proteina. tRNA isporučuje aminokiseline ribozomima tokom sinteze proteina, a rRNA je dio samih ribozoma.
Adenozin trifosforna kiselina (ATP) je nukleotid koji sadrži, pored azotne baze adenina i ostatka riboze, tri ostatka fosforne kiseline.
Veze između posljednja dva ostatka fosfora su visokoenergetske (cijepanjem se oslobađa 42 kJ/mol energije), dok standardna hemijska veza tokom cijepanja proizvodi 12 kJ/mol. Kada je energija potrebna, makroergijska veza ATP-a se cijepa, adenozin difosforna kiselina (ADP), formira se ostatak fosfora i energija se oslobađa:
ATP + H 2 0 → ADP + H 3 P0 4 + 42 kJ.
ADP se također može razgraditi da nastane AMP (adenozin monofosforna kiselina) i ostatak fosforne kiseline:
ADP + H 2 0 → AMP + H 3 P0 4 + 42 kJ.
U procesu energetskog metabolizma (tokom disanja, fermentacije), kao iu procesu fotosinteze, ADP vezuje ostatak fosfora i pretvara se u ATP. Reakcija redukcije ATP-a naziva se fosforilacija. ATP je univerzalni izvor energije za sve životne procese živih organizama.
Proučavanje hemijskog sastava ćelija svih živih organizama pokazalo je da one sadrže iste hemijske elemente, hemijske supstance koje obavljaju iste funkcije. Štoviše, u njemu će raditi dio DNK koji se prenosi iz jednog organizma u drugi, a protein koji sintetiziraju bakterije ili gljive obavljat će funkcije hormona ili enzima u ljudskom tijelu. Ovo je jedan od dokaza o jedinstvu porijekla organskog svijeta.
Masti Oni uglavnom obavljaju funkciju skladištenja u ćelijama i služe kao izvor energije. Bogate su potkožnim masnim tkivom koje obavlja funkciju amortizacije i termoizolacije, a kod vodenih životinja povećava i uzgonu. Biljne masti uglavnom sadrže nezasićene masne kiseline, zbog čega su tečne i nazivaju se uljima koje se nalaze u sjemenkama mnogih biljaka, poput suncokreta, soje, uljane repice, itd.
Voskovi- To su složene mješavine masnih kiselina i masnih alkohola. Kod biljaka na površini lista stvaraju film koji štiti od isparavanja, prodora patogena i sl. Kod jednog broja životinja pokrivaju tijelo ili služe za izgradnju saća.
Steroli uključuju lipide kao što je holesterol, bitnu komponentu ćelijskih membrana, a steroidi uključuju polne hormone estradiol, testosteron itd.
Fosfolipidi, pored ostataka glicerola i masnih kiselina, sadrže i ostatke ortofosforne kiseline. Oni su dio ćelijskih membrana i pružaju njihova barijerna svojstva.
Glikolipidi su također komponente membrana, ali je njihov sadržaj tamo nizak. Nelipidni dio glikolipida su ugljikohidrati.
Funkcije lipida. Lipidi obavljaju plastičnu (konstrukciju), energetsku, skladišnu, zaštitnu i regulatornu funkciju u ćeliji, osim toga, oni su rastvarači za brojne vitamine. Bitna je komponenta ćelijskih membrana. Kada se 1 g lipida razgradi, oslobađa se 38,9 kJ energije. Pohranjuju se u raznim organima biljaka i životinja. Osim toga, potkožno masno tkivo štiti unutrašnje organe od hipotermije ili pregrijavanja, kao i od šoka. Regulatorna funkcija lipida je zbog činjenice da su neki od njih hormoni.

Organska jedinjenja čine u prosjeku 20-30% ćelijske mase živog organizma. To uključuje biološke polimere - proteine, nukleinske kiseline i ugljikohidrate, kao i masti i niz malih molekula - hormone, pigmente, ATP i mnoge druge.

Različite vrste ćelija sadrže različite količine organskih jedinjenja. U biljnim ćelijama dominiraju složeni ugljikohidrati - polisaharidi, dok je u životinjskim ćelijama više proteina i masti. Međutim, svaka od grupa organskih tvari u bilo kojoj vrsti stanice obavlja slične funkcije.

Lipidi - ovo je naziv za masti i supstance slične mastima (lipoidi). Ovdje uključene tvari karakteriziraju topljivost u organskim rastvaračima i nerastvorljivost (relativna) u vodi.

Postoje biljne masti, koje imaju tečnu konzistenciju na sobnoj temperaturi, i životinjske masti, koje imaju čvrstu konzistenciju.

Funkcije lipida:

Strukturni - fosfolipidi su dio ćelijskih membrana;

Skladištenje - masti se akumuliraju u ćelijama kralježnjaka;

Energija - trećina energije koju troše stanice kralježnjaka u mirovanju nastaje kao rezultat oksidacije masti, koje se također koriste kao izvor vode;

Zaštitni - potkožni masni sloj štiti tijelo od mehaničkih oštećenja;

Toplotna izolacija - potkožna mast pomaže u zadržavanju topline;

Električna izolacija - mijelin koji luče Schwannove stanice izolira neke neurone, što višestruko ubrzava prijenos nervnih impulsa;

Nutritivna – žučne kiseline i vitamin D nastaju iz steroida;

Podmazivanje - voskovi pokrivaju kožu, krzno, perje životinja i štite ih od vode; listovi mnogih biljaka prekriveni su voštanim premazom; vosak koriste pčele u izgradnji saća;

Hormonski - hormon nadbubrežne žlijezde - kortizon i polni hormoni su lipidne prirode, njihovi molekuli ne sadrže masne kiseline.

Kada se 1 g masti razgradi, oslobađa se 38,9 kJ energije.

Ugljikohidrati

Ugljikohidrati sadrže ugljik, vodonik i kisik. Razlikuju se sljedeći ugljikohidrati. Kada se 1 g supstance razgradi, oslobađa se 17,6 kJ energije.

Monosaharidi, odnosno jednostavni ugljikohidrati, koji se, ovisno o sadržaju atoma ugljika, nazivaju trioze, pentoze, heksoze itd. Pentoze - riboza i deoksiriboza - dio su DNK i RNK. Heksoza – glukoza – služi kao glavni izvor energije u ćeliji.

Polisaharidi- polimeri čiji su monomeri heksoza monosaharidi. Najpoznatiji disaharidi (dva monomera) su saharoza i laktoza. Najvažniji polisaharidi su škrob i glikogen, koji služe kao rezervne tvari za biljne i životinjske stanice, kao i celuloza, najvažnija strukturna komponenta biljnih stanica.

Biljke imaju veću raznolikost ugljikohidrata od životinja, jer su u stanju da ih sintetiziraju na svjetlu tokom procesa fotosinteze. Najvažnije funkcije ugljikohidrata u ćeliji: energetska, strukturna i skladišna.

Energetska uloga je da ugljikohidrati služe kao izvor energije u biljnim i životinjskim stanicama; strukturni - stanični zid biljaka gotovo se u potpunosti sastoji od celuloznog polisaharida; skladištenje - škrob služi kao rezervni proizvod za biljke. Akumulira se tokom procesa fotosinteze u toku vegetacije i kod niza biljaka se taloži u krtolama, lukovicama itd. U životinjskim ćelijama ovu ulogu ima glikogen, koji se taloži uglavnom u jetri.

Vjeverice

Među organskim materijama ćelija, proteini zauzimaju prvo mesto, kako po količini, tako i po važnosti. Kod životinja oni čine oko 50% suhe mase ćelije. U ljudskom tijelu nalazi se oko 5 miliona vrsta proteinskih molekula, koji se razlikuju ne samo jedni od drugih, već i od proteina drugih organizama. Uprkos takvoj raznolikosti i složenosti strukture, proteini se grade od samo 20 različitih aminokiselina. Neki od proteina koji čine ćelije organa i tkiva, kao i aminokiseline koje ulaze u tijelo, ali se ne koriste u sintezi proteina, podliježu razgradnji, oslobađajući 17,6 kJ energije po 1 g tvari.

Proteini obavljaju mnoge različite funkcije u tijelu: izgradnju (dio su različitih strukturnih formacija); zaštitni (posebni proteini - antitela - sposobni su da vežu i neutrališu mikroorganizme i strane proteine) itd. Osim toga, proteini učestvuju u zgrušavanju krvi, sprečavaju teška krvarenja, obavljaju regulatornu, signalnu, motoričku, energetsku, transportnu funkciju (prenos određenih supstanci). u telu).

Katalitička funkcija proteina je izuzetno važna. Izraz "kataliza" znači "razvezivanje", "oslobađanje". Supstance klasificirane kao katalizatori ubrzavaju kemijske transformacije, a sastav samih katalizatora nakon reakcije ostaje isti kao što je bio prije reakcije.

Enzimi

Svi enzimi koji deluju kao katalizatori su supstance proteinske prirode, oni ubrzavaju hemijske reakcije koje se dešavaju u ćeliji za desetine i stotine hiljada puta. Katalitička aktivnost enzima nije određena njegovom cijelom molekulom, već samo malim dijelom - aktivnim centrom, čije je djelovanje vrlo specifično. Jedna molekula enzima može imati nekoliko aktivnih centara.

Neki molekuli enzima mogu se sastojati samo od proteina (na primjer, pepsina) - jednokomponentni ili jednostavni; drugi sadrže dvije komponente: protein (apoenzim) i mali organski molekul - koenzim. Utvrđeno je da vitamini funkcionišu kao koenzimi u ćelijama. Ako uzmemo u obzir da se niti jedna reakcija u ćeliji ne može izvesti bez sudjelovanja enzima, postaje očito da su vitamini od najveće važnosti za normalno funkcioniranje stanice i cijelog organizma. Nedostatak vitamina smanjuje aktivnost enzima koji ih sadrže.

Aktivnost enzima direktno ovisi o djelovanju niza faktora: temperature, kiselosti (pH okoline), kao i o koncentraciji molekula supstrata (tvar na koju djeluju), samih enzima i koenzima ( vitamini i druge supstance koje čine koenzime).

Određeni enzimski proces može se potaknuti ili inhibirati djelovanjem različitih biološki aktivnih tvari, kao što su hormoni, lijekovi, stimulansi rasta biljaka, toksične tvari itd.

Vitamini

Vitamini - biološki aktivne niskomolekularne organske supstance - učestvuju u metabolizmu i pretvorbi energije u većini slučajeva kao komponente enzima.

Dnevna potreba osobe za vitaminima je miligrama, pa čak i mikrograma. Poznato je više od 20 različitih vitamina.

Izvor vitamina za ljude je hrana, uglavnom biljnog porijekla, au nekim slučajevima i životinjskog porijekla (vitamin D, A). Neki vitamini se sintetiziraju u ljudskom tijelu.

Nedostatak vitamina uzrokuje bolest - hipovitaminozu, njihov potpuni nedostatak - avitaminozu, a višak - hipervitaminozu.

Hormoni

Hormoni - supstance koje proizvode endokrine žlezde i neke nervne ćelije - neurohormoni. Hormoni su u stanju da učestvuju u biohemijskim reakcijama, regulišući metaboličke procese (metabolizam i energiju).

Karakteristične karakteristike hormona su: 1) visoka biološka aktivnost (hormonski signali u „ciljnoj ćeliji” 3) opseg delovanja (prenos hormona na daljinu do ciljnih ćelija); kratko vrijeme postojanja u tijelu (nekoliko minuta ili sati).

Nukleinske kiseline

Postoje 2 vrste nukleinskih kiselina: DNK (deoksiribonukleinska kiselina) i RNA (ribonukleinska kiselina).

ATP - adenozin trifosforna kiselina, nukleotid koji se sastoji od azotne baze adenina, ugljikohidrata riboze i tri molekula fosforne kiseline.

Struktura je nestabilna, pod utjecajem enzima prelazi u ADP - adenozin difosfornu kiselinu (odcijepi se jedan molekul fosforne kiseline) uz oslobađanje 40 kJ energije. ATP je jedini izvor energije za sve ćelijske reakcije.

Osobitosti hemijske strukture nukleinskih kiselina pružaju mogućnost skladištenja, prijenosa i nasljeđivanja u ćelije kćeri informacija o strukturi proteinskih molekula koji se sintetiziraju u svakom tkivu u određenoj fazi individualnog razvoja.

Nukleinske kiseline osiguravaju stabilno očuvanje nasljednih informacija i kontroliraju stvaranje odgovarajućih enzimskih proteina, a enzimski proteini određuju glavne karakteristike ćelijskog metabolizma.