Молекулярний рівень організації життя: органічні та неорганічні речовини

Хімічні елементи (за кількісним складом)

Речовини клітини

Елемент

Символ

Вміст (%)

Значення для клітини й організму

Карбон

с

15—18

Головний структурний компонент всіх органічних сполук клітини

Оксиген

О

65—75

Головний структурний компонент всіх органічних сполук клітини

Нітроген

N

1,5— 3,0

Обов’язковий компонент амінокислот

Гідроген

H

8—10

Головний структурний компонент всіх органічних сполук клітини

Фосфор

P

0,0001

Входить до складу кісткової тканини і зубної емалі, нуклеїнових кислот, АТФ і деяких ферментів

Калій

K

0,15—0,4

Міститься в клітині тільки у вигляді йонів, активує ферменти білкового синтезу, обумовлює ритм серцевої діяльності, бере участь у процесах фотосинтезу

Сульфур

S

0,15—0,20

Входить до складу деяких амінокислот, ферментів, вітаміну В

Хлор

Cl

0,05—0,10

Найважливіший аніон в організмі тварин, компонент HCl у шлунковому соку

Кальцій

Ca

0,04—2,00

Входить до складу клітинної стінки рослин, кісток і зубів; активує згортання крові й скорочення м’язових волокон

Магній

Mg

0,02—0,03

Входить до складу молекул хлорофілу, а також кісток і зубів, активує енергетичний обмін і синтез ДНК

Натрій

Na

0,02—0,03

Міститься в клітині тільки у вигляді йонів, обумовлює нормальний ритм серцевої діяльності, впливає на синтез гормонів

Ферум

Fe

0,010—0,015

Входить до складу багатьох ферментів, гемоглобіну і міоглобіну, бере участь у біосинтезі хлорофілу, у процесах дихання і фотосинтезу

Іод

I

0,0001

Входить до складу гормонів щитоподібної залози

Купрум

Cu

0,0002

Входить до складу деяких ферментів, бере участь у процесах кровотворення, фотосинтезу, синтезу гемоглобіну

Манган

Mn

0,0001

Входить до складу деяких ферментів або підвищує їх активність, бере участь у розвитку кісток, асиміляції азоту й процесі фотосинтезу

Молібден

Mo

0,0001

Входить до складу деяких ферментів, бере участь у процесах зв’язування атмосферного азоту рослинами

Кобальт

Co

0,0001

Входить до складу вітаміну Б,, бере участь у фіксації атмосферного азоту рослинами, розвитку еритроцитів

Цинк

Zn

0,0003

Входить до складу деяких ферментів, бере участь у синтезі рослинних гормонів (фуксину) і спиртовому бродінні

Молекула води (H₂O) полярна . її різні полюси мають частково позитивні і негативні заряди . У цілому молекула води електронейтральна . Сусідні молекули води можуть притягуватись одна до одної за рахунок сил електростатичної взаємодії між негативним зарядом на

атомі Оксигену однієї молекули та позитивним зарядом на атомі Гідрогену іншої . Такий тип зв’язку називається водневим . Водневий зв’язок обумовлює відносно високі температури кипіння, плавлення та випаровування

Значення води

1.

Вода — універсальний розчинник . За розчинністю у воді речовини поділяються на гідрофільні (добре розчинні) та гідрофобні (нерозчинні)

2 .

Вода визначає деякі фізичні властивості клітин — їхній об’єм, внутрішній тиск (тургор) .

3 .

Вода — середовище для фізіологічних і біологічних процесів . Розщеплення багатьох речовин відбувається за рахунок їх взаємодії з водою, каталізуємої ферментами . Такі реакції називаються реакціями гідролізу

4 .

Вода — терморегулятор . Вона має велику теплоємкість, тобто здатна поглинати тепло без значних змін своєї температури

5 .

Вода — основне середовище пересування речовин в організмі та клітині

До неорганічних речовин клітини належать мінеральні сполуки — солі Натрію, Калію, Кальцію та ін .

В організмі солі перебувають або в іонному стані, або у вигляді твердих сполук

Катіони

Аніони

H+ — Гідрогену

OH — гідроксилу

K+ — Калію

Cl^-— хлоридної кислоти

Na+ — Натрію

HSO-1

SQ2-— сульфатної кислоти

Ca²+ — Кальцію

H₂PO-l ..

HPQ2- г — фосфатної кислоти

Mg²+ — Магнію

HCO- — карбонатної кислоти

Органічні речовини — сполуки, молекули котрих утворені ланцюгами з ковалентно зв’язаних атомів Карбону. Макромолекули — відносно великі молекули з високою молекулярною масою . Такі молекули складаються з подібних за структурою низькомоле

кулярних сполук, які повторюються й ковалентно зв’язані між собою . Утворена мономерами макромолекула називається полімером .

Серед органічних речовин клітини макромолекулами є полісахариди, білкові молекули, нуклеїнові кислоти .

Регулярними біополімерами є, наприклад, крохмаль, глікоген, целюлоза . Нерегулярними — білки та нуклеїнові кислоти .

молекули вуглеводів побудовані з трьох елементів — Карбону, Ок-сигену і Гідрогену. Вуглеводи — основне джерело енергії для живих організмів Рослини синтезують вуглеводи в процесі фотосинтезу.

Вміст вуглеводів у клітинах тварин рідко перевищує 5 %, але в клітинах рослин може досягати 90 % від загальної кількості органічних молекул

Моносахариди, або прості цукри,— сполуки з емпіричною формулою C_n(H₂O)_n, які не гідролізуються . Це тверді кристалічні речовини, розчинні у воді, мають солодкий смак . За кількістю атомів Карбону моносахариди поділяються: на тріози C₃H₆O₃ — молочна та піровиноградні кислоти, проміжні продукти вуглеводного обміну;

тетрози C₄H₈O₄ — зустрічаються рідко, частіше в бактерій; пентози C₅H₁₀O₅ — рибоза, входить до складу РНК;

C₅H₁₀O₄ — дезоксирибоза, входить до складу ДНК;

гексози C₆H₁₂O₆ — глюкоза, фруктоза, галактоза

Глюкоза

Фруктоза

Рибоза

Дезоксирибоза

Глюкоза — первинне джерело енергії для клітин . Вона обов’язково входить до складу майже всіх клітин, органів і тканин, регулює осмотичний тиск Зниження рівня глюкози в крові призводить до по

рушення життєдіяльності нервових та м’язових клітин У розчинах глюкоза існує в циклічній та лінійній формах, між якими встановлюється хімічна рівновага .

Дисахариди - вуглеводи, молекули яких складаються з двох молекул моносахаридів . Мають

приємний солодкий смак, добре розчиняються у воді .

Полісахариди складаються з великої кількості моносахаридів . Відрізняються між собою складом мономерів, довжиною та ступе-

нем розгалуженості Полісахариди майже не розчиняються у воді й не мають солодкого смаку

Полісахариди (за складом)

Функція

Характеристика

Енергетична

Основне джерело енергії . Розщеплюються до моносахаридів із наступним окиснен-ням до СО₂ та Н₂О . При розщепленні 1 г вуглеводів виділяється 17,6 кДж енергії

Структурна

Входять до складу оболонок клітин і деяких органел . У рослин полісахариди виконують опорну функцію

Запасаюча

Накопичуються в тканинах рослин (крохмаль) та тварин (глікоген) . Використовуються при виникненні потреби в енергії

Захисна

Секрети, що виділяються різними залозами, збагачені вуглеводами, наприклад глюкопротеїдами, які захищають стінки полих органів (стравохід, шлунок, бронхи) від механічних пошкоджень, проникнення шкідливих бактерій та вірусів

Ліпіди — нерозчинні у воді, але добре розчинні в неполярних ре-

човинах (ефірі, ацетоні тощо) органічні сполуки

Жири

Жироподібні речовини: фосфоліпіди, гліколіпі-ди, стероїди, ліпопротеїди, воски, жирні кислоти

Найпоширенішими сполуками серед ліпідів є жири, до складу яких входять трьохатомний спирт гліцерин і залишки жирних кислот

Схема будови молекули жиру: R1, R2, R3 — залишки жирних кислот, за якими відрізняються різні жири

Тверді

Рідкі

Переважно тваринні жири . У складі молекул більше насичених жирних кислот

Переважно рослинні жири .

У складі молекул багато нена-сичених жирних кислот

Функція

Характеристика

Енергетична

При повному окисненні 1 г жиру виділяється 38,9 кДж енергії

Запасаюча

Жири відкладаються у тканинах, формуючи резервні енергетичні запаси . Запаси жирів можуть бути джерелом метаболічної води (у верблюдів)

Захисна

Жирові відкладення захищають організм та внутрішні органи від механічних пошкоджень

Теплоізолююча

Жирові відкладення, підшкірна жирова клітковина запобігає тепловим утратам

Будова і функції жироподібних речовин

Фосфоліпіди -

містять залишок фосфорної кислоти, входять до складу клітинних мембран

Гліколіпіди -

сполуки ліпідів з вуглеводами . Є складовою частиною тканин мозку та нервових волокон

Ліпопротеїди -

комплексні сполуки різноманітних білків із жирами

Стероїди -

важливі компоненти статевих гормонів, вітаміну D

Воски -

виконують захисну функцію: у ссавців змащують шкіру і волосся, у птахів надають пір’ю водовідштовхувальних властивостей, у рослин запобігають надмірному випаровуванню води

Білки - високомолекулярні нерегулярні гетерополімери, мономерами яких є амінокислоти

До складу білків входять 20 різних амінокислот.

Схема будови молекули амінокислоти:

R - амінокислотний радикал, за яким відрізняються різні амінокислоти

Амінокислоти сполучаються між собою ковалентним зв’язком між карбоксильною групою однієї амінокислоти та аміногру

пою іншої . Такий зв’язок називається пептидним . Амінокислоти об’єднуються за допомогою пеп-тидних зв’язків у пептиди .

Структура

Характеристика

Визначається порядком чергування амінокислот у пептидному ланцюзі . Амінокислоти з’єднуються міцним пептидним зв’язком

Спірально-закручений білковий ланцюжок Витки спіралі утримуються водневими зв’язками між СО- і NH-групами, розташованими на сусідніх витках

Виникає внаслідок закручування вторинної структури в клубок (глобулу) . Клубок утримується гідрофобними, іонними та водневими взаємодіями

Формується кількома глобулами білка . Стійку конфігурацію утворюють гідрофобні, електростатичні та водневі зв’язки

Під впливом різних фізико-хімічних чинників (дія концентрованих кислот і лугів, важких металів, високої температури тощо) структура та властивості білків можуть змінюватися . Процес порушення природної структури білка або розгортання поліпептидного ланцюга без руйнування пептидних зв’язків називається денатурацією

Денатурація має необоротний характер . Однак на перших стадіях, за умов припинення дії негативних чинників, білок може відновлювати свій нормальний стан (ренату-рація) .

Процес руйнування первинної структури білків завжди необоротний, він називається деструкцією

Функція

Характеристика

Ферментативна

(біокаталіз)

Ферменти забезпечують проходження хімічних реакцій у клітині за низьких температур, невисокого тиску і дуже малих концентрацій

Будівна

(структурна)

Основний будівний матеріал клітини (мембран, органоїдів)

Захисна

Білки-антитіла здатні «розрізнювати» і знищувати хвороботворні мікроорганізми . Білки ядра гістони захищають молекули ДНК від ушкоджень . Білкові фактори згортання крові захищають організм від крововтрат

Регуляторна (гуморальна, гормональна)

Поряд із нервовою системою гормони білкової природи керують роботою різних органів і всього організму через систему хімічних реакцій

Сигнальна

Окремі білки клітинних мембран здійснюють прийом сигналів і передачу їх всередину клітини

Скорочувальна

(рухова)

Усі види рухів виробляються особливими видами скорочувальних білків

Транспортна

Транспортні білки крові переносять кисень та органічні речовини

Енергетична

При окисненні 1 г білка вивільняється 17,2 кДж енергії

У 1868 р . швейцарський лікар І . Ф . Мішер виявив у ядрах лейкоцитів, що входять до складу гною, речовини кислотної природи, які він назвав нуклеїновими кислота

ми (від латин . nucleus — ядро) . Згодом нуклеїнові кислоти були виявлені у всіх рослинних і тваринних клітинах, вірусах, бактеріях і грибах

Нуклеїнові кислоти — складні ви-сокомолекулярні біополімери, мономерами яких є нуклеотиди .

У клітинах присутні дизоксирибо-нуклеїнові (ДНК) та рибонуклеїнові (РНК) кислоти .

Молекула нуклеотиду складається з трьох частин — азотистої основи, моносахариду (пентози) та залишку фосфорної кислоти

Залежно від виду пентози в складі нуклеотиду розрізняють дезоксирибонуклеїнові кислоти (ДНК), до складу яких входять залишки дезоксирибози, та рибонуклеїнові кислоти (РНК), які містять залишки рибози

У молекулах ДНК і РНК є залишки азотистих основ: аденіну (А), гуаніну (Г), цитозину (Ц) . Крім того, до складу ДНК входить залишок тиміну (Т), а РНК — урацилу (У) . Таким чином, три типи азотистих основ у ДНК і РНК спільні, а за четвертими розрізняються

Окремі нуклеотиди сполучаються між собою у ланцюг за допомогою особливих «містків», які виникають між залишками пентоз двох сусідніх нуклеотидів за участю залишків фосфорної кислоти

Нуклеїновим кислотам притаманна первинна структура — певна послідовність розташування нук-леотидів, а також складніша просторова будова, яка формується за рахунок водневих зв’язків .

ДНК

РНК

Містяться в ядрі, мітохондріях і пластидах Носій спадкової інформації

Містяться в ядрі, цитоплазмі, мітохондріях і пластидах. Беруть участь у біосинтезі білка

Інформаційна

(іРНК)

Становить собою копію певної ділянки молекули ДНК і переносить генетичну інформацію від ДНК до місця синтезу поліпептидного ланцюга .

Молекула нестабільна і швидко розпадається на нуклеотиди

Транспортна

(тРНК)

Приєднує амінокислоти, транспортує їх до місця синтезу білкових молекул Кожна з амінокислот транспортується своєю тРНК . Має постійну вторинну структуру у формі листка конюшини

Рибосомальна

(рРНК)

Взаємодіючи з рибосомальними білками, забезпечує певне просторове розташування іРНК і тРНК на рибосомі, виконуючи структурну функцію

У 1953 р. англійські вчені Дж. Уотсон і Ф. Крик запропонували модель просторової структури ДНК Вони показали, що ДНК складається з двох полінуклеотидних ланцюгів, спірально закручених один навколо іншого Подвійна спіраль стабілізована водневими зв’язками між азотистими основами різних ланцюгів так, що проти аденіну одного ланцюга завжди стоїть тимін іншого, а проти гуаніну — цитозин . Багато-

разове повторення цих зв’язків надає великої стійкості подвійній спіралі ДНК. За певних умов (дія кислот, лугів, нагрівання тощо) відбувається денатурація ДНК — розрив водневих зв’язків між комплементарними азотистими основами Денатурована ДНК може відновити двоспіральну будову завдяки встановленню водневих зв’язків між комплементарними нуклеотидами — цей процес називається ренатурацією

Чітка відповідність нуклеотидів у двох ланцюгах ДНК називається комплементарністю Відстань між сусідніми азотистими основами становить 0,34 нм, крок спіралі містить 10 пар основ і дорівнює 3,4 нм, а її діаметр — близько 2 нм .

Принцип комплементарності лежить в основі здатності молекули

ДНК до реплікації — самоподвоєн-ня

Аденозинтрифосфорна кислота (АТФ) — нуклеотид, до складу якого входить азотиста основа аденін, вуглевод рибоза і три залишки фосфорної кислоти

Молекула АТФ є універсальним хімічним акумулятором енергії в клітинах

Залишки фосфорної кислоти зв’язані макроергічними зв’язками . Коли від АТФ відщеплюється один залишок фосфорної кислоти, утворюється АДФ — аденозиндифосфорна кислота та виділяється 40 кДж енергії