Урок Бесплатно Органические вещества клетки. Белки. Жиры. Углеводы

В клетках нашего организма помимо неорганических веществ содержатся органические вещества, которые необходимы клетке для построения ее структур и обеспечения нормальной жизнедеятельности не только отдельно взятой клетки, но и всего организма в целом.

Органические вещества, которые входят в состав живого организма, многообразны, и многие из них имеют очень сложное молекулярное строение.

Каждое сложное органическое вещество построено из повторяющихся единиц- мономеров.

Если мономеров в веществе большое количество, то такое вещество называют полимер ( от греч. "поли»- много, «мерос»- часть).

Если полимеры встречаются в природе в естественном виде, то есть входят в состав живых организмов, их называют  биополимерами.

Количество мономеров в молекуле полимера может исчисляться от нескольких штук до десятков миллионов.

К примеру, молекула ДНК бактерий построена более чем из 3 млн мономеров (нуклеотидов).

Основные и наиболее важные группы органических веществ клетки:

• белки
• жиры
• углеводы
• нуклеиновые кислоты

Сегодня мы рассмотрим эти группы органических веществ, узнаем их строение и значение для организма.

Белки- это биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты.

Аминокислоты содержат в своём составе карбоксильную (-СООН) и аминогруппу (-NH₂)

Молекулы белка могут содержать сотни и даже тысячи аминокислотных остатков.

А если молекула содержит до 100 аминокислотных остатков, то принято называть эту молекулу пептидом.

Вот более точное определение: белки и пептиды - это соединения, построенные из остатков аминокислот (АК), соединенных пептидной (амидной) связью -С(О)-NH-

Также в состав белков входят углерод, водород, кислород и азот, сера.

Белок характеризуется определенной последовательностью аминокислот. Благодаря этой последовательности формируется химическая формула белка, то есть его структура.

Кроме определенной последовательности аминокислотных остатков, очень важна и трехмерная структура белка, которая формируется в результате сворачивания цепочки из аминокислот.

Аминокислотные остатки в белке связаны пептидной связью:

Выделяют четыре структуры белка:

Фибриллярные и глобулярные белки:

Денатурация и ренатурация белков

Белки могут быть активны в организме и выполнять свою функцию только при определенных физических показателях.

Например, при повышении или понижении температуры, радиации, воздействии кислот естественная структура белка может нарушаться, что, в свою очередь, может привести к гибели всей клетки.

Процесс разрушения характерной для данного белка естественной структуры (вторичной, третичной, четвертичной), носит название денатурация.

Причиной денатурации является разрыв связей, стабилизирующих определенную структуру белка.

Как правило, при этом первичная структура белка не разрушается.

Пример денатурации является свертывание яичного белка при его варке.

Денатурация бывает обратимой и необратимой.

При варке яйца происходит необратимая денатурация, так как исходную структуру восстановить уже практически невозможно и происходит разрыв большого количества связей.

Обратимая денатурация происходит если возможно восстановление свойственной белку структуры.

Если белок подвергся обратимой денатурации, то при восстановлении нормальных условий среды он способен полностью восстановить свою структуру и, соответственно, свои свойства и функции.

Процесс восстановления структуры белка после денатурации называется ренатурацией.

Функции белков в организме связаны с пространственной структурой белка и зависят от последовательности аминокислот в белке.

Основные функции белков:

• Каталитическая (ферментативная): увеличение скорости химических реакций в клетке и организме, достигается за счет функционирования биологических катализаторов, ферментов, специализированных белков, которые обеспечивают нормальное протекание обмена веществ. Ферменты эффективны, так как способны ускорять химические реакции в 106-108 раз; специфичны, регулируются различными химическими соединениями клетки
• Структурная функция: из структурных белков формируется части цитоскелета клетки, структурные белки входят в состав волос, когтей, рогов и копыт млекопитающих, компонент костной ткани. Примеры структурных белков: кератин, коллаген
• Двигательная функция: актин и миозин белковые нити, которые могут изменять форму клеток, входят в состав сократимых мышечных волокон
• Транспортная функция: белки мембран, осуществляющие активный перенос веществ из окружающей среды в клетку и обратно; белки крови, которые связывают и переносят различные вещества (например, гемоглобин, осуществляющий перенос кислорода из легких в ткани)

• Защитная функция: при попадании вирусов бактерий, чужеродных белков в организм животных, человека происходит образование белков, которые называют антителами. Антитела связываются с чужеродными веществами, которые называют антигенами. Выделение токсинов (ядовитых веществ белковой природы) живыми существами (змеи, амфибии, беспозвоночные) для обеспечения защиты и нападения. Белки крови: протромбин, тромбин, фибрин, фибриноген участвуют в свёртывании крови, тем самым прекращая кровотечение
• Регуляторная функция: регуляция активности ферментов, которые также активируют или подавляют активность других белков. Гормоны способны в очень малых концентрациях обеспечивать регуляцию метаболизма. Наиболее известным из белковых гормонов является инсулин- гормон, вырабатываемый в поджелудочной железе и регулирующий уровень глюкозы в клетках организма. При недостатке инсулина в организме возникает заболевание сахарный диабет
• Энергетическая функция: белки источник незаменимых аминокислот, при их расщеплении образуется энергия, которая необходима клетке
• Запасающая функция: запас питательных веществ в виде белковых веществ в семенах (алейроновые зерна, от греческого "мука"), в яйцах животных (овальбумин)
• Сигнальная функция белков: способность белков служить сигнальными веществами, передавая сигналы между тканями, клетками или организмами

Липиды- сборная группа биологических соединений, полностью или почти полностью нерастворимых в воде, но растворимых в органических растворителях и друг в друге.

Таким образом, липиды - это гидрофобные соединения, то есть их молекулы по своим свойствам «стремятся» избежать контакта с водой.

Липиды широко распространены в природе и являются обязательным компонентом каждой живой клетки и ее мембран.

Липиды в клетке образуются на гладкой эндоплазматической мембране.

Они образуют энергетический резерв организма и участвуют в передаче нервного импульса, в создании водоотталкивающих и термоизоляционных покровов и др.

Многие липиды - продукты питания, используются в промышленности и медицине.

Виды липидов:

• Простые липиды (жиры, воска)- сложные эфиры жирных кислот и спиртов. Жиры- эфиры глицерина и высших жирных кислот. Воска- эфиры высших спиртов и высших жирных кислот. Воска образуют защитную смазку на коже, шерсти и перьях, покрывают листья и плоды высших растений, а также кутикулу наружного скелета у многих насекомых. Эти вещества очень гидрофобны. Пчелы используют воск для постройки сот, которые непроницаемы для воды, в сотах хранят запасы пищи и выводят потомство

• Сложные липиды состоят из глицерина, жирных кислот и других компонентов. К этой группе относятся: фосфолипиды (производные ортофосфорной кислоты, входят в состав всех клеточных мембран); гликолипиды (содержат остатки сахаров, их много в нервной ткани); липопротеиды (комплексы липидов с белками). Стероиды- небольшие гидрофобные молекулы, являющиеся производными холестерина. К ним относятся многие важные гормоны (половые гормоны и гормоны коркового слоя надпочечников), также эфирные масла, от которых зависит запах растений. Основу биологических мембран составляют фосфолипиды. Гидрофильная часть (головки) липида взаимодействует с водой, а гидрофобные (хвостики) части «прячутся» от воды.

Функции липидов:

• структурная: формирование биологических мембран
• энергетическая: при окислении жиров до углекислого газа и воды выделяется большое количество энергии (38,9 кДж/г)
• запасающая: накопление жиров в клетках и органах живых организмов

В растениях жиры накапливаются главным образом в плодах и семенах, у животных - в подкожных жировых тканях, окружающих внутренние органы, а также печени, мозговой и нервной тканях

• регуляторная: обеспечивается за счет действия гормонов
• образование воды: при окислении жира образуется вода (при сжигании 1 г жира образуется 1,1 г воды); используется животными пустынь (верблюды) или впадающими в зимнюю спячку (сурки, суслики) для нужд метаболизма, поэтому эти животные могут длительное время обходиться без воды, используя свои жировые запасы
• теплоизоляционная: у животных жиры откладываются в подкожной клетчатке, где создают хороший теплоизоляционный слой, особенно развитый у морских млекопитающих: китообразных и ластоногих
• защитная: жировая подушка вокруг внутренних органов защищает от механических повреждений при движении, прыжках, ударах; у растений воск создает защитный налет на листьях и плодах

Название «углеводы» связано с тем, что большинство соединений этого класса представляют собой соединения углерода с водой.

Например, формула глюкозы С₆Н₁₂О₆ = (С Н₂О)₆ , и большинство из распространенных углеводов можно охарактеризовать общей формулой (СН₂О)_n

Углеводы- органические вещества, молекулы которых состоят из атомов углерода, водорода и кислорода, причём водород и кислород находятся в них, как правило, в таком же соотношении, как и в молекуле воды (2:1).

В растениях содержание углеводов может составлять до 70%, так как в ходе процесса фотосинтеза идет образование углеводов и последующее их накопление в растении (например, в клубнях картофеля).

Избыток углеводов приводит к образованию жиров в организме животных и человека.

Выделяют следующие группы углеводов:

• простые углеводы, или моносахариды
• сложные углеводы, которые, в свою очередь, включают в себя дисахариды, олигосахариды, полисахариды- способны расщепляться до простых углеводов, мономеров

Простые углеводы.

Наиболее распространенными моносахаридами являются глюкоза (виноградный сахар) и фруктоза (фруктовый сахар). Формула общая и для фруктозы, и для глюкозы- C₆H₁₂O₆

Формула глюкозы:

Длина углеродной цепи в моносахаридах, встречающихся в живых организмах, колеблется от 3 до 8 атомов, хотя большинство из них содержит 3, 5 или 6 атомов углерода.

В зависимости от количества атомов углерода моносахариды разделяют на:

• триозы- 3 атома углерода в молекуле
• тетрозы- 4 атома углерода
• пентозы- 5 атомов углерода
• гексозы- 6 атомов углерода

Свойства:

• хорошо растворимы в воде
• образуют кристаллы
• имеют сладкий вкус
• окисляются при гликолизе

Большое биологическое значение имеют пентозы: рибоза (входит в состав молекул РНК) и дезоксирибоза (входит в состав молекул ДНК).

Дисахариды

• сахароза (свекловичный, тростниковый сахар), соединение глюкозы и фруктозы:

• лактоза (молочный сахар, содержится в молоке млекопитающих.) состоит из остатков глюкозы и галактозы
• мальтоза (солодовый сахар)- соединение двух остатков глюкозы

Образуется при расщеплении крахмала и гликогена в пищеварительном тракте животных или при прорастании семян растений. Свойства такие же, как и у моносахаридов.

Полисахариды

• крахмал состоит только из остатков глюкозы. Крахмал служит основным запасным веществом у растений
• гликоген выполняет запасающую функцию у грибов и животных
• целлюлоза - неветвящийся полимер, содержащий примерно 10 000 остатков глюкозы; встречается в основном у растений, где составляет основу клеточных стенок
• хитин близок по строению с целлюлозой. Хитин служит основой клеточных стенок грибов и образует наружный скелет у членистоногих
• муреин образует клеточную стенку бактерий

Свойства полисахарид:

• нерастворимы в воде (обладают гидрофобностью)
• не имеют сладкого вкуса

Функции углеводов в живых организмах многообразны:

• Энергетическая: углеводы являются наиболее удобным источником энергии. Углеводы обеспечивают около 50-60% суточного энергопотребления организма. При окислении 1 г углеводов выделяется 17кДж энергии (4,1ккал). В качестве основного энергетического источника используется свободная глюкоза или запасы углеводов в виде гликогена
• Структурная: целлюлоза и хитин входят в состав клеточных стенок, хитинового панциря членистоногих, образуют гликокаликс в плазмалемме клетки. Также полисахариды являются неотъемлемыми компонентами соединительной ткани животных (хрящи, сухожилия и др.).
• Пластическая: рибоза и дезоксирибоза используются для построения ДНК, РНК, АТФ, АДФ. Они входят в состав некоторых ферментов. Отдельные углеводы являются компонентами клеточных мембран
• Запасающая (резервная): в виде гликогена запасаются в скелетных мышцах, печени и других тканях, у растений запасное вещество- крахмал
• Транспортная: в форме углеводов осуществляется основной транспорт веществ в многоклеточных организмах, например, в крови животных (глюкоза) или в флоэме высших растений (сахароза)
• Защитная: сложные углеводы входят в состав компонентов иммунной системы. Мукополисахариды находятся в слизистых веществах, покрывающих поверхность сосудов, бронхов, пищеварительного тракта, мочеполовых путей и защищают от проникновения бактерий, вирусов, а также от механических повреждений
• Регуляторная: клетчатка пищи не расщепляется в кишечнике, но активирует перистальтику кишечника

Как же возникли живые организмы на Земле?

Дать однозначный правильный ответ достаточно сложно, но существуют гипотезы, которые пытаются объяснить этот сложный вопрос.

Ученые предполагают, что происхождение жизни на Земле связано с химической эволюцией, то есть сначала на Земле шел процесс формирования первых органических соединений. Дальнейший переход от химической эволюции к биологической связан с возникновением простейших органических систем.

В 1924 году вышла в свет книга «Происхождение жизни» советского ученого А. И. Опарина, где он выдвигает теорию, что органические вещества могут образовываться абиогенным путем, т.е. без участия живых организмов, при действии электрических зарядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси, содержащие пары воды, аммиака, метана и др.

Его гипотеза подтвердилась.

Важно отметить, что американский биолог Ж. Лёб еще в 1912 г. первым получил под действием электрического разряда из смеси газов простейший компонент белков- аминокислоту глицин. Но открытие Лёба прошло незамеченным, поэтому первый абиогенный синтез органических веществ из случайной смеси газов приписывают американским ученым С. Миллеру и Г. Юри.

В 1953 г. они получили в стеклянной колбе под действием электрического разряда, имитирующего молнию, из водорода, воды, метана и аммиака сложную смесь из многих десятков органических веществ. Среди них преобладали органические (карбоновые) кислоты: муравьиная, уксусная и яблочная, их альдегиды, а также аминокислоты.

Опыты Миллера и Юри были многократно проверены на смесях разных газов и при разных источниках энергии (солнечный свет, ультрафиолетовое и радиоактивное излучение и просто тепло).

Предполагают, что из смеси таких органических веществ в последующем на Земле и смогли сформироваться простейшие клетки.