Лекция 2 Химический состав клетки • Макроэлементы

Лекция 2 Химический состав клетки • Макроэлементы • Микроэлементы • Неорганические вещества • Органические вещества: белки, липиды, углеводы • Нуклеиновые кислоты • Генетический код

Особенности химического состава клетки • 1. Макроэлеметы( 99% всей массы клетки): О, Н, С, N (98% всех макроэлементов) • K, Na, Ca, Mg, Fe, P, S, Cl ( десятые и сотые доли процента) • 2. Микроэлементы К ним относятся преимущественно ионы тяжелых металлов, входящих в состав гормонов, ферментов и других жизненноважных веществ; в числе таких элементов: B, F, Mn, Zn, J, Co, Mo, Cu, Br и др. В организме эти элементы содержатся в очень небольших количествах: от 0, 001 до 0, 000001%. • 3. Ультрамикроэлементы ( содержание в организме менее 0, 000001%): золото, радий, ртуть, уран, бериллий, цезий, селен и др. редкие элементы. •

• Особеностью химическогосостава клетки является то, что некоторые организмы способны накапливать некоторые элементы. Например: ламинария , грецкий орех идр. Накапливают иод; лютики накапливают литий; ряска – радий; диатомовые водоросли, злаки – кремний; моллюски и ракообразные - медь; позвоночные и некоторые бактерии – железо и т. д

• Содержание неорганических химических соединений в клетке( в % на сырую массу) • Вода 75 - 85 • Неорганические вещества 1, 0 - 1, 5

ВОДА Вода бывает свободной и связанной Свободная вода является дисперсионной средой коллоиднойсистемы, универсальным растворителем, большинство реакций, протекающих в клетке , могут идти только в водных растворах, вода непосредственный участник многих реакций; вода имеет высокую теплоёмкость и одновременно относительно высокую теплопроводность , поэтому является хорошим терморегулятором; вода – основная среда для протекания биохимических реакций клетки; вода является источником кислорода, выделяемом при фотосинтезе ; вода – основное средство для передвижения веществ в организме и в клетке. Связанная вода входит в состав различных органических веществ и свойствами свободной воды не обладает.

• Многие химические элементы содержатся в клетке ввиде катионов и анионов. Из катионов важны К+ , Na+, Ca+, Mg+, а из анионов Н 2 РО 4 - , НСО 3 - , Cl-. От концентрации солей внутри клетки зависят буферные свойства цитоплазмы. Буферностью называют способность клетки сохранять определенную концентрацию водородных ионов (р. Н). В клетке поддерживается слабощелочная реакция (р. Н 7, 2).

Содержание органических химических соединений в клетке( в % на сырую массу) • Белки 10 - 20 • Жиры 1 - 5 • Углеводы 0, 2 - 2, 0 • Нуклеиновые кислоты 1 - 2 • Низкомолекулярные • органические вещества 0, 1 - 0, 5

Белки- биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты. В состав большинства белков входит 20 различных аминокислот, в каждой из них содержатся одинаковые группировки атомов: аминогруппа - NH 2 и карбоксильная группа –COOH. Участок молекулы , лежащий между аминогруппой и карбоксильной группой называется радикалом. Различные аминокислоты отличаются своим радикалом. Соединение аминокислот происходит с помощь пептидной связи. Входящие в состав клетки белки делятся на простые и сложные. Простые белки при гидролизе распадаются только на аминокислоты. К простым белкам относятся: альбумины (водорастворимые белки) , глобулины ( солерастворимые белки), протамины (обладающие щелочной реакцией и входящие в состав сперматозоидов) , гистоны ( белки входящие в состав хромосом и характеризующиеся основными свойствами). Сложные белки представляют собой соединения простых белков с простетической группой. В качестве простетической группы могут быть: нуклеиновые кислоты( нуклеопротеиды). Углеводы (гликопротеиды), липиды (липопротеиды) и др.

Аминокислоты соединяются друг с другом посредством пептидной связи, образуя полипептидную цепь

Уровни организации белковой молекулы: Первичный - пептидная цепь, т. е. нить аминокислот, связанных между собой пептидными связями (а) Вторичный- - пептидная цепь закручена в виде спирали. Спираль удерживается водородными связями(в) Третичный – спираль сворачивается в клубок или фибриллу. Третичная структура поддерживается различными связями: гидрофобными, электростатические, -S – S-связи (с) Четвертичный - соединение нескольких белковых молекул (d)

Биологические функции белков

Углеводы( термин ввел отечественный ученый Шмид в 1844 г. ) Общая формула: Cn(H 2 O)n. Все углеводы разделяются на две группы: монозы , или моносахариды, и полиозы, или полисахариды. Моносахариды или простые сахара(состоят из одной молекулы и представляют собой твердые кристаллические вещества, растворимые в воде, сладкие на вкус). В зависимости от числа углеродных атомов , входящих в молекулу углевода, различают: триозы(например, глицерин и его производные (молочная кислота, пировиноградная кислота) тетрозы (эритроза), пентозы ( рибоза, дезоксирибоза), гексозы(глюкоза, фруктоза, галактоза) Полисахариды первого порядка ( олигосахариды). К ним относятся ди- , три- и тетрасахариды. К дисахаридам относятся : сахароза ( состоит из остатков глюкозы и фруктозы), лактоза ( состоит из остатков глюкозы и галактозы), мальтоза ( состоит из двух молекул глюкозы) Полисахариды второго порядка – высокомолекулярные углеводы, состоящие из большого числа моносахаридов. К ним относятся: амилоза (состоит из остатков глюкозы, соединенных в неразветвленную цепь), амилопектин (состоит из линейных и разветвленных цепей глюкозы, при этом образуется ветвящаяся молекула), крахмал, гликоген, клетчатка. Биологические функции углеводов

Биологические функции углеводов 1. Энергетическая 2. Структурная 3. Запас питательных веществ 4. Защитная-вязкие секреты (слизи)выделяемые различными железами, богаты углеводами и их производными (гликопротеидами). Они предохраняют стенки полых органов (пищевол, желудок, бронхи, кишки) от механических повреждений , проникновении вредных бактерий и вирусов.

ЛИПИДЫ • Липиды – органические соединения с различной структурой , но общими свойствами. Они нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях : эфире, бензине, хлороформе и др. По химической структуре жиры представляют собой сложные соединения трехатомного спирта глицерина и высокомолекулярных жирных кислот: • • O • // • СН 2 – О - С - R 1 • | O • // • СН – О - С - R 2 • | O • // • СН 2 – О - С - R 3 • где R 1 , R 2 , R 3 - радикалы жирных кислот. Из них чаще всего встречаются пальмити- новая ( СН 3 - ( СН 2) 15 – СООН ) , стеариновая ( СН 3 - ( СН 2) 16 - СООН ), олеиновая - ( СН 3 – (СН 2)7 – СН = СН - ( СН 2)7 - СООН ). •

• Функции липидов: • 1. Структурная ( принимают участие в построении биологических мембран, в образовании многих биологически важных соединений) • 2. Энергетическая ( при полном распаде 1 г. жира выделяется 38, 9 к. Дж энергии) • 3. Запасание питательных веществ • 4. Терморегуляции • 5. Поставщики эндогенной воды ( при окислении 100 г жира выделяются 107 мл воды) • 6. Предшественники в биосинтезе гормонов • 7. Регуляторная ( простагландины) – обладают широким спектром биологической активности 6 ности: регулируют сокращение мускулатуры внутренних органов; поддерживают тонус сосудов; регулируют функции различных отделов головного мозга , например, центры теплорегуляции • № 8 • Функции липидов: • 1. Структурная ( принимают участие в построении биологических мембран, в образовании многих биологически важных соединений) • 2. Энергетическая ( при полном распаде 1 г. жира выделяется 38, 9 к. Дж энергии) • 3. Запасание питательных веществ • 4. Терморегуляции • 5. Поставщики эндогенной воды ( при окислении 100 г жира выделяются 107 мл воды)

Нуклеиновые кислоты – природные высокомолекулярные соединения, впервые были описаны в 1869 г. швейцарским биохимиком Фридрихом Мишером. В природе существуют нуклеиновые кислоты двух типов, различающихся по составу, структуре и функциям. ДНК(дезоксирибонуклеиновая кислота)- биополимер, состоящий из мономеров (нуклеотидов). В состав ДНК входит четыре разновидности нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из углевода ( дезоксирибозы), азотистого основания ( пуриновые – аденин, гуанин и пиримидиновые - тимин и цитозин) и остатка

Э. Чаргафф обнаружил, что в ДНК количество аденина( А ) равно количеству тимина ( Т ), т. е. А = Т, а количество гуанина равно количеству цитозина, т. е Г = Ц. Такая закономерность получила название правило Чаргаффа

В 1950 г. Морис Уилкинс получил рентгенограмму кристаллических волокон ДНК

Розалин Франклин получила рентгенограммы ДНК агрегатов высокой влажности, где четко был виден крестообразный рисунок – опознавательный знак двойной спирали.

В 1953 г. американский биохимик Дж. Уотсон и английский физик Ф. Крик построили молекулярную модель ДНК. Согласно этой модели молекула ДНК состоит из двух антипараллельных полинуклеотидных цепей связанных между собой водородными связями, которые образуются между азотистыми основаниями - аденином и тимином ( две водородные связи) , гуанином и цитозином ( три водородные связи). Пары , образуемые основаниями( А -Т и Г- Ц ) , в высшей степени специфичны: комплементарны другу. Цепи образуют спирали по 10 пар оснований в каждом витке. Двойные цепи закручены одна вокруг другой и вместе вокруг общей оси. Фосфатные группировки находятся снаружи спирали. а азотистые основания внутри

• Дезоксирибонуклеи новая кислота ( ДНК ) — обеспечивает хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Участки ДНК, содержащие информацию о строении молекулы белка или РНК, называют генами. • ДНК нередко сравнивают с набором чертежей для сборки живого организма, поскольку на основе информации, «записанной» в ней, синтезируются белки — основные биологические макромолекулы, обеспечивающие на микроуровне протекание всех жизненных процессов.

• РНК ( рибонуклеиновая кислота) - биополимер, мономерами которой являются нуклеотиды. Нуклеотиды РНК состоят из углевода ( рибозы) , азотистого основания( пуриновые-аденин и гуанин и пиримидиновые – цитозин и урацил) и остатка фосфорной кислоты. РНК представляет собой однонитевую молекулу Биологам известно несколько типов РНК: 1. Транспортная РНК (т. РНК) – транспорт активированных аминокислот в рибосомы к месту синтеза белка. Она имеет характерную вторичную структуру

3. Информационная РНК ( и РНК) или матричная РНК (м. РНК) - переносит информацию о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка в рибосомах. 4. Микро – РНК. В класс малых РНК включают молекулы , содержащие от 20 до 300 нуклеотидов. Обнаружено, что «малые» РНК подавляют экспрессию гена. Эффект «гашения» экспрессии определенных генов малыми РНК получил название РНК-интерференции, а молекулы. вызывающие его, назвали si. RNA (small interfering Ribo Nucleic Acids - малые интерферирующие нуклеиновые кислоты) . si. РНК содержат от 21 до 28 ( у млекупитающих из 21 -23) нуклеотидов. Эти РНК являются двунитчатыми( построенными по принципу комплементарности). По краям каждой из цепей всегда остается два неспаренных нуклеотида. При появлении в клетке si. RNA она связывается на первых этапах с ферментами хеликазой и нуклеазой, формируя комплекс RISC ( RNA- induced silencing complex; silencing – замолчание, т. е. «выключение» гена). Хеликаза раскручивает нити РНК в результате чего они расходятся. одна из этих цепей. к которой прикрепляется фермент нуклеаза, может теперь связываться с комплементарным участком однонитчатой РНК, позволяя нуклеазе разрезать её. Разрезанные же участки м. РНК подвергаются действию других клеточных РНКаз, которые разрезают их на более мелкие куски. Таким образом, основная функция малых РНК в клетке – это блокирование тех генов, участок которых комплементарен одной из цепочек внутри si. RNA. С помощью si. RNA клетка может защищать себя от проникновения вирусов. Сам процесс разрезания вирусной МРНК происходит путем активации ферментов комплекса RISC. присоединяясь к цепи м. РНК, участок si. RNA может с помощью ферментов комплекса DICER сначала достроит вторую цепочку м. РНК. А затем разрезать её в разных местах. создавая таким образом разнообразные «вторичные» si. RNA. Они в свою очередь формируют RISC и расщепляют м. РНК до ее полного уничтожения. 5. 21 У-РНК. Давид Бартель и его команда из Массачусетского технологического института выделили у прозрачных круглых червей Caenorhabditis elegans новую разновидность молекул РНК( 21 У-РНК), которая состоит из 21 нуклеотида и в начале цепи стоит нуклеотид, содержащий уридин. Они открыли более 5 тысяч различных таких малых РНК, происходящих из двух определенных областей хромосом. Ученые предполагают , что в геноме Caenorhabditis elegans присутствует более 12 тысяч различных генов для 21 У-РНК. Однородная структура и специфическое место в геноме (всего две области) дают основание предполож ить, что 21 У-РНК играют важную( в настоящее время не выясненную) роль в жизни клетки

Гипотеза о существовании кода с помощью которого шифруется в ДНК первичная структура белка впервые была предложена американским физиком А. Гамовым( 1954 г. ) и экспериментально доказана Ф. Криком с сотрудниками ( 1961 г. ) А. Гамов

• Свойства генетического кода • 1. Код триплетен (три нуклеотида шифруют одну аминокислоту) Крик Френсис Харри Комптон • 2. Код однозначен ( один триплет шифрует только одну аминокислоту) • 3. Код вырожден (аминокислота может быть зашифрована разными триплетами) • 4. Код неперекрывающийся (один и тот же нуклеотид не может одновременно входить в состав рядом стоящих триплетов . Прочитывание информации начинается с определенной точки линейно, по три нуклеотида , без пропусков) • 5. Код универсален ( генетический код един для всех живущих на Земле существ) • 6. Между генами имеются «знаки препинания» . Для этого в генетическом коде существует три специальные(не имеющие смысла т. е. не шифрующие аминокислоты). триплета – УАА, УАГ, УГА. Они стоят в конце гена и означают конец синтеза полипептидной цепи. Крик Френсис Харри Комптон

АТФ – аденозинтрифосфорная кислота – нуклеотид в состав которого входит углевод ( рибоза), остаток пуринового азотистого основания ( аденин) и остатки фосфорной кислоты( у АТФ их три ). При отщеплении одной молекулы фосфорной кислоты АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфорная кислота), а если отщепляются две молекулы фосфорной кислоты, АТФ переходит АМФ ( аденозинмонофосфат). Реакции отщепления каждой молекулы фосфорной кислоты сопровождаются выделением 419 к. Дж. /моль. Для того чтобы подчеркнуть высокую энергетическую емкость фосфорно- кислородной связи в АТФ , ее принято называть макроэргической связью и обозначать ( ~ )