Цитология. Изучением клетки занимается цитология (от греч. цитос – клетка и логос – наука). Изучается строение клеток, строение и функции клеточных органоидов, процессы жизнедеятельности, протекающие в клетке. Каждая клетка проявляет все свойства живого – обмен веществ, раздражимость, развитие и размножение, является элементарной (наименьшей) единицей строения. Изучение клетки логично начать с изучения химического состава клетки.
Химический состав клеток.
Все клетки, независимо от уровня организации, сходны по химическому составу. В живых организмах обнаружено 86 химических элементов периодической системы Д.И.Менделеева. Для 25 элементов известны функции, которые они выполняют в клетке. Эти элементы называются биогенными . По количественному содержанию в живом веществе элементы делятся на три категории:
Макроэлементы , элементы, концентрация которых превышает 0,001%. Они составляют основную массу живого вещества клетки (около 99%). Макроэлементы делят на элементы 1 и 2 группы. Элементы 1-ой группы – C, N, H, O (на их долю приходится 98% от всех элементов). Элементы 2-ой группы – K , Na , Ca , Mg , S , P , Cl , Fe (1,9%).
Микроэлементы (Zn, Mn, Cu, Co, Mo, и многие другие), доля которых составляет от 0,001% до 0,000001%. Микроэлементы входят в состав биологически активных веществ – ферментов, витаминов и гормонов.
Ультрамикроэлементы (Hg, Au, U, Ra и др.), концентрация которых не превышает 0,000001%. Роль большинства элементов этой группы до сих пор не выяснена.
Макро- и микроэлементы присутствуют в живой материи в виде разнообразных химических соединений, которые подразделяются на неорганические и органические вещества.
К неорганическим веществам относятся: вода и минеральные вещества. К органическим веществам относятся: белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты, АТФ и другие низкомолекулярные органические вещества. Процентное соотношение указано в таблице 1.
Неорганические вещества клетки . Вода .
Вода – самое распространенное в живых организмах неорганическое соединение. Ее содержание колеблется в широких пределах: в клетках эмали зубов вода составляет по массе около 10%, а в клетках развивающегося зародыша – более 90%.
Без воды жизнь невозможна. Она не только обязательный компонент живых клеток, но и среда обитания организмов. Биологическое значение воды основано на ее химических и физических свойствах. Химические и физические свойства воды необычны. Они объясняются, прежде всего, малыми размерами молекул воды, их полярностью и способностью соединяться друг с другом водородными связями.
В молекуле воды один атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода. Молекула полярна: кислородный атом несет частичный отрицательный заряд, а два водородных – частично положительные заряды. Это делает молекулу воды диполем. Поэтому при взаимодействии молекул воды друг с другом между ними устанавливаются водородные связи. Они слабее ковалентной, но, поскольку каждая молекула воды способна образовывать 4 водородные связи, они существенно влияют на физические свойства воды. Большая теплоемкость, теплота плавления и теплота парообразования объясняются тем, что большая часть поглощаемого водой тепла расходуется на разрыв водородных связей между ее молекулами. Вода обладает высокой теплопроводностью, благодаря чему в различных участках клетки поддерживается одинаковая температура. Вода практически не сжимается, прозрачна в видимом участке спектра. Наконец, вода – единственное вещество, плотность которого в жидком состоянии больше, чем в твердом.
Рис. . Вода. Значение воды. |
Вода – хороший растворитель ионных (полярных) соединений, а также некоторых не ионных, в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы. Если энергия притяжения молекул воды к молекулам какого-либо вещества больше, чем энергия притяжения между молекулами вещества, то молекулы гидратируются и вещество растворяется. По отношению к воде различают гидрофильные вещества – вещества, хорошо растворимые в воде и гидрофобные вещества – вещества, практически нерастворимые в воде. Есть органические молекулы, у которых один участок – гидрофилен, другой – гидрофобен. Такие молекулы называют амфипатическими , к ним относятся, например, фосфолипиды, образующие основу биологических мембран.
Вода является непосредственным участником многих химических реакций (гиролитическое расщепление белков, углеводов, жиров и др.), необходима как метаболит для реакций фотосинтеза.
Большинство биохимических реакций может идти только в водном растворе; многие вещества поступают в клетку и выводятся из нее в водном растворе. Благодаря большой теплоте испарения воды, происходит охлаждение организма.
Максимальная плотность воды при +4°С, при понижении температуры вода поднимается вверх, а так как плотность льда меньше плотности воды, то лед образуется на поверхности, поэтому при замерзании водоемов подо льдом остается жизненное пространство для водных организмов.
Благодаря силам когезии (электростатическому взаимодействию молекул воды, водородным связям) и адгезии (взаимодействию с окружающими ее стенками) вода обладает свойством подниматься по капиллярам – один из факторов, обеспечивающих движение воды в сосудах растений.
Несжимаемость воды определяет напряженное состояние клеточных стенок (тургор ), а также выполняет опорную функцию (гидростатический скелет, например, у круглых червей).
Итак, значение воды для организма заключается в следующем:
- Является средой обитания для многих организмов;
- Является основой внутренней и внутриклеточной среды;
- Обеспечивает транспорт веществ;
- Обеспечивает поддержание пространственной структуры растворенных в ней молекул (гидратирует полярные молекулы, окружает неполярные молекулы, способствуя их слипанию);
- Служит растворителем и средой для диффузии;
- Участвует в реакциях фотосинтеза и гидролиза;
- При испарении участвует в терморегуляции организма;
- Обеспечивает равномерное распределение тепла в организме;
- Максимальная плотность воды при +4°С, поэтому лед образуется на поверхности воды.
Минеральные вещества .
Минеральные вещества клетки в основном представлены солями, которые диссоциируют на анионы и катионы, некоторые используются в неионизированной форме (Fe, Mg, Cu, Co, Ni и др.)
Для процессов жизнедеятельности клетки наиболее важны катионы Na + , Ca 2+ , Mg 2+ , анионы HPO 4 2- , Cl - , HCO 3 - . Концентрации ионов в клетке и среде ее обитания, как правило, различны. В нервных и мышечных клетках концентрация К + внутри клетки в 30-40 раз больше, чем вне клетки; концентрация Na + вне клетки в 10-12 раз больше, нежели в клетке. Ионов Сl - вне клетки в 30-50 раз больше, чем внутри клетки. Существует ряд механизмов, позволяющих клетке поддерживать определенное соотношение ионов в протопласте и внешней среде.
Табл. 1. Важнейшие химические элементы
Химический элемент | Вещества, в которых химический элемент содержится | Процессы, в которых химический элемент участвует |
Углерод, водород, кислород, азот | Белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы и др. органические вещества | Синтез органических веществ и весь комплекс функций, осуществляемых этими органическими веществами |
Калий, натрий | Обеспечивают функции мембран, в частности, поддерживают электрический потенциал клеточной мембраны, работу Na + /Ka + -насоса, проведение нервных импульсов, анионный, катионный и осмотический балансы |
|
Фосфат кальция, карбонат кальция Пектат кальция | Участвует в процессе свертывания крови, сокращения мышц, входит в состав костной ткани, зубной эмали, раковин моллюсков Формирование срединной пластинки и клеточной стенки у растений |
|
Хлорофилл | Фотосинтез |
|
Формирование пространственной структуры белка за счет образования дисульфидных мостиков |
||
Нуклеиновые кислоты, АТФ | Синтез нуклеиновых кислот, фосфорилирование белков (их активирование) |
|
Поддерживает электрический потенциал клеточной мембраны, работу Na + /Ka + -насоса, проведение нервных импульсов, анионный, катионный и осмотический балансы Активизирует пищеварительные ферменты желудочного сока |
||
Гемоглобин Цитохромы | Транспорт кислорода Перенос электронов при фотосинтезе и дыхании |
|
Марганец | Декарбоксилазы, дегидрогеназы | Окисление жирных кислот, участие в процессах дыхания и фотосинтеза |
Гемоцианин Тирозиназа | Транспорт кислорода у некоторых беспозвоночных Образование меланина |
|
Витамин В 12 | Формирование эритроцитов |
|
Входит в состав более 100 ферментов: Алькогольдегидрогеназа, карбоангидраза | Анаэробное дыхание у растений Транспорт СО 2 у позвоночных |
|
Фторид кальция | Костная ткань, зубная эмаль |
|
Тироксин | Регуляция основного обмена |
|
Молибден | Нитрогеназа | Фиксация азота |
Различные ионы принимают участие во многих процессах жизнедеятельности клетки: катионы К + , Na + , Ca 2+ обеспечивают раздражимость живых организмов; катионы Mg 2+ , Mn 2+ , Zn 2+ , Ca 2+ и др. необходимы для нормального функционирования многих ферментов; образование углеводов в процессе фотосинтеза невозможно без Mg 2+ (составная часть хлорофилла).
От концентрации солей внутри клетки зависят ее буферные свойства . Буферностью называют способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию своего содержимого на постоянном уровне (рН около 7,4). Внутри клетки буферность обеспечивается главным образом анионами H 2 PO 4 - и НРО 4 2- . Во внеклеточной жидкости и в крови роль буфера играют Н 2 СО 3 и НСО 3 - .
Фосфатная буферная система:
Низкий pH Высокий pH
НРО 4 2- + Н + H 2 PO 4 -
Гидрофосфат – ион Дигидрофосфат – ион
Бикарбонатная буферная система:
Низкий pH Высокий pH
НСО 3 - + Н + H 2 СO 3
Гидрокарбонат – ион Угольная кислота
Некоторые неорганические вещества содержатся в клетке не только в растворенном, но и в твердом состоянии. Например, Са и Р содержатся в костной ткани, в раковинах моллюсков в виде двойных углекислых и фосфорнокислых солей.
Ключевые термины и понятия
1. Общая биология. 2. Тропизмы, таксисы, рефлексы. 2. Биогенные элементы. 3. Макроэлементы. 4. Элементы 1 и 2 групп. 5. Микро- и ультрамикроэлементы. 6. Гидрофильные и гидрофобные вещества. 7. Амфипатические вещества. 8. Гидролиз. 9. Гидратация. 10. Буферность.
Основные вопросы для повторения
- Строение молекулы воды и ее свойства.
- Значение воды.
- Процентное соотношение органических веществ в клетке.
- Важнейшие катионы клетки и их концентрация в нервных и мышечных клетках.
- Реакция фосфатной буферной системы при понижении рН.
- Реакция карбонатной буферной системы при повышении рН.
Сегодня мы рассмотрим клетку и содержащиеся в ней микроэлементы. Процентное содержание в клетке также будет нами подробно описано. Для начала поговорим о самом понятии «клетка».
Все, что нас окружает и сами мы - это своеобразный конструктор. Все состоит из мельчайших частиц, которые невозможно увидеть без специального оборудования под названием Микроскоп. Клетка - это полость, внутри которой водный раствор химических веществ, окружена она мембраной. Перед тем, как нами будут рассмотрены микроэлементы (процентное содержание в клетке и другие вопросы), необходимо понимать: клетка способна выжить самостоятельно и обладает рядом особенностей:
- обмен веществ;
- самовоспроизводство и так далее.
Последнее, что стоит упомянуть: цитология занимается изучением элементарных структурных элементов, то есть клеток.
Атомный состав
В периодической системе Дмитрия Ивановича Менделеева существует более ста элементом, а в человеческой клетке содержится более половины из них. Кроме этого, порядка 20 из этих элементов являются необходимыми для жизнедеятельности организма, их можно обнаружить практически во всех ее типах. Наш основной вопрос - это микроэлементы, процентное содержание в клетке. Но, необходимо знать и то, что элементы по их процентному содержанию в клетке могут делиться на классы:
- макроэлементы;
- микроэлементы;
- ультрамикроэлементы.
Если взять все микроэлементы, то их процентное содержание в общей сумме не превышает трех процентов. К данным элементам можно отнести следующие:
- магний;
- хлор;
- натрий;
- калий;
- кальций;
- железо;
- сера;
- фосфор.
Как видите, их всего восемь, по сравнению с макроэлементами, которых насчитывается всего 4, а их общее процентное содержание превышает показатель 90. К группе ультрамикроэлементов относится множество элементов, а их общее процентное содержание не превышает 0,1.
Микроэлементы
Сейчас рассмотрим микроэлементы.
Процентное содержание в клетке микроэлементов следующее:
Как видите, эти цифры очень малы. В таблице мы рассмотрели процентное содержание в клетке микроэлементов, но какова их функция. Некоторые из элементов мы выделили отдельно, а сейчас кратко об остальных. И так, натрий выполняет несколько функций, среди которых:
- обеспечение нормального ритма сердечных сокращений;
- создание мембранного потенциала клетки;
- с помощью данного элемента происходит проведение нервных импульсов;
- поддержание водно-солевого баланса.
Процентное содержание в клетке микроэлементов (калий, сера и хлор) составляет менее 1 процента. Тем не менее, данные элементы выполняют множество необходимых функций:
- калий - это основной катион, он, так же как и натрий, обеспечивает нормальную сердечную работу, оказывает помощь при синтезе белка;
- сера - это составляющий элемент аминокислот, витамина В 1 и других ферментов;
- хлор - это внеклеточный анион, входит в состав кислоты желудочного сока.
Магний
Мы рассмотрели все микроэлементы. Процентное содержание в клетке так же представлено в таблице выше. Но зачем нужен магний, и какие функции он выполняет? С этим мы сейчас и разберемся.
Мы его можем найти практически во всех клетках человека. Почему? Именно магний принимает участие в большинстве биохимических реакций, которых более 300. Первое основное предназначение - это участие в создании энергии, то есть АТФ. Это очень важно, так как АТФ выполняет роль энергетической станции как для клеток, так и для организма в общем.
Вторая функция - это помощь в усвоении некоторых веществ и синтезе белка. Третья функция - это регуляция в организме следующих элементов:
- натрия;
- кальция.
Это нужно для правильной работы сердца и нервной системы, предотвращения ишемической болезни сердца.
Кальций
Мы рассмотрели процентное содержание микроэлементов, из таблицы видно, что кальций составляет всего 0,02% всех элементов. Тем не менее, его значение также велико. И так:
- кальций входит в состав стенок клетки;
- входит в состав костной ткани и зубной эмали;
- кальций способен активировать свертывание крови;
- входит в состав раковин множества беспозвоночных;
- служит посредником внутри клеток и регулирует различные процессы;
- координирует сердцебиение;
- регулирует кровяное давление;
- участвует в работе нервной системы;
- сохраняет кислотно-щелочное равновесие в нашем организме;
- препятствует попаданию вирусов в клетки и так далее.
Железо
Этот элемент просто необходим для нормального процесса жизнедеятельности организма. Именно он помогает в транспортировке кислорода ко всем органам и тканям. Также этот элемент входит в состав ферментов, гемоглобина, миоглобина. Железо участвует в процессе дыхания и фотосинтеза у растений.
Фосфор
Элемент необходим для организма по многим причинам. Основные из них:
- формирование зубов;
- формирование костей;
- входит в состав множества ферментов;
- участвует в регенерации клеток и тканей;
- производство АТФ-молекул, необходимых хранилищ энергии для организма;
- помощь в функционировании почек;
- регуляция мышечных сокращений.
Отдельную групу среди макроелементов составляют органогенные элементы (O, C, H, N), которие образуют молекулы всех органических веществ.
Макроэлементы, их роль в клетке. Органогенные элементы - кислород, углерод, водород и азот составляют ≈ 98% химического содержания клетки. Они легко образуют ковалентные связи за счет обобщения двух электронов (по одному от каждого атома) и благодаря этому формируют большое разнообразие органических веществ в клетке.
Жизненно важными являются и другие макроэлементы в клетках животных и человека (калий, натрий, магний, кальций, хлор, железо), на долю которых приходится около 1,9% .
Так, ионы Калия и Натрия регулируют осмотическое давление в клетке, обуславливают нормальный ритм сердечной деятельности, возникновение и проведение нервного импульса. Ионы Кальция принимают участие в свертывание крови, сокращении мышечных волокон. Нерастворимые соли Кальция принимают участие в формировании костей и зубов.
Ионы магния играют важную роль в функционировании рибосом и митохондрий. Железо входит в состав гемоглобина.
Микроэлементы, их роль в клетке. Биологическая роль микро- и ультрамикроэлементов определяется не их процентным содержанием, а тем, что они входят в состав ферментов, витаминов и гормонов. Например, Кобальт входит в состав витамина В 12 , Йод – в состав гормона тироксина, Медь – в состав ферментов, катализирующих окислительно-востановительные процессы.
Ультрамикроэлементы, их роль в клетке. Их концентрация не привышает 0,000001 %. Это такие элементы: золото, серебро, свинец, уран, селен, цезий, берилий, радий, и др. Физиологическая роль многих химических элементов еще не установлена, но они необходимы для нормального функционирования организма. Например, дефицит ультрамикроэлемента Селена приводит к развитию раковых заболеваний.
Обобщенные сведения о биологическом значении основных химических элементов, содержащихся в клетках живых организмов, представлены в таблице 4.1.
При недостаче важного химического элемента в почве определенного региона, что обусловливает дефицит его в организме местных жителей, возникают так называемые эндемические болезни.
Все химические элементы содержатся в клетке в виде ионов или входят в состав химических веществ.
Табл. 4.1.Основные химические элементы клетки и их значение для жизнидеятольности организмов
| Элемент | Символ | Содержание | Значение для клетки и организма |
| Углерод | o | 15-18 | |
| Кислород | N | 65-75 1,5-3,0 | Главный структурный компонент всех органических соединений клетки |
| Азот | H | 8-10 | Обязательный компонент аминокислот |
| Водород | K | 0.0001 | Главный структурный компонент всех органических соединений клетки |
| Фосфор | S | 0,15-0,4 | Входит в состав костной ткани и зубной эмали, нуклеиновых кислот, АТФ и некоторых ферментов |
| Калий | Cl | 0,15-0,20 | Содержится в клетке только в виде ионов, активирует ферменты белкового синтеза, обуславливает ритм сердечной деятельности, участвует в процессах фотосинтеза |
| Сера | Ca | 0,05-0,10 | Входит в состав некоторых аминокислот, ферментов, витамина В |
| Хлор | Mg | 0,04-2,00 | Важнейший отрицательный ион в организме животных, компонент НС1 в желудочном соке |
| Кальций | Na | 0,02-0,03 | Входит в состав клеточной стенки растений, костей и зубов, активирует свертывание крови и сокращение мышечных волокон |
| Магний | Fe | 0,02-0,03 | Входит в состав молекул хлорофилла, а также костей и зубов, активирует энергетический обмен и синтез ДНК |
| Натрий | I | 0,010-0,015 | Содержится в клетке только в виде ионов, обуславливаетнормальный ритм сердечной деятельности, влияет на синтез гормонов |
| Железо | Cu | 0,0001 | Входит в состав многих ферментов, гемоглобина и миоглобина, участвует в биосинтезе хлорофилла, в процессах дыхания и фотосинтеза |
| Йод | Mn | 0,0002 | Входит в состав гормонов щитовидной железы |
| Медь | Mo | 0.0001 | Входит в состав некоторых ферментов, участвует в процессах кровообразования, фотосинтеза, синтеза гемоглобина |
| Марганец | Co | 0,0001 | Входит в состав некоторых ферментов или повышает их активность, принимает участие в развитии костей, ассимиляции азота и процессе фотосинтеза |
| Молибден | Zn | 0.0001 | Входит в состав некоторых ферментов, участвует н процессах связывания атмосферного азота растениями |
| Кобальт | o | 0,0003 | Входит в состав витамина В 12 , участвует в фиксации ат- мосферного азота растениями, развитии эритроцитов |
| Цинк | N | 15-18 | Входит в состав некоторых ферментов, участвует в синтезе растительных гормонов (фуксина) и спиртовом брожении |
Химические вещества клетки
Клетки живых организмов по своему химическому составу значительно отличаются от окружающей их неживой среды и по структуре химических соединений, и по набору и содержанию химических элементов. Всего в живых организмах присутствует (обнаружено на сегодняшний день) около 90 химических элементов, которые, в зависимости от их содержания, разделяют на 3 основных группы: макроэлементы , микроэлементы и ультрамикроэлементы .
Макроэлементы.
Макроэлементы в значительных количествах представлены в живых организмах, начиная от сотых долей процента до десятков процентов. Если содержание какого-либо химического вещества в организме превышает 0.005% от массы тела, такое вещество относят к макроэлементам. Они входят в состав основных тканей: крови, костей и мышц. К ним относятся, например, следующие химические элементы: водород, кислород, углерод, азот, фосфор, сера, натрий, кальций, калий, хлор. Макроэлементы в сумме составляют около 99% от массы живых клеток, причем большая часть (98%) приходится именно на водород, кислород, углерод и азот.
В таблице ниже представлены основные макроэлементы в организме:
Для всех четырех самых распространенных в живых организмах элементов (это водород, кислород, углерод, азот, как было сказано ранее) характерно одно общее свойство. Этим элементам не хватает одного или нескольких электронов на внешней орбите для образования стабильных электронных связей. Так, атому водорода для образования стабильной электронной связи не хватает одного электрона на внешней орбите, атомам кислорода, азота и углерода — двух, трех и четырех электронов соответственно. В связи с этим, эти химические элементы легко образуют ковалентные связи за счет спаривания электронов, и могут легко взаимодействовать друг с другом, заполняя свои внешние электронные оболочки. Кроме этого, кислород, углерод и азот могут образовывать не только одинарные, но и двойные связи. В результате чего существенно увеличивается количество химических соединений, которые могут образовываться из этих элементов.
Кроме того, углерод, водород и кислород — наиболее легкие среди элементов, способных образовывать ковалентные связи. Поэтому они оказались наиболее подходящими для образования соединений, входящих в состав живой материи. Необходимо отметить отдельно еще одно важное свойство атомов углерода — способность образовывать ковалентные связи сразу с четырьмя другими атомами углерода. Благодаря этой способности создаются каркасы из огромного количества разнообразных органических молекул.
Микроэлементы.
Хотя содержание микроэлементов
не превышает 0,005% для каждого отдельного элемента, а в сумме они составляют всего лишь около 1% массы клеток, микроэлементы необходимы для жизнедеятельности организмов. При их отсутствии или недостаточном содержании могут возникать различные заболевания. Многие микроэлементы входят в состав небелковых групп ферментов и необходимы для осуществления их каталитической функции.
Например, железо является составной частью гема, который входит в состав цитохромов, являющихся компонентами цепи переноса электронов, и гемоглобина — белка, который обеспечивает транспорт кислорода от легких к тканям. Дефицит железа в организме человека вызывает развитие анемии. А недостаток йода, входящего в состав гормона щитовидной железы — тироксина, приводит к возникновению заболеваний, связанных с недостаточностью этого гормона, таких как эндемический зоб или кретинизм.
Примеры микроэлементов представлены в таблице ниже:
Ультрамикроэлементы.
В состав группы ультрамикроэлементов входят элементы, содержание которых в организме крайне мало (менее 10 -12 %). К ним относятся бром, золото, селен, серебро, ванадий и многие другие элементы. Большинство из них также необходимы для нормального функционирования живых организмов. Например, нехватка селена может привести к возникновению раковых заболеваний, а недостаток бора — причина некоторых заболеваний у растений. Многие элементы этой группы также, как и микроэлементы, входят в состав ферментов.
К ним относятся вода и минеральные соли.
Вода необходима для осуществления жизненных процессов в клетке. Ее содержание составляет 70-80% от массы клетки. Основные функции воды:
представляет собой универсальный растворитель;
является средой, в которой протекают биохимические реакции;
определяет физиологические свойства клетки (упругость, объем);
участвует в химических реакциях;
поддерживает тепловое равновесие организма благодаря высокой теплоемкости и теплопроводности;
является основным средством для транспорта веществ.
Минеральные соли присутствуют в клетке в виде ионов: катионы К + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+ ; анионы – Cl - , HCO 3 - , H 2 РО 4 - .
3. Органические вещества клетки.
Органические соединения клетки состоят из многих повторяющихся элементов (мономеров) и представляют собой крупные молекулы - полимеры. К ним относят белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. Их содержание в клетке: белки -10-20%; жиры - 1-5%; углеводы - 0,2-2,0%; нуклеиновые кислоты - 1-2%; низкомолекулярные органические вещества – 0,1-0,5%.
Белки – высокомолекулярные (с большой молекулярной массой) органические вещества. Структурной единицей их молекулы является аминокислота. В образовании белков принимают участие 20 аминокислот. В состав молекулы каждого белка входят только определенные аминокислоты в свойственном этому белку порядке расположения. Аминокислота имеет следующую формулу:
H 2 N – CH – COOH
В состав аминокислот входят NH 2 – аминогруппа, обладающая основными свойствами; СООН – карбоксильная группа с кислотными свойствами; радикалы, отличающие аминокислоты друг от друга.
Существуют первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белка. Аминокислоты, соединенные между собой пептидными связями, определяют его первичную структуру. Белки первичной структуры с помощью водородных связей соединяются в спираль и образуют вторичную структуру. Полипептидные цепи, скручиваясь определенным образом в компактную структуру, образуют глобулу (шар) - третичная структура белка. Большинство белков имеет третичную структуру. Следует отметить, что аминокислоты активны только на поверхности глобулы. Белки с глобулярной структурой объединяются и формируют четвертичную структуру (например, гемоглобин). При воздействии высокой температуры, кислот и других факторов сложные белковые молекулы разрушаются – денатурация белка . При улучшении условий денатурированный белок способен восстанавливать свою структуру, если не разрушается его первичная структура. Этот процесс называется ренатурацией.
Белки отличаются видовой специфичностью: для каждого вида животных характерен набор определенных белков.
Различают белки простые и сложные. Простые состоят только из аминокислот (например, альбумины, глобулины, фибриноген, миозин и др.). В состав сложных белков, кроме аминокислот, входят и другие органические соединения, например, жиры и углеводы (липопротеиды, гликопротеиды и др.).
Белки выполняют следующие функции:
ферментативную (например, фермент амилаза расщепляет углеводы);
структурную (например, входят в состав мембран и др. органоидов клетки);
рецепторную (например, белок родопсин способствует лучшему зрению);
транспортную (например, гемоглобин переносит кислород или углекислый газ);
защитную (например, белки иммуноглобулины участвуют в формировании иммунитета);
двигательную (например, актин и миозин участвуют в сокращении мышечных волокон);
гормональную (например, инсулин превращает глюкозу в гликоген);
энергетическую (при расщеплении 1 г белка выделяется 4,2 ккал энергии).
Жиры (липиды) - соединения трёхатомного спирта глицерина и высокомолекулярных жирных кислот. Химическая формула жиров:
CH 2 -O-C(O)-R¹
CH 2 -O-C(O)-R³, где радикалы могут быть разными.
Функции липидов в клетке:
структурная (принимают участие в построении клеточной мембраны);
энергетическая (при распаде в организме 1 г жира выделяется 9,2 ккал энергии);
защитная (сохраняют от потери тепла, механических повреждений);
жир – источник эндогенной воды (при окислении 10 г жира выделяется 11 г воды);
регуляция обмена веществ.
Углеводы – их молекулу можно представить общей формулой С n (Н 2 О) n – углерод и вода.
Углеводы делят на три группы: моносахариды (включают одну молекулу сахара - глюкоза, фруктоза и др.), олигосахариды (включают от 2 до 10 остатков моносахаридов: сахароза, лактоза) и полисахариды (высокомолекулярные соединения – гликоген, крахмал и др.).
Функции углеводов:
служат исходными элементами для построения разнообразных органических веществ, например, при фотосинтезе - глюкоза;
основной источник энергии для организма, при их разложении с использованием кислорода выделяется больше энергии, чем при окислении жира;
защитная (например, слизь, выделяемая различными железами, содержит много углеводов; она предохраняет стенки полых органов (бронхи, желудок, кишечник) от механических повреждений; обладая антисептическими свойствами);
структурная и опорная функции: входят в состав плазматической мембраны.
Нуклеиновые кислоты – это фосфорсодержащие биополимеры. К ним относятся дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК) кислоты .
ДНК - самые крупные биополимеры, их мономером является нуклеотид . Он состоит из остатков трех веществ: азотистого основания, углевода дезоксирибозы и фосфорной кислоты. Известны 4 нуклеотида, участвующие в образовании молекулы ДНК. Два азотистых основания являются производными пиримидина – тимин и цитозин. Аденин и гуанин относят к производным пурина.
Согласно модели ДНК, предложенной Дж. Уотсоном и Ф. Криком (1953), молекула ДНК представляет собой две спирально обвивающие друг друга нити.
Две нити молекулы удерживаются вместе водородными связями, которые возникают между их комплементарными азотистыми основаниями. Аденин комплементарен тимину, а гуанин – цитозину. ДНК в клетках находится в ядре, где она вместе с белками образует хромосомы . ДНК имеется также в митохондриях и пластидах, где их молекулы располагаются в виде кольца. Основная функция ДНК – хранение наследственной информации, заключенной в последовательности нуклеотидов, образующих ее молекулу, и передача этой информации дочерним клеткам.
Рибонуклеиновая кислота одноцепочечная. Нуклеотид РНК состоит из одного из азотистых оснований (аденина, гуанина, цитозина или урацила), углевода рибозы и остатка фосфорной кислоты.
Различают несколько видов РНК.
Рибосомальная РНК (р-РНК) в соединении с белком входит в состав рибосом. На рибосомах осуществляется синтез белка. Информационная РНК (и-РНК) переносит информацию о синтезе белка из ядра в цитоплазму. Транспортная РНК (т-РНК) находится в цитоплазме; присоединяет к себе определенные аминокислоты и доставляет их к рибосомам – месту синтеза белка.
РНК находится в ядрышке, цитоплазме, рибосомах, митохондриях и пластидах. В природе есть еще один вид РНК – вирусная. У одних вирусов она выполняет функцию хранения и передачи наследственной информации. У других вирусов данную функцию выполняет вирусная ДНК.
Аденозинтрифосфорная
кислота
(АТФ)
- является особым нуклеотидом, образованным
азотистым основанием аденином, углеводом
рибозой и тремя остатками фосфорной
кислоты. 
АТФ – универсальный источник энергии, необходимой для биологических процессов, протекающих в клетке. Молекула АТФ очень неустойчива и способна отщеплять одну или две молекулы фосфата с выделением большого количества энергии. Эта энергия расходуется на обеспечение всех жизненных функций клетки – биосинтеза, движения, генерации электрического импульса и др. Связи в молекуле АТФ называются макроэргическими. Отщепление фосфата от молекулы АТФ сопровождается выделением 40 кДж энергии. Синтез АТФ происходит в митохондриях.