ОРГАНІЧНІ СПОЛУКИ, ЩО ВХОДЯТЬ ДО СКЛАДУ КЛІТИНИ – ХІМІЧНИЙ СКЛАД КЛІТИНИ

Довідник з біології

ЗАГАЛЬНА БІОЛОГІЯ

ОСНОВИ ЦИТОЛОГІЇ

ХІМІЧНИЙ СКЛАД КЛІТИНИ

ОРГАНІЧНІ СПОЛУКИ, ЩО ВХОДЯТЬ ДО СКЛАДУ КЛІТИНИ.

Органічні сполуки складають близько 20-30 % маси живих клітин. До них відносяться біологічні полімери – білки, нуклеї­нові кислоти і полісахариди, а також жири, гормони, пігменти, АТФ тощо.

Білки складають 10-18% від загальної маси клітини (50- 80% від сухої маси). Молекулярна маса білків коливається від десятків тисяч до багатьох мільйонів одиниць. Білки – це біополімери, мономерами яких є амінокислоти.

Усі білки живих орга­нізмів побудовані з 20 амінокислот. Не дивлячись на це, різнома­нітність білкових молекул величезна. Вони розрізняються за ве­личиною, структурою і функціями, які визначаються кількістю і порядком розташування амінокислот. Крім простих білків (аль­буміни, глобуліни, гістони) є і складні, які являють собою з’єднання білків з вуглеводами (глікопротеїди), жирами (ліпопротеїди) і нуклеїновими кислотами (нуклеопротеїди).

Кожна амінокислота складається з вуглеводневого радикала,

сполученого з карбоксильною групою, що має кислотні властиво­сті (-СООН), й аміногрупою (-NH2), яка має основні властивості. Амінокислоти відрізняються одна від одної тільки радикалами. Амінокислоти є амфотерними сполуками, які мають одночасно властивості й кислот, й основ. Це явище обумовлює можливість з’єднання кислот у довгі ланцюжки. При цьому встановлюються міцні ковалентні (пептидні) зв’язки між вуглецем кислотної і азо­том основної груп (-CO-NH-) з виділенням молекули води. З’єднання, що складаються з двох амінокислотних залишків, на­зиваються дипептидами, з трьох – трипептидами, з багатьох – поліпептидами.

Білки живих організмів складаються з сотень і тисяч аміно­кислот, тобто є макромолекулами. Різні властивості та функції білкових молекул визначаються послідовністю з’єднання аміно­кислот, яка закодована в ДНК. Цю послідовність називають пер­винною структурою молекули білка, від якої, у свою чергу, за­лежать подальші рівні просторової організації і біологічні власти­вості білків. Первинна структура білкової молекули зумовлена пептидними зв’язками.

Повторна структура білкової молекули досягається її спіра­лізацією, завдяки встановленню між атомами сусідніх витків спі­ралі водневих зв’язків. Вони слабкіше ковалентних, але, багато разів повторені, створюють досить міцну сполуку. Функціонуван­ня у вигляді закрученої спіралі характерне для деяких фібрилярних білків (колаген, фібриноген, міозин, актин тощо).

Більшість білкових молекул стають функціонально активни­ми тільки після набуття глобулярної (третинної) структури. Вона формується шляхом багатократного згортання спіралі в три­вимірне утворення – глобулу. Ця структура зшивається, як пра­вило, ще більш слабкими дисульфідними (-S-S-) зв’язками. Гло­булярну структуру має більшість білків (альбуміни, глобуліни тощо).

Для виконання деяких функцій потрібна участь білків з більш високим рівнем організації, при якому виникає об’єднання декількох глобулярних білкових молекул в єдину систему – четвертичну структуру (хімічні зв’язки можуть бути різні). На­приклад, молекула гемоглобіну складається з чотирьох різних глобул і гемінової групи, що містить іон заліза.

Втрата білковою молекулою своєї структурної організації на­зивається денатурацією. Причиною її можуть бути різні хімічні (кислоти, луги, спирт, солі важких металів тощо) і фізичні (висо­кі температура і тиск, іонізуюче випромінювання тощо) чинники. Спочатку руйнується дуже слабка – четвертична, потім третин­на, вторинна, а за більш жорстких умов і первинна структура. Якщо під дією денатуруючого чинника не зачіпається первинна структура, то при поверненні білкових молекул у нормальні умо­ви середовища їх структура повністю відновлюється, тобто відбу­вається ренатурація. Ця властивість білкових молекул широко використовується в медицині для приготування вакцин і сирова­ток і в харчовій промисловості для отримання харчових концент­ратів. При необоротній денатурації (руйнуванні первинної струк­тури) білки втрачають свої властивості.

Білки виконують наступні функції: будівельну, каталітичну, транспортну, рухову, захисну, сигнальну, регуляторну й енерге­тичну.

Як будівельний матеріал білки входять до складу всіх клі­тинних мембран, гіалоплазми, органоїдів, ядерного соку, хромо­сом і ядерець.

Каталітичну (ферментативну) функцію виконують білки – ферменти, у десятки і сотні тисяч разів прискорюючи перебіг біо­хімічних реакцій у клітинах при нормальному тиску і температу­рі близько 37 °С. Кожний фермент може каталізувати тільки одну реакцію, тобто дія ферментів строго специфічна. Специфічність ферментів зумовлена наявністю одного або декількох активних центрів, в яких відбувається тісний контакт між молекулами фе­рменту і специфічної речовини (субстрату). Деякі ферменти засто­совуються в медичній практиці і харчовій промисловості.

Транспортна функція білків полягає в перенесенні речовин, наприклад кисню (гемоглобін) і деяких біологічно активних речо­вин (гормонів).

Рухова функція білків полягає в тому, що всі види рухових реакцій клітин і організмів забезпечуються спеціальними скоро­тливими білками – актином і міозином. Вони містяться у всіх м’язах, віях і джгутиках. їх нитки здатні скорочуватися з вико­ристанням енергії АТФ.

Захисна функція білків пов’язана з виробленням лейкоцита­ми особливих білкових речовин – антитіл у відповідь на проник­нення в організм чужорідних білків або мікроорганізмів. Антиті­ла зв’язують, нейтралізують і руйнують не властиві організму з’єднання. Прикладом захисної функції білків може бути пере­творення фібриногену в фібрин при згортанні крові.

Сигнальна (рецепторна) функція здійснюється білками за­вдяки здатності їх молекул змінювати свою структуру під впли­вом хімічних і фізичних чинників, унаслідок чого клітина або організм сприймає ці зміни.

Регуляторна функція здійснюється гормонами, що мають бі­лкову природу (наприклад, інсулін).

Енергетична функція білків полягає в їх здатності бути дже­релом енергії в клітині (як правило, за відсутності інших). При повному ферментативному розщеплюванні 1 г білка виділяється 17,6 кДж енергії.

Вуглеводи. Вуглеводи, або сахариди, – органічні речовини із загальною формулою Сn(Н20)m. У більшості вуглеводів число ато­мів водню вдвічі перевищує кількість атомів кисню. Тому ці речо­вини і були названі вуглеводами. У тваринних клітинах вуглево­дів небагато – 1-2, іноді до 5% (у клітинах печінки). Багаті на вуглеводи рослинні клітини, де їх зміст досягає 90% сухої маси (бульби картоплі).

Вуглеводи підрозділяють на прості і складні. Прості вуглево­ди називаються моносахаридами. Залежно від числа атомів вуг­лецю в молекулі моносахариди називаються триозами (3 атоми), тетрозами (4 атоми), пентозами (5 атомів) або гексозами (6 атомів вуглецю).

Із шести-вуглецевих моносахаридів – гексоз – найбільш ва­жливі глюкоза, фруктоза і галактоза. Глюкоза міститься в крові (0,1-0,12 %) і служить основним джерелом енергії для клітин і тканин організму. Пентози – рибоза і дезоксирибоза – входять до складу нуклеїнових кислот і АТФ. Якщо в одній молекулі об’єднуються два моносахариди, то таке з’єднання називають ди­сахаридом. До дисахариду відноситься харчовий цукор, який одержують з цукрової тростини або цукрового буряка. Він скла­дається з однієї молекули глюкози і однієї молекули фруктози. Молочний цукор також є Димером і включає глюкозу і галактозу.

Складні вуглеводи, утворені багатьма моносахаридами багато кого, називаються полісахаридами. Мономером таких полісаха­ридів, як крохмаль, глікоген, целюлоза, є глюкоза.

Вуглеводи виконують дві основні функції: будівельну й енергетичну. Наприклад, целюлоза утворює стінки рослинних клі­тин; складний полісахарид хітин – головний структурний ком­понент зовнішнього скелета членистоногих. Будівельну функцію хітин виконує і у грибів. Вуглеводи відіграють роль основного джерела енергії в клітині. В процесі окислення 1 г вуглеводів звільняються 17,6 кДж енергії. Крохмаль у рослин і глікоген у тва­рин, відкладаючись у клітинах, служить енергетичним резервом.

Ліпіди (жири) і ліпоїди є обов’язковими компонентами всіх клітин. Жири є складними ефірами високомолекулярних жирних кислот і трьохатомного спирту гліцерину, а ліпоїди – жирних кислот з іншими спиртами. Ці сполуки нерозчинні у воді (гідро­фобні). Ліпіди можуть утворювати складні комплекси із білками (ліпопротеїди), вуглеводами (гліколіпіди), залишками фосфорної кислоти (фосфоліпіди) тощо. Вміст жирів у клітині коливається від 5 до 15% маси сухої речовини, а в клітинах підшкірної жиро­вої клітковини – до 90%.

Жири виконують будівельні/, енергетичну, запасаючу і захи­сну функції. Бімолекулярний шар ліпідів (переважно фосфоліпі­ди) утворює основу всіх біологічних мембран клітин. Ліпіди вхо­дять до складу оболонок нервових волокон. Жири є джерелом енергії: при повному розщеплюванні 1 г жиру вивільняється 38,9 кДж енергії. Вони служать джерелом води, що виділяється при їх окисленні. Жири є запасним джерелом енергії, нагромаджуючись у жировій тканині тварин і в плодах і насінні рослин. Вони захи­щають органи від механічних пошкоджень (наприклад, нирки оповиті м’яким жировим “футляром”). Нагромаджуючись у під­шкірній жировій клітковині деяких тварин (кити, тюлені), жири виконують функцію теплоізоляції.

Нуклеїнові кислоти мають першорядне біологічне значення і є складними високомолекулярними біополімерами, мономерами яких є нуклеотиди. Вони вперше були знайдені в ядрах клітин, звідки і їх назва (nucleus – ядро).

Існують два типи нуклеїнових кислот: дезоксирибонуклеїно­ва (ДНК) і рибонуклеїнова (РНК). ДНК входить в основному в хроматин ядра, хоча невелика її кількість міститься і в деяких органоїдах (мітохондрії, пластиди). РНК міститься в ядерцях, рибосомах і в цитоплазмі клітини.

 ОРГАНІЧНІ СПОЛУКИ, ЩО ВХОДЯТЬ ДО СКЛАДУ КЛІТИНИ   ХІМІЧНИЙ СКЛАД КЛІТИНИ

Рис. 127. Схема будови нуклеотиду.

Структура молекули ДНК була вперше розшифрована Дж. Уотсоном і Ф. Криком в 1953 р. Вона є двома полінуклеотидними ланцюгами, сполученими один з одним. Мономерами ДНК є нуклеотиди, в склад яких входять: п’ятивуглецевий цукор – дезо­ксирибоза, залишок фосфорної кислоти і азотна основа.

Нуклеотиди відрізняються один від одного тільки азотними основами. До складу нуклеотидів ДНК входять наступні азотні основи: аденін, гуанін, цитозин і тимін. Нуклеотиди з’єднуються в ланцюжок шляхом утворення ковалентних зв’язків між дезо­ксирибозою одного і залишком фосфорної кислоти сусіднього нуклеотиду. Обидва ланцюжки об’єднуються в одну молекулу вод­невими зв’язками, виникаючими між азотними основами різних ланцюжків, причому через певну просторову конфігурацію між аденіном і тиміном встановлюються два зв’язки, а між гуаніном і цитозином – три. Внаслідок цього нуклеотиди двох ланцюжків утворюють пари: А-Т, Г-Ц. Чітка відповідність нуклеотидів один одному в парних ланцюжках ДНК називається комплементарністю (додатковістю). Ця властивість лежить в основі реплі­кації (самоподвоєння) молекули ДНК, тобто утворення нової мо­лекули на основі початкової.

 ОРГАНІЧНІ СПОЛУКИ, ЩО ВХОДЯТЬ ДО СКЛАДУ КЛІТИНИ   ХІМІЧНИЙ СКЛАД КЛІТИНИ

Рис. 128. Комплементарна сполука нуклеотидів і утворення дволанцюгової молекули ДНК.

Реплікація (від лат. replicatio – повторення) відбувається та­ким чином. Під дією спеціального ферменту (ДНК-полімерази) розриваються водневі зв’язки між нуклеотидами двох ланцюж­ків, і до зв’язків, що звільнилися, за принципом комплементарності приєднуються відповідні нуклеотиди ДНК (А-Т, Г-Ц). Отже, порядок нуклеотидів в “старому” ланцюжку ДНК визначає порядок нуклеотидів в “новому”, тобто “старий” ланцюжок ДНК є матрицею для синтезу “нового”. Такі реакції називаються реакціями матричного синтезу, вони характерні тільки для живого. Молекули ДНК можуть містити від 200 до 2×108 нуклеотидів. Beличезна різноманітність молекул ДНК досягається різними їх розмірами і різною послідовністю нуклеотидів.

Роль ДНК у клітині полягає в зберіганні, відтворенні і пере­дачі генетичної інформації. Завдяки матричному синтезу спадко­ва інформація дочірніх клітин точно відповідає материнській.

РНК, як і ДНК, є полімером, побудованим з мономерів – ну­клеотидів. Структура нуклеотидів РНК схожа з такою ДНК, але є наступні відмінності: замість дезоксирибози до складу нуклеоти­дів РНК входить п’яти вуглецевий цукор – рибоза, а замість азо­тної основи тиміна – урацил. Решта трьох азотних основ ті ж: аденін, гуанін і цитозин. У порівнянні з ДНК у склад РНК вхо­дить менше нуклеотидів і, отже, її молекулярна маса менше.

Відомі дво – і одноланцюжкові РНК. Дволанцюжкові РНК мі­стяться в деяких вірусах, що виконуть (як і ДНК) роль охоронця і передавача спадкової інформації. У клітинах інших організмів зустрічаються одноланцюжкові РНК, які є копіями відповідних ділянок ДНК.

У клітинах існують три типи РНК: інформаційна, транспорт­на і рибосомальна. Інформаційна РНК (і-РНК) складається з 300-30 000 нуклеотидів і складає приблизно 5 % від всієї РНК, що міститься в клітині. Вона є копією певної ділянки ДНК (гена). Молекули і-РНК виконують роль переносників генетичної інфор­мації від ДНК до місця синтезу білка (у рибосоми) і безпосередньо беруть участь у збиранні його молекул.

Транспортна РНК (т-РНК) складає до 10 % від всієї РНК клітини і складається з 75-85 нуклеотидів (рис. 129). Молекули т-РНК транспортують амінокислоти з цитоплазми в рибосоми.

 ОРГАНІЧНІ СПОЛУКИ, ЩО ВХОДЯТЬ ДО СКЛАДУ КЛІТИНИ   ХІМІЧНИЙ СКЛАД КЛІТИНИ

Рис. 129. Схема будови т-РНК. А, В, В, Г – ділянки комплементарної сполуки усередині одного ланцюжка РНК; Д – активний центр (ділянка сполуки з амінокислотою); Е – ділянка комплементарної сполуки з молекулою і РНК.

Основну частину РНК цито­плазми (близько 85 %) складає рибосомальна РНК (р-РНК). Вона входить до складу рибосом. Моле­кули р-РНК включають 3-5 тис.

Нуклеотидів. Вважають, що р-РНК забезпечує певне просторове взаєморозташування і-РНК і т-РНК.




ОРГАНІЧНІ СПОЛУКИ, ЩО ВХОДЯТЬ ДО СКЛАДУ КЛІТИНИ – ХІМІЧНИЙ СКЛАД КЛІТИНИ