Биохимическая организация клетки

Цепь  аминокислотных звеньев, соединенных  ковалентно пептидными связями в  определенной последовательности, называется первичной структурой белка. В клетках  белки имеют вид спирально  закрученных волокон или шариков (глобул). Это объясняется тем, что  в природном белке полипептидная  цепочка уложена строго определенным образом в зависимости от химического  строения входящих в ее состав аминокислот.

Вначале полипептидная цепь сворачивается  в спираль. Между атомами соседних витков возникает притяжение и образуются водородные связи которые слабее ковалентных, но, повторенные многократно, создают довольно прочное сцепление, в частности, между NH- и СО- группами, расположенными на соседних витках. Цепочка аминокислот, закрученная в виде спирали, образует вторичную структуру белка. В результате дальнейшей укладки спирали возникает специфичная для каждого белка конфигурация, называемая третичной структурой. Третичная структура обусловлена действием сил сцепления между гидрофобными радикалами, имеющимися у некоторых аминокислот, и ковалентными связями между SH- группами аминокислоты цистеина (S-S- связи). Количество аминокислот гидрофобными радикалами и цистеина, а также порядок их расположения в полипептидной цепочке специфичны для каждого белка. Следовательно, особенности третичной структуры белка определяются его первичной структурой. Биологическую активность белок проявляет только в виде третичной структуры. Поэтому замена даже одной аминокислоты в полипептидной цепочке может привести к изменению конфигурации белка и к снижению или утрате его биологической активности.

В некоторых  случаях белковые молекулы объединяются друг с другом и могут выполнять  свою функцию только в виде комплексов. Так, гемоглобин – это комплекс из четырех молекул и только в  такой форме способен присоединять и транспортировать кислород, подобные агрегаты представляют собой четвертичную структуру белка.

Под влиянием термических, химических и других факторов в белке нарушаются бисульфидные и водородные связи. Это приводит к нарушению сложной структуры  — денатурации. При этом третичная  структура переходит во вторичную  и далее — в первичную. Если первичная структура не разрушается, то весь процесс оказывается обратимым, что имеет исключительно важное значение в восстановлении функциональных свойств белковой молекулы после  повреждающих воздействий. Белки можно  разделить на глобулярные (антитела, гормоны, ферменты) и фибриллярные (коллаген, кератин кожи, эластин).

Функции белков в клетке чрезвычайно многообразны. Одна из важнейших – строительная функция: белки участвуют в образовании  всех клеточных мембран и органоидов клетки, а также внутриклеточных  структур. Исключительно важное значение имеет ферментативная (каталитическая) роль белков. Ферменты ускоряют химические реакции, протекающие в клетке, в 10^ки и 100^ни миллионов раз. Двигательная функция обеспечивается специальными сократительными белками. Эти белки участвуют во всех видах движений, к которым способны клетки и организмы: мерцание ресничек и биение жгутиков у простейших, сокращение мышц у животных, движение листьев у растений и др. Транспортная функция белков заключается в присоединении химических элементов (например, гемоглобин присоединяет О) или биологически активных веществ (гормонов) и переносе их к тканям и органам тела. Защитная функция выражается в форме выработки особых белков, называемых антителами, в ответ на проникновение в организм чужеродных белков или клеток. Антитела связывают и обезвреживают чужеродные вещества. Белки играют немаловажную роль как источники энергии. При полном расщеплении 1г. белков выделяется 17,6 кДж (~4,2 ккал). 

Углеводы 

Углеводы, или сахариды – органические вещества с общей формулой (СН₂О)_n. У большинства углеводов число атомов Н вдвое больше числа атомов О, как в молекулах воды. Поэтому эти вещества и были названы углеводами.

В живой  клетке углеводы находятся в количествах, не превышающих 1-2, иногда 5% (в печени, в мышцах). Наиболее богаты углеводами растительные клетки, где их содержание достигает в некоторых случаях 90% от массы сухого вещества (семена, клубни картофеля и т.д.).

Углеводы  бывают простые и сложные. Простые  углеводы называются моносахаридами. В зависимости от числа атомов углевода в молекуле моносахариды называются триозами, тетрозами, пентозами или  гексозами. Из шестиуглеродных моносахаридов  – гексоз – наиболее важное значение имеют глюкоза, фруктоза и галактоза. Глюкоза содержится в крови (0,1-0,12%). Пентозы рибоза и дезоксирибоза  входят в состав нуклеиновых кислот и АТФ. Если в одной молекуле объединяются два моносахарида, такое соединение называется дисахаридом. Пищевой сахар, получаемый из тростника или сахарной свеклы, состоит из одной молекулы глюкозы и одной молекулы фруктозы, молочный сахар – из глюкозы и  галактозы.

Сложные углеводы, образованные многими моносахаридами, называются полисахаридами. Мономером  таких полисахаридов, как крахмал, гликоген, целлюлоза, является глюкоза.

Углеводы  выполняют две основные функции: строительную и энергетическую. Целлюлоза  образует стенки растительных клеток. Сложный полисахарид хитин служит главным структурным компонентом  наружного скелета членистоногих. Строительную функцию хитин выполняет  и у грибов. Углеводы играют роль основного источника энергии  в клетке. В процессе окисления 1г. углеводов освобождается 17,6 кДж (~4,2 ккал). Крахмал у растений и гликоген у животных откладываются в клетках  и служат энергетическим резервом.

Нуклеиновые кислоты

Значение  нуклеиновых кислот в клетке очень  велико. Особенности их химического  строения обеспечивают возможность  хранения, переноса и передачи по наследству дочерним клеткам информации о структуре  белковых молекул, которые синтезируются  в каждой ткани на определенном этапе  индивидуального развития. Поскольку  большинство свойств и признаков  клеток обусловлено белками, то понятно, что стабильность нуклеиновых кислот – важнейшее условие нормальной жизнедеятельности клеток и целых  организмов. Любые изменения структуры  клеток или активности физиологических  процессов в них, влияя, таким  образом, на жизнедеятельность. Изучение структуры нуклеиновых кислот имеет  исключительно важное значение для  понимания наследования признаков  у организмов и закономерностей  функционирования, как отдельных  клеток, так и клеточных систем – тканей и органов.

Существуют 2 типа нуклеиновых кислот – ДНК  и РНК.

ДНК –  полимер, состоящий из двух нуклеотидных спиралей, заключенных так, что образуется двойная спираль. Мономеры молекул  ДНК представляют собой нуклеотиды, состоящие из азотистого основания (аденина, тимина, гуанина или цитозина), углевода (дезоксирибозы) и остатка  фосфорной кислоты. Азотистые основания  в молекуле ДНК соединены между  собой неодинаковым количеством  Н-связей и располагаются попарно: аденин (А) всегда против тимина (Т), гуанин (Г) против цитозина (Ц). схематически расположение нуклеотидов в молекуле ДНК можно  изобразить так:

Из схемы  видно, что нуклеотиды соединены  друг с другом не случайно, а избирательно. Способность к избирательному взаимодействию аденина с тимином и гуанина  с цитозином называется комплементарностью. Комплементарное взаимодействие определенных нуклеотидов объясняется особенностями  пространственного расположения атомов в их молекулах, которые позволяют им сближаться и образовывать Н-связи. В полинуклеотидной цепочке соседние нуклеотиды связаны между собой через сахар (дезоксирибозу) и остаток фосфорной кислоты.

РНК так  же, как и ДНК, представляет собой  полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Азотистые основания  трех нуклеотидов те же самые, что  входят в состав ДНК (А, Г, Ц); четвертое  – урацил (У) – присутствует в  молекуле РНК вместо тимина. Нуклеотиды РНК отличаются от нуклеотидов ДНК  и по строению входящего в их состав углевода (рибоза вместо дизоксирибозы).

В цепочке  РНК нуклеотиды соединяются путем  образования ковалентных связей между рибозой одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты  другого.

По структуре  различаются двухцепочечные РНК. Двухцепочечные РНК являются хранителями генетической информации у ряда вирусов, т.е. выполняют  у них функции хромосом. Одноцепочечные РНК осуществляют перенос информации о структуре белков от хромосомы  к месту их синтеза и участвуют  в синтезе белков.

Существует  несколько видов одноцепочечной РНК. Их названия обусловлены выполняемой  функцией или местом нахождения в  клетке. Большую часть РНК цитоплазмы (до 80-90%) составляет рибосомальная РНК (рРНК), содержащаяся в рибосомах. Молекулы рРНК относительно невелики и состоят  в среднем из 10 нуклеотидов. Другой вид РНК (иРНК), переносящие к рибосомам  информацию о последовательности аминокислот  в белках, которые должны синтезироваться. Размер этих РНК зависит от длины  участка ДНК, на котором они были синтезированы. Транспортные РНК выполняют  несколько функций. Они доставляют аминокислоты к месту синтеза  белка, "узнают" (по принципу комплементарности) триплет и РНК, соответствующий  переносимой аминокислоте, осуществляют точную ориентацию аминокислоты на рибосоме.

Жиры  и липоиды

Жиры  представляют собой соединения жирных высокомолекулярных кислот и трехатомного спирта глицерина. Жиры не растворяются в воде – они гидрофобны. В  клетке всегда есть и другие сложные  гидрофобные жироподобные вещества, называемые липоидами.

Одна  из основных функций жиров – энергетическая. В ходе расщепления 1г. жиров до СО₂ и Н₂О освобождается большое количество энергии – 38,9 кДж (~9,3 ккал). Содержание жира в клетке колеблется в пределах 5-15% от массы сухого вещества. В клетках живой ткани количество жира возрастает до 90%. Накапливаясь в клетках жировой ткани животных, в семенах и плодах растений, жир служит запасным источником энергии.

Жиры  и липоиды выполняют и строительную функцию6 они входят в состав клеточных мембран. Благодаря плохой теплопроводности жир способен к защитной функции. У некоторых животных (тюлени, киты) он откладывается в подкожной жировой ткани, образуя слой толщиной до 1м. Образование некоторых липоидов предшествует синтезу ряда гормонов. Следовательно, этим веществам присуща и функция регуляции обменных процессов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 2

  Структура мембран

Мембраны  — это чрезвычайно вязкие, но тем не менее пластичные структуры, окружающие все живые клетки. Плазматическая мембрана образует замкнутый отсек (компартмент), внутри которого находится цитоплазма; это обеспечивает изоляцию одной клетки от другой и обусловливает их индивидуальность. Плазматическая мембрана обладает селективной проницаемостью и является барьером, с помощью которого поддерживается различный состав вне- и внутриклеточной среды. Селективная проницаемость обеспечивается работой каналов и насосов, транспортирующих различные ионы и субстраты, и специфическими рецепторами, например рецепторами гормонов. Кроме того, с помощью плазматических мембран осуществляется обмен веществами между клеточным содержимым и окружающей средой путем экзо- и эндоцитоза; существуют также особые мембранные структуры — щелевые контакты, через которые соседние клетки обмениваются веществами. Мембраны формируют также специализированные компартменты внутри клетки. Такие внутриклеточные мембраны образуют многочисленные морфологически различимые структуры (органеллы)-митохондрии, эндоплазматический ретикулум, саркоплазматический ретикулум. комплекс Гольджи, секреторные гранулы, лизосомы и ядерные мембраны. В мембранах локализованы ферменты, функционирующие как интегральные элементы процесса возбуждения и ответа на него, а также ферменты, участвующие в преобразовании энергии в таких процессах, как фотосинтез и окислительное фосфорилирование.

Мембраны  — это сложные структуры, состоящие  из липидов, белков и углеводов. Различные мембраны внутри клеток и между ними имеют неодинаковый состав, характеризуемый отношением белки :липиды .Это неудивительно, если учесть,какие разнообразные функции выполняют мембраны. Мембраны являются асимметричными плоскими замкнутыми структурами, обладающими внешней и внутренней поверхностями. Эти плоские структуры образованы не с помощью ковалентных связей, и тем не менее они термодинамически стабильны и метаболически активны. В мембранах «заякорены» особые белковые молекулы, которые осуществляют функции, специфические для определенных органелл, клеток или организмов.

2.1 Липидный состав

Большинство липидов в мембранах млекопитающих представлены фосфолипидами, гликосфинголипидами и холестеролом.

Фосфолипиды

Фосфолипиды в составе мембран подразделяются на две основные группы. Наиболее распространены фосфоглицериды, состоящие из остатка глицерола, к которому присоединены эфирными связями две жирнокислотные молекулы и фосфорилированный спирт. Жирные кислоты обычно содержат четное число атомов углерода, в основном 14 или 16. Их углеродные цепочки не разветвлены и могут быть как насыщенными, так и ненасыщенными. Наиболее простым фосфоглицеридом является фосфатидная кислота—1, 2-диацилглицерол-З-фосфат—ключевой интермедиат при образовании всех других фосфолипидов. В других фосфолипидах фосфат этерифицирован спиртовой группой таких соединений, как этаноламин, холин, серии, глицерол или инозитол.