Химический состав клетки

Молекулярный состав клетки сложен и разнороден. Отдельные соединения — вода и минеральные вещества — встречаются также и в неживой природе; другие — органические соединения (углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты и др.) — характерны для живых организмов. Таким образом, отличие живого или неживого в химическом отношении проявляется уже на молекулярном уровне.

Белки

Из всех органических веществ в клетке ведущая роль принадлежит белкам. На долю белков приходится 50-80% сухой массы. Молекулярная масса белков огромна (от десятков тысяч до многих сотен тысяч условных единиц): у белка яйца — альбумина — она составляет 36 000, у гемоглобина — 65 000, а у сократительного белка мышц (актомиозина) — 1 500 000, в то время как у молекулы глюкозы она равна 180.

Молекула белка представляет собой цепь из нескольких десятков или сотен аминокислот, поэтому она имеет огромные размеры и называется макромолекулой (гетерополимером).

Белки наиболее специфичны и важны для организма. Они относятся к непериодическим полимерам. В отличие от других полимеров, их молекулы состоят из сходных, но нетождественных мономеров — 20 аминокислот.

Каждая аминокислота имеет свое название, особое строение и свойство. Их общую формулу можно представить в следующем виде:

Молекула аминокислоты состоит из специфической части — радикала R и части, одинаковой для всех аминокислот, включающей аминогруппу — NH₂ с основными свойствами и карбоксильную группу — COOH с кислотными свойствами.

Наличие в одной молекуле кислотной и основной групп обусловливает их высокую реактивность. Через эти группы происходят соединения аминокислот при образовании полимера — белка.

В строении молекул белков различают четыре уровня организации.

Структура белковой молекулы

1. Первичная структура — полипептидная цепь из аминокислот, связанных в определенной последовательности прочными пептидными связями (возникающими между аминогруппой одной аминокислоты и карбоксильной группой другой). В результате образуется длинная полипептидная цепь.
2. Вторичная структура — полипептидная цепь, закрученная в виде спирали. В ней между пептидными связями соседних витков возникают малопрочные водородные связи.
3. Третичная структура — представляет собой причудливую, но для каждого белка специфическую конфигурацию — глобулу (клубок), в которой переплетаются участки белковой цепи.
4. Четвертичная структура — типична не для всех белков. Она возникает при соединении нескольких макромолекул, образующих агрегаты. Например, гемоглобин крови представляет агрегат из четырех макромолекул белка.

Такая сложность структуры белковых молекул связана с разнообразием функций, свойственных этим биополимерам.

Нарушение структуры белка называется денатурацией. Она возникает под воздействием высокой температуры, лучистой энергии, химических веществ и других факторов и может быть частично обратимой.

Биологическая роль белков в клетке и во всех жизненных процессах очень велика. Прежде всего, белки — это катализаторы, ускоряющие клеточные реакции в десятки, сотни миллионов раз. Все биокатализаторы (они называются ферментами, или энзимами) — вещества белковой природы.

Строительная функция белков сводится к их участию в формировании всех клеточных органоидов и мембраны.

Следующая функция белка — сигнальная, обусловленная способностью к обратимым изменениям структуры под влиянием раздражителей, которая лежит в основе важного свойства живого — раздражимости.

Сократительная функция белка состоит в том, что все виды двигательных реакций клетки выполняются особыми сократительными белками мышц.

Транспортная функция белков выражается в способности специфических белков (гемоглобин, альбумин и др.) крови обратимо соединяться с органическими и неорганическими веществами и доставлять их в разные органы и ткани.

Белки выполняют и защитную функцию. В организме в ответ на проникновение в него чужеродных веществ вырабатываются антитела — особые белки, которые нейтрализуют, обезвреживают чужеродные белки. Белки при расщеплении в клетке до аминокислот выделяют энергию, необходимую для жизненных процессов в клетке.

Нуклеиновые кислоты — это высокомолекулярные органические соединения, имеющие первостепенное биологическое значение. Впервые они были обнаружены в ядре (в конце XIX в.), отсюда и получили название («нуклеус» — ядро). Нуклеиновые кислоты хранят и передают наследственную информацию и определяют синтез белка.

Существует два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). Основное место нахождения ДНК — ядро клетки. ДНК обнаружена также в некоторых органоидах (пластиды, митохондрии, центриоли). РНК встречается в ядрышках, в рибосомах и цитоплазме клеток.

Дезоксирибонуклеиновая кислота

Молекула ДНК имеет сложное строение. Она состоит из двух спирально закрученных нитей. Ее мономерами служат нуклеотиды. Каждый нуклеотид — химическое соединение, состоящее их трех веществ: азотистого основания, пятиатомного сахара дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты.

Фосфорная кислота и углевод (дезоксирибоза) у всех нуклеотидов одинаковы, а азотистые основания бывают четырех типов: аденин, гуанин, цитозин и тимин. Они и определяют название соответствующих нуклеотидов: адениловый (А), гуаниловый (Г), тимидиловый (Т) и цитидиловый (Ц).

Каждая цепь ДНК представляет полинуклеотид, состоящий из нескольких десятков тысяч нуклеотидов.

Азотистые основания в молекуле ДНК соединены между собой неодинаковым количеством водородных связей. Аденин-тимин образуют две водородные связи, гуанин-цитозин соединяются тремя водородными связями.

Способность к избирательному взаимодействию аденина с тимином, а гуанина с цитозином, основанная на особенностях расположения в пространстве атомов этих молекул, называется комплементарностъю (дополнительностью). Это объясняется тем, что А и Т и Г и Ц строго соответствуют друг другу, как две половинки разбитого стекла, дополняют друг друга, отсюда и название комплементарность (от греч. «комплемент» — дополнение).

Если известно расположение нуклеотидов в одной цепи, то по принципу комплементарности можно определить порядок нуклеотидов во второй цепи. Например, если последовательность нуклеотидов в одной цепи будет А—А—А—Ц—Т—Т—Г—Г—Г, то на соответствующем участке второй цепи последовательность нуклеотидов обязательно будет следующей: Т-Т-Т—Г-А—А-Ц-Ц-Ц.

Соединяются комплементарные нуклеотиды водородными связями. Удвоение молекулы ДНК — ее уникальная способность, обеспечивающая передачу наследственной информации от материнской клетки дочерним.

Этот процесс получил название редупликации ДНК. Он осуществляется следующим образом. Незадолго перед делением клетки молекула ДНК раскручивается, и ее двойная цепочка под действием фермента с одного конца расщепляется на две самостоятельные цепи. На каждой половине из свободных нуклеотидов клетки, по принципу комплементарности, выстраивается вторая цепь. В результате вместо одной молекулы ДНК возникают две совершенно одинаковые молекулы. Таким образом, процесс редупликации обеспечивает точное копирование информации и передачу ее из поколения в поколение.

ДНК называют веществом наследственности, так как биологическая наследственная информация закодирована в ее молекулах с помощью химического кода. В клетках всех живых существ один и тот же код. В его основе лежит последовательность соединений в нитях ДНК четырех азотистых оснований: А, Т, Г, Ц.

Различные комбинации трех смежных нуклеотидов образуют триплеты, называемые кодонами.

Рибонуклеиновая кислота

Рибонуклеиновая кислота — РНК — полимер, по структуре сходный с одной цепочкой ДНК, но значительно меньших размеров. Мономерами РНК являются нуклеотиды» состоящие из фосфорной кислоты углевода (рибозы) и азотистого основания. Три азотистых основания РНК — аденин, гуанин и цитозин — соответствуют таковым ДНК, а вместо тимина в РНК присутствует урацил. Образование биополимера РНК происходит через ковалентные связи между рибозой и фосфорной кислотой соседних нуклеотидов.

Известны три вида РНК: информационная РНК (и-РНК) передает информацию о структуре белка с молекулы ДНК, транспортная РНК (т-РНК) транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка и рибосомная РНК (р-РНК) — содержится в рибосомах, участвует в поддержании структуры рибосомы.