Органические соединения в клетке: белки, углеводы, липиды и липойды, нуклеиновые кислоты.

Белки. Среди органических веществ клетки белки занимают первое место как по количеству, так и по значениию. У животных на них приходится около 50 % сухой массы клетки. В организме человека встречается 5 млн. типов белковых молекул, отличающихся не только друг от друга, но и от белков других организмов.

Несмотря на такое разнообразие и сложность строения, они построены всего из 20 различных аминокислот.

Белки, выделенные из живых организмов — животных, растений и микроорганизмов,— включают несколько сотен, а иногда и тысяч комбинаций 20 основных аминокислот. Порядок их чередования самый разнообразный, что делает возможным существование огромного числа молекул белка, отличающихся друг от друга. Например, для белка, состоящего всего из 20 остатков аминокислот, теоретически возможно около 2 • 1018 вариантов, отличающихся чередованием аминокислот, а значит, и свойствами различных белковых молекул. Последовательность аминокислот в полипептидной цепи принято называть первичной структурой белка. Однако молекула белка в виде цепи аминокислот, последовательно соединенных между собой пептидными связями, еще не способна выполнять специфические функции. Для этого необходима более высокая структурная организация. Путем образования водородных связей между остатками карбоксильных и аминогрупп разных аминокислот белковая молекула принимает вид спирали. Это вторичная структура белка. Но и ее часто недостаточно для приобретения характерной активности. Только молекула, обладающая третичной структурой, может выполнять роль катализатора или любую другую. Третичная структура образуется благодаря взаимодействию радикалов, в частности радикалов аминокислоты цистеина, которые содержат серу. Атомы серы двух аминокислот, находящихся на некотором расстоянии друг от друга в полипептидной цепи, соединяются, образуя так называемые дисульфидные, или 5-3 связи. Благодаря этим взаимодействиям, а также другим менее сильным связям белковая спираль сворачивается и приобретает форму шарика, или глобулы. Способ укладки полипептид-ных спиралей в глобулы называют третичной структурой белка. Многие белки, обладающие третичной структурой, могут выполнять свою биологическую роль в клетке. Однако для некоторых функций организма требуется участие белков с еще более высоким уровнем организации. Такая организация называется четвертичной структурой. Она представляет собой функциональное объединение нескольких (двух, трех и более) молекул белка с третичной организацией. Пример такого сложного белка — гемоглобин. Его молекула состоит из четырех связанных между собой молекул.

Функции белков в клетке чрезвычайно многообразны. Одна из важнейших — строительная функция: белки участвуют в образовании всех клеточных мембран и органоидов клетки, а также внеклеточных структур. Исключительно важное значение имеет каталитическая роль белков. Все ферменты — вещества белковой природы, они ускоряют химические реакции, протекающие в клетке в десятки и сотни тысяч раз.

Двигательная функция живых организмов обеспечивается специальными сократительными белками. Эти белки участвуют во всех видах движения, к которым способны клетки и организмы: мерцание ресничек и биение жгутиков у простейших, сокращение мышц у многоклеточных животных, движение листьев у растений и др.

Транспортная функция белков заключается в присоединении химических элементов (например, кислорода) или биологически активных веществ (гормонов) и переносе их к различным тканям и органам тела.

При поступлении в организм чужеродных белков или микроорганизмов в белых кровяных тельцах — лейкоцитах — образуются особые белки — антитела. Они связывают и обезвреживают не свойственные организму вещества — это защитная функция.

Белки служат и одним из источников энергии в клетке, т. е. выполняют энергетическую функцию. При полном расщеплении 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии.

Углеводы. Углеводы выполняют две основные функции: строительную и энергетическую. Например, целлюлоза образует стенки растительных клеток; сложный полисахарид хитин — главный структурный компонент наружного скелета членистоногих. Строительную функцию хитин выполня и у грибов. Углеводы играют роль основного источника энергии в клетке. В процессе окисления 1 г углеводов освобождается 17,6 кДж. Крахмал у растений и гликоген у животных, откладываясь в клетках, служат энергетическим резервом.

Жиры и липоиды. Жиры (липиды) представляют собой соединения высокомолекулярных жирных кислот и трехатомного спирта глицерина. Жиры не растворяются в воде — они гидрофобны. В клетках всегда есть и другие сложные гидрофобные жироподобные вещества, называемые липоидами.

Одна из основных функций жиров — энергетическая. В ходе расщепления 1 г жиров освобождается большое количество энергии — 38,9 кДж. Содержание жира в клетке колеблется в пределах 5—15 % от массы сухого вещества. В клетках жировой 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 функцию, они входят в состав клеточных мембран. Образование некоторых липоидов предшествует синтезу ряда гормонов. Следовательно, этим веществам присуща и функция регуляции обменных процессов.

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 строения нуклеиновых кислот влекут за собой изменения структуры клеток или активности физиологических процессов в них, влияя таким образом на жизнеспособность. Изучение структуры нуклеиновых кислот, которую впервые установили американский биолог Уотсон и английский физик Крик, имеет исключительно важное значение для понимания наследования признаков у организмов и закономерностей функционирования как отдельных клеток, так и клеточных систем — тканей и органов.

Существуют два типа нуклеиновых кислот: ДНК и РНК. ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — биологический полимер, состоящий из двух полинуклеотидных цепей, соединенных друг с другом. Мономеры, составляющие каждую из цепей ДНК, представляют собой сложные органические соединения, включающие азотистые основания — аденин (А) или тимин (Т), цитозин (Ц) или гуанин (Г); пятиатомный сахар пентозу — дезоксирибозу по имени которой получила название и сама ДНК, а также остаток фосфорной кислоты. Эти соединения носят название нуклеотидов. В каждой цепи нуклеотиды соединяются между собой образуя кобалетные связи между дезокарибозой одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого. Нуклеотиды могут соединяться только попарно: азотистое основание А одной цепи полинуклеотидов всегда связано двумя водородными связями с азотистым основанием Т противоположной полинуклеотидной цепочки, а Г тремя водородными связями с Ц. Такая способность к избирательному соединению нуклеотидов, в результате чего образуются пары А-Т и Г-Ц, называется ком-плементарностью.

РНК (рибонуклеиновая кислота) также, как ДНК, представляет собой полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Азотистые основания трех нуклеотидов те же самые, что входят в состав ДНК (аденин, гуанин, цитозин), четвертое - урацил - присутствует в молекуле РНК вместо тимина. Нуклеотиды РНК отличаются от нуклеотидов ДНК и по строению входящего в их состав углевода: они включают другую пентозу - рибозу (вместо дезоксирибозы). В цепочке РНК нуклеотиды соединяются путем образования ковалентных связей между дезоксирибозой одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого.

РНК переносят информацию о последовательности аминокислот в белках, т. е. о структуре белков от хромосом к месту их синтеза, и участвуют в синтезе белков.

Существует несколько видов РНК. Их названия обусловлены выполняемой функцией или местонахождением в клетке. Большую часть РНК цитоплазмы (до 80—90 %) составляет рибосомальная РНК (рРНК), содержащаяся в рибосомах. Молекулы рРНК относительно невелики и состоят из 3—5 тыс. нуклеотидов. Другой вид РНК — информационные (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. Молекулы иРНК могут состоять из 300—30000 нуклеотидов. Транспортные РНК (тРНК) включают 76—85 нуклеотидов и выполняют несколько функций. Они доставляют аминокислоты к месту синтеза белка, "узнают" (по принципу комплементарности) триплет иРНК, соответствующий переносимой аминокислоте, осуществляют точную ориентацию аминокислоты на рибосоме (65-k.com).