Органические вещества в биологии: мономеры и соединения углерода

Ведение

Помимо неорганических веществ, клетки нашего тела содержат органические вещества, необходимые клетке для построения своих структур и обеспечения нормальной жизни не только отдельной клетки, но и всего организма в целом.

Органические вещества, составляющие живой организм, разнообразны, и многие из них имеют очень сложную молекулярную структуру.

Каждое сложное органическое вещество состоит из повторяющихся мономерных звеньев.

Если в веществе много мономеров, то такое вещество называется полимером (от греческого «поли» — много, «мерос» — одна часть).

Если полимеры встречаются в природе в своей естественной форме, то есть являются частью живых организмов, их называют биополимерами.

Количество мономеров в молекуле полимера может составлять от нескольких до десятков миллионов.

Например, молекула ДНК бактерий состоит из более чем 3 миллионов мономеров (нуклеотидов).

Основные и наиболее важные группы органических веществ в клетке:

• белки
• толстый
• углеводы
• нуклеиновых кислот

Сегодня мы рассмотрим эти группы органических веществ, узнаем их строение и значение для организма.

Белки

Белки — это биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты.

Аминокислоты содержат карбоксильные (-COOH) и амино (-NH2) группы)

Молекулы белков могут содержать сотни и даже тысячи аминокислотных остатков.

А если в молекуле содержится до 100 аминокислотных остатков, то эту молекулу принято называть пептидом.

Вот более точное определение: белки и пептиды — это соединения, состоящие из аминокислотных остатков (AA), связанных пептидной (амидной) -C (O) -NH- связью-

К белкам также относятся углерод, водород, кислород и азот, сера.

Белки характеризуются определенной последовательностью аминокислот. Благодаря такой последовательности формируется химическая формула белка, то есть его структура.

Помимо определенной последовательности аминокислотных остатков, также очень важна трехмерная структура белка, которая образуется в результате сворачивания цепочки аминокислот.

Аминокислотные остатки в белке связаны пептидной связью:

Есть четыре белковые структуры:

Белковые структуры	Состав	Типы химических взаимодействий (связей)	Примеры белков и графики
Первичная структура (линейный)	Последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи	Пептидная связь С (О) -NH-	Альбумин, яичный белок, состоит из аминокислот. Мономеры связаны пептидными связями, молекула образует первичные, вторичные и третичные структуры
Вторичная структура (спираль)	Обертывание первичной структуры белка, стабилизированной водородными связями и гидрофобными взаимодействиями	Водород между пептидными группами (C = O… H — N) и гидрофобными связями	Альбумин — сваренный вкрутую яичный белок, кератин (в человеческих сухожилиях), коллаген (в волосах, ногтях)
Третичная структура (шаровидный)	Обнаружена упаковка вторичной спирали в шарик-глобулу (в виде шара), фибриллярная структура (в виде волокон)	Ковалентные связи, ионные (электростатические) взаимодействия (между аминокислотными остатками с противоположным зарядом); водородные связи; гидрофобные взаимодействия	Глобулины, альбумин
Четвертичная структура	Объединение нескольких клеток крови в сложный комплекс	Гемоглобин, инсулин

Фибриллярные и глобулярные белки:

	Фибриллярные белки	Глобулярные белки
Третичная структура	Длинные, тугие и скрученные пряди	Имеет округлую и сферическую форму
Растворимость	Нерастворимый	Частично растворим (образует коллоидные растворы)
Примеры	Коллаген (кожа, кости, зубы, сухожилия), кератин (волосы, ногти)	Гемоглобин (в эритроцитах), инсулин (гормон поджелудочной железы), каталаза (обеспечивает расщепление перекиси водорода в живых клетках)
Структура и функции	Коллаген существует в форме тройной спирали, которая механически прочна и долговечна. Многие в сухожилиях, связках, соединительной ткани, мышцах, коже и других тканях, подвергающихся сильному механическому воздействию, выполняют структурную и сократительную функцию	Они выполняют в клетках различные функции. Хорошо растворим

Гемоглобин — белок, содержащийся в клетках крови, эритроцитах, переносящий кислород и углекислый газ, имеет четвертичную структуру.

Ион железа, содержащийся в молекуле гемоглобина, принимает непосредственное участие в связывании кислорода.

Окись углерода CO (окись углерода) связывается с железом в сотни раз сильнее, чем кислород, поэтому окись углерода смертельна для человека, поскольку лишает гемоглобин способности связывать кислород

Денатурация и ренатурация белков

Белки могут быть активными в организме и выполнять свою функцию только при определенных физических параметрах.

Например, при повышении или понижении температуры, облучении, воздействии кислот естественная структура белка может быть нарушена, что, в свою очередь, может привести к гибели всей клетки.

Процесс разрушения естественной структуры, характерной для данного белка (вторичной, третичной, четвертичной), называется денатурацией.

Денатурация вызывается разрывом связей, стабилизирующих определенную структуру белка.

Как правило, это не разрушает первичную структуру белка.

Примером денатурации является коагуляция яичного белка при кипячении.

Денатурация обратима и необратима.

При варке яйца происходит необратимая денатурация, так как восстановить первоначальную структуру практически невозможно и большое количество связей разрывается.

Обратимая денатурация происходит, если внутренняя структура белка может быть восстановлена.

Если белок претерпел обратимую денатурацию, при восстановлении нормальных условий окружающей среды он способен полностью восстановить свою структуру и, следовательно, свои свойства и функции.

Процесс восстановления структуры белка после денатурации называется ренатурацией.

Функции белков в организме связаны с пространственной структурой белка и зависят от последовательности аминокислот в белке.

Основные функции белков:

• Каталитический (ферментативный) — увеличение скорости химических реакций в клетке и организме достигается за счет функционирования биологических катализаторов, ферментов, специализированных белков, обеспечивающих нормальное течение обмена веществ. Ферменты эффективны, потому что могут в 106-108 раз ускорять химические реакции; специфический, регулируемый различными химическими соединениями клетки
• Структурная функция: части цитоскелета клетки образованы структурными белками, структурные белки являются частью волос, когтей, рогов и копыт млекопитающих, компонентом костной ткани. Примеры структурных белков: кератин, коллаген
• Моторная функция: белковые нити актина и миозина, которые могут изменять форму клеток, являются частью сократительных мышечных волокон
• Транспортная функция: мембранные белки, активно переносящие вещества из окружающей среды в клетку и наоборот; белки крови, связывающие и транспортирующие различные вещества (например, гемоглобин, переносящий кислород из легких в ткани)
• Защитная функция: при попадании бактериальных вирусов, чужеродных белков в организм животных, человека образуются белки, которые называются антителами. Антитела связываются с чужеродными веществами, называемыми антигенами. Выделение токсинов (токсичных веществ белковой природы) живыми существами (змеями, земноводными, беспозвоночными) для защиты и нападения. Белки крови: протромбин, тромбин, фибрин, фибриноген участвуют в свертывании крови, останавливая кровотечение
• Регулирующая функция: регулирование активности ферментов, которые также активируют или подавляют активность других белков. Гормоны способны регулировать обмен веществ в очень низких концентрациях. Самый известный из белковых гормонов — это инсулин, гормон, вырабатываемый поджелудочной железой и регулирующий уровень глюкозы в клетках организма. При нехватке инсулина в организме возникает заболевание сахарный диабет
• Энергетическая функция: белки являются источником незаменимых аминокислот, при их расщеплении образуется энергия, необходимая клетке
• Функция хранения: поставка питательных веществ в виде белковых веществ в семенах (алейроновые зерна, от греческого «мука»), в яйцах животных (овальбумин)
• Сигнальная функция белков: способность белков действовать как сигнальные вещества, передавая сигналы между тканями, клетками или организмами

Липиды (жиры)

Липиды представляют собой совокупность биологических соединений, которые полностью или почти полностью нерастворимы в воде, но растворимы в органических растворителях и друг с другом.

Следовательно, липиды являются гидрофобными соединениями, то есть их молекулы в силу своих свойств «стремятся» избегать контакта с водой.

Липиды широко распространены в природе и являются незаменимым компонентом каждой живой клетки и ее мембран.

Липиды в клетке образуются на гладкой эндоплазматической мембране.

Они составляют энергетический резерв организма и участвуют в передаче нервных импульсов, в создании водоотталкивающих и теплоизоляционных покрытий и т.д.

Многие липиды — это пищевые продукты, используемые в промышленности и медицине.

Типы липидов:

• Простые липиды (жиры, воски) представляют собой сложные эфиры жирных кислот и спиртов. Жиры представляют собой сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот. Воски представляют собой сложные эфиры высших спиртов и высших жирных кислот. Воски образуют защитную смазку на коже, шерсти и перьях, покрывают листья и плоды высших растений, а также кутикулу внешнего скелета многих насекомых. Эти вещества очень гидрофобны. Пчелы используют воск для создания сот, которые непроницаемы для воды, хранят пищу в сотах и ​​воспроизводят потомство
• Сложные липиды состоят из глицерина, жирных кислот и других компонентов. В эту группу входят: фосфолипиды (производные фосфорной кислоты, они входят в состав всех клеточных мембран); гликолипиды (содержат остатки сахаров, их много в нервной ткани); липопротеины (комплексы липидов с белками). Стероиды — это небольшие гидрофобные молекулы, полученные из холестерина. К ним относятся многие важные гормоны (половые гормоны и гормоны коры надпочечников), а также эфирные масла, от которых зависит запах растений. Фосфолипиды составляют основу биологических мембран. Гидрофильная часть (голова) липида взаимодействует с водой, а гидрофобная часть (хвосты) «прячется» от воды.

Липидные функции:

• структурные: формирование биологических мембран
• энергия: когда жиры окисляются до двуокиси углерода и воды, выделяется большое количество энергии (38,9 кДж / г)
• хранение: накопление жира в клетках и органах живых организмов

У растений жиры накапливаются в основном во фруктах и ​​семенах, у животных — в подкожно-жировых тканях, окружающих внутренние органы, а также в печени, мозге и нервных тканях

• регуляторный: обеспечивается действием гормонов
• образование воды: при окислении жира образуется вода (при сжигании 1 г жира образуется 1,1 г воды); его используют пустынные животные (верблюды) или находящиеся в спячке (сурки, суслики) для метаболических нужд, поэтому эти животные могут оставаться без воды в течение длительного времени, используя свои жировые запасы
• теплоизоляция: у животных жиры откладываются в подкожной клетчатке, где они создают хороший слой теплоизоляции, особенно развитый у морских млекопитающих: китообразных и ластоногих
• защитные: жировая подушечка вокруг внутренних органов защищает от механических повреждений при движении, прыжках, ударах; у растений воск создает защитное покрытие на листьях и плодах

Особое место среди липидов занимают стероиды — холестерин полициклического спирта (чаще называемый холестерином) и его производные.

Холестерин и его сложные эфиры жирных кислот являются частью биологических мембран клеток животных, что придает им определенную «жесткость».

В растениях и грибах холестерин не обнаружен, в растениях его место занимает стигмастерол, а у грибов — эргостерин.

Гормоны вырабатываются из холестерина у животных

Углеводы

Название «углеводы» связано с тем, что большинство соединений этого класса состоит из углерода с водой.

Например, формула для глюкозы C6H12O6 = (C H2O) 6, а наиболее распространенные углеводы можно охарактеризовать общей формулой (CH2O) n

Углеводы — это органические вещества, молекулы которых состоят из атомов углерода, водорода и кислорода, причем водород и кислород находятся в них, как правило, в том же соотношении, что и молекула воды (2: 1).

В растениях содержание углеводов может достигать 70%, поскольку углеводы образуются в процессе фотосинтеза и впоследствии накапливаются в растении (например, в клубнях картофеля).

Избыток углеводов приводит к образованию жиров в организме животных и человека.

Выделяют следующие группы углеводов:

• простые углеводы или моносахариды
• сложные углеводы, к которым, в свою очередь, относятся дисахариды, олигосахариды, полисахариды — можно разделить на простые углеводы, мономеры

Простые углеводы.

Наиболее распространенными моносахаридами являются глюкоза (виноградный сахар) и фруктоза (фруктовый сахар). Формула общая и для фруктозы, и для глюкозы — C6H12O6

Формула глюкозы:

Длина углеродной цепи моносахаридов, обнаруженных в живых организмах, составляет от 3 до 8 атомов, хотя большинство из них содержат 3, 5 или 6 атомов углерода.

В зависимости от количества атомов углерода моносахариды делятся на:

• триоза — 3 атома углерода в одной молекуле
• тетрози — 4 атома углерода
• пентоза — 5 атомов углерода
• гексоза — 6 атомов углерода

Имущество:

• хорошо растворим в воде
• формировать кристаллы
• иметь сладкий вкус
• окисляется при гликолизе

Большое биологическое значение имеют пентозы: рибоза (часть молекул РНК) и дезоксирибоза (часть молекул ДНК).

Дисахариды

• сахароза (свекла, коричневый сахар), соединение глюкозы и фруктозы:

• лактоза (молочный сахар, содержащийся в молоке млекопитающих) состоит из остатков глюкозы и галактозы
• мальтоза (солодовый сахар) — сочетание двух остатков глюкозы

Он образуется при расщеплении крахмала и гликогена в пищеварительном тракте животных или при прорастании семян растений. Свойства такие же, как у моносахаридов.

Полисахариды

• крахмал состоит только из остатков глюкозы. Крахмал является основным запасающим веществом в растениях
• гликоген выполняет накопительную функцию у грибов и животных
• целлюлоза представляет собой неразветвленный полимер, содержащий около 10 000 остатков глюкозы; встречается в основном у растений, где составляет основу клеточных стенок
• хитин по структуре похож на целлюлозу. Хитин служит основой клеточных стенок грибов и образует внешний скелет у членистоногих
• муреин формирует стенку бактериальной клетки

Свойства полисахарида:

• не растворим в воде (гидрофобный)
• у них нет сладкого вкуса

Функции углеводов в живых организмах различны:

• Энергия: углеводы — самый дешевый источник энергии. Углеводы обеспечивают около 50-60% дневной энергии, потребляемой организмом. При окислении 1 г углеводов выделяется 17 кДж энергии (4,1 ккал). Запасы глюкозы или свободных углеводов в виде гликогена используются в качестве основного источника энергии
• Структурно: целлюлоза и хитин входят в состав клеточных стенок, хитиновой оболочки членистоногих, образуют гликокаликс в плазматической мембране клетки. Кроме того, полисахариды являются неотъемлемыми компонентами соединительной ткани животных (хрящей, сухожилий и т.д.).
• Пластик: рибоза и дезоксирибоза используются для построения ДНК, РНК, АТФ, АДФ. Они входят в состав некоторых ферментов. Некоторые углеводы входят в состав клеточных мембран
• Хранение (резерв): в виде гликогена они хранятся в скелетных мышцах, печени и других тканях, у растений запасным веществом является крахмал
• Транспорт: в форме углеводов основной транспорт веществ происходит в многоклеточных организмах, например, в крови животных (глюкоза) или во флоэме высших растений (сахароза)
• Защитный: сложные углеводы являются частью иммунной системы. Мукополисахариды содержатся в слизистых веществах, которые покрывают поверхность кровеносных сосудов, бронхов, пищеварительного тракта, мочевыводящих путей и защищают от проникновения бактерий, вирусов и механических повреждений
• Регулирование: пищевые волокна не расщепляются в кишечнике, но активизируют перистальтику кишечника

Некоторые лягушки обнаружили в своем организме использование глюкозы. Поэтому, когда наступают холода, они просто замерзают во льду, а с приходом весны земноводные оттаивают и оживают.

Оказывается, с наступлением холодов количество глюкозы в крови лягушки увеличивается в 60 раз.

Это предотвращает образование кристаллов льда внутри клеток, поэтому лягушки не погибают во время такой экстремальной перезимовки

Интересная информация

Как появились живые организмы на Земле?

дать однозначный правильный ответ довольно сложно, но есть гипотезы, которые пытаются объяснить этот непростой вопрос.

Ученые предполагают, что зарождение жизни на Земле связано с химической эволюцией, то есть вначале на Земле шел процесс образования первых органических соединений. Дальнейший переход от химической эволюции к биологической связан с появлением более простых органических систем.

В 1924 г вышла книга советского ученого А.И. Опарина «Происхождение жизни», в которой он выдвинул теорию о том, что органические вещества могут образовываться абиогенно, т.е без участия живых организмов, под действием электрических зарядов, тепловая энергия, ультрафиолетовые лучи на газовых смесях, содержащих пары воды, аммиак, метан и др.

Его гипотеза подтвердилась.

важно отметить, что американский биолог Дж. Лоеб в 1912 году первым получил из газовой смеси простейший белковый компонент — аминокислоту глицин под действием электрического разряда из газовой смеси. Но открытие Леба осталось незамеченным, поэтому первый абиогенный синтез органических веществ из случайной смеси газов приписывают американским ученым С. Миллеру и Дж. Юри.

В 1953 году они получили сложную смесь многих десятков органических веществ из водорода, воды, метана и аммиака в стеклянной колбе под действием электрического разряда, имитирующего молнию. Среди них преобладали органические (карбоновые) кислоты: муравьиная, уксусная и яблочная кислоты, их альдегиды и аминокислоты.

Эксперименты Миллера и Юри неоднократно проверялись на разных газовых смесях и с разными источниками энергии (солнечный свет, ультрафиолетовое и радиоактивное излучение и только тепло).

Предполагается, что из смеси таких органических веществ впоследствии смогли сформироваться простейшие клетки на Земле.

Молекулярный состав

Химические элементы входят в состав клетки в виде ионов и молекул неорганических и органических веществ. Важнейшими неорганическими веществами в клетке являются вода и минеральные соли, важнейшими органическими веществами являются углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты.

Неорганические вещества

Вода

Вода — преобладающее вещество всех живых организмов. Он обладает уникальными свойствами благодаря своим структурным характеристикам: молекулы воды имеют дипольную форму и между ними образуются водородные связи. Среднее содержание воды в клетках большинства живых организмов составляет около 70%. Вода в клетке присутствует в двух формах: свободная (95% всей клеточной воды) и связанная (4–5% связанного белка). Функции воды представлены в таблице.

Минеральные соли

Минеральные соли в водном растворе клетки диссоциируют на катионы и анионы.
Наиболее важными катионами являются K +, Ca2 +, Mg2 +, Na +, NH4+,
Наиболее важными анионами являются Cl-, SO42-, HPO42-, H2PO4-, HCO3-, NO3-.
Важна не только концентрация, но и соотношение отдельных ионов в ячейке.
Функции минералов представлены в таблице.

Органические вещества

Полимер — это многосвязная цепь, звено которой представляет собой относительно простое вещество: мономер. Полимеры бывают линейные и разветвленные, гомополимеры (все мономеры одинаковые — остатки глюкозы в крахмале) и гетерополимеры (разные мономеры — аминокислотные остатки в белках), регулярные (группа мономеров в полимере периодически повторяется) и нерегулярные (есть видимая повторяемость мономерных звеньев в молекулах).
Биологические полимеры — это полимеры, входящие в состав клеток живых организмов и продуктов их метаболизма. Биополимеры — это белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. Свойства биополимеров зависят от количества, состава и порядка расположения составляющих их мономеров. Изменения в составе и последовательности мономеров в структуре полимера приводят к появлению значительного числа вариантов биологических макромолекул.

Углеводы

Углеводы — это органические соединения, состоящие из одной или нескольких простых молекул сахара. Содержание углеводов в клетках животных составляет 1-5%, а в некоторых клетках растений достигает 70 %.
Есть три группы углеводов: моносахариды, олигосахариды (состоящие из 2-10 молекул простых сахаров), полисахариды (состоящие из более чем 10 молекул сахара). В сочетании с липидами и белками углеводы образуют гликолипиды и гликопротеины.

Липиды

Липиды — это жиры и жироподобные органические соединения, которые практически не растворяются в воде. Их содержание в разных клетках значительно колеблется от 2-3 (в семенных клетках растений) до 50-90% (в жировой ткани животных). Химически липиды обычно представляют собой сложные эфиры жирных кислот и ряда спиртов

Они делятся на несколько классов. Наиболее распространены в живой природе нейтральные жиры, воски, фосфолипиды, стероиды. Большинство липидов содержат жирные кислоты, молекулы которых содержат гидрофобный «хвост» из длинноцепочечных углеводородов и гидрофильную карбоксильную группу.
Жиры представляют собой сложные эфиры трехвалентного спирта глицерина и трех молекул жирных кислот. Воски представляют собой сложные эфиры поливалентных спиртов и жирных кислот. Фосфолипиды имеют в молекуле остаток фосфорной кислоты вместо остатка жирной кислоты. Стероиды не содержат жирных кислот и имеют особую структуру. Кроме того, для живых организмов характерны липопротеины — соединения липидов с белками без образования ковалентных связей и гликолипиды — липиды, в которых, помимо остатка жирной кислоты, содержится одна или несколько молекул сахара.
Функции липидов представлены в таблице.

Белки

Белки — это самый большой и разнообразный класс органических соединений в клетке. Белки — это биологические гетерополимеры, мономерами которых являются аминокислоты.

С точки зрения химического состава аминокислоты представляют собой соединения, содержащие карбоксильную группу (-COOH) и аминогруппу (-NH2), связанную с атомом углерода, к которому присоединена боковая цепь, — радикал R. Это радикал, который дает аминокислота ее уникальные свойства.
В образовании белков участвуют всего 20 аминокислот. Их называют основными или основными: аланин, метионин, валин, пролин, лейцин, изолейцин, триптофан, фенилаланин, аспарагин, глутамин, серин, глицин, тирозин, треонин, цистеин, аргинин, гистидин, лизин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты. Некоторые аминокислоты не синтезируются в организме животных и человека и должны поступать с растительной пищей. Их называют эссенциальными: аргинин, валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин.
Аминокислоты, соединяясь друг с другом ковалентными пептидными связями, образуют пептиды различной длины
Пептидная (амидная) связь — это ковалентная связь, образованная карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой.
Белки — это высокомолекулярные полипептиды, содержащие от ста до нескольких тысяч аминокислот.
Существует 4 уровня организации белков:

Нуклеиновые кислоты

Мононуклеотиды. Мононуклеотид состоит из азотистого основания — пурина (аденин — A, гуанин — G) или пиримидина (цитозин — C, тимин — T, урацил — U), пентозы сахара (рибоза или дезоксирибоза) и 1-3 остатков кислоты фосфорной.
В зависимости от количества фосфатных групп различают моно-, ди- и трифосфаты нуклеотидов, например, аденозинмонофосфат — АМФ, гуанозиндифосфат — HDF, уридинтрифосфат — UTP, тимидинтрифосфат — TTF и т.д.
Функции мононуклеотидов представлены в таблице.

Виды РНК

Визуализация	Характерная черта	Доля в ячейке, %
Информационная РНК (мРНК) или информационная РНК (мРНК)	Имеет обрыв цепи. Он служит шаблоном для синтеза белков, передавая информацию об их структуре от молекулы ДНК к рибосомам в цитоплазме.	Около 5
Транспортная РНК (тРНК)	Предоставляет аминокислоты синтезированной белковой молекуле. Молекула тРНК состоит из 70-90 нуклеотидов и благодаря комплементарным взаимодействиям внутри цепи приобретает характерную вторичную структуру в виде «клевера». 1-4 — сайты комплементарных соединений в цепи РНК; 5 — сайт комплементарного соединения с молекулой мРНК; 6 — сайт (активный центр) соединения с аминокислотой	Около 10
Рибосомная РНК (рРНК)	В сочетании с рибосомными белками он образует рибосомы — органеллы, на которых происходит синтез белка.	Около 85

Функции РНК: участие в биосинтезе белков.
Самостоятельное удвоение ДНК. Молекулы ДНК обладают способностью, которой нет ни в одной другой молекуле: способностью дублировать себя. Процесс дублирования молекул ДНК называется репликацией.

Репликация основана на принципе комплементарности: образование водородных связей между нуклеотидами A и T, G и C.
Репликация осуществляется ферментами ДНК-полимеразы. Под их влиянием цепи молекулы ДНК разделяются на небольшом участке молекулы. Дочерние цепи завершаются на цепи родительской молекулы. Затем воспроизводится новый сегмент и цикл репликации повторяется.
В результате образуются дочерние молекулы ДНК, которые ничем не отличаются друг от друга и от родительской молекулы. В процессе деления клетки дочерние молекулы ДНК распределяются между образующимися клетками. Так информация передается из поколения в поколение.
Под воздействием различных факторов окружающей среды (ультрафиолетовое излучение, различные химические вещества) молекула ДНК может быть повреждена. Бывают обрывы цепи, неправильные замены азотистых оснований нуклеотидов и т.д. Также изменения в ДНК могут происходить спонтанно, например, в результате рекомбинации — обмена фрагментами ДНК. Произошедшие изменения наследственной информации также передаются потомству.
В некоторых случаях молекулы ДНК способны «корректировать» изменения, происходящие в ее цепях. Эта способность называется ремонтом. В восстановлении исходной структуры ДНК участвуют белки, которые распознают измененные участки ДНК и удаляют их из цепи, таким образом восстанавливая правильную нуклеотидную последовательность, сшивая восстановленный фрагмент с остальной частью молекулы ДНК.
Сравнительные характеристики ДНК и РНК представлены в таблице.

Строение клетки Клеточная теория

Формирование клеточной теории:

• Роберт Гук открыл клетки в разрезанной пробке в 1665 году и впервые использовал термин «клетка.
• Энтони ван Левенгук открыл одноклеточные организмы.
• Маттиас Шлейден в 1838 г и Томас Шванн в 1839 г сформулировали основные положения теории клетки. Однако они ошибочно полагали, что клетки произошли из первичного неклеточного вещества.
• Рудольф Вирхов в 1858 году показал, что все клетки образуются из других клеток путем деления клеток.

Основные положения клеточной теории:

1. Клетка — структурная единица всего живого. Все живые организмы состоят из клеток (за исключением вирусов).
2. Клетка — это функциональная единица всего живого. Клетка выполняет полный спектр жизненно важных функций.
3. Клетка — это единица развития всего живого. Новые клетки образуются только в результате деления исходной клетки (mother.
4. Клетка — это генетическая единица всего живого. Хромосомы клетки содержат информацию о развитии всего организма.
5. Клетки всех организмов похожи по химическому составу, строению и функциям.

Типы клеточной организации

Среди живых организмов только вирусы не имеют клеточной структуры. Все остальные организмы представлены клеточными формами жизни. Есть два типа клеточной организации: прокариотическая и эукариотическая. К прокариотам относятся бактерии и цианобактерии (сине-зеленые), к эукариотам — растения, грибы и животные.

Структура прокариотических клеток относительно проста. У них нет ядра, область, где ДНК находится в цитоплазме, называется нуклеоидом, единственная молекула ДНК круглая и не связана с белками, клетки меньше эукариотических клеток, гликопептид — муреин входит в состав клеточная стенка, мембранные органеллы отсутствуют, их функции выполняют инвагинации плазматической мембраны (мезосомы), рибосомы небольшие, микротрубочки отсутствуют, поэтому цитоплазма неподвижна, а реснички и жгутики имеют особое строение.

У эукариотических клеток есть ядро, в котором находятся хромосомы: линейные молекулы ДНК, связанные с белками; в цитоплазме обнаруживаются различные мембранные органеллы.
Растительные клетки отличаются наличием толстой клеточной стенки из целлюлозы, пластид и большой центральной вакуоли, которая перемещает ядро ​​к периферии. Клеточный центр высших растений не содержит центриолей. Резервный углевод — крахмал.
Грибковые клетки имеют хитинсодержащую клеточную стенку, в цитоплазме имеется центральная вакуоль, пластиды отсутствуют. Лишь у некоторых грибов центриоль находится в центре клетки. Главный резервный углевод — гликоген.
Клетки животных не имеют клеточной стенки, не содержат пластид и центральной вакуоли; центриоль характерна для клеточного центра. Резервный углевод — гликоген.
В зависимости от количества клеток, из которых состоят организмы, они делятся на одноклеточные и многоклеточные. Одноклеточные организмы состоят из одной клетки, которая выполняет функции всего организма. Все прокариоты одноклеточные, как и простейшие, некоторые зеленые водоросли и грибы. Тело многоклеточных организмов состоит из множества клеток, объединенных в ткани, органы и системы органов. Клетки многоклеточного организма специализированы для выполнения определенной функции и могут существовать вне организма только в микросреде, близкой к физиологической (например, в условиях культивирования тканей). Клетки многоклеточного организма различаются по размеру, форме, строению и функциям. Несмотря на индивидуальные особенности, все клетки построены по единому плану и имеют множество общих характеристик.

Характеристика структур эукариотической клетки

Имя	Состав	Функции
I. Поверхностный аппарат клетки	Плазматическая мембрана, супрамембранный комплекс, субмембранный комплекс	Взаимодействие с внешней средой; гарантировать сотовую связь; транспортные: а) пассивные (диффузия, осмос, облегченная диффузия через поры); б) активный; в) экзоцитоз и эндоцитоз (фагоцитоз, пиноцитоз)
1. Плазменная мембрана	Два слоя липидных молекул, в которые включены белковые молекулы (интегральный, полуцелой и периферический)	Структурные
2. Супрамембранный комплекс:
а) гликокаликс	Гликолипиды и гликопротеины	Рецептор
б) клеточная стенка растений и грибов	Целлюлоза в растениях, хитин в грибах	Структурные; защитный; обеспечить тургор клеток
3. Субмембранный комплекс	Микротрубочки и микрофиламенты	Обеспечивает механическую стабильность плазматической мембраны
II. Цитоплазма
1. Гиалоплазма	Коллоидный раствор неорганических и органических веществ	Ферментативные реакции; синтез аминокислот, жирных кислот; формирование цитоскелета; обеспечение движения цитоплазмы (циклоз)
2. Одномембранные органеллы:
а) эндоплазматическая сеть:	Система мембран, образующих цистерны, канальцы	Транспорт веществ внутри и вне клетки; разграничение ферментативных систем; место образования одномембранных органелл: комплекс Гольджи, лизосомы, вакуоли
гладкий; плавный	Без рибо	Синтез липидов и углеводов
грубый	Есть рибосомы	Синтез белка
б) Аппарат Гольджи	Плоские резервуары, большие резервуары, микровакуоли	Образование лизосом; секреторный; кумулятивная; увеличение белковых молекул; синтез сложных углеводов
в) первичные лизосомы	Ограниченные мембраной везикулы, содержащие ферменты	Участие во внутриклеточном пищеварении; защитный
г) вторичные лизосомы:
пищеварительные вакуоли	Первичная лизосома + фагосома	Эндогенное питание
остаточные тела	Вторичные лизосомы, содержащие непереваренный материал	Накопление неделимых веществ
автолизосомы	Первичная лизосома + разрушенные клеточные органеллы	Автолиз органелл
д) вакуоли	В растительных клетках мелкие пузырьки отделены от цитоплазмы мембраной; полость заполнена клеточной лимфой	Поддержание клеточного тургора; хранить
е) пероксисомы	Маленькие пузырьки, содержащие ферменты, нейтрализующие перекись водорода	Участие в обменных реакциях; защитный
3. Органеллы с двойной мембраной:
а) митохондрии	Наружная мембрана, внутренняя мембрана с гребнями, матрица, содержащая ДНК, РНК, ферменты, рибосомы	Клеточное дыхание; синтез АТФ; синтез митохондриального белка
б) пластиды:	Наружные и внутренние оболочки, строма
хлоропласты	В строме структуры мембраны — ламели, образующие диски — тилакоиды, собраны в груды — зерна, содержащие пигмент хлорофилл. В строме — ДНК, РНК, рибосомы, ферменты	Фотосинтез; определение цвета листьев, плодов
хромопласты	Содержит желтый, красный, оранжевый пигменты	Определение окраски листьев, плодов, цветов
лейкопласты	Не содержит пигментов	Накопление резервных питательных веществ
4. Немембранные органеллы:
а) рибосомы	Наличие больших и малых подразделений	Синтез белка
б) микротрубочки	Канальцы диаметром 24 нм, стенки образованы тубулином	Участие в формировании цитоскелета, деления ядра
в) микрофиламенты	Нити диаметром 6 нм из актина и миозина	Участие в формировании цитоскелета; формирование коркового слоя под плазматической мембраной
г) клеточный центр	Часть цитоплазмы и две центриоли, перпендикулярные друг другу, каждая из которых состоит из девяти триплетов микротрубочек	Участие в делении клеток
д) реснички и жгутики	Разрастания цитоплазмы; у основания базальные тельца. На поперечном срезе ресничек и жгутиков по периметру девять пар микротрубочек и одна пара в центре	Участие в движении
5. Включения	Капли жира, гранулы гликогена, гемоглобин эритроцитов	Запоминание; секреторный; специфический
III. Ядро	Имеет двухмембранную мембрану, кариоплазму, ядрышко, хроматин	Регуляция клеточной активности; архивирование наследственной информации; передача наследственной информации
1. Ядерная оболочка	Он состоит из двух мембран. Имеет поры. Связан с эндоплазматической сетью	Отделяет ядро ​​от цитоплазмы; регулирует транспорт веществ в цитоплазме
2. Кариоплазма	Раствор белков, нуклеотидов и других веществ	Обеспечивает нормальное функционирование генетического материала
3. Ядрышки	Маленькие круглые тельца, они содержат рРНК	Резюме РРНК
4. Хроматин	Связанная с белком развернутая молекула ДНК (мелкие гранулы)	Он образует хромосомы при делении клеток
5. Хромосомы	Свернутая молекула ДНК, связанная с белками. Плечи хромосомы соединены центромерой, может быть вторичная перетяжка, разделяющая сателлит, плечи заканчиваются стеломерами	Передача унаследованной информации

Взаимосвязь строения и функций неорганических и органических веществ

Функции, выполняемые неорганическими и органическими веществами, тесно связаны с их структурой. Следовательно, мембрана, покрывающая клетку (оболочка), содержит углеводы, белки и липиды. Рецепторные белки, расположенные на поверхности клеточной мембраны, воспринимают сигналы из окружающего пространства, тем самым выполняя рецепторную функцию.

Содержание липидов (жиров) в мембранах определяет проницаемость мембраны для одних соединений и непроницаемость для других. Углеводы несут ответственность за синтез энергосберегающих молекул АТФ. Строение других компонентов клетки аналогично связано с их составом.

Неорганические вещества в клетке

Вода

Вода — главное неорганическое вещество в клетке. При этом количество воды зависит от скорости обмена веществ в конкретной ткани — чем она выше, тем больше воды.

Пример 4

Эмбрион человека в возрасте 1,5 месяцев на 97,5% состоит из воды, в возрасте 8 месяцев — на 83%. Младенцы на 74% состоят из воды, а у взрослых этот показатель составляет 66%.

При этом в разных органах и тканях количество воды разное.

Мозг взрослого человека содержит до 86% воды. Для сравнения: в печени их всего 70, а в кости еще меньше — около 20%.

Чем старше становится человек, тем меньше воды в его тканях.

Почему вода так важна для организма? Он выполняет ряд функций:

• сохраняет объем клеток;
• придает клетке эластичность;
• помогает растворять различные химические вещества.

Но самое главное, что все химические процессы происходят в воде как в среде. Вода участвует во всех химических реакциях: в результате химического взаимодействия с водой разрушаются такие элементы, как жиры, углеводы и другие органические соединения.

Вода обладает высокой теплоемкостью, что позволяет ей защищать цитоплазму от резких перепадов температуры и участвовать в терморегуляции клеток и организма в целом.

Определенная часть молекул воды — около 15% — находится в связанном состоянии с молекулами белка. Они несут ответственность за изоляцию белковых молекул друг от друга в коллоидных растворах.

Низкая растворимость в воде характеризуется наличием в клетке большого количества органических веществ (липидов). Молекулы воды слабо притягиваются к этим веществам. По этой причине, находясь в основании клеточной мембраны, эти вещества уменьшают перенос воды из клетки во внешнюю среду и в обратном направлении (даже из одной части клетки в другую).

Минеральные соли

Клетки опорных органов содержат довольно большое количество минеральных солей. К этим органам относятся хитиновые панцири черепах и моллюсков, кости. Цитоплазма других клеток содержит в диссоциированном состоянии практически все соли, такие как катионы и анионы калия, натрия, хлора, кальция и др.

Для нормального функционирования клетки важно, чтобы она содержала катионы. Концентрация соли определяет объем воды, поступающей в ячейку. Это связано с тем, что клеточная мембрана проницаема для молекул воды и непроницаема для большинства более крупных молекул и ионов.

Если в среде содержится меньше ионов, чем в цитоплазме клетки, поступление воды в клетку осуществляется до тех пор, пока концентрация соли не выровняется (осмос).

Соли в цитоплазме придают ей буферные свойства. В частности, способность поддерживать постоянный уровень pH (близкий к нейтральной реакции) даже в условиях непрерывного образования кислотных и щелочных продуктов в процессе метаболизма.