Презентация "Химический состав клетки"

Химический состав клетки

Химический состав клетки

Клетки состоят из тех же химических элементов, которые образуют неживую природу.

Из 112 химических элементов периодической системы

Д. И. Менделеева в клетках живых организмов обнаружено примерно 25.

По количественному содержанию в клетке все химические элементы делят на 3 группы:

Макроэлементы

Ультрамикроэлементы

Микроэлементы

на их долю приходится (99%)

(в сумме менее, 001%)

(1%)

2

2

Химический состав клетки.

Макроэлементы

Макроэлементы составляют основную массу вещества клетка на их долю приходится около 99%, из них 98 % приходится на четыре химических элемента:

кислород – 65%

углерод – 18%

водород – 10%

азот – 3%

И еще 1% приходится на долю 8 элементов:

кальций, фосфор,

хлор, калий, сера,

натрий, магний,

железо

Органогенные элементы – входят в состав белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов, воды

Содержатся в десятых или сотых долях процента

Химический состав клетки

Микроэлементы – преимущественно ионы металлов ( кобальта, меди, цинка и др.) и галогенов ( йода, брома

и др.). Они содержатся в количествах от 0,001% до 0,000001%.

Входят в состав гормонов, ферментов, витаминов.

Например, цинк – необходимый элемент ДНК- и РНК- полимераз, гормона инсулина. Йод входит в состав тироксина – гормона щитовидной железы.

Ультрамикроэлементы – концентрация ниже 0,000001 %. К ним относят золото, уран, ртуть, селен и др.

Физиологическая роль большинства этих элементов в живых организмах не установлена

Химические соединения в клетке

Органические

Неорганические

Белки

Вода

Жиры

Минеральные соли

Углеводы

Нуклеиновые

кислоты

АТФ

2

2

Неорганические вещества

_

_

Вода

О

Содержание воды в организмах составляет 60 – 90%.

Играет важнейшую роль в жизни клеток и живых организмов.

В клетке находится в двух формах: свободной и связанной. Свободная (95% всей воды) используется как растворитель и как среда протоплазмы. Связанная вода (4-5%) благодаря своей дипольности (атомы водорода имеет частично положительный заряд, а атом кислорода – частично отрицательный) связана, как с положительно, так и с отрицательно заряженными белками. В результате образуется водная оболочка вокруг белков, которая препятствует склеиванию их друг с другом.

H

Н

+

+

+ +

+

-

-

+

-

+

-

+

Белок

+

-

+

-

+

+

+

-

+

+

Неорганические вещества. Вода

_

_

О

H

Н

Роль воды в клетке определяется ее свойствами:

• малые размеры молекул воды,
• полярность молекул,
• способность соединяться

друг с другом

водородными связями.

+

+

Н- связи между молекулами воды

7

Биологическая роль воды в клетке

Универсальный растворитель

Метаболическая

Структурная

Обладает высокой удельной теплоемкостью.

Высокая теплопроводность – обусловленная малыми размерами ее молекул.

Биологическая роль воды в клетке

Универсальный растворитель

для полярных веществ: солей, сахаров, кислот и др. Вещества, растворимые в воде, называются гидрофильными.

С неполярными веществами (гидрофобные – жиры) вода не образует Н-связи, а следовательно, не растворяет и не смешивается

с ними.

Структурная – цитоплазма клеток содержит 60%-95% воды.

обуславливает осмос и тургорное давление, т.е. физические свойства клетки;

Биологическая роль воды в клетке

Обладает высокой удельной теплоемкостью – поглощает большое количество тепловой энергии при незначительном повышении +

собственной температуры.

Обладает наивысшей теплоемкостью из всех известных жидкостей. При повышении температуры окружающей среды часть тепловой энергии затрачивается на разрыв водородных связей между молекулами воды, при этом поглощается тепло. При охлаждении вновь возникают водородные связи между молекулами воды и выделяется тепло. Этим обусловлена её способность обеспечивать терморегуляцию клетки.

Высокая теплопроводность – обусловленная малыми размерами ее молекул.

Биологическая роль воды в клетке

Метаболическая – служит средой протекания химических реакций,

участвует в реакциях гидролиза (расщепление белков, углеводов происходит в результате их взаимодействия с водой);

В процессе фотосинтеза вода является источником электронов и атомов водорода.

Она же и источник свободного кислорода:

6H 2 O + 6CO 2 = C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Минеральные соли

Минеральные соли

Роль в клетке

Состав

В диссоциирован-ном состоянии:

- катионы

С разностью концентрации ионов по разные стороны мембраны связывают активный перенос веществ через мембрану.

Состоят из катионов и анионов

Обеспечивают постоянство осмотического давления в клетке.

+ + ++

++

К, Na, Ca,

Mg

Анионы фосфорной кислоты создают фосфатную буферную систему, поддерживающую рН внутриклеточной среды организма на уровне 6,9.

Угольная кислота и ее анионы создают бикарбонатную буферную систему, которая поддерживает рН внеклеточной среды (плазма крови) на уровне 7,4.

- -

-

- -

- анионы HPO 4,

H 2 PO 4

HCO 3 , CI

Обеспечивают функциональную активность ферментов и др. макромолекул (например, анионы фосфорной кислоты входят в состав фосфолипидов, АТФ, нуклеотидов и др.; ион Fе 2 + входит в состав гемоглобина, магний в состав хлорофилла и т. д.).

В связанном с органическими веществами состоянием

12

Органические вещества

Нуклеиновые кислоты

Белки

АТФ

Углеводы

Липиды

Органические соединения – это соединения углерода с другими элементами.

12

Органические вещества клетки

• Полимер – это вещество с высокой молекулярной массой,

молекула которого состоит из большого количества

повторяющихся единиц – мономеров. 

• Биологические полимеры – органические соединения,

входящие в состав клеток живых организмов.

Основные органические соединения клетки

Биополимеры Мономеры органических веществ

Полисахариды(целлюлоза,

гликоген, крахмал)

Моносахариды (глюкоза, фруктоза)

Спирт, глицерин и жирные кислоты

Липиды и липоиды

Белки

Аминокислоты

Нуклеиновые кислоты

Нуклеотиды

Белки

N

H

– это биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты. В основном они состоят из углерода, водорода, кислорода и азота.

C

O

В составе белков обнаружено 20 аминокислот

Аминокислоты отличаются одна от другой только радикалами.

Структура аминокислоты

H

O

карбоксильная группа

(кислотные свойства)

H

H

аминогруппа

(основные свойства)

N

C

C

O

H

R

углеводородный

радикал

15

Аминокислоты в составе природных белков

Сокращенное

название

Аминокислота

Аланин

Ала

Арг

Аргинин

Аспарагин

Асн

Аспарагиновая кислота

Асп

Вал

Валин

Гис

Гистидин

Гли

Глицин

Глн

Глутамин

Глу

Глутаминовая кислота

Лей

Лейцин

Лизин

Лиз

Мет

Метионин

Пролин

Про

Серин

Сер

Тирозин

Тир

Тре

Треонин

Триптофан

Три

Фенилаланин

Фен

Цис

Цистеин

15

Аминокислоты

По способности человека синтезировать аминокислоты из предшественников, различают:

Заменимые аминокислоты – синтезируются в организме человека в достаточном количестве:

глицин, аланин, серин, цистеин, тирозин, аспарагин, глутамин, аспарагиновая и глутаминовые кислоты.

Незаменимые аминокислоты –

не синтезируются в организме человека. Необходимо их поступление

в организм с пищей:

валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин.

Полузаменимые аминокислоты – аргинин, гистидин.

Образуются в недостаточном количестве.

Их недостаток должен восполняться с белковой пищей.

Заменимые аминокислоты

COOH

COOH

COOH

COOH

H 2 N

H 2 N

C

H 2 N

C

H

H 2 N

C

H

C

H

H

Аспарги-

новая

кислота

CH 2

CH 2

CH 2

CH 2

Тирозин

Глутамин

CH 2

Глутами-

новая

кислота

CH 2

COOH

COOH

C

О

NH 2

OH

COOH

COOH

COOH

COOH

СН

H 2 N

H 2 N

H 2 N

C

C

C

H

H

H

NH

H 2 C

CH 2

CH 2

Аланин

Аспарагин

CH 3

CH 2

H 2 C

Цистеин

SH

О = C – NH 2

Пролин

COOH

COOH

H 2 N

C

H 2 N

H

C

H

H

CH 2 OH

Серин

Глицин

Полузаменимые аминокислоты

Для детей они являются незаменимыми

COOH

COOH

H 2 N

C

H

H 2 N

C

H

CH 2

CH 2

CH 2

Гистидин

Аргинин

NH

C

CH 2

СН

HC – N

NH

C = NH

NH 2

18

Незаменимые аминокислоты

COOH

COOH

COOH

COOH

H 2 N

H 2 N

C

H 2 N

C

H

C

H

H

H 2 N

C

H

H – C – OH

CH 2

CH 2

H 3 C – CH

Фенилаланин

Треонин

CH 2

CH 3

CH 3

Валин

Метионин

S

CH 3

COOH

H 2 N

C

COOH

H

COOH

H 2 N

CH 2

C

H

H 2 N

C

H

COOH

CH 2

CH 2

H – C – CH 3

H 2 N

C

H

Лизин

СН

С

CH 2

CH 2

CH 2

Изолейцин

NH

Триптофан

Лейцин

CH 2

CH 3

CH 2

CH 3

CH 3

NH 2

19

Образование пептидной связи

R 2

R 1

H

H

O

O

пептидная

связь

C

N



C

C

C

N



+

OH

H

OH

H

карбоксильная

группа

H 2 O

H

карбоксильная

группа

H

аминогруппа

аминогруппа

H 2 O

H 2 O

первая аминокислота вторая аминокислота

R 1

R 2

H

H

O

N

C

C

N

C

C





OH

H

O

H

H

В белках аминокислоты соединены между собой пептидными связями(-NH-CO-) в полипептидные цепи.

Пептидные связи образуются при взаимодействии карбоксильной группы одной аминокислоты с аминогруппой другой.

21

Различают четыре уровня пространственной организации белков

Первичная структура

Строго определенная последовательность аминокислот, соединенных пептидными связями , определяет первичную структуру молекулы белка

21

Вторичная структура белка

– полипептидная цепь, закрученная в α-спираль или β-складчатой структуры.

Она удерживается при помощи водородных связей, которые возникают между NH- и СО-группами , расположенными на соседних витках.

Функционирование в виде закрученной спирали характерно для фибриллярных белков (коллаген, фибриноген, миозин, актин и др.)

21

Третичная структура белка

Третичная структура – сворачивание спирали в сложную конфигурацию – глобулу, поддерживаемая дисульфидными связями (–S–S–), возникающими между радикалами серосодержащих аминокислот – цистеина и метионина.

Многие белковые молекулы становятся функционально активными только после приобретения глобулярной (третичной) структуры.

SIS

SIS

SIS

23

Четвертичная структура белка

Взаимное расположение в пространстве нескольких одинаковых или разных полипептидных клубков, составляющих одну белковую молекулу, образует четвертичную структуру (химические связи могут быть разные).

Гемоглобин

в эритроцитах

24

Уровни пространственной организации белков

I

II

III

IV

24

Функции белков

• ферментативная: выступают в качестве биологических

катализаторов, ферменты способны ускорять химические реакции;

• строительная: белки являются обязательным компонентом всех

клеточных структур;

• транспортная: перенос О 2 , гормонов в теле животных и человека;

• двигательная: все виды двигательных реакций обеспечиваются

сократительными белками- актином и миозином;

24

Функции белков

• защитная: при попадании инородных тел в организме

вырабатываются защитные белки – антитела.

• энергетическая: при недостатке углевода и жиров могут окислиться

молекулы аминокислот (1 г белка-17,6 кДж энергии).

• сигнальная: в мембрану встроены особые белки, способные

изменять свою третичную структуру на действие факторов внешней

среды. Так происходит прием сигналов из внешней среды и передача информации в клетку.

Углеводы –

вещества, состоящие из углерода, водорода и кислорода, состав которых можно выразить формулой С n (H 2 O) n

Углеводы можно разделить на 3 класса:

Моносахариды

Полисахариды

Олигосахариды

О

О

СН 2 ОН

НОСН 2

СН 2 ОН

НОСН 2

СН 2 ОН

Н

ОН

Н

О

О

О

Н

О

Н

НОСН 2

Н

…

ОН

Н

Н

Н

Н

Н

О

…

Н

О

О

Н

ОН

О

ОН

ОН

ОН

Н

ОН

О

Н

ОН

ОН

СН 2 ОН

О

ОН

ОН

СН 2 ОН

ОН

ОН

Н

ОН

ОН

Н

ОН

Н

Дезоксирибоза

Целлюлоза

Рибоза

Сахароза

Глюкоза

29

29

Углеводы

Моносахариды – в зависимости от числа углеродных атомов в их молекуле различают триозы (3С), тетрозы (4С), пентозы (5С), гексозы (6С).

Свойства: малые молекулы легко растворяются в воде. Представлены кристаллическими формами, сладкие на вкус.

О

О

НОСН 2

Н

НОСН 2

Н

Н

Н

Н

Н

Н

ОН

Н

ОН

Глюкоза

ОН

ОН

Н

ОН

Рибоза

Дезоксирибоза

Углеводы

Олигосахариды – вещества, образованные несколькими моносахаридами (до 10);

Дисахариды – объединяют в одной молекуле два моносахарида.

Свойства: растворимы в воде. Кристаллизуются. Сладкий вкус.

Глюкоза + Фруктоза = Сахароза

Глюкоза + Глюкоза = Мальтоза

Глюкоза + Галактоза = Лактоза

СН 2 ОН

О

Н

О

Н

НОСН 2

Н

Н

Н

ОН

О

Н

ОН

ОН

СН 2 ОН

ОН

Н

ОН

Н

Сахароза

Углеводы

Полисахариды – образуются путем соединения многих моносахаридов и имеют формулу (С6H10O5)n.

Наибольшее значение имеют полисахариды – крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин.

Свойства:

макромолекулы нерастворимы или плохо растворимы в воде.

Не кристаллизуются. Не сладкие на вкус.

СН 2 ОН

СН 2 ОН

ОН

О

О

…

ОН

О

…

О

О

О

ОН

ОН

О

ОН

ОН

СН 2 ОН

Целлюлоза

Функции углеводов

• энергетическая: при окислении 1г углеводов (до СО 2 и Н2О)

высвобождается 17,6 кДж энергии;

• запасающая: запасается в клетках печени и мышц в виде гликогена;

• строительная: в растительной клетке - прочная основа клеточных стенок (целлюлоза);

• защитная: вязкие секреты (слизи) выделяемые различными

железами, богаты углеводами и их производными (гликопротеиды). Защищают стенки внутренних органов (пищевод, кишечник, желудок, бронхи) от механических повреждений и проникновения микроорганизмов;

• рецепторная: входят в состав воспринимающей части

клеточных рецепторов.

32

Липиды

Разнообразие

Жиры

5 – 15% сухого

вещества клетки, в жировой ткани – 90%

Жироподобные вещества:

фосфолипиды;

стероиды; воски;

свободные жирные кислоты

Молекулы жиров образованы остатками трехатомного спирта (глицерина) и тремя остатками жирных кислот.

Главное свойство липидов - гидрофобность.

+

Жирные кислоты

+ 3H 2 O

+

+

Глицерин

34

Функции липидов

• теплоизоляционная: у некоторых животных (тюлени, киты) он откладывается в подкожной жировой ткани, которая у китов образует слой толщиной до 1 м, поддерживает постоянную температуру тела.

• запасающая: накапливаются в жировой ткани животных, в плодах и

семенах растений;

• энергетическая: при полном расщеплении 1г жира выделяется 39 кДж энергии;

• структурная: фосфолипиды служат составной частью клеточных мембран;

• регуляторная : многие гормоны (например, коры надпочечников, половые) являются производными липидов.

34

АТФ – аденозинтрифосфорная кислота

АТФ – макроэргическое соединение , содержащее химические связи, при гидролизе которых происходит освобождение энергии.

Аденин

NH 2

C

N

C

N

CH

OH

HC

C

OH

N

O

P

H 2 C

O

N

OH

O

O

~

O

P

40 кДж

HC

H 3 PO 4

H 2 O

O

CH

+

~

O

OH

P

OH

CH

HC

HO

OH

Рибоза

АТФ + H 2 O → АДФ + H 3 PO 4 + энергия (40кДж/моль)

36