Биохимическая организация клетки
ГОУ ВПО БашГУ
Биологический
факультет
Курсавая работа на тему
«Биохимическая
организация клетки»
Проверила:
Д.Б.Н. профессор Гарипова М.И.
Выполнила:
Студентка 1 курса,
биологический факультет, специальность
экология Волкова О.О.
Уфа 2011
Оглавление
Введение......................
Глава 1 Химическая
организация клетки........................
1.1 Неорганические
вещества......................
1.2 Органические
вещества......................
Глава 2 Структура
мембран.......................
2.1 Липидный состав...............
2.2 Организация
мембранных липидов.......................
2.3 Мембранные
белки.........................
2.4 Жидкостно-мозаичная
модель мембран................
Заключение....................
Список используемой
литературы....................
Введение
Клетка - основной компонент, из которого состоят все растительные и животные ткани. Клетка является наименьшей живой частицей, способной существовать независимо и обладающей собственной саморегулирующейся химической системой. Большинство клеток состоит из мембран, окружающей желеобразную массу цитоплазмы, и расположенного в центре ядра. Ядро является основой всей структуры, в нем находятся хромосомы, содержащие ДНК. Животные клетки отличаются разнообразием форм. Например, эритроцит (красное кровяное тельце) представляет собою двояковогнутый диск, а нейрон - это длинное волокно. Клетки растений и водорослей заключены внутри стенки, что придает им большую жесткость. Клетки бактерий также имеют стенки, но лишены ядра и хромосом; у них петля ДНК плавает в цитоплазме. Более развитые клетки (имеющие ядра) часто содержат внутри мембраны также другие структуры, например, митохондрии и хлоропласты.
Клетка – элементарная единица жизни на Земле. Она обладает всеми признаками живого организма: растет, размножается, обменивается с окружающей средой веществами и энергией, реагирует на внешние раздражители.
Начало биологической эволюции связано с появлением на Земле клеточных форм жизни.
Одноклеточные
организмы представляют собой существующие
отдельно друг от друга клетки. Тело
всех многоклеточных – животных и
растений – построено из большего
или меньшего числа клеток, которые
являются своего рода блоками, составляющими
сложный организм. Независимо от того,
представляет ли собой клетка целостную
живую систему – отдельный
организм или составляет лишь его
часть, она наделена набором признаков
и свойств, общим для всех клеток.
Глава
1
Химическая
организая клетки
Живая клетка включает множество химических элементов: обнаружено присутствие 86 элементов из таблицы Д. И. Менделеева. Однако 98% массы нашего организма образовано всего четырьмя элементами: кислородом (около 70%), углеродом (около 18%), водородом (около 10%) и азотом (около 2%). Это обусловленно особенностями химических свойств водорода, кислорода, углерода и азота, они оказались наиболее подходящими для образования молекул, выполняющих биологические функции. Эти четыре элемента способны образовывать очень прочные ковалентные связи посредством спаривания электронов, принадлежащих двум атомам. Ковалентно связанные атомы углерода могут формировать каркасы бесчисленного множества различных органических молекул. Поскольку атомы углерода легко образуют ковалентные связи с кислородом, водородом, азотом, а также с серой, органические молекулы достигают исключительной сложности и разнообразия строения.
Все остальные элементы подразделяются на макроэлементы (около 2% массы) ,микроэлементы (около 0,1% массы) и ультрамикроэлементы(менее 0,0000001 %).
Макроэлементы фосфор(0,2—1,0 %), калий(0,15—0,4 %), натрий(0,02—0,03 %), железо(0,01—0,015 %), магний(0,02—0,03 %), кальций(0,04—2,00 %), хлор(0,05—0,1 %) и серу(0,15—0,2 %).
Фосфор — входит в состав АТФ, других нуклеотидов и нуклеиновых кислот (в виде остатков фосфорной кислоты), в состав костной ткани и зубной эмали (в виде минеральных солей), а также присутствует в цитоплазме и межклеточных жидкостях (в виде фосфат-ионов).
Калий — участвует в поддержании мембранного потенциала, генерации нервного импульса, регуляции сокращения сердечной мышцы.Содержится в межклеточных веществах.
Натрий — участвует в поддержании мембранного потенциала, генерации нервного импульса, процессы осморегуляции (в том числе работу почек у человека) и создании буферной системы крови
Магний — кофактор многих ферментов, участвующих в энергетическом обмене и синтезе ДНК; поддерживает целостность рибосом и митохондрий, входит в состав хлорофилла. В животных клетках необходим для функционирования мышечных и костных систем.
Кальций
— участвует в свёртывании
крови, а также служит одним из
универсальных вторичных
Хлор — поддерживает электронейтральность клетки
Сера — входит в состав серосодержащих аминокислот, поэтому содержится в большинстве белков. В небольших количествах присутствует в виде сульфат-иона в цитоплазме клеток и межклеточных жидкостях.
К микроэлементам, составляющим от 0,001 % до 0,000001 % массы тела живых существ, относят ванадий, германий, йод (входит в состав тироксина, гормона щитовидной железы), кобальт (витамин В12), марганец, никель, рутений, селен, фтор (зубная эмаль), медь, хром, цинк. Несмотря на очень малые количества, микроэлементы необходимы как каждой клетке, так и всему организму в целом.
Цинк — входит в состав ферментов, участвующих в спиртовом брожении, в состав инсулина
Медь — входит в состав окислительных ферментов, участвующих в синтезе цитохромов.
Селен - участвует в регуляторных процессах организма.
Ультрамикроэлементы
составляют менее 0,0000001 % в организмах
живых существ, к ним относят
золото, серебро оказывают
Химические
элементы входят в состав неорганических
и органических соединений. К неорганическим
соединениям относятся вода, минеральные
соли, диоксид углерода, кислоты
и основания. Органические соединения
– это белки, нуклеиновые кислоты,
углеводы, жиры (липиды) и липоиды. Кроме
кислорода, водорода, углерода и азота
в их состав могут входить другие
элементы. Некоторые белки содержат
серу. Составной частью нуклеиновых
кислот является фосфор. Молекула гемоглобина
включает железо, магний участвует
в построении молекулы хлорофилла.
Микроэлементы, несмотря на крайне низкое
содержание в живых организмах, играют
важную роль в процессах жизнедеятельности.
Йод входит в состав гормона щитовидной
железы – тироксина, кобальт –
в состав витамина В12. гормон
островковой части поджелудочной железы
– инсулин – содержит цинк. У некоторых
рыб место железа в молекулах пигментов,
переносящих кислород, занимает медь.
1.1 Неорганические вещества
Вода
Н2О – самое распространенное соединение в живых организмах. Содержание ее в разных клетках колеблется в довольно широких пределах: от 10% в эмали зубов до 98% в теле медузы, но среднем она составляет около 80% массы тела. Исключительно важная роль воды в обеспечении процессов жизнедеятельности обусловлена ее физико-химическими свойствами. Полярность молекул и способность образовывать водородные связи делают воду хорошим растворителем для огромного количества веществ. Большинство химических реакций, протекающих в клетке, может происходить только в водном растворе. Вода участвует и во многих химических превращениях.
Общее число водородных связей между молекулами воды изменяется в зависимости от температуры. При температуре таяния льда разрушается примерно 15% водородных связей, при температуре 40°С – половина. При переходе в газообразное состояние разрушаются все водородные связи. Этим объясняется высокая удельная теплоемкость воды. При изменении температуры внешней среды вода поглощает или выделяет теплоту вследствие разрыва или новообразования водородных связей. Таким путем колебания температуры внутри клетки оказываются меньшими, чем в окружающей среде. Высокая теплота испарения лежит в основе эффективного механизма теплоотдачи у растений и животных.
Вода как растворитель принимает участие в явлениях осмоса, играющего важную роль в жизнедеятельности клетки организма. Осмосом называют проникновение молекул растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор какого-либо вещества. Полупроницаемыми называются мембраны, которые пропускают молекулы растворителя, но не пропускают молекулы (или ионы) растворенного вещества. Следовательно, осмос – односторонняя диффузия молекул воды в направлении раствора.
Минеральные соли
Большая часть неорганических веществ клетки находится в виде солей в диссоциированном, либо в твердом состоянии. Концентрация катионов и анионов в клетке и в окружающей ее среде неодинакова. В клетке содержится довольно много К и очень много Nа. Во внеклеточной среде, например в плазме крови, в морской воде, наоборот, много натрия и мало калия. Раздражимость клетки зависит от соотношения концентраций ионов Na+, K+, Ca2+, Mg2+. В тканях многоклеточных животных К входит в состав многоклеточного вещества, обеспечивающего сцепленность клеток и упорядоченное их расположение. От концентрации солей в большой мере зависят осмотическое давление в клетке и ее буферные свойства. Буферностью называется способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию ее содержимого на постоянном уровне. Буферность внутри клетки обеспечивается главным образом ионами Н2РО4 и НРО42-. Во внеклеточных жидкостях и в крови роль буфера играют Н2СО3 и НСО3-. Анионы связывают ионы Н и гидроксид-ионы (ОН-), благодаря чему реакция внутри клетки внеклеточных жидкостей практически не меняется. Нерастворимые минеральные соли (например, фосфорнокислый Са) обеспечивает прочность костной ткани позвоночных и раковин моллюсков.
Диоксид углерода
Диоксид углерода
играет одну из главных ролей в
живой природе, участвуя во многих процессах
метаболизма живой клетки. Диоксид
углерода получается в результате множества
окислительных реакций у
- Органические вещества
Белки
Среди органических веществ клетки белки стоят на первом месте как по количеству (10 – 12% от общей массы клетки), так и по значению. На долю белков в клетке приходится 50—80% сухой массы. Молекулярная масса белков огромна; например, у белка яйца—яичного альбумина она составляет 36000, у гемоглобина-65 000, у сократительного белка мышц (актомиозин)- 1500000, в то время как у молекул глюкозы она равна 180.Белки представляют собой высокомолекулярные полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Живыми организмами используется 20 аминокислот, хотя их существует значительно больше. В состав любой аминокислоты входит аминогруппа (-NH2), обладающая основными свойствами, и карбоксильная группа (-СООН), имеющая кислотные свойства.
Две аминокислоты соединяются в одну молекулу путем установления связи HN-CO с выделением молекулы воды. В этом случае от аминогруппы одной аминокислоты отделяется ион H+, а от карбоксила другой радикал ОН с образованием молекулы воды. Соединение, возникающее из двух и большего числа аминокислотных остатков, называется полипептидом. В нем между мономерами существуют самые прочные ковалентные связи. Связь между аминогруппой одной аминокислоты и карбоксилом другой называется пептидной. Белки представляют собой полипептиды, содержащие десятки и сотни аминокислот. Молекулы различных белков отличаются друг от друга молекулярной массой, числом, составом аминокислот и последовательностью расположения их в полипептидной цепи. Понятно поэтому, что белки отличаются огромным разнообразием, их количество у всех видов живых организмов оценивается числом 1010 – 1012.
Цепь
аминокислотных звеньев, соединенных
ковалентно пептидными связями в
определенной последовательности, называется
первичной структурой белка. В клетках
белки имеют вид спирально
закрученных волокон или
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
10ки и 100ни 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
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
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
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 –
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—

- Биохимическая природа витамина С
- Биохимическая сущность созревания мяса. Изменение микрофлоры в процессе созревания
- Биохимические и микробиальные изменения мяса после его выработки в процессе хранения
- Биохимические методы мониторинга
- БИОХИМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ПАНКРЕАТИТА
- Биохимические основы регуляторных функций биологически активных веществ
- Биохимические основы регуляторных функций биологически активных веществ
- Биотехнология стероидных гормонов
- Биотехнология стероидных гормонов
- Биотехнология стероидных гормонов
- Биотехнология уксусной кислоты
- Биотехнология целлюлаз
- Биофармацевтическая оценка мягких лекарственных форм
- Биофармацевтические факторы, влияющие на качество мазей