Головна ⇒ 📌Довідник з біології ⇒ Макро та мікроелементи, значення води та водневих зв’язків у процесах життєдіяльності клітини

Макро та мікроелементи, значення води та водневих зв’язків у процесах життєдіяльності клітини

МЕДИЧНА БІОЛОГІЯ

Розділ 1

БІОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ЖИТТЄДІЯЛЬНОСТІ ЛЮДИНИ

1.2. Молекулярно-генетичний і клітинний рівні організації життя

1.2.2. Структурно-хімічна і функціональна організація еукаріотичних клітин

1.2.2.2. Макро та мікроелементи, значення води та водневих зв’язків у процесах життєдіяльності клітини

Жива клітина містить обмежений набір хімічних елементів, причому шість із них складають більше 99 % від її загальної маси: С, Н, N О, Р, S. З атомів цих елементів утворені практично всі молекули клітин різних організмів.

Всі

хімічні елементи, які входять до складу клітин, можна поділити на чотири групи:

1. Органогенні – це кисень, водень, вуглець і азот. їх загальний вміст складає 95-98 %.

2. Макроелементи – кальцій, калій, фосфор, сірка, кремній, натрій, хлор, магній, залізо, які містяться в десятих частках відсотка.

3. Мікроелементи – кобальт, цинк, мідь, мар

Ганець, хром, бром, бор, йод, літій, радій. їх вміст складає близько 0,01 %.

4. Ультрамікроелементи – всі інші хімічні елементи, вміст яких менше 0,01 %.

Хімічні елементи виконують багато важливих функцій: входять до складу органічних і неорганічних сполук клітини,

активують діяльність цілого ряду ферментів, створюють різницю потенціалів на біо – мембранах тощо.

Серед неорганічних сполук важлива роль належить воді. її вміст у більшості клітин складає 6070 %, а в деяких клітинах може досягати 90 % маси клітини. Більшість внутрішньоклітинних реакцій відбувається у водному середовищі. Вода має унікальні фізико-хімічні властивості: високу температура кипіння, плавлення та випаровування. Молекула води складається з двох атомів водню, сполучених з атомом кисню міцним ковалентним зв’язком. Молекулам води властивий полярний характер: на її різних полюсах розміщені позитивний і негативний заряди (рис. 1.21). Завдяки цьому дві молекули води можуть притягуватися за рахунок сил електростатичної взаємодії між частково негативним зарядом на атомі кисню однієї молекули та позитивним зарядом на атомі водню іншої. Такий тип зв’язку називається водневим. Отже, унікальні властивості води полягають у полярному характері її молекул, здатності до утворення полярних зв’язків та великому поверхневому натязі.

Рис. 1.21. Будова молекули води.

Вода виконує багато важливих функцій у клітині:

1) це добрий розчинник;

2) вона визначає фізичні властивості клітини – об’єм, внутрішньоклітинний тиск;

3) вода є середовищем для хімічних реакцій;

4) забезпечує в клітині терморегуляцію (за рахунок високої теплоємності) тощо.

Клітини побудовані із специфічного і водночас обмеженого набору однакових для усіх видів живих істот великих молекул, що містять вуглець. Завдяки малим розмірам і вмісту на зовнішній оболонці чотирьох електронів атом вуглецю може утворювати чотири міцні ковалентні зв’язки з іншими атомами. Важлива здатність атомів вуглецю з’єднуватись один з одним у ланцюги, кільця й утворювати великі і складні молекули. Основні групи цих молекул є відносно простими вуглеводами, жирними кислотами, амінокислотами і нуклеотидами. Вуглеводи є найважливішим джерелом енергії для клітин, вони запасають її, створюють резервні полісахариди. Головна функція жирних кислот – утворення клітинних мембран і участь в енергетичному обміні. Полімери, побудовані з амінокислот, представлені різноманітними і багатофункціональними молекулами білків. Нуклеотиди відіграють головну роль в акумуляції і перенесенні енергії (АТФ, НАД), однак основне значення полягає в тому, що вони є субодиницями інформаційних молекул РНК і ДНК.

Білки. Клітини значною мірою складаються з білків, на яких припадає більше половини маси сухої речовини клітини. Білки визначають структуру і форму клітини; крім того, вони є рецепторами молекулярного розпізнавання і каталізу. Білки безпосередньо беруть участь у процесах обміну речовин і виконанні функцій клітиною.

Білки побудовані з 20 різних амінокислот, кожна з яких має хімічну індивідуальність. Комбінації з 20 амінокислот можуть утворювати незліченну кількість різних за структурою і функціями білків.

Білкові молекули утворюються за допомогою пептидных зв’язків між амінокислотами. Кілька амінокислот, об’єднаних пептидними зв’язками, називають поліпептидами.

Прості білки утворені тільки амінокислотами. До складу складних білків можуть входити ліпіди (ліпопроте’їди), вуглеводи (глікопротеіди). Багато ферментів містять в активному центрі речовини небілкової природи (коферменти). Рівні структурної організації білків наведені на рис. 1.22.

Рис. 1.22. Рівні структурної організації білків:

А – первинна структура; б – вторинна структура; в – третинна структура; г – четвертинна структура.

Амінокислотна послідовність білкової молекули визначає її просторову структуру. Структура полі – пептидного ланцюга стабілізується нековалентни

Органічні сполуки – вуглецевмісні речовини живих організмівми взаємодіями між її частинами. Амінокислоти групуються всередині молекули, а виникнення локальних водневих зв’язків між пептидними групами призводить до утворення ос-спіралей.

У залежності від форми, білки можуть бути фібршіярними і глобулярними. Фібрилярні – довгі, видовжені, досить стабільні, погано розчинні у воді. Деякі мають здатність до скорочення, наприклад, актин, міозин. Більшості білків властива глобулярна структура. Вони мають вигляд сфери і добре розчинні у воді, наприклад, гемоглобін, альбумін, більшість ферментів. Класифікацію білків наведено в табл. 1.3.

Таблиця 1.3. Класифікація білків за їх функціями

Клас білків	Приклади	Функція і локалізація
Ферменти	Пептидилтрансфераза	Каталізує утворення пептидного зв’язку при синтезі білків
Трипсин	Каталізує гідроліз білків
ДНК-полімераза	Каталізує процес подвоєння ДНК (реплікація)
АТФ-синтетаза	Каталізує процес утворення АТФ
Структурні	Актин	Входить до складу міофібрил, бере участь в утворенні цитоскелета клітини
Міозин	Основний білок м’язового волокна
Гістони	Беруть участь в упаковці хроматину й утворенні хромосом
Тубулін	Утворює мікротрубочки, які є основою цитоскелета клітини
Гормони	Інсулін	Активізує процес утилізації глюкози клітинами
Глюкагон	Гальмує процес утилізації глюкози клітинами
Захисні білки	Імуноглобуліни (антитіла)	Беруть участь в інактивації сторонніх білкових структур (антигенів)
Фібриноген	Забезпечує процес згортання крові
Скоротливі	Міозин	Структурна одиниця рухливої нитки саркомера міофібрил
Актин	Структурна одиниця нерухомої нитки саркомера міофібрил
Запасні	Альбумін	Входить до складу плазми крові
Токсини	Зміїна отрута (ліпаза)	Руйнує оболонку еритроцитів
Транспортні	Гемоглобін	Транспорт О2 і СО2
Рецепторні	Аденілатциклаза	Трансформація хімічних сигналів у цитоплазматичній мембрані

Функції білків. Функції білка визначаються хімічною будовою і фізико-хімічними властивостями поверхні. Специфічні місця на поверхні білка або всередині, утворені закономірно розташованими амінокислотними залишками, формують центри специфічного зв’язування інших речовин і визначають функцію того чи іншого білка. Основні функції білків: а) каталітична – ферменти в тисячі разів прискорюють хімічну модифікацію молекул-субстратів, забезпечують усі основні функції клітини; 6) регуляторна – гормони білкової природи беруть участь у регуляції і координації багатьох метаболічних і фізіологічних процесів живих організмів; в) структурна – білки забезпечують утворення всіх елементів клітин і організму: органел, мембран, тканин, органів, а також структурний зв’язок між ними; г) захисна – білки захищають організм, створюють його захисні покриви, оболонки органів і клітин, утворюють антитіла, регулюють рН; д) рецепторна – білки розпізнають сигнали, що надходять із зовнішнього середовища, перетворюють їх і передають у необхідний відділ організму; є) транспортна функція полягає у здатності окремих білків переносити речовини до місця використання. Наприклад, переносник різних речовин через біомембрани, а також цитоскелет – гемоглобін; ж) рухова функція забезпечується м’язовими білками: актином, міозином та іншими, з яких складаються м’язові тканини; з) енергетична роль зв’язана з можливістю використання органічних молекул білків в енергетичному обміні. В результаті їх зруйнування утворюється АТФ.

Нуклеїнові кислоти. Нуклеїнові кислоти – унікальні молекули, необхідні кожній клітині для збереження і передачі генетичної інформації. Нуклеїнові кислоти забезпечують процеси синтезу білків, а цим, у свою чергу, визначається характер обміну речовин, закономірності росту й розвитку, явища спадковості й мінливості.

Є дві основні групи нуклеїнових кислот: ДНК і РНК (рис. 1.23). Вони відрізняються хімічною будовою і біологічними властивостями. Детально будову і функцію нуклеїнових кислот представлено в розділі 1.2.3.1.

Рис. 1.23. Дві основні групи нуклеїнових кислот.

Вуглеводи. Вуглеводи – це органічні речовини, що мжль загальну формулу Сх(Н2О)у, де х і у можуть мли різні значення. їх поділяють на три основні класи: моносахариди, дисахариди, полісахариди.

Глюкоза є найбільш важливим моносахаридом у живих системах, ключовою ланкою енергетичного обміну і структурним мономером полісахаридів. Інші важливі моносахариди: фруктоза, галактоза, рибоза та ін. Моносахариди добре розчинні у воді й дифундують у цитоплазму через клітинні мембрани. Основна функція – джерело енергії для різних метаболічних процесів. Внаслідок послідовних реакцій окиснюван – ня гексози перетворюються в остаточному підсумку на СО2 і Н2О. Сумарне рівняння реакції:

Енергія, що вивільняється, генерується і запасається у вигляді двох сполук – АТФ і НАДФ. Моносахариди можуть шляхом трансамінування перетворюватися в деякі амінокислоти. Вони також утворюють субстрати для синтезу жирів.

Найбільш важливими дисахаридами є мальтоза (утворена двома молекулами глюкози), сахароза (складається з глюкози і фруктози) і лактоза (складається з глюкози і галактози). їх основна функція – джерело енергії для клітини.

Полісахариди побудовані з повторюваних молекул глюкози. У клітинах тварин це глікоген, у рослинних – крохмаль. Основна функція – запасають велику кількість енергії. Деякі полісахариди зв’язуються з білками й утворюють глікопротеїни.

Ліпіди. Це нерозчинні у воді органічні речовини клітини, які можна вилучити тільки органічними розчинниками. Хімічно дуже різноманітна група, але практично всі вони є складними ефірами жирних кислот і спирту. Велика частина ліпідів клітини – це складні ефіри органічних кислот і спирту гліцеролу (гліцерину). Усі ліпіди є висококалорійним джерелом енергії клітини.

Основним компонентом багатьох видів ліпідів є жирні кислоти. Це карбонові кислоти з довгими вуглеводневими “хвостами”, наприклад, пальмітинова кислота:

Різні види жирних кислот відрізняються кількістю вуглецевих ланок і ненасичених зв’язків. Жирні кислоти, зв’язуючись із гліцерином, утворюють три – ацилгліцероли (тригліцериди) й у такому вигляді зберігаються в якості енергетичного резерву (жир).

У фосфоліпідах дві ОН-групи зв’язані з жирними кислотами, а одна ОН-група – з фосфатом.

Жирні кислоти і фосфоліпіди мають гідрофобний хвостик і полярну голівку. Найважливіша функція жирних кислот – участь у побудові клітинних мембран. У воді вони утворюють ліпідні бішари, що самоорганізовуються і складають основу всіх мембран клітини.