Химический состав клетки

1.

2.

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
на их долю
приходится (99%)
Микроэлементы
(1%)
Ультрамикроэлементы
(в сумме менее, 001%)
2

3.

Макроэлементы составляют основную массу вещества клетка на
их долю приходится около 99%, из них 98 % приходится на
четыре химических элемента:
кислород – 65%
Органогенные элементы – входят в состав
углерод – 18%
белков, нуклеиновых кислот, липидов,
водород – 10%
углеводов, воды
азот – 3%
И еще 1% приходится на долю 8 элементов:
кальций, фосфор,
Содержатся в десятых или сотых
хлор, калий, сера,
долях процента
натрий, магний,
железо

4.

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 РНКполимераз, 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

5.

Неорганические
Вода
Органические
Белки
Жиры
Минеральные
соли
Углеводы
Нуклеиновые
кислоты
АТФ
5

6.

_
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.
+
_
О
Н
H
+
+
+
+ -
+
+
-
-
+
Белок
+ +
+
+
- +
-
+
+

7.

_
О
Роль воды в клетке определяется ее свойствами:
+
Н
_
H
+
малые размеры молекул воды,
полярность молекул,
способность соединяться
друг с другом
Н- связи между
водородными связями.
молекулами воды
7

8.

Универсальный
растворитель
Метаболическая
Обладает высокой
удельной
теплоемкостью.
Высокая
теплопроводность –
обусловленная
малыми размерами
ее молекул.
Структурная

9.

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;

10.

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.

11.

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:
6H2O + 6CO2 = C6H12O6 + 6O2

12.

Минеральные
соли
В
диссоциированном состоянии:
Состав
Роль в клетке
Состоят из
катионов и
анионов
С разностью концентрации ионов по разные
стороны мембраны связывают активный
перенос веществ через мембрану.
Обеспечивают постоянство осмотического
давления в клетке.
- катионы
+
+
++
К, Na, Ca,
++
Mg
- анионы
В связанном с
органическими
веществами
состоянием
-HPO4,
H2PO4
HCO3 , CI
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.
Обеспечивают функциональную активность ферментов и др.
макромолекул (например, анионы фосфорной кислоты входят в
состав фосфолипидов, АТФ, нуклеотидов и др.; ион Fе2+ входит
12
в состав гемоглобина, магний в состав хлорофилла и т. д.).

13.

Органические соединения – это соединения
углерода с другими элементами.
13

14.

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)
Липиды и липоиды
Белки
Нуклеиновые кислоты
Моносахариды (глюкоза, фруктоза)
Спирт, глицерин и жирные кислоты
Аминокислоты
Нуклеотиды
14

15.

H
N
– это биополимеры, мономерами которых являются
C
аминокислоты. В основном они состоят из углерода, водорода,
кислорода и азота.
O
В составе белков обнаружено 20 аминокислот
Аминокислоты отличаются одна от другой только радикалами.
Структура аминокислоты
H
аминогруппа
(основные
свойства)
H
H
O
H
N
C
R
C
O
углеводородный
радикал
карбоксильная
группа
(кислотные
свойства)
15

16.

Сокращенное
название
Ала
Арг
Асн
Асп
Вал
Гис
Гли
Глн
Глу
Лей
Лиз
Мет
Про
Сер
Тир
Тре
Три
Фен
Цис
Аминокислота
Аланин
Аргинин
Аспарагин
Аспарагиновая кислота
Валин
Гистидин
Глицин
Глутамин
Глутаминовая кислота
Лейцин
Лизин
Метионин
Пролин
Серин
Тирозин
Треонин
Триптофан
Фенилаланин
Цистеин
16

17.

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.
17

18.

COOH
H2N
C
H
CH2
Глутаминовая
кислота
COOH
H2N
Тирозин
C
H
COOH
H2N
C
CH2
COOH
H2N
H
Аспаргиновая
кислота
CH2
Глутамин
CH2
COOH
CH2
О
C
C
H
CH2
COOH
NH2
OH
COOH
COOH
C
СН
H2N
H
H2C
Аланин CH3
H2N
C
NH
CH2
H2C
Пролин
Цистеин
Серин
C
H
CH2OH
H2N
H
CH2
C
H
Аспарагин CH2
SH
COOH
H2N
COOH
COOH
О = C – NH2
COOH
H2N
C
Глицин H
H
18

19.

Для детей они являются незаменимыми
COOH
H2N
C
COOH
H
H2N
CH2
Аргинин
CH2
Гистидин
C
H
CH2
C
NH
CH2
NH
СН
HC – N
C = NH
NH2
19

20.

COOH
H2N
C
H
H2N
C
H
H2N
C
H – C – OH
H3C – CH
Валин
COOH
COOH
Треонин
CH3
CH3
H
CH2
Метионин
COOH
H2N
C
H
CH2
Фенилаланин
CH2
S
CH3
COOH
COOH
H2N
C
C
COOH
H
CH2
H
H – C – CH3
Изолейцин
H2N
Лизин
CH2
COOH
H2N
C
H
CH2
CH2
CH3
CH2
CH2
CH2
NH2
CH3 CH3
Лейцин
H2N
C
H
CH2
С СН
NH
Триптофан
20

21.

Образование пептидной связи
R2
R1
H
O пептидная
N
C
связь
C
O
N
+
C
H2O
H
H карбоксильная
аминогруппа
группа
H 2O
H2O
первая аминокислота
H
H
H
C
H
OH
карбоксильная
группа
вторая аминокислота
R1
N
C
H
OH
H
аминогруппа
H
C
O
N
R2
O
C
C
OH
H
В белках аминокислоты соединены между собой пептидными связями(-NH-CO-) в
полипептидные цепи.
Пептидные связи образуются при взаимодействии карбоксильной группы одной
21
аминокислоты с аминогруппой другой.

22.

Различают четыре уровня
пространственной организации белков
Первичная структура
Строго определенная последовательность аминокислот, соединенных
пептидными связями, определяет первичную структуру молекулы
белка
22

23.

– 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.)
23

24.

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.
S
I
S
S
I
S
S
I
S
24

25.

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
25

26.

I
II
III
IV
26

27.

ферментативная: выступают в качестве биологических
катализаторов, ферменты способны ускорять химические реакции;
строительная: белки являются обязательным компонентом всех
клеточных структур;
транспортная: перенос О2, гормонов в теле животных и человека;
двигательная: все виды двигательных реакций обеспечиваются
сократительными белками- актином и миозином;
27

28.

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.

29.

вещества, состоящие из углерода, водорода и кислорода,
состав которых можно выразить формулой Сn(H2O)n
Углеводы можно разделить на 3 класса:
Моносахариды
НОСН2
Н Н
ОН
О
Н
Н
ОН
ОН
Рибоза
НОСН2 О
Олигосахариды
Н
Н Н
Н
ОН
Н
ОН
Дезоксирибоза
СН2ОН
О
Н
Н НОСН2 О Н
Н
Н ОН
О
ОН ОН Н
СН2ОН
ОН
Н
Н ОН
Сахароза
Полисахариды
СН2ОН
ОН СН2ОН
О
О
…О
О ОН
О ОН
О …
ОН
О
ОН
ОН
СН2ОН
Целлюлоза
Глюкоза
29

30.

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.
НОСН2
Н Н
ОН
О
Н
Н
ОН
ОН
Рибоза
НОСН2 О
Н
Н Н
Н
ОН
Н
ОН
Дезоксирибоза
Глюкоза

31.

Олигосахариды – вещества, образованные несколькими
моносахаридами (до 10);
Дисахариды – объединяют в одной молекуле два
моносахарида.
Свойства: растворимы в воде. Кристаллизуются. Сладкий
вкус.
СН2ОН
О
Н
Н НОСН2 О Н
Н
Н ОН
О
ОН ОН Н
СН2ОН
ОН
Н
Н ОН
Сахароза
Глюкоза + Фруктоза = Сахароза
Глюкоза + Глюкоза = Мальтоза
Глюкоза + Галактоза = Лактоза

32.

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.
СН2ОН
ОН СН2ОН
О
О
…О
О ОН
О ОН
О …
ОН
О
ОН
ОН
СН2ОН
Целлюлоза

33.

энергетическая: при окислении 1г углеводов (до СО2 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.
33

34.

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.
+
+
Глицерин
Жирные кислоты
+ 3H2O
+
34

35.

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.
35

36.

АТФ – макроэргическое соединение, содержащее химические связи,
при гидролизе которых происходит освобождение энергии.
Аденин
NH2
C
N
N
C
CH
HC
C
N
OH
N
H2C O
O
HC
CH
HC
CH
HO
OH
P
O
O~ P
OH
O
O ~P
OH
OH
O + H2O
403PO
кДж
H
4
OH
Рибоза
АТФ + H2O → АДФ + H3PO4 + энергия (40кДж/моль)
36