KSE. 4 tema.

1. Kokie pagrindiniai elementai ir medžiagos sudaro gyvą ląstelę?

Atsižvelgiant į cheminių elementų, įtrauktų į gyvą organizmą sudarančių medžiagų, sudėtį, kiekį, įprasta išskirti keletą atomų grupių. Pirmoji grupė(apie 98% ląstelės masės) sudaro keturi elementai: vandenilis, deguonis, anglis ir azotas. Jie vadinami makroelementais. Tai yra pagrindiniai visų organinių junginių komponentai. Kartu su dviem elementais antroji grupė- siera ir fosforas, kurie yra būtini biologinių polimerų molekulių komponentai (iš graikų polys - daug; meros - dalis) - baltymai ir nukleorūgštys, jie dažnai vadinami bioelementais.

Mažesniais kiekiais ląstelių sudėtyje, be minėtų fosforo ir sieros, yra 6 elementai: kalis ir natris, kalcis ir magnis, geležis ir chloras. Kiekvienas iš jų ląstelėje atlieka svarbią funkciją. Pavyzdžiui, Na, K ir Cl užtikrina ląstelių membranų pralaidumą įvairioms medžiagoms ir impulsų laidumą išilgai nervinės skaidulos. Ca ir P dalyvauja formuojant kaulinio audinio tarpląstelinę medžiagą, lemiančią kaulų stiprumą. Be to, Ca yra vienas iš faktorių, nuo kurių priklauso normalus kraujo krešėjimas. Geležis yra hemoglobino, raudonųjų kraujo kūnelių baltymo, dalyvaujančio deguonies pernešime iš plaučių į audinius, dalis. Galiausiai augalų ląstelėse esantis Mg yra įtrauktas į chlorofilą – pigmentą, lemiantį fotosintezę, o gyvūnams jis yra biologinių katalizatorių – fermentų, dalyvaujančių biocheminėse transformacijose, dalis.

Visi kiti elementai - trečioji grupė(cinko, vario, jodo, fluoro ir kt.) ląstelėje yra labai mažais kiekiais. Jų bendras indėlis į ląstelių masę yra tik 0,02%. Štai kodėl jie vadinami mikroelementais. Tačiau tai nereiškia, kad jų organizmui reikia mažiau nei kitų elementų. Mikroelementai taip pat svarbūs gyvam organizmui, tačiau į jo sudėtį įeina mažesniais kiekiais. Pavyzdžiui, cinkas yra kasos hormono – insulino, dalyvaujančio angliavandenių apykaitos reguliavime, molekulės dalis, o jodas yra būtinas tiroksino – skydliaukės hormono, reguliuojančio viso organizmo medžiagų apykaitą. visuma ir jos augimas vystymosi metu.

Visi išvardyti cheminiai elementai dalyvauja kūno statyboje jonų pavidalu arba tam tikrų junginių – neorganinių ir organinių medžiagų molekulių – dalis.

Neorganinės medžiagos, įtrauktos įląstelių sudėtis

Vanduo. Labiausiai paplitęs neorganinis junginys gyvuose organizmuose yra vanduo. Jo kiekis labai įvairus: danties emalio ląstelėse vandens yra apie 10 proc., o besivystančio embriono ląstelėse – daugiau nei 90 proc. Vidutiniškai daugialąsčiame organizme vanduo sudaro apie 80% kūno svorio.

Vandens vaidmuo ląstelėje yra labai svarbus. Jo funkcijas daugiausia lemia cheminė prigimtis. Molekulių struktūros dipolis lemia vandens gebėjimą aktyviai sąveikauti su įvairiomis medžiagomis. Jo molekulės sukelia daugelio vandenyje tirpių medžiagų skilimą į katijonus ir anijonus. Dėl to jonai greitai patenka į chemines reakcijas. Dauguma cheminių reakcijų apima sąveiką tarp vandenyje tirpių medžiagų.

Taigi dėl molekulių poliškumo ir gebėjimo sudaryti vandenilinius ryšius vanduo yra geras tirpiklis daugeliui neorganinių ir organinių medžiagų. Be to, kaip tirpiklis, vanduo užtikrina medžiagų patekimą į ląstelę ir atliekų pašalinimą iš jos, nes dauguma cheminių junginių gali prasiskverbti į išorinę ląstelės membraną tik ištirpę.

Ne mažiau svarbus ir grynai cheminis vandens vaidmuo. Veikiamas tam tikrų katalizatorių – fermentų – jis įsitraukia į hidrolizės reakcijas, t.y. reakcijas, kurių metu OH – arba H – vandens grupės pridedamos prie įvairių molekulių laisvųjų valentų. Dėl to susidaro naujos, naujų savybių turinčios medžiagos.

Vanduo tam tikru mastu yra šilumos reguliatorius; Dėl gero vandens šilumos laidumo ir didelės šiluminės talpos, kintant aplinkos temperatūrai, temperatūra ląstelės viduje išlieka nepakitusi arba jos svyravimai yra žymiai mažesni nei ląstelę supančioje aplinkoje.

Mineralinės druskos. Dauguma neorganinių ląstelės medžiagų yra druskų pavidalu – arba disocijuotos į jonus, arba kietos būsenos. Tarp pirmųjų didelę reikšmę turi katijonai K -, Na + Ca 2+, kurie suteikia tokią svarbią gyvų organizmų savybę kaip dirglumas. Daugialąsčių gyvūnų audiniuose kalcis yra tarpląstelinio „cemento“ dalis, lemianti ląstelių sukibimą viena su kita ir jų tvarkingą išsidėstymą audiniuose. Ląstelės buferinės savybės priklauso nuo druskų koncentracijos ląstelės viduje.

Buferis vadiname ląstelės gebėjimą palaikyti pastoviu lygiu šiek tiek šarminę savo turinio reakciją.

Netirpios mineralinės druskos, pavyzdžiui, kalcio fosfatas, yra kaulinio audinio tarpląstelinės medžiagos dalis, esančios moliuskų kiautuose, užtikrinančios šių darinių stiprumą.

Organinės medžiagos, sudarančios ląstelę

Organiniai junginiai sudaro vidutiniškai 20-30% gyvo organizmo ląstelių masės. Tai apima biologinius polimerus – baltymus, nukleino rūgštis ir angliavandenius, taip pat riebalus ir daugybę mažų molekulių – hormonus, pigmentus, ATP ir daugelį kitų. Skirtingų tipų ląstelėse yra skirtingi organinių junginių kiekiai. Augalų ląstelėse vyrauja kompleksiniai angliavandeniai – polisacharidai; gyvūnuose yra daugiau baltymų ir riebalų. Tačiau kiekviena organinių medžiagų grupė bet kokio tipo ląstelėje atlieka panašias funkcijas.

Biologiniai polimerai – baltymai. Tarp ląstelės organinių medžiagų baltymai užima pirmąją vietą tiek kiekiu, tiek svarba. Gyvūnams jie sudaro apie 50% sausos ląstelės masės. Žmogaus kūne yra 5 milijonai rūšių baltymų molekulių, kurios skiriasi ne tik viena nuo kitos, bet ir nuo kitų organizmų baltymų. Nepaisant tokios struktūros įvairovės ir sudėtingumo, jie yra pagaminti tik iš 20 skirtingų aminorūgščių. Dviejų aminorūgščių derinys į vieną molekulę vadinamas dipeptidu, trijų aminorūgščių – tripeptidu ir kt., o junginys, susidedantis iš 20 ar daugiau aminorūgščių liekanų, vadinamas polipeptidu.

angliavandeniai, arba sacharidai – organinės medžiagos, kurių bendra formulė C n (H 2 0) m. Dauguma angliavandenių turi tiek pat vandens molekulių, kiek ir anglies atomų. Štai kodėl šios medžiagos buvo vadinamos angliavandeniais.

Gyvūnų ląstelėje angliavandenių randama ne daugiau kaip 1-2, kartais 5%. Augalų ląstelės yra turtingiausios angliavandenių, kur jų kiekis kai kuriais atvejais siekia 90% sausos masės (bulvių gumbai, sėklos ir kt.). Angliavandeniai yra paprasti ir sudėtingi.

Paprasti angliavandeniai vadinami monosacharidais. Priklausomai nuo anglies atomų skaičiaus molekulėje, monosacharidai vadinami triozėmis – 3 atomai, tetrozėmis – 4, pentozėmis – 5 arba heksozėmis – 6 anglies atomai. Iš šešių anglies monosacharidų – heksozių – svarbiausi yra gliukozė, fruktozė ir galaktozė. Gliukozės yra kraujyje (0,08-0,12%). Pentozės – ribozė ir dezoksiribozė – yra nukleorūgščių ir ATP dalis.

Jei du monosacharidai yra sujungti vienoje molekulėje, junginys vadinamas disacharidu. Disacharidams priskiriamas maistinis cukrus – sacharozė, gaunama iš cukranendrių ar cukrinių runkelių, susidedanti iš vienos gliukozės ir vienos fruktozės molekulės, ir pieno cukrus, sudarytas iš gliukozės ir galaktozės molekulių.

Sudėtiniai angliavandeniai, susidarantys iš daugelio monosacharidų, vadinami polisacharidais. Polisacharidų, tokių kaip krakmolas, glikogenas ir celiuliozė, monomerai yra gliukozė. Polisacharidai, kaip taisyklė, yra šakotieji polimerai.

Riebalai (lipidai) yra didelės molekulinės masės riebalų rūgščių ir trihidrolio alkoholio glicerolio junginiai. Riebalai vandenyje netirpsta, yra hidrofobiniai (iš graikų kalbos hydor – vanduo ir fobos – baimė). Ląstelėse visada yra kitų sudėtingų hidrofobinių riebalų panašių medžiagų, vadinamų lipoidais.

Riebalai taip pat svarbūs kaip hidrofobinių organinių junginių tirpikliai, reikalingi normaliai biocheminių virsmų organizme eigai.

Biologiškai polimerai yra nukleorūgštys. Nukleino rūgščių reikšmė ląstelėje yra labai didelė. Jų cheminės sandaros ypatumai suteikia galimybę kaupti, perduoti ir paveldėti dukterinėms ląstelėms informaciją apie baltymų molekulių struktūrą, kurios sintetinamos kiekviename audinyje tam tikrame individo vystymosi etape.

Kadangi daugumą savybių ir charakteristikų lemia baltymai, akivaizdu, kad nukleorūgščių stabilumas yra svarbiausia sąlyga normaliam ląstelių ir ištisų organizmų funkcionavimui. Bet kokie nukleino rūgščių struktūros pokyčiai lemia ląstelių struktūros ar jose vykstančių fiziologinių procesų aktyvumo pokyčius, taip paveikiant gyvybingumą.

Nukleino rūgščių struktūros tyrimas, kurį pirmieji nustatė amerikiečių biologas J. Watsonas ir anglų fizikas F. Crickas, yra nepaprastai svarbus norint suprasti organizmų savybių paveldėjimą ir atskirų ląstelių bei ląstelių funkcionavimo modelius. sistemos – audiniai ir organai.

Nukleino rūgštys yra dviejų tipų: DNR ir RNR.

Visose gyvose sistemose įvairiomis proporcijomis yra cheminių elementų ir iš jų sudarytų cheminių junginių, tiek organinių, tiek neorganinių.

Pagal kiekybinį jų kiekį ląstelėje visi cheminiai elementai skirstomi į 3 grupes: makro-, mikro- ir ultramikroelementus.

Makroelementai sudaro iki 99% ląstelės masės, iš kurių iki 98% yra 4 elementai: deguonis, azotas, vandenilis ir anglis. Mažesniais kiekiais ląstelėse yra kalio, natrio, magnio, kalcio, sieros, fosforo ir geležies.

Mikroelementai daugiausia yra metalo jonai (kobaltas, varis, cinkas ir kt.) ir halogenai (jodas, bromas ir kt.). Jų yra nuo 0,001% iki 0,000001%.

Ultramikroelementai. Jų koncentracija yra mažesnė nei 0,000001%. Tai yra auksas, gyvsidabris, selenas ir kt.

Cheminis junginys yra medžiaga, kurioje vieno ar kelių cheminių elementų atomai yra sujungti vienas su kitu cheminiais ryšiais. Cheminiai junginiai yra neorganiniai ir organiniai. Neorganinės medžiagos yra vanduo ir mineralinės druskos. Organiniai junginiai yra anglies junginiai su kitais elementais.

Pagrindiniai organiniai ląstelės junginiai yra baltymai, riebalai, angliavandeniai ir nukleorūgštys.

Ląstelės cheminiai elementai ir neorganinės medžiagos

Skirtumas tarp gyvosios ir negyvosios gamtos aiškiai pasireiškia jų cheminėje sudėtyje. Taigi žemės plutoje 90% yra deguonies, silicio, aliuminio ir natrio (O, Si, Al, Na), o gyvuose organizmuose apie 95% yra anglies, vandenilio, deguonies ir azoto (C, H, O, N). Be to, šiai makroelementų grupei priklauso dar aštuoni cheminiai elementai: Na – natris, Cl – chloras, S – siera, Fe – geležis, Mg – magnis, P – fosforas, Ca – kalcis, K – kalis, kurių kiekis yra skaičiuojama dešimtosiomis ir šimtosiomis procentų dalimis. Gyvybei vienodai būtinų mikroelementų randama daug mažesniais kiekiais: Cu – varis, Mn – manganas, Zn – cinkas, Mo – molibdenas, Ko – kobaltas, F – fluoras, J – jodas ir kt.

Tik 27 elementai (iš 105 šiandien žinomų) atlieka specifines funkcijas organizmuose. Ir kaip jau pažymėjome, tik keturi - C, H, O, N - yra gyvų organizmų pagrindas. Būtent iš jų daugiausia susideda organinės medžiagos (baltymai, nukleino rūgštys, angliavandeniai, riebalai ir kt.).

Pirmąją vietą tarp makroelementų užima anglis. Jis pasižymi gebėjimu sudaryti beveik visų tipų cheminius ryšius. Anglis, labiau nei kiti elementai, gali sudaryti dideles molekules. Jo atomai gali jungtis vienas su kitu, sudarydami žiedus ir grandines. Dėl to susidaro sudėtingos didelių dydžių molekulės, pasižyminčios didžiule įvairove (iki šiol aprašyta daugiau nei 10 milijonų organinių medžiagų). Be to, to paties cheminio junginio anglies atomai turi ir oksiduojančių, ir redukuojančių savybių.

Anglis yra visų organinių junginių pagrindas. Didelis deguonies ir vandenilio kiekis siejamas su ryškiomis oksiduojančiomis ir redukuojančiomis savybėmis. Tik trijų elementų – C, H, O – dėka yra visas rinkinys angliavandenių (cukrų), kurių apibendrinta formulė atrodo kaip CnH2nOn (kur n yra atomų skaičius). Prie šių trijų elementų baltymuose pridedami N ir S atomai, o nukleorūgštyse – N ir P atomai.

Visi kiti aukščiau paminėti elementai taip pat vaidina svarbų vaidmenį gyvuose organizmuose. Taigi Mg atomai yra chlorofilo dalis, o Fe atomai yra hemoglobino dalis. Jodo yra tiroksino molekulėje (skydliaukės hormone), o Zn yra insulino molekulėje (kasos hormone). Na ir K jonų buvimas yra būtinas nerviniams impulsams perduoti ir transportuoti per ląstelės membraną. Druskos P ir Ca yra dideliais kiekiais moliuskų kauluose ir kiautuose, o tai užtikrina didelį šių darinių stiprumą.

Pažymėtina, kad didžiausią gyvų organizmų cheminės sudėties dalį (iki 85%) sudaro vanduo. Kadangi tai yra universalus tirpiklis daugeliui neorganinių ir organinių medžiagų, tai pasirodo esanti ideali terpė įvairioms cheminėms reakcijoms vykdyti. Vanduo dalyvauja įvairiose biocheminėse reakcijose (pavyzdžiui, fotosintezės metu). Jis pašalina iš organizmo druskų ir atliekų perteklių. Vandeniui būdinga didelė šiluminė talpa ir santykinai didelis šilumos laidumas yra būtini organizmų termoreguliacijai (kai išgaruoja prakaitas, pavyzdžiui, oda vėsta).

Visose planetos gyvosiose sistemose yra įvairaus tūrio cheminių elementų, taip pat organinių ir neorganinių cheminių junginių.

Cheminė ląstelės struktūra

Priklausomai nuo konkretaus cheminio elemento kiekio ląstelėje, išskiriamos trys cheminių elementų grupės:

Makroelementai;

Mikroelementai;

Ultra mikroelementai.

98% ląstelės masės sudaro keturi makroelementai: vandenilis, anglis, azotas ir deguonis. Makroelementų, tokių kaip natris, magnis, kalis, fosforas, geležis ir siera, ląstelėje yra daug mažesniais kiekiais.

Mikroelementai sudaro halogeno ir metalo jonus (vario, kobalto, cinko, bromo, jodo). Mikroelementų gyvoje ląstelėje yra labai mažais kiekiais (0,00001%). Ultra mikroelementai yra gyvsidabris, auksas, selenas (mažiau nei 0,000001% ląstelės masės).

Cheminiai junginiai

Cheminiai junginiai yra medžiagos, susidedančios iš dviejų ar daugiau cheminių elementų sujungtų atomų. Cheminiai junginiai skirstomi į dvi grupes:

Organiniai cheminiai junginiai (mineralinės druskos ir vanduo);

Neorganiniai cheminiai junginiai (cheminių elementų derinys su anglimi).

Pagrindiniai organiniai cheminiai junginiai yra baltymai, angliavandeniai, riebalai ir nukleorūgštys.

Baltymų samprata ir funkcijos

Baltymai yra didelės molekulinės organinės medžiagos, susidedančios iš alfa aminorūgščių liekanų, sujungtų peptidiniais ryšiais. Baltymai yra labai svarbi medžiaga žmogaus gyvenime.

Baltymų funkcijos:

Apsauginė funkcija. Kai virusas patenka į organizmą, baltymas pradeda didesnę sintezę organizme, todėl jį pašalina.

Struktūrinė funkcija. Dėl tokio komponento kaip kolagenas, esančio baltymuose, žmogaus organizme atsiranda randų pažeidimo procesas.

Variklis. Baltymai tiesiogiai dalyvauja raumenų audinio susitraukimo procese.

Transportas. Baltymų atomai perneša deguonį ir maistines medžiagas į ląsteles.

Energija. Kai baltymai skyla, jie išskiria žmogui reikalingą energiją.

Be to, baltymai taip pat veikia kaip visų organizme vykstančių cheminių reakcijų katalizatoriai.

Angliavandeniai, jų vaidmuo gyvenime

Angliavandeniai– organiniai poli- ir monomerai, kurių sudėtyje yra deguonies, vandenilio ir anglies. Pagrindinė angliavandenių funkcija yra energetinė funkcija – suskaidžius 1g angliavandenių išsiskiria 17 kJ energijos.

Angliavandeniai celiuliozės pavidalu sudaro daugelio augalų rūšių sienas. Angliavandenių dėka gyvi organizmai kaupia ir maistines medžiagas, kurios kaupiamos krakmolo pavidalu.

Riebalai

Organinės cheminės medžiagos taip pat apima riebalų. Riebalai skirstomi į dvi grupes: sudėtingus ir paprastus. Paprastieji lipidai susideda iš riebalų rūgščių likučių ir glicerolio. Sudėtiniai riebalai yra paprastų lipidų sintezė su angliavandeniais ir baltymais.

Cheminis ląstelių turinys. Gyvų būtybių ląstelės nuo aplinkos labai skiriasi ne tik jas sudarančių cheminių junginių struktūra, bet ir cheminių elementų rinkiniu bei kiekiu. Iš šiuo metu žinomų cheminių elementų gyvojoje gamtoje rasta apie 90 Priklausomai nuo šių elementų kiekio gyvų būtybių organizmuose, juos galima suskirstyti į tris grupes:

1) makroelementų ty elementai, kurių ląstelėse yra dideliais kiekiais (nuo dešimčių procentų iki šimtųjų procentų). Šiai grupei priklauso deguonis, anglis, azotas, natris, kalcis, fosforas, siera, kalis, chloras. Kartu šie elementai sudaro apie 99% ląstelių masės, o 98% yra iš pirmųjų keturių elementų (vandenilio, deguonies, anglies ir azoto).

2) mikroelementai, kurios sudaro mažiau nei šimtąsias procentų masės dalis. Šie elementai yra geležis, cinkas, manganas, kobaltas, varis, nikelis, jodas, fluoras. Iš viso jie sudaro apie 1% ląstelės masės. Nepaisant to, kad šių elementų kiekis ląstelėje yra mažas, jie yra būtini jos gyvenimui. Jei tokių elementų nėra arba jų yra mažai, atsiranda įvairių ligų. Pavyzdžiui, jodo trūkumas sukelia skydliaukės ligas žmonėms, o geležies trūkumas gali sukelti anemiją.

3) ultramikroelementai, kurio kiekis ląstelėje yra itin mažas (mažiau nei 10-12%). Šiai grupei priklauso bromas, auksas, selenas, sidabras, vanadis ir daugelis kitų elementų. Dauguma šių elementų taip pat būtini normaliam organizmų funkcionavimui. Pavyzdžiui, seleno trūkumas sukelia vėžį, o boro trūkumas sukelia augalų ligas. Kai kurie šios grupės elementai, kaip ir mikroelementai, yra fermentų dalis.

Skirtingai nuo gyvų organizmų, žemės plutoje dažniausiai pasitaikantys elementai yra deguonis, silicis, aliuminis ir natris. Kadangi anglies, vandenilio ir azoto kiekis gyvojoje medžiagoje yra didesnis nei žemės plutoje, galime daryti išvadą, kad šių elementų turinčios molekulės būtinos gyvybę užtikrinantiems procesams įgyvendinti.

Keturi labiausiai paplitę gyvosios medžiagos elementai turi vieną bendrą bruožą: jie lengvai sudaro kovalentinius ryšius poruodami elektronus. Kad susidarytų stabilūs elektroniniai ryšiai, vandenilio atomui ant išorinio elektronų apvalkalo trūksta vieno elektrono, deguonies atomo – dviejų, azoto – trijų ir anglies – keturių elektronų. Šie elementai gali lengvai reaguoti vienas su kitu, užpildydami išorinius elektronų apvalkalus. Be to, trys elementai: azotas, deguonis ir anglis gali sudaryti tiek viengubus, tiek dvigubus ryšius, dėl kurių žymiai padidėja cheminių junginių, sudarytų iš šių elementų, skaičius.

Anglis, vandenilis ir deguonis pasirodė esąs tinkami gyvoms medžiagoms formuotis ir dėl to, kad jie yra lengviausi tarp kovalentinius ryšius sudarančių elementų. Biologiniu požiūriu labai svarbus ir anglies atomo gebėjimas vienu metu sudaryti kovalentinius ryšius su kitais keturiais anglies atomais. Taigi kovalentiškai sujungti anglies atomai gali sudaryti daugybę skirtingų organinių molekulių.

Ir kitos neorganinės medžiagos, jų vaidmuo ląstelių gyvenime. Dauguma cheminių junginių, sudarančių ląstelę, būdingi tik gyviems organizmams. Tačiau ląstelėje yra nemažai medžiagų, kurios randamos ir negyvojoje gamtoje. Tai visų pirma vanduo, kuris vidutiniškai sudaro apie 80% ląstelės masės (jo kiekis gali skirtis priklausomai nuo ląstelės tipo ir amžiaus), taip pat kai kurios druskos.

Vanduo yra nepaprastai neįprasta medžiaga fizine ir chemine prasme, kuri savo savybėmis labai skiriasi nuo kitų tirpiklių. Pirmosios ląstelės atsirado pirmykščiame vandenyne ir tolimesnio vystymosi procese išmoko panaudoti šias unikalias vandens savybes.

Palyginti su kitais skysčiais, vandeniui būdinga neįprastai aukšta virimo temperatūra, lydymosi temperatūra, savitoji šiluminė talpa, taip pat aukšta garavimo, lydymosi šiluma, šilumos laidumas ir paviršiaus įtempimas. Taip yra dėl to, kad vandens molekulės yra glaudžiau sujungtos viena su kita nei kitų tirpiklių molekulės.

Didelė vandens šiluminė talpa (sugebėjimas sugerti šilumą šiek tiek pasikeitus savo temperatūrai) apsaugo ląstelę nuo staigių temperatūros svyravimų, o vandens savybę, tokią kaip didelė garavimo šiluma, gyvieji organizmai naudoja apsisaugoti. nuo perkaitimo: augalų ir gyvūnų skysčių išgarinimas yra apsauginė reakcija į kylančią temperatūrą . Didelis šilumos laidumas vandenyje užtikrina vienodą šilumos paskirstymą tarp atskirų kūno dalių. Vanduo praktiškai nesuspaudžiamas, dėl to ląstelės išlaiko savo formą ir pasižymi elastingumu.

Unikalias vandens savybes lemia jo molekulės struktūriniai ypatumai, atsirandantys dėl specifinio elektronų išsidėstymo deguonies ir vandenilio atomuose, kurie sudaro molekulę. Deguonies atomas, kurio išorinėje elektronų orbitoje yra du elektronai, sujungia juos su dviem vandenilio atomų elektronais (kiekvienas vandenilio atomas turi vieną elektroną išorinėje elektronų orbitoje). Dėl to tarp deguonies atomo ir dviejų vandenilio atomų susidaro dvi kovalentinės jungtys. Tačiau neigiamesnis deguonies atomas linkęs pritraukti elektronus prie savęs. Dėl to kiekvienas iš vandenilio atomų įgauna nedidelį teigiamą krūvį, o deguonies atomas – neigiamą. Vienos vandens molekulės neigiamai įkrautas deguonies atomas pritraukiamas kitos molekulės teigiamai įkrautas vandenilio atomas, todėl susidaro vandenilio ryšys. Taigi vandens molekulės susijungia viena su kita.

Svarbi vandenilinės jungties savybė yra jos mažesnis stiprumas, palyginti su (jis yra maždaug 20 kartų silpnesnis nei kovalentinis ryšys). Todėl vandeniliniai ryšiai gana lengvai susidaro ir lengvai nutrūksta. Tačiau net ir 100° temperatūroje tarp vandens molekulių vis dar gana stipri sąveika. Vandenilio jungtys tarp vandens molekulių suteikia jam tam tikrą struktūrą, o tai paaiškina jo neįprastas savybes, tokias kaip aukštas virimas, lydymasis ir didelė šiluminė talpa.

Kita būdinga vandens molekulės savybė yra jos dipolis. Kaip minėta aukščiau, vandenilio atomai vandens molekulėje turi nedidelį teigiamą krūvį, o deguonies atomai – neigiamą. Tačiau H-O-H ryšio kampas yra 104,5°, todėl vandens molekulėje neigiamas krūvis koncentruojasi vienoje pusėje, o teigiamas – kitoje. Vandens molekulės dipolis apibūdina jos gebėjimą naršyti elektriniame lauke. Būtent ši vandens savybė lemia jo, kaip tirpiklio, išskirtinumą: jei medžiagų molekulėse yra įkrautų atomų grupių, jos į elektrostatinę sąveiką patenka su vandens molekulėmis ir šios medžiagos jame ištirpsta. Tokios medžiagos vadinamos hidrofilinėmis. Ląstelėse yra daug hidrofilinių junginių: tai druskos, mažos molekulinės masės organiniai junginiai, angliavandeniai ir nukleorūgštys. Tačiau yra nemažai medžiagų, kurios beveik neturi įkrautų atomų ir netirpsta vandenyje. Šie junginiai visų pirma apima lipidus (riebalus). Tokios medžiagos vadinamos hidrofobinėmis. Hidrofobinės medžiagos nesąveikauja su vandeniu, bet gerai sąveikauja viena su kita. Lipidai, kurie yra hidrofobiniai junginiai, sudaro dvimates struktūras (membranas), kurios yra beveik nepralaidžios vandeniui.

Dėl savo poliškumo vanduo ištirpina daugiau cheminių medžiagų nei bet kuris kitas tirpiklis. Būtent vandeninėje ląstelės aplinkoje, kurioje ištirpsta įvairios cheminės medžiagos, vyksta daugybė cheminių reakcijų, be kurių neįmanoma gyvybės veikla. Vanduo taip pat tirpdo reakcijos produktus ir pašalina juos iš ląstelių ir daugialąsčių organizmų. Dėl vandens judėjimo gyvūnų ir augalų organizmuose tarp audinių keičiasi įvairios medžiagos.

Viena iš svarbių vandens, kaip cheminio junginio, savybių yra ta, kad jis dalyvauja daugelyje ląstelėje vykstančių cheminių reakcijų. Šios reakcijos vadinamos hidrolizės reakcijomis. Savo ruožtu vandens molekulės susidaro dėl daugelio gyvuose organizmuose vykstančių reakcijų.

Vandenilio atomo masė yra labai maža, vienintelį jo elektroną vandens molekulėje laiko deguonies atomas. Dėl to vandenilio atomo (protono) branduolys gali atitrūkti nuo vandens molekulės, todėl susidaro hidroksilo jonas (OH -) ir protonas (H +).

H2O<=>H + + OH -

Šis procesas vadinamas vandens disociacija. Hidroksilo ir vandenilio jonai, susidarę vandens disociacijos metu, taip pat dalyvauja daugelyje svarbių organizme vykstančių reakcijų.

Be vandens, svarbų vaidmenį ląstelės gyvenime vaidina joje ištirpę kalio, natrio, magnio, kalcio ir kiti katijonai, taip pat druskos, sieros, anglies ir fosforo anijonai. rūgštys.

Daugeliui katijonų būdingas netolygus pasiskirstymas tarp ląstelės ir jos aplinkos: pavyzdžiui, ląstelės citoplazmoje K+ koncentracija didesnė, o Na + ir Ca 2+ mažesnė nei ląstelę supančioje aplinkoje. . Ląstelės išorėje gali būti natūrali aplinka (pavyzdžiui, vandenynas) arba kūno skysčiai (kraujas), kurių joninė sudėtis yra artima jūros vandeniui. Netolygus katijonų pasiskirstymas tarp ląstelės ir aplinkos išlaikomas per visą gyvenimą, tam ląstelė išleidžia nemažą dalį joje susidarančios energijos. Netolygus jonų pasiskirstymas tarp ląstelės ir aplinkos yra būtinas daugelio gyvybei svarbių procesų įgyvendinimui, ypač sužadinimo laidumui per nervų ir raumenų ląsteles bei raumenų susitraukimui. Po ląstelės mirties katijonų koncentracija ląstelės išorėje ir viduje greitai susilygina.

Ląstelėje esantys silpnų rūgščių anijonai (HC0 3 -, HPO 4 2-) atlieka svarbų vaidmenį palaikant pastovią vandenilio jonų koncentraciją (pH) ląstelės viduje. Nepaisant to, kad ląstelės gyvavimo metu susidaro ir šarmai, ir rūgštys, paprastai reakcija ląstelėje yra beveik neutrali. Taip yra dėl to, kad silpnų rūgščių anijonai gali surišti rūgščių protonus ir šarmų hidroksilo jonus, taip neutralizuodami tarpląstelinę aplinką. Be to, silpnų rūgščių anijonai patenka į ląstelėje vykstančias chemines reakcijas: ypač fosforo rūgšties anijonai yra būtini ląstelei tokio svarbaus junginio kaip ATP sintezei.

Neorganinės medžiagos gyvuose organizmuose randamos ne tik ištirpusios, bet ir kietos būsenos. Pavyzdžiui, kaulai susidaro daugiausia iš kalcio fosfato (magnio fosfato taip pat yra mažesniais kiekiais), o lukštai – iš kalcio karbonato.

Organinės ląstelės medžiagos. Biopolimerai

Gyvuose organizmuose yra labai daug įvairių junginių, kurių negyvojoje gamtoje praktiškai nėra ir jie vadinami organiniais junginiais. Šių junginių molekulinės struktūros yra sudarytos iš anglies atomų. Tarp organinių junginių galima išskirti mažos molekulinės masės medžiagas (organines rūgštis, jų esterius, aminorūgštis, laisvąsias riebalų rūgštis, azotines bazes ir kt.). Tačiau didžiąją ląstelės sausosios medžiagos dalį sudaro didelės molekulinės masės junginiai, kurie yra polimerai. Polimerai yra junginiai, sudaryti iš mažos molekulinės masės pasikartojančių vienetų (monomerų), nuosekliai sujungtų vienas su kitu kovalentiniu ryšiu ir sudarančių ilgą grandinę, kuri gali būti tiesi arba šakota. Tarp polimerų išskiriami homopolimerai, susidedantys iš identiškų monomerų. Jei monomerą žymime kokiu nors simboliu, pavyzdžiui, raide X, tai homopolimero struktūra gali būti sutartinai pavaizduota taip: -Х-Х-…-Х-Х. Heteropolimeruose yra skirtingų struktūrų monomerų. Jei monomerai, sudarantys heteropolimerą, žymimi X ir Y, tada heteropolimero struktūra gali būti pavaizduota, pavyzdžiui, XXUUKHU...XXUUKHY forma. Biopolimerai (ty gamtoje randami polimerai) apima baltymus, nukleorūgštis ir angliavandenius.

Voverės

Baltymų struktūra. Tarp ląstelėje esančių organinių junginių pagrindiniai yra baltymai: jie sudaro ne mažiau kaip 50% sausosios medžiagos. Visuose baltymuose yra anglies, vandenilio, deguonies ir azoto. Be to, beveik visuose juose yra sieros. Kai kuriuose baltymuose taip pat yra fosforo, geležies, magnio, cinko, vario ir mangano. Taigi, geležis yra hemoglobino baltymo dalis, randama daugelio gyvūnų raudonuosiuose kraujo kūneliuose, o magnio yra pigmento chlorofile, būtiname fotosintezei.

Būdinga baltymų savybė yra didelė jų molekulinė masė: ji svyruoja nuo kelių tūkstančių iki šimtų tūkstančių ir net milijonų kilodaltonų. Monomeras, tai yra bet kurio baltymo struktūrinis vienetas, yra aminorūgštys, kurioms būdinga panaši, bet ne visiškai tokia pati struktūra.

Kaip matyti iš pateiktos formulės, aminorūgščių molekulė susideda iš dviejų dalių. Apibrėžta dalis yra vienoda visoms aminorūgštims. Jame yra amino grupė (-NH 2), prijungta prie anglies atomo, po kurios eina karboksilo grupė (-COOH). Antroji aminorūgščių molekulės dalis, formulėje pavaizduota kaip lotyniška R raidė, vadinama šonine grandine arba radikalu. Jis turi skirtingą skirtingų aminorūgščių struktūrą. Baltymuose kaip struktūriniai elementai (monomerai) yra 20 skirtingų aminorūgščių, todėl baltymuose gali būti 20 skirtingos struktūros šoninių grandinių. Šoniniai radikalai gali būti neigiamai arba teigiamai įkrauti, juose gali būti aromatinių žiedų ir heterociklinių struktūrų, hidrofobinių grupių, hidroksilo (-OH) grupių arba sieros atomų.

Baltymų molekulėse viena po kitos einančios aminorūgščių molekulės yra kovalentiškai sujungtos viena su kita, sudarydamos ilgas, neišsišakojusias polimero grandines. Grandinėje esančios aminorūgštys yra išsidėsčiusios taip, kad vienos aminorūgšties amino grupė sąveikauja su kitos aminorūgšties karboksilo grupe. Kai šios dvi grupės sąveikauja, išsiskiria vandens molekulė ir susidaro peptidinė jungtis. Gautas junginys vadinamas peptidu. Jei peptidas susideda iš dviejų aminorūgščių, jis vadinamas dipeptidu, jei jis susideda iš trijų, jis vadinamas tripeptidu. Baltymų molekulėse gali būti šimtai ir net tūkstančiai aminorūgščių liekanų. Taigi baltymai yra polipeptidai. Reikia pažymėti, kad baltymų molekulės nėra atsitiktinai sukonstruoti įvairaus ilgio polimerai – kiekvienai baltymo molekulei būdinga specifinė aminorūgščių seka, kurią lemia baltymą koduojančio geno struktūra.

Aminorūgščių liekanų seka baltymo molekulėje lemia jos pirminę struktūrą, tai yra formulę. Kaip abėcėlė, kurią sudaro 33 raidės, leidžia sukurti didžiulį skaičių žodžių, 20 aminorūgščių pagalba galite sukurti beveik neribotą skaičių baltymų, kurie skiriasi tiek juose esančių aminorūgščių skaičiumi, tiek jų kiekiu. seka. Bendras įvairių baltymų, randamų visų tipų gyvuose organizmuose, skaičius yra maždaug 10 10–10 12. Svarbiausias šiuolaikinės biologijos uždavinys – nustatyti pirminę baltymų struktūrą, taip pat nustatyti ryšį tarp pirminės struktūros ir baltymų funkcinio aktyvumo. Kadangi aminorūgščių seką lemia geno struktūra, šiuo metu pirminė baltymų struktūra nustatoma nustatant atitinkamo geno nukleotidų seką, taikant genų inžinerijos metodus.

Gimtoji (nepažeista) baltymo molekulė turi būdingą erdvinę struktūrą arba konformaciją. Jis nustatomas pagal tai, kaip baltymo polipeptidinė grandinė susilanksto tirpale. Dažniausiai atskiros polipeptidinės grandinės atkarpos susilanksto į spiralę (α-spiralę) arba sudaro zigzagines struktūras, esančias priešingai – vadinamasis sulankstytas sluoksnis arba β struktūra. Susidarius α-spiralei ir β-struktūrai susidaro antrinė baltymo struktūra. Šiuo atveju aminorūgščių šoninės grandinės yra spiralės arba zigzago struktūros išorėje. Sraigtinę struktūrą stabilizuoja vandeniliniai ryšiai, susidarantys tarp NH grupių, esančių viename posūkyje, ir CO grupių, esančių kitame spiralės posūkyje. Šios vandenilio jungtys yra lygiagrečios spiralės ašiai.

Sulenkto sluoksnio tipo struktūrą taip pat stabilizuoja vandeniliniai ryšiai, susidarantys tarp lygiagrečių sluoksnių. Nors vandenilio ryšiai yra silpnesni nei kovalentiniai ryšiai, jų buvimas dideliais kiekiais daro tokias struktūras kaip α-spiralės arba β-lakšto sluoksnis gana stiprias.

Sraigtiniai regionai ir struktūros, tokios kaip sulankstytas sluoksnis, toliau pakuojamos, todėl susidaro tretinė baltymo struktūra. Šiame etape tirpūs baltymai dažniausiai sudaro rutulinę ritę panašią struktūrą, kurioje įkrautos aminorūgščių liekanos yra ant paviršiaus, o hidrofobinės aminorūgščių liekanos yra ritės viduje. Tokiu atveju aminorūgščių liekanos, esančios toli viena nuo kitos polipeptidinėje grandinėje, dažnai susijungia. Kiekvienas baltymas pasižymi savo pakavimo metodu, kuris yra nustatytas pirminės baltymo struktūros lygyje, tai yra, priklauso nuo aminorūgščių eilės polipeptidinėje grandinėje.

Daugelis baltymų susideda iš kelių tos pačios arba skirtingos struktūros polipeptidinių grandinių. Susijungus tokioms grandinėms susidaro kompleksinis baltymas, kuriam būdinga ketvirtinė struktūra. Tokie baltymai vadinami oligomerais, o atskiros polipeptidinės grandinės, įtrauktos į oligomerą, vadinamos monomerais.

Dauguma baltymų molekulių gali išlaikyti savo biologinį aktyvumą, tai yra, gebėjimą atlikti jiems būdingą funkciją tik siaurame temperatūros ir aplinkos rūgštingumo diapazone. Kylant temperatūrai arba rūgštingumui pasikeitus iki ekstremalių dydžių, vyksta baltymų struktūros pokyčiai, kurie vadinami denatūracija. Denatūravimo pavyzdys yra kiaušinių baltymų koaguliacija, kuri vyksta verdant. Denatūruojant kovalentiniai ryšiai nenutrūksta, o sunaikinama tam tikram baltymui būdinga ketvirtinė, tretinė ir antrinė struktūra, dėl to denatūruotose baltymų polipeptidinėse grandinėse susidaro atsitiktinės ir netvarkingos spiralės ir kilpos.

Baltymų funkcijos. Baltymai pasižymi didele funkcijų įvairove. Didžiausia ir biologiškai svarbiausia baltymų grupė yra fermentiniai baltymai, kurie yra katalizatoriai, pagreitinantys įvairių cheminių reakcijų atsiradimą.

Antrą pagal dydį baltymų grupę sudaro baltymai, kurie yra ląstelės struktūriniai elementai. Tai, pavyzdžiui, apima fibrilinį baltymą kolageną, pagrindinį struktūrinį baltymą, kuris yra jungiamojo ir kaulinio audinio dalis. Kiti baltymų tipai yra susitraukiančių ir motorinių sistemų komponentai. Tai, pavyzdžiui, aktinas ir miozinas, du pagrindiniai raumenų susitraukimo sistemos elementai. Ląstelės citoskeletas susidaro iš struktūrinių baltymų, kurie yra pluoštinių baltymų pluoštai, jungiantys įvairius ląstelės organelius tarpusavyje ir su ląstelės plazmine membrana.

Kai kurie baltymai atlieka transportavimo funkciją, jie gali surišti ir pernešti įvairias medžiagas per kraują. Žymiausias iš šių baltymų yra hemoglobinas, kuris randamas stuburinių gyvūnų raudonuosiuose kraujo kūneliuose ir, jungdamasis su deguonimi, perneša jį iš plaučių į audinius. Serumo lipoproteinai perneša kompleksinius lipidus kraujyje, o serumo albuminas – laisvąsias riebalų rūgštis.

Transporto baltymai taip pat apima baltymus, įterptus į biologines membranas ir pernešančius įvairias medžiagas per šias membranas. Normaliomis sąlygomis ląstelės membrana yra silpnai pralaidi tokioms medžiagoms kaip K +, Na +, Ca 2+, nes kanalų baltymų suformuotos poros yra uždarytos. Tačiau kai kurie poveikiai, pavyzdžiui, elektriniai impulsai ar biologiškai aktyvios medžiagos, kurios jungiasi prie kanalų, atveria poras, dėl to šiuo kanalu galintis prasiskverbti jonas juda iš vienos membranos pusės į kitą. mažėjanti koncentracija. Jonų judėjimą priešinga kryptimi atlieka kiti membranos transportavimo baltymai, vadinami jonų siurbliais, naudojant energiją.

Specializuotose augalų ir gyvūnų ląstelėse vyksta specialių reguliatorių arba hormonų, kurių dalis (bet ne visi) yra baltymai, reguliuojantys įvairius fiziologinius procesus, sintezė. Garsiausias iš jų galbūt yra insulinas – kasoje gaminamas hormonas, reguliuojantis gliukozės kiekį organizmo ląstelėse. Kai organizme nėra pakankamai insulino, susergama liga, vadinama cukriniu diabetu.

Be to, baltymai gali atlikti apsauginę funkciją. Virusams, bakterijoms, svetimiems baltymams ar kitiems polimerams patekus į gyvūnų ar žmonių organizmą, organizme sintetinami specialūs apsauginiai baltymai, vadinami antikūnais arba imunoglobulinais. Šie baltymai jungiasi su svetimais polimerais. Antikūnų prisijungimas prie virusų ar bakterijų baltymų slopina jų funkcinį aktyvumą ir sustabdo infekcijos vystymąsi. Antikūnai turi unikalią savybę: jie gali atskirti svetimus baltymus nuo savo organizmo baltymų. Toks organizmo apsaugos nuo patogenų mechanizmas vadinamas imunitetu. Imunitetas infekcinėms ligoms gali būti sukurtas suleidus labai mažus kiekius tam tikrų biopolimerų, kurie yra ligą sukeliančių mikroorganizmų ar virusų dalis. Tokiu atveju susidaro antikūnai, kurie vėliau gali apsaugoti organizmą, jei jis užsikrečia šiuo mikroorganizmu ar virusu. Siekdami apsaugoti, daugelis gyvų būtybių išskiria baltymus, vadinamus toksinais, kurie daugeliu atvejų yra stiprūs nuodai.

Trūkstant gyvūnų mitybos, labai padidėja baltymų skilimas į juos sudarančias aminorūgštis, pastarosios po atitinkamų transformacijų gali būti naudojamos kaip energijos šaltinis (baltymų energetinė funkcija).

Kai kurios bakterijos ir visi augalai gali sintetinti visas 20 aminorūgščių, sudarančių baltymus. Tačiau evoliucijos procese gyvūnai prarado galimybę susintetinti 10 ypač sudėtingų aminorūgščių, kurias jie turi gauti iš augalinio ir gyvūninio maisto. Šios aminorūgštys vadinamos nepakeičiamomis. Jie yra augalinių ir gyvulinių baltymų, gaunamų su maistu, dalis, kurie virškinamajame trakte suskaidomi į aminorūgštis. Ląstelėse šios aminorūgštys yra naudojamos tam, kad susidarytų tam tikram organizmui būdingi baltymai. Nepakeičiamų aminorūgščių trūkumas maiste sukelia rimtus medžiagų apykaitos sutrikimus.

Ir jų vaidmuo gyvenimo procese. Esant ląstelei būdingai aplinkos temperatūrai ir rūgštingumui, daugumos cheminių reakcijų greitis yra mažas. Tačiau iš tikrųjų reakcijos ląstelėje vyksta labai dideliu greičiu. Tai pasiekiama dėl to, kad ląstelėje yra specialių katalizatorių - fermentų, kurie žymiai padidina cheminių reakcijų greitį. Fermentai yra didžiausia ir labiausiai specializuota baltymų klasė. Būtent fermentai užtikrina daugybę ląstelėje vykstančių reakcijų, kurios sudaro ląstelių metabolizmą. Šiuo metu žinoma daugiau nei tūkstantis fermentų. Jų katalizinis efektyvumas yra neįprastai didelis: jie gali pagreitinti reakcijas milijonus kartų.

Katalizinį fermento aktyvumą lemia ne visa jo molekulė, o tam tikra fermento molekulės dalis, kuri vadinama aktyviuoju jo centru. Yra žinoma, kad cheminė katalizė dažniausiai atliekama dėl to, kad reakcijos su katalizatoriumi metu paverčiamas medžiagos (substrato) kompleksas. O fermentinės reakcijos metu substratas sąveikauja su fermentu, o substrato surišimas vyksta būtent aktyviame centre. Fermentams būdingas erdvinis substrato ir aktyvaus centro atitikimas, jie dera kartu „kaip spynos raktas“. Taigi fermentams būdingas substrato specifiškumas, todėl kiekvienas fermentas užtikrina vienos ar kelių to paties tipo reakcijų atsiradimą.

Substrato prisijungimą prie fermento (fermento-substrato komplekso susidarymą) lydi reakcijos metu konvertuojamą medžiagą (substratą) supančios elektronų energijos persiskirstymas dėl sąveikos su fermento aminorūgštimis, kurios dalyvauja aktyvaus centro formavimas. Dėl to atskiri ryšiai tarp atomų substrato molekulėje susilpnėja ir sunaikinami daug lengviau nei tirpale. Kitais atvejais (reakcijose, kurių metu susidaro ryšys) dvi substrato molekulės aktyviajame fermento centre taip suartėja, kad tarp jų lengvai susidaro ryšys. Kai fermentas denatūruojasi, jo katalizinis aktyvumas išnyksta, nes sutrinka aktyvaus centro struktūra.

Daugelyje fermentų yra vadinamųjų kofaktorių – mažos molekulinės masės organinių arba neorganinių junginių, galinčių atlikti tam tikras reakcijas. Kofaktoriai apima, pavyzdžiui, dinukleotidą NAD (nikotinamido adenino dinukleotidą), kuris užtikrina įvairių substratų dehidrogenavimą. Jos funkcijos bus išsamiai aptartos skyriuje „Energijos mainai“. Taip pat žinoma daug fermentų, kuriuose yra metalų (geležies, vario, kobalto, mangano), kurie taip pat dalyvauja substratų virsme katalizinio akto metu.

Nukleino rūgštys

Kita svarbi biopolimerų klasė yra nukleorūgštys, kurios yra genetiniai nešikliai ir taip pat dalyvauja baltymų sintezės procese. Gyvoje gamtoje buvo aptiktos dviejų tipų nukleino rūgštys, būtent: dezoksiribonukleino rūgštis(sutrumpintai DNR) ir ribonukleino rūgštis(RNR). DNR ir RNR yra visuose prokariotuose ir eukariotuose, išskyrus virusus, kai kuriuose yra tik RNR, o kituose – tik DNR. DNR ir RNR yra sudarytos iš monomerų, vadinamų mononukleotidai. Mononukleotidai, sudarantys DNR ir RNR, turi panašią, bet ne tą pačią struktūrą. Mononukleotidai susideda iš trijų pagrindinių komponentų: 1) azoto bazė, 2) pentozės cukrų ir 3) fosforo rūgštis.

Mononukleotidai, sudarantys DNR, turi penkių anglies cukraus dezoksiribozės ir vienos iš keturių azoto bazių: adeninas, guaninas, citozinas Ir timinas(sutrumpintai kaip A, G, C ir T).

Mononukleotidai, sudarantys RNR, turi penkių anglies sacharibozę, taip pat vieną iš keturių bazių: adeninas, guaninas, citozinas Ir uracilas(sutrumpintai kaip A, G, C ir U).

Dezoksiribonukleorūgštis (DNR). DNR yra genetinės informacijos nešėja ir ląstelėje sutelkta daugiausia branduolyje, kur yra pagrindinis chromosomų komponentas (eukariotuose DNR taip pat randama mitochondrijose ir chloroplastuose). DNR yra polimeras, susidedantis iš kovalentiškai susietų mononukleotidų, įskaitant dezoksiribozę ir keturias azotines bazes (adeniną, guaniną, citoziną ir timiną). Mononukleotidų, sudarančių DNR, skaičius yra labai didelis: prokariotinėse ląstelėse, kuriose yra viena chromosoma, visa DNR yra vienos makromolekulės pavidalu, kurios molekulinė masė didesnė nei 2 * 10 9 .

DNR molekulės struktūrą iššifravo Watsonas ir Crickas 1953 m. DNR molekulė susideda iš dviejų gijų, esančių lygiagrečiai viena kitai ir sudarančių dešiniąją spiralę. Sraigės plotis yra apie 2 nm, o ilgis gali siekti šimtus tūkstančių nanometrų. Mononukleotidai, kurie yra vienos grandinės dalis, yra sujungti nuosekliai, nes susidaro kovalentiniai ryšiai tarp vieno mononukleotido dezoksiribozės ir kito mononukleotido fosforo rūgšties. Azoto bazės, esančios vienoje susidariusio vienos DNR grandinės stuburo pusėje, sudaro vandenilinius ryšius su antrosios grandinės azotinėmis bazėmis. Taigi spiralinėje dvigrandėje DNR molekulėje azoto bazės yra spiralės viduje. Sraigės struktūra yra tokia, kad jos sudėtyje esančios polinukleotidinės grandinės gali būti atskirtos tik išvyniojus spiralę.

DNR molekulės struktūra yra tokia, kad į jos sudėtį įtrauktų vieno tipo azoto bazių (adenino ir guanino) skaičius būtų lygus kito tipo (timino ir citozino) azoto bazių skaičiui, tai yra A+G. =T+C. Taip yra dėl azotinių bazių dydžio: vandeniliniam ryšiui tarp adenino-timino ir guanino-citozino porų susidariusios struktūros ilgis yra maždaug 11 A. Šių porų dydžiai atitinka vidinės dalies dydį. DNR spiralės dalis. Pora A-G būtų per didelė, o C-T per maža, kad susidarytų spiralė. Taigi, azoto bazė, esanti vienoje DNR grandinėje, nustato bazę, esančią toje pačioje vietoje kitoje grandinėje. Griežtas nukleotidų, esančių lygiagrečiai vienas kitam, suporuotose DNR molekulės grandinėse atitikimas vadinamas komplementarumu. Būtent šios DNR molekulės savybės dėka galima tiksliai atkurti (replikuoti) genetinę informaciją. Ląstelėje DNR replikacija (savaiminis dubliavimasis) vyksta nutrūkus vandeniliniams ryšiams tarp gretimų DNR grandinių azotinių bazių ir vėliau sintezuojant dvi naujas (dukterines) DNR molekules, naudojant pagrindines grandines kaip šabloną. Tokios reakcijos buvo vadinamos matricos sintezės reakcijomis.

Ribonukleino rūgštis. RNR yra polimeras, susidedantis iš kovalentiškai susietų mononukleotidų, apimančių ribozę ir keturias azoto bazes (adeniną, guaniną, citoziną ir uracilą). Ląstelėse yra trys skirtingi ribonukleino rūgščių tipai: pasiuntinio RNR (mRNR), pernešimo RNR (tRNR) ir ribosomų RNR (rRNR). Visų trijų tipų RNR molekulės yra vienos grandinės. Ir visi jie turi žymiai mažesnę molekulinę masę nei DNR molekulės. Daugumoje ląstelių RNR kiekis yra daug kartų (5–10) kartų didesnis nei DNR. Visų trijų tipų RNR būtinos baltymų sintezei ląstelėje užtikrinti.

Messenger RNR. Messenger RNR yra sintetinama branduolyje transkripcijos proceso metu, kurio metu vienoje iš DNR grandinių užtikrinama RNR molekulės šabloninė sintezė. MRNR molekulė susideda iš maždaug 300–30 000 nukleotidų ir yra struktūra, papildanti specifinę vienos grandinės DNR molekulės (geno) sekciją. Po sintezės mRNR persikelia į citoplazmą, kur prisitvirtina prie ribosomų ir naudojama kaip šablonas, nustatantis aminorūgščių seką augančioje polipeptidinėje grandinėje. Taigi, nukleotidų seka DNR grandinėje, o vėliau ją naudojant kaip šabloną susintetinta mRNR, lemia aminorūgščių seką sintezuojamame baltyme. Kiekvienas iš tūkstančių ląstelės sintezuojamų baltymų yra koduotas specifinės mRNR.

Perkelkite RNR. tRNR funkcija yra pernešti tam tikras aminorūgštis į naujai susintetintą polipeptidinę grandinę baltymų sintezės metu ribosomose. tRNR molekulinė masė nedidelė: molekulėse yra nuo 75 iki 90 mononukleotidų.

Ribosominė RNR. Ribosominė RNR yra ribosomų, organelių, vykdančių baltymų sintezę, dalis. rRNR molekulės susideda iš 3-5 tūkstančių mononukleotidų.

Angliavandeniai

Angliavandeniai arba sacharidai yra junginiai, kurių bendra formulė (CH 2 O) p, kurie yra aldehido alkoholiai arba keto alkoholiai. Angliavandeniai skirstomi į mono-, di- ir polisacharidus.

Monosacharidai arba paprastieji cukrūs dažniausiai susideda iš siūlų (pentozės) arba šešių (heksozės) anglies atomų ir turi bendrai (paprastai formules (CH2O)5 ir (CH2O)6.

Labiausiai paplitęs paprastas cukrus yra šešių anglies cukrų gliukozė, kuri yra pagrindinis monomeras, iš kurio susidaro daug polisacharidų. Gliukozė taip pat yra pagrindinis ląstelės energijos šaltinis. Pentozės (ribozė ir dezoksiribozė) yra nukleorūgščių ir ATP dalis.

Disacharido molekulė sujungia du paprastus cukrus. Žymiausi disacharidų atstovai yra sacharozė arba stalo cukrus, kurio molekulė susideda iš gliukozės ir fruktozės molekulių.

Polisacharidų molekulės yra ilgos grandinės, sudarytos iš daugelio monosacharidų vienetų, o grandinės gali būti linijinės arba šakotos. Daugumoje polisacharidų yra pasikartojančių to paties tipo arba dviejų kintamų tipų vienetų kaip monomerai, todėl jie negali būti informaciniai biopolimerai.

Gyvoje gamtoje yra didžiulis angliavandenių kiekis. Taip yra visų pirma dėl plačiai paplitusių dviejų polisacharidų: krakmolo ir celiuliozės. Krakmolas dideliais kiekiais randamas augaluose. Tai polisacharido forma, kurioje laikomas kuras. Celiuliozė yra pagrindinė tarpląstelinių pluoštinių ir lignifikuotų augalų audinių sudedamoji dalis. Gyvūnų virškinamajame trakte nėra fermentų, galinčių suskaidyti celiuliozę į monomerus. Tačiau šių fermentų yra bakterijose, kurios gyvena kai kurių gyvūnų virškinamajame trakte, todėl jie gali naudoti celiuliozę kaip maistą.

Polisacharidai yra kietų augalų ir bakterijų ląstelių sienelių dalis, jie taip pat yra minkštesnių gyvūnų ląstelių membranų dalis. Taigi angliavandeniai ląstelėje atlieka dvi pagrindines funkcijas: energijos ir konstravimo.

Lipidai

Lipidai yra vandenyje netirpūs organiniai junginiai, randami ląstelėse. Šios medžiagos gali būti ekstrahuojamos (tirpinamos) nepoliniais tirpikliais, tokiais kaip chloroformas, benzenas ar eteris. Yra žinomos kelios lipidų klasės, tačiau svarbiausią funkciją organizme, matyt, atlieka fosfolipidai, kurie yra trihidroalkoholio glicerolio ir fosforo rūgšties esteriai. Kai susidaro fosfolipidų molekulė, dvi glicerolio hidroksilo grupės sąveikauja su didelės molekulinės masės riebalų rūgštimis, turinčiomis 16-18 anglies atomų, o viena hidroksilo grupė sąveikauja su fosforo rūgštimi. Visose fosfolipidų molekulėse yra polinė galvutė ir nepolinė uodega, sudaryta iš dviejų riebalų rūgščių molekulių. Naftos ir vandens sąsajoje fosfolipidų molekulės yra orientuotos taip, kad jų poliarinės galvutės būtų panardintos į vandenį, o jų hidrofobinės uodegos būtų panardintos į aliejų. Fosfolipidai vandens paviršiuje pasklinda vienasluoksnio sluoksnio pavidalu, kuriame riebalų rūgščių uodegėlės orientuotos į santykinai hidrofobinį orą, o įkrautos galvutės – į vandens aplinką.

Fosfolipidų molekulės gali sudaryti dvimates struktūras, kurios vadinamos dvisluoksnėmis: dvisluoksnis susidaro iš dviejų monosluoksnių fosfolipidų, orientuotų vienas kito atžvilgiu taip, kad hidrofobinės fosfolipidų uodegos yra dvisluoksnio viduje, o poliarinės galvutės yra nukreiptas į išorę. Šis dvisluoksnis sluoksnis pasižymi labai didele elektrine varža. Būtent dvigubi sluoksniai, susidedantys iš fosfolipidų, yra svarbiausias biologinių membranų komponentas. Biologinės membranos yra natūralios 5-7 nm storio plėvelės, sudarytos iš fosfolipidų dvisluoksnio sluoksnio, kuriame yra baltymų molekulių. Taigi lipidai atlieka statybinę funkciją ląstelėje.

Be to, lipidai yra svarbus energijos šaltinis. ląstelėje visiškai paverčiant 1 g lipidų į vandenį ir anglies dioksidą, išsiskiria maždaug 2 kartus daugiau energijos nei tokiu pat angliavandenių pavertimu. Poodiniame audinyje susikaupę riebalai yra gera šilumą izoliuojanti medžiaga. Be to, lipidai yra vandens šaltinis, kurio oksidacijos metu išsiskiria dideli kiekiai. Štai kodėl daugelis gyvūnų, kurie kaupia riebalus (pavyzdžiui, kupranugariai per dykumą, lokiai, kiaunės, ožiukai žiemos miego metu) gali ilgą laiką išsiversti be vandens.

Kai kurios su lipidais susijusios medžiagos turi didelį biologinį aktyvumą: tai yra keletas vitaminų, pavyzdžiui, vitaminai A ir B, taip pat kai kurie hormonai (steroidai). Svarbią funkciją gyvūnų organizme atlieka cholesterolis, kuris yra ląstelių membranų sudedamoji dalis: dėl netinkamo cholesterolio metabolizmo žmonėms išsivysto aterosklerozė – liga, kurios metu cholesterolis nusėda apnašų pavidalu ant kūno sienelių. kraujagysles, susiaurina jų spindį. Tai sutrikdo organų aprūpinimą krauju ir yra sunkių širdies ir kraujagyslių ligų, tokių kaip insultas ar miokardo infarktas, priežastis.

Ląstelė- elementarus gyvybės vienetas Žemėje. Jis turi visas gyvam organizmui būdingas savybes: auga, dauginasi, keičiasi medžiagomis ir energija su aplinka, reaguoja į išorinius dirgiklius. Biologinės evoliucijos pradžia siejama su ląstelių gyvybės formų atsiradimu Žemėje. Vienaląsčiai organizmai yra ląstelės, kurios egzistuoja atskirai viena nuo kitos. Visų daugialąsčių organizmų – gyvūnų ir augalų – kūnas yra sudarytas iš didesnio ar mažesnio skaičiaus ląstelių, kurios yra tam tikri blokai, sudarantys sudėtingą organizmą. Nepriklausomai nuo to, ar ląstelė yra vientisa gyva sistema – atskiras organizmas, ar sudaro tik jos dalį, ji turi visoms ląstelėms būdingų savybių ir savybių rinkinį.

Cheminė ląstelės sudėtis

Ląstelėse aptikta apie 60 Mendelejevo periodinės lentelės elementų, kurių yra ir negyvojoje gamtoje. Tai vienas iš gyvosios ir negyvosios gamtos bendrumo įrodymų. Gyvuose organizmuose daugiausiai yra vandenilio, deguonies, anglies ir azoto, kurie sudaro apie 98% ląstelių masės. Taip yra dėl savotiškų vandenilio, deguonies, anglies ir azoto cheminių savybių, dėl kurių jos pasirodė tinkamiausios biologines funkcijas atliekančioms molekulėms formuotis. Šie keturi elementai gali sudaryti labai stiprius kovalentinius ryšius, suporuodami elektronus, priklausančius dviem atomams. Kovalentiškai sujungti anglies atomai gali sudaryti daugybę skirtingų organinių molekulių. Kadangi anglies atomai lengvai sudaro kovalentinius ryšius su deguonimi, vandeniliu, azotu ir siera, organinės molekulės įgauna išskirtinį sudėtingumą ir struktūrinę įvairovę.

Be keturių pagrindinių elementų, ląstelėje yra pastebimas kiekis (10 ir 100 procentų frakcijų) geležies, kalio, natrio, kalcio, magnio, chloro, fosforo ir sieros. Visi kiti elementai (cinkas, varis, jodas, fluoras, kobaltas, manganas ir kt.) ląstelėje randami labai mažais kiekiais, todėl vadinami mikroelementais.

Cheminiai elementai yra neorganinių ir organinių junginių dalis. Neorganiniams junginiams priskiriamas vanduo, mineralinės druskos, anglies dioksidas, rūgštys ir bazės. Organiniai junginiai yra baltymai, nukleorūgštys, angliavandeniai, riebalai (lipidai) ir lipoidai. Be deguonies, vandenilio, anglies ir azoto, juose gali būti ir kitų elementų. Kai kuriuose baltymuose yra sieros. Fosforas yra nukleorūgščių sudedamoji dalis. Hemoglobino molekulėje yra geležies, magnis dalyvauja chlorofilo molekulės konstrukcijoje. Mikroelementai, nepaisant itin mažo jų kiekio gyvuose organizmuose, vaidina svarbų vaidmenį gyvybės procesuose. Jodas yra skydliaukės hormono – tiroksino, kobalto – vitamino B 12 dalis, kasos salelės dalies hormone – insulino – yra cinko. Kai kuriose žuvyse varis užima geležies vietą deguonį pernešančiose pigmento molekulėse.

Neorganinės medžiagos

Vanduo

H 2 O yra labiausiai paplitęs junginys gyvuose organizmuose. Jo kiekis skirtingose ​​ląstelėse svyruoja gana plačiai: nuo 10% dantų emalyje iki 98% medūzos kūne, tačiau vidutiniškai jis sudaro apie 80% kūno svorio. Itin svarbus vandens vaidmuo palaikant gyvybinius procesus yra dėl jo fizikinių ir cheminių savybių. Dėl molekulių poliškumo ir gebėjimo sudaryti vandenilinius ryšius vanduo yra geras tirpiklis daugeliui medžiagų. Dauguma cheminių reakcijų, vykstančių ląstelėje, gali vykti tik vandeniniame tirpale. Vanduo taip pat dalyvauja daugelyje cheminių virsmų.

Bendras vandenilinių ryšių tarp vandens molekulių skaičius kinta priklausomai nuo t °. Prie t ° Ledui tirpstant, sunaikinama maždaug 15% vandenilio jungčių, t° 40°C temperatūroje – pusė. Pereinant į dujinę būseną, visi vandenilio ryšiai sunaikinami. Tai paaiškina didelę vandens savitąją šiluminę talpą. Pasikeitus išorinės aplinkos temperatūrai, vanduo sugeria arba išskiria šilumą dėl vandenilinių jungčių plyšimo ar naujo susidarymo. Tokiu būdu temperatūros svyravimai ląstelės viduje pasirodo mažesni nei aplinkoje. Didelė garavimo šiluma yra veiksmingo augalų ir gyvūnų šilumos perdavimo mechanizmo pagrindas.

Vanduo kaip tirpiklis dalyvauja osmoso reiškiniuose, kurie atlieka svarbų vaidmenį organizmo ląstelių gyvenime. Osmosas – tai tirpiklio molekulių prasiskverbimas per pusiau pralaidžią membraną į medžiagos tirpalą. Pusiau laidžios membranos yra tos, kurios leidžia prasiskverbti tirpiklio molekulėms, bet nepraleidžia pro ją ištirpusių medžiagų (ar jonų) molekulių. Todėl osmozė yra vienpusė vandens molekulių difuzija tirpalo kryptimi.

Mineralinės druskos

Dauguma neorganinių medžiagų ląstelėse yra disocijuotos arba kietos būsenos druskų pavidalu. Katijonų ir anijonų koncentracija ląstelėje ir jos aplinkoje nėra vienoda. Ląstelėje yra gana daug K ir daug Na. Tarpląstelinėje aplinkoje, pavyzdžiui, kraujo plazmoje, jūros vandenyje, atvirkščiai, yra daug natrio ir mažai kalio. Ląstelių dirglumas priklauso nuo Na +, K +, Ca 2+, Mg 2+ jonų koncentracijų santykio. Daugialąsčių gyvūnų audiniuose K yra daugialąstės medžiagos dalis, užtikrinanti ląstelių sanglaudą ir tvarkingą jų išsidėstymą. Osmosinis slėgis ląstelėje ir jos buferinės savybės labai priklauso nuo druskų koncentracijos. Buferis – tai ląstelės gebėjimas palaikyti pastovią šiek tiek šarminę jos turinio reakciją. Buferį ląstelės viduje daugiausia užtikrina H 2 PO 4 ir HPO 4 2- jonai. Ekstraląsteliniuose skysčiuose ir kraujyje buferio vaidmenį atlieka H 2 CO 3 ir HCO 3 -. Anijonai suriša H jonus ir hidroksido jonus (OH -), dėl kurių reakcija tarpląstelinių skysčių ląstelės viduje išlieka beveik nepakitusi. Netirpios mineralinės druskos (pavyzdžiui, Ca fosfatas) stiprina stuburinių gyvūnų ir moliuskų kiautų kaulinį audinį.

Organinė ląstelių medžiaga

Voverės

Tarp ląstelės organinių medžiagų baltymai yra pirmoje vietoje tiek pagal kiekį (10–12% visos ląstelės masės), tiek pagal svarbą. Baltymai yra didelės molekulinės masės polimerai (kurių molekulinė masė nuo 6000 iki 1 milijono ir daugiau), kurių monomerai yra aminorūgštys. Gyvi organizmai naudoja 20 aminorūgščių, nors jų yra daug daugiau. Bet kurios aminorūgšties sudėtis apima amino grupę (-NH2), kuri turi bazinių savybių, ir karboksilo grupę (-COOH), kuri turi rūgščių savybių. Dvi aminorūgštys sujungiamos į vieną molekulę, sukuriant HN-CO ryšį, išlaisvinant vandens molekulę. Ryšys tarp vienos aminorūgšties amino grupės ir kitos karboksilo grupės vadinamas peptidine jungtimi. Baltymai yra polipeptidai, kuriuose yra dešimtys ir šimtai aminorūgščių. Įvairių baltymų molekulės skiriasi viena nuo kitos molekuline mase, skaičiumi, aminorūgščių sudėtimi ir jų išsidėstymo polipeptidinėje grandinėje seka. Todėl aišku, kad visų rūšių gyvuose organizmuose baltymų yra 10 10–10 12.

Aminorūgščių vienetų grandinė, kovalentiškai sujungta peptidiniais ryšiais tam tikra seka, vadinama pirmine baltymo struktūra. Ląstelėse baltymai būna spirališkai susuktų skaidulų arba rutuliukų (globulių) pavidalu. Tai paaiškinama tuo, kad natūraliuose baltymuose polipeptidinė grandinė yra išdėstyta griežtai apibrėžtu būdu, priklausomai nuo ją sudarančių aminorūgščių cheminės struktūros.

Pirma, polipeptidinė grandinė susilanksto į spiralę. Tarp gretimų posūkių atomų atsiranda trauka ir susidaro vandeniliniai ryšiai, ypač tarp NH ir CO grupių, esančių gretimuose posūkiuose. Aminorūgščių grandinė, susisukusi spiralės pavidalu, sudaro antrinę baltymo struktūrą. Dėl tolesnio spiralės lankstymo atsiranda kiekvienam baltymui būdinga konfigūracija, vadinama tretine struktūra. Tretinė struktūra atsiranda dėl sanglaudos jėgų tarp hidrofobinių radikalų, esančių kai kuriose aminorūgštyse, ir kovalentinių ryšių tarp aminorūgšties cisteino SH grupių (S-S jungtys). Aminorūgščių su hidrofobiniais radikalais ir cisteinu skaičius, taip pat jų išsidėstymo polipeptidinėje grandinėje tvarka yra būdinga kiekvienam baltymui. Vadinasi, baltymo tretinės struktūros ypatumus lemia jo pirminė struktūra. Baltymas turi biologinį aktyvumą tik tretinės struktūros pavidalu. Todėl pakeitus net vieną aminorūgštį polipeptidinėje grandinėje, gali pasikeisti baltymo konfigūracija ir sumažėti arba sumažėti jo biologinis aktyvumas.

Kai kuriais atvejais baltymų molekulės susijungia viena su kita ir savo funkciją gali atlikti tik kompleksų pavidalu. Taigi hemoglobinas yra keturių molekulių kompleksas ir tik tokia forma jis gali prijungti ir transportuoti deguonį. Tokie agregatai atspindi ketvirtinę baltymo struktūrą. Pagal sudėtį baltymai skirstomi į dvi pagrindines klases – paprastus ir sudėtingus. Paprasti baltymai susideda tik iš aminorūgščių, nukleino rūgščių (nukleotidų), lipidų (lipoproteinų), Me (metaloproteinų), P (fosfoproteinų).

Baltymų funkcijos ląstelėje yra labai įvairios. Viena svarbiausių – konstravimo funkcija: baltymai dalyvauja visų ląstelių membranų ir ląstelių organelių, taip pat tarpląstelinių struktūrų formavime. Fermentinis (katalizinis) baltymų vaidmuo yra nepaprastai svarbus. Fermentai ląstelėje vykstančias chemines reakcijas pagreitina 10 ir 100 milijonų kartų. Motorinę funkciją užtikrina specialūs susitraukiantys baltymai. Šie baltymai dalyvauja visų tipų judesiuose, kuriuos gali atlikti ląstelės ir organizmai: pirmuonių blakstienų mirgėjimas ir žvynelių plakimas, gyvūnų raumenų susitraukimas, augalų lapų judėjimas ir kt. Baltymų transportavimo funkcija yra pritvirtina cheminius elementus (pavyzdžiui, hemoglobinas prideda O) arba biologiškai aktyvias medžiagas (hormonus) ir perneša jas į organizmo audinius ir organus. Apsauginė funkcija išreiškiama specialių baltymų, vadinamų antikūnais, gamyba, reaguojant į svetimų baltymų ar ląstelių prasiskverbimą į organizmą. Antikūnai suriša ir neutralizuoja svetimas medžiagas. Baltymai atlieka svarbų vaidmenį kaip energijos šaltinis. Visiškai suskaidžius 1g. Išsiskiria 17,6 kJ (~4,2 kcal) baltymų.

Angliavandeniai

Angliavandeniai arba sacharidai yra organinės medžiagos, kurių bendra formulė (CH 2 O) n. Daugumoje angliavandenių H atomų yra dvigubai daugiau nei O atomų, kaip ir vandens molekulėse. Štai kodėl šios medžiagos buvo vadinamos angliavandeniais. Gyvoje ląstelėje angliavandenių randama ne daugiau kaip 1-2, kartais 5% (kepenyse, raumenyse). Augalų ląstelės yra turtingiausios angliavandenių, kur jų kiekis kai kuriais atvejais siekia 90% sausųjų medžiagų masės (sėklos, bulvių gumbai ir kt.).

Angliavandeniai gali būti paprasti arba sudėtingi. Paprasti angliavandeniai vadinami monosacharidais. Priklausomai nuo angliavandenių atomų skaičiaus molekulėje, monosacharidai vadinami triozėmis, tetrozėmis, pentozėmis arba heksozėmis. Iš šešių anglies monosacharidų – heksozių – svarbiausi yra gliukozė, fruktozė ir galaktozė. Gliukozės yra kraujyje (0,1-0,12%). Pentozės ribozė ir dezoksiribozė yra nukleorūgštyse ir ATP. Jei du monosacharidai yra sujungti vienoje molekulėje, junginys vadinamas disacharidu. Stalo cukrus, gaunamas iš cukranendrių arba cukrinių runkelių, susideda iš vienos molekulės gliukozės ir vienos molekulės fruktozės, pieno cukraus – iš gliukozės ir galaktozės.

Sudėtiniai angliavandeniai, susidarantys iš daugelio monosacharidų, vadinami polisacharidais. Polisacharidų, tokių kaip krakmolas, glikogenas, celiuliozė, monomeras yra gliukozė. Angliavandeniai atlieka dvi pagrindines funkcijas: statybos ir energijos. Celiuliozė sudaro augalų ląstelių sieneles. Sudėtinis polisacharidas chitinas yra pagrindinis nariuotakojų egzoskeleto struktūrinis komponentas. Chitinas taip pat atlieka grybų konstravimo funkciją. Angliavandeniai atlieka pagrindinio energijos šaltinio vaidmenį ląstelėje. Oksiduojant 1 g angliavandenių išsiskiria 17,6 kJ (~4,2 kcal). Krakmolas augaluose ir glikogenas gyvūnuose nusėda ląstelėse ir tarnauja kaip energijos rezervas.

Nukleino rūgštys

Nukleino rūgščių reikšmė ląstelėje yra labai didelė. Jų cheminės sandaros ypatumai suteikia galimybę kaupti, perduoti ir paveldėti dukterinėms ląstelėms informaciją apie baltymų molekulių struktūrą, kurios sintetinamos kiekviename audinyje tam tikrame individo vystymosi etape. Kadangi daugumą ląstelių savybių ir savybių lemia baltymai, akivaizdu, kad nukleorūgščių stabilumas yra svarbiausia sąlyga normaliam ląstelių ir visų organizmų funkcionavimui. Bet kokie ląstelių struktūros ar jose vykstančių fiziologinių procesų veiklos pokyčiai, taip paveikiantys gyvybę. Nukleino rūgščių struktūros tyrimas yra nepaprastai svarbus norint suprasti organizmų savybių paveldėjimą ir tiek atskirų ląstelių, tiek ląstelių sistemų – audinių ir organų – funkcionavimo modelius.

Yra 2 nukleino rūgščių tipai – DNR ir RNR. DNR yra polimeras, susidedantis iš dviejų nukleotidų spiralių, išdėstytų taip, kad sudarytų dvigubą spiralę. DNR molekulių monomerai yra nukleotidai, susidedantys iš azoto bazės (adenino, timino, guanino arba citozino), angliavandenių (dezoksiribozės) ir fosforo rūgšties liekanos. Azotinės bazės DNR molekulėje yra sujungtos viena su kita nevienodu H jungčių skaičiumi ir yra išsidėsčiusios poromis: adeninas (A) visada yra prieš timiną (T), guaninas (G) prieš citoziną (C).

Nukleotidai jungiasi vienas su kitu ne atsitiktinai, o selektyviai. Gebėjimas selektyviai sąveikauti adeninui su timinu ir guaninui su citozinu vadinamas komplementarumu. Tam tikrų nukleotidų komplementarioji sąveika paaiškinama jų molekulėse esančių atomų erdvinio išsidėstymo ypatumais, leidžiančiais jiems priartėti ir suformuoti H ryšius. Polinukleotidinėje grandinėje gretimi nukleotidai yra sujungti vienas su kitu per cukrų (dezoksiribozę) ir fosforo rūgšties liekaną. RNR, kaip ir DNR, yra polimeras, kurio monomerai yra nukleotidai. Trijų nukleotidų azotinės bazės yra tokios pačios kaip ir DNR (A, G, C); ketvirtasis – uracilas (U) – yra RNR molekulėje vietoj timino. RNR nukleotidai skiriasi nuo DNR nukleotidų juose esančio angliavandenio struktūra (vietoj dezoksiribozės ribozės).

RNR grandinėje nukleotidai susijungia sudarydami kovalentinius ryšius tarp vieno nukleotido ribozės ir kito fosforo rūgšties liekanos. Dviejų grandžių RNR struktūra skiriasi. Dvigrandės RNR yra daugelio virusų genetinės informacijos saugotojos, t.y. Jie atlieka chromosomų funkcijas. Vienagrandė RNR perduoda informaciją apie baltymų struktūrą iš chromosomos į jų sintezės vietą ir dalyvauja baltymų sintezėje.

Yra keletas vienos grandinės RNR tipų. Jų pavadinimus lemia jų funkcija arba vieta ląstelėje. Didžioji dalis RNR citoplazmoje (iki 80-90%) yra ribosominė RNR (rRNR), esanti ribosomose. rRNR molekulės yra palyginti mažos ir susideda iš vidutiniškai 10 nukleotidų. Kitas RNR tipas (mRNR), pernešantis informaciją apie aminorūgščių seką baltymuose, kurie turi būti sintetinami iki ribosomų. Šių RNR dydis priklauso nuo DNR srities, iš kurios jos buvo susintetintos, ilgio. Perkėlimo RNR atlieka keletą funkcijų. Jie tiekia aminorūgštis į baltymų sintezės vietą, „atpažįsta“ (pagal komplementarumo principą) tripletą ir RNR, atitinkančius perkeltą aminorūgštį, ir atlieka tikslią aminorūgšties orientaciją ribosomoje.

Riebalai ir lipidai

Riebalai yra didelės molekulinės masės riebalų rūgščių ir trihidroalkoholio glicerolio junginiai. Riebalai netirpsta vandenyje – jie yra hidrofobiniai. Ląstelėje visada yra kitų sudėtingų hidrofobinių riebalų panašių medžiagų, vadinamų lipoidais. Viena iš pagrindinių riebalų funkcijų yra energija. 1 g riebalų skaidant į CO 2 ir H 2 O išsiskiria didelis kiekis energijos – 38,9 kJ (~ 9,3 kcal). Riebalų kiekis ląstelėje svyruoja nuo 5-15% sausosios medžiagos masės. Gyvų audinių ląstelėse riebalų kiekis padidėja iki 90 proc. Pagrindinė riebalų funkcija gyvūnų (ir iš dalies augalų) pasaulyje yra saugojimas.

Kai 1 g riebalų visiškai oksiduojasi (iki anglies dioksido ir vandens), išsiskiria apie 9 kcal energijos. (1 kcal = 1000 cal; kalorija (cal) yra išorinis darbo ir energijos kiekio vienetas, lygus šilumos kiekiui, kurio reikia 1 ml vandens pašildymui 1 °C esant standartiniam atmosferos slėgiui 101,325 kPa; 1 kcal = 4,19 kJ) . Oksiduojant (kūne) 1 g baltymų ar angliavandenių išsiskiria tik apie 4 kcal/g. Įvairiuose vandens organizmuose – nuo ​​vienaląsčių diatomų iki ryklių – riebalai „plauks“, sumažindami vidutinį kūno tankį. Gyvūninių riebalų tankis yra apie 0,91–0,95 g/cm³. Stuburinių gyvūnų kaulinio audinio tankis yra artimas 1,7–1,8 g/cm³, o daugumos kitų audinių vidutinis tankis yra artimas 1 g/cm³. Akivaizdu, kad norint „subalansuoti“ sunkų skeletą, reikia nemažai riebalų.

Riebalai ir lipidai taip pat atlieka konstravimo funkciją: jie yra ląstelių membranų dalis. Dėl prasto šilumos laidumo riebalai gali atlikti apsauginę funkciją. Kai kuriems gyvūnams (ruoniams, banginiams) jis nusėda poodiniame riebaliniame audinyje, sudarydamas iki 1 m storio sluoksnį. Kai kurių lipoidų susidarymas vyksta prieš daugelio hormonų sintezę. Vadinasi, šios medžiagos atlieka ir medžiagų apykaitos procesų reguliavimo funkciją.