Углерод — входит в состав всех органических веществ; скелет из атомов углерода составляет их основу. Кроме того, в виде CO2 фиксируется в процессе фотосинтеза и выделяется в ходе дыхания, в виде CO (в низких концентрациях) участвует в регуляции клеточных функций, в виде CaCO3 входит в состав минеральных скелетов.
Кислород — входит в состав практически всех органических веществ клетки. Образуется в ходе фотосинтеза при фотолизе воды. Для аэробных организмов служит окислителем в ходе клеточного дыхания, обеспечивая клетки энергией. В наибольших количествах в живых клетках содержится в составе воды.
Водород — входит в состав всех органических веществ клетки. В наибольших количествах содержится в составе воды. Некоторые бактерии окисляют молекулярный водород для получения энергии.
Азот — входит в состав белков, нуклеиновых кислот и их мономеров — аминокислот и нуклеотидов. Из организма животных выводится в составе аммиака, мочевины, гуанина или мочевой кислоты как конечный продукт азотного обмена. В виде оксида азота NO (в низких концентрациях) участвует в регуляции кровяного давления.
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.
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).
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 посредников, регулируя важнейшие внутриклеточные процессы (в том числе участвует в поддержании мембранного потенциала, необходим для мышечного сокращения и экзоцитоза). Нерастворимые соли кальция участвуют в формировании костей и зубов позвоночных и минеральных скелетов беспозвоночных.
Натрий — участвует в поддержании мембранного потенциала, генерации нервного импульса, процессы осморегуляции (в том числе работу почек у человека) и создание буферной системы крови.
Калий — участвует в поддержании мембранного потенциала, генерации нервного импульса, регуляции сокращения сердечной мышцы. Содержится в межклеточных веществах.
Хлор — поддерживает электронейтральность клетки.
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.
Цинк — входит в состав ферментов, участвующих в спиртовом брожении, в состав инсулина
Медь — входит в состав окислительных ферментов, участвующих в синтезе цитохромов.
Неорганические вещества содержатся в клетке не только в растворенном, но и в твердом состоянии. В частности, прочность и твердость костной ткани обеспечиваются фосфатом кальция, а раковин моллюсков - карбонатом кальция.
Углеводы. В состав углеводов входят атомы углерода, кислорода, водорода. Различают простые и сложные углеводы. Простые - моносахариды. Сложные - полимеры, мономерами которых являются моносахариды (олигосахариды и полисахариды). С увеличением числа мономерных звеньев растворимость полисахаридов уменьшается, сладкий вкус исчезает. Биологическая роль углеводов – источник энергии.
Моносахариды - это твердые бесцветные кристаллические вещества, которые хорошо растворяются в воде и очень плохо (или совсем не) растворяются в органических растворителях. Среди моносахаридов различают триозы, тетрозы, пентозы и гексозы. Среди олигосахаридов наиболее распространенными являются дисахариды (мальтоза, лактоза, сахароза). Полисахариды наиболее часто встречаются в природе (целлюлоза, крахмал, хитин, гликоген). Их мономерами являются молекулы глюкозы. В воде растворяются частично, набухая образуют коллоидные растворы.
Белки - непериодические полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. В состав всех белков входят атомы углерода, водорода, кислорода, азота. Во многие белки, кроме того, входят атомы серы. Есть белки, в состав которых входят также атомы металлов - железа, цинка, меди. Наличие кислотной и основной групп обусловливает высокую реактивность аминокислот. Из аминогруппы одной аминокислоты и карбоксила другой выделяется молекула воды, а освободившиеся электроны образуют пептидную связь: CO-NN, поэтому белки называют полипептидами. Молекулы белков - макромолекулы. Известно много аминокислот. Но в качестве мономеров любых природных белков - животных, растительных, микробных, вирусных - известно только 20 аминокислот.
Двадцать аминокислот, входящих в состав природных белков
| Аминокислота | Сокращенное название | Аминокислота | Сокращенное название |
АланинАргинин Аспарагин Аспарагиновая кислота Валин Гистидин Глицин Глутамин Глутаминовая кислота Изолейцин | Ала Арг Асн Асп Вал Гис Гли Глн Глу Иле | Лейцин Лизин Метионин Пролин Серин Тирозин Треонин Триптофан Фенилаланин Цистеин | Лей Лиз Мет Про Сер Тир Тре Три Фен Цис |
В строении молекул белков различают 4 уровня организации:
Первичная структура - полипептидная цепь из аминокислот, связанных в определенной последовательности ковалентными пептидными связями;
Вторичная структура - полипептидная цепь в виде спирали. Между пептидными связями соседних витков и другими атомами возникают многочисленные водородные связи, обеспечивающие прочную структуру;
Третичная структура - специфическая для каждого белка конфигурация - глобула. Удерживается малопрочными гидрофобными связями или силами сцепления между неполярными радикалами, которые встречаются у многих аминокислот.
Четвертичная структура возникает при соединении нескольких макромолекул, образующих агрегаты. Так, гемоглобин крови человека представляет агрегат из четырех макромолекул.
Нарушение природной структуры белка называют денатурацией. Она возникает под воздействием высокой температуры, химических веществ, лучистой энергии и др. факторов.
Роль белка в жизни клеток и организмов:
· Строительная (структурная) - белки - строительный материал организма (оболочки, мембраны, органоиды, ткани, органы);
· Каталитическая функция - ферменты, ускоряющие реакции в сотни миллионов раз;
· Опорно-двигательная функция - белки, входящие в состав костей скелета, сухожилий; движение жгутиковых, инфузорий, сокращение мышц;
· Транспортная функция - гемоглобин крови;
· Защитная - антитела крови обезвреживают чужеродные вещества;
· Энергетическая функция - при расщеплении белков 1 г освобождает 17,6 кДж энергии;
· Регуляторная и гормональная - белки входят в состав многих гормонов и принимают участие в регуляции жизненных процессов организма;
· Рецепторная - белки осуществляют процесс избирательного узнавания отдельных веществ и их присоединение к молекулам.
Ферменты - белки и биополимеры. Синтезируются в рибосомах. Бывают двух типов: однокомпонентные (состоят только из белка) и двухкомпонентные (из белка и небелкового компонента неорганического [металла] и органического [витамина]).
Почти каждая химическая реакция в клетке катализируется особым ферментом. Обязательным этапом в катализируемой реакции является взаимодействие фермента с веществом, превращение которого он катализирует - с субстратом. Образуется фермент - субстратный комплекс. Активный центр - это участок белковой молекулы, который обеспечивает соединение фермента с субстратом и дает возможность для дальнейших превращений субстрата (это или функциональная группа, или отдельная аминокислота). Фермент ориентирует функциональные группы, входящие в активный центр, чтобы проявилась наибольшая каталитическая активность. Ферменты участвуют в синтезе белка, ДНК и РНК. Они содержатся в слюне, в желудочном соке, в каждой клетке.