Биоэлементы

Молекула воды состоит из атома О, связанного с двумя атомами Н полярными ковалентными связями. Характерное расположение электронов в молекуле воды придает ей электрическую асимметрию. Более электроотрицательный атом кислорода притягивает электроны атомов водорода сильнее, в результате общие пары электронов смещены в молекуле воды в его сторону.
Поэтому, хотя молекула воды в целом не заряжена, каждый из двух атомов водорода обладает частично положительным зарядом (обозначаемым δ+), а атом кислорода несет частично отрицательный заряд (2δ-). Молекула воды поляризована и является диполем (имеет два полюса).
Химические соединения клетки. Вода

Полярные свойства воды:

Частично отрицательный заряд атома кислорода одной молекулы воды притягивается частично положительными атомами водорода других молекул. Таким образом, каждая молекула воды стремится связаться водородными связями с четырьмя соседними молекулами воды.
Вода является хорошим растворителем. Благодаря полярности молекул и способности образовывать водородные связи вода легко растворяет ионные соединения (соли, кислоты, основания). Хорошо растворяются в воде и некоторые неионные, но полярные соединения, т. е. в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы, например сахара, простые спирты, аминокислоты. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными (от греч. hygros – влажный и philia – дружба, склонность).
Химические соединения клетки. Вода

Химические соединения клетки. Вода

Вещества, плохо или вовсе нерастворимые в воде, называются гидрофобными (от греч. phobos – страх). К ним относятся жиры, некоторые белки. Такие вещества могут образовывать с водой поверхности раздела, на которых протекают многие химические реакции.
Следовательно, тот факт, что вода не растворяет неполярные вещества, для живых организмов также очень важен. К числу важных в физиологическом отношении свойств воды относится ее способность растворять газы (О2, СО2 и др.).
Химические соединения клетки. Вода

Вода обладает высокой теплоемкостью, т. е. способностью поглощать тепловую энергию при минимальном повышении собственной температуры. Большая теплоемкость воды защищает ткани организма от быстрого и сильного повышения температуры.
Вода обладает также высокой теплопроводностью, обеспечивая равномерное распределение тепла по всему организму. Следовательно, высокая удельная теплоемкость и высокая теплопроводность делают воду идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия клетки и организма.
Вода практически не сжимается, создавая тургорное давление, определяя объем и упругость клеток и тканей. Так, именно гидростатический скелет поддерживает форму у круглых червей, медуз и других организмов.
Химические соединения клетки. Вода

Плотность воды в твердом состоянии меньше чем в жидком, благодаря этому лед образуется на поверхности воды. Максимальная плотность воды при +4 С˚.
Химические соединения клетки. Вода

Важнейшие катионы
К+, Na+, Ca2+ и др.
Данные катионы обеспечивают возбудимость клетки и проведение нервного импульса.
На внешней поверхности мембраны всегда больше Na+ чем на внутренней, и меньше К+, чем на внутренней
Химические соединения клетки. Соли

Важнейшие анионы: Н2РО4-, НРО42-, НСО3-, Сl-
Буферность – способность поддерживать рН на определенном уровне. Величина рН, равная 7,0 соответствует нейтральному, ниже 7,0 – кислому, выше 7,0 – щелочному раствору. В клетке рН = 7,4.
Химические соединения клетки. Соли

Буферность клетки:
способность поддерживать стабильный уровень рН несмотря на привнесение небольшого количества кислот или щелочей. Обычно в клетке поддерживается слабощелочная среда.
Обеспечивается в основном анионами слабых кислот.

Органические вещества, входящие в состав клетки
Chapter 2

Полимеры
Полиме́ры - вещества, состоящие из «мономерных звеньев», соединённых в макромолекулы. Полимер — это высокомолекулярное соединение: количество мономерных звеньев в полимере (степень полимеризации) должно быть достаточно велико. Во многих случаях количество звеньев может считаться достаточным, чтобы отнести молекулу к полимерам, если при добавлении очередного мономерного звена молекулярные свойства не изменяются. Как правило, полимеры — вещества с молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольких миллионов.

Углеводы
Липиды
Пептиды (в т.ч. Белки)
Нуклеиновые кислоты

Углеводы
Органические вещества, содержащие углерод, водород и кислород в примерном соотношении 1C:2H:1O
Важный источник питательных веществ и способ их запасать, компоненты нуклеиновых кислот и клеточной стенки.

Углеводы

Липиды
Жироподобные органические вещества, не растворимые в воде.
Важный источник энергии и способ запасать ее, компоненты клеточной мембраны, участники клеточного транспорта и сигнализации, предшественники многих гормонов и других важных веществ,

Основные типы липидов:
Нейтральные жиры (жиры и масла - твердые и жидкие при комнатной температуре)
Воски
Фосфолипиды
Гликолипиды
Стероиды

Образование триглицеридов - нейтральных жиров (как правило из насыщенных жирных кислот – жиров, а из ненасыщенных жирных кислот - масел)

Фосфолипиды
Подобны триглицеридам, но одна из жирных кислот замещена фосфатной группой
Конец с фосфатной группой гидрофильный.
Жирные
кислоты
гидрофобны.

Стероиды
Стероиды – сложные циклические молекулы
Встречаются у растений и животных
Примеры

Пептиды, в том числе Белки
Высокомолекулярные органические соединения, состоящие из аминокислотных субъединиц
Аминокислотные остатки соединены пептидными связями
Порядок и состав аминокислот определяет структуру и функции белка

Строение аминокислот

Пептидная связь

Структура белков
Первичная Вторичная Третичная Четвертичная

Примеры вторичной структуры белков
Вторичная структура (наиболее распространенные варианты): А - α-спираль, Б - β-структура (β-слои, β-складки)

Денатурация белка – разрушение пространственной структуры белка (четвертичной, третичной, вторичной) при внешнем воздействии (например повышении температуры, воздействия химических агентов или радиации)
Иногда денатурация белка может быть обратима – тогда после устранения воздействия возможна так называемая ренатурация (обратная сборка пространственной структуры).

Белки являются амфотерными соединениями, сочетают в себе основные и кислотные свойства, определяемые радикалами аминокислот. Различают кислые, основные и нейтральные белки. Способность отдавать и присоединять Н+ определяют буферные свойства белков, один из самых мощных буферов — гемоглобин в эритроцитах, поддерживающий рН крови на постоянном уровне.
Есть белки растворимые, есть нерастворимые белки, выполняющие механические функции (фибрин, кератин, коллаген).
Есть белки необычайно химически активные (ферменты), есть химически неактивные.
Есть устойчивые к воздействию различных условий внешней среды и крайне неустойчивые. Внешние факторы (изменение температуры, солевого состава среды, рН, радиация) могут вызывать нарушение структурной организации молекулы белка (разрушение трехмерной конформации – денатурацию.Разрушение первичной структуры белковой молекулы называется деградацией.
1. Свойства белков

Благодаря сложности, разнообразию форм и состава, белки играют важную роль в жизнедеятельности клетки и организма в целом.
Одна из важнейших — строительная. Белки участвуют в образовании клеточных и внеклеточных структур: входят в состав клеточных мембран, шерсти, волос, сухожилий, стенок сосудов и т.д. Коллаген, эластин, кератин.
2. Функции белков

2. Транспортная.
А) Некоторые белки способны присоединять различные вещества и переносить их к различным тканям и органам тела, из одного места клетки в другое.
Например, белок крови гемоглобин транспортирует О2 и СО2 у позвоночных, гемоцианин – у некоторых беспозвоночных
Б) в состав клеточных мембран входят особые белки, обеспечивают активный и строго избирательный перенос некоторых веществ и ионов из клетки во внешнюю среду и обратно.
Калий-натриевая АТФ-аза создает градиент для проведения нервного импульса.
2. Функции белков

3. Регуляторная. Большая группа белков организма принимает участие в регуляции процессов обмена веществ. Такими белками являются гормоны — биологически активные вещества, выделяющиеся в кровь железами внутренней секреции (гормоны гипофиза, поджелудочной железы).
Например, гормон инсулин регулирует уровень сахара в крови путем повышения проницаемости клеточных мембран для глюкозы, способствует синтезу гликогена.
4. Защитная. В ответ на проникновение в организм чужеродных белков или микроорганизмов (антигенов) образуются особые белки — антитела, способные связывать и обезвреживать их. Фибрин, образующийся из фибриногена, способствует остановке кровотечений.
2. Функции белков

5. Двигательная. Особые сократительные белки (например, актин и миозин) участвуют во всех видах движения клетки и организма: образовании псевдоподий, мерцании ресничек и биении жгутиков у простейших, сокращении мышц у многоклеточных животных, движении листьев у растений и др.
2. Функции белков

6. Весьма важна для жизни клетки сигнальная и рецепторная функция белков. В поверхностную мембрану клетки встроены молекулы белков, способных изменять свою третичную структуру в ответ на действие факторов внешней среды. Так происходит прием сигналов из внешней среды и передача команд в клетку.
Рецептор света—родопсин, никотиновый холинорецептор, рецепторы гормонов.
2. Функции белков

7. Запасающая. Благодаря белкам в организме могут откладываться про запас некоторые вещества. Например, при распаде гемоглобина железо не выводится из организма, а сохраняется в организме, образуя комплекс с белком ферритином. К запасным белкам относятся белки яйца, белки молока – альбумин, казеин.
2. Функции белков

8. Каталитическая. Одна из важнейших функций белков. Скорость ферментативных реакций в десятки тысяч (а иногда и в миллионы раз) выше скорости реакций, идущих с участием неорганических катализаторов.
Например, пероксид водорода без катализаторов разлагается медленно: 2Н202 → 2Н20 + 02. В присутствии солей железа (катализатора) эта реакция идет несколько быстрее. Фермент каталаза за 1 сек. расщепляет до 100 тыс. молекул Н202.
Масса фермента гораздо больше массы субстрата, та часть молекулы фермента, которая взаимодействует с молекулой субстрата получила название – активный центр фермента.
2. Функции белков