У тваринних клітинах переважають речовини. Основні органічні речовини, що входять до складу клітини. Клітинна будова організмів, подібність будови клітин всіх організмів - основа єдності органічного світу, докази спорідненості живої природи
Органічні речовини у клітиніВони становлять 20-30% маси клітини. До них відносяться біополімери – білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи, жири, АТФ тощо. У різні типи клітин входять неоднакова кількість органічних сполук. У рослинних клітинах переважають складні вуглеводи, тварин – білки та жири. Тим не менш, кожна група органічних речовин у будь-якому типі клітин виконує функції: забезпечення енергією, є будівельним матеріалом, несе інформацію і т.д. Білки.Серед органічних речовин клітини, білки займають перше місце за кількістю та за значенням. У тварин ними припадає 50% сухої маси клітини. В організмі людини зустрічається безліч типів молекул білків, що відрізняються один від одного і від білків інших організмів. Незважаючи на величезну різноманітність і складність будови, білки побудовані з 20 амінокислот: 
Пептидна зв'язок:
Об'єднуючись, молекули утворюють: дипептид, трипептид чи полипептид. Це з'єднання 20 і більше амінокислот. Порядок перетворення амінокислот у молекулі найрізноманітніший. Це дозволяє існування 
варіантів, які відрізняються вимогою та властивостями молекул білка. Послідовність амінокислот у молекулі називається структурою. Первинна – лінійна. Вторинна – спіральна. Третинна – глобули. Четвертична - об'єднання глобул (гемоглобін). Втрата молекулою структурної організації називається денатурацією. Вона викликається зміною температури, РН, опроміненням. При незначному вплив молекула може відновлювати свої властивості. Це використовується у медицині (антибіотики). Функції білків у клітині різноманітні. Найважливіша – будівельна. Білки беруть участь у освіті всіх клітинних мембран в органоїдах. Винятково важливою є каталітична функція – всі ферменти – це білки. Двигуну функцію забезпечують скоротливі білки. Транспортна – полягає у приєднанні хімічних елементів та перенесенні їх до тканин. Захисна функція забезпечується спеціальними білками - антитілами, що утворюються в лейкоцитах. Білки є джерелом енергії – при повному розщепленні 1г білка виділяється 11,6 кДж. Вуглеводи.Це сполуки вуглецю водню та кисню. Представлені цукром. У клітині міститься до 5%. Найбільш багаті – рослинні клітини – до 90% маси (картопля, рис). Вони поділяються на прості та складні. Прості - моноцукору (глюкоза) З 6 Н 12 Про 6, виноградний цукор, фруктоза. Дисахара – (сахароза) З ]2 Н 22 Про 11 буряковий і очеретяний цукор. Полисахара (целюлоза, крохмаль) (C 6 H 10 O 5)n. Вуглеводи виконують в основному будівельну та енергетичну функції. При окисненні 1г вуглеводу виділяється 17,6 кДж. Крохмаль і глікоген є енергетичним запасом клітини. Ліпіди.Це жири та жироподібні речовини в клітині. Є складними ефірами гліцерину і високомолекулярних насичених і ненасичених кислот. Можуть бути твердими та рідкими – олії. У рослин містяться в насінні, від 5-15% сухої речовини. Основна функція – енергетична – при розщепленні 1г жиру виділяється 38,9 кДж. Жири - це запаси поживних речовин. Жири виконують будівельну функцію, є гарним утеплювачем. Нуклеїнові кислоти.Це складні органічні сполуки. Складаються з, Н 2 ,О 2 ,N 2 , P. Містяться в ядрах і цитоплазмі. 
а) ДНК – біологічний полінуклеотид, що складається із двох ланцюгів нуклеотидів. Нуклеотиди – складаються з 4-х азотистих основ: 2-х пуринів – Аденіна та Валіна, 2-х піримедів Цитозину та Гуаніну, а також цукру – дезоксирибози та залишку фосфорної кислоти. У кожному ланцюзі нуклеотиди з'єднані ковалентними зв'язками. Ланцюги нуклеотидів утворюють спіралі. Спіраль ДНК, упакована білками, утворює структуру – хромосому. б) РНК – це полімер, мономерами якого є нуклеотиди, близькі ДНК, азотисті основи – А, Р, Ц. Замість тиміну є Урація. Вуглеводом РНК є рибоза, є залишок фосфорної кислоти.
Дволанцюгові РНК – носії генетичної інформації. Одноланцюгові – переносять інформацію про послідовність амінокислот у білку. Існує кілька одноланцюжкових РНК: - рибосомна – 3-5 тис.нуклеотидів; - інформаційна – 300-30000 нуклеотидів; - Транспортна – 76-85 нуклеотидів. Синтез білка складає рибосомах за участю всіх видів РНК.
Контрольні питання
1. Клітина – організм чи його частина? 2. Елементарний склад клітин. 3. Вода та мінеральні речовини. 4. Органічні речовини клітини. 5. Білки. 6. Вуглеводи, жири. 7. ДНК. 8. РНК.
Тема 2.2 Будова та функції клітини
Контрольні питання
1. Що розуміють під рівнем організації клітини? 2. Характеристика прокаріотів та еукаріотів. 3. Будова прокаріотів. 4. Морфологія прокаріотів. 5. Будова еукаріотів. 6. Будова та функції ядра. 7. Каріотип та його особливості. 8. Будова та функції ядерця. Тема 2.2.1 Комплекс Гольджі, лізосоми, мітохондрії,
рибосоми, клітинний центр; органоїди руху
Цитоплазма– це внутрішнє напіврідке середовище клітини, в якому протікають усі біохімічні процеси. Вона містить структури – органоїди та здійснює зв'язок між ними. Органоїди мають закономірні особливості будови та поведінки у різні періоди життєдіяльності клітини та виконують певні функції. Є органоїди властиві всім клітинам - мітохондрії, клітинний центр, апарат Гольджі, рибосоми, ЕПС, лізосоми. Органоїди руху – джгутики та вії характерні для одноклітинних організмів. У цитоплазмі відкладаються різні речовини – включення. Це постійні структури, що виникають у процесі життєдіяльності. Щільні включення – це гранули, рідкі – вакуолі. Їхні розміри обумовлені життєдіяльністю клітин. В основі структурної організації клітин лежить мембранний принцип будови. Це означає, що клітина переважно побудована з мембран. Усі мембрани мають схожу будову. Прийнятою вважається модель рідинно-мозаїчної будови: мембрана утворена двома рядами ліпідів, які на різну глибину занурені молекули білків. Зовнішня цитоплазматична мембранаВона є у всіх клітин та відокремлює цитоплазму від зовнішнього середовища, утворюючи поверхню клітини. Поверхня клітини неоднорідна, її фізіологічні властивості різні. Клітина має високу міцність і еластичність. У цитоплазматичної мембрані є пори, якими відбувається перехід молекул речовин. Надходження речовин у клітину – це процес, що йде з витратою енергії. Клітинна мембрана має властивість напівпроникності. Механізмом забезпечує напівпроникність є осмос. Крім осмосу, хімічні речовини та тверді тіла можуть проникати в клітину за рахунок випинання – це піноцетоз та фагоцитоз. Цитоплазматична мембрана також забезпечує зв'язок між клітинами в тканинах багатоклітинних організмів рахунок численних складок і виростів.Крім характерних для прокаріотів і еукаріотів особливостей, клітини рослин, тварин, грибів і бактерій мають ще цілу низку особливостей. Так, клітини рослин містять специфічні органоїди. хлоропласти, які зумовлюють їхню здатність до фотосинтезу, тоді як в інших організмів ці органоїди не зустрічаються. Безумовно, це не означає, що інші організми не здатні до фотосинтезу, оскільки, наприклад, у бактерій він протікає на вп'ячування плазмалеми та окремих мембранних бульбашках у цитоплазмі.
Рослинні клітини зазвичай містять великі вакуолі, заповнені клітинним соком. У клітинах тварин, грибів та бактерій вони також зустрічаються, але мають зовсім інше походження та виконують інші функції. Основною запасною речовиною, що зустрічається у вигляді твердих включень, рослин є крохмаль, у тварин і грибів - глікоген, а у бактерій - глікоген або волютин.
Ще однією відмітною ознакою цих груп організмів є організація поверхневого апарату: у клітин тварин організмів клітинна стінка відсутня, їх плазматична мембрана покрита лише тонким гликокаликсом, тоді як в інших вона є. Це цілком зрозуміло, оскільки спосіб харчування тварин пов'язаний із захопленням харчових частинок у процесі фагоцитозу, а наявність клітинної стінки позбавило б їх даної можливості. Хімічна природа речовини, що входить до складу клітинної стінки, неоднакова у різних груп живих організмів: якщо у рослин це целюлоза, то у грибів – хітин, а у бактерій – муреїн. Порівняльна характеристика будови клітин рослин, тварин, грибів та бактерій
| Ознака | Бактерії | Тварини | Гриби | Рослини |
| Спосіб харчування | Гетеротрофний чи автотрофний | Гетеротрофний | Гетеротрофний | Автотрофний |
| Організація спадкової інформації | Прокаріоти | Еукаріоти | Еукаріоти | Еукаріоти |
| Локалізація ДНК | Нуклеоїд, плазміди | Ядро, мітохондрії | Ядро, мітохондрії | Ядро, мітохондрії, пластиди |
| Плазматична мембрана | Є | Є | Є | Є |
| Клітинна стінка | Муреїнова | - | Хітінова | Целюлозна |
| Цитоплазма | Є | Є | Є | Є |
| Органоїди | Рибосоми | Мембранні та немембранні, у тому числі клітинний центр | Мембранні та немембранні | Мембранні та немембранні, у тому числі пластиди |
| Органоїди руху | Джгутики та ворсинки | Джгутики та вії | Джгутики та вії | Джгутики та вії |
| Вакуолі | Рідко | Скорочувальні, травні | Іноді | Центральна вакуоля з клітинним соком |
| Увімкнення | Глікоген, волютин | Глікоген | Глікоген | Крохмаль |
Відмінності у будові клітин представників різних царств живої природи наведено малюнку.
Хімічний склад клітини. Макро- та мікроелементи. Взаємозв'язок будови та функцій неорганічних та органічних речовин (білків, нуклеїнових кислот, вуглеводів, ліпідів, АТФ), що входять до складу клітини. Роль хімічних речовин у клітині та організмі людини
Хімічний склад клітини
У складі живих організмів виявлено більшість хімічних елементів Періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва, відкритих до теперішнього часу. З одного боку, в них не міститься жодного елемента, якого не було б у неживій природі, а з іншого боку, їх концентрації у тілах неживої природи та живих організмах суттєво різняться.
Ці хімічні елементи утворюють неорганічні та органічні речовини. Незважаючи на те, що в живих організмах переважають неорганічні речовини, саме органічні речовини визначають унікальність їхнього хімічного складу та феномена життя в цілому, оскільки вони синтезуються переважно організмами у процесі життєдіяльності та відіграють у реакціях найважливішу роль.
Вивченням хімічного складу організмів та хімічних реакцій, що протікають у них, займається наука біохімія.
Слід зазначити, що вміст хімічних речовин у різних клітинах та тканинах може суттєво різнитися. Наприклад, якщо у тварин клітинах серед органічних сполук переважають білки, то клітинах рослин - вуглеводи.
| Хімічний елемент | Земна кора | Морська вода | Живі організми |
| O | 49.2 | 85.8 | 65–75 |
| C | 0.4 | 0.0035 | 15–18 |
| H | 1.0 | 10.67 | 8–10 |
| N | 0.04 | 0.37 | 1.5–3.0 |
| P | 0.1 | 0.003 | 0.20–1.0 |
| S | 0.15 | 0.09 | 0.15–0.2 |
| K | 2.35 | 0.04 | 0.15–0.4 |
| Ca | 3.25 | 0.05 | 0.04–2.0 |
| Cl | 0.2 | 0.06 | 0.05–0.1 |
| Mg | 2.35 | 0.14 | 0.02–0.03 |
| Na | 2.4 | 1.14 | 0.02–0.03 |
| Fe | 4.2 | 0.00015 | 0.01–0.015 |
| Zn | < 0.01 | 0.00015 | 0.0003 |
| Cu | < 0.01 | < 0.00001 | 0.0002 |
| I | < 0.01 | 0.000015 | 0.0001 |
| F | 0.1 | 2.07 | 0.0001 |
Макро- та мікроелементи
У живих організмах зустрічається близько 80 хімічних елементів, однак лише для 27 з цих елементів встановлені їх функції у клітині та організмі. Інші елементи присутні у незначних кількостях, і, мабуть, потрапляють в організм із їжею, водою та повітрям. Зміст хімічних елементів у організмі значно відрізняється. Залежно від концентрації їх ділять на макроелементи та мікроелементи.
Концентрація кожного з макроелементівв організмі перевищує 0,01%, а їхній сумарний вміст - 99%. До макроелементів відносять кисень, вуглець, водень, азот, фосфор, сірку, калій, кальцій, натрій, хлор, магній та залізо. Перші чотири з перерахованих елементів (кисень, вуглець, водень та азот) називають також органогеннимиоскільки вони входять до складу основних органічних сполук. Фосфор і сірка також є компонентами ряду органічних речовин, наприклад, білків і нуклеїнових кислот. Фосфор необхідний формування кісток і зубів.
Без макроелементів, що залишилися, неможливе нормальне функціонування організму. Так, калій, натрій та хлор беруть участь у процесах збудження клітин. Калій також необхідний роботи багатьох ферментів і утримання води у клітині. Кальцій входить до складу клітинних стінок рослин, кісток, зубів і раковин молюсків і потрібно скорочення м'язових клітин, і навіть для внутрішньоклітинного руху. Магній є компонентом хлорофілу - пігменту, що забезпечує протікання фотосинтезу. Він також бере участь у біосинтезі білка. Залізо, крім того, що воно входить до складу гемоглобіну, що переносить кисень у крові, необхідне протікання процесів дихання і фотосинтезу, і навіть функціонування багатьох ферментів.
Мікроелементимістяться в організмі в концентраціях менше 0,01%, а їхня сумарна концентрація в клітині не досягає і 0,1%. До мікроелементів належать цинк, мідь, марганець, кобальт, йод, фтор та ін. Цинк входить до складу молекули гормону підшлункової залози – інсуліну, мідь потрібна для процесів фотосинтезу та дихання. Кобальт є компонентом вітаміну В12, відсутність якого призводить до анемії. Йод необхідний синтезу гормонів щитовидної залози, які забезпечують нормальне протікання обміну речовин, а фтор пов'язані з формуванням емалі зубів.
Як недолік, і надлишок чи порушення обміну макро- і мікроелементів призводять до розвитку різних захворювань. Зокрема, недолік кальцію та фосфору викликає рахіт, брак азоту – тяжку білкову недостатність, дефіцит заліза – анемію, а відсутність йоду – порушення утворення гормонів щитовидної залози та зниження інтенсивності обміну речовин. Зменшення надходження фтору з водою та їжею значною мірою обумовлює порушення оновлення емалі зубів і, як наслідок, схильність до карієсу. Свинець токсичний майже всім організмів. Його надлишок викликає незворотні ушкодження головного мозку та центральної нервової системи, що проявляється втратою зору та слуху, безсонням, нирковою недостатністю, судомами, а також може призвести до паралічу та такого захворювання, як рак. Гостре отруєння свинцем супроводжується раптовими галюцинаціями та закінчується комою та смертю.
Нестачу макро- та мікроелементів можна компенсувати шляхом збільшення їх вмісту в їжі та питній воді, а також за рахунок прийому лікарських препаратів. Так, йод міститься в морепродуктах та йодованій солі, кальцій – у яєчній шкаралупі тощо.
Взаємозв'язок будови та функцій неорганічних та органічних речовин (білків, нуклеїнових кислот, вуглеводів, ліпідів, АТФ), що входять до складу клітини. Роль хімічних речовин у клітині та організмі людини
Неорганічні речовини
Хімічні елементи клітини утворюють різні сполуки - неорганічні та органічні. До неорганічних речовин клітини відносяться вода, мінеральні солі, кислоти та ін, а до органічних - білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи, ліпіди, АТФ, вітаміни та ін.
Вода(Н 2 О) - найбільш поширена неорганічна речовина клітини, що має унікальні фізико-хімічні властивості. Вона не має ні смаку, ні кольору, ні запаху. Щільність та в'язкість всіх речовин оцінюється по воді. Як і багато інших речовин, вода може перебувати в трьох агрегатних станах: твердому (лід), рідкому та газоподібному (пар). Температура плавлення води – 0°С, температура кипіння – 100°С, проте розчинення у воді інших речовин може змінювати ці характеристики. Теплоємність води також досить велика - 4200 кДж/моль К, що дає їй можливість брати участь у процесах терморегуляції. У молекулі води атоми водню розташовані під кутом 105°, причому загальні електронні пари відтягуються більш електронегативним атомом кисню. Це зумовлює дипольні властивості молекул води (один їх кінець заряджений позитивно, а інший негативно) і можливість утворення між молекулами води водневих зв'язків. Зчеплення молекул води лежить в основі явища поверхневого натягу, капілярності та властивостей води як універсального розчинника. Внаслідок цього всі речовини поділяються на розчинні у воді (гідрофільні) та нерозчинні у ній (гідрофобні). Завдяки цим унікальним властивостям зумовлено те, що вода стала основою життя Землі.
Середній вміст води в клітинах організму неоднаковий і може змінюватися з віком. Так, у півторамісячного ембріона людини вміст води в клітинах досягає 97,5%, у восьмимісячного – 83%, у новонародженого знижується до 74%, а у дорослої людини становить у середньому 66%. Однак клітини організму відрізняються вмістом води. Так, у кістках міститься близько 20 % води, у печінці – 70 %, а у мозку – 86 %. Загалом можна сказати, що концентрація води в клітинах прямо пропорційна інтенсивності обміну речовин.
Мінеральні соліможуть перебувати у розчиненому чи нерозчиненому станах. Розчинні солідисоціюють на іони - катіони та аніони. Найбільш важливими катіонами є іони калію та натрію, що полегшують перенесення речовин через мембрану та беруть участь у виникненні та проведенні нервового імпульсу; а також іони кальцію, який бере участь у процесах скорочення м'язових волокон та зсіданні крові; магнію, що входить до складу хлорофілу; заліза, що входить до складу низки білків, у тому числі гемоглобіну. Найважливішими аніонами є фосфат-аніон, що входить до складу АТФ та нуклеїнових кислот, та залишок вугільної кислоти, що пом'якшує коливання рН середовища. Іони мінеральних солей забезпечують і проникнення самої води у клітину, і її утримання у ній. Якщо в середовищі концентрація солей нижче, ніж у клітині, вода проникає в клітину. Також іони визначають буферні властивості цитоплазми, тобто її здатність підтримувати сталість слаболужної рН цитоплазми, незважаючи на постійне утворення у клітині кислотних та лужних продуктів.
Нерозчинні солі(CaCO 3 , Ca 3 (PO 4) 2 та ін.) входять до складу кісток, зубів, раковин і панцирів одноклітинних та багатоклітинних тварин.
Крім того, в організмах можуть вироблятися інші неорганічні сполуки, наприклад кислоти і оксиди. Так, клітини обкладання шлунка людини виробляють соляну кислоту, яка активує травний фермент пепсин, а оксид кремнію просочує клітинні стінки хвощів і утворює панцирі діатомових водоростей. В останні роки досліджується також роль оксиду азоту (II) у передачі сигналів у клітинах та організмі.
Органічні речовини
Органічні сполуки становлять загалом 20-30 % маси клітини живого організму.
До них відносяться біологічні полімери:
- білки
Нуклеїнові кислоти
Вуглеводи
Ряд невеликих молекул - гормони, пігменти, амінокислоти, прості цукри, нуклеотиди і т.д.
Різні типи клітин відрізняються кількісним вмістом органічних сполук. Так, у рослинних клітинах переважають вуглеводи. Навпаки, білки у більшій кількості містяться у тваринній клітині, ніж у рослинній (40-50 % проти 20-35 %). Тим не менш, кожна з груп органічних речовин в клітині будь-якого типу виконує подібні функції.
Білки займають перше місце серед органічних речовин клітини як за кількістю, і за значенням.
Білки - це високомолекулярні полімерні сполуки, мономером яких є амінокислоти.
Ланцюги амінокислот називаються пептидами.
Білки – це пептиди, але більшої довжини (поліпептиди). Кордон між істинними білками та пептидами умовна: білками вважають пептиди, ланцюг яких містить понад 50 амінокислотних залишків (молекулярна маса білків від 5 тисяч дальтонів і вище).
Амінокислоти з'єднуються між собою пептидним зв'язком.
Пептидна зв'язок виникає при утворенні білків і пептидів внаслідок взаємодії аміногрупи (-NH2) однієї амінокислоти з карбоксильною групою (-СООН) іншої амінокислоти.
Схема пептидного зв'язку
Усього біохімікам відомо близько 200 різних природних амінокислот.20 амінокислот, що виявляються в білках, - це протеїногенні амінокислоти - тобто амінокислоти, з яких будуються білкові молекули. У людини зустрічається 5 млн. типів білкових молекул, відмінних як друг від друга, а й від білків інших організмів.
Чотири рівні структурної організації:
| третинна структура | характеризує просторове укладання молекул білка, якщо вона утворена одним поліпептидним ланцюгом. Визначено нековалентними взаємодіями між спіральними та /3-структурними ділянками поліпептидного ланцюга в сукупності із взаємодіями R-груп та функціональних груп кістяка молекули. Третинна структура має пряме відношення до форми молекул білка, яка може бути кулястою (глобулярною) або ниткоподібною (фібрилярною). Дисульфідні (S-S) зв'язки не визначають характер зсідання поліпептидного ланцюга, але стабілізують третинну структуру після завершення процесу згортання. Такі зв'язки утворюються спонтанно, коли відповідні-SH-групи виявляються поруч. | згортання спіралі в більш тісне утворення за рахунок додаткового «зшивання» слабкими зв'язками |
| Четвертична структура | характеризує просторове взаєморозташування субодиниць білка в тому випадку, якщо він складається з більш ніж одного поліпептидного ланцюга. |
Денатурація білка -порушення структурної організації білків (втрата структури, властивої даної білкової молекули) внаслідок зміни фізичних умов, зокрема зміна рН, температури чи обробка водними розчинами деяких неорганічних речовин.
При денатурації молекула розгортається та втрачає здатність виконувати свою звичайну біологічну функцію. Ця зміна може мати тимчасовий чи постійний характер, але амінокислотна послідовність у молекулі білка залишається незмінною.
Денатурований білок істотно відрізняється за своєю просторовою організацією від білка в природному (нативному) стані і позбавлений біологічної активності. Денатуруючі впливи тією чи іншою мірою руйнують нековалентну структуру нативного білка (вторинну, третинну та четвертинну). Деякі білки при незначних змінах структури не втрачають біологічної активності, інші навіть за незначних перебудов, які не фіксуються звичайними методами, повністю інактивуються.
Ренатурація білка -відновлення структури білка та його функціональної активності при відновленні нормальних умов середовища повністю.
Ця властивість білків повністю відновлювати втрачену структуру широко використовується в медичній та харчовій промисловості для приготування деяких медичних препаратів, наприклад антибіотиків, для отримання харчових концентратів, які тривалий час зберігають у висушеному вигляді свої поживні властивості, вакцин, сироваток, ферментів.
Функції білків
| будівельна (структурна) | білки беруть участь в утворенні всіх клітинних мембран та органоїдів клітини, а також позаклітинних структур. |
| каталітична | ферменти - речовини білкової природи, вони прискорюють хімічні реакції, що протікають у клітині, у десятки та сотні тисяч разів. |
| Двигуна | забезпечується спеціальними скорочувальними білками. Ці білки беруть участь у всіх видах руху, до яких здатні клітини та організми: утворення псевдоподій, мерехтіння вій і биття джгутиків у найпростіших, скорочення м'язів у багатоклітинних тварин, рух листя у рослин та ін. |
| Транспортна | полягає в приєднанні хімічних елементів (наприклад, кисню) або біологічно активних речовин (гормонів) та перенесенні їх до різних тканин та органів тіла. |
| захисна | При вступі до організму чужорідних білків чи мікроорганізмів у білих кров'яних тільцях - лейкоцитах - утворюються особливі білки - антитіла. Вони пов'язують та знешкоджують невластиві організму речовини (антигени) |
| енергетична | При повному розщепленні 1 г білка виділяється 17,6 кДж енергії |
Вуглеводи ( сахариди)
Органічні речовини із загальною формулою С n (Н 2 Про) m
У тваринній клітині вміст вуглеводів становить 1-2% (5%).
У рослинній клітині досягає 90% сухої маси (клубні картоплі, насіння тощо).
Класи вуглеводів
| олігосахариди | містять 2-10 моносахаридних залишків Найбільш важливі дисахариди- мальтоза, лактоза та сахароза. Мальтоза утворюється з крохмалю в його перетравлення, вона складається з двох залишків глюкози. Лактоза (молочний цукор), що міститься тільки в молоці, складається з глюкози та галактози. Сахароза (тростинний цукор) найбільш поширена в рослинах. До її складу входять глюкоза та фруктоза.  |
| полісахариди | містять більше 10 залишків мономеру крохмалю, глікогену, целюлози -глюкозу.  У глікогену має довжина менше гілочок - 11-18 залишків глюкози і більш розгалужений - через кожні 8-10 залишків. За рахунок цих особливостей глікоген компактніше укладений, що важливо для тваринної клітини. Целюлоза ферментами людини не перетравлюється. Але в товстому кишечнику під дією мікрофлоридо 75% її кількості гідролізується з утворенням целобіозу та глюкози. Глюкоза частково використовується самою мікрофлорою та окислюється до органічних кислот (масляної, молочної), що стимулюють перистальтику кишечника. Частково глюкоза може всмоктуватись у кров. Основна роль целюлози для людини:
|
Функції вуглеводів
Ліпіди.
Це нерозчинні у воді органічні речовини, які можна витягти з клітин органічними розчинниками (ефіром, хлороформом, бензолом). Їх поєднує лише одна властивість – гідрофобність
Ліпіди складаються з жирних кислот та спиртів. Зокрема, лдна молекула гліцерину (трихатомного спирту) і три молекули жирної кислоти утворюють одну молекулу ліпіду і три молекули води.
По відношенню до гідролізу в лужному середовищі всі ліпіди поділяють на великі групи: омилюваніі неомилювані.
Справжні ліпіди – складні ефіри жирних кислот та будь-якого спирту.
Жирні кислоти, що є компонентами ліпідів, у вільному вигляді у природі зустрічаються рідко.
Жирні кислоти, що входять до складу ліпідів, складаються з довгого ланцюга атомів вуглецю та водню, сполученого з карбоксильною групою (СООН). Саме вуглеводневі хвости молекул визначають багато властивостей ліпідів, у тому числі і нерозчинність їх у воді. Вуглеводневі хвости гідрофобні.
Найпоширеніші з ліпідів, що зустрічаються в природі, - нейтральні жири.Ці сполуки є ефірами жирних кислот і гліцерину СН 2 ОН-СНОН-СН 2 ОН. Одна, дві або три гідроксильні групи гліцерину можуть вступати в реакцію конденсації з жирною кислотою. Найчастіше в реакцію вступають усі три гідроксильні групи, утворюючи тригліцериди.
Тригліцериди прийнято ділити на жири та олії залежно від того, чи залишаються вони твердими при 20 0 С (жири) або мають при цій температурі рідку консистенцію (олії).
Функції жирів
Вміст жиру в клітині коливається в межах 5-15% маси сухої речовини. У клітинах жирової тканини кількість жиру зростає до 90%. В організмі тварин, що впадають у сплячку, накопичується надлишок жиру, у хребетних тварин жир відкладається ще й під шкірою – у так званій підшкірній клітковині, де він служить для теплоізоляції. Одним із продуктів окислення жирів є вода. Ця метаболічна вода є дуже важливою для мешканців пустель. Так, жир, яким заповнений горб верблюда, служить насамперед не джерелом енергії, а джерелом води.
Широко представлені у тваринному та рослинному світі стероїди. Вони виконують ряд важливих біохімічних та фізіологічних функцій – це жовчні кислоти та їх солі, статеві гормони, вітамін D, холестерол, гормони кори надниркових залоз тощо.
Вони становлять 20-30% маси клітини. До них відносяться біополімери – білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи, жири, АТФ тощо.
У різні типи клітин входять неоднакова кількість органічних сполук. У рослинних клітинах переважають складні вуглеводи, тварин – білки та жири. Тим не менш, кожна група органічних речовин у будь-якому типі клітин виконує функції: забезпечення енергією, є будівельним матеріалом, несе інформацію і т.д.
Білки.Серед органічних речовин клітини, білки займають перше місце за кількістю та за значенням. У тварин ними припадає 50% сухої маси клітини.
В організмі людини зустрічається безліч типів молекул білків, що відрізняються один від одного та від білків інших організмів.
 |
Пептидна зв'язок:
Об'єднуючись, молекули утворюють: дипептид, трипептид чи полипептид. Це з'єднання 20 і більше амінокислот. Порядок перетворення амінокислот у молекулі найрізноманітніший. Це дозволяє існування варіантів, що відрізняються вимогою та властивостями молекул білка.
Послідовність амінокислот у молекулі називається структурою.
Первинна – лінійна.
Вторинна – спіральна.
Третинна – глобули.
Четвертична - об'єднання глобул (гемоглобін).
Втрата молекулою структурної організації називається денатурацією. Вона викликається зміною температури, РН, опроміненням. При незначному вплив молекула може відновлювати свої властивості. Це використовується у медицині (антибіотики).
Функції білків у клітині різноманітні. Найважливіша – будівельна. Білки беруть участь у освіті всіх клітинних мембран в органоїдах. Винятково важливою є каталітична функція – всі ферменти – це білки. Двигуну функцію забезпечують скоротливі білки. Транспортна – полягає у приєднанні хімічних елементів та перенесенні їх до тканин. Захисна функція забезпечується спеціальними білками - антитілами, що утворюються в лейкоцитах. Білки є джерелом енергії – при повному розщепленні 1г білка виділяється 11,6 кДж.
Вуглеводи.Це сполуки вуглецю водню та кисню. Представлені цукром. У клітині міститься до 5%. Найбільш багаті – рослинні клітини – до 90% маси (картопля, рис). Вони поділяються на прості та складні. Прості - моноцукору (глюкоза) З 6 Н 12 Про 6, виноградний цукор, фруктоза. Дисахара – (сахароза) З ]2 Н 22 Про 11 буряковий і очеретяний цукор. Полисахара (целюлоза, крохмаль) (C 6 H 10 O 5)n.
Вуглеводи виконують в основному будівельну та енергетичну функції. При окисненні 1г вуглеводу виділяється 17,6 кДж. Крохмаль і глікоген є енергетичним запасом клітини.
Ліпіди.Це жири та жироподібні речовини в клітині. Є складними ефірами гліцерину і високомолекулярних насичених і ненасичених кислот. Можуть бути твердими та рідкими – олії. У рослин містяться в насінні, від 5-15% сухої речовини.
Основна функція – енергетична – при розщепленні 1г жиру виділяється 38,9 кДж. Жири - це запаси поживних речовин. Жири виконують будівельну функцію, є гарним утеплювачем.
Нуклеїнові кислоти.Це складні органічні сполуки. Складаються з, Н 2 ,О 2 ,N 2 , P. Містяться в ядрах і цитоплазмі.
 |
а) ДНК – біологічний полінуклеотид, що складається із двох ланцюгів нуклеотидів. Нуклеотиди – складаються з 4-х азотистих основ: 2-х пуринів – Аденіна та Валіна, 2-х піримедів Цитозину та Гуаніну, а також цукру – дезоксирибози та залишку фосфорної кислоти.
У кожному ланцюзі нуклеотиди з'єднані ковалентними зв'язками. Ланцюги нуклеотидів утворюють спіралі. Спіраль ДНК, упакована білками, утворює структуру – хромосому.
б) РНК – це полімер, мономерами якого є нуклеотиди, близькі ДНК, азотисті основи – А, Р, Ц. Замість тиміну є Урація. Вуглеводом РНК є рибоза, є залишок фосфорної кислоти.
Дволанцюгові РНК – носії генетичної інформації. Одноланцюгові – переносять інформацію про послідовність амінокислот у білку. Існує кілька одноланцюжкових РНК:
Рибосомна – 3-5 тис. нуклеотидів;
Інформаційна – 300-30 000 нуклеотидів;
Транспортна – 76-85 нуклеотидів.
Синтез білка складає рибосомах за участю всіх видів РНК.
Контрольні питання
1. Клітина – організм чи його частина?
2. Елементарний склад клітин.
3. Вода та мінеральні речовини.
4. Органічні речовини клітини.
Органічні сполуки становлять загалом 20-30% маси клітини живого організму. До них відносяться біологічні полімери - білки, нуклеїнові кислоти та вуглеводи, а також жири та ряд невеликих молекул - гормонів, пігментів, АТФ та багато інших.
У різні типи клітин входить неоднакова кількість органічних сполук. У рослинних клітинах переважають складні вуглеводи – полісахариди, у тварин – більше білків та жирів. Тим не менш, кожна з груп органічних речовин у будь-якому типі клітин виконує подібні функції.
Амінокислоти, азотисті основи, ліпіди, вуглеводи і т. д. надходять до клітини разом з їжею або утворюються всередині її з попередників. Вони є вихідними продуктами для синтезу низки полімерів, необхідних клітині.
Білки, як правило, є потужними високоспецифічними ферментами та регулюють обмін речовин клітини.
Нуклеїнові кислоти є хранителями спадкової інформації. Крім того, нуклеїнові кислоти контролюють утворення відповідних білків-ферментів у потрібній кількості та у потрібний час.
Ліпіди
Ліпіди - так називають жири та жироподібні речовини (ліпоїди). Речовини, що відносяться сюди, характеризуються розчинністю в органічних розчинниках і нерозчинністю (відносною) у воді.
Розрізняють рослинні жири, що мають при кімнатній температурі рідку консистенцію, і тварини – тверду.
Ліпіди входять до складу всіх плазматичних мембран. Вони виконують у клітині енергетичну роль, беруть активну участь у процесах метаболізму та розмноження клітини.
Вуглеводи
До складу вуглеводів входять вуглець, водень та кисень. Розрізняють такі вуглеводи.
- Моносахариди, або прості вуглеводи, які залежно від вмісту атомів вуглецю мають назви тріози, пентози, гексози і т. д. Пентози – рибоза та дезоксирибоза – входять до складу ДНК та РНК. Гексоза - глюкоза - є основним джерелом енергії в клітині. Їх емпіричну формулу можна подати у вигляді Cn (H2O) n.
- Полісахариди- полімери, мономерами яких є моносахариди гексози. Найбільш відомими з дисахаридів (два мономери) є сахароза та лактоза. Найважливішими полісахаридами є крохмаль і глікоген, що є запасними речовинами клітин рослин і тварин, а також целюлоза - найважливіший структурний компонент рослинних клітин.
Рослини мають більшу різноманітність вуглеводів, ніж тварини, оскільки здатні синтезувати їх на світлі в процесі фотосинтезу. Найважливіші функції вуглеводів у клітині: енергетична, структурна та запасна.
Енергетична роль полягає в тому, що вуглеводи є джерелом енергії в рослинних і тваринних клітинах; структурна – клітинна стінка у рослин майже повністю складається з полісахариду целюлози; запасаюча - крохмаль служить запасним продуктом рослин. Він накопичується в процесі фотосинтезу у вегетаційний період і у ряду рослин відкладається в бульбах, цибулинах і т. д. У тварин клітинах цю роль виконує глікоген, що відкладається переважно у печінці.
Білки
Серед органічних речовин клітини білки займають перше місце як за кількістю, так і за значенням. У тварин ними припадає близько 50% сухої маси клітини. У людини зустрічається близько 5 млн. типів білкових молекул, відмінних як друг від друга, а й від білків інших організмів. Незважаючи на таку різноманітність та складність будови, білки побудовані всього з 20 різних амінокислот.
Більш детально зупинимося на властивостях білків. Найважливішими з них є денатурація та ренатурація.
Денатурація - це втрата білкової молекули своєї структурної організації. Денатурація може бути викликана зміною температури, зневодненням, опроміненням рентгенівськими променями та іншими впливами. На початку руйнується найслабша структура – четвертинна, потім – третинна, вторинна і за найжорсткіших умов – первинна.
Якщо зміна умов середовища не призводить до руйнування первинної структури молекули, то за відновлення нормальних умов середовища повністю відтворюється і структура білка. Такий процес називається ренатурацією. Ця властивість білків повністю відновлювати втрачену структуру широко використовується в медичній та харчовій промисловості для приготування деяких медичних препаратів, наприклад антибіотиків, для отримання харчових концентратів, що зберігають тривалий час у висушеному вигляді свої поживні речовини. У деяких живих організмів звичайна часткова зворотна денатурація білків пов'язані з їх функціями (рухової, сигнальної, каталітичної та інших.). Процес руйнування первинної структури білка завжди незворотній і називається деструкцією.
Хімічні та фізичні властивості білків дуже різноманітні: гідрофільні, гідрофобні; одні під дією чинників легко змінюють свою структуру, інші - дуже стійкі. Білки діляться на прості протеїни, що складаються тільки з залишків амінокислот, і складні протеїди, до складу яких, крім кислотних залишків амінокислот, входять і інші речовини небілкової природи (залишки фосфорної і нуклеїнової кислот, вуглеводів, ліпідів та ін.).
Білки виконують в організмі багато різноманітних функцій: будівельну (входять до складу різних структурних утворень); захисну (спеціальні білки - антитіла - здатні зв'язувати та знешкоджувати мікроорганізми та чужорідні білки) та ін. Крім цього, білки беруть участь у згортанні крові, запобігаючи сильним кровотечам, виконують регуляторну, сигнальну, рухову, енергетичну, транспортну функції (перенесення деяких речовин в організмі .
Винятково важливе значення має каталітична функція білків. Зупинимося на цій функції докладніше. Термін "каталіз" означає "розв'язування", "звільнення". Речовини, що відносяться до каталізаторів, прискорюють хімічні перетворення, причому склад самих каталізаторів після реакції залишається таким самим, яким був до реакції.
Ферменти
Усі ферменти, що виконують роль каталізаторів, - речовини білкової природи, вони прискорюють хімічні реакції, що протікають у клітині, у десятки та сотні тисяч разів. Каталітичну активність ферменту зумовлює не вся його молекула, а лише невелика її ділянка - активний центр, дія якого дуже специфічна. У одній молекулі ферменту може бути кілька активних центрів.
Одні молекули ферментів можуть складатися лише з білка (наприклад, пепсин) – однокомпонентні, чи прості; інші містять два компоненти: білок (апофермент) та невелику органічну молекулу – кофермент. Встановлено, що як коферменти в клітині функціонують вітаміни. Якщо врахувати, що жодна реакція в клітині не може здійснюватися без участі ферментів, стає очевидним найважливіше значення, яке мають вітаміни для нормальної життєдіяльності клітини і всього організму. Відсутність вітамінів знижує активність ферментів, до складу яких вони входять.
Активність ферментів знаходиться у прямій залежності від дії цілого ряду факторів: температури, кислотності (pH середовища), а також від концентрації молекул субстрату (речовини, на яку вони діють), самих ферментів та коферментів (вітамінів та інших речовин, що входять до складу коферментів) .
Стимулювати або пригнічувати той чи інший ферментативний процес може дія різних біологічно активних речовин, таких як: гормони, лікарські препарати, стимулятори росту рослин, отруйні речовини та ін.
Вітаміни
Вітаміни – біологічно активні низькомолекулярні органічні речовини – беруть участь в обміні речовин та перетворенні енергії в більшості випадків як компоненти ферментів.
Добова потреба людини у вітамінах становить міліграми і навіть мікрограми. Відомо понад 20 різних вітамінів.
Джерелом вітамінів для людини є продукти харчування, в основному рослинного походження, в деяких випадках - тварини (вітамін D, A). Деякі вітаміни синтезуються у людини.
Нестача вітамінів викликає захворювання – гіповітаміноз, повна їх відсутність – авітаміноз, а надлишок – гіпервітаміноз.
Гормони
Гормони – речовини, що виробляються залозами внутрішньої секреції та деякими нервовими клітинами – нейрогормонами, Гормони здатні включатися в біохімічні реакції, регулюючи процеси метаболізму (обміну речовин та енергії).
Характерними рисами гормонів є:
- висока біологічна активність;
- висока специфічність (гормональні сигнали у «клітини-мішені»);
- дистанційність дії (перенесення гормонів кров'ю на відстань до клітин-мішеней);
- відносно невеликий час існування в організмі (кілька хвилин чи годин).
Гормоноподібні речовини (нейрогормони) синтезуються нервовими закінченнями. Нервові клітини синтезують ще нейромедіатори - речовини, що забезпечують передачу імпульсу клітин. Є гормони ліпоїдної природи – стероїди (статеві гормони). Координує роботу системи залоз внутрішньої секреції гіпоталамус.
Індивідуальне зростання рослин регулюється і координується фітогормонами, що діють як прискорювачі росту клітин, їх поділу (стимулюють поділ камбію та ін).
Алкалоїди
У рослин та в деяких інших організмів виявлено ще одну групу біологічно активних речовин – алкалоїди. Ці органічні сполуки є отруйними для людини та тварин. Деякі з них мають наркотичну дію, оскільки містять нікотин, морфін та ін.
Алкалоїди виявлені приблизно у 2500 видів покритонасінних рослин, переважно з сімейств пасльонових, лілейних, макових, конопляних та інших. На думку ряду вчених, алкалоїди у рослин виконують захисну функцію — пристосування до захисту від поїдання тваринами. Алкалоїд колхіцин використовують у медицині, а також для експериментального мутагенезу.
Нуклеїнові кислоти
Подібно до білків, нуклеїнові кислоти є гетерополімерами. Їхні мономери нуклеотиди, з яких складаються молекули нуклеїнових кислот, різко відмінні від амінокислот. Існує 2 типи нуклеїнових кислот: ДНК (дезоксирибонуклеїнова) та РНК (рибонуклеїнова кислота).
АТФ - аденозинтрифосфорна кислота, нуклеотид, що складається з азотистої основи аденіну, вуглеводу рибози та трьох молекул фосфорної кислоти.
Структура нестійка, під впливом ферментів перетворюється на АДФ – аденозиндифосфорную кислоту (відщеплюється одна молекула фосфорної кислоти) із 40 кДж енергії. АТФ - єдине джерело енергії всім клітинних реакцій. Її перетворення відбувається за такою схемою:
Зупинимося докладніше на значенні нуклеїнових кислот, які у клітині виконують дуже важливі функції. Особливості хімічної будови нуклеїнових кислот забезпечують можливість зберігання, перенесення та передачі у спадок дочірнім клітинам інформації про структуру білкових молекул, які синтезуються у кожній тканині на певному етані індивідуального розвитку.
Оскільки більшість властивостей в організмі обумовлено білками, то зрозуміло, що стабільність нуклеїнових кислот – найважливіша умова життєдіяльності клітин та цілих організмів. Будь-які зміни будови нуклеїнових кислот спричиняють зміни структури клітин або активності фізіологічних процесів у них, впливаючи, таким чином, на життєздатність. Вивчення структури нуклеїнових кислот, яку вперше встановили американський біолог Вотсон та англійський фізик Крик, має винятково важливе значення для успадкування ознак у організмів та закономірностей функціонування, як окремих клітин, так і клітинних систем – тканин та органів.
Дослідженнями біохіміків встановлено, що біосинтез білків у живих організмах здійснюється під контролем нуклеїнових кислот.
Таким чином, нуклеїнові кислоти забезпечують стійке збереження спадкової інформації та контролюють утворення відповідних їм білків-ферментів, а білки-ферменти визначають основні особливості обміну речовин клітини. Все це дуже важливо для підтримки хімічної стабільності організмів, що має вирішальне значення для життя на Землі.
