Химический состав клетки. Белки, липиды, углеводы, вода. Теория к ЕГЭ по биологии

КЭС 2.2 Химический состав клетки. Макро-, микро- и ультра-микроэлементы. Вода и её роль как растворителя, реагента, участие в структурировании клетки, теплорегуляции. Минеральные вещества клетки, их биологическая роль. Роль катионов и анионов в клетке. Биологические полимеры. Белки. Аминокислотный состав белков. Структуры белковой молекулы. Первичная структура белка, пептидная связь. Вторичная, третичная, четвертичная структуры. Денатурация. Свойства белков. Классификация белков. Биологические функции белков. Углеводы. Моносахариды, дисахариды, олигосахариды и полисахариды. Общий план строения и физико-химические свойства углеводов. Биологические функции углеводов. Липиды. Гидрофильно-гидрофобные свойства. Классификация липидов. Триглицериды, фосфолипиды, воски, стероиды. Биологические функции липидов. Общие свойства биологических мембран – текучесть, способность к самозамыканию, полупроницаемость. 
Теория соответствует ключам ФИПИ.

Главные химические элементы клетки

Органические вещества клетки:

белки, углеводы, липиды (жиры) и нуклеиновые кислоты

Белки

Белки – полимеры, мономерами которых являются аминокислоты
*мономеры – это одинаковые частички полимеров

Незаменимые аминокислоты не могут синтезироваться в организме животных и человека и должны поступать вместе с пищей. Заменимые аминокислоты могут поступать с пищей, а могут синтезироваться из незаменимых.

У каждой аминокислоты есть аминогруппа и карбоксильная группа, при соединении которых образуется пептидная связь. Также есть радикал, универсальный для каждого вида аминокислоты (от радикала зависит свойства каждой аминокислоты).

•  В состав живых организмов может входить 20 разных видов аминокислот, которые отличаются друг от друга только строением радикалов и могут соединяться в любых комбинациях, что обуславливает такое огромное разнообразие белков в природе.
•  Белки каждого организма строго специфичны и имеют разное кол-во аминокислот и порядок их чередования (поэтому белки – «непериодические» полимеры)

Структуры белка (уровни организации):

I – первичная – простая цепочка аминокислот, которые соединены только прочными пептидными связями (полипептидная цепь)
- с первичной структуры начинается синтез любой белковой молекулы;
- последовательность аминокислот строго определяется генами этого белка.
- если поменять в цепочке хотя бы одну аминокислоту, строение и функции белка изменятся, поэтому первичная структура - самая главная.

II – вторичная – появляется, когда полипептидная цепь (I структуру) цепь укладывается либо в виде спирали (α-спираль), либо в виде плоскости (β-лист), и стабилизируется водородными связями

III – третичная – это уже объёмная, пространственная конфигурация полипептидной цепочки в виде глобулы, в которой аминокислоты удерживаются и стабилизируются за счёт особых связей между их радикалами, а именно:
1) водородных связей
2) ковалентных дисульфидных связей
3) ионных связей
4) гидрофобных взаимодействий (это когда гидрофобные (нерастворимые в воде) части прячутся от воды за гидрофильными частями)

IV – четвертичная – структура, образующаяся при взаимодействии нескольких полипептидных цепочек (глобул); стабилизируется теми же связями, что и третичная. Есть не у всех белков.

Например, гемоглобин имеет IV структуру: он состоит из двух α-цепей и двух β-цепей (IV на схеме)

Функции белков

1. Каталитическая (ферментативная) – входят в состав ферментов, которые обеспечивают и ускоряют почти все химические реакции в клетке;
- эффективность ферментов связана с тем, что активный центр фермента подходит к веществу (субстрату) как ключ к замку (комплементарность).

2. Строительная (структурная) – входят в состав цитоскелета, мембран, коллагена, эластина, кератина и др. структурных элементов.

3. Сократительная (двигательная) – участвуют в сокращении мышц (актин+миозин), в транспорте веществ по клетке (моторные белки кинезин+динеин).

4. Транспортная – связываются с веществами и транспортируют их (гемоглобин транспортирует кислород, альбумины переносят жиры).

5. Защитная – входят в состав антител и других защитных молекул иммунной системы (иммуноглобулины, интерфероны), участвуют в свёртываемости крови (фибриноген, протромбин).

6. Сигнальная (гормональная, регуляторная, эндокринная) – входят в состав гормонов, выполняющих регуляторные функции (инсулин, глюкагон).

7. Рецепторная (информационная) – многие белки являются рецепторами на поверхности мембран и передают информацию в клетку; без рецепторов невозможны никакие взаимодействия клеток друг с другом и с окружающей средой!

С натягом можно выделить еще энергетическую функцию, встречалась на ЕГЭ.

Денатурация белка – это потеря формы, свойств и функций белка под воздействием внешних факторов (температура, pH, воздействие сильных кислот и щелочей, УФ-излучение, тяжёлых металлов, органических растворителей)

Необратимая денатурация - разрушение первичной структуры белка ⇒ полная потеря его функций БЕЗ возможности восстановления.

Обратимая денатурация - разрушение вторичной/третичной/четвертичной структуры ⇒ такой белок МОЖЕТ восстановиться, т.к. все его потенциальные свойства определяются первичной структурой.

Почему инсулин НЕЛЬЗЯ принимать в виде ТАБЛЕТОК? Это гормон БЕЛКОВОЙ природы, состоит из аминокислот. ПЕПСИН желудка и ферменты в тонкой кишке быстро расщепят инсулин на аминокислоты, инсулин потеряет биологическую активность, всосётся в кровь отдельными аминокислотами, как только что съеденная яичница. Именно поэтому инсулин вводится только ПОДКОЖНО. При таком пути введения он СОХРАНЯЕТ свою структуру и биологическую активность.

Обмен белков

Белки перевариваются в желудке пепсином (в кислой среде) и в кишечнике трипсином (в щелочной среде), всасываются в кровь в виде аминокислот.

Белки в организме не запасаются, избыток белков превращается в жиры или углеводы. Сами белки из углеводов и жиров синтезировать нельзя, потому что в жирах и углеводах нет азота. Недостаток белков в пище опасен, особенно для детей и подростков.

При окислении белков получается углекислый газ, вода и аммиак. Аммиак током крови доносится до печени и там превращается в мочевину, которая выделяется с мочой и потом.

Углеводы

1. Моносахариды – состоят из 1 молекулы, растворимы в воде, сладкие

    Пентозы (С5, пятиуглеродные)
       - рибоза (входит в состав РНК, АТФ)
       - дезоксирибоза (входит в состав ДНК)
    Гексозы (С6, шестиуглеродные)
       - глюкоза (основной энергетический субстрат: образуется из СО₂ при фотосинтезе, окисляется до АТФ при дыхании)
      - фруктоза (входит в состав фруктов, может превращаться в глюкозу)

2. Олигосахариды - состоят из нескольких моносахаридов, растворимы в воде, сладкие

  Сахароза (белый пищевой сахар) = глюкоза + фруктоза. Транспортируется по флоэме растений.
  Лактоза (молочный сахар) = глюкоза + галактоза, входит в состав молока.
  Мальтоза (солодовый сахар) = глюкоза + глюкоза, образуется при расщеплении крахмала.

3. Полисахариды – состоят из большого числа моносахаридов (полимеры); нерастворимы в воде, безвкусные
Могут выполнять энергетическую или структурную функции

Энергетическая:
 Крахмал – полимер глюкозы, запасной углевод растений
 Гликоген – полимер глюкозы, запасной углевод животных и грибов

Структурная:
 Целлюлоза – полимер глюкозы, главный компонент клеточной стенки растений
 Хитин - главный компонент клеточной стенки грибов и твёрдого покрова членистоногих
 Муреин - главный компонент клеточной стенки бактерий

Разветвленность гликогена и крахмала

Она влияет на количество глюкозы, которое можно ОДНОВРЕМЕННО отщепить с разных концов полимера. Поскольку гликоген БОЛЕЕ разветвлён, чем крахмал, то при его расщеплении за единицу времени выделится БОЛЬШЕ глюкозы (по сравнению с менее разветвленным крахмалом) - для животных важно поддерживать высокий уровень глюкозы в крови и уметь его быстро поднимать при интенсивной физической нагрузке. Благодаря ВЫСОКОЙ молекулярной массе и гликоген, и крахмал удерживаются ВНУТРИ клетки, НЕ покидают её.

Функции углеводов:

1) Энергетическая: углеводы – самый удобный и быстрый источник получения энергии, а глюкоза – главный источник энергии АТФ для любых живых организмов
2) Запасающая: глюкоза может откладываться надолго в виде крахмала у растений и гликогена у животных и грибов
3) Строительная (структурная): целлюлоза, хитин и муреин входят в состав клеточных стенок

Липиды

Липиды – группа нерастворимых в воде органических веществ с очень большим разнообразием.

1. Жиры – сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот.
- запасаются в виде жировой ткани (в подкожной жировой клетчатке и между органами) у животных или в виде липидных капель у растений
- выполняют энергетическую функцию: при окислении 1 г жиров выделяется в 2 раза больше энергии, чем при окислении 1 г углеводов или белков
- выполняют функции теплоизоляции, запаса воды и механической защиты

2. Фосфолипиды – молекулы из двух частей: гидрофильная головка (растворимая в воде) + гидрофобный хвост (нерастворимый в воде)
- составляют основу любой мембраны в клетке (структурная функция): придают ей текучесть, пластичность и избирательную проницаемость

Строение молекул фосфолипидов и их ориентация в воде

3. Холестерин
- в противовес фосфолипидам, придает устойчивость и стабильность мембранам животных клеток

4. Стероиды – обладают высокой биологической активностью (могут входить в состав гормонов)
- гормоны коркового слоя надпочечников (кортикостероиды): кортизол, альдостерон
- половые гормоны: андрогены (тестостерон), эстрогены (эстрадиол)

5. Воски – липиды на поверхности клеток и тканей, создающие защитную плёнку
- в растениях они покрывают тонким слоем листья, стебли и плоды, защищая их от излишнего испарения, от смачивания водой и проникновения микроорганизмов
- у животных воски создаёт водоотталкивающую плёнку на коже, перьях и шерсти
- пчёлы строят соты из воска

Вода

Живые организмы в основном состоят из воды (70-80% массы).

1. Благодаря маленьким дипольным молекулам вода является лучшим растворителем для полярных (гидрофильных) веществ. В растворенном состоянии вещества транспортируются по организму и очень быстро реагируют между собой.

2. Вещества, на поверхности которых нет полных или частичных зарядов (гидрофобные), не могут взаимодействовать с молекулами воды, вода их выталкивает (жир, бензин). На этом основаны строение и работа биологических мембран.

3. За счет большого количества водородных связей вода обладает аномальной высокой теплотой испарения (при испарении поглощает много тепла) и теплоемкостью (может поглотить много тепла и при этом почти не нагреться). За первого происходит охлаждение организмов (при испарении пота, транспирации), за счет второго в клетке и в водной среде обитания не бывает резких перепадов температуры.

Вопрос ЕГЭ про МЫЛО. Почему водой тяжело смыть ЖИР с рук, а МЫЛО легко с этим справляется? Ответ скрыт в знаниях о строении липидов (жиров): молекула жира состоит из гидроФОБНОЙ части (остаток жирной кислоты) и гидроФИЛЬНОЙ (остаток глицерина). Вода НЕ смывает жир с рук, так как она никак не действует на гидрофобную часть. А мыло имеет СХОДНУЮ структуру с жиром, молекула мыла также содержит гидрофобную и гидрофильную части. Гидрофобная часть молекулы мыла растворяется в гидрофобной части жира, а гидрофильная часть образует вокруг жирной сердцевины своеобразную капсулу - мицеллу. Такие мицеллы легко смываются водой.

Витамины

Это небольшие органические вещества разнообразной химической природы, которые не вырабатываются у нас в организме, поэтому должны обязательно поступать с пищей. Большинство витаминов являются коферментами, т .е. входят в состав активного центра ферментов, обеспечивая комплементарность. Недостаток витаминов приводит к авитаминозу (нарушению обмена веществ).

Статья про витамины и здоровье >>