Урок 5. химический состав клетки — Биология — 5 класс
Биология, 5 класс
Урок 5. Химический состав клетки
Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:
- Урок посвящён изучению химического состава клетки.
Ключевые слова:
Клетка, химический состав, неорганические и органические вещества, вода, минеральные соли, белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты
Тезаурус:
Химический элемент – это атомы одного и того же вида.
Органические вещества – это вещества, которые входят в состав живых организмов и образуются только при их участии.
Неорганические вещества – это вещества, которые входят в состав неживой природы и могут образовываться без участия живых организмов.
Обязательная и дополнительная литература по теме
- Биология. 5–6 классы. Пасечник В. В., Суматохин С. В., Калинова Г. С. и др. / Под ред. Пасечника В. В. М.: Просвещение, 2019
- Биология. 6 класс. Теремов А. В., Славина Н. В. М.: Бином, 2019.
- Биология. 5 класс. Мансурова С. Е., Рохлов В. С., Мишняева Е. Ю. М.: Бином, 2019.
- Биология. 5 класс. Суматохин С. В., Радионов В. Н. М.: Бином, 2014.
- Биология. 6 класс. Беркинблит М. Б., Глаголев С. М., Малеева Ю. В., Чуб В. В. М.: Бином, 2014.
- Биология. 6 класс. Трайтак Д. И., Трайтак Н. Д. М.: Мнемозина, 2012.
- Биология. 6 класс. Ловягин С. Н., Вахрушев А. А., Раутиан А. С. М.: Баласс, 2013.
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Сейчас на Земле известно более ста химических элементов. Из их атомов состоят все вещества, встречающиеся на Земле. 80 химических элементов обнаружены в составе живых организмов. При этом четыре из них – углерод, водород, азот и кислород составляют около 98 % массы любого организма. Остальные химические элементы встречаются в живых организмах в малых количествах.
Клетки всех живых организмов состоят из одних и тех же химических элементов. Эти же элементы входят и в состав объектов неживой природы. Сходство состава указывает на общность живой и неживой природы.
На этом уроке вы узнаете, из каких химических элементов состоят клетки живых организмов, и какие изменения претерпевают эти химические соединения по мере роста и развития клеток.
В клетках живых организмов больше всего содержится таких химических элементов, как углерод, водород, кислород и азот. Вместе они составляют до 98 % массы клетки. Около 2 % массы клетки приходится на восемь элементов: калий, натрий, кальций, хлор, магний, железо, фосфор и серу. Остальные химические элементы содержатся в клетках в очень малых количествах.
Химические элементы, соединяясь между собой, образуют неорганические (вода и минеральные соли) и органические (белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты и др.) вещества.
Значение каждого из веществ, содержащегося в клетке уникально. Вода придаёт клетке упругость, определяет её форму, участвует в обмене веществ. Неорганические вещества используются для синтеза органических молекул. При недостатке минеральных веществ важнейшие процессы жизнедеятельности клеток нарушаются. Углеводы придают прочность клеточным оболочкам, а также служат запасающими веществами. Белки входят в состав разнообразных клеточных структур, регулируют процессы жизнедеятельности и тоже могут запасаться в клетках. Жиры откладываются в клетках. При расщеплении жиров освобождается необходимая живым организмам энергия. Нуклеиновые кислоты играют ведающую роль в сохранении наследственной информации.
Клетка – это миниатюрная природная лаборатория, в которой синтезируются и претерпевают изменения различные химические соединения. Сходство химического состава клеток разных организмов доказывает единство живой природы.
Разбор типового тренировочного задания:
Тип задания: Сортировка элементов по категориям
Текст вопроса: Расставьте названия веществ в таблицу:
Органические вещества | Неорганические вещества |
Варианты ответов:
Белки
Вода
Углеводы
Жиры
Кислород
Правильный вариант ответа:
Органические вещества | Неорганические вещества |
белки углеводы жиры | вода кислород |
Разбор типового контрольного задания
Тип задания: Выделение цветом
Текст вопроса: Выделите цветом вещества, входящие в состав живых организмов:
Варианты ответов:
- Вода
- Пластик
- Белки
- Жиры
- Нефть
- Углеводы
- ДНК и РНК
Правильный вариант ответа:
1) Вода
3) Белки
4) Жиры
6) Углеводы
7) ДНК и РНК
белки — урок. Биология, Общие биологические закономерности (9–11 класс).
Белки (протеины, полипептиды) — самые многочисленные, наиболее разнообразные и имеющие первостепенное значение биополимеры. В состав молекул белков входят атомы углерода, кислорода, водорода, азота и иногда серы, фосфора и железа.
Мономерами белков являются аминокислоты, которые (имея в своём составе карбоксильную и аминогруппы) обладают свойствами кислоты и основания (амфотерны).
Благодаря этому аминокислоты могут соединяться друг с другом (их количество в одной молекуле может достигать нескольких сотен). В связи с этим молекулы белков имеют большие размеры, и их называют макромолекулами.
Структура белковой молекулы
Под структурой белковой молекулы понимают её аминокислотный состав, последовательность мономеров и степень скрученности молекулы белка.
В молекулах белков встречается всего \(20\) видов различных аминокислот, и огромное разнообразие белков создаётся за счёт различного их сочетания.
- Последовательность аминокислот в составе полипептидной цепи — это первичная структура белка. Она уникальна для любого типа белка и определяет форму его молекулы, его свойства и функции.
- Длинная молекула белка сворачивается и приобретает сначала вид спирали в результате образования водородных связей между —СО и —NН группами разных аминокислотных остатков полипептидной цепи (между углеродом карбоксильной группы одной аминокислоты и азотом аминогруппы другой аминокислоты). Эта спираль — вторичная структура белка.
- Третичная структура белка — трёхмерная пространственная «упаковка» полипептидной цепи в виде глобулы (шарика). Прочность третичной структуры обеспечивается разнообразными связями, возникающими между радикалами аминокислот (гидрофобными, водородными, ионными и дисульфидными S–S связями).
- Некоторые белки (например, гемоглобин крови человека) имеют четвертичную структуру. Она возникает в результате соединения нескольких макромолекул с третичной структурой в сложный комплекс. Четвертичная структура удерживается непрочными ионными, водородными и гидрофобными связями.
Структура белков может нарушаться (подвергаться денатурации) при нагревании, обработке некоторыми химическими веществами, облучении и др. При слабом воздействии распадается только четвертичная структура, при более сильном — третичная, а затем — вторичная, и белок остаётся в виде полипептидной цепи. В результате денатурации белок теряет способность выполнять свою функцию.
Нарушение четвертичной, третичной и вторичной структур обратимо. Этот процесс называют ренатурацией.
Разрушение первичной структуры необратимо.
Кроме простых белков, состоящих только из аминокислот, есть ещё и сложные белки, в состав которых могут входить углеводы (гликопротеины), жиры (липопротеины), нуклеиновые кислоты ( нуклеопротеины) и др.
Функции белков
- Каталитическая (ферментативная) функция. Специальные белки — ферменты — способны ускорять биохимические реакции в клетке в десятки и сотни миллионов раз. Каждый фермент ускоряет одну и только одну реакцию. В состав ферментов входят витамины.
- Структурная (строительная) функция — одна из основных функций белков (белки входят в состав клеточных мембран; белок кератин образует волосы и ногти; белки коллаген и эластин — хрящи и сухожилия).
- Транспортная функция — белки обеспечивают активный транспорт ионов через клеточные мембраны (транспортные белки в наружной мембране клеток), транспорт кислорода и углекислого газа (гемоглобин крови и миоглобин в мышцах), транспорт жирных кислот (белки сыворотки крови способствуют переносу липидов и жирных кислот, различных биологически активных веществ).
- Сократительная (двигательная) функция — обеспечивается сократительными белками — актином и миозином (благодаря сократительным белкам двигаются реснички и жгутики у простейших, перемещаются хромосомы при делении клетки, сокращаются мышцы у многоклеточных, совершенствуются другие виды движения у живых организмов).
- Защитная функция — антитела обеспечивают иммунную защиту организма; фибриноген и фибрин защищают организм от кровопотерь, образуя тромб.
- Регуляторная функция присуща белкам — гормонам (не все гормоны являются белками!). Они поддерживают постоянные концентрации веществ в крови и клетках, участвуют в росте, размножении и других жизненно важных процессах (например, инсулин регулирует содержание сахара в крови).
- Энергетическая функция — при длительном голодании белки могут использоваться в качестве дополнительного источника энергии после того, как израсходованы углеводы и жиры (при полном расщеплении \(1\) г белка до конечных продуктов выделяется \(17,6\) кДж энергии). Аминокислоты, высвобождающиеся при расщеплении белковых молекул, используются для построения новых белков.
Источники:
http://ours-nature.ru/lib/b/book/1063747118/348
| № | Этап урока | Название используемых
ЭОР (с указанием порядкового номера из Таблицы 2) |
Деятельность учителя (с указанием действий с ЭОР, например, демонстрация) |
Деятельность ученика | Время (в мин.) |
| 1 | Организационный этап | Приветствие обучающихся, определение отсутствующих, проверка готовности обучающихся к уроку, организация внимания | Обучающиеся внимательно слушают и быстро включаются в работу. | 1 | |
| 2 | Этап проверки домашнего задания | Модуль 1 Химический состав живых организмов | Демонстрация мультимедиа и
вопросов 1) На какие 3 группы можно разделить химические элементы в зависимости от количественного состава? 2) Какие химические элементы преобладают в клетках живых организмов? Учитель показывает их процентное содержание с помощью мультимедиа. 3) Почему именно эти элементы относят в группу органогенов? 4) На какие 2 группы можно разделить вещества входящие в состав клетки? |
http://fcior.edu.ru/card/2699/himicheskiy-sostav-kletki.html
Анализируют диаграмму, периодическую систему Д.И. Менделеева отвечают на поставленные вопросы: Химические элементы можно разделить на органогены, макроэлементы и микроэлементы. http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/10e17ead-01de-4398-8ab3-2a249fb2190d/%5BBIO10_01-02%5D_%5BIM_02%5D.swfПреобладают макроэлементы (98%) кислород, азот, углерод, водород Они входят в состав воды, которой в каждой клетке содержится до 80 – 90%; из этих химических элементов образованы органические вещества. Вещества можно разделить на неорганические и органические |
9 |
| Модуль 2 Неорганические вещества в живых организмах |
Учитель предлагает обучающимся выполнить мини-тест за компьютером “Неорганические вещества в живых организмах” с автоматической системой проверки. | Работают индивидуально за компьютером с мини-тестом “Неорганические вещества в живых организмах” | |||
| 3
|
Этап подготовки обучающихся к активному и сознательному усвоению нового материала | Учитель организует
целенаправленную деятельность обучающихся.
Сообщает тему изучаемого нового материала, учит
обучающихся формулировать цель и выбирать
конкретные средства ее достижения. Показывает
практическую значимость нового материала,
мотивирует обучающихся на его усвоение. Вопросы – мотивации: Почему опасно белковое голодание? В каких продуктах содержаться углеводы? Можно ли практически доказать наличие углеводов и белков в клетках живых организмов? Предлагает обучающимся самостоятельно найти ответы, на вопросы используя учебник и электронные образовательные ресурсы, рассказать об этом своим одноклассникам. |
Обучающиеся записывают тему урока в
тетрадь, читают задания, задают вопросы,
выдвигают предположения, формулируют задачи Получают консультацию учителя, приступают к выполнению задания. Обучающиеся выполняют задание, активно участвуют в эвристической беседе, совершенствуют приемы, анализа. |
3 | |
| 4 | Этап усвоения новых знаний | Учитель консультирует обучающихся (помогает совершенствовать умение находить доказательства, проверять факты, выдвигать гипотезы, делать выводы) |
Обучающиеся при затруднении задают вопросы учителю. | ||
| Модуль 3 Углеводы их классификация |
Задание для первой группы: 1. Вспомните понятия полимер, мономер. 2. Изучите строение и классификацию углеводов, используя электронные ресурсы “Углеводы их классификация”, учебник стр.41. Заполните таблицу, проанализируйте ее согласно поставленной цели, сделайте вывод. |
1 группа изучает текст с
иллюстрациями углеводы
их классификация, стр. 41-42 учебника расширяет
кругозор знаний о строении углеводов, полимеров,
мономеров. Заполняет таблицу (см. приложение № 1) |
|||
| Модуль 4 Качественная реакция на углеводы |
3. Изучите видеофрагмент
интерактивной анимации “Качественная реакция
на углеводы” Используя знания, полученные при изучении видеоматериала, знаний и умений приобретенных на уроках химии докажите наличие углеводов в клетках живых организмов 4. Составьте и представьте отчет в электронном виде.(см. приложение 1) |
Просматривает видеофрагмент
“Качественная реакция на углеводы”, доказывает
наличие углеводов в клетках живого организма. О результатах работы составляет отчет по плану: цель, задачи, методы определения углеводов в клетках живых организмов. Составляет отчет, докладывает результаты работы одноклассникам (см. приложение № 1) |
23 | ||
| Модуль 5 Функции углеводов |
Изучите свойства и функции углеводов, применяя анимацию “Функции углеводов”, учебный материал в учебнике. | Изучает свойства и функции углеводов используя стр. 41 учебника и анимацию. Анализирует добытые из разных источников знания, делает выводы. | |||
| Модуль 6 Практическое значение углеводов |
Рассмотрите иллюстрацию сделайте вывод о взаимосвязи свойств и функций углеводов их практическом значении. Заполните таблицу (см. приложение 1). | По иллюстрации изучает Практическое значение углеводов, Готовит общий групповой отчет о проделанной работе в электронном виде. (см. приложение 1) | |||
| Модуль 7 Строение белка |
Задание для второй группы: 1 .Используя иллюстрацию “Строение белка”, текст “Белки”, изучите понятия: структура белка, денатурация, ренатурация белка.. |
2 группа используя иллюстрацию Строение белка изучает понятие структура белка; текст “Белки” изучает состав белка, денатурацию, ренатурацию белка. | |||
| Модуль 8 Белки |
2. Заполните таблицу в электронном варианте “Уровни организации макромолекул белка” | Работая с текстом “Белки” заполняет таблицу (см.приложение 2) | |||
| Модуль 9 Практика. Строение белков |
3. Используя ЭОР “Строение белков”
Выполните практические задание. 4. Составьте и представьте отчет в электронном виде |
Выполняет практическое задание “Строение белка”, готовит отчет в электронном виде о составе и строении белков. (см.приложение 2) |
|||
| Модуль 10 Белки – основа жизни |
Задание для третьей группы: 1. Прочитайте гипертекст “Белки – основа жизни” изучите функции белков. Ответьте на вопрос: “Почему опасно белковое голодание?” 2. В тетради на печатной основе составьте кластер упр. № 12 на стр. 38 “ Многообразие белков и их функции” |
Третья группа: читает текст с
иллюстрациями “Белки — основа жизни” изучает
функции белков.http://school-collection.edu.ru/catalog/res/000004ab-1000-4ddd-40a7-5a0046bc4324/? from=000001a5-a000-4ddd-5fde-0c0046b1db9c&interface= catalog&class%5b%5d=53&class%5b%5d=51&subject=29 Отвечает на вопрос чем опасно белковое голодание. Заполняет кластер в тетради на печатной основе “Многообразие белков и их функции” |
|||
| Модуль 11 Практика. Функции белков |
3. Используя ЭОР “Функции белков” выполните практические задания. | Выполняет практические задания “Функции белков” Составляет общий групповой отчет. (См.приложение № 3) | |||
| Модуль 12Действие азотной кислоты на белки | Задание для четвертой группы: 1. Используя видеофрагмент “Действие азотной кислоты на белки докажите, что белки входят в состав клеток живых организмов. 2. Составьте и представьте отчет в электронном виде |
Четвертая группа смотрит
видефрагмент Действие
азотной кислоты на белки, доказывает наличие
белков в клетках живых организмов. Оформляет
результаты эксперимента по плану: цель, задачи,
методы, результаты, выводы. Составляет отчет. (см. приложение № 4) В конце работы каждая группа передаёт свою работу по локальной сети преподавателю. Представляет работу одноклассникам. Получает оценку деятельности, как со стороны преподавателя, так и обучающихся делает самооценку. Обучающиеся записывают основные тезисы в тетрадь. |
|||
| Физкультурная минутка | Учитель предлагает обучающимся сделать гимнастику для глаз, восстановление кровообращения нижних конечностей. | Обучающиеся повторяют упражнения под легкую музыку | 1 | ||
| 5 | Этап закрепления новых знаний | Учитель предлагает обучающимся
познавательные задачи: 1) Молекула гемоглобина имеет молекулярную массу 68 000. Определите длину молекулы гемоглобина 2) Объясните утверждение: Белки – носители и организаторы жизни” 3) Дезинфицирующее свойство этилового спирта основано на его способности вызывать денатурацию бактериальных белков, что приводит к гибели микроорганизмов? |
Обучающиеся отвечают на вопросы, решают задачи | 5 | |
| 6 | Подведение итогов работы | Учитель возвращается к цели урока,
задает вопросы: 1.Все ли задачи, которые мы поставили на уроке, выполнили? Совместно с обучающимися формулирует общий вывод. 2. Что вы узнали нового на уроке? 3. Что каждый из вас взял для себя в процессе работы на уроке? Учитель сообщает обучающимся о результатах работы обучающихся на уроке. Кто из учеников работал особенно старательно, выставляет оценки с небольшим комментарием |
Обучающиеся отвечают на вопросы;
предлагают варианты общего вывода; формулируют общий вывод совместно с учителем. |
2 | |
| 7 | Этап информации обучающихся о домашнем задании и инструктаж о его выполнении. | Прочитать параграф 22,23 Домашний эксперимент: Изучите каталитическую активность ферментов в живых клетках. Ответьте на вопрос: “Почему опасно белковое голодание для растений?” (см. приложение № 5 ) Учитель отвечает на вопросы обучающихся. |
Обучающиеся записывают домашнее задание, задают вопросы. | 1 |
Конспект «ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ. ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА КЛЕТКИ»
КОНСПЕКТ ПО ТЕМЕ
«ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ.
ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА КЛЕТКИ»
ПЛАН КОНСПЕКТА
Биополимеры
Углеводы: строение, классификация, функции.
Липиды: строение, классификация, функции.
Белки: строение, классификация.
Структура белковых молекул.
Свойства и функции белков.
Понятие о ферментах
1. Биополимеры.
Содержание в клетке химических соединений | ||||||||||||||
|
Органические вещества – это химические соединения, в состав которых входят атомы углерода.
Атомы углерода способны вступать друг с другом в прочную ковалентную связь, образуя множество разнообразных цепных или кольцевых молекул.
Биополимеры – это органические соединения, входящие в состав клеток живых организмов и продуктов их жизнедеятельности.
Органические вещества относятся к группе полимеров.
Полимер – это многозвеньевая цепь, в которой звеном является какое-либо относительно простое вещество – мономер.
ПОЛИМЕРЫ
Регулярные Нерегулярные
в молекуле группа мономеров перио- в молекуле нет видимой повторяемости
дически повторяется. мономеров.
…АБАБАБАБ… …АБААБББАБААБ…
…ААББААББ… Наличие нерегулярных полимеров —
причина многообразия жизни.
Макромолекулы
Крупные и сложные по строению молекулы органических соединений называют макромолекулами. Они состоят из более простых молекул. К макромолекулам относят молекулы белков, жиров, сложных углеводов и нуклеиновых кислот.
2. Углеводы: строение, классификация, функции.
Углеводы – органические соединения, состоящие из углерода, водорода и кислорода.
Углеводы
Простые | Сложные | Сложные |
Моносахариды | Дисахахариды (олигосахариды 2-10 мономеров) | Полисахариды |
Глюкоза С6Н12О6— гексоза Фруктоза С6Н12О6— гексоза Галактоза С6Н12О6— гексоза Рибоза С5Н10О5-пентоза Дезоксирибоза С5Н10О4-пентоза Очень хорошо растворимы в воде, кроме пентоз имеют сладкий вкус. | Мальтоза=α-глюкоза+ α-глюкоза Лактоза(молочный сахар) = глюкоза + галактоза Сахароза(тростниковый, свекловичный сахар) = глюкоза + фруктоза Хорошо растворимы в воде и обладают сладким вкусом. | Образуются в результате реакции поликонденсации Крахмал – резервный углевод растений Гликоген – резервный углевод у животных, человека и грибов Целлюлоза – структурный углевод клеточных стенок растений (β- глюкоза) Хитин – покров тела у насекомых, клеточная стенка грибов Муреин – клеточная стенка бактерий Утрачивают сладкий вкус и способность растворяться в воде |
Строение молекул углеводов: А – глюкоза; Б – фруктоза; В – циклическая формула глюкозы; Г – схема соединения молекул глюкозы; Д – схема строения молекулы крахмала; Е – схема строения молекулы целлюлозы |
Моносахариды – бесцветные, твердые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, обычно сладкие на вкус. Глюкоза и фруктоза содержатся в меде, фруктах. Рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот.
Молекулы моносахаридов – линейные цепочки атомов углерода. У всех углеводов есть карбонильная группа. Число молекул глюкозы, входящих в состав молекул полисахаридов, непостоянно и может колебаться от сотен до миллиона.
Молекулы сложных углеводов – полисахаридов – состоят из множества соединенных между собой остатков молекул моносахаридов. Это крахмал, целлюлоза, гликоген (животный крахмал). Число молекул глюкозы, входящих в состав молекул полисахаридов, непостоянно и может колебаться от сотен до миллиона. Общая формула крахмала, гликогена и целлюлозы (С6Н10О5)n. Символ “n” означает, что число молекул глюкозы может изменяться. Целлюлоза имеет линейную структуру, а крахмал и гликоген – разветвленную. Число “n” у целлюлозы больше.
В клетках животных – 1-5% углеводов
растений — до 70%
Изменение окраски, при добавлении к крахмалу спиртового раствора йода, на синий, исчезновение её при нагревании и появление после остывания, связано с изменением положения цепей в полимере.
Функции углеводов
1. Энергетическая – основные источники энергии в животном организме (при расщеплении 1г углевода выделяется 17,6 кДж)
2. Запасающая – накопление крахмала клетками растений и гликогена клетками животных, который играет роль источника глюкозы, легко высвобождая её по мере необходимости.
3. Структурная – входят в состав клеточных мембран и клеточных стенок. Соединяясь с липидами и белками, образуют гликолипиды и гликопротеиды. Входят в состав нуклеотидов.
Слизи, выделяемые различными железами, богаты углеводами и их производными (например, гликопротеинами). Они предохраняют пищевод, кишечник, желудок, бронхи от механических повреждений, препятствуют проникновению в организм бактерий и вирусов. Гепарин предотвращает свёртывание крови в организме животных и человека.
Липиды: строение, классификация, функции.
Липиды
Простые Сложные
Жиры Воска Фосфолипиды Гликолипиды Липоиды
(основная
форма запа-
сания липидов) Витамины Стероиды Терпены Гиббереллины Пигменты
Липиды – сложные эфиры жирных кислот и многоатомных спиртов.
Липиды – это сборная группа органических соединений, не имеющих единой химической характеристики.
Липиды нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях (эфире, хлороформе, бензоле)
Содержаться во всех клетках животных и растений (5 – 15% сухой массы, в жировой ткани может достигать 90%).
Главное свойство липидов – гидрофобность.
Классификация липидов
1. Жиры (триглицериды) – это сложные эфиры высших жирных кислот и трёхатомного спирта – глицерина. Самые распространённые в природе липиды. В составе триглицеридов обнаружено более 500 жирных кислот, молекулы которых имеют сложное строение. Жирные кислоты имеют одинаковую для всех кислот группировку – карбоксильную группу (- СООН) и радикал, которым они отличаются друг друга. Карбоксильная группа образует головку жирной кислоты, она полярна, поэтому гидрофильна. Радикал представляет собой углеводородный хвост, отличающийся у разных жирных кислот количеством группировок – СН2. Он неполярен, поэтому гидрофобен. При образовании молекулы триглицерида каждая из трёх гидроксильных (-ОН) групп глицерина вступают в реакцию конденсации с жирной кислотой, образуется три сложноэфирные связи, поэтому образовавшееся соединение называется сложным эфиром. Физические свойства зависят от состава их молекул. Если преобладают насыщенные жирные кислоты, то они твёрдые (жиры), если ненасыщенные – жидкие (масла). Плотность жиров ниже, чем у воды, поэтому в воде они всплывают и находятся на поверхности.
Функции: 1. Источник ≈ 50% энергии в клетке.
2. Источник воды.
3. Защитная (виде толстого подкожного жира)
2. Воски – группа простых липидов, представляющих собой сложные эфиры высших жирных кислот и высших высокомолекулярных спиртов.
Функции: 1. Секрет сальных желёз у животных.
2. Защитный покров листьев и плодов у растений.
3. Фосфолипиды – сложные эфиры многоатомных спиртов с высшими жирными кислотами, содержащие остаток фосфорной кислоты. Как правило, в молекуле фосфолипидов имеются два остатка высших жирных и один остаток фосфорной кислоты. Присутствуют во всех клетках живых существ, участвуя, главным образом в формировании клеточных мембран.
Функции: Основа всех клеточных мембран.
4. Гликолипиды – это углеводные производные липидов. Локализованы преимущественно на наружной поверхности плазматической мембраны, где их углеводные компоненты входят в число других углеводов клеточной поверхности.
5. Липоиды – жироподобные вещества. К ним относятся:
а) стероиды – входят в состав гормонов надпочечников, половых (эстрадиол, тестостерон), а так же в состав холестерина – важного компонента клеточных мембран у животных.
б) терпенты – эфирные масла, от которых зависит запах растений.
в) гиббереллины – ростовые вещества растений.
г) пигменты – хлорофилл, билирубин.
д) витамины – А, К, Е, D.
Функции липидов
1. Энергетическая – в ходе расщепления 1г жиров до СО2 и Н2О освобождается 38,9 кДж.
2. Структурная – принимают участие в образовании клеточных мембран (фосфолипиды, гликолипиды и гликопротеиды)
3. Запасающая – жиры являются запасным веществом животных и растений. Это важно для животных , впадающих в спячку в холодное время года, совершающих длительные переходы через местность, где нет питания (верблюд), для растений, чьи семена содержат жир для обеспечения энергией развивающегося растения.
4. Терморегуляторная – хороший термоизолятор, вследствии плохой теплопроводимости.
5. Защитно – механическая – защищают организмы от механических воздействий.
6. Каталитическая – эта функция связана с жирорастворимыми витаминами. Сами по себе витамины не обладают каталитической активностью, но они входят в состав ферментов, без них ферменты не могут выполнять свои функции.
7. Источник метаболической воды – одним из продуктов окисления жиров является вода. Эта метаболическая вода важна для обитателей пустынь. Жир, которым заполнен горб верблюда – это прежде всего источник воды – при окислении 1кг жира выделяется 1,1кг воды.
8. Запасы жира повышают плавучесть водных животных.
4. Белки: строение, классификация.
«Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка»
Ф. Энгельс
Состав и строение белков
Белки – это высокомолекулярные органические вещества, состоящие из остатков α-аминокислот. (это биополимеры, мономеры которых – аминокислоты)
В состав белков входят: C, H, N, O, S, часть белков образует комплексы с другими молекулами, содержащими P, Fe, Zn, Cu.
Молекулярная масса белков:
Альбумин – 36000
Гемоглобин – 152000
Миозин – 500000
Белки – нерегулярные полимеры, мономер – аминокислота.
В клетках и тканях обнаружено около 170 а/к, но в состав белков входят лишь 26, причем 6 из них являются нестандартными, они образуются в результате модификации стандартных а/к уже после их включения в полипептидную цепь. Поэтому обычными компонентами белков считают лишь 20 α – а/к.
Аминокислоты
Заменимые Незаменимые
10 а/к, синтезируемых в организме в организме не синтезируются
глицин фенилаланин
аланин валин
серин лизин
цистеин
тирозин
аспарагиновая кислота
глутаминовая кислота
В зависимости от а/к состава белки бывают:
— полноценные – содержат весь набор а/к
— неполноценные – если какие-то а/к отсутствуют
— простые – состоят только из а/к (фибрин, трипсин)
— сложные – содержат, помимо а/к небелковую (простетическую) группу:
ионы Ме – металлопротеины (гемоглобин)
углеводы – гликопротеины
липиды – липопротеины
нуклеиновые кислоты – нуклеопротеины
Аминокислоты (а/к) – бесцветные кристаллические вещества, растворимые в воде. Все аминокислоты содержат карбоксильную группу (–СООН) и аминогруппу (–NH2). В зависимости от их количества различают:
— нейтральные а/к – одна карбоксильная и одна аминогруппы
— основные а/к – более одной аминогруппы
— кислые а/к – более одной карбоксильной группы
А/К – это амфотерные соединения – могут выступать в роли кислот и оснований, поэтому реакция среды РН зависит от состава а/к.
Число аминокислот, их разнообразие, последовательность соединения определяют видовую специфичность белков: различия белков разных видов, особей, тканей и клеток. Цепь, состоящую из большого числа соединенных друг с другом аминокислотных остатков, называют полипептидной. Белки содержат одну или несколько полипептидных цепей.
Пептиды – это органические вещества, состоящие из остатков а/к, соединённых пептидной связью, в результате реакции конденсации
В состав полипептидной цепи входят десятки и сотни тысяч аминокислотных остатков. Остатки аминокислот соединяются в молекуле белка посредством ковалентной пептидной связи:
Ковалентная пептидная связь |
Пептидная связь возникает между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой аминокислоты. При этом отщепляется молекул воды
Образование пептидной связи |
5.Структура белковых молекул.
|
|
Определяет свойства белка и пространственную конфигурацию. Незначительное количество белков имеет строго линейную структуру, основная масса белков подвергается дальнейшей укладке.
|
|
|
|
Поддерживается разнообразными связями:
— ионными,
— дисульфидными (S-S)
— водородными
— гидрофобными взаимодействиями между боковыми цепями а/к остатков, в водных растворах гидрофобные цепи стремятся спрятаться от воды, группируясь внутри, а гидрофильные цепи в результате гидратации стремятся оказаться на поверхности молекулы.
|
|
Это комплекс, объединяющий несколько третичных структур органической природы и неорганическое вещество (железо).
Удерживается за счет ионных, водородных связей и гидрофобного взаимодействия.
6. Свойства и функции белков. Свойства белков
Аминокислотный состав, структура белковой молекулы определяют его свойства:
1. Амфотерность – белки сочетают в себе кислотные и основные свойства, чем больше кислых аминокислот в белке, тем ярче выражены его кислотные свойства.
2. Буферные свойства – способность поддерживать РН среды на постоянном уровне (гемоглобин в эритроцитах).
3. Растворимость – есть белки растворимые, есть нерастворимые, выполняющие механические функции (фибрин, кератин, коллаген).
4. Активность – необычайно активные белки – это ферменты, но есть химически неактивные белки.
5.Устойчивость – устойчивые к воздействию различных условий внешней среды и крайне неустойчивые.
6. Молекулы белков обладают способностью к денатурации – нарушении естественной трёхмерной конфигурации белка. Естественное состояние белка называется нативным.
Денатурация – нарушение нативной (естественной) структуры молекул белков.
Денатурация происходит под влиянием различных факторов: нагревания, облучения, влияния химических веществ, солевого состава среды, РН, радиации. Денатурацию мы наблюдаем при варке яиц, когда белок мутнеет, становится непрозрачным и упругим.
|
|
Денатурация может быть:
— обратимой, если возможно восстановление свойственной белку структуры. (например, рецепторные белки мембраны).
Процесс восстановления структуры белка после денатурации называется — ренатурация.
— необратимая, если восстановление пространственной конфигурации невозможно. Это происходит при разрыве большого количества связей (варка яиц).
Видовая специфичность белков – определяется набором а/к, их количеством и последовательностью расположения в полипептидной цепи..В организме человека около 5 млн. белков, у бактерий – 3 тыс.
Белковая индивидуальность проявляется у живых организмов следующим образом:
а) является причиной отторжения трансплантантов – пересаженных органов;
б) лежит в основе иммунитета – невосприимчивости к чужеродному белку.
Функции белков
1. Каталитическая. В состав клеток входит большое количество веществ, химически мало активных. Но все биохимические реакции протекают с огромной скоростью, благодаря участию в них биокатализаторов – ферментов – веществ белковой природы. Белки-катализаторы ускоряют химические реакции в клетке. Скорость ферментативных реакций в десятки тысяч (а иногда и в миллионы раз) выше скорости реакций, идущих с участием неорганических катализаторов. Например, перекись водорода без катализатора медленно разлагается на воду и кислород. В присутствие солей железа (катализатора) эта реакция идёт несколько быстрее. Фермент каталаза за 1 сек. расщепляет до 100 тыс молекул перекиси водорода.
2. Регуляторная. Большая группа белков принимает участие в регуляции процессов обмена веществ. Регуляторную функцию выполняют гормоны — биологически активные вещества, выделяющиеся в кровь железами внутренней секреции Например, белок инсулин регулирует содержание сахара в крови.
3. Сократительная. Белки – актин и миозин – вызывают сокращение мышечных волокон.
4. Структурная (строительная). Белки входят в состав клеточных мембран, хрящей, сухожилий, волос, перьев, ногтей, рогов, чешуи.
5. Двигательная. Движение обеспечивают особые сократительные белки, входящие в состав ресничек и жгутиков, псевдоподий у простейших, сокращении мышц у многоклеточных, движение листьев у растений.
6. Защитная. Защитную функцию выполняют антитела, которые вырабатываются в ответ на проникновение в организм чужеродных белков или м/о — антигенов. Иммуноглобулины – способны связывать и обезвреживать их, фибриноген и фибрин, участвуют в свертывании крови.
7. Транспортная. Некоторые белки способны присоединять различные вещества и переносить их к различным тканям и органам тела, из одного места клетки в другое. Гемоглобин, входящий в состав эритроцитов, обеспечивает перенос кислорода и углекислого газа.
8. Запасающая. Некоторые белки накапливаются как запасные и питательные вещества. Например, при распаде гемоглобина железо не выводится из организма, а сохраняется в нём, образуя комплекс с белком ферритином. К запасным белкам относятся белки молока, яиц.
9. Энергетическая. Белки являются одним из источников энергии в клетке При распаде 1г белка до конечных продуктов выделяется 17,6 кДж. Сначала белки распадаются до а/к, а затем до конечных продуктов – воды, углекислого газа и аммиака. Однако в качестве источника энергии белки используются тогда, когда другие израсходованы. При окислении молекул белков освобождается примерно такое же количество энергии, как и при окислении углеводов.
10. Сигнальная. В поверхностную мембрану клетки встроены молекулы белков, способных изменять свою третичную структуру в ответ на действие факторов внешней среды. Так происходит приём сигналов из внешней среды и передача команд в клетку.
11. Токсическая. Токсические белки в яде змей, насекомых, грибов.
Понятие о ферментах
Важнейшая функция белков – каталитическая. Ее выполняют особые белковые молекулы – ферменты. В клетке протекает множество разнообразных химических реакций, но ни одна из них не может осуществляться без участия ферментов. В настоящее время обнаружено свыше 2000 ферментов, причем их эффективность во много раз выше, чем эффективность неорганических катализаторов, используемых в производстве. Так, 1 мг железа в составе фермента каталазы заменяет 10 т неорганического железа. Каталаза увеличивает скорость разложения пероксида водорода в 1011 раз. Фермент, катализирующий реакцию образования угольной кислоты (CO2 + H2OH2CO3), ускоряет реакцию в 107 раз. Что же собой представляют ферменты?
Ферменты – белковые молекулы, синтезируемые клетками и ускоряющие протекание химических реакций. Это биологические катализаторы. |
Свойства и функции ферментов: |
— каталитическая активность ферментов в несколько раз выше, чем у неорганических катализаторов; |
— специфичность действия — это значит, что фермент ускоряет одну реакцию или несколько сходных реакций; |
Каталитическая активность ферментов
Ферменты функционируют лишь при определенной температуре, концентрации веществ, кислотности среды. Изменение условий приводит к нарушению третичной и четвертичной структуры белковой молекулы, а, следовательно, и к подавлению активности фермента. Как это происходит?
|
|
Простые или однокомпонентные – состоят только из белка.
Сложные или двухкомпонентные – состоят из белка и небелкового компонента кофактора, в роли которого может выступать либо неорганическое вещество – металл, либо органическое – витамин.
Каталитической активностью обладает не вся молекула фермента, а ее небольшой участок, состоящий из 3-12 аминокислотных остатков – активный центр фермента, который формируется в результате изгиба полипептидной цепи. Если под влиянием разных факторов происходит денатурация, нарушается пространственная конфигурация активного центра, и фермент теряет свою активность.
Вещество, на которое воздействует фермент (Е), называют субстратом (S). В процессе взаимодействия фермента (Е) и субстрата (S) образуется фермент–субстратный комплекс (ЕS). Субстрат под влиянием фермента изменяется, образуя новое вещество –продукт (Р).
По завершении реакции фермент – субстратный комплекс распадается на фермент и продукт: Е+SESЕРЕ+Р.
Согласно гипотезе, выдвинутой в 1890 г. Э. Фишером, субстрат подходит к ферменту, как ключ к замку, то есть пространственные конфигурации активного центра и субстрата точно соответствуют друг другу. Субстрат сравнивается с «ключом», который подходит к «замку» — ферменту.
В 1959 году Д. Кошланд выдвинул гипотезу, по которой пространственное соответствие структуры субстрата и активного центра фермента создаётся лишь в момент их взаимодействия друг с другом. Эту гипотезу называют гипотезой «руки и перчатки» (гипотезой индуцированного действия).
Зависимость активности ферментов от различных факторов.
Поскольку все ферменты являются белками, их активность наиболее высока при физиологически нормальных условиях.
1. Определенная температура – при её повышении до некоторого значения (в среднем до 50оС) каталитическая активность растёт (на каждые 10оС скорость реакции повышается примерно в 2 раза). При температуре выше 50оС белок подвергается денатурации и активность фермента падает.
2. Оптимальное значение РН, при котором фермент проявляет максимальную активность.
3. Концентрация фермента и субстрата. При увеличении количества субстрата скорость ферментативной реакции растёт до тех пор, пока количество молекул субстрата не станет равным количеству молекул фермента. При дальнейшем увеличении количества субстрата скорость увеличиваться не будет, так как происходит насыщение активных центров фермента. Увеличение концентрации фермента приводит к усилению каталитической активности, так как в единицу времени преобразованиям подвергается большее количество молекул субстрата.
Значение ферментов:
1. В медицине: для обработки ран, при лечении болезни глаз, кожных болезней, ожогов, в урологии, при истощении, ожирении.
2. Производство антибиотиков, синтез витаминов.
3. В пищевой промышленности: виноделие, хлебопечение.
Выводы
Ферменты – это белки, ускоряющие химические реакции в клетке. Фермент–это биологические катализаторы. |
Свойства ферментов: высокая активность, специфичность действия, способность проявлять активность лишь в определенных условиях. |
Фермент и субстрат взаимодействуют между собой, при этом субстрат превращается в новое вещество, а фермент не изменяется. |
Ни одна химическая реакция в клетке не протекает без участия ферментов. |
Биология — наука о жизни (от греч. биос — жизнь, логос — наука), которая изучает закономерности жизни и развития живых существ. Термин был предложен немецким ботаником Г.Р. Тревиранусом и французским естествоиспытателем Ж.-Б. Ламарком в 1802 году независимо друг от друга. Биология относится к естественным наукам, разделы которой можно классифицировать по-разному, например, выделяют науки по объектам исследования: о животных — зоологию; о растениях — ботанику; анатомию и физиологию человека как основу медицинской науки. В пределах каждой из этих наук имеются более узкие дисциплины. Например, в зоологии выделяют протозоологию, энтомологию, гельминтологию и другие. Биологию классифицируют по дисциплинам, изучающим морфологию (строение) и физиологию (функции) организмов. К морфологическим наукам относят, например, цитологию, гистологию, анатомию. Физиологические науки — это физиология растений, животных и человека. Для современной биологии характерно комплексное взаимодействие с другими с химией, физикой, математикой и появление новых сложных дисциплин. Так возникли биофизика, биохимия, бионика. Сведения, получаемые каждой из наук, объединяются, взаимодополняя и обогащая друг друга, и проявляются в обобщенном виде, в познанных человеком закономерностях, которые либо прямо, либо с некоторым своеобразием (в связи с социальным характером людей) распространяют свое действие на человека. Вторую половину XX столетия справедливо называют веком биологии. Такая оценка в жизни человечества представляется еще более оправданной в наступившем XXI в. К настоящему времени получены важные результаты в области изучения наследственности, фотосинтеза, фиксации растениями атмосферного азота, синтеза гормонов и других регуляторов жизненных процессов. Уже в реально обозримом будущем путем использования генетически модифицированных растительных и животных организмов, бактерий могут быть решены задачи обеспечения людей продуктами питания, необходимыми медицине и сельскому хозяйству лекарствами, биологически активными веществами и энергией в достаточном количестве, несмотря на рост населения и сокращение природных запасов топлива. Исследования в области геномики и генной инженерии, биологии клетки и клеточной инженерии, синтеза ростовых веществ открывают перспективы замещения дефектных генов у лиц с наследственными болезнями, стимуляции восстановительных процессов, контроля за размножением и физиологической гибелью клеток и, следовательно, воздействия на злокачественный рост. Биология относится к ведущим отраслям естествознания. Высокий уровень развития биологии служит необходимым условием прогресса медицины и здравоохранения. |
Органические вещества входящие в состав клетки — какие основные соединения
Живая клетка любого организма состоит из органических компонентов на 25–30%.
К органическим составляющим относятся как полимеры, так и сравнительно некрупные молекулы – пигменты, гормоны, АТФ и пр.
Клетки живых организмов различаются между собой по структуре, функциям и по своему биохимическому составу. Однако каждая группа органических веществ имеет сходное определение в курсе биологии и выполняет одни и те же функции в любом типе клеток. Основные составляющие компоненты — это жиры, белки, углеводы и нуклеиновые кислоты.
Липиды
Липидами называются жиры и жироподобные вещества. Эта биохимическая группа отличается хорошей растворимостью в органических веществах, но при этом нерастворима в воде.
Жиры могут иметь твёрдую или жидкую консистенцию. Первая более характерна для животных жиров, вторая – для растительных.
Это интересно: атф это что за вещество состав, функции и роль в организме.
Функции жиров заключаются в следующем:
- Структурная – фосфолипиды являются основной структурной составляющей клеточных мембран.
- Энергетическая – значительная часть энергии, которую использует клетка в процессе своей жизнедеятельности, получается в результате окисления жиров. Кроме того, в результате окисления липидов клетка получает воду.
- Защитная функция липидов заключается в том, что подкожный жировой слой защищает ткани от температурных воздействий и механических повреждений. Кроме того, у птиц и животных имеется жировая смазка на перьях, шерсти и коже. А листья большинства растений покрыты восковым налётом.
- Изоляционная функция жиров – миелин служит изоляционным слоем для нейронов, это служит ускорению передачи нервных импульсов.
- Из компонентов жировой ткани образуется ряд желчных кислот и витамин Д.
- Гормональная функция заключается в том, что многие гормоны имеют липидную природу.
Углеводы
Углеводы – это органические мономерные и полимерные вещества, которые в своём составе содержат углерод, водород и кислород. При их расщеплении клетка получает значительное количество энергии.
По химическому составу различают следующие классы углеводов:
- Простые углеводы или моносахариды. В зависимости от количества атомов углерода в молекуле такие вещества подразделяют на триозы, пентозы, гексозы и пр. К пентозам относятся вещества рибоза и дезоксирибоза — составляющие компоненты РНК и ДНК. Наиболее известная гексоза – это глюкоза, которая служит основным источником энергии для живых клеток.
- Олигосахариды – соединения, включающие в себя 2 или несколько мономеров гексозы. Наиболее известные дисахариды – лактоза и сахароза.
- Сложные углеводы или полисахариды — это полимеры, в состав которых входят несколько мономеров гексозы. К полисахаридам растительного происхождения относится целлюлоза. Углеводы, входящие в состав клеточной мембраны, представлены в основном сложными соединениями — гликолипидами и гликопротеидами. В животных клетках такую функцию выполняет гликоген. Крахмал – полисахарид, который содержится как в растительных, так и животных клетках.
По сравнению с животными клетками, растительные содержат в своём составе большее количество углеводов. Это объясняется способностью растительных клеток воспроизводить углеводы в процессе фотосинтеза.
Основными функциями углеводов в живой клетке являются энергетическая и структурная.
Энергетическая функция углеводов сводится к накоплению запасов энергии и высвобождению их по мере необходимости. Растительные клетки накапливают в вегетационный период крахмал, который откладывается в клубнях и луковицах. В организмах животных такую роль выполняет полисахарид гликоген, который синтезируется и накапливается в печени.
Структурную функцию углевод выполняют в растительных клетках. Практически вся клеточная стенка растений состоит из полисахарида целлюлозы.
Белки
Белки – органические полимерные вещества, которые занимают ведущее место как по количеству в живой клетке, так и по своему значению в биологии. Вся сухая масса животной клетки состоит из белка примерно наполовину. Этот класс органических соединений отличается поразительным многообразием. Только в организме человека насчитывается около 5 млн различных белков. Они не только отличаются между собой, но и имеют различия с белками других организмов. И все это колоссальное многообразие белковых молекул строится всего из 20 разновидностей аминокислот.
Если на белок воздействуют термические или химические факторы, в молекулах происходит разрушение водородных и бисульфидных связей. Это приводит к денатурации белка и изменению структуры и функций клеточной мембраны.
Все белки можно условно разделить на два класса: глобулярные (к ним относятся ферменты, гормоны и антитела), и фибриллярные – коллаген, эластин, кератин.
Функции белка в живой клетке:
- Каталитическая функция. Большая часть биохимических реакций в клетке протекает довольно медленно. Это связано с низким уровнем химической активности многих органических веществ в клетке и их низкой концентрацией в живом организме. В этом случае белки исполняют роль катализаторов химических реакций, благодаря чему все процессы в значительной степени ускоряются и активизируются. Природные белковые биокатализаторы называются ферментами или энзимами. Каждый фермент отвечает за определённую химическую реакцию.
- Строительная функция. Многие белки участвуют в строительстве клеточной мембраны и оболочек всех органелл.
- Сигнальная функция. По данным проведённых исследований, все внешние факторы вызывают в молекуле белка обратимые изменения. Такие обратимые изменения лежат в основе важного свойства живых организмов – раздражимости. Под влиянием физических, химических или термических раздражителей происходит изменение пространственной упаковки молекулы белка с изменением её функциональных особенностей.
- Транспортная функция заключается в способности некоторых белков обратимо связываться с органическими и неорганическими веществами и переносить их к различным органам и тканям. Наиболее характерна такая функция для белков крови. Примером таких белков может считаться гемоглобин, который способен связываться с молекулами кислорода и углекислого газа. Сывороточные белки альбумины могут транспортировать гормоны и некоторые липиды.
- Защитная функция белков заключается в выработке в организме в ответ на внедрение чужеродного агента антител. Эти белковые компоненты способны связывать чужеродные компоненты и обезвреживать их.
- В меньшей степени белки могут также служить и источником энергии. При их распаде до аминокислот и дальше до воды, углекислого газа и азотистых соединений, выделяется некоторое количество энергии, необходимой для поддержания нормальной жизнедеятельности клетки.
Нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые кислоты имеют важное значение в структуре и правильном функционировании клеток. Химическое строение этих веществ таково, что позволяет сохранять и передавать по наследству информацию о белковой структуре клеток. Эта информация передаётся дочерним клеткам и на каждом этапе их развития формируется определённый вид белков.
Поскольку подавляющее большинство структурных и функциональных особенностей клетки обусловлено их белковой составляющей, очень важна стабильность, которой отличаются нуклеиновые кислоты. В свою очередь, от стабильности структуры и функций отдельных клеток зависит развитие и состояние организма в целом.
Различают две разновидности нуклеиновых кислот – рибонуклеиновая (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК).
ДНК представляет собой полимерную молекулу, которая состоит из пары спиралей нуклеотидов. Каждый мономер молекулы ДНК представлен в виде нуклеотида. В состав нуклеотидов входят азотистые основания (аденин, цитозин, тимин, гуанин), углевод (дезоксирибоза) и остаток фосфорной кислоты.
Все азотистые основания соединяются между собой строго определённым образом. Аденин всегда располагается всегда против тимина, а гуанин – против цитозина. Такое избирательное соединение называется комплементарностью и играет очень важное значение в формировании структуры белка.
Все соседние нуклеотиды между собой связываются остатком фосфорной кислоты и дезоксирибозой.
Рибонуклеиновая кислота имеет большое сходство с дезоксирибонуклеиновой. Различие заключается в том, что вместо тимина в структуре молекулы присутствует азотистое основание урацил. Вместо дезоксирибозы это соединение содержит углевод рибозу.
Все нуклеотиды в цепочке РНК соединяются через фосфорный остаток и рибозу.
По своей структуре РНК может быть одно— и двухцепочечным. У ряда вирусов двухцепочечные РНК выполняют функции хромосом – они являются носителями генетической информации. С помощью одноцепочечной РНК происходит перенос информации о составе белковой молекулы.
Минеральные вещества клетки. Органические вещества. Углеводы
Химические вещества, входящие в состав организма, подразделяют на макро — и микроэлементы.
К макроэлементам относятся: кислород, углерод, водород, азот, фосфор, калий, сера, железо, магний, натрий и кальций.
К микроэлементам: бор, кобальт, медь, молибден, цинк, ванадий, йод и бром.
Большая часть минеральных веществ клетки представлена в виде солей, диссоциированных на ионы, либо находится в твёрдом состоянии.
Ион — это частица, в которой общее число протонов не эквивалентно общему числу электронов.
Ион, в котором общее число протонов больше общего числа электронов, имеет положительный заряд и называется катионом.
Ион, в котором общее число протонов меньше общего числа электронов, имеет отрицательный заряд и называется анионом.
Неорганические ионы, имеющие немаловажное значение для обеспечения процессов жизнедеятельности клетки, представлены катионами и анионами минеральных солей.
В виде самостоятельных частиц ионы встречаются во всех агрегатных состояниях вещества: газах, жидкостях, кристаллах и плазме.
Недостаток или отсутствие ионов некоторых металлов приводит к нарушению жизнедеятельности клеток. Например, ионы некоторых металлов (Мg, Са, Zе, Сu, Мn, Мо, Вr, Со) являются компонентами многих ферментов, гормонов и витаминов, или активируют их.
Ион железа, например, входит в состав молекулы гемоглобина крови, а ион Мg в состав молекулы хлорофилла — пигмента, окрашивающего хлоропласты растений в зелёный цвет.
Кристаллические включения содержатся в цитоплазме практически любой клетки. Эти включения состоят, как правило, из слаборастворимых солей кальция и фосфора.
Кристаллические включения используются для образования опорных структур клетки, например, минерального скелета радиолярий, одноклеточных планктонных организмов, обитающих преимущественно в тёплых океанических водах.
Соли кальция входят в состав костной ткани, раковин моллюсков и хитина — основного экзоскелета членистоногих и ряда других беспозвоночных.
Органические вещества
Органические вещества — это класс химических соединений, в состав которых входит углерод (за исключением карбидов, угольной кислоты, карбонатов, оксидов углерода и цианидов).
Основные классы органических соединений биологического происхождения — это белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты. Они, помимо углерода, содержат преимущественно водород, азот, кислород, серу и фосфор.
Углеводы, или сахариды, — это органические соединения, входящие в состав клеток всех живых организмов. Являются основными источниками энергии.
В природе углеводы образуются из углекислого газа при фотосинтезе. В процессе, идущем в зелёных растениях под действием солнечного света.
Все углеводы состоят из отдельных «единиц», которыми являются сахариды.
Углеводы, содержащие одну единицу, называются моносахаридами, две единицы — дисахаридами, от двух до десяти единиц — олигосахаридами, а более десяти — полисахаридами.
Моносахариды — это бесцветные, кристаллические вещества, легко растворимые в воде и имеющие сладкий вкус.
Из моносахаридов наибольшее значение для живых организмов имеют глюкоза, фруктоза, рибоза и дезоксирибоза.
Рибоза — это моносахарид из группы пентоз. Представлен бесцветными кристаллами, легко растворимыми в воде и имеющими сладкий вкус.
Рибоза является компонентом РНК и используется при генетической транскрипции.
Также входит в состав АТФ, имеющей большое значение в обмене энергии и веществ в организмах, витаминов группы Б и ряда ферментов.
Дезоксирибоза — это моносахарид, входящий в состав ДНК.
Молекула дезоксирибозы очень схожа с молекулой рибозы. Отличие составляет лишь отсутствие одного из атомов кислорода, отсюда и название этого углевода.
Глюкоза — виноградный сахар, органическое соединение класса моносахаридов. Самый распространённый углевод, содержится в свободном состоянии в различных органах растений и животных.
Глюкоза является мономером полисахаридов (крахмала, гликогена, целлюлозы).
Основными (но не единственными) её источниками являются продукты питания, богатые углеводами.
Глюкоза образуется при распаде углеводных соединений. Она всасывается тонким кишечником.
Для человеческого организма крайне важно, чтобы количество «сахара» поддерживалось на постоянном нормальном уровне, так как он поставляет энергию для клеток. Снижение количества глюкозы в крови влечёт за собой нарушение жизнедеятельности нервных и мышечных клеток, иногда сопровождаемое судорогами или обморочным состоянием.
У здорового человека нормальный уровень сахара в крови натощак равен от 3,2 до 5,5 ммоль/л (мегамоль на литр). После употребления еды допускается уровень глюкозы в крови до 7,8 ммоль.
Фруктоза (плодовый, или фруктовый, сахар) — это моносахарид сладкого вкуса (слаще сахарозы в 1,5 раза).
Фруктоза широко распространена в природе. В большом количестве в свободном виде встречается в плодах, поэтому её часто называют плодовым сахаром. Особенно много фруктозы в мёде и сахарной свёкле.
Путь распада фруктозы в организме короче, чем у глюкозы, что имеет важное значение при питании больного сахарным диабетом, когда глюкоза очень слабо усваивается клетками.
Олигосахариды — это углеводы, содержащие от 2 до 10 моносахаридных остатков. Большинство олигосахаридов растворимы в воде и имеют сладкий вкус.
Из олигосахаридов наиболее широко распространены дисахариды:
сахароза (тростниковый сахар),
мальтоза (солодовый сахар),
лактоза (молочный сахар).
Сахароза, в быту называется просто «сахар», — это дисахарид из группы олигосахаридов, состоящий из двух моносахаридов — α—глюкозы и β—фруктозы.
Сахароза встречается во многих фруктах и ягодах. Особенно велико содержание сахарозы в сахарной свёкле и сахарном тростнике, которые и используются для промышленного производства пищевого сахара.
Сахароза, попадая в кишечник, быстро распадается на глюкозу и фруктозу, которые затем всасываются в кровь.
Мальтоза — это солодовый сахар, природный дисахарид, состоящий из двух остатков глюкозы. Содержится мальтоза в проросших зёрнах ячменя, ржи и других зерновых; обнаружена также в томатах, в пыльце и нектаре ряда растений.
Лактоза (или молочный сахар) — углевод группы дисахаридов, состоящий из остатков молекул галактозы и глюкозы. Лактоза содержится в молоке и молочных продуктах.
Интересный факт
Несмотря на употребление лактозы в лечебных целях, у некоторых людей она не усваивается и вызывает нарушения в работе пищеварительной системы (различные расстройства желудочно-кишечного тракта) после употребления молочных продуктов. У этих людей отсутствует или производится в недостаточном количестве фермент лактаза. Который расщепляет молекулу лактозы.
Непереносимость молочного сахара довольно распространена. Так, в Финляндии и Швейцарии непереносимость лактозы встречается примерно у 16 % взрослых лиц.
В Англии — около 30 %, во Франции приблизительно у 42 %, а в странах Юго-Восточной Азии и у афроамериканцев в США — почти у 100 % (процентов).
Также непереносимость лактозы часто встречается среди коренного населения Африки, Америки и ряда стран Азии.
Непереносимость лактозы связана с отсутствием в этих регионах традиционного молочного животноводства. То есть в генотипе попросту нет гена, который кодировал бы белок (фермент лактазу), расщепляющий лактозу.
Полисахариды (греч. poly — много) являются полимерами и состоят из неопределённо большого (до нескольких сотен или тысяч) числа остатков молекул моносахаридов, соединённых ковалентными связями.
К полисахаридам относятся крахмал, гликоген, целлюлоза и др.
Они играют важную роль в живых организмах, построены из мономеров глюкозы, но связи в их молекулах различны.
С увеличением количества мономеров растворимость полисахаридов уменьшается и исчезает сладкий вкус.
Некоторые углеводы способны образовывать комплексы с белками (или гликопротеинами) и липидами (или гликолипидами). Такие углеводы образуют структуру клеточных мембран.
Углеводы — достаточно обширный класс органических соединений. Среди них встречаются вещества с сильно различающимися свойствами. Что позволяет углеводам выполнять разнообразные функции в живых организмах.
Функции углеводов
Энергетическая функция. Считается основной функцией углеводов. При ферментативном расщеплении и окислении их молекул выделяется энергия, которая обеспечивает жизнедеятельность организма. При полном расщеплении 1 г углеводов освобождается 17,6 кДж энергии.
Запасающая функция углеводов.
Растения запасают углеводы в виде крахмала, а животные и грибы — в виде гликогена.
Углеводы используются организмом как источник энергии. Усиленное расщепление углеводов происходит, например, при прорастании семян, интенсивной мышечной работе и других функциях, требующих больших затрат энергии.
Структурная, или строительная, функция углеводов. Также считается важной функцией для организма.
Так как углеводы используются в качестве строительного материала. Например, целлюлоза состоит из большого числа линейно расположенных мономеров — остатков глюкозы. Благодаря особому строению она нерастворима в воде и обладает высокой прочностью.
Она входит в состав клеточных стенок, где представлена микрофибриллами. Которые образуют каркас, состоящий из гемицеллюлоз, пектинов и гликопротеидов.
Эластичный целлюлозный скелет придаёт клеточной оболочке механическую прочность.
В клеточной стенке молодой растительной клетке число микрофибрилл, образованных молекулами целлюлозы, невелико, но с возрастом оно увеличивается и клетка теряет способность к растяжению.
Волокна хлопка — это почти чистая целлюлоза, и именно поэтому они используются для изготовления тканей.
Хитин — это природное соединение из группы азотсодержащих полисахаридов. Выполняет защитную и опорную функции, обеспечивая жёсткость клеток.
Хитин входит в состав клеточных стенок грибов. В качестве важного компонента наружного скелета хитин встречается у отдельных групп животных, например у членистоногих.
Защитная функция углеводов.
Углеводы могут препятствовать проникновению в трещины растений болезнетворных микроорганизмов. Например, камедь — высокомолекулярный углевод — выделяется растениями при механических повреждениях коры или заболеваниях.
Органические соединения
Химические соединения живых существ известны как органических соединений из-за их связи с организмами и потому, что они являются углеродсодержащими соединениями. Органические соединения, которые представляют собой соединения, связанные с жизненными процессами, являются предметом органической химии. Среди многочисленных типов органических соединений во всем живом есть четыре основные категории: углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты.Углеводы
Почти все организмы используют углеводов в качестве источников энергии.Кроме того, некоторые углеводы служат конструкционными материалами. Углеводы — это молекулы, состоящие из углерода, водорода и кислорода; отношение атомов водорода к атомам кислорода и углерода составляет 2: 1.
Простые углеводы, обычно называемые сахарами, могут быть моносахаридами, , если они состоят из одиночных молекул, или дисахаридами, , если они состоят из двух молекул. Наиболее важным моносахаридом является глюкоза, углевод с молекулярной формулой C 6 H 12 O 6 .Глюкоза — это основная форма топлива для живых существ. В многоклеточных организмах он растворим и транспортируется жидкостями организма ко всем клеткам, где метаболизируется, чтобы высвободить свою энергию. Глюкоза является исходным материалом для клеточного дыхания и основным продуктом фотосинтеза (см. Главы 5 и 6).
Три важных дисахарида также содержатся в живых организмах: мальтоза, сахароза и лактоза. Мальтоза представляет собой комбинацию двух ковалентно связанных единиц глюкозы. Сахароза столового сахара образуется путем связывания глюкозы с другим моносахаридом, называемым фруктозой. (Рисунок 2-2 показывает, что при синтезе сахарозы образуется молекула воды. Поэтому этот процесс называется реакцией дегидратации . Обратный процесс — это гидролиз , процесс, в котором молекула расщепляется и добавляется вода.) Лактоза состоит из единиц глюкозы и галактозы.
Рисунок 2-2 Молекулы глюкозы и фруктозы объединяются, образуя дисахарид сахарозу.
Сложные углеводы известны как полисахариды . Полисахариды образуются путем связывания бесчисленных моносахаридов. Среди наиболее важных полисахаридов — крахмал, который состоит из сотен или тысяч единиц глюкозы, связанных друг с другом. Крахмал служит формой хранения углеводов. Большая часть населения мира удовлетворяет свои потребности в энергии с помощью крахмала в виде риса, пшеницы, кукурузы и картофеля.
Два других важных полисахарида — это гликоген и целлюлоза. Гликоген также состоит из тысяч единиц глюкозы, но эти единицы связаны другим образом, чем в крахмале.Гликоген — это форма, в которой глюкоза хранится в печени человека. Целлюлоза используется в основном как структурный углевод. Он также состоит из единиц глюкозы, но единицы не могут высвобождаться одна из другой, за исключением нескольких видов организмов. Древесина состоит в основном из целлюлозы, как и стенки растительных клеток. Хлопчатобумажная ткань и бумага — это товарные целлюлозные продукты.
Липиды
Липиды — это органические молекулы, состоящие из атомов углерода, водорода и кислорода.Отношение атомов водорода к атомам кислорода в липидах намного выше, чем в углеводах. Липиды включают стероиды (материал, из которого состоят многие гормоны), воски и жиров.
Молекулы жира состоят из молекулы глицерина и одной, двух или трех молекул жирных кислот (см. Рис. 2-3). Молекула глицерина содержит три гидроксильные (–ОН) группы. Жирная кислота представляет собой длинную цепочку атомов углерода (от 4 до 24) с карбоксильной (–COOH) группой на одном конце.Все жирные кислоты в жире могут быть одинаковыми или разными. Они связаны с молекулой глицерина в процессе удаления воды.
Некоторые жирные кислоты имеют в своих молекулах одну или несколько двойных связей. Жиры, содержащие эти молекулы, представляют собой ненасыщенных жиров. Другие жирные кислоты не имеют двойных связей. Жиры, в состав которых входят эти жирные кислоты, представляют собой насыщенных жира. В большинстве случаев, связанных со здоровьем человека, потребление ненасыщенных жиров предпочтительнее насыщенных жиров.
Жиры, хранящиеся в клетках, обычно образуют прозрачные масляные капли, называемые глобулами , потому что жиры не растворяются в воде. Растения часто хранят жиры в своих семенах, а животные — в больших прозрачных шариках в клетках жировой ткани. Жиры в жировой ткани содержат много концентрированной энергии. Следовательно, они служат резервным источником энергии для организма. Фермент липаза расщепляет жиры на жирные кислоты и глицерин в пищеварительной системе человека.
Рисунок 2-3 Молекула жира создается путем объединения молекулы глицерина с тремя молекулами жирных кислот.(Две насыщенные жирные кислоты и одна ненасыщенная жирная кислота показаны для сравнения.) Сконструированная молекула находится внизу.
Белки
Белки, среди самых сложных из всех органических соединений, состоят из аминокислот (см. Рис. 2-4), которые содержат атомы углерода, водорода, кислорода и азота. Некоторые аминокислоты также содержат атомы серы, фосфора или других микроэлементов, таких как железо или медь.
Рисунок 2-4 Структура и химический состав аминокислот.Когда две аминокислоты соединяются в дипептид, –OH одной аминокислоты удаляется, а –H второй удаляется. Итак, вода удалена. Дипептидная связь (справа) образует соединение аминокислот вместе.
Многие белки огромны и чрезвычайно сложны. Однако все белки состоят из длинных цепочек относительно простых аминокислот. Есть 20 видов аминокислот. Каждая аминокислота (см. Левую иллюстрацию на рис. 2-4) имеет амино (–NH 2 ) группу, карбоксильную (–COOH) группу и группу атомов, называемую группой –R (где R означает ). радикал ).Аминокислоты различаются в зависимости от природы группы –R, как показано на средней иллюстрации рисунка 2-4. Примерами аминокислот являются аланин, валин, глутаминовая кислота, триптофан, тирозин и гистидин.
Удаление молекул воды связывает аминокислоты с образованием белка. Процесс называется дегидратационным синтезом , и побочным продуктом синтеза является вода. Связи между аминокислотами составляют пептидных связей, и небольшие белки часто называют пептидами.
Все живое зависит от белков. Белки — это основные молекулы, из которых построены живые существа. Некоторые белки растворены или суспендированы в водянистом веществе клеток, а другие включены в различные структуры клеток. Белки также являются поддерживающими и укрепляющими материалами в тканях вне клеток. Кости, хрящи, сухожилия и связки состоят из белков.
Одна из важнейших функций белков — это фермент. Ферменты катализируют химические реакции, происходящие в клетках. Они не расходуются в реакции; скорее, они остаются доступными для катализа последующих реакций.
Каждый вид производит белки, уникальные для этого вида. Информация для синтеза уникальных белков находится в ядре клетки. Так называемый генетический код определяет аминокислотную последовательность в белках. Следовательно, генетический код регулирует химию, происходящую внутри клетки.Белки также могут служить резервным источником энергии для клетки. Когда аминогруппа удаляется из аминокислоты, полученное соединение богато энергией.
Нуклеиновые кислоты
Как и белки, нуклеиновых кислот — очень большие молекулы. Нуклеиновые кислоты состоят из более мелких единиц, называемых нуклеотидов. Каждый нуклеотид содержит молекулу углевода (сахар), фосфатную группу и азотсодержащую молекулу, которая в силу своих свойств является азотистым основанием .
У живых организмов есть две важные нуклеиновые кислоты. Один тип — это дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК. Другой — рибонуклеиновая кислота, или РНК. ДНК находится в основном в ядре клетки, в то время как РНК обнаруживается как в ядре, так и в цитоплазме , — полужидкое вещество, составляющее объем клетки (см. Главу 3).
ДНК и РНКотличаются друг от друга по своим компонентам. ДНК содержит углевод дезоксирибозу, а РНК — рибозу.Кроме того, ДНК содержит тимин, а РНК — урацил. Структура ДНК и ее значение в жизни клетки рассматриваются в главе 10.
Четыре основные группы органических соединений, из которых состоят живые организмы
Ученые обычно называют соединения, содержащие элемент углерод, органическими, хотя некоторые углеродсодержащие соединения не являются органическими. Углерод уникален среди других элементов, потому что он может связываться практически безграничными способами с такими элементами, как водород, кислород, азот, сера и другие атомы углерода.Каждому живому существу для выживания необходимы четыре типа органических соединений — углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и белки. Организмы сталкиваются с этими фундаментальными соединениями в своем рационе или могут вырабатывать их внутри своего тела.
Углеводы
Углеводы — это органические соединения, которые содержат атомы углерода, водорода и кислорода в соотношении 1-2-1. Ученые признают три различных типа углеводов, которые различаются по количеству содержащихся в них молекул сахара.Мэри Джин Холланд с факультета естественных наук колледжа Барух. Моносахариды, такие как глюкоза, содержат одну молекулу сахара. Дисахариды, такие как сахароза и лактоза, содержат две молекулы сахара. Полисахариды, такие как крахмал и целлюлоза, являются звеньями многочисленных молекул сахара. Организмы используют углеводы в качестве энергии, в определенных клеточных структурах и как способ хранения энергии для дальнейшего использования. Профессор Уильям Ройш в своем «Виртуальном учебнике органической химии» указывает, что углеводы являются наиболее распространенными органическими соединениями в организмах, а глюкоза — наиболее известной формой углеводов.
Липиды
Липиды состоят из таких соединений, как жиры, масла и воски. Эти органические соединения накапливают энергию, образуют структурные компоненты внутри клеток и служат изоляцией в организмах. Д-р Альфред Меррилл и д-р Рэйчел Ширеман, пишущие в Journal of Nutrition, заявляют, что рацион человека должен включать только несколько основных типов липидов: линолевую кислоту и витамины A, D, E и K. Диетические продукты Министерства сельского хозяйства США за 2005 год. Руководящие принципы для американцев рекомендуют взрослым ограничивать употребление жиров в своем рационе до 20–35 процентов дневных калорий.
Нуклеиновые кислоты
В живых существах существуют два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). ДНК, которую часто называют «планом жизни», определяет генетические коды организмов, которые, в свою очередь, определяют их характеристики. ДНК хранит информацию для создания особого типа РНК, называемого матричной РНК или мРНК. РНК напрямую отвечает за производство белков. ДНК состоит из единичных единиц, называемых нуклеотидами, принимающих форму двух отдельных цепей, скрученных вместе в скрученную лестничную форму, называемую двойной спиралью.РНК, также состоящая из нуклеотидов, образует единую цепь, очень близкую к ДНК. Вариабельность последовательностей нуклеотидов в нашей ДНК и РНК делает нас индивидуумами, определяя различные белки, производимые нашим телом, и, в конечном итоге, характеристики, которыми мы обладаем.
Белки
Белки, возможно, являются наиболее универсальными из всех типов органических соединений, обнаруженных в живых существах. Они делают возможными определенные реакции в организмах, переносят другие соединения по телу, помогают частям тела двигаться, обеспечивают структуру и в основном способствуют выполнению всех функций внутри тела.Как и другие органические соединения, белки состоят из более мелких строительных блоков, называемых аминокислотами. Согласно гипертексту биотехнологии Университета штата Колорадо, большинство белков на Земле содержат комбинации всего лишь из 20 аминокислот.
органических молекул | Микробиология
Цели обучения
- Определить общие элементы и структуры, обнаруженные в органических молекулах
- Объясните концепцию изомерии
- Укажите примеры функциональных групп
- Опишите роль функциональных групп в синтезе полимеров
Клиническая специализация: Кристина, часть 1
Кристина, 16-летняя студентка, обратилась к врачу с жалобами на кожную зудящую сыпь.В анамнезе были эпизоды аллергии. Врач посмотрел на ее загорелую кожу и спросил, не перешла ли она на другой солнцезащитный крем. Она сказала, что болела, поэтому врач диагностировал аллергическую экзему. Симптомы были мягкими, поэтому врач посоветовал Кристине избегать использования солнцезащитного крема, вызывающего реакцию, и прописал безрецептурный увлажняющий крем, чтобы сохранить ее кожу увлажненной и уменьшить зуд.
- Какие вещества вы ожидаете найти в увлажняющем креме?
- Какие физические или химические свойства этих веществ могут помочь облегчить зуд и воспаление кожи?
Мы вернемся к примеру Кристины на следующих страницах.
Биохимия — это дисциплина, изучающая химию жизни, и ее цель — объяснить форму и функции на основе химических принципов. Органическая химия — это дисциплина, посвященная изучению химии на основе углерода, которая является основой для изучения биомолекул и дисциплины биохимия . И биохимия, и органическая химия основаны на концепциях общей химии, некоторые из которых представлены в «Основах физики и химии, важных для микробиологии».
Элементы в живых клетках
Самым распространенным элементом в клетках является водород (H), за ним следуют углерод (C), кислород (O), азот (N), фосфор (P) и сера (S). Мы называем эти элементы макроэлементами , и они составляют около 99% от сухой массы клеток. Некоторые элементы, такие как натрий (Na), калий (K), магний (Mg), цинк (Zn), железо (Fe), кальций (Ca), молибден (Mo), медь (Cu), кобальт (Co), марганец (Mn) или ванадий (Va) необходимы некоторым клеткам в очень небольших количествах и называются микроэлементами или микроэлементами .Все эти элементы необходимы для функционирования многих биохимических реакций и, следовательно, необходимы для жизни.
Четыре наиболее распространенных элемента в живом веществе (C, N, O и H) имеют низкие атомные номера и, следовательно, являются легкими элементами, способными образовывать прочные связи с другими атомами для образования молекул (рис. 1). Углерод образует четыре химические связи, азот — три, кислород — две, а водород — одну. Связанные вместе в молекулах кислород, сера и азот часто имеют одну или несколько «неподеленных пар» электронов, которые играют важную роль в определении многих физических и химических свойств молекул (см. «Основы физики и химии, важные для микробиологии»).Эти черты в сочетании позволяют формировать огромное количество разнообразных молекулярных видов, необходимых для формирования структур и обеспечения функций живых организмов.
Рис. 1. Некоторые распространенные молекулы включают углекислый газ, аммиак и кислород, которые состоят из комбинаций атомов кислорода (красные сферы), атомов углерода (серые сферы), атомов водорода (белые сферы) или атомов азота (синие сферы).
Живые организмы содержат неорганических соединений (в основном вода и соли; см. «Основы физики и химии, важные для микробиологии») и органических молекул.Органические молекулы содержат углерод; неорганические соединения — нет. Исключение составляют оксиды углерода и карбонаты; они содержат углерод, но считаются неорганическими, поскольку не содержат водорода. Атомы органической молекулы обычно организованы вокруг цепочек атомов углерода.
Неорганические соединения составляют 1–1,5% от массы живой клетки. Это небольшие простые соединения, которые играют важную роль в клетке, хотя и не образуют клеточных структур. Большая часть углерода, обнаруженного в органических молекулах, происходит из неорганических источников углерода, таких как углекислый газ, захваченный микроорганизмами посредством фиксации углерода .
Подумай об этом
- Опишите наиболее распространенные в природе элементы.
- В чем разница между органическими и неорганическими молекулами?
Органические молекулы и изомерия
Органические молекулы в организмах обычно больше и сложнее неорганических молекул. Их углеродные скелеты скреплены ковалентными связями. Они образуют клетки организма и выполняют химические реакции, облегчающие жизнь. Все эти молекулы, названные биомолекулами , потому что они являются частью живого вещества, содержат углерод, который является строительным блоком жизни.Углерод — очень уникальный элемент, поскольку он имеет четыре валентных электрона на внешних орбиталях и может образовывать четыре одиночные ковалентные связи с четырьмя другими атомами одновременно (см. «Основы физики и химии, важные для микробиологии»). Этими атомами обычно являются кислород, водород, азот, сера, фосфор и сам углерод; простейшее органическое соединение — метан, в котором углерод связывается только с водородом (рис. 2).
Рис. 2. Атом углерода может связываться с четырьмя другими атомами.Самая простая органическая молекула — это метан (CH 4 ), изображенный здесь.
В результате уникального сочетания размера и связывающих свойств углерода атомы углерода могут связываться вместе в большом количестве, образуя цепь или углеродный скелет . Углеродный скелет органических молекул может быть прямым, разветвленным или кольцевым (циклическим). Органические молекулы построены на цепочках атомов углерода различной длины; большинство из них обычно очень длинные, что позволяет использовать огромное количество и разнообразие соединений.Ни один другой элемент не способен образовывать столько разных молекул, столь разных размеров и форм.
Молекулы с одинаковым атомным составом, но разным структурным расположением атомов называются изомерами . Концепция изомерии очень важна в химии, потому что структура молекулы всегда напрямую связана с ее функцией. Незначительные изменения в структурном расположении атомов в молекуле могут привести к очень разным свойствам. Химики представляют молекулы по их структурной формуле , которая представляет собой графическое представление молекулярной структуры, показывающее, как расположены атомы.Соединения, которые имеют идентичные молекулярные формулы, но различаются последовательностью связывания атомов, называются структурными изомерами . Моносахариды , глюкоза , галактоза и фруктоза имеют одинаковую молекулярную формулу: C 6 H 12 O 6 , но из рисунка 3 видно, что атомы связаны друг с другом. иначе.
Глюкоза, галактоза и фруктоза имеют одинаковую химическую формулу (C 6 H 12 O 6 ), но эти структурные изомеры различаются по своим физическим и химическим свойствам.
Изомеры, различающиеся пространственным расположением атомов, называются стереоизомерами ; один уникальный тип — энантиомеров . Свойства энантиомеров были первоначально обнаружены Луи Пастером в 1848 году при использовании микроскопа для анализа кристаллизованных продуктов ферментации вина. Энантиомеры — это молекулы, которые имеют характеристику хиральности , в которой их структуры являются несверхналоженными зеркальными отображениями друг друга. Хиральность является важной характеристикой многих биологически важных молекул, что иллюстрируется примерами структурных различий энантиомерных форм моносахарида глюкозы или аминокислоты аланина (рис. 4).
Многие организмы могут использовать только одну энантиомерную форму определенных типов молекул в качестве питательных веществ и строительных блоков для создания структур внутри клетки. Некоторые энантиомерные формы аминокислот при употреблении в пищу имеют совершенно разные вкус и запах. Например, L-аспартам, обычно называемый аспартамом, имеет сладкий вкус, тогда как D-аспартам безвкусен. Энантиомеры лекарств могут иметь очень разные фармакологические эффекты. Например, соединение меторфан существует в виде двух энантиомеров, один из которых действует как противокашлевое средство ( декстро, меторфан, средство от кашля), тогда как другой действует как анальгетик ( лево меторфан, препарат, аналогичный по действию кодеину). .
Рис. 4. Энантиомеры — это стереоизомеры, обладающие хиральностью. Их химические структуры представляют собой несверхналоженные зеркальные отражения друг друга. (а) D-глюкоза и L-глюкоза являются моносахаридами, которые являются энантиомерами. (b) Энантиомеры D-аланин и L-аланин являются энантиомерами, обнаруженными в стенках бактериальных клеток и человеческих клетках, соответственно.
Энантиомеры также называют оптическими изомерами, потому что они могут вращать плоскость поляризованного света. Некоторые кристаллы, которые Пастер наблюдал при брожении вина, вращали свет по часовой стрелке, тогда как другие вращали свет против часовой стрелки.Сегодня мы обозначаем энантиомеры, которые вращают поляризованный свет по часовой стрелке (+), как d , образует , а зеркальное отображение той же молекулы, которая вращает поляризованный свет против часовой стрелки (-), как l , образуют . Этикетки d и l образованы от латинских слов dexter (справа) и laevus (слева) соответственно. Эти два разных оптических изомера часто имеют очень разные биологические свойства и активности.Определенные виды плесени, дрожжей и бактерий, такие как Rhizopus , Yarrowia и Lactobacillus spp. Соответственно, могут метаболизировать только один тип оптического изомера; противоположный изомер не подходит в качестве источника питательных веществ. Еще одна важная причина знать об оптических изомерах — это терапевтическое использование этих типов химикатов для лечения лекарств, поскольку на некоторые микроорганизмы может воздействовать только один конкретный оптический изомер.
Подумай об этом
- Мы говорим, что жизнь основана на углероде. Что делает углерод таким подходящим для того, чтобы быть частью всех макромолекул живых организмов?
Биологически значимые функциональные группы
Помимо атомов углерода, биомолекулы также содержат функциональных групп — группы атомов в молекулах, которые классифицируются по их конкретному химическому составу и химическим реакциям, которые они проводят, независимо от молекулы, в которой находится группа.Некоторые из наиболее распространенных функциональных групп перечислены в таблице 1. В формулах символ R обозначает «остаток» и представляет собой остаток молекулы. R может символизировать только один атом водорода или группу из многих атомов. Обратите внимание, что некоторые функциональные группы относительно простые, состоят всего из одного или двух атомов, в то время как некоторые содержат две из этих более простых функциональных групп. Например, карбонильная группа — это функциональная группа, состоящая из атома углерода, связанного двойной связью с атомом кислорода: C = O.Он присутствует в нескольких классах органических соединений как часть более крупных функциональных групп, таких как кетоны, альдегиды, карбоновые кислоты и амиды. В кетонах карбонил присутствует как внутренняя группа, тогда как в альдегидах он является концевой группой.
| Таблица 1. Общие функциональные группы, обнаруженные в биомолекулах | ||
|---|---|---|
| Имя | Функциональная группа | Соединения |
| Альдегид | Углеводы | |
| Амин | Белки | |
| Амино | Аминокислоты и белки | |
| Карбонил | Кетоны, альдегиды, карбоновые кислоты, амиды | |
| Карбоновая кислота | Аминокислоты, белки и жирные кислоты | |
| Сложный эфир | Липиды и нуклеиновые кислоты | |
| эфир | Дисахариды, полисахариды и липиды | |
| Гидроксил | Спирты, моносахариды, аминокислоты и нуклеиновые кислоты | |
| Кетон | Углеводы | |
| метил | Метилированные соединения, такие как метиловые спирты и сложные метиловые эфиры | |
| Фосфат | Нуклеиновые кислоты, фосфолипиды и АТФ | |
| Сульфгидрил | Аминокислоты и белки | |
| * Функциональные группы представлены розовым цветом.Кетон и альдегид содержат карбонильную группу, выделенную синим цветом. | ||
Макромолекулы
Углеродные цепи образуют скелеты большинства органических молекул. Функциональные группы объединяются с цепочкой, образуя биомолекулы. Поскольку эти биомолекулы обычно большие, мы называем их макромолекулами . Многие биологически релевантные макромолекулы образуются путем соединения большого количества идентичных или очень похожих органических молекул меньшего размера. Меньшие молекулы действуют как строительные блоки и называются мономерами , а макромолекулы, образующиеся в результате их связывания, называются полимерами .Клетки и клеточные структуры включают четыре основные группы углеродсодержащих макромолекул: полисахаридов , белков , липидов и нуклеиновых кислот . В этой главе будут изучаться первые три группы молекул. Биохимия нуклеиновых кислот будет обсуждаться в «Биохимии генома».
Из многих возможных способов объединения мономеров для получения полимеров один общий подход, встречающийся при образовании биологических макромолекул, — это дегидратационный синтез .В этой химической реакции молекулы мономера соединяются встык, в результате чего в качестве побочного продукта образуются молекулы воды:
[латекс] {\ text {H} — \ text {monomer} — \ text {OH} + \ text {H} — \ text {monomer} — \ text {OH}} \ longrightarrow {\ text {H} — \ text {мономер} — \ text {мономер} — \ text {OH} + \ text {H} _ {2} \ text {O}} [/ latex]
На фиг. 5 показан дегидратационный синтез глюкозы , связывающейся вместе с образованием мальтозы и молекулы воды. В таблице 2 приведены макромолекулы и некоторые их функции.
Рис. 5. В этой реакции синтеза дегидратации две молекулы глюкозы соединяются вместе с образованием мальтозы. В процессе образуется молекула воды.
| Таблица 2. Некоторые функции макромолекул | |
|---|---|
| Макромолекула | Функции |
| Углеводы | Накопление энергии, рецепторы, пища, структурная роль в растениях, клеточные стенки грибов, экзоскелеты насекомых |
| Липиды | Накопитель энергии, мембранная структура, изоляция, гормоны, пигменты |
| Нуклеиновые кислоты | Хранение и передача генетической информации |
| Белки | Ферменты, структура, рецепторы, транспорт, структурная роль в цитоскелете клетки и внеклеточном матриксе |
Подумай об этом
- Что является побочным продуктом реакции синтеза дегидратации?
Ключевые концепции и резюме
- Наиболее распространенными элементами в клетках являются водород, углерод, кислород, азот, фосфор и сера.
- Жизнь основана на углероде. Каждый атом углерода может связываться с другим атомом углерода, образуя углеродный скелет , который может быть прямым, разветвленным или кольцевым.
- Одно и то же количество и типы атомов могут связываться друг с другом по-разному, давая разные молекулы, называемые изомерами . Изомеры могут различаться последовательностью связывания своих атомов ( структурных изомеров ) или пространственным расположением атомов, чьи последовательности связывания одинаковы ( стереоизомеров ), а их физические и химические свойства могут незначительно или сильно различаться.
- Функциональные группы наделяют несущие их молекулы определенными химическими свойствами. Общие функциональные группы в биомолекулах — это гидроксил, метил, карбонил, карбоксил, амино, фосфат и сульфгидрил.
- Макромолекулы — это полимеров , собранных из отдельных единиц, мономеров , которые связываются вместе, как строительные блоки. Многие биологически значимые макромолекулы образуются путем дегидратационного синтеза , процесса, в котором мономеры связываются вместе путем объединения их функциональных групп и образования молекул воды в качестве побочных продуктов.
Множественный выбор
Какой из этих элементов не является микронутриентом ?
- С
- Ca
- Co
- Cu
Ответ а. C (углерод) не является микроэлементом.
Какое из перечисленного является названием для молекул, структура которых является несверхналоженным зеркальным отображением?
- структурные изомеры
- мономеров
- полимеры
- энантиомеры
Ответ d.Энантиомеры — это молекулы, структуры которых представляют собой несверхналоженные зеркальные изображения.
Верно / Неверно
Альдегиды, амиды, карбоновые кислоты, сложные эфиры и кетоны содержат карбонильные группы.
Две молекулы, содержащие одинаковые типы и числа атомов, но разные последовательности связывания, называются энантиомерами.
Подумай об этом
- Почему углерод, азот, кислород и водород являются наиболее распространенными элементами в живом веществе и, следовательно, считаются макроэлементами?
- Укажите функциональную группу в каждой из изображенных структурных формул.
- Показанная структурная формула соответствует пенициллину G, антибиотику узкого спектра действия, который вводится внутривенно или внутримышечно для лечения нескольких бактериальных заболеваний. Антибиотик продуцируют грибы рода Penicillium .
- Определите три основные функциональные группы в этой молекуле, каждая из которых включает две более простые функциональные группы.
- Назовите две более простые функциональные группы, составляющие каждую из основных функциональных групп, указанных в (а).
органических соединений | Безграничная анатомия и физиология
Органические молекулы и функциональные группы
Функциональные группы — это группы молекул, присоединенные к органическим молекулам и придающие им определенные свойства или функции.
Цели обучения
Опишите важность функциональных групп для органических молекул
Основные выводы
Ключевые моменты
- Функциональные группы представляют собой совокупность атомов, которые прикрепляют углеродный скелет органической молекулы и придают определенные свойства.
- Каждый тип органических молекул имеет свой особый тип функциональной группы.
- Функциональные группы в биологических молекулах играют важную роль в образовании таких молекул, как ДНК, белки, углеводы и липиды.
- Функциональные группы включают: гидроксил, метил, карбонил, карбоксил, амино, фосфат и сульфгидрил.
Ключевые термины
- гидрофобный : не имеет сродства к воде; не может впитаться или намокать водой
- гидрофильный : имеющий сродство к воде; может впитывать или намокать водой
Расположение функциональных групп
Функциональные группы — это группы атомов, которые встречаются в органических молекулах и придают этим молекулам определенные химические свойства.Когда показаны функциональные группы, органическая молекула иногда обозначается как «R». Функциональные группы находятся вдоль «углеродного скелета» макромолекул, который образован цепями и / или кольцами атомов углерода с периодическим замещением таким элементом, как азот или кислород. Молекулы с другими элементами в углеродной основе являются замещенными углеводородами. Каждый из четырех типов макромолекул — белков, липидов, углеводов и нуклеиновых кислот — имеет свой собственный характерный набор функциональных групп, который в значительной степени способствует его различным химическим свойствам и его функциям в живых организмах.
Свойства функциональных групп
Функциональная группа может участвовать в определенных химических реакциях. Некоторые из важных функциональных групп в биологических молекулах включают: гидроксильные, метильные, карбонильные, карбоксильные, амино, фосфатные и сульфгидрильные группы. Эти группы играют важную роль в образовании таких молекул, как ДНК, белки, углеводы и липиды.
Классификация функциональных групп
Функциональные группы обычно классифицируются как гидрофобные или гидрофильные в зависимости от их заряда или полярности.Примером гидрофобной группы является молекула неполярного метана. Среди гидрофильных функциональных групп есть карбоксильная группа, содержащаяся в аминокислотах, некоторых боковых цепях аминокислот и головках жирных кислот, которые образуют триглицериды и фосфолипиды. Эта карбоксильная группа ионизируется, высвобождая ионы водорода (H + ) из группы COOH, в результате чего образуется отрицательно заряженная группа COO —; это способствует гидрофильному характеру любой молекулы, на которой он находится. Другие функциональные группы, такие как карбонильная группа, имеют частично отрицательно заряженный атом кислорода, который может образовывать водородные связи с молекулами воды, снова делая молекулу более гидрофильной.Показанные здесь функциональные группы присутствуют во многих различных биологических молекулах, где «R» — это органическая молекула.
Водородные связи между функциональными группами
Водородные связи между функциональными группами (внутри одной и той же молекулы или между разными молекулами) важны для функции многих макромолекул и помогают им правильно складываться и сохранять соответствующую форму, необходимую для правильного функционирования. Водородные связи также участвуют в различных процессах распознавания, таких как спаривание комплементарных оснований ДНК и связывание фермента с его субстратом.
Водородные связи в ДНК : Водородные связи соединяют две нити ДНК вместе, создавая структуру двойной спирали.
Типы биологических макромолекул
Биологические макромолекулы, большие молекулы, необходимые для жизни, включают углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и белки.
Цели обучения
Определить четыре основных класса биологических макромолекул
Основные выводы
Ключевые моменты
- Биологические макромолекулы являются важными клеточными компонентами и выполняют широкий спектр функций, необходимых для выживания и роста живых организмов.
- Четыре основных класса биологических макромолекул — это углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты.
Ключевые термины
- полимер : относительно большая молекула, состоящая из цепи или сети многих идентичных или подобных мономеров, химически связанных друг с другом.
- мономер : относительно небольшая молекула, которая может образовывать ковалентные связи с другими молекулами этого типа с образованием полимера.
Питательные вещества — это молекулы, которые необходимы живым организмам для выживания и роста, но животные и растения не могут синтезировать сами себя.Животные получают питательные вещества, потребляя пищу, а растения извлекают питательные вещества из почвы.
Источники биологических макромолекул : Такие продукты, как хлеб, фрукты и сыр, являются богатыми источниками биологических макромолекул.
Многие важные питательные вещества представляют собой биологические макромолекулы. Термин «макромолекула» впервые был введен в употребление в 1920-х годах лауреатом Нобелевской премии Германом Штаудингером. Штаудингер был первым, кто предположил, что многие большие биологические молекулы построены путем ковалентного связывания более мелких биологических молекул вместе.
Живые организмы состоят из химических строительных блоков : Все организмы состоят из множества этих биологических макромолекул.
Мономеры и полимеры
Биологические макромолекулы играют решающую роль в структуре и функционировании клеток. Большинство (но не все) биологических макромолекул представляют собой полимеры, которые представляют собой любые молекулы, построенные путем связывания вместе множества более мелких молекул, называемых мономерами. Обычно все мономеры в полимере имеют тенденцию быть одинаковыми или, по крайней мере, очень похожими друг на друга, связанными снова и снова, чтобы создать более крупную макромолекулу.Эти простые мономеры можно соединить во множество различных комбинаций для получения сложных биологических полимеров, точно так же, как из нескольких типов блоков Lego можно построить что угодно, от дома до автомобиля.
Мономеры и полимеры : Многие мелкие субъединицы мономера объединяются с образованием этого углеводного полимера.
Примеры этих мономеров и полимеров можно найти в сахаре, который вы можете добавлять в кофе или чай. Обычный столовый сахар — это дисахарид сахароза (полимер), который состоит из моносахаридов фруктозы и глюкозы (которые являются мономерами).Если бы мы соединяли вместе много углеводных мономеров, мы могли бы получить полисахарид, подобный крахмалу. Префиксы «моно-» (один), «ди-» (два) и «поли-» (многие) сообщают вам, сколько мономеров было объединено в молекулу.
Молекула сахарозы (обычный столовый сахар) : Углеводные моносахариды (фруктоза и глюкоза) соединяются, чтобы образовать дисахарид сахарозу.
Все биологические макромолекулы содержат углерод в кольцевой или цепной форме, что означает, что они классифицируются как органические молекулы.Обычно они также содержат водород и кислород, а также азот и дополнительные второстепенные элементы.
Четыре класса биологических макромолекул
Существует четыре основных класса биологических макромолекул:
- углеводы
- липиды
- белков
- нуклеиновые кислоты
Каждый из этих типов макромолекул выполняет широкий спектр важных функций внутри клетки; клетка не может выполнять свою роль в организме без множества различных типов этих важнейших молекул.В сочетании эти биологические макромолекулы составляют большую часть сухой массы клетки. (Молекулы воды составляют большую часть общей массы клетки.) Все молекулы как внутри, так и снаружи клеток находятся в водной (то есть водной) среде, и все реакции биологических систем происходят в той же среде. .
Interactive: мономеры и полимеры : углеводы, белки и нуклеиновые кислоты состоят из небольших молекулярных единиц, которые связаны друг с другом прочными ковалентными связями.Небольшие молекулярные единицы называются мономерами (моно означает один или один), и они связаны вместе в длинные цепи, называемые полимерами (поли означает множество или несколько). Каждый тип макромолекул, за исключением липидов, состоит из разного набора мономеров, которые похожи друг на друга по составу и размеру. Липиды не являются полимерами, потому что они не состоят из мономеров (единиц схожего состава).
Синтез дегидратации
При дегидратационном синтезе мономеры соединяются друг с другом ковалентными связями с образованием полимеров.
Цели обучения
Объясните реакции дегидратации (или конденсации)
Основные выводы
Ключевые моменты
- Во время дегидратационного синтеза либо водород одного мономера соединяется с гидроксильной группой другого мономера, высвобождая молекулу воды, либо два атома водорода одного мономера соединяются с одним кислородом другого мономера, высвобождая молекулу воды.
- Мономеры, которые соединяются посредством реакций синтеза дегидратации, разделяют электроны и образуют ковалентные связи друг с другом.
- По мере того, как дополнительные мономеры соединяются посредством множественных реакций синтеза дегидратации, эта цепочка повторяющихся мономеров начинает образовывать полимер.
- Сложные углеводы, нуклеиновые кислоты и белки — все это примеры полимеров, которые образуются путем дегидратационного синтеза.
- Мономеры, такие как глюкоза, могут соединяться по-разному и давать различные полимеры. Мономеры, такие как мононуклеотиды и аминокислоты, соединяются в разных последовательностях с образованием множества полимеров.
Ключевые термины
- ковалентная связь : Тип химической связи, при которой два атома соединены друг с другом за счет совместного использования двух или более электронов.
- мономер : относительно небольшая молекула, которая может быть ковалентно связана с другими мономерами с образованием полимера.
Синтез дегидратации
Большинство макромолекул состоит из отдельных субъединиц или строительных блоков, называемых мономерами. Мономеры соединяются друг с другом ковалентными связями с образованием более крупных молекул, известных как полимеры.При этом мономеры выделяют молекулы воды в качестве побочных продуктов. Этот тип реакции известен как синтез дегидратации, что означает «объединение, теряя воду». Это также считается реакцией конденсации, поскольку две молекулы конденсируются в одну большую молекулу с потерей меньшей молекулы (воды).
В реакции синтеза дегидратации между двумя неионизированными мономерами, такими как моносахаридные сахара, водород одного мономера соединяется с гидроксильной группой другого мономера, высвобождая при этом молекулу воды.Удаление водорода из одного мономера и удаление гидроксильной группы из другого мономера позволяет мономерам обмениваться электронами и образовывать ковалентную связь. Таким образом, соединенные вместе мономеры подвергаются дегидратации , чтобы обеспечить синтез более крупной молекулы.
Реакция синтеза дегидратации с участием неионизированных монеров. : В реакции синтеза дегидратации между двумя молекулами глюкозы гидроксильная группа из первой глюкозы объединяется с водородом из второй глюкозы, создавая ковалентную связь, которая связывает два мономерных сахара (моносахариды) вместе с образованием дисахарида мальтозы.В процессе образуется молекула воды.
Когда мономеры ионизируются, например, в случае с аминокислотами в водной среде, такой как цитоплазма, два атома водорода с положительно заряженного конца одного мономера объединяются с кислородом с отрицательно заряженного конца другого мономера, снова образуя вода, которая выделяется как побочный продукт и снова соединяет два мономера ковалентной связью.
Реакция синтеза дегидратации с участием ионизированных мономеров.: В реакции синтеза дегидратации между двумя аминокислотами, которые ионизируются в водной среде, такой как клетка, кислород из первой аминокислоты объединяется с двумя атомами водорода из второй аминокислоты, создавая ковалентную связь, которая связывает два мономера вместе с образованием дипептида. В процессе образуется молекула воды.
По мере того, как дополнительные мономеры соединяются посредством множественных реакций синтеза дегидратации, цепочка повторяющихся мономеров начинает образовывать полимер. Различные типы мономеров могут сочетаться во многих конфигурациях, давая начало разнообразной группе макромолекул.Три из четырех основных классов биологических макромолекул (сложные углеводы, нуклеиновые кислоты и белки) состоят из мономеров, которые соединяются вместе посредством реакций синтеза дегидратации. Сложные углеводы образуются из моносахаридов, нуклеиновые кислоты — из мононуклеотидов, а белки — из аминокислот.
Существует большое разнообразие способов объединения мономеров с образованием полимеров. Например, мономеры глюкозы входят в состав крахмала, гликогена и целлюлозы.Эти три полисахарида, классифицируемые как углеводы, образовались в результате множественных реакций синтеза дегидратации между мономерами глюкозы. Однако способ, которым мономеры глюкозы соединяются вместе, в частности расположение ковалентных связей между связанными мономерами и ориентация (стереохимия) ковалентных связей, приводит к этим трем различным полисахаридам с различными свойствами и функциями. В нуклеиновых кислотах и белках расположение и стереохимия ковалентных связей, соединяющих мономеры, не различаются от молекулы к молекуле, но вместо этого используются различные типы мономеров (пять различных мономеров в нуклеиновых кислотах: A, G, C, T и U мононуклеотиды; 21 различных мономеров аминокислот в белках) объединены в огромное разнообразие последовательностей.Каждый белок или нуклеиновая кислота с разной последовательностью — это разные молекулы с разными свойствами.
Какие четыре органические молекулы содержатся в живых существах? | Образование
Четыре органических молекулы составляют всю жизнь на Земле. Органические молекулы содержат углерод и водород, химически связанные друг с другом в длинные цепи, с углеродом в качестве основной цепи и атомами водорода, прикрепленными к атомам углерода. Способность этих атомов прикрепляться друг к другу позволяет создавать бесчисленные соединения, способствующие жизни.Всем организмам необходимы четыре типа органических молекул: нуклеиновые кислоты, белки, углеводы и липиды; жизнь не может существовать, если какая-либо из этих молекул отсутствует.
Нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые кислоты представляют собой ДНК и РНК или дезоксирибонуклеиновую кислоту и рибонуклеиновую кислоту соответственно. Они производят белки, которые присутствуют почти в каждой структуре и выполняют почти все функции вашего тела. ДНК имеет скрученную лестничную форму, в то время как РНК имеет много разных форм, в зависимости от ее функции.ДНК обычно остается в центре или ядре клетки; РНК может перемещаться по клетке туда, где это необходимо. Основы обоих веществ состоят из чередующихся молекул фосфата и сахара. Нуклеотидные основания составляют «перекладины», прикрепленные к позвоночнику. Из двух типов нуклеиновых кислот ДНК более стабильна, что снижает вероятность ее расщепления, чем РНК. Ваши гены состоят из ДНК, и каждый ген обеспечивает код для создания определенного белка. РНК помогает ДНК производить эти белки.
Белки
Белки, вероятно, являются наиболее универсальными из всех органических молекул, они образуют множество структур и выполняют различные функции внутри организмов. Строительные блоки, называемые аминокислотами, составляют белки. Около 20 различных аминокислот объединяются, чтобы сформировать все типы белков на Земле. Все эти аминокислоты имеют почти одинаковый состав; единственное отличие — это группа R, которая различается для каждой из аминокислот и придает им их уникальность.Когда образуется белок, белок объединяется по одной аминокислоте за раз внутри рибосомы — структуры, в которой происходит синтез белка. Белки имеют четыре уровня структуры: первичная структура — это связывание аминокислот друг с другом; вторичная структура относится к складкам в определенных областях внутри белка; третичная структура — это окончательный трехмерный вид белка; и четвертичная структура состоит из более мелких белковых субъединиц, химически связанных вместе с образованием более крупного белка.
Углеводы
Углеводы составляют наибольшее количество органических молекул в организмах. В основном углеводы — это сахара; их происхождение можно проследить до фотосинтеза, процесса, с помощью которого организмы, такие как растения, используют солнечный свет для преобразования углекислого газа и воды в пищу. Самый простой сахар — это глюкоза, молекула, используемая для обеспечения топливом многих типов организмов, включая человека. Сахара, содержащиеся в пищевых продуктах, включают: фруктозу во фруктах, галактозу в молоке, мальтозу в овощах и сахарозу в столовом сахаре.Крахмал, содержащийся в цельнозерновых и овощах, представляет собой сложный углевод, состоящий из цепочек более простых молекул глюкозы. В вашем организме есть фермент амилаза, который расщепляет углеводы из пищи, которую вы едите, на глюкозу, которую ваши клетки могут использовать в качестве энергии.
Липиды
Липиды, возможно, более известные как жиры, присутствуют в организме в разных формах и содержат больше всего энергии из всех органических соединений. Когда ваше тело сжигает липиды в качестве топлива, вы получаете больше энергии, чем если бы вы сжигали другие органические молекулы.В вашем теле жиры выполняют множество функций, принимая форму фосфолипидов и холестерина, которые являются важными компонентами клеточных мембран; воски, обеспечивающие защитный слой растений и животных; гормоны, которые сигнализируют о различных функциях вашего тела; витамины, которые помогают в различных функциях клеток; и стероиды, которые важны для ряда физиологических процессов. Жиры животных, как правило, более вязкие, чем жиры растений.
Ссылки
Ресурсы
Writer Bio
Хо-Дип Динь пишет с 2005 года.Она пишет статьи о eHow и Answerbag, специализируясь на таких темах, как здоровье человека, а также профилактика и лечение заболеваний. Дин получила степень бакалавра физиологии в Калифорнийском университете в Дэвисе.
Органические соединения | BioNinja
Понимание:
• Атомы углерода могут образовывать четыре ковалентные связи, позволяя существовать разнообразным стабильным соединениям
Органические соединения
Органическое соединение — это соединение, которое содержит углерода и содержится в живых существах
- Исключения включают карбиды (например, карбиды).г. CaC 2 ), карбонаты (CO 3 2–), оксиды углерода (CO, CO 2 ) и цианиды (CN –)
Углерод
Углерод составляет основу органическая жизнь благодаря своей способности образовывать большие и сложные молекулы посредством ковалентных связей
Атомы углерода могут образовывать четыре ковалентных связи , причем связи между атомами углерода особенно стабильны (катенация)
- Эти свойства позволяют углероду образовывать самые разные органических соединений, которые являются химически стабильными
Схема атома углерода
Понимание:
• Жизнь основана на углеродных соединениях, включая углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты
Основные классы соединений углерода
Существуют четыре основные группы органических соединений, которые во многом определяют структуру и функции клетки.
Углеводы
- Органические соединения, наиболее распространенные в природе, состоит в основном из атомов C, H и O в общем соотношении — (CH 2 O) n
- Принципиально функционирует как источник энергии (и как вариант кратковременного накопления энергии)
- Также важно как молекула узнавания (например,г. гликопротеины) и как структурный компонент (часть ДНК / РНК)
Липиды
- Неполярные гидрофобные молекулы, которые могут иметь различные формы (простые, сложные или производные)
- Липиды служат основным компонентом клеточных мембран (фосфолипиды и холестерин)
- Они могут использоваться в качестве молекулы длительного хранения энергии (жиры и масла)
- Также могут действовать как сигнальная молекула (стероиды)
Нуклеиновые кислоты
- Генетический материал всех клеток и определяет унаследованные особенности организма
- ДНК функционирует как главный код для сборки белка, в то время как РНК играет активную роль в производстве белков
Белки
- составляет более 50% от сухой массы клеток; состоят из атомов C, H, O и N (некоторые могут включать S)
- Основные регуляторные молекулы, участвующие в катализе (все ферменты являются белками)
- Могут также функционировать как структурные молекулы или играть роль в передаче сигналов в клетках (пути трансдукции)
Основные классы органических соединений в клетках
Типы органических соединений в химии и биологии
Органические соединения называются «органическими», потому что они связаны с живыми организмами.Эти молекулы составляют основу жизни и очень подробно изучаются в химических дисциплинах органической химии и биохимии.
Существует четыре основных типа или класса органических соединений, обнаруженных во всем живом: углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты. Кроме того, существуют и другие органические соединения, которые могут быть обнаружены в некоторых организмах или продуцированы ими. Все органические соединения содержат углерод, обычно связанный с водородом (также могут присутствовать другие элементы).Давайте подробнее рассмотрим ключевые типы органических соединений и рассмотрим примеры этих важных молекул.
Углеводы — органические соединения
Масанянка / Getty Images
Углеводы — это органические соединения, состоящие из элементов углерода, водорода и кислорода. Отношение атомов водорода к атомам кислорода в молекулах углеводов составляет 2: 1. Организмы используют углеводы в качестве источников энергии, структурных единиц и для других целей. Углеводы — это самый большой класс органических соединений, содержащихся в организмах.
Углеводы классифицируются по количеству содержащихся в них субъединиц. Простые углеводы называются сахарами. Сахар, состоящий из одной единицы, является моносахаридом. Если две единицы соединяются вместе, образуется дисахарид. Более сложные структуры образуются, когда эти более мелкие единицы соединяются друг с другом с образованием полимеров. Примеры этих более крупных углеводных соединений включают крахмал и хитин.
Примеры углеводов:
- Глюкоза
- Фруктоза
- Сахароза (столовый сахар)
- Хитин
- Целлюлоза
- Глюкоза
Липиды — органические соединения
дулезидар / Getty Images
Липиды состоят из атомов углерода, водорода и кислорода.Липиды имеют более высокое отношение водорода к кислороду, чем углеводы. Три основные группы липидов — это триглицериды (жиры, масла, воски), стероиды и фосфолипиды. Триглицериды состоят из трех жирных кислот, соединенных с молекулой глицерина. Каждый стероид имеет основу из четырех углеродных колец, соединенных друг с другом. Фосфолипиды напоминают триглицериды, за исключением того, что вместо одной из цепей жирных кислот есть фосфатная группа.
Липиды используются для хранения энергии, построения структур и в качестве сигнальных молекул, помогающих клеткам общаться друг с другом.
Примеры липидов:
- Холестерин
- Парафин
- Оливковое масло
- Маргарин
- Кортизол
- Эстроген
- Фосфолипидный бислой, образующий клеточную мембрану
Белки — органические соединения
Максимилиан Сток Лтд. / Getty Images
Белки состоят из цепочек аминокислот, называемых пептидами. Белок может быть получен из одной полипептидной цепи или может иметь более сложную структуру, в которой полипептидные субъединицы упаковываются вместе, образуя единицу.Белки состоят из атомов водорода, кислорода, углерода и азота. Некоторые белки содержат другие атомы, такие как сера, фосфор, железо, медь или магний.
Белки выполняют в клетках множество функций. Они используются для создания структуры, катализатора биохимических реакций, иммунного ответа, упаковки и транспортировки материалов, а также для воспроизведения генетического материала.
Примеров белков:
- Ферменты
- Коллаген
- Кератин
- Альбумин
- Гемоглобин
- Миоглобин
- Фибрин
Нуклеиновые кислоты — органические соединения
Stocktrek Images / Getty Images
Нуклеиновая кислота — это тип биологического полимера, состоящего из цепочек нуклеотидных мономеров.Нуклеотиды, в свою очередь, состоят из азотистого основания, молекулы сахара и фосфатной группы. Клетки используют нуклеиновые кислоты для кодирования генетической информации организма.
Примеры нуклеиновых кислот:
- ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота)
- РНК (рибонуклеиновая кислота)
Другие виды органических соединений
Ирина Имаго / Getty Images
В дополнение к четырем основным типам органических молекул, обнаруженных в организмах, существует множество других органических соединений.К ним относятся растворители, лекарства, витамины, красители, искусственные ароматизаторы, токсины и молекулы, используемые в качестве предшественников биохимических соединений. Вот некоторые примеры:
- ацетальдегид
- ацетаминофен
- Ацетон
- Ацетилен
- Бензальдегид
- Биотин
- Бромфеноловый синий
- Кофеин
- Тетрахлорметан
- Фуллерен
- Гептан
- Метанол
- Горчичный газ
- Ванилин
