Органические вещества клетки

К основным органическим веществам клетки относятся белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты, витамины и АТФ. Также в клетке встречаются карбоновые кислоты и другие органические соединения. Многие органические вещества клетки являются биополимерами.

Белки
По содержанию в клетке белки занимают первое место из органических веществ. Белки – это нерегулярные полимеры, состоящие из остатков аминокислот. В состав белков входят 20 разных a-аминокислот.
Соединение аминокислот происходит следующим образом: аминогруппа одной кислоты соединяется с карбоксильной группой другой, при этом выделяется молекула воды. Образовавшаяся связь называется пептидной, а само соединение – пептидом. Соединение из большого числа аминокислот называется полипептидом. Если белок состоит только из аминокислот, то его называют простым (протеином), если в него входят другие вещества, то сложным – протеидом.
Пространственная организация белков включает 4 структуры. Первичная (линейная) – полипептидная цепь, т.е. нить аминокислот, соединенных ковалентными связями. Вторичная – белковая нить закручивается в спираль. В ней возникают водородные связи. Третичная – спираль далее свертывается, образуя глобулу (клубок) или фибриллу (вытянутая структура). В ней возникают гидрофобные и электростатические взаимодействия, а также ковалентные дисульфидные –S-S– связи. Четвертичная – соединение нескольких макромолекул белка вместе.
Разрушение структуры белка называется денатурацией. Она бывает необратимой (если повреждается первичная структура) или обратимой (если повреждаются другие структуры).
Функции белков
1. Ферменты – это биологические катализаторы. Они специфичны  и активны в определенной среде и при определенной температуре. Любой фермент имеет активный центр – это особый участок в структуре фермента, к которому присоединяется молекула субстрата .
2. Регуляторные – гормоны (инсулин, глюкагон, соматотропин).
3. Транспортные – гемоглобин.
4. Защитные – иммуноглобулины (антитела), интерфероны.
5. Движение – актин, миозин.
6. Строительная (структурная) – кератин (в волосах), коллаген, тубулин.
7. Рецепторная – родопсин.
8. Энергетическая – крайне редко, только после того, когда закончились углеводы и липиды. 1 г белка при полном распаде дает 17,6 кДж.

Углеводы
Углеводы – органические вещества, в состав которых входит углерод, водород и кислород. Общая формула: Сn2О)m, где n и m не менее 3-х. Они делятся на три класса: моносахариды, олигосахариды и полисахариды. Моносахариды состоят из одной молекулы, это твердые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде и имеющие сладкий вкус. Рибоза и дезоксирибоза5Н10О5 и С5Н10О4 соответственно) входят в состав ДНК и РНК. Глюкоза6Н12О6) – это основной первичный источник энергии в клетке. Фруктоза – изомер глюкозы.
Олигосахариды состоят из 2-, 3- или 4-х остатков моносахаридов. Наиболее важны дисахариды, состоящие из 2-х остатков. Они хорошо растворимы в воде, сладкие на вкус. Сахароза12Н22О11) широко распространена в растениях. Лактоза (молочный сахар) – это важнейший источник энергии для детенышей млекопитающих.
Полисахариды – высокомолекулярные вещества, состоящие из большого числа остатков моносахаридов. Их общая формула – (С6Н10О5)n. Плохо растворимы в воде, не имеют сладкого вкуса. Крахмал представлен двумя формами: амилоза (состоит из остатков глюкозы, соединенных в неразветвленную цепь) и амилопектин (состоит из остатков глюкозы, соединенных в линейные и разветвленные цепи). Гликоген – полисахарид животных и грибов. По структуре напоминает крахмал, но сильнее разветвлен. Клетчатка (целлюлоза) – главный структурный полисахарид растений, входит в состав клеточных стенок. Это линейный полимер. Хитин входит в состав клеточных стенок грибов и кутикулы членистоногих. Это неразветвленный полимер. Муреин входит в состав клеточной стенки бактерий, это гликопротеид.
Функции углеводов:
1. Энергетическая – 1 г при полном распаде дает 17,6 кДж;
2. структурная;
3. входят в состав РНК и ДНК;
4. опорная (целлюлоза у растений);
5. запасающая (крахмал и гликоген).

Липиды
Липиды объединяют жиры и жироподобные вещества (липоиды). Жиры – это сложные эфиры жирных кислот и глицерина. Жирные кислоты: пальмитиновая, стеариновая (насыщенные), олеиновая, линолевая (ненасыщенные). Растительные жиры богаты ненасыщенными кислотами, поэтому они легкоплавкие, при комнатной температуре – жидкие. Животные жиры содержат в основном насыщенные кислоты, поэтому они более тугоплавкие, при комнатной температуре – твердые. Все жиры нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в неполярных растворителях; плохо проводят тепло. К жирам относятся фосфолипиды (это основной компонент мембран клеток) – в их состав входит остаток фосфорной кислоты. К липоидам относятся стероиды, воск и др.
Функции липидов:
1. структурная;
2. энергетическая – 1 г при полном распаде дает 38,9 кДж;
3. запас питательных веществ (жировая ткань);
4. терморегуляция (подкожный жир);
5. запас воды -при окислении 100 г жира выделяется 107 мл воды;
6. защита внутренних органов от повреждения;
7. гормоны (эстрогены, андрогены, стероидные гормоны);

АТФ
АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) – это основной источник энергии для клеток живых организмов. АТФ состоит из трех остатков фосфорной кислоты, рибозы (моносахарид) и аденина (остаток азотистого основания).
При отщеплении одного остатка фосфорной кислоты образуется АДФ (аденозиндифосфорная кислота), а если отщепляются два остатка – то АМФ (аденозинмонофосфорная кислота). Реакция отщепления каждого остатка сопровождается освобождением 40 кДж/моль. Такая фосфорно-кислородная связь в АТФ называется макроэргической. АТФ имеет две макроэргические связи. АТФ образуется в митохондриях из АМФ, которая присоединяет сначала один, затем второй остаток фосфорной кислоты с поглощением 40 кДж/моль энергии (или из АДФ с присоединением одного остатка фосфорной кислоты). АТФ расходуется на различные процессы в клетке, например на биосинтез белка.

Нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые кислоты – это нерегулярные полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, остатка фосфорной кислоты и моносахарида.
Впервые нуклеиновые кислоты описаны в XIX в. (1869 г.) швейцарцем Ф. Мишером. Существуют две разновидности нуклеиновых кислот – ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Они обеспечивают хранение и передачу наследственной информации.

ДНК
В ДНК существуют 4 разновидности нуклеотидов: А (аденин), Т (тимин), Г (гуанин) и Ц (цитозин). Аденин и гуанин относятся к пуриновым основаниям, цитозин и тимин – к пиримидиновым. При этом в ДНК число пуриновых оснований равно числу пиримидиновых, а также А = Т и Ц = Г (правило Чаргаффа). В состав нуклеотида ДНК входит моносахарид дезоксирибоза.
В 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик открыли, что молекула ДНК представляет собой двойную спираль. Каждая спираль состоит из полинуклеотидной цепи; цепи закручены одна вокруг другой и вместе вокруг общей оси. Цепи удерживаются вместе водородными связями, возникающими между основаниями (между аденином и тимином – две, между цитозином и гуанином – три связи). Полинуклеотидные цепи комплементарны друг другу: напротив аденина в одной цепи всегда находится тимин в другой, и наоборот (А–Т и Т–А); напротив цитозина – гуанин (Ц–Г и Г–Ц). Этот принцип строения ДНК называется принципом комплементарности.
Содержание ДНК в клетке строго постоянно. У эукариот ДНК в основном находится в ядре (где образует хромосомы, состоящие из ДНК и белков), но в митохондриях и пластидах также есть собственная ДНК. У прокариот ДНК расположена в цитоплазме.
Основная функция ДНК – хранение и передача наследственной информации.

РНК
РНК – это нерегулярный полимер, состоящий из нуклеотидов. Все виды РНК образуются в ядре на ДНК. Содержание в клетке сильно колеблется. РНК находится в ядре и цитоплазме. Строение нуклеотида – как у ДНК, за двумя исключениями: вместо дезоксирибозы в состав РНК входит рибоза, а вместо тимина –рацил. РНК состоит из одной цепочки.
Выделяют три вида РНК:
и-РНК (информационная РНК), или м-РНК (матричная РНК), содержится в ядре и цитоплазме. Ее функция – перенос информации о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка;

т-РНК (транспортная РНК) в основном содержится в цитоплазме клетки. Функция – перенос молекул аминокислот к месту синтеза белка;

р-РНК (рибосомная РНК) синтезируется в ядрышках и участвует в образовании рибосом. Это самая крупная РНК – она имеет наибольшую молекулярную массу, по сравнению с другими видами РНК.