!Из 112 химических элементов периодической системы
Д. И. Менделеева в клетках живых организмов обнаружено примерно 25!

Ультрамикроэлементы
(менее ~0,001%)

Макроэлементы
(~99%)

Микроэлементы
(~1%)

По количественному содержанию в клетке все химические элементы делят на 3 группы:

!Клетки состоят из тех же химических элементов, которые образуют неживую природу!

содержатся в десятых или сотых долях процента

Азот – 3%

Макроэлементы составляют основную массу вещества клетки на их долю приходится
около 99%, из них 98 % приходится на четыре химических элемента:

Это органогенные элементы (органогены) – они входят в состав белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов, воды

Углерод – 18%

Водород – 10%

Кислород – 65%

И еще 1% приходится на долю 8 элементов:

Магний входит в состав хлорофилла у растений; обеспечивает сердечные сокращения

Железо входит в состав гемоглобина крови, транспортирует кислород

Кальций входит в состав костей, зубов; обеспечивает свертываемость крови, сокращения мышц, работу рецепторов

Фосфор входит в состав костей, зубов, мембран

Хлор поддерживает водно-солевой баланс, торможение нервных импульсов, входит в состав соляной кислоты желудка

Калий, натрий обеспечивают электрический заряд на мембранах нервных волокон, поддерживают водно-солевой баланс

Сера входит в состав некоторых белков, больше всего в белке кератине (рога, копыта, волосы, ногти и т.п.)

Микроэлементы – преимущественно ионы металлов (кобальта, меди, цинка и др.) и галогенов (йода, брома и др.). Они содержатся в количествах от 0,001% до 0,000001%.

Входят в состав гормонов, ферментов, витаминов.

Примеры:
Цинк – необходимый элемент для работы ферментов (ДНК- и РНК- полимераз) и гормонов (инсулин).
Йод – входит в состав тироксина – гормона щитовидной железы, содержится в морских водорослях.
Медь – необходимый элемент для работы ферментов.
Фтор – входит в состав эмали зубов.

Ультрамикроэлементы – концентрация ниже 0,000001 %. К ним относят золото, уран, ртуть, селен и др.
Физиологическая роль большинства этих элементов в живых организмах не установлена

Газы (0,1-0,5%)

Высоко-молекулярные органические соединения

Минеральные соли (1-1,5%)

Вода (70-80%)

Белки (10-20%)

Липиды (1-5%)

Углеводы (1-1,5%)

Нуклеиновые кислоты (1-2%)

Низкомолекулярные органические соединения (АТФ, витамины, переносчики водорода, пигменты и др.)

•Содержание воды в организмах составляет 60-90%.

•Обладает дипольностью – атомы водорода имеет частично положительный заряд, а атом кислорода – частично отрицательный.


•95% всей воды используется как полярный растворитель и как среда для клетки.


•4-5% воды связано с белками. В результате образуется водная оболочка вокруг белков, которая препятствует склеиванию их друг с другом.

Водородные связи непрочные, но их очень много!
Обычно на схемах обозначаются пунктирными линиями.

Образование водородной связи

• поддержание кислотно-щелочного равновесия;
• участие в создании заряда на мембране клетки;
• входят в состав ферментов;
• создание осмотического давления в клетке.

Низкомолекулярные органические соединения (АТФ, витамины, переносчики водорода, пигменты и др.)

Белки

Углеводы

Нуклеиновые кислоты

Липиды

Полимеры (от "поли" – много) – это вещество с высокой молекулярной массой, молекула которого состоит из большого количества повторяющихся единиц, – мономеров (от «моно» – один).
Биополимеры – полимеры, входящие в состав клеток живых организмов.

мономеры

Биополимеры

Мономеры

Полисахариды
(целлюлоза, гликоген, крахмал)

Нуклеиновые кислоты

Белки

Моносахариды (глюкоза)

Аминокислоты

Нуклеотиды

карбоксильная группа (кислотные свойства)

радикал (20 типов)

аминогруппа (основные свойства)

Белки – это биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты.

• они состоят из углерода, водорода, кислорода, азота и серы;
• в составе белков обнаружено 20 аминокислот;

В белках аминокислоты соединены между собой пептидными связями (-NH-CO-) в полипептидные цепи.
Пептидные связи образуются при взаимодействии карбоксильной группы одной аминокислоты с аминогруппой другой.

По способности человека синтезировать аминокислоты делятся на:

незаменимые аминокислоты – они не синтезируются в организме человека. Необходимо их поступление
в организм с пищей

заменимые аминокислоты – они синтезируются в организме человека в достаточном количестве

-гистидин
-изолейцин
-лейцин
-лизин
-метионин
-фенилаланин
-треонин
-триптофан
-валин

-аланин
-аргинин
-аспарагин
-аспарагиновая кислота
-цистеин
-глутамин
-глицин
-орнитин
-пролин
-серин
-тирозин

яйца, соевый протеин, кунжут, арахис, пармезан, белая рыба, свинина, говядина, тофу

1. Первичная структура – последовательность аминокислот, соединенных пептидными связями.

α-спираль

2. Вторичная структура белка – полипептидная цепь, закрученная в α-спираль или β-складчатую структуру.

Она удерживается при помощи водородных связей, которые возникают между NH- и СО-группами, расположенными на соседних витках.

Функционирование в виде закрученной спирали характерно для фибриллярных белков (коллаген, фибриноген, миозин, актин и др.)

β-структура

Первичная структура (полипептидная цепь)

3. Третичная структура – сворачивание спирали в сложную конфигурацию – глобулу, поддерживаемую:






Многие белковые молекулы становятся функционально активными только после приобретения глобулярной (третичной) структуры.

• дисульфидными связями (–S–S–, возникающими между радикалами серосодержащих аминокислот – цистеина и метионина),
• ионными связями (за счет радикалов)
• гидрофобными взаимодействиями (за счет радикалов)

глобула

4. Четвертичная структура белка – взаимное расположение в пространстве нескольких полипептидных клубков, составляющих одну белковую молекулу, образует четвертичную структуру (химические связи могут быть разными).

Денатурация – утрата белковой молекулой своей структурной организации, бывает:
-обратимая;
-необратимая.

Ренатурация – восстановление структуры белка.

1. Ферментативная (каталитическая): ферменты способны ускорять химические реакции.

Например:

• фермент крови каталаза ускоряет реакцию разложения перекиси водорода на воду и кислород;
• фермент желудочного сока пепсин ускоряет створаживание молока.

обработка раны перекисью водорода

2. Структурная (строительная): белки являются обязательным компонентом всех клеточных структур, органов и тканей.

Например:

• белок волос – кератин;
• белок хрящевой ткани – коллаген.

волос под микроскопом

хрящ коленного сустава

Эритроцит состоит из мембраны, заполненной гемоглобином

3. Транспортная: белки могут быть переносчиками различных веществ.

Например:

• белок клеток крови — гемоглобин переносит О₂;
• белок плазмы крови — трансферрин переносит ионы железа (Fe³⁺).

4. Двигательная (сократительная): обеспечивают двигательные реакции организмов.

Например:

• сократительные белки мышц – актин и миозин;
• белок жгутиков бактерий – флагеллин.

бактерия

актин

В составе гемоглобина есть белок глобин и гем

Гем – это сложная молекула с атомом железа в центре

Змея выбрасывает яд из ядовитых желез

5. Защитная: выполняют защиту от патогенов, хищников и других опасных факторов.

Например:

• при попадании инородных тел в организме вырабатываются защитные белки – антитела;
• яд змей, грибов, насекомых – нейротоксины, протеазы и др.

6. Энергетическая: при недостатке углеводов и жиров могут окисляться и молекулы аминокислот.


Энергетическая ценность 1 г белка – 17,6 кДж (~4 ккал) энергии.

Яйцо – источник питательных веществ для зародыша

7. Регуляторная (гормональная): белки регулируют работу внутренних органов.

Например:

• гормон поджелудочной железы – инсулин, регулирует уровень глюкозы в крови;
• гормон гипофиза – соматотропин, регулирует процессы роста .

8. Сигнальная (рецепторная): в мембрану встроены особые белки (интегрины), способные изменять свою третичную структуру на действие факторов внешней среды. Так происходит приём сигналов из внешней среды и передача информации в клетку.

цитоплазма

инсулин

Инсулин взаимодействует со своим рецептором на поверхности клетки.

После этого открывается глюкозный канал, проходящий через клеточную мембрану.

По каналу глюкоза поступает в клетку.

рецептор инсулина

клетка

глюкоза

глюкозный канал

актин

клеточная мембрана

интегрин

коллаген

фибронектин

9. Запасающая: некоторые организмы запасают белки (это нетипичная функция).

Например:

• в запасающей ткани семени (эндосперме) злаков – глютен;
• запасной белок яичного белка – альбумин.

Семена злаков – источник питательных веществ