Структурное и функциональное различие растительной и живой клетки

        Органические вещества — класс соединений, в состав которых входит углерод (за исключением карбидов, угольной кислоты, карбонатов, оксидов углерода и цианидов).

       Органические вещества (соединения) клетки – химические соединения, в состав которых входят атомы углерода (белки, углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты и др. соединения, которых нет в неживой природе).

      Органические соединения составляют в среднем 20-30% массы клетки живого организма. К ним относятся биологические полимеры — белки, нуклеиновые кислоты и углеводы, а также жиры и ряд небольших молекул - гормонов, пигментов, АТФ и многие другие. В различные типы клеток входит неодинаковое количество органических соединений. В растительных клетках преобладают сложные углеводы — полисахариды; в животных — больше белков и жиров. Тем не менее, каждая из групп органических веществ в любом типе клеток выполняет сходные функции.

 
Белки.

      Белки – это нерегулярные полимеры, мономерами которых являются аминокислоты.

      Среди органических веществ клетки, белки занимают первое место, как по количеству, так и по значению. У животных на них приходится около 50 % сухой массы клетки. В организме человека встречается 5 млн. типов белковых молекул, отличающихся не только друг от друга, но и от белков других организмов.  Несмотря на такое разнообразие и сложность строения, они построены всего из 20 различных аминокислот. 
Белки, выделенные из живых организмов — животных, растений и микроорганизмов,— включают несколько сотен, а иногда и тысяч комбинаций 20 основных аминокислот. Порядок их чередования самый разнообразный, что делает возможным существование огромного числа молекул белка, отличающихся друг от друга. Например, для белка, состоящего всего из 20 остатков аминокислот, теоретически возможно около 2 • 1018 вариантов, отличающихся чередованием аминокислот, а значит, и свойствами различных белковых молекул. Последовательность аминокислот в полипептидной цепи принято называть первичной структурой белка. Однако молекула белка в виде цепи аминокислот, последовательно соединенных между собой пептидными связями, еще не способна выполнять специфические функции. Для этого необходима более высокая структурная организация. Путем образования водородных связей между остатками карбоксильных и аминогрупп разных аминокислот белковая молекула принимает вид спирали. Это вторичная структура белка. Но и ее часто недостаточно для приобретения характерной активности. Только молекула, обладающая третичной структурой, может выполнять роль катализатора или любую другую. Третичная структура образуется благодаря взаимодействию радикалов, в частности радикалов аминокислоты цистеина, которые содержат серу. Атомы серы двух аминокислот, находящихся на некотором расстоянии друг от друга в полипептидной цепи, соединяются, образуя так называемые дисульфидные, или 5-3 связи. Благодаря этим взаимодействиям, а также другим менее сильным связям белковая спираль сворачивается и приобретает форму шарика, или глобулы. Способ укладки полипептидных спиралей в глобулы называют третичной структурой белка. Многие белки, обладающие третичной структурой, могут выполнять свою биологическую роль в клетке. Однако для некоторых функций организма требуется участие белков с еще более высоким уровнем организации. Такая организация называется четвертичной структурой. Она представляет собой функциональное объединение нескольких (двух, трех и более) молекул белка с третичной организацией. Пример такого сложного белка — гемоглобин. Его молекула состоит из четырех связанных между собой молекул. 
Утрата белковой молекулой своей структурной организации называется денатурацией. 
      Денатурация может быть вызвана изменением температуры, обезвоживанием, облучением рентгеновскими лучами и другими воздействиями. Вначале разрушается самая слабая структура—     четвертичная, затем третичная, вторичная и при наиболее жестких условиях — первичная. Если изменение условий среды не приводит к разрушению первичной структуры молекулы, то при восстановлении нормальных условий среды полностью воссоздается и структура белка. Такой процесс носит название денатурации. Это свойство белков полностью восстанавливать утраченную структуру широко используется в медицинской и пищевой промышленности для приготовления некоторых медицинских препаратов, например антибиотиков, для получения пищевых концентратов, сохраняющих длительное время в высушенном виде свои питательные свойства.

Структуры белка.

Образование первичной структуры белка.

Функции белков.

         Под влиянием термических, химических и других факторов в белке нарушаются бисульфидные и водородные связи. Это приводит к нарушению сложной структуры - денатурации. При этом третичная структура переходит во вторичную и далее - в первичную. Если первичная структура не разрушается, то весь процесс оказывается обратимым, что имеет исключительно, важное значение в восстановлении функциональных свойств белковой молекулы после повреждающих воздействий. Белки можно разделить на глобулярные (антитела, гормоны, ферменты) и фибриллярные (коллаген, кератин кожи, эластин).

      Биологическая роль белков в клетке и во всех жизненных процессах очень велика. На первом месте стоит их каталитическая функция. Поскольку многие внутриклеточные вещества в химическом отношении инертны и их концентрация в клетке незначительна, реакции в клетках должны бы протекать очень замедленно. Однако благодаря присутствию в клетке биокатализаторов реакции проходят исключительно быстро. Все биокатализаторы (они называются ферментами или энзимами) - вещества белковой природы. Каждую химическую реакцию обусловливает свой биокатализатор. 
 
Всевозможных реакций в цитоплазме клетки осуществляется очень, много, столь же много и биокатализаторов, контролирующих ход этих реакций. 
 
     Строительная функция белков сводится к их участию в формировании всех клеточных органоидов и мембраны. Следующая функция белка - сигнальная. Исследования показывают, что факторы внешней и внутренней среды - температурные, химические, механические и другие способны вызвать обратимые изменения структуры, а значит, и свойств белков. Их способность к обратимым, изменениям структуры под влиянием раздражителей лежит в основе важного свойства живого - раздражимости. Восприятие любого раздражителя связано с изменением пространственной упаковки белковой молекулы.       Сократительная функция белка состоит в том, что все виды двигательных реакций клетки выполняются особыми сократительными белками (актин и миозин в мышцах высших животных, сократительные белки в жгутиках и ресничках простейших и др.). При этом, взаимодействуя с АТФ, белки разрушают ее, а сами укорачиваются, вызывая эффект движения.

   Транспортная функция белков выражается в способности специфических белков крови обратимо соединяться с органическими и неорганическими веществами и доставлять их в разные органы, и ткани. Так, гемоглобин соединяется с кислородом и диоксидом углерода. Сывороточный белок альбумин связывает и переносит вещества липидного характера, гормоны и др. 
 
    Белки выполняют и защитную функцию. В организме в ответ на проникновение в него чужеродных веществ вырабатываются антитела - особые белки, которые нейтрализуют, обезвреживают чужеродные белки. 
 
    Белки могут служить источником энергии. Расщепляясь в клетке до аминокислот и далее до конечных продуктов распада - диоксида углерода, воды и азотосодержащих веществ, они выделяют энергию, необходимую для многих жизненных процессов в клетке. 
 
Белки-ферменты. В каждой живой клетке непрерывно происходят сотни биохимических реакций. В ходе этих реакций идут распад и 
окисление поступающих извне питательных веществ. Клетка использует энергию, полученную вследствие окисления питательных 
веществ; продукты их расщепления служат для синтеза необходимых клетке органических соединений. Быстрое протекание таких 
биохимических реакций обеспечивают катализаторы (ускорители реакции) – ферменты. 
Почти все ферменты являются белками (но не все белки – ферменты). Представление о том, что ферменты – белки, утвердилось не 
сразу. Для этого нужно было научиться выделять их в высокоочищенной кристаллической форме. Впервые фермент в такой форме 
выделил в 1926г. Дж. Самнер. Этим ферментом была уреаза, которая катализирует расщепление мочевины.

Белки – регуляторы физиологических процессов. Известно, что в специальных клетках животных и растений производятся 
регуляторы физиологических процессов – гормоны. Многие гормоны – белки. К ним, например, относятся все гормоны, производимые 
в особых клетках мозга, находящихся в гипоталамической части его и в гипофизе. Это гормон роста, адренокортикотропный гормон 
(АКТГ), тиреотропный гормон (ТТГ) и другие гормоны гипофиза, а также либерины и статины гипоталамуса, усиливающие или 
подавляющие синтез и выход в кровь гормонов гипофиза.

Белки-транспортеры. В крови, наружных клеточных мембранах, в цитоплазме и ядрах клеток есть различные транспортные белки. В 
крови имеются белки-транспортеры, которые узнают и связывают определенные гормоны и несут их к определенным клеткам. Такие 
клетки оснащены рецепторами, узнающими эти гормоны. В цитоплазме и ядрах есть рецепторы гормонов, через которые они 
осуществляют свое действие. В наружных клеточных мембранах имеются белки-транспортеры, которые обеспечивают активный и 
строго избирательный транспорт внутрь и наружу клетки сахаров, различных веществ и ионов.

Белки - средства защиты организма. В лимфоидных тканях (вилочковая железа, лимфатические железы, селезёнка) производятся лимфоциты - клетки, которые способны синтезировать защитные белки - Антитела. Такие антитела носят название иммуноголобулинов. Иммуноглобулины состоят из четырёх белковых цепей. Они имеют участок, распознающий "пришельца" и участок расправляющийся с ним.

    Углеводы.

 Углеводы, или сахариды,—  органические вещества. У большинства  углеводов число атомов водорода  вдвое превышает количество атомов  кислорода. Поэтому эти вещества  и были названы углеводами. 
В животной клетке углеводы находятся в количествах, не превышающих 1—2, иногда 5 %. Наиболее богаты углеводами растительные клетки, где их содержание в некоторых случаях достигает 90 % сухой массы (клубни картофеля, семена и т. д.). Углеводы бывают простые и сложные. Простые углеводы называются моносахаридами.

   В зависимости от числа атомов углерода в молекуле моносахариды называю триодами — 3 атома, тетродами — 4, пентозами — 5 и гексозами — 6 атомов углерода. Из шестиуглеродных моносахаридов — гексоз наиболее важны глюкоза, фруктоза и галактоза. Глюкоза содержится в крови (0,1—0,12 %). Пентозы — рибоза и дезоксирибоза — входят в состав нуклеиновых кислот и АТФ. Если в одной молекуле объединяются два моносахарида, такое соединение называется дисахаридом. Пищевой сахар, получаемый из тростника или сахарной свеклы, состоит из одной молекулы глюкозы и одной молекулы фруктозы, молочный сахар — из глюкозы и галактозы.

 Сложные углеводы, образованные многими моносахаридами, называются полисахаридами.

Мономером таких полисахаридов, как крахмал, гликоген, целлюлоза, является глюкоза.

      Углеводы выполняют две основные функции: строительную и энергетическую. Например, целлюлоза образует стенки растительных клеток; сложный полисахарид хитин — главный структурный компонент наружного скелета членистоногих. Строительную функцию хитин выполняя и у грибов. Углеводы играют роль основного источника энергии в клетке. В процессе окисления 1 г углеводов освобождается 17,6 кДж. Крахмал у растений и гликоген у животных, откладываясь в клетках, служат энергетическим резервом.

 
Жиры и липоиды.

    Жиры (липиды) представляют собой соединения высокомолекулярных жирных кислот и трехатомного спирта глицерина. Жиры не растворяются в воде — они гидрофобные. В клетках всегда есть и другие сложные гидрофобные жироподобные вещества, называемые липоидами.

     Одна из основных функций жиров — энергетическая. В ходе расщепления 1 г жиров освобождается большое количество энергии — 38,9 кДж. Содержание жира в клетке колеблется в пределах 5—15 % от массы сухого вещества. В клетках жировой ткани количество жира возрастает до 90 %. Накапливаясь в клетках жировой ткани животных, в семенах и плодах растений, жир служит запасным источником энергии. 
Жиры и липоиды выполняют и строительную функцию, они входят в состав клеточных мембран. Благодаря плохой теплопроводности жир способен выполнять функцию теплоизолятора. У некоторых животных (тюлени, киты) он откладывается в подкожной жировой ткани, которая у китов образует слой толщиной до 1 м. Образование некоторых липоидов предшествует синтезу ряда гормонов. Следовательно, этим веществам присуща и функция регуляции обменных процессов.

 
Нуклеиновые кислоты.

 Значение нуклеиновых  кислот в клетке очень велико. Особенности их химического строения  обеспечивают возможность хранения, переноса и передачи по наследству  дочерним клеткам информации о структуре белковых молекул, которые синтезируются в каждой ткани на определенном этапе индивидуального развития. Поскольку большинство свойств и признаков клеток обусловлено белками, то понятно, что стабильность нуклеиновых кислот — важнейшее условие нормальной жизнедеятельности клеток и целых организмов. Любые изменения строения нуклеиновых кислот влекут за собой изменения структуры клеток или активности физиологических процессов в них, влияя, таким образом, на жизнеспособность. Изучение структуры нуклеиновых кислот, которую впервые установили американский биолог Уотсон и английский физик Крик, имеет исключительно, важное значение для понимания наследования признаков у организмов и закономерностей функционирования, как отдельных клеток, так и клеточных систем — тканей и органов. 
Существуют два типа нуклеиновых кислот: ДНК и РНК. ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — биологический полимер, состоящий из двух полинуклеотидных цепей, соединенных друг с другом. Мономеры, составляющие каждую из цепей ДНК, представляют собой сложные органические соединения, включающие азотистые основания — Аденин (А) или Тимин (Т), Цитозин (Ц) или Гуанин (Г); пятиатомный сахар пентозу — дезоксирибоза по имени, которой получила название и сама ДНК, а также остаток фосфорной кислоты. Эти соединения носят название нуклеотидов. В каждой цепи нуклеотиды соединяются между собой, образуя кобалетные связи между дезокарибозой одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого. Нуклеотиды могут соединяться только попарно: азотистое основание А одной цепи полинуклеотидов всегда связано двумя водородными связями с азотистым основанием Т противоположной полинуклеотидной цепочки, а Г тремя водородными связями с Ц. Такая способность к избирательному соединению нуклеотидов, в результате чего образуются пары А-Т и Г-Ц, называется комплементарностью. 
РНК (рибонуклеиновая кислота) также как ДНК, представляет собой полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Азотистые основания трех нуклеотидов те же самые, что входят в состав ДНК (аденин, гуанин, цитозин), четвертое - урацил - присутствует в молекуле РНК, вместо Тимина. Нуклеотиды РНК отличаются от нуклеотидов ДНК и по строению входящего в их состав углевода: они включают другую пентозу - рибозу (вместо дезоксирибозы). В цепочке РНК нуклеотиды соединяются путем образования ковалентных связей между дезоксирибозой одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого. РНК переносят информацию о последовательности аминокислот в белках, т. е. о структуре белков от хромосом к месту их синтеза, и участвуют в синтезе белков. 
Существует несколько видов РНК. Их названия обусловлены выполняемой функцией или местонахождением в клетке. Большую часть РНК цитоплазмы (до 80—90 %) составляет рибосомальная РНК (рРНК), содержащаяся в рибосомах. Молекулы рРНК относительно невелики и состоят из 3—5 тыс. нуклеотидов. Другой вид РНК — информационные (иРНК), переносящие к рибосомам информацию о последовательности аминокислот в белках, которые должны синтезироваться. Размер этих РНК зависит от длины участка ДНК, на котором они были синтезированы. Молекулы и РНК могут состоять из 300—30000 нуклеотидов. Транспортные Р (тРНК) включают 76—85 нуклеотидов и выполняют несколько функций. Они доставляют аминокислоты к месту синтеза белка, "узнают" (по принципу комплемен-тарности) триплет иРНК, соответствующий переносимой аминокислоте, осуществляют точную ориентацию аминокислоты на рибосоме.

Доказательство  наличия органических веществ в  растениях.

    Органические соединения присутствуют практически во всех растениях. 
Они существенно различаются по содержанию основных органических компонентов: углеводов, жиров, белков.

    Вегетативные части растений - древесина, соломина, стебли, листья - содержат небольшое количество белка и жиров и высокий уровень нерастворимых, трудно разлагаемых полисахаридов: целлюлозы, гемицеллюпозы, а также полимера - лигнина. Вегетативные части растений обычно используют в качестве основы субстрата. 
    Генеративные части растений - плоды, семена - содержат много белка и жиров, высокий уровень легко доступных углеводов (крахмал, моносахара, дисахариды) и низкий уровень трудно доступных полимеров - целлюлозы, гемицеллюпозы и лигнина. Генеративные части используют в качестве питательных белково-жировых добавок.  Все это растения получают при питании, которое делится на воздушное и корневое. 
При воздушном питании растения поглощают из атмосферы диоксид углерода для образования органического вещества в процессе фотосинтеза. Среднее содержание диоксида углерода в воздухе обычно составляет около 0.03%. В приземном слое его может быть больше. Увеличения диоксида углерода в приземном слое воздуха достигают путем внесения в почву органических удобрений. Микроорганизмы в почве перерабатывая эти удобрения выделяют диоксид углерода. Его повышенное содержание в приземном слое воздуха усиливает фотосинтез и заметно повышает урожай.  
При корневом питании воду и все необходимые элементы минерального питания растения поглощают из почвы с помощью корневой системы. Из воды, являющейся источником водорода, а также диоксида углерода воздуха растения создают углеводы (сахар, крахмал и клетчатку), на долю которых приходится до 90% всех сухих органических веществ растений. Для образования белков, растениям необходимы, еще азот, сера, фосфор. Большую роль в обмене веществ растений играют также калий, кальций, бор, цинк, медь, молибден, йод, кобальт, которые принято называть микроэлементами. Недостаток в почве хотя бы одного из элементов питания ухудшат рост и развитие растений, и понижает их продуктивность 
 
Таким образом, органические вещества присутствуют в клетках растений, и играют важную роль в их развитии.

 Заключение.

   Огромную роль  в жизни растений, так и живых  организмов играют, как органические, так и неорганические вещества, которые необходимы для жизнедеятельности человека и животных, растений и микроорганизмов. Углеводы являются первичными продуктами фотосинтеза, в кругообороте углерода они служат своеобразным мостом между неорганическими и органическими соединениями. Углеводы и их производные во всех живых клетках выполняют роль пластического и структурного материала, поставщика энергии, субстратов и регуляторов для специфических биохимических процессов. Попадая в клетки углеводы - расщепляются там и выделяют большое количество энергии 1г – 17,2кДж. Еще одна важная роль углеводов в организме человека и животных связана с тем, что углеводы в отличие от белков могут расщепляться как при участии кислорода, так и без него. Это очень важно для организмов, которые обитают в условиях нехватки кислорода. В организме и клетке углеводы обладают способностью накапливаться в виде крахмала у растений и гликогена у животных. Крахмал и гликоген представляют собой запасную форму углеводов и расходуются по мере возникновения потребности в энергии.

2013