Химический состав клетки
В живой ткани и в комке земли есть одни и те же элементы (углерод, водород, кислород, азот…), но в живой ткани гораздо больше углерода и водорода. Чтобы найти соединения углерода, делают простой анализ:
- Растирают живую ткань с трихлоруксусной кислотой (Cl₃CCOOH) в кашицу.
- Процеживают через ткань или вату.
- Жидкость, которая прошла, — это кислоторастворимая фракция (фильтрат): мелкие молекулы, такие как аминокислоты, сахара, нуклеотиды.
- То, что осталось, — кислотонерастворимая фракция (остаток): белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и липиды.
Если сжечь ткань (озоление), все соединения углерода исчезнут; в золе остаются неорганические элементы (Ca, Mg) и соединения вроде сульфатов и фосфатов.
Микромолекулы имеют молекулярную массу 18–800 Да и находятся в растворимой фракции. Макромолекулы (биомакромолекулы) тяжелее 10 000 Да: это белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды. Липиды легче 800 Да, но попадают в нерастворимую фракцию: при растирании разорванные мембраны образуют нерастворимые пузырьки.
Обычная клетка по массе: вода 70–90%, белки 10–15%, нуклеиновые кислоты 5–7%, углеводы 3%, липиды 2%, ионы 1%.
Белки: цепочки аминокислот
У аминокислоты есть центральный атом углерода (α-углерод), к которому присоединены четыре группы: водород, аминогруппа (–NH₂), карбоксильная группа (–COOH) и изменчивая R-группа. Именно R-группа определяет аминокислоту: R = H — глицин, R = CH₃ — аланин, R = CH₂OH — серин. По числу аминогрупп и карбоксильных групп они бывают кислыми (глутаминовая кислота), основными (лизин) или нейтральными (валин); некоторые ароматические (тирозин, фенилаланин, триптофан). В растворе при определённом pH аминокислота несёт и + и – заряды: это цвиттер-ион.
Аминокислоты соединяются пептидными связями (–CO–NH–), теряя воду, и образуют полипептиды. Белок — гетерополимер из аминокислот до 20 видов. Незаменимые аминокислоты нужно получать с пищей, а заменимые организм делает сам.
Четыре уровня структуры
- Первичная: порядок аминокислот от N-конца (первый) до C-конца (последний).
- Вторичная: участки цепи закручиваются в правую спираль (или образуют складки).
- Третичная: цепь сворачивается сама на себя, как клубок шерсти, — это объёмная форма, нужная для работы.
- Четвертичная: две или больше цепей складываются вместе. Гемоглобин человека = 2 α- и 2 β-субъединицы.
Роли: коллаген (самый распространённый белок у животных) и RuBisCO (самый распространённый белок в биосфере); трипсин (фермент), инсулин (гормон), антитела (защита), GLUT-4 (переносит глюкозу в клетки), рецепторы (чувствуют запах, вкус, гормоны).
Углеводы (полисахариды)
Сахара состоят из C, H и O. Глюкоза и рибоза — моносахариды. Два моносахарида, соединённые гликозидной связью, дают дисахарид (сахарозу, лактозу, мальтозу). Длинные цепи — это полисахариды, они находятся в кислотонерастворимой фракции.
- Крахмал — запас питания у растений; его витки (спирали) удерживают йод и дают синий цвет.
- Целлюлоза — гомополимер глюкозы в клеточных стенках растений (хлопок, бумага); спиралей нет, поэтому с йодом синего цвета не будет.
- Гликоген — запас питания у животных, сильно ветвистый.
- Инулин — полимер фруктозы.
- Хитин — сложный полисахарид из аминосахаров (например, глюкозамина) в наружном скелете насекомых и стенках грибов.
В цепи полисахарида правый конец — восстанавливающий, а левый — невосстанавливающий.
Липиды
Липиды не растворяются в воде. Жирная кислота — это карбоксильная группа, присоединённая к углеродной цепи (R-группе); у пальмитиновой кислоты 16 атомов углерода, считая углерод карбоксила, у арахидоновой — 20. Если двойных связей нет, она насыщенная; если есть одна или больше — ненасыщенная. Глицерин (тригидроксипропан) может нести до трёх жирных кислот: образуются моно-, ди- и триглицериды (жиры и масла — масла плавятся при более низкой температуре, например кунжутное). Фосфолипиды, например лецитин, содержат фосфатную группу и образуют клеточные мембраны. В нервной ткани есть более сложные липиды. Липиды строго говоря не макромолекулы и не полимеры.
Нуклеиновые кислоты
У нуклеотида три части: азотистое основание, пятиуглеродный сахар (пентоза) и фосфат. Только основание + сахар = нуклеозид (аденозин, гуанозин, тимидин, уридин, цитидин).
- Пурины (два кольца): аденин, гуанин. Пиримидины (одно кольцо): цитозин, тимин, урацил.
- ДНК: сахар дезоксирибоза, основания A, G, C, T; двойная спираль — A образует пару с T двумя водородными связями, G с C — тремя.
- РНК: сахар рибоза, основания A, G, C, U; обычно одноцепочечная.
В нуклеиновой кислоте фосфат соединяет 3′-углерод одного сахара с 5′-углеродом следующего: это фосфодиэфирная связь. Модель Уотсона–Крика (B-ДНК): две цепи антипараллельны, один полный виток содержит 10 пар оснований, шаг на одну пару оснований — 0.34 нм, а длина витка — 3.4 нм.
Ферменты: виды, свойства и работа
Ферменты — биологические катализаторы; почти все они белки, а некоторые нуклеиновые кислоты тоже работают как ферменты и называются рибозимами. Они ускоряют реакции и остаются неизменными.
Как они работают
У каждого фермента есть активный центр — кармашек, в который подходит субстрат. E + S → ES (комплекс фермент–субстрат) → EP → E + P. Чтобы начать любую реакцию, нужна энергия — энергия активации. Фермент снижает её, и реакция идёт намного быстрее. Пример: карбоангидраза ускоряет реакцию CO₂ + H₂O → H₂CO₃ примерно в 10 миллионов раз (около 600 000 молекул в секунду вместо примерно 200 в час).
Факторы, влияющие на активность фермента
- Температура и pH: у каждого фермента есть оптимум. При низкой температуре он на время становится неактивным; при высокой температуре он денатурирует (форма разрушается).
- Концентрация субстрата: скорость растёт, а потом выходит на плато на уровне Vmax, когда заняты все активные центры. Km = концентрация субстрата при половине Vmax.
- Ингибиторы: конкурентный ингибитор похож на субстрат и блокирует активный центр — например, малонат блокирует сукцинатдегидрогеназу. Такие ингибиторы используют для борьбы с бактериями.
Шесть классов
- Оксидоредуктазы/дегидрогеназы — переносят H или электроны между двумя субстратами.
- Трансферазы — переносят группу (не H) между субстратами.
- Гидролазы — разрывают сложноэфирные, простые эфирные, пептидные, гликозидные, C–C или P–N связи с помощью воды.
- Лиазы — отщепляют группы без воды, оставляя двойные связи.
- Изомеразы — превращают один изомер в другой.
- Лигазы — соединяют два вещества (например, связями C–O, C–S, C–N, P–O).
Кофакторы
Белковая часть — апофермент. Многим нужен небелковый помощник: простетическая группа (прочно связана, например гем в пероксидазе и каталазе), кофермент (связан слабо, часто из витаминов, например NAD и NADP содержат ниацин) или ион металла (например, цинк для карбоксипептидазы). Уберите кофактор — и фермент перестанет работать.
Попробуй сам: фермент в действии
Две минуты жуй небольшой кусочек простого хлеба или варёного риса, не глотая, — он станет сладковатым, потому что амилаза слюны расщепляет крахмал до сахара. Теперь проверим действие нагрева: капни йод на ломтик сырой картошки (сине-чёрный цвет = крахмал). Потом возьми сырую и варёную картофелину, разрежь, капни на каждую каплю перекиси водорода (из аптеки): сырая запенится, потому что работает её фермент каталаза; варёная почти не пенится, потому что нагрев денатурировал фермент. Сравни это с шагом 6 в 3D.
Главные формулы и определения
- Кислоторастворимая фракция: микромолекулы (18–800 Да); кислотонерастворимая: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды (> 10 000 Да) + липиды
- Аминокислота: α-углерод + H + –NH₂ + –COOH + R-группа
- Пептидная связь: –CO–NH–; гликозидная связь (сахара); сложноэфирная связь (жиры); фосфодиэфирная связь (нуклеиновые кислоты)
- Структура белка: первичная → вторичная → третичная → четвертичная
- Нуклеотид = основание + пентоза + фосфат; нуклеозид = основание + сахар
- E + S ⇌ ES → EP → E + P
- Классы ферментов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы
- Холофермент = апофермент + кофактор (простетическая группа / кофермент / ион металла)
Разобранные примеры
1. Ткань печени растёрли в трихлоруксусной кислоте и отфильтровали. В какой фракции будут (а) глюкоза, (б) ДНК, (в) фосфолипиды?
(а) Глюкоза маленькая → фильтрат (кислоторастворимая фракция). (б) ДНК — макромолекула → остаток (кислотонерастворимая). (в) Фосфолипиды маленькие, но разорванные мембраны образуют пузырьки, поэтому они тоже остаются в кислотонерастворимой фракции.
2. В участке ДНК 20 пар оснований. Сколько полных витков двойной спирали он образует и какова его длина?
Один виток = 10 п.о., значит 20 ÷ 10 = 2 витка. Длина = 20 × 0.34 нм = 6.8 нм.
3. В молекуле ДНК 30% аденина. Найди процент гуанина.
A = T, значит T = 30%. A + T = 60%, поэтому G + C = 40%. G = C, значит G = 20%.
4. Назови уровень структуры белка: (а) порядок аминокислот, (б) 4 цепи в гемоглобине, (в) спираль.
(а) Первичная, (б) четвертичная, (в) вторичная.
5. Фермент соединяет два куска ДНК, образуя связь P–O. К какому классу он относится?
Он соединяет две молекулы новой связью → лигаза (ДНК-лигаза).
6. У фермента Vmax = 100 единиц. Какова скорость, когда концентрация субстрата равна Km?
Km — это концентрация субстрата, при которой скорость равна половине Vmax: 100 ÷ 2 = 50 единиц.
Частые ошибки
- Называть липиды макромолекулами. Они легче 800 Да; в кислотонерастворимую фракцию они попадают только потому, что мембраны образуют пузырьки.
- Думать, что низкая температура денатурирует ферменты. Холод лишь на время делает их неактивными; форму разрушает высокая температура.
- Путать нуклеозид и нуклеотид: в нуклеозиде нет фосфата; нуклеотид = нуклеозид + фосфат.
- Говорить, что целлюлоза синеет с йодом. Синеет только крахмал, потому что его спирали удерживают йод; у целлюлозы спиралей нет.