Химический состав растительной клетки

Химический состав растительной клетки

 

Вещества

 

Неорганические: вода – до 85%, минеральные вещества – 1,5%.

 

Органические: белки – 10%, углеводы – 40%, липиды – 2%, нуклеиновые к-ты (ДНК,

РНК) – 1—1,5%, витамины, вещества вторичного происхождения

(алкалоиды, гликозиды, эфирные масла и др.).

 

Белки: строение, свойства, функции

Белки – высокомолекулярные природные полимеры, построенные из остатков аминокислот, соединенных амидной (пептидной) связью —СО—NH—. Каждый белок характеризуется специфической аминокислотной последовательностью и индивидуальной пространственной структурой (конформацией). В состав природных белков входят 20 аминокислот и два амида (аспарагин и глутамин).

 

Классификация аминокислот основана на природе специфического радикала R:

• Алифатические: гли цин, ала нин, вал ин, лей цин, и зо ле йцин. R - углеводородной природы придает гидрофобность,
• Оксиаминокислоты (сер ин, тре онин). Наличие группы -ОН обусловливает гидрофильность,
• Серосодержащие (цис теин, мет ионин) – участвуют в стабилизации третичной структуры белков. Метионин является источником метильных групп.
• Дикарбоновые: глу таминовая, асп арагиновая. Вторая -СООН-группа - придает им высокую химическую активность, гидрофильность, дополнительный отрицательный заряд. При аминировании этих аминокислот образуются амиды глутамин (глн) и аспарагин (асн).
• Двухосновные: лиз ин, арг инин - содержат по 2 аминогруппы, имеют щелочные свойства, положительный заряд;
• Ароматические: фен илаланин, тир озин – имеют ароматическую группу, придающую свойство гидрофобности,
• Гетероциклические: три птофан (предшественник витамина РР, фитогормона ИУК), гис тидин – имеет щелочные свойства;
• Иминокислоты (про лин, оксипролин) - обладают высокой гидрофильностью, синтезируются в большом количестве при стрессе («стрессовые» аминокислоты).

Организм человека и животных, в отличие от растений и микроорганизмов не способен синтезировать ряд аминокислот (вал, лей, иле, тре, мет лиз, три, фен, гис, который– необходим для детей), поэтому данные аминокислоты называют незаменимыми. Высокую биологическую ценность имеют белки семян бобовых культур, особенно фасоли, сои. Биологическая ценность пищевых белков зависит в основном от содержания и соотношения входящих в их состав незаменимых аминокислот. Белки животного происхождения (мяса, рыбы, яиц, молочных продуктов), имеют высокую биологическую ценность. Растительные белки лимитированы по ряду незаменимых аминокислот и прежде всего — по лизину, триптофану, треонину. Много биологически ценного белка содержится в семенах бобовых культур (соя, горох, фасоль и др.).

 

 

 

 

Формулы протеиногенных аминокислот

 

Уровни структурной организации белков

I. Первичной структурой белков называется линейная полипептидная цепь из аминокислот, соединенных между собой пептидными связями.

II. Вторичная структура представляет собой способ укладки полипептидной цепи в упорядоченную структуру благодаря образованию водородных связей между пептидными группами одной цепи или смежными полипептидными цепями. По конфигурации вторичные структуры делятся на спиральные (α-спираль) и слоисто-складчатые.

III. Третичная - способ укладки полипептидной цепи в пространстве. По форме третичной структуры белки делятся в основном на глобулярные и фибриллярные.

IV. Четвертичная (надмолекулярная): Некоторые белки построены из нескольких полипептидных цепей, каждая из которых имеет третичную структуру. Например, гемоглобин (из 4х субъединиц) фермент РБФ-карбоксилаза из 8 субъединиц.

 

Функции белков в клетке

Структурная. Белки образуют основу протоплазмы любой живой клетки, в комплексе с липидами они являются основой всех клеточных мембран, элементов цитоскелета (микротрубочек, микрофиламентов); входят в состав клеточных стенок (структурный белок экстенсин).

Ферментативная (каталитическая). Все ферменты являются белками, простыми или сложными;

Транспортная. Белки участвуют в переносе веществ через мембраны (белки-переносчики челночного типа и энергозависимые, ионные каналы; аквапорины «водяные поры»).

Запасная (запасные отложения белков семян).

Защитная.Иммунные белки: а) белки-ингибиторы, подавляющие ферменты патогенов, б) ферменты, вызывающие разрушение клеточных стенок мицелия грибов-паразитов (глюконазы, хитиназы); в) белки-лектины, специфически связывают (склеивают) патогенные бактерии и грибы, предотвращают дальнейшее распространение бактерий (или гиф гриба); Стрессорные белки – синтезируются под влиянием экстремальных факторов (низкие или сверхоптимальные температуры, водный дефицит, засоление и др.) (БТШ, криопротекторы).

Рецепторная. Входят в состав рецепторов, избирательно воспринимающих сигналы внешней и внутренней среды.

Классификация белков

 

Различают белки простые, состоящие только из аминокислот (протеины) и сложные, которые включают небелковую часть.

Простые белки (протеины) разделяют по растворимости их в определенных растворителях:

Альбумины - растворяются в воде.

Глобулины – белки, растворимые в слабых растворах нейтральных солей.

Проламины - хорошо растворимы в 60-80%-ном этаноле, характерны исключительно для семян злаков, они бедны незаменимыми аминокислотами, но содержат много пролина и глутаминовой кислоты.

Глютелины - хорошо растворимы в щелочных растворах (0,2-2,0%). Запасные белки растений, содержатся в семенах злаков; совместно с проламинами составляют клейковину – комплекс запасных белков злаковых культур. Клейковина сообщает муке способность превращаться в тягучее тесто и качествами ее определяется достоинство муки.

Гистоны - белки щелочного характера, играют важную роль в формировании структуры хроматина (до 40-50% от массы хромосом, содержат много основных аминокислот - арг, лиз).

 

 

Сложные белки (устаревшее название протеиды) классифицируют по химизму небелковой

(простетической) части молекулы.

Липопротеины – простетической (небелковой) группой являются различные жироподобные вещества; входят в состав клеточных мембран.

Металлопротеины – комплексы ионов металлов с белками; в составе металлопротеинов часто встречаются: Cu, Fe, Zn, Mo, Mn, Ni, Se, Ca и др.

Гликопротеины - содержат углеводный компонент. Входят в БМ (рецепторная функция, защитная – лектины реакция агглютинации).

Нуклеопротеины - соединение белков с нуклеиновыми кислотами (рибосомы, хромосомы).

. Хромопротеины - сложные белки, у которых небелковой частью оказываются окрашенные соединения, например, Fe-порфириновые структуры (гемоглобин крови, легоглобин); «желтые дыхательные ферменты», в состав которых входят коферменты флавинадениндинуклеотид - ФАД, флавинаденинмононуклеотид – ФМН.

 

 

Ферменты

 

Ферменты (закваска)- специфические катализаторы белковой природы, ускоряющие течение биохимических реакций и играющие важнейшую роль в обмене веществ.

 

Свойства ферментов

· Они не расходуются в процессе катализа и не входят в состав конечных продуктов реакции, выходят из реакции в первоначальном виде.

· По химической природе все ферменты – белки.

· Эффективность ферментов значительно выше по сравнению с катализаторами небиологической природы. Например, 1 моль Fe за 1 мин разлагает 10-5 моль Н₂О₂, а каталаза, содержащая атом Fe - 105 моль Н₂О₂).

· Регулируемость. Активность ферментов, скорость ферментативных реакций регулируется в зависимости от потребностей самой клетки.

· Специфичность. Они обладают избирательностью действия на субстраты, т.е., на те вещества, превращение которых они катализируют. Специфичность ферментов может быть абсолютной (фермент уреаза – разложение мочевины) или относительной (протеазы – распад белков, имеющих разное происхождение). Специфичность ферментов лежит в основе международной классификации ферментов.

Строение ферментов

Ферменты являются глобулярными белками, их молекулы могут быть представлены как простыми, так и сложными белками. В первом случае ферменты называют однокомпонентными, а во втором – двухкомпонентными. Белковая часть двухкомпонентных ферментов называется апоферментом, а небелковый компонент - коферментом. Соединение белковой части и небелковой части фермента может осуществляться за счет ионных, водородных связей, гидрофобных взаимодействий, реже - с помощью ковалентных связей. В качестве коферментов могут быть производные нуклеотидов и витаминов (НАДФ, ФАД, ФМН, АТФ, УТФ и др.), металлы, а также др. соединения небелковой природы.

Кофакторы (активаторы) - вещества небелковой природы (часто металлы - К, Са, Mg, Mn, Zn, Mo; Cl), усиливают каталитическую активность ферментов, стабилизируя структуру белковой части фермента. Ингибиторы - вещества, подавляющие активность ферментов; они частично или полностью препятствуют образованию фермент-субстратного комплекса (яды, лекарственные препараты, ионы тяжелых металлов и др.).

Область молекулы фермента, в которой происходит связывание, и превращение субстрата называется активным центром. Активный центр расположен в углублении на поверхности молекулы фермента (рис.).

 

В ходе ферментативной реакции осуществляется контакт между ферментом (E) и субстратом (S) с образованием промежуточного фермент-субстратного комплекса (ES).

 

Классификация ферментов

Согласно международной классификации, принятой в 1961 г, все ферменты разделяют на 6 классов в соответствии с характером катализируемых ими реакций.

 

1. Оксидоредуктазы катализируют окислительно-восстановительные реакции.

Ферменты, катализирующие перенос водорода (Н+), называют дегидрогеназами

(имеют коферменты НАД (Ф), ФМН, ФАД):

 

R₁H₂ + R₂ R₁ + RH₂

 

Оксидазами называют ферменты, для которых акцептором водорода (Н+ и е -) служитО₂ (цитохромоксидаза, полифенолоксидазы, пероксидазы, аскорбатоксидаза,

каталаза).

 

RH₂ + 1/2 O₂ R + H₂O (оксидазы)

 

RH₂ + H₂O₂ R +2H₂O (пероксидазы)

 

1. Трансферазы катализируют реакции переноса отдельных группировок (карбоксильных, альдегидных, аминогрупп; групп, содержащих серу, фосфор) с одного соединения на другое:

 

АХ +В А + ВХ

 

1. 3.Гидролазы - ускоряют расщепление сложных веществ (углеводов, жиров, белков) веществ с участием воды (гидролиз). Протеазы, липазы, амилазы, инвертаза и др.

R₁R₂ + H₂O R-OH + R-H

1. 4. Лиазы катализируют реакцию негидролитического расщепления с образованием двойных связей или реакции присоединения по двойным связям.

 

1. 5.Изомеразы катализируют реакции изомеризации соединений (внутримолекулярный перенос групп), например, взаимопревращение альдосахаров в кетосахара,

ФГА в ФДА, глю-6-Ф во фру-6-Ф.

 

1. Синтетазы (лигазы) - ускоряют реакции синтеза с использованием энергии макроэргических соединений. Синтетазы катализируют реакции образования амидов, биополимеров: белков, олиго - и полисахаридов, нуклеиновых кислот и др.

 

 

Углеводы (СН₂О)n

Первичным источником углеводов для всех живых организмов на Земле, за исключением хемосинтезирующих организмов, является фотосинтез. Углеводы входят в составе клеток и тканей всех растительных и животных организмов, они выполняют как структурные, так и метаболические функции:

• углеродные «скелеты» для построения др. органических веществ;
• запасной источник энергии (крахмал, инулин, сахароза, др.) для метаболических процессов;
• структурные компоненты КС (целлюлоза, гемицеллюлоза, пектины);
• входят в состав мембран (рецепторы -гликопротеины, иммунные белки - лектины).

 

Выделяют три группы углеводов: моносахариды, или простые сахара (глюкоза, фруктоза); олигосахариды — соединения, состоящие из 2-10 последовательно соединенных молекул простых сахаров (сахароза, мальтоза); полисахариды, включающие более 10 молекул сахаров (крахмал, целлюлоза).

 

 

Моносахариды — это кетонные или альдегидные производные многоатомных спиртов. В зависимости от количества атомов углерода, их разделяют на: триозы-С3, тетрозы-С4, пентозы-С5, гексозы-С6 и т. д.

 

Триозы (С3-) в свободном виде обычно не встречаются. Фосфорные эфиры триоз – фосфоглицериновый альдегид (ФГА ) и фосфодигидроацетон (ФДА) образуются как промежуточные продукты превращений более сложных моносахаридов, а также в процессе фотосинтеза.

Тетрозы (С4-). Эритроза — один из промежуточных продуктов фотосинтеза и пентозофосфатного цикла окисления глюкозы.

Пентозы (С5-). Пентозы в свободном виде встречаются очень редко, чаще они входят в состав более сложных углеводов и др. органических соединений. Рибоза и дезоксирибоза - входят в состав нуклеиновых кислот и свободных нуклеотидов. Арабиноза – входит в состав гемицеллюлоз, пектиновых веществ, слизей, гумми. Ксилоза (древесный сахар) входит в состав гемицеллюлоз, растительных слизей; много в соломе, отрубях, древесине, шелухе подсолнечника. Организмом человека ксилоза усваивается плохо.

Гексозы (С6-). Из гексоз наиболее широко распространены глюкоза, фруктоза, галактоза.

Глюкоза (виноградный сахар, декстроза) присутствует в свободном виде в зеленых частях растений, в семенах, различных фруктах и овощах. Глюкоза входит в состав важнейших дисахаридов и полисахаридов. Глюкоза — первичный источник энергии для клеток.

Фруктоза (плодовый сахар) в свободном состоянии содержится в зеленых частях растений, в плодах, нектаре цветов, меде. Входит в состав многих сложных сахаров, например, сахарозы. Фруктоза — в 1,5 раза слаще сахарозы и в 3 раза слаще глюкозы.

Галактоза вместе с глюкозой входит в состав дисахарида лактозы (молочный сахар), трисахарида рафинозы, тетрасахарида стахиозы и некоторых гликозидов.

 

Дисахариды — образуются в результате реакции конденсации между двумя моносахаридами, обычно гексозами, 1,4-гликозидной связью. Среди дисахаридов наиболее широко распространены мальтоза (глюкоза + глюкоза), лактоза (глюкоза + галактоза), сахароза (глюкоза + фруктоза).

Мальтоза (солодовый сахар) - является промежуточным продуктом при гидролизе крахмала, он широко распространен в растительных и животных организмах. Солодовый сахар значительно менее сладок, чем тростниковый (в 0,6 раза).

Лактоза (молочный сахар). Название этого дисахарида возникло в связи с его получением из молока (от лат. lactum — молоко). Лактоза в 4 или 5 раз менее сладка, чем сахароза.

Сахароза (тростниковый или свекловичный сахар) - очень распространена в растительном мире. Встречается в листьях, стеблях, корнях, фруктах, ягодах, клубнях. Это наиболее известный и широко применяемый сахар. При гидролизе из него образуются глюкоза и фруктоза. Смесь равных количеств глюкозы и фруктозы, получающаяся в результате инверсии тростникового сахара (в связи с изменением в процессе гидролиза правого вращения раствора на левое), называется инвертным сахаром. Природным инвертным сахаром является мед, состоящий в основном из глюкозы и фруктозы. Сахарозу получают в огромных количествах. Сахарная свекла содержит 16-20 % сахарозы, сахарный тростник — 14-26 %..

Рафиноза и стахиоза являются мало распространенной транспортной формой углеводов у некоторых древесных растений.

 

Полисахариды — высокомолекулярные соединения, состоящие из большого числа моносахаридов (до нескольких десятков тысяч). Различают гомополисахариды, состоящие из моносахаридов одного типа (крахмал и целлюлоза состоят только из глюкозы); гетерополисахариды, в состав которых могут входить несколько различных моно сахаров (гемицеллюлозы, пектиновые вещества).В зависимости от выполняемых функций полисахариды делят на запасные и структурные.

Целлюлоза, или клетчатка (от лат. сellula — клеточка) является основным компонентом клеточной стенки растительных клеток. Это линейный полисахарид, состоящий из глюкозы, соединенных 1,4-связями. Клетчатка составляет от 50 до 70 % древесины. Хлопок представляет собой почти чистую клетчатку. Волокна льна и конопли состоят преимущественно из клетчатки. Наиболее чистыми образцами клетчатки является очищенная вата, получаемая из хлопка, и фильтровальная бумага.

Гемицеллюлозы (полуклетчатки) - гетерополисахариды, входят в состав клеточных стенок; являются главными компонентами матрикса клеточных стенок, цементируют волокна целлюлозы в клеточных стенках.В состав гемицеллюлоз входят С6-сахара: манноза, галактоза; С5-сахара: арабиноза, ксилоза.

Крахмал — гомополисахарид, широко распространенный запасной углевод растений. Крахмал образуется при фотосинтезе в зеленых листьях в виде зерен, которые откладываются в хлоропластах (первичный, ассимиляционный крахмал). Накапливается в виде зерен, главным образом в клетках семян, луковиц, клубней, а также в листьях и стеблях (резервный, запасной крахмал). Крахмал и его производные широко применяются в медицине, и многих отраслях промышленности: пищевой, текстильной, бумажной, кожевенной, фармацевтической и т.д.

Крахмал состоит из двух полисахаридов - амилозы (15-25%) и амилопектина (75-85%). Амилоза (из 20000-500000 мол глюкозы, соединенных ((1(4)-связями, неразветвленная цепь) легко растворяется в теплой воде и дает маловязкие растворы. Молекулы амилопектина имеют разветвленное строение, в точках ветвления молекулы глюкозы соединены связью а(1-6). При нагревании в воде молекулы амилопектина дают вязкие растворы.

Инулин запасной полифруктозид у ряда растений из сем. Астровых и колокольчиковых (топинамбур, георгин, одуванчик, спаржа, чеснок, цикорий, мать-и-мачеха, артишок и др.);

состоит на 97% из мол-л фру и на 3% мол-л глюкозы.

Пектиновые вещества (П.в).- высокомолекулярные соединения, состоят из остатков галактуроновой кислоты.В растениях присутствуют в виде нерастворимого протопектина в межклеточном веществе, а также в виде растворимого пектина в соке плодов и овощей. Особенно много П.в. во фруктах, ягодах, корнеплодах (сахарная свёкла). В волокнистых растениях П.в. скрепляют между собой растительные волокна. Нерастворимые П.в. составляют большую часть первичных клеточных стенок и межклеточного вещества (срединных пластинок) растений; растворимый пектин содержится в клеточном соке.. Размягчение плодов при созревании происходит вследствие изменения количества и качества П.в. под влиянием пектолитических ферментов. Пектиновые вещества, входящие в состав клеточных стенок, придают им катионообменные свойства (см. лаб. раб. –30-31).

Слизи и гумми – растворимые в воде полисахариды, образующие чрезвычайно вязкие и клейкие растворы. Гумми выделяются в виде наплывов вишневыми, сливовыми, миндальными деревьями.

Липиды

 

Липиды - неоднородная группа соединений, нерастворимых в воде и хорошо растворимых в органических растворителях (эфире, бензоле, ацетоне, хлороформе и др.). По химической природе липиды являются производными высших жирных кислот, спиртов или альдегидов.

Функции липидов в клетке:

· являются структурными элементами клеточных мембран ((фосфо-, гликолипиды, липопротеины, филлохиноны, стероиды);

· при прорастании семян некоторых видов служат источником метаболической воды:

· служат энергетическим материалом для организма (запасные вещества - жиры);

· образуют водоотталкивающие (кутикула, восковой налет) и термоизоляционные покровы надземных органов растений; защищают от высыхания при недостатке влаги и вымывания веществ в период длительных дождей.

Липиды разделяют на:

· нейтральные жиры (собственно жиры, триацилглицерины) – сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и жирных кислот (ЖК) с четным числом атомов углерода (С₁₆—С₁₈). Чем больше ненасыщенных ЖК в составе жира, тем более жидкую консистенцию имеет жир. В жирах (маслах) растений чаще всего встречаются насыщенные ЖК: пальмитиновая (С₁₆), стеариновая (С₁₈); ненасыщенные ЖК: олеиновая (С_18:1), линолевая (С_18:2), линоленовая (С_18:3), арахидоновая (С_20:4). У растений жиры, выполняющие функцию запасных веществ, накапливаются в семенах. В прорастающих семенах при окислении жиров высвобождается (метаболическая) вода, что имеет большое значение при прорастании семян в условиях водного стресса.

· воска - сложные эфиры высших ЖК (С_14-34) и высших одноатомных спиртов (С_22-32). Из них формируется восковой налет, который предохраняет от смачивания, высыхания и проникновения патогенных грибов, бактерий, мелких вредителей-насекомых.

· сложные (полярные) липиды – фосфо-, глико-, сульфолипиды входят в состав клеточных мембран, играют важную роль в функционировании мембран.

· стероиды – липиды, обладающие сложной циклической структурой, образующиеся в результате конденсации веществ типа терпенов. Они играют важную роль в регуляции проницаемости клеточных мембран (эргостерол = витамин группы D).

· терпены (изопреноиды - (С₅Н₈)п). Эфирные масла (ментол, камфора); в-каротин, вит А, фитогормоны гиббереллины, пигменты фотосинтеза каротиноиды и др. вторичные вещества (каучук, гуттаперча).

Основные понятия

Антикодон – участок т-РНК, содержащий последовательность из трех нуклеотидов, комплементарный кодону данной аминокислоты в молекуле и-РНК

Ген - отдельный участок ДНК, в котором закодирована информация о полипептидной цепи или молекуле РНК.

Генетический код (г.к.)– система записи наследственной информации в виде последовательности нуклеотидов в молекулах нуклеиновых кислот. Единицей г.к. служит кодон или триплет (тринуклеотид). Г.к. определяет последовательность аминокислот в синтезирующейся молекуле белка.

Генотип - совокупность всех генов организма.

Геном - совокупность генов, содержащихся в гаплоидном наборе хромосом (1n) данного организма.

Код ДНК - последовательность нуклеотидов в ДНК, которая определяет последовательность аминокислот в белке. Код: универсален, триплетен, вырожден, однозначен.

Кодон – последовательность из трех нуклеотидов в молекуле и-РНК, шифрует определенную аминокислоту в молекуле белка.

Транскрипция синтез всех типов РНК по ДНК-матрице.

Трансляция - биосинтез белков на рибосомах.

 

 

Химический состав растительной клетки

 

Вещества

 

Неорганические: вода – до 85%, минеральные вещества – 1,5%.

 

Органические: белки – 10%, углеводы – 40%, липиды – 2%, нуклеиновые к-ты (ДНК,

РНК) – 1—1,5%, витамины, вещества вторичного происхождения

(алкалоиды, гликозиды, эфирные масла и др.).