Химическая организация клетки

Сходство в строении и химическом составе у разных клеток свидетельствует о единстве их происхождения. По содержанию элементы, входящие в состав клетки, можно разделить на 3 группы:

1. Макроэлементы. Они составляют основную массу вещества клетки. На их долю приходится около 99% всей массы клетки. Особенно высока концентрация четырех элементов: кислорода, азота, водорода и углерода. Они называются биогенными элементами. К макроэлементам относят также элементы, содержание которых в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента. Это, например, такие элементы, как калий, магний, натрий, кальций, железо, серы, фосфор, хлор.
2. Микроэлементы. К ним относятся преимущественно ионы тяжелых металлов, входящие в состав ферментов, гормонов и других жизненно важных веществ. В организме эти элементы содержатся в очень небольших количествах: от 0,001 до 0,000001%. В числе таких элементов бор, кобальт, медь, молибден, цинк, ванадий, йод, бром и др.
3. Ультрамикроэлементы. Концентрация их не превышает 0,000001%. К ним относятся уран, радий, золото, ртуть, бериллий, цезий, селен и другие редкие элементы.

Вода

Составляет 60-80% массы клетки. Молекула воды обладает уникальным свойством - полярностью, которое возникает из-за разницы в электроотрицательности между атомами кислорода и водорода.

Поскольку молекула воды полярна, ее называют диполь. Между молекулами воды возникают непрочные водородные связи: водородная связь начинается от отрицательно заряженного атома кислорода (2δ^-) одной молекулы воды и тянется до положительно заряженного атома водорода другой молекулы воды (δ⁺)

По отношению к воде все вещества можно подразделить на два типа:

• Гидрофильные (греч. hydro - вода и philéo - люблю) - вещества, которые хорошо растворяются в воде. Гидрофильными веществами являются сахара, соли, альдегиды, спирты, аминокислоты.
• Гидрофобные (греч. hydro - вода и phobos — страх) - вещества, которые не растворяются в воде. Гидрофобными веществами являются жиры.

Функции воды:

• Вода - универсальный растворитель

Большинство реакций, которые протекают в клетке, идут в растворе (водной среде). Полярность молекулы воды позволяет ей быть отличным растворителем для других гидрофильных (полярных) веществ.

• Вода - терморегулятор

Вода может поглощать теплоту при минимальном изменении температуры. Чуть только температура меняется, вода начинает поглощать избыток тепла, защищая клетку от перегревания. Выделяясь на поверхность кожи с потом, вода испаряется, поверхность кожи при этом охлаждается.

• Вода - реагент

Она не только создает среду для реакций в клетке, но и сама активно участвует во многих из них. Расщепление питательных веществ, попавших в клетку, происходит за счет реакции гидролиза (греч. hydro - вода и lysis - расщепление).

• Транспортная функция

Питательные вещества, газы перемещаются по организму с током крови. Вода составляет 90-92% плазмы крови, является ее основным компонентом. С помощью воды происходит не только доставка веществ к клеткам, но и удаление из организма побочных продуктов обмена веществ.

• Структурная функция

Вода придает тканям тургор (лат. turgor — наполнение) - внутреннее осмотическое давление в живой клетке, создающее напряжение оболочек клеток. Вода составляет от 60 до 95% цитоплазмы, придает клеткам форму. Изменение тургора клеток растений приводит к перемещениям их частей, раскрытию устьиц, цветков.

Соли

В водной среде клетки соли диссоциируют (распадаются) на положительно заряженные ионы - катионы (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺) и отрицательно заряженные - анионы (Cl^-, SO₄^2-, HPO₄^2-, H₂PO₄^-).

Для процессов возбуждения клетки (нейрона, миоцита - мышечной клетки) внутри клетки должна поддерживаться низкая концентрация ионов Na⁺ и высокая концентрация ионов K⁺. В окружающей клетку среде все наоборот: много Na и мало K. В мембране существует специальный натрий-калиевый насос, который поддерживает необходимое равновесие. Если это соотношение нарушится, то нейрон не сможет сгенерировать нервный импульс, а клетка мышцы - сократиться.

Функции солей:

• Участвуют в активации ферментов
• Создают буферные системы (бикарбонтаную, фосфатную, белковую)
• Поддерживают кислотно-щелочное состояние
• Создают осмотическое давление клетки
• Создают мембранный потенциал клеток (натрий-калиевый насос)
• Являются основным минеральным составляющим скелета внутреннего и наружного (у моллюсков)

Белки, или пептиды

Белки - полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Белки представляют линейную структуру, образованную из длинной цепи аминокислот, между которыми возникают пептидные связи. Пептидная связь образуется между карбоксильной группой (COOH) одной аминокислоты и аминогруппой другой аминокислоты (NH₂).

Между понятиями пептиды и белки существует определенная разница. Белки состоят из сотен тысяч аминокислот. Пептидами называют небольшие белки, содержащие до 10 аминокислот. Ими являются некоторые гормоны: окситоцин, вазопрессин, тиреолиберин - эти пептиды выполняют регуляторную функцию.

Выделяется несколько уровней пространственной организации белка:

• Первичная - полипептидная цепь, в которой аминокислоты расположены линейно
• Вторичная - полипептидная цепь закручивается в спираль, формируется α или β структура
• Третичная - спирали скручиваются в глобулу (лат. globulus - шарик)
• Четвертичная - образуется у сложных белков путем соединения нескольких глобул

При резком изменении оптимальных для белка условий он подвергается денатурации: при этом происходит переход от высших структур организации к низшим, или "раскручивание белка". Важно заметить, что аминокислотная последовательность (первичная структура белка) при этом не меняется, однако свойства белка меняются кардинально (теряется его гидрофильность).

Функции белков

• Каталитическая (греч. katalysis - разрушение)

Белки - природные катализаторы, ускоряющие реакции в организме в десятки и сотни тысяч раз. Эту роль главным образом выполняют белки-ферменты.

• Строительная

Белки входят в состав клеточных мембран. Сложные белки: коллаген, эластин - входят в состав соединительных тканей организма, придавая им некоторую прочность и эластичность.

• Регуляторная

Некоторые гормоны, регулирующие обменные процессы в организме, имеют белковое происхождение: инсулин, глюкагон, адренокортикотропный гормон.

• Защитная

Говоря об этой функции, прежде всего, стоит вспомнить об антителах - иммуноглобулинах, которые синтезируют B-лимфоциты. Антитела нейтрализуют чужеродные организму антигены (разрушают бактерии). Помимо антител, защитную функцию выполняют также белки свертывающей системы крови (тромбин и фибриноген): они предохраняют организм от кровопотери.

• Энергетическая

При недостаточном питании в организме начинают окисляться молекулы белков. При расщеплении 1 г белков выделяется 17,6 кДж энергии.

• Транспортная

Некоторые белки крови способны присоединять к себе и переносить различные молекулы. Альбумины участвуют в транспорте жирных кислот, глобулины - гормонов и некоторых ионов (Fe, Cu). Основной белок эритроцитов - гемоглобин - способен переносить кислород, углекислый и угарный газы.

• Сократительная

Двигательные белки, актин и миозин, обеспечивают сокращение мышц. При возбуждении мышечной ткани тонкие нити актина начинают тереться о толстые нити миозина, приводя к сокращению.

• Рецепторная

На поверхности мембраны белки образуют многочисленные рецепторы, которые, соединяясь с гормонами, приводят к изменению обмена веществ в клетке. Таким образом, гормоны реализуют воздействие на клетки органов-мишеней.

Жиры, или липиды

С химической точки зрения жиры являются сложными эфирами, образованными трехатомным спиртом глицерином и высшими карбоновыми кислотами (жирными кислотами). Среди их свойств надо выделить то, что они практически нерастворимы в воде. 

Функции жиров

• Энергетическая

При окислении жиров выделяется много энергии: 1 г - 38,9 кДж. Это вдвое больше выделяющейся энергии при расщеплении 1г углеводов.

• Запасающая

Жиры имеют способность накапливаться в клетках, расположенных в подкожно-жировой клетчатке, внутренних органах. Эти запасы являются резервом организма на случай голодания или при недостаточном питании. В жирах также запасается вода: в 100 г жира содержится 107 мл воды. Многим пустынным животным (верблюдам) жировые запасы помогают длительное время обходиться без воды.

• Структурная

Жиры входят в состав биологических мембран клеток человека вместе с белками. Из фосфолипидов построены мембраны всех клеток органов и тканей.

• Терморегуляция

Жиры обладают плохой теплопроводностью. Располагаясь в подкожно-жировой клетчатке, они образуют термоизолирующий слой. Особенно хорошо он развит у ластоногих (моржи и тюлени), китов, защищает их от переохлаждения.

• Гормональная

Некоторые гормоны по строению относятся к жирам: половые (андрогены - мужские и эстрогены - женские), гормон беременности.

• Участие в обмене веществ 

Производное жира - витамин D - принимает важное участие в обмене кальция и фосфора в организме. Он образуется в коже под действием ультрафиолетового излучения (солнечного света). При недостатке витамина D возникает заболевание - рахит.

Углеводы

Представляют собой органические соединения, состоящие из одной или нескольких молекул простых сахаров. Выделяется три основных класса углеводов:

• Моносахариды (греч. monos — единственный)

Простые сахара, легко растворяющиеся в воде и имеющие сладкий вкус. Моносахариды подразделяются на гексозы (имеют 6 атомов углерода) - глюкоза, фруктоза, и пентозы (имеют 5 атомов углерода) - рибоза и дезоксирибоза, входящие в состав нуклеиновых кислот.

• Олигосахариды (греч. ὀλίγος — немногий)

При гидролизе олигосахариды распадаются на моносахариды. В состав олигосахаридов может входить от 2 до 10 моносахаридных остатков. Если в состав олигосахарида входят 2 остатка моносахарида, то его называют дисахарид. К дисахаридам относятся сахароза, лактоза, мальтоза. При гидролизе сахароза распадается на глюкозу и фруктозу.

• Полисахариды

Это биополимеры, в состав которых входят сотни тысяч моносахаридов. Они обладают высокой молекулярной массой, нерастворимы в воде, на вкус несладкие. Клеточная стенка образована: у растений - целлюлозой, у грибов - хитином, у бактерий - муреином. Запасным питательным веществом растений является крахмал, животных - гликоген.

Функции углеводов

• Энергетическая

В результате расщепления 1 г углеводов высвобождается 17,6 кДж энергии.

• Запасающая

Запасным питательным веществом растений и животных соответственно являются крахмал и гликоген. Расщепление гликогена позволяет нам оставаться в сознании и быть активными между приемами пищи.

Гликоген представляет собой разветвленную молекулу, состоящую из остатков глюкозы. За счет больших размеров такая молекула хорошо удерживается в клетке, а ее разветвленность позволяет ферментам быстро отщеплять множество молекул глюкозы одновременно.

• Структурная (опорная)

Целлюлоза входит в состав клеточных стенок растений, придавая им необходимую твердость. Хитин образует клеточную стенку грибов и наружный скелет членистоногих.

Нуклеиновые кислоты

Высокомолекулярные органические соединения, представленные двумя видами: ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты) и РНК (рибонуклеиновые кислоты). ДНК и РНК - биополимеры, мономером которых является нуклеотид. Нуклеотид состоит из 3 компонентов:

• Азотистое основание

Для ДНК характерны следующие азотистые основания: аденин - тимин, гуанин - цитозин; для РНК: аденин - урацил, гуанин - цитозин. Исходя из принципа комплементарности, данные основания соответствуют друг другу, в результате чего между ними образуются связи. Между аденином и тимином образуется 2 водородные связи, а между гуанином и цитозином - 3.

• Остаток сахара

В ДНК остаток сахара - дезоксирибоза, в РНК - рибоза.

• Остаток фосфорной кислоты - фосфат

 Все виды РНК синтезируются на матрице - ДНК, различают три вида РНК:

• Рибосомальная РНК (рРНК)

Синтезируется в ядрышке. рРНК входит в состав малых и больших субъединиц рибосом. В процентном отношении рРНК составляет 80-90% всей РНК клетки.

• Информационная РНК (иРНК, син. - матричная РНК, мРНК)

Синтезируется в ядре в ходе процесса транскрипции (лат. transcriptio — переписывание). Фермент РНК-полимераза строит цепь иРНК по принципу комплементарности с ДНК. Исходя из данного принципа, гуанин (Г) в молекуле ДНК соединяется с цитозином (Ц) в РНК. Далее соответственно: цитозин (Ц) - гуанин (Г), аденин (А) - урацил (У), тимин (Т) - аденин (А).

• Транспортная РНК (тРНК)

Обеспечивает транспорт аминокислоты к рибосоме во время синтеза белка. Благодаря этому становится возможным соединение аминокислот друг с другом, образуется белок. тРНК имеет характерную форму клеверного листа.