Клетка и ее химический состав

Содержание:

• 1. Основные положения клеточной теории
• 2. Содержание и роль химических элементов в клетке
• 3. Вода и ее роль в организме
• 4. Органические вещества клетки. Общая характеристика
• 5. Ферменты (энзимы)
• 6. Липиды
• 7. Углеводы (сахариды) (оболочка)
• 8. Пигменты

Основные положения клеточной теории

Первое наблюдение клетки: Р. Гук (Англия, 1665 г.).
Клеточная теория — одна из важнейших биологических теорий, являющаяся обобщением огромного количества данных, согласно которой жизнь существует только в форме клеток и их совокупностей.

Впервые клеточную теорию предложил Г. Шванн (Германия, 1839 г.); ее дальнейшие разработки: Р. Вирхов (Германия, 1858 г.), И. Чистяков (Россия, 1874 г.), Э. Страсбургер (Польша, 1875 г.) и др.

♦ Основные положения современной клеточной теории:

■ клетка — элементарная (наименьшая) структурная, функциональная и генетическая единица всех живых организмов, способная к самообновлению, саморегуляции и самовоспроизведению;

■ клетки живых организмов сходны по строению, химическому составу и основным проявлениям жизнедеятельности;

■ размножение клеток происходит путем их деления; каждая новая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки;

■ клетки специализируются по функциям; структура и функции клеток взаимосвязаны. В многоклеточном организме клетки образуют ткани, из которых строятся органы, системы органов и весь организм, функционирующий как единое целое благодаря нервной и гуморальной регуляции.

Содержание и роль химических элементов в клетке

❖ Основные элементы: кислород О (примерно 62% массы клетки), углерод С (20%), водород Н (10%), азот N (3,5%); они входят в состав всех органических веществ.

❖ Макроэлементы — элементы с содержанием более 0,01% массы клетки: кальций, фосфор, сера, калий, натрий, магний, хлор.

❖ Микроэлементы — элементы с содержанием не более 0,01% массы клетки (Fe, Сu и др., см. таблицу), входящие в состав гормонов, витаминов, дыхательных ферментов. Недостаток любого из них вызывает серьезные нарушения в обмене веществ.

❖ Ультрамикроэлементы (Se, V, Ag, Au и др.) имеют концентрации менее 10^-12%. Например, элементы Ag, Au входят в состав волос.

❖ Ионы Н₂РO₄, НPО₄^2- необходимы для синтеза АТФ, эти же ионы и ионы С1^—, НСO₃ , SO⁴ ” и др. участвуют в поддержке pH клетки, активации ферментов и т.д.

Вода и ее роль в организме

❖ Основные свойства воды:
■ малые размеры молекул;
■ их полярность;
■ способность молекул соединяться друг с другом водородными связями;
■ высокие удельная теплоемкость и теплопроводность;
■ высокая удельная теплота парообразования;
■ высокое поверхностное натяжение.

❖ Основные функции воды в организме:
■ вода — универсальный растворитель для полярных веществ,
■ регулирует тепловой режим клетки,
■ выполняет транспортную функцию (обеспечивает поступление веществ в клетку, их передвижение в клетке и выделение из клетки),
■ выполняет метаболическую функцию (является средой для протекания всех биохимических реакций, сама участвует в реакции гидролиза и многих других реакциях, является источником кислорода и водорода при фотосинтезе и т.д.),
■ выполняет структурную функцию (обеспечивает упругость и тургор клеток, т.е. их напряженное состояние, обусловленное внутриклеточным давлением; у некоторых животных является гидростатическим скелетом),
■ регулирует осмотическое давление в клетке,
■ связанная вода образует сольватные оболочки вокруг белковых молекул, и др.

Органические вещества клетки. Общая характеристика

Биополимеры — высокомолекулярные (относительная молекулярная масса 10³ — 10^-4) органические соединения, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся звеньев мономеров.

 Биополимеры составляют до 90% сухого вещества клетки.

♦Важнейшие классы органических соединений, составляющих молекулярную основу любой живой клетки:
■ белки,
■ липиды,
■ углеводы,
■ нуклеиновые кислоты.

(Свойства этих классов соединений рассмотрены ниже). В клетках растений преобладают углеводы, в клетках животных — белки.

❖ Аминокислоты — низкомолекулярные органические соединения,

содержащие одну или две карбоксильные (-СООН) и одну или две аминную (-NH₂) группы (обладающие соответственно кислотными и щелочными свойствами), причем карбоксильная и аминная группы связаны с одним и тем же атомом углерода.

■ Аминокислоты — амфотерные соединения (проявляют свойства и кислот, и оснований).

❖Пептиды — это органические молекулы, образующиеся при взаимодействии аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группой другой аминокислоты.

❖ Пептидная связь — связь -CO-NH-.

Белки — природные высокомолекулярные органические соединения (полипептиды), молекулы которых образованы аминокислотными остатками (в количестве от 50 до нескольких тысяч).
■ В состав белков входит только 20 видов аминокислот (из 150 видов, существующих в природе).
■ Белки составляют Ю-18% от общей массы клетки.

Уровни структурной организации белков:

■ первичная структура белка определяется последовательностью соединения аминокислот, закодированной в ДНК, и обусловлена пептидными связями;
■ вторичная структура (спираль) возникает из-за образования водородных связей между СО- и NH- -группами, расположенными на соседних витках (такую структуру имеют фибриноген, миозин, актин)

;

■ третичная структура (глобула) стабилизируется гидрофобными, ковалентными дисульфидными (-S-S-), ионными и водородными связями (эта структура характерна для многих бел ков-ферментов);

■ четвертичная структура — комплекс, образованный двумя, тремя, четырьмя и более белковыми молекулами, обладающими третичной структурой, за счет возникновения водородных, ионных и гидрофобных связей между ними; характерна для высокоспециализированных белков (пример — гемоглобин).

❖ Простые и сложные белки:

■ в состав простых белков (протеинов) входят только аминокислоты; к ним относятся многие ферменты;

■ сложные белки (протеиды) — белки, содержащие, помимо аминокислот, нуклеиновые кислоты (нуклеопротеиды), липиды (липопротеиды), углеводы (гликопротенды) и др.

❖ Основные свойства белков: гидрофильность (водорасгво-римость), видовая специфичность, химическая активность, способность денатурировать и ре натур ировать, изменять конфигурацию молекул под действием факторов среды.

Денатурация белка — утрата белковой молекулой своей структурной организации при воздействии химических веществ (кислот, щелочей, спиртов, солей и т.д.) и/или физических факторов (высокой температуры и/или давления, ионизирующих излучений и др.) вследствие разрушения водородных и ионных связей, поддерживающих вторичную, третичную и четвертичную структуры белка.

Ренатурация белка — процесс восстановления структуры белка после прекращения действия денатурирующего фактора, если его действие не привело к нарушению первичной структуры белка.

❖ Функции белков:

■ структурная, или строительная (входят в состав клеточных мембран, хрящей, сухожилий, волос, когтей, перьев и т.д.);

■ каталитическая, или ферментативная (ускоряют протекание химических реакций в клетке);

■ транспортная (участвуют в транспорте веществ через клеточные мембраны, ряд белков присоединяет и переносит с потоками крови различные вещества по организму);

■ двигательная (являются прямыми участниками механизма сокращения мышц и внутриклеточных сокращений);

■ защитная (входят в состав кожи позвоночных и антител, связывающих инородные белки; участвуют в свертывании крови при кровотечениях и т.д.);

■ запасающая (некоторые белки запасают необходимые организму вещества; например, миоглобин содержит запас кислорода в мышцах позвоночных);

■ энергетическая (служат источником энергии: I г дает 17,6 кДж);

■регуляторная (белки-гормоны поддерживают постоянные концентрации веществ в клетках и в крови, участвуют в обеспечении роста, размножения и других процессов);

■ сигнальная, или рецепторная (ответственны за распознавание «своих» и «чужих» клеток, являются важнейшей составной частью рецепторов).

❖ Примеры белков: актин я миозин (основные компоненты волокон поперечнополосатых мышц), гемоглобин (переносит кислород и углекислый газ), кератин (структурный белок волос, когтей, перьев, рогов), эластин (эластичный компонент соединительной ткани связок, стенок кровеносных сосудов), коллаген (компонент кожи и соединительной ткани костей, хрящей и сухожилий), амилаза (превращает крахмал в глюкозу) и др.

Ферменты (энзимы)

Ферменты (или энзимы) — это имеющие белковую природу биологические катализаторы, т.е. избирательно действующие органические вещества, в тысячи раз (при температуре порядка 37^10 °С) ускоряющие протекание биохимических реакций в клетке.

■ Многие ферменты находятся на мембранах клеток, митохондрий и т.д. и участвуют в транспорте веществ.

❖ Структура ферментов. Молекулы ферментов содержат:

■ белковый компонент (апоферменг);

■ сложное небелковое органическое соединение (кофермент) -только у двухкомпонентных ферментов, или ионы металлов (кофактор);

■ активный центр (один или несколько) — функциональная группа (например, -ОН), отдельная аминокислота или кофермент, обеспечивающие специфичность действия фермента за счет тесного, многоточечного контакта между молекулой фермента и определенного специфического вещества (субстрата);

■ регуляторный центр (один или несколько; у некоторых ферментов), с которым могут связываться молекулы-модуляторы или ингибиторы, регулирующие (модуляторы) или подавляющие (ингибиторы) активность фермента.

❖ Свойства ферментов:

■ специфичность (каждый фермент катализирует только те реакции, в которых участвуют молекулы лишь какого-нибудь одного или нескольких видов);

■ активность только в определенном интервале температур

(обычно не выше 50 -60 °С , редко до 80-90 °С );

■ для каждого фермента существует свое оптимальное значение pH, при котором этот фермент наиболее активен.

❖ Основные классы ферментов:

■ синтетазы (или лигазы) — катализируют реакции соединения молекул с образованием новых связей С-О, C-S, C-N, С-С {примеры. АТФ-синтетаза, ДНК-полимераза и др.);

■ гидролазы — катализируют реакции расщепления сложных органических веществ до простых путем присоединения молекул воды в месте разрыва химической связи в исходной молекуле (примеры: нуклеазы, расщепляющие нуклеиновые кислоты; амилазы, липазы);

■ изомераты — катализируют превращение одного изомера органического соединения в другой (пример: ДНК-топаизомераза);

■ лиазы — катализируют негидролитическое присоединение к субстрату или отщепление от него группы атомов (пример: декарбоксилаза);

■оксидоредуктазы — катализируют окислительно-восстановительные реакции, осуществляя перенос атомов Н и О или электронов от одного вещества к другому (примеры: ферменты цикла Кребса, тканевого дыхания);

■ трансферазы — катализируют перенос группы атомов (метиль-ной, ацильной, фосфатной или аминогруппы) от одного вещества к другому (пример: фосфотрансфераза).

Липиды

❖ Липиды — жироподобные органические соединения, представляющие собой сложные эфиры высших карбоновых кислот и трехатомного спирта глицерина или других спиртов.

■ В большинстве клеток содержится от 5 до 15% (по массе сухого вещества) липидов, в клетках подкожной жировой клетчатки — до 90%.

❖ Важнейшие классы липидов:

■ триацилглицеролы (твердые жиры и жидкие масла);

■ фосфолипиды;

■ гликолипиды;

■ терпены (ростовые вещества растений);

■ воски;

■ стероиды.

❖ Основные свойства липидов:

■ из всех биомолекул имеют наименьшую молекулярную массу;

■ в молекулах почти полностью отсутствуют полярные группы;

■ гидрофобны (нерастворимы в воде), но хорошо растворяются в органических растворителях (эфире, бензине, хлороформе);

■ могут образовывать сложные комплексы с белками (липопротеины), углеводами (гликолипиды), остатками фосфорной кислоты (фосфолипиды) и др.

Функции липидов:

■ структурная, или строительная (фосфолипиды, гликолипиды и липопротеины входят в состав клеточных мембран);

■ энергетическая (служат источником энергии: I г дает 38,9 кДж);

■ запасающая (большая часть энергетических запасов организма хранится в форме липидов);

■ защитная (подкожный и окружающий некоторые органы жировой слой является защитой от механических повреждений; подкожный жир предохраняет от потерь тепла и т.д.);

■ смазывающая и водоотталкивающая (воски покрывают кожу, шерсть, перья);

■ регуляторная (многие гормоны являются производными липоида холестерона, многие липиды — компоненты витаминов)-,

■ метаболическая (липиды — источник метаболической воды).

Углеводы (сахариды)

Углеводы — это вещества с общей формулой Си(Н20)„„ где п и ш некоторые целые числа.

■ Углеводороды образуются из неорганических веществ (Н20) и С02) в процессе фотосинтеза, происходящего в хлоропла-стах зеленых растений; являются исходными продуктами биосинтеза других органических веществ в растениях.

■ Содержание углеводов: в растительной клетке — до 85-90% сухого вещества, в животной клетке — примерно 1-2%.

Классификация углеводов. Углеводы делятся на:

■ моносахариды (или простые сахара), содержащие от 3 (три-озы) до 7 (гептозы) атомов углерода: рибоза, дезоксирибоза (пентозы), глюкоза, фруктоза (гексозы) и др.; они сладкие на вкус, хорошо растворимы в воде, молекулы моносахаридов -альдегидо- или кетоспирты;

■ олигосахариды (содержат от 2 до 10 моносахаридных остатков, соединенных гликозидными — через атом кислорода -связями): мальтоза, лактоза, сахароза и др.; имеют сладкий вкус, хорошо растворимы в воде;

■ полисахариды (высокомолекулярные сахара): целлюлоза, крахмал, гликоген, хитин и др.; они не имеют сладкого вкуса и нерастворимы в воде.

❖ Функции углеводов:

■ энергетическая (глюкоза — главный источник энергии в клетке); при расщеплении 1 г углевода освобождается 17,6 кДж энергии;

■ запасающая (часть энергетических запасов клеток хранится в форме крахмала или гликогена);

■ структурная, или строительная, и защитная (целлюлоза, хитин);

■ метаболическая (моносахариды — исходный продукт для синтеза многих органических веществ клетки).

Рибоза и дезоксирибоза — пятиуглеродные углеводы (простые сахара), являющиеся составными частями нуклеотидов молекул РНК (рибоза), ДНК (дезоксирибоза) и АТФ (рибоза); в свободном виде не встречаются.

Глюкоза — моносахарид с 6 атомами углерода, чрезвычайно широко распространенный в природе и являющийся первичным источником энергии в клетке; у растений образуется в результате фотосинтеза; в свободном виде содержится в плодах и цветках растений, в крови, лимфе, тканях мозга; входит в состав сахарозы, лактозы, гликогена, крахмала, целлюлозы и др.

Гликоген — полисахарид, состоящий примерно из 30 000 остатков глюкозы; содержится в грибах и тканях животных и человека (накапливается в печени и мышцах); участвует в углеродном обмене, является поставщиком глюкозы в кровь.

Крахмал — смесь двух полисахаридов — амилозы и амилопек-тина; один из важнейших полимеров глюкозы.

Целлюлоза — углевод, образующийся в растениях в результате полимеризации глюкозы; обладает высокой прочностью, не растворяется в воде, является одним из важнейших компонентов клеточных стенок. Используется для производства бумаги, вискозного шелка, различных тканей.

Хитин — полисахарид, являющийся основным компонентом наружного покрова членистоногих и входящий в состав клеточных стенок некоторых протистов и грибов; плохо растворим в воде.

Гепарин — гликопротеин, препятствующий свертыванию крови в кровеносных сосудах и участвующий в регуляции обмена липидов и иммунных реакциях организма.

Пигменты

❖ Пигменты — это окрашенные соединения в составе раститель-

ных и животных клеток; вещества, избирательно поглощающие свет определенных диапазонов видимой области спектра.

■ Пигменты являются сложными эфирами хлорофиллиновой кислоты и спиртов (фитола и метанола).

■ Представители пигментов: хлорофиллы a, b, с, d (участвуют в фотосинтезе), ксантофиллы (содержат атомы кислорода), каротины (не содержат атомов кислорода).

■ Пигменты входят в состав различных ферментов, включаются в структуру клеточных мембран.

❖ Функции пигментов:

■ обеспечивают фотосинтез (хлорофиллы);

■ придают окраску организмам;

■ участвуют в дыхании (гемоглобин);

■ играют важную роль в зрении (родопсины);

* защищают организм от ультрафиолетового излучения (у растений — каротиноиды, у животных — меланин).