Химический состав клетки

Все клетки организма человека сходны по химическому соста­ву, в них входят как неорганические, так и органические вещества.

Неорганические вещества. В составе клетки обнаруживают более 80 химических элементов. При этом на долю шести из них — углерода, водорода, азота, кислорода, фосфора и серы при­ходится около 99 % общей массы клетки. Химические элементы находятся в клетке в виде различных соединений.

Первое место среди веществ клетки занимает вода. Она состав­ляет около 70 % массы клетки. Большинство реакций, протека­ющих в клетке, может идти только в водной среде. Многие веще­ства поступают в клетку в водном растворе. Продукты обмена ве­ществ выводятся из клетки также в водном растворе. Благодаря наличию воды клетка сохраняет свои объем и упругость. К неорганическим веществам клетки, кроме воды, относятся соли. Для процессов жизнедеятельности клетки наиболее важны катионы < К⁺, Na⁺, Mg²⁺, Са²⁺, а также анионы — Н₂РСГ₄, СГ, НСО"₃. Концентрация катионов и анионов внутри клетки и вне ее различная. Так, внутри клетки всегда довольно высокая концентрация ионов калия и низкая ионов натрия. Напротив, в окружающей клетку среде, в тканевой жидкости, меньше ионов калия и больше ионов натрия. У живой клетки эти различия в концентрациях ионов ка­лия и натрия между внутриклеточной и внеклеточной средами со­храняют постоянство.

Органические вещества. Почти все молекулы клетки относят­ся к соединениям углерода. Благодаря наличию на внешней обо­лочке четырех электронов атом углерода может образовывать че­тыре прочные ковалентные связи с другими атомами, создавая большие и сложные молекулы. Другими атомами, которые широ­ко представлены в клетке и с которыми легко соединяются ато­мы углерода, являются атомы водорода, азота и кислорода. Они, как и углерод, имеют небольшие размеры и способны образовы­вать очень прочные ковалентные связи.

Большинство органических соединений образует молекулы больших размеров, получивших название макромолекул (от греч. mаkros — большой). Такие молекулы состоят из повторяющихся сходных по структуре и связанных между собой соединений — мо­номеров (от греч. м ono.s — один). Образованная мономерами мак­ромолекула называется полимером (от греч. poly — много).

Основную массу цитоплазмы и ядра клетки составляют бел­ки. В состав всех белков входят атомы водорода, кислорода и азота. Во многие белки входят, кроме того, атомы серы, фосфо­ра. Каждая молекула белка состоит из тысяч атомов. Существу­ет огромное количество различных белков, построенных из ами­нокислот.

В клетках и тканях животных и растительных организмов встречается свыше 170 аминокислот. Каждая аминокислота име­ет карбоксильную группу (СООН), имеющую кислотные свой­ства, и аминогруппу (—NH₂), имеющую основные свойства. Участки молекул, не занятые карбокси- и аминогруппами, на­зывают радикалами (R). В простейшем случае радикал состоит из одного атома водорода, а у более сложных аминокислот он может быть сложной структурой, состоящей из многих атомов углерода.

К числу важнейших аминокислот относятся аланин, глутаминовая и аспарагиновая кислоты, пролин, лейцин, цистеин. Соеди­нения аминокислот друг с другом называют пептидными связя­ми. Образовавшиеся соединения аминокислот называют пепти­дами. Пептид из двух аминокислот называется дипептидом, из трех аминокислот — трипептидом, из многих аминокислот — полипептидом. В состав большинства белков входит 300 — 500 ами­нокислот. Имеются и более крупные молекулы белка, состоящие из 1500 и более аминокислот. Белки различаются составом, числом и порядком чередования аминокислот в полипептидной цепи. Именно последовательность чередования аминокислот имеет первостепенное значение в существующем разнообразии белков. Многие молекулы белков имеют большую длину и большую моле­кулярную массу. Так, молекулярная масса инсулина составляет 5700, гемоглобина — 65 000, а молекулярная масса воды равна всего 18.

Полипептидные цепи белков не всегда вытянуты в длину. На­против, они могут скручиваться, изгибаться или свертываться самым различным образом. Разнообразие физических и химиче­ских свойств белков обеспечивают особенности выполняемых ими функций: строительной, двигательной, транспортной, защит­ной, энергетической.

Входящие в состав клеток углеводы также являются органиче­скими веществами. В состав углеводов входят атомы углерода, кислорода и водорода. Различают простые и сложные углеводы. Простые углеводы называются моносахаридами. Сложные угле­воды представляют собой полимеры, в которых моносахариды играют роль мономеров. Из двух мономеров образуется дисахарид, из трех — трисахарид, из многих — полисахарид. Все моно­сахариды — бесцветные вещества, хорошо растворимые в воде. Самые распространенные моносахариды в животной клетке — глюкоза, рибоза, дезоксирибоза.

Глюкоза является первичным источником энергии для клетки. При расщеплении она превращается в оксид углерода и воду (СО₂+ i Н₂О). В ходе этой реакции освобождается энергия (при расщеплении 1 г глюкозы освобождается 17,6 кДж энергии). Рибоза и де­зоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот и АТФ.

Липиды состоят из тех же химических элементов, что и углеводы, — углерода, водорода и кислорода. Липиды не растворяются в воде. Самые распространенные и известные липиды — это жиры, являющиеся источником энергии. При расщеплении жи­ров выделяется в два раза больше энергии, чем при расщеплении углеводов. Липиды гидрофобны и поэтому входят в состав клеточ­ных мембран.

В состав клеток входят нуклеиновые кислоты — ДНК и РНК. 11азвание «нуклеиновые кислоты» происходит от латинского слова «нуклеус», т.е. ядро, где они были впервые обнаружены. Нук­леиновые кислоты представляют собой последовательно соеди­ненные друг с другом нуклеотиды. Нуклеотид — это химическое соединение, состоящее из одной молекулы сахара и одной моле­кулы органического основания. Органические основания при вза­имодействии с кислотами могут образовывать соли.

Каждая молекула ДНК представляет собой две цепи, спираль­но закрученные одна вокруг другой. Каждая цепь является полимером, мономерами которого служат нуклеотиды. Каждый нуклеотид содержит одно из четырех оснований — аденин, цитозин, гуанин или тимин. При образовании двойной спирали азотистые основания одной цепи «стыкуются» с азотистыми ос­нованиями другой. Основания подходят друг к другу настолько близко, что между ними возникают водородные связи. В распо­ложении соединяющихся нуклеотидов имеется важная законо­мерность, а именно: против аденина (А) одной цепи всегда ока­зывается тимин (Т) другой цепи, а против гуанина (Г) одной цепи — цитозин (Ц). В каждом из этих сочетаний оба нуклеотида как бы дополняют друг друга. Слово «дополнение» на латинском языке обозначает «комплемент». Поэтому принято говорить, что гуанин является комплементарным цитозину, а ти­мин комплементарен аденину. Таким образом, если известен порядок следования нуклеотидои в одной цепи, то по принципу комплементарности сразу же выясняется порядок нуклеотидов в другой цепи.

В полинуклеотидпых цепях ДНК каждые три следующих друг за другом нуклеотида составляют триплет (совокупность из трех компонентов). Каждый триплет — это не просто случайная груп­па из трех нуклеотидов, а кодагсн (по-гречески кодаген — учас­ток, образующий кодом). Каждый кодон кодирует (шифрует) толь­ко одну аминокислоту. С каждым триплетом ДНК соединяется комплементарный триплет РНК. Триплет РНК называют кодоном. В последовательности кодонов заключена информация о последовательности аминокислот в белках. Эта информация ско­пирована с информации, записанной в последовательности кодогенов в молекуле ДНК. ДНК обладает уникальным свойством — способностью к удвоению, которым не обладает ни одна другая из известных молекул.

Молекула РНК также является полимером. Мономерами ее яв­ляются нуклеотиды. РНК представляет собой молекулу, образо­ванную одной цепочкой. Эта молекула построена таким же обра­зом, как и одна из цепей ДНК. В РНК, так же как и в ДНК, при­сутствуют триплеты — комбинации из трех нуклеотидов, или ин­формационные единицы. Каждый триплет управляет включени­ем в белок совершенно определенной аминокислоты. Порядок че­редования строящихся аминокислот определяется последователь­ностью триплетов РНК. Информация, содержащаяся в РНК, —это информация, полученная от ДНК. В основе передачи инфор­мации лежит уже известный принцип комплементарности.

В отличие от ДНК, содержание которой в клетках конкретных организмов относительно постоянно, содержание РНК колеблет­ся и зависит от синтетических процессов в клетке.

По выполняемым функциям выделяют несколько видов РНК: транспортная РНК (тРНК) в основном содержится в цитоплазме к истки; рибосомная РНК (рРНК) составляет существенную часть структуры рибосом; информационная РНК (иРНК), или матрич­ная (мРНК), содержится в ядре и цитоплазме клетки и перено­сит информацию о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка в рибосомах. Все виды РНК синтезируются на ДНК, которая служит своего рода матрицей.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) содержится в каждой клетке. По химической структуре АТФ относится к нуклеотидам. В ней и в каждом нуклеотиде содержатся одна молекула органического основания (аденина), одна молекула углевода (рибоза) и три молекулы фосфорной кислоты. АТФ существенно отличается от обычных нуклеотидов наличием не одной, а трех молекул фосфорной кислоты.

Аденозинмонофосфорная кислота (АМФ) входит в состав всех РНК. При присоединении еще двух молекул фосфорной кислоты она превращается в АТФ и становится источником Энергии. Именно связь между второй и третьей молекулами фос­форной кислоты богата химической энергией. Химическая энер­гия фосфатной связи может легко передаваться другим химиче­ским соединениям клетки. При отщеплении одной молекулы фосфорной кислоты АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту). Если от АТФ отщепляются две молекулы фосфор­ной кислоты, АТФ переходит в АМФ. Реакция отщепления каж­дой молекулы фосфорной кислоты сопровождается освобождени­ем 419 кДж/моль энергии.

Ферменты (от лат. fermentum — закваска) являются ускорите­ля ми реакций в живых клетках. В отсутствие ферментов реакции органических соединений протекают с малой скоростью. Фермен­ты, расщепляющие углеводы, называют сахарозами, отщепляю­щие водород — дегидрогеназами, расщепляющие жиры — липа­зами.

Контрольные вопросы

1.Какие химические элементы входят в состав клеток?

2.Назовите основные неорганические вещества, входящие в состав
клеток.

3.Перечислите основания, входящие в состав органических молекул
клеток.

4.Опишите особенности строения белка как полимера.

5.Охарактеризуйте биологическую роль углеводов и липидов.

6.Какие виды нуклеиновых кислот обнаруживаются в клетках?

7.Какова биологическая роль ДНК и РНК? Сравните их структуру.

8.Какие особенности строения определяют основную функцию АТФ?

Функции клетки

Любая клетка обладает всеми признаками живой материи. Это обмен веществ, способность реагировать на внешние воздействия (раздражимость), возбудимость, рост, размножение (способность к самовоспроизведению и передаче генетической информации), регенерация (восстановление), приспособление (адаптация).

Обмен веществ в живой клетке происходит с поглощением ве­ществ из окружающей среды и выделением в окружающую среду продуктов жизнедеятельности. Все реакции, протекающие в клет­ке, можно подразделить на анаболические и катаболические.

Анаболические реакции — это синтез крупных молекул из бо­лее мелких и простых. Для этих процессов необходимы затраты энергии. Из поступающих в клетку глюкозы, аминокислот, орга­нических кислот и нуклеотидов в клетке непрерывно синтезируют­ся белки, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты. Из этих ве­ществ формируются мембраны клетки, ее органеллы и другие структуры. Синтез веществ особенно интенсивно происходит в мо­лодых, растущих клетках. Химический состав клетки в течение жизни многократно обновляется. Вещества, поступившие в клет­ку, участвуют в процессах биосинтеза (биосинтез — это процесс об­разования биологических структур — белков, жиров и углеводов из более простых веществ). В процессе биосинтеза образуются веще­ства, необходимые для жизнедеятельности, функционирования клетки. Например, в мышечных волокнах скелетных мышц, миоцитах гладкой мышечной ткани синтезируются белки, обеспечива­ющие их сокращение. Процессы, в результате которых образуется живая материя, называются анаболизмом (ассимиляцией).

Одновременно с биосинтезом в клетках происходит распад, разрушение органических соединений. В результате распада об­разуются вещества более простого строения (вода, углекислый газ, мочевина и т.д.). Большая часть реакций распада идет с участием кислорода и с освобождением энергии. Процессы расщепления крупных молекул органических соединений называются катабо­лизмом (диссимиляция).

Катаболические реакции происходят обычно с выделением энергии. Некоторые реакции, связанные с освобождением клет­ки от токсических веществ, идут с затратой энергии. Совокуп­ность катаболических и анаболических реакций, протекающих в клетке в любой данный момент, составляет ее метаболизм (про­цесс обмена веществ). Поступающие в клетку органические веще­ства служат материалами для строительства клеточных компонен­тов, а также источником химической энергии. При расщеплении питательных веществ высвобождается энергия. Значительную ее часть клетка использует на поддержание своих жизненных про­цессов. Это могут быть биосинтез, клеточное деление, активный транспорт веществ, а в некоторых специализированных клетках — мышечное сокращение, электрические импульсы и т.д. Наиболее пригодна для использования в клетке химическая энергия, так как она может быстро распространяться из одной части клетки в другую, а также из клетки в клетку и расходоваться экономно — строго отмеренными порциями. Источником энергообеспечения любой клеточной функции является АТФ. АТФ имеется во всех живых клетках, поэтому ее называют универсальным носителем энергии. Однако запас ее в клетке невелик. (Так, например, в мышце запаса АТФ хватает на 20 — 30 сокращений.) Поэтому на­ряду с распадом АТФ в клетке происходит ее непрерывный синтез. Совокупность реакций, обеспечивающих клетки энергией, называют энергетическим обменом.

Источником получения аденозинтрифосфорной кислоты явля­ется окисление органических соединений — углеводов, жиров и белков (клеточное дыхание). Большинство клеток для окисления использует в первую очередь углеводы, которые гидролизуются до глюкозы. Жиры составляют «первый резерв» и пускаются в дело главным образом тогда, когда запас углеводов исчерпан. Белки используются лишь после того, как будет израсходован весь за­пас углеводов и жиров, например при длительном голодании. Рас­щепление глюкозы, в результате которого происходит синтез АТФ, осуществляется в две следующие одна за другой стадии.

Первая стадия — бескислородное расщепление глюкозы, или гликолиз. Вторую стадию называют кислородным окислением. Гликолизом называют цепь последовательных реакций, в резуль­тате которых одна молекула глюкозы расщепляется на две моле­кулы пировиноградной кислоты и две молекулы АТФ. Эта реак­ция протекает не в митохондриях, а в цитоплазме клетки. Для этой реакции не требуется присутствия кислорода. Если синтез АТФ происходит в цитоплазме и не нуждается в мембранах, то для осу­ществления кислородного процесса необходимо наличие митохондриальных мембран. «Топливом» для окислительного метабо­лизма в митохондриях служат главным образом жирные кислоты и пировиноградная кислота. Расщепление в клетке одной моле­кулы глюкозы до СО₂ и Н₂О обеспечивает синтез 38 молекул АГФ. В бескислородную стадию образуется две молекулы, а в кислород­ную — 36 молекул АТФ.

Раздражимость клетки — это способность активно отвечать на внешние и внутренние воздействия. На воздействие клетки от­вечают изменением обмена веществ, сокращением или образова­нием нервных импульсов и т.д. Факторы, вызывающие измене­ния функций клетки, называют раздражителями. Одной из форм реакций клеток в ответ на действие раздражителей является воз­буждение. Возбуждение — это сложная биологическая реакция, обязательным признаком которой является изменение мембранного потенциала. При этом в клетках между двумя поверхностя­ми цитоплазматической мембраны поддерживается разность по­тенциалов, т. е. электрический заряд. Строение и функции цито­плазматической мембраны во всех клетках таковы, что внутрен­няя ее поверхность заряжена отрицательно по отношению к внеш­ней поверхности. Разность потенциалов между наружной и внут­ренней поверхностями мембраны клетки, находящейся в покое, называют мембранным потенциалом, или потенциалом покоя. В зависимости от типа клеток или организма величина потенци­ала покоя варьирует от -20 до -200 мВ. Действующий раздражи­тель вызывает изменения мембранного потенциала (деполяриза­цию) и возникновение потенциала действия. Однако деполяри­зация цитоплазматической мембраны и возникновение потенци­ала действия характерны только для нервных, мышечных и желе­зистых клеток. Эти биологические структуры способны осуществ­лять быстрые реакции па раздражения. При возбуждении в клет­ках изменяется скорость анаболических и катаболических реак­ций и выполняются специфические, свойственные им функции. Железистые клетки образуют и выделяют секреты, мышечные — сокращаются, нервные клетки образуют нервные импульсы.

Контрольные вопросы

1.Перечислите функции клетки.

2.Какую роль выполняет в клетках АТФ?

3.Что вы знаете об энергетическом значении в организме углеводов,
жиров, белков?

4.Расскажите о бескислородном и кислородном расщеплении углеводов.

5.Какой процесс называют раздражимостью клетки, что происходит
с клеткой при действии на нее раздражителей?

6.Что такое потенциал покоя и потенциал действия, в каких функциях клетки они проявляются?

Дата добавления: 2015-12-08