Клетка
С точки зрения концепции живых систем по А. Ленинджеру.
Живая клетка – это способная к саморегуляции и самовоспроизведению изотермическая система органических молекул, извлекающая энергию и ресурсы из окружающей среды.
В клетке протекает большое количество последовательных реакций, скорость которых регулируется самой клеткой.
Клетка поддерживает себя в стационарном динамическом состоянии, далеком от равновесия с окружающей средой.
Клетки функционируют по принципу минимального расхода компонентов и процессов.
Т.о. клетка – элементарная живая открытая система, способная к самостоятельному существованию, воспроизведению и развитию. Она является элементарной структурно-функциональной единицей всех живых организмов.
Химический состав клеток.
Из 110 элементов периодической системы Менделеева в организме человека обнаружено 86 постоянно присутствующих. 25 из них необходимы для нормальной жизнедеятельности, причем 18 из них необходимы абсолютно, а 7 - полезны. В соответствии с процентным содержанием в клетке химические элементы делят на три группы:
Макроэлементы Основные элементы (органогены) – водород, углерод, кислород, азот. Их концентрация: 98 – 99,9 %. Они являются универсальными компонентами органических соединений клетки.
Микроэлементы – натрий, магний, фосфор, сера, хлор, калий, кальций, железо. Их концентрация 0,1%.
Ультрамикроэлементы – бор, кремний, ванадий, марганец, кобальт, медь, цинк, молибден, селен, йод, бром, фтор. Они влияют на обмен веществ. Их отсутствие является причиной заболеваний (цинк - сахарный диабет, иод - эндемический зоб, железо - злокачественная анемия и т.д.).
Современной медицине известны факты отрицательного взаимодействия витаминов и минералов:
Цинк снижает усвоение меди и конкурирует за усвоение с железом и кальцием; (а дефицит цинка вызывает ослабление иммунной системы, ряд патологических состояний со стороны желез внутренней секреции).
Кальций и железо снижают усвоение марганца;
Витамин Е плохо совмещается с железом, а витамин С – с витаминами группы В.
Положительное взаимовлияние:
Витамин Е и селен, а также кальций и витамин К действуют синергично;
Для усвоения кальция необходим витамин Д;
Медь способствует усвоению и повышает эффективность использования железа в организме.
Неорганические компоненты клетки.
Вода – важнейшая составная часть клетки, универсальная дисперсионная среда живой материи. Активные клетки наземных организмов состоят на 60 – 95% из воды. В покоящихся клетках и тканях (семена, споры) воды 10 - 20%. Вода в клетке находится в двух формах – свободной и связанной с клеточными коллоидами. Свободная вода является растворителем и дисперсионной средой коллоидной системы протоплазмы. Ее 95%. Связанная вода (4 – 5 %) всей воды клетки образует непрочные водородные и гидроксильные связи с белками.
Свойства воды:
Вода – естественный растворитель для минеральных ионов и других веществ.
Вода – дисперсионная фаза коллоидной системы протоплазмы.
Вода является средой для реакций метаболизма клетки, т.к. физиологические процессы происходят в исключительно водной среде. Обеспечивает реакции гидролиза, гидратации, набухания.
Участвует во многих ферментативных реакциях клетки и образуется в процессе обмена веществ.
Вода – источник ионов водорода при фотосинтезе у растений.
Биологическое значение воды:
Большинство биохимических реакций идет только в водном растворе, многие вещества поступают и выводятся из клеток в растворенном виде. Это характеризует транспортную функцию воды.
Вода обеспечивает реакции гидролиза – расщепление белков, жиров, углеводов под действием воды.
Благодаря большой теплоте испарения происходит охлаждение организма. Например, потоотделение у человека или транспирация у растений.
Большая теплоемкость и теплопроводность воды способствует равномерному распределению тепла в клетке.
Благодаря силам адгезии (вода – почва) и когезии (вода – вода) вода обладает свойством капиллярности.
Несжимаемость воды определяет напряженное состояние клеточных стенок (тургор), гидростатический скелет у круглых червей.
Клетка – элементарная единица жизни на Земле. Она обладает всеми признаками живого организма: растет, размножается, обменивается с окружающей средой веществами и энергией, реагирует на внешние раздражители. Начало биологической эволюции связано с появлением на Земле клеточных форм жизни. Одноклеточные организмы представляют собой существующие отдельно друг от друга клетки. Тело всех многоклеточных – животных и растений – построено из большего или меньшего числа клеток, которые являются своего рода блоками, составляющими сложный организм. Независимо от того, представляет ли собой клетка целостную живую систему – отдельный организм или составляет лишь его часть, она наделена набором признаков и свойств, общим для всех клеток.
Химический состав клетки
В клетках обнаружено около 60 элементов периодической системы Менделеева, встречающихся и в неживой природе. Это одно из доказательств общности живой и неживой природы. В живых организмах наиболее распространены водород, кислород, углерод и азот, которые составляют около 98% массы клеток. Такое обусловлено особенностями химических свойств водорода, кислорода, углерода и азота, вследствие чего они оказались наиболее подходящими для образования молекул, выполняющих биологические функции. Эти четыре элемента способны образовывать очень прочные ковалентные связи посредством спаривания электронов, принадлежащих двум атомам. Ковалентно связанные атомы углерода могут формировать каркасы бесчисленного множества различных органических молекул. Поскольку атомы углерода легко образуют ковалентные связи с кислородом, водородом, азотом, а также с серой, органические молекулы достигают исключительной сложности и разнообразия строения.
Кроме четырех основных элементов в клетке в заметных количествах (10 ые и 100 ые доли процента) содержатся железо, калий, натрий, кальций, магний, хлор, фосфор и сера. Все остальные элементы (цинк, медь, йод, фтор, кобальт, марганец и др.) находятся в клетке в очень малых количествах и поэтому называются микроэлементами.
Химические элементы входят в состав неорганических и органических соединений. К неорганическим соединениям относятся вода, минеральные соли, диоксид углерода, кислоты и основания. Органические соединения – это белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры (липиды) и липоиды. Кроме кислорода, водорода, углерода и азота в их состав могут входить другие элементы. Некоторые белки содержат серу. Составной частью нуклеиновых кислот является фосфор. Молекула гемоглобина включает железо, магний участвует в построении молекулы хлорофилла. Микроэлементы, несмотря на крайне низкое содержание в живых организмах, играют важную роль в процессах жизнедеятельности. Йод входит в состав гормона щитовидной железы – тироксина, кобальт – в состав витамина В 12 гормон островковой части поджелудочной железы – инсулин – содержит цинк. У некоторых рыб место железа в молекулах пигментов, переносящих кислород, занимает медь.
Неорганические вещества
Вода. Н 2 О – самое распространенное соединение в живых организмах. Содержание ее в разных клетках колеблется в довольно широких пределах: от 10% в эмали зубов до 98% в теле медузы, но среднем она составляет около 80% массы тела. Исключительно важная роль воды в обеспечении процессов жизнедеятельности обусловлена ее физико-химическими свойствами. Полярность молекул и способность образовывать водородные связи делают воду хорошим растворителем для огромного количества веществ. Большинство химических реакций, протекающих в клетке, может происходить только в водном растворе. Вода участвует и во многих химических превращениях.
Общее число водородных связей между молекулами воды изменяется в зависимости от t°. При t° таяния льда разрушается примерно 15% водородных связей, при t° 40°С – половина. При переходе в газообразное состояние разрушаются все водородные связи. Этим объясняется высокая удельная теплоемкость воды. При изменении t° внешней среды вода поглощает или выделяет теплоту вследствие разрыва или новообразования водородных связей. Таким путем колебания t° внутри клетки оказываются меньшими, чем в окружающей среде. Высокая теплота испарения лежит в основе эффективного механизма теплоотдачи у растений и животных.
Вода как растворитель принимает участие в явлениях осмоса, играющего важную роль в жизнедеятельности клетки организма. Осмосом называют проникновение молекул растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор какого-либо вещества. Полупроницаемыми называются мембраны, которые пропускают молекулы растворителя, но не пропускают молекулы (или ионы) растворенного вещества. Следовательно, осмос – односторонняя диффузия молекул воды в направлении раствора.
Минеральные соли. Большая часть неорганических в-в клетки находится в виде солей в диссоциированном, либо в твердом состоянии. Концентрация катионов и анионов в клетке и в окружающей ее среде неодинакова. В клетке содержится довольно много К и очень много Nа. Во внеклеточной среде, например в плазме крови, в морской воде, наоборот, много натрия и мало калия. Раздражимость клетки зависит от соотношения концентраций ионов Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ . В тканях многоклеточных животных К входит в состав многоклеточного вещества, обеспечивающего сцепленность клеток и упорядоченное их расположение. От концентрации солей в большой мере зависят осмотическое давление в клетке и ее буферные свойства. Буферностью называется способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию ее содержимого на постоянном уровне. Буферность внутри клетки обеспечивается главным образом ионами Н 2 РО 4 и НРО 4 2- . Во внеклеточных жидкостях и в крови роль буфера играют Н 2 СО 3 и НСО 3 - . Анионы связывают ионы Н и гидроксид-ионы (ОН -), благодаря чему реакция внутри клетки внеклеточных жидкостей практически не меняется. Нерастворимые минеральные соли (например, фосфорнокислый Са) обеспечивает прочность костной ткани позвоночных и раковин моллюсков.
Органические вещества клетки
Белки. Среди органических веществ клетки белки стоят на первом месте как по количеству (10 – 12% от общей массы клетки), так и по значению. Белки представляют собой высокомолекулярные полимеры (с молекулярной массой от 6000 до 1 млн. и выше), мономерами которых являются аминокислоты. Живыми организмами используется 20 аминокислот, хотя их существует значительно больше. В состав любой аминокислоты входит аминогруппа (-NH 2), обладающая основными свойствами, и карбоксильная группа (-СООН), имеющая кислотные свойства. Две аминокислоты соединяются в одну молекулу путем установления связи HN-CO с выделением молекулы воды. Связь между аминогруппой одной аминокислоты и карбоксилом другой называется пептидной. Белки представляют собой полипептиды, содержащие десятки и сотни аминокислот. Молекулы различных белков отличаются друг от друга молекулярной массой, числом, составом аминокислот и последовательностью расположения их в полипептидной цепи. Понятно поэтому, что белки отличаются огромным разнообразием, их количество у всех видов живых организмов оценивается числом 10 10 – 10 12 .
Цепь аминокислотных звеньев, соединенных ковалентное пептидными связями в определенной последовательности, называется первичной структурой белка. В клетках белки имеют вид спирально закрученных волокон или шариков (глобул). Это объясняется тем, что в природном белке полипептидная цепочка уложена строго определенным образом в зависимости от химического строения входящих в ее состав аминокислот.
Вначале полипептидная цепь сворачивается в спираль. Между атомами соседних витков возникает притяжение и образуются водородные связи, в частности, между NH- и СО- группами, расположенными на соседних витках. Цепочка аминокислот, закрученная в виде спирали, образует вторичную структуру белка. В результате дальнейшей укладки спирали возникает специфичная для каждого белка конфигурация, называемая третичной структурой. Третичная структура обусловлена действием сил сцепления между гидрофобными радикалами, имеющимися у некоторых аминокислот, и ковалентными связями между SH- группами аминокислоты цистеина (S-S- связи). Количество аминокислот гидрофобными радикалами и цистеина, а также порядок их расположения в полипептидной цепочке специфичны для каждого белка. Следовательно, особенности третичной структуры белка определяются его первичной структурой. Биологическую активность белок проявляет только в виде третичной структуры. Поэтому замена даже одной аминокислоты в полипептидной цепочке может привести к изменению конфигурации белка и к снижению или утрате его биологической активности.
В некоторых случаях белковые молекулы объединяются друг с другом и могут выполнять свою функцию только в виде комплексов. Так, гемоглобин – это комплекс из четырех молекул и только в такой форме способен присоединять и транспортировать О. подобные агрегаты представляют собой четвертичную структуру белка. По своему составу белки делятся на два основных класса – простые и сложные. Простые белки состоят только из аминокислот нуклеиновые кислоты (нуклеотиды), липиды (липопротеиды), Ме (металлопротеиды), Р (фосфопротеиды).
Функции белков в клетке чрезвычайно многообразны. Одна из важнейших – строительная функция: белки участвуют в образовании всех клеточных мембран и органоидов клетки, а также внутриклеточных структур. Исключительно важное значение имеет ферментативная (каталитическая) роль белков. Ферменты ускоряют химические реакции, протекающие в клетке, в 10 ки и 100 ни миллионов раз. Двигательная функция обеспечивается специальными сократительными белками. Эти белки участвуют во всех видах движений, к которым способны клетки и организмы: мерцание ресничек и биение жгутиков у простейших, сокращение мышц у животных, движение листьев у растений и др. Транспортная функция белков заключается в присоединении химических элементов (например, гемоглобин присоединяет О) или биологически активных веществ (гормонов) и переносе их к тканям и органам тела. Защитная функция выражается в форме выработки особых белков, называемых антителами, в ответ на проникновение в организм чужеродных белков или клеток. Антитела связывают и обезвреживают чужеродные вещества. Белки играют немаловажную роль как источники энергии. При полном расщеплении 1г. белков выделяется 17,6 кДж (~4,2 ккал).
Углеводы. Углеводы, или сахариды – органические вещества с общей формулой (СН 2 О) n . У большинства углеводов число атомов Н вдвое больше числа атомов О, как в молекулах воды. Поэтому эти вещества и были названы углеводами. В живой клетке углеводы находятся в количествах, не превышающих 1-2, иногда 5% (в печени, в мышцах). Наиболее богаты углеводами растительные клетки, где их содержание достигает в некоторых случаях 90% от массы сухого вещества (семена, клубни картофеля и т.д.).
Углеводы бывают простые и сложные. Простые углеводы называются моносахаридами. В зависимости от числа атомов углевода в молекуле моносахариды называются триозами, тетрозами, пентозами или гексозами. Из шести углеродных моносахаридов – гексоз – наиболее важное значение имеют глюкоза, фруктоза и галактоза. Глюкоза содержится в крови (0,1-0,12%). Пентозы рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот и АТФ. Если в одной молекуле объединяются два моносахарида, такое соединение называется дисахаридом. Пищевой сахар, получаемый из тростника или сахарной свеклы, состоит из одной молекулы глюкозы и одной молекулы фруктозы, молочный сахар – из глюкозы и галактозы.
Сложные углеводы, образованные многими моносахаридами, называются полисахаридами. Мономером таких полисахаридов, как крахмал, гликоген, целлюлоза, является глюкоза. Углеводы выполняют две основные функции: строительную и энергетическую. Целлюлоза образует стенки растительных клеток. Сложный полисахарид хитин служит главным структурным компонентом наружного скелета членистоногих. Строительную функцию хитин выполняет и у грибов. Углеводы играют роль основного источника энергии в клетке. В процессе окисления 1 г. углеводов освобождается 17,6 кДж (~4,2 ккал). Крахмал у растений и гликоген у животных откладываются в клетках и служат энергетическим резервом.
Нуклеиновые кислоты. Значение нуклеиновых кислот в клетке очень велико. Особенности их химического строения обеспечивают возможность хранения, переноса и передачи по наследству дочерним клеткам информации о структуре белковых молекул, которые синтезируются в каждой ткани на определенном этапе индивидуального развития. Поскольку большинство свойств и признаков клеток обусловлено белками, то понятно, что стабильность нуклеиновых кислот – важнейшее условие нормальной жизнедеятельности клеток и целых организмов. Любые изменения структуры клеток или активности физиологических процессов в них, влияя, таким образом, на жизнедеятельность. Изучение структуры нуклеиновых кислот имеет исключительно важное значение для понимания наследования признаков у организмов и закономерностей функционирования, как отдельных клеток, так и клеточных систем – тканей и органов.
Существуют 2 типа нуклеиновых кислот – ДНК и РНК. ДНК – полимер, состоящий из двух нуклеотидных спиралей, заключенных так, что образуется двойная спираль. Мономеры молекул ДНК представляют собой нуклеотиды, состоящие из азотистого основания (аденина, тимина, гуанина или цитозина), углевода (дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты. Азотистые основания в молекуле ДНК соединены между собой неодинаковым количеством Н-связей и располагаются попарно: аденин (А) всегда против тимина (Т), гуанин (Г) против цитозина (Ц). Схематически расположение нуклеотидов в молекуле ДНК можно изобразить так:
Рис.1.Расположение нуклеотидов в молекуле ДНК
Из рис.1. видно, что нуклеотиды соединены друг с другом не случайно, а избирательно. Способность к избирательному взаимодействию аденина с тимином и гуанина с цитозином называется комплементарностью. Комплементарное взаимодействие определенных нуклеотидов объясняется особенностями пространственного расположения атомов в их молекулах, которые позволяют им сближаться и образовывать Н-связи. В полинуклеотидной цепочке соседние нуклеотиды связаны между собой через сахар (дезоксирибозу) и остаток фосфорной кислоты. РНК так же, как и ДНК, представляет собой полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Азотистые основания трех нуклеотидов те же самые, что входят в состав ДНК (А, Г, Ц); четвертое – урацил (У) – присутствует в молекуле РНК вместо тимина. Нуклеотиды РНК отличаются от нуклеотидов ДНК и по строению входящего в их состав углевода (рибоза вместо дизоксирибозы).
В цепочке РНК нуклеотиды соединяются путем образования ковалентных связей между рибозой одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого. По структуре различаются двух цепочечные РНК. Двух цепочечные РНК являются хранителями генетической информации у ряда вирусов, т.е. выполняют у них функции хромосом. Одно цепочечные РНК осуществляют перенос информации о структуре белков от хромосомы к месту их синтеза и участвуют в синтезе белков.
Существует несколько видов одно цепочечной РНК. Их названия обусловлены выполняемой функцией или местом нахождения в клетке. Большую часть РНК цитоплазмы (до 80-90%) составляет рибосомальная РНК (рРНК), содержащаяся в рибосомах. Молекулы рРНК относительно невелики и состоят в среднем из 10 нуклеотидов. Другой вид РНК (иРНК), переносящие к рибосомам информацию о последовательности аминокислот в белках, которые должны синтезироваться. Размер этих РНК зависит от длины участка ДНК, на котором они были синтезированы. Транспортные РНК выполняют несколько функций. Они доставляют аминокислоты к месту синтеза белка, "узнают" (по принципу комплементарности) триплет и РНК, соответствующий переносимой аминокислоте, осуществляют точную ориентацию аминокислоты на рибосоме.
Жиры и липоиды. Жиры представляют собой соединения жирных высокомолекулярных кислот и трехатомного спирта глицерина. Жиры не растворяются в воде – они гидрофобны. В клетке всегда есть и другие сложные гидрофобные жироподобные вещества, называемые липоидами. Одна из основных функций жиров – энергетическая. В ходе расщепления 1 г. жиров до СО 2 и Н 2 О освобождается большое количество энергии – 38,9 кДж (~9,3 ккал). Содержание жира в клетке колеблется в пределах 5-15% от массы сухого вещества. В клетках живой ткани количество жира возрастает до 90%. Главная функция жиров в животном (и отчасти - растительном) мире - запасающая.
При полном окислении 1 г жира (до углекислого газа и воды) выделяется около 9 ккал энергии. (1 ккал = 1000 кал; калория (кал, cal) - внесистемная единица количества работы и энергии, равная количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 мл воды на 1 °C при стандартном атмосферном давлении 101,325 кПа; 1 ккал = 4,19 кДж). При окислении (в организме) 1 г белков или углеводов выделяется только около 4 ккал/г. У самых разных водных организмов - от одноклеточных диатомовых водорослей до гигантских акул - жир случит «поплавком», уменьшая среднюю плотность тела. Плотность животных жиров составляет около 0,91-0,95 г/см³. Плотность костной ткани позвоночных близка к 1,7-1.8 г/см³, а средняя плотность большинства других тканей близка к 1 г/см³. Понятно, что жира нужно довольно много, чтобы «уравновесить» тяжелый скелет.
Жиры и липоиды выполняют и строительную функцию: они входят в состав клеточных мембран. Благодаря плохой теплопроводности жир способен к защитной функции. У некоторых животных (тюлени, киты) он откладывается в подкожной жировой ткани, образуя слой толщиной до 1 м. Образование некоторых липоидов предшествует синтезу ряда гормонов. Следовательно, этим веществам присуща и функция регуляции обменных процессов.
Организмы состоят из клеток. Клетки разных организмов обладают сходным химическим составом. В таблице 1 представлены основные химические элементы, обнаруженные в клетках живых организмов.
Таблица 1. Содержание химических элементов в клетке
По содержанию в клетке можно выделить три группы элементов. В первую группу входят кислород, углерод, водород и азот. На их долю приходится почти 98% всего состава клетки. Во вторую группу входят калий, натрий, кальций, сера, фосфор, магний, железо, хлор. Их содержание в клетке составляет десятые и сотые доли процента. Элементы этих двух групп относят к макроэлементам (от греч. макрос - большой).
Остальные элементы, представ ленные в клетке сотыми и тысячными долями процента, входят в третью группу. Это микроэлементы (от греч. микро - малый).
Каких-либо элементов, присущих только живой природе, в клетке не обнаружено. Все перечисленные химические элементы входят и в состав неживой природы. Это указывает на единство живой и неживой природы.
Недостаток какого-либо элемента может привести к заболеванию, и даже гибели организма, так как каждый элемент играет определенную роль. Макроэлементы первой группы составляют основу биополимеров - белков, углеводов, нуклеиновых кислот, а также липидов, без которых жизнь невозможна. Сера входит в состав некоторых белков, фосфор - в состав нуклеиновых кислот, железо - в состав гемоглобина, а магний - в состав хлорофилла. Кальций играет важную роль в обмене веществ.
Часть химических элементов, содержащихся в клетке, входит в со став неорганических веществ - минеральных солей и воды.
Минеральные соли находятся в клетке, как правило, в виде катионов (К + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+) и анионов (HPO 2-/4 , H 2 PO -/4 , СI - , НСО 3), соотношение которых определяет важную для жизнедеятельности клеток кислотность среды.
(У многих клеток среда слабощелочная и ее рН почти не изменяется, так как в ней постоянно поддерживается определенное соотношение катионов и анионов.)
Из неорганических веществ в живой природе огромную роль играет вода .
Без воды жизнь невозможна. Она составляет значительную массу большинства клеток. Много воды содержится в клетках мозга и эмбрионов человека: воды более 80%; в клетках жировой ткани - всего 40.% К старости содержание воды в клетках снижается. Человек, потерявший 20% воды, погибает.
Уникальные свойства воды определяют ее роль в организме. Она участвует в теплорегуляции, которая обусловлена высокой теплоемкостью воды - потреблением большого количества энергии при нагревании. Чем же определяется высокая теплоемкость воды?
В молекуле воды атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода. Молекула воды полярна, так как атом кислорода имеет частично отрицательный заряд, а каждый из двух атомов водорода имеет
Частично положительный заряд. Между атомом кислорода одной молекулы воды и атомом водорода другой молекулы образуется водородная связь. Водородные связи обеспечивают соединение большого числа молекул воды. При нагревании воды значительная часть энергии расходуется на разрыв водородных связей, что и определяет ее высокую теплоемкость.
Вода - хороший растворитель . Благодаря полярности ее молекулы взаимодействуют с положительно и отрицательно заряженными ионами, способствуя тем самым растворению вещества. По отношению к воде все вещества клетки делятся на гидрофильные и гидрофобные.
Гидрофильными (от греч. гидро - вода и филео - люблю) называют вещества, которые растворяются в воде. К ним относят ионные соединения (например, соли) и некоторые неионные соединения (например, сахара).
Гидрофобными (от греч. гидро - вода и фобос - страх) называют вещества, нерастворимые в воде. К ним относят, например, липиды.
Вода играет большую роль в химических реакциях, протекающих в клетке в водных растворах. Она растворяет ненужные организму продукты обмена веществ и тем самым способствует выводу их из организма. Большое содержание воды в клетке придает ей упругость . Вода способствует перемещению различных веществ внутри клетки или из клетки в клетку.
Тела живой и неживой природы состоят из одинаковых химических элементов. В состав живых организмов входят неорганические вещества - вода и минеральные соли. Жизненно важные многочисленные функции воды в клетке обусловлены особенностями ее молекул: их полярностью, способностью образовывать водородные связи.
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ
В клетках живых организмов встречается около 90 элементов, причем примерно 25 из обнаружены практически во всех клетках. По содержанию в клетке химические элементы подразделяются на три большие группы: макроэлементы(99%), микроэлементы(1%), ультрамикроэлементы(менее 0,001%).
К макроэлементам относятся кислород, углерод, водород, фосфор, калий, сера, хлор, кальций, магний, натрий, железо.
К микроэлеметам относятся марганец, медь, цинк, йод, фтор.
К ультрамикроэлементам относятся серебро, золото, бром, селен.
| ЭЛЕМЕНТЫ | СОДЕРЖАНИЕ В ОРГАНИЗМЕ (%) | БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ |
| Макроэлементы: | ||
| O.C.H.N | 62-3 | Входят в состав всех органических веществ клетки, воды |
| Фосфор Р | 1,0 | Входят в состав нуклеиновых кислот, АТФ (образует макроэргические связи), ферментов, костной ткани и эмали зубов |
| Кальций Са +2 | 2,5 | У растений входит в состав оболочки клетки, у животных - в состав костей и зубов, активизирует свертываемость крови |
| Микроэлементы: | 1-0,01 | |
| Сера S | 0,25 | Входит в состав белков, витаминов и ферментов |
| Калий К + | 0,25 | Обуславливает проведение нервных импульсов; активатор ферментов белкового синтеза, процессов фотосинтеза, роста растений |
| Хлор CI - | 0,2 | Является компонентом желудочного сока в виде соляной кислоты, активизирует ферменты |
| Натрий Na + | 0,1 | Обеспечивает проведение нервных импульсов, поддерживает осмотическое давление в клетке, стимулирует синтез гормонов |
| Магний Мg +2 | 0,07 | Входит в состав молекулы хлорофилла, содержится в костях и зубах, активизирует синтез ДНК, энергетический обмен |
| Йод I - | 0,1 | Входит в состав гормона щитовидной железы - тироксина, влияет на обмен веществ |
| Железо Fе+3 | 0,01 | Входит в состав гемоглобина, миоглобина, хрусталика и роговицы глаза, активатор ферментов, участвует в синтезе хлорофилла. Обеспечивает транспорт кислорода к тканям и органам |
| Ультрамикроэлементы: | менее 0,01, следовые количества | |
| Медь Си +2 | Участвует в процессах кроветворения, фотосинтеза, катализирует внутриклеточные окислительные процессы | |
| Марганец Мn | Повышает урожайность растений, активизирует процесс фотосинтеза, влияет на процессы кроветворения | |
| Бор В | Влияет на ростовые процессы растений | |
| Фтор F | Входит в состав эмали зубов, при недостатке развивается кариес, при избытке - флюороз | |
| Вещества: | ||
| Н 2 0 | 60-98 | Составляет внутреннюю среду организма, участвует в процессах гидролиза, структурирует клетку. Универсальный растворитель, катализатор, участник химических реакций |
ОРГАНИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ
| ВЕЩЕСТВА | СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА | ФУНКЦИИ |
| Липиды | ||
| Сложные эфиры высших жирных кислот и глицерина. В состав фосфолипидов входит дополнительно остаток Н 3 РО4.Обладают гидрофобными или гидрофильно-гидрофобными свойствами, высокой энергоемкостью | Строительная
- образует билипидный слой всех мембранных. Энергетическая . Терморегуляторная . Защитная . Гормональная (кортикостероиды, половые гормоны). Компоненты витаминов D,E. Источник воды в организме.Запасное питательное вещество |
|
| Углеводы | ||
| Моносахариды: глюкоза, фруктоза, рибоза, дезоксирибоза |
Хорошо растворимы в воде | Энергетическая |
| Дисахариды: сахароза, мальтоза (солодовый сахар) |
Растворимы в воде | Компоненты ДНК, РНК, АТФ |
| Полисахариды: крахмал, гликоген, целлюлоза |
Плохо растворимы или нерастворимы в воде | Запасное питательное вещество. Строительная - оболочка растительной клетки |
| Белки | Полимеры. Мономеры - 20 аминокислот. | Ферменты - биокатализаторы. |
| I структура - последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Связь - пептидная - СО- NH- | Строительная - входят в состав мембранных структур, рибосом. | |
| II структура - a -спираль, связь - водородная | Двигательная (сократительные белки мышц). | |
| III структура - пространственная конфигурация a -спирали (глобула). Связи - ионные, ковалентные, гидрофобные, водородные | Транспортная (гемоглобин). Защитная (антитела).Регуляторная (гормоны, инсулин) | |
| IV структура характерна не для всех белков. Соединение нескольких полипептидных цепей в единую суперструктуруВ воде плохо растворимы. Действие высоких температур, концентрированных кислот и щелочей, солей тяжелых металлов вызывает денатурацию | ||
| Нуклеиновые кислоты: | Биополимеры. Состоят из нуклеотидов | |
| ДНК - дезокси-рибонуклеино-вая кислота. | Состав нуклеотида: дезоксирибоза, азотистые основания - аденин, гуанин, цитозин, тимин, остаток Н 3 РО 4 . Комплементарность азотистых оснований А = Т, Г = Ц. Двойная спираль. Способна к самоудвоению | Образуют хромосомы. Хранение и передача наследственной информации, генетического кода. Биосинтез РНК, белков. Кодирует первичную структуру белка. Содержится в ядре, митохондриях, пластидах |
| РНК - рибонуклеиновая кислота. | Состав нуклеотида: рибоза, азотистые основания - аденин, гуанин, цитозин, урацил, остаток Н 3 РО 4 Комплементарность азотистых оснований А = У, Г = Ц. Одна цепь | |
| Информационная РНК | Передача информации о первичной структуре белка, участвует в биосинтезе белка | |
| Рибосомальная РНК | Строит тело рибосомы | |
| Транспортная РНК | Кодирует и переносит аминокислоты к месту синтеза белка - рибосомам | |
| Вирусная РНК и ДНК | Генетический аппарат вирусов | |
Ферменты.
Важнейшая функция белков - каталитическая. Белковые молекулы, увеличивающие на несколько порядков скорость химических реакции в клетке, называют ферментами . Ни один биохимический процесс в организме не происходит без участия ферментов.
В настоящее время обнаружено свыше 2000 ферментов. Их эффективность во много раз выше, чем эффективность неорганических катализаторов, используемых в производстве. Так, 1 мг железа в составе фермента каталазы заменяет 10 т неорганического железа. Каталаза увеличивает скорость разложения пероксида водорода (Н 2 О 2) в 10 11 раз. Фермент, катализирующий реакцию образования угольной кислоты (СО 2 +Н 2 О = Н 2 СО 3), ускоряет реакцию в 10 7 раз.
Важным свойством ферментов является специфичность их действия, каждый фермент катализирует только одну или небольшую группу сходных реакций.
Вещество, на которое воздействует фермент, называют субстратом . Структуры молекулы фермента и субстрата должны точно соответствовать друг другу. Этим объясняется специфичность действия ферментов. При соединении субстрата с ферментом пространственная структура фермента изменяется.
Последовательность взаимодействия фермента и субстрата можно изобразить схематично:
Субстрат+Фермент - Фермент-субстратный комплекс - Фермент+Продукт.
Из схемы видно, что субстрат соединяется с ферментом с образованием фермент-субстратного комплекса. При этом субстрат превращается в новое вещество - продукт. На конечном этапе фермент освобождается от продукта и вновь вступает во взаимодействие с очередной молекулой субстрата.
Ферменты функционируют лишь при определенной температуре, концентрации веществ, кислотности среды. Изменение условий приводит к изменению третичной и четвертичной структуры белковой молекулы, а, следовательно, и к подавлению активности фермента. Как это происходит? Каталитической активностью обладает лишь определенный участок молекулы фермента, называемый активным центром . Активный центр содержит от 3 до 12 аминокислотных остатков и формируется в результате изгиба полипептидной цепи.
Под влиянием разных факторов изменяется структура молекулы фермента. При этом нарушается пространственная конфигурация активного центра, и фермент теряет свою активность.
Ферменты - это белки, играющие роль биологических катализаторов. Благодаря ферментам на несколько порядков возрастает скорость химических реакций в клетках. Важное свойство ферментов - специфичность действия в определенных условиях.
Нуклеиновые кислоты.
Нуклеиновые кислоты были от крыты во второй половине XIX в. швейцарским биохимиком Ф. Мишером, который выделил из ядер клеток вещество с высоким содержанием азота и фосфора и назвал его "нуклеином" (от лат. нуклеус - ядро).
В нуклеиновых кислотах хранится наследственная информация о строении и функционировании каждой клетки и всех живых существ на Земле. Существует два типа нуклеиновых кислот - ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Нуклеиновые кислоты, как и белки, обладают видовой специфичностью, то есть организмам каждого вида присущ свой тип ДНК. Чтобы выяснить причины видовой специфичности, рассмотрим строение нуклеиновых кислот.
Молекулы нуклеиновых кислот представляют собой очень длинные цепи, состоящие из многих сотен и даже миллионов нуклеотидов. Любая нуклеиновая кислота содержит всего четыре типа нуклеотидов. Функции молекул нуклеиновых кислот зависят от их строения, входящих в их состав нуклеотидов, их числа в цепи и последовательности соединения в молекуле.
Каждый нуклеотид состоит из трех компонентов: азотистого основания, углевода и фосфорной кислоты. В состав каждого нуклеотида ДНК входит один из четырех типов азотистых оснований (аденин - А, тимин - Т, гуанин - Г или цитозин - Ц), а также угле вод дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты.
Таким образом, нуклеотиды ДНК различаются лишь типом азотистого основания.
Молекула ДНК состоит из огромного множества нуклеотидов, соединенных в цепочку в определенной последовательности. Каждый вид молекулы ДНК имеет свойственное ей число и последовательность нуклеотидов.
Молекулы ДНК очень длинные. Например, для буквенной записи последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК из одной клетки человека (46 хромосом) потребовалась бы книга объемом около 820000 страниц. Чередование четырех типов нуклеотидов может образовать бесконечное множество вариантов молекул ДНК. Указанные особенности строения молекул ДНК позволяют им хранить огромный объем информации обо всех признаках организмов.
В 1953 г. американским биологом Дж. Уотсоном и английским физиком Ф. Криком была создана модель строения молекулы ДНК. Ученые установили, что каждая молекула ДНК состоит из двух цепей, связанных между собой и спирально закрученных. Она имеет вид двойной спирали. В каждой цепи четыре типа нуклеотидов чередуются в определенной последовательности.
Нуклеотидный состав ДНК различается у разных видов бактерий, грибов, растений, животных. Но он не меняется с возрастом, мало зависит от изменений окружающей среды. Нуклеотиды парные, то есть число адениновых нуклеотидов в любой молекуле ДНК равно числу тимидиновых нуклеотидов (А-Т), а число цитозиновых нуклеотидов равно числу гуаниновых нуклеотидов (Ц-Г). Это связано с тем, что соединение двух цепей между собой в молекуле ДНК подчиняется определенному правилу, а именно: аденин одной цепи всегда связан двумя водородными связями только с Тимином другой цепи, а гуанин - тремя водородными связями с цитозином, то есть нуклеотидные цепи одной молекулы ДНК комплементарны, дополняют друг друга.
Молекулы нуклеиновых кислот - ДНК и РНК состоят из нуклеотидов. В состав нуклеотидов ДНК входит азотистое основание (А, Т, Г, Ц), углевод дезоксирибоза и остаток молекулы фосфорной кислоты. Молекула ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух цепей, соединенных водородными связями по принципу комплементарности. Функция ДНК - хранение наследственной информации.
В клетках всех организмов имеются молекулы АТФ - аденозинтрифосфорной кислоты. АТФ - универсальное вещество клетки, молекула которого имеет богатые энергией связи. Молекула АТФ - это один своеобразный нуклеотид, который, как и другие нуклеотиды, состоит из трех компонентов: азотистого основания - аденина, углевода - рибозы, но вместо одного содержит три остатка молекул фосфорной кислоты (рис. 12). Связи, обозначенные на рисунке значком, - богаты энергией и называются макроэргическими . Каждая молекула АТФ содержит две макроэргические связи.
При разрыве макроэргической связи и отщеплении с помощью ферментов одной молекулы фосфорной кислоты освобождается 40 кДж/моль энергии, а АТФ при этом превращается в АДФ - аденозиндифосфорную кислоту. При отщеплении еще одной молекулы фосфорной кислоты освобождается еще 40 кДж/моль; образуется АМФ - аденозинмонофосфорная кислота. Эти реакции обратимы, то есть АМФ может пре вращаться в АДФ, АДФ - в АТФ.
Молекулы АТФ не только расщепляются, но и синтезируются, по этому их содержание в клетке относительно постоянно. Значение АТФ в жизни клетки огромно. Эти молекулы играют ведущую роль в энергетическом обмене, необходимом для обеспечения жизнедеятельности клетки и организма в целом.
Рис. 12. Схема строения АТФ.| аденин - |
Молекула РНК, как правило, одиночная цепь, состоящая из четырех типов нуклеотидов - А, У, Г, Ц. Известны три основных вида РНК: иРНК, рРНК, тРНК. Содержание молекул РНК в клетке непостоянно, они участвуют в биосинтезе белка. АТФ - универсальное энергетическое вещество клетки, в котором имеются богатые энергией связи. АТФ играет центральную роль в обмене энергии в клетке. РНК и АТФ содержатся как в ядре, так и в цитоплазме клетки.
Задачи и тесты по теме "Тема 4. "Химический состав клетки"."
- полимер, мономер;
- углевод, моносахарид, дисахарид, полисахарид;
- липид, жирная кислота, глицерин;
- аминокислота, пептидная связь, белок;
- катализатор, фермент, активный центр;
- нуклеиновая кислота, нуклеотид.
Алгоритм решения задач.
Тип 1. Самокопирование ДНК.
Одна из цепочек ДНК имеет такую последовательность нуклеотидов:
АГТАЦЦГАТАЦТЦГАТТТАЦГ...
Какую последовательность нуклеотидов имеет вторая цепочка той же молекулы?
Чтобы написать последовательность нуклеотидов второй цепочки молекулы ДНК, когда известна последовательность первой цепочки, достаточно заменить тимин на аденин, аденин на тимин, гуанин- на цитозин и цитозин на гуанин. Произведя такую замену, получаем последовательность:
ТАЦТГГЦТАТГАГЦТАААТГ...
Тип 2. Кодирование белков.
Цепочка аминокислот белка рибонуклеазы имеет следующее начало: лизин-глутамин-треонин-аланин-аланин-аланин-лизин...
С какой последовательности нуклеотидов начинается ген, соответствующий этому белку?
Для этого следует воспользоваться таблицей генетического кода. Для каждой аминокислоты находим ее кодовое обозначение в виде соответствующей тройки нуклеотидов и выписываем его. Располагая эти тройки друг за другом в таком же порядке, в каком идут соответствующие им аминокислоты, получаем формулу строения участка информационной РНК. Как правило таких троек несколько, выбор делается по Вашему решению (но, берется только одна из троек). Решений соответственно может быть несколько.
АААЦАААЦУГЦГГЦУГЦГААГ
С какой последовательности аминокислот начинается белок, если он закодирован такой последовательностью нуклеотидов:
АЦГЦЦЦАТГГЦЦГГТ...
По принципу комплементарности находим строение участка информационной РНК, образующейся на данном отрезке молекулы ДНК:
УГЦГГГУАЦЦГГЦЦА...
Затем обращаемся к таблице генетического кода и для каждой тройки нуклеотидов, начиная с первой, находим и выписываем соответствующую ей аминокислоту:
Цистеин-глицин-тирозин-аргинин-пролин-...
Иванова Т.В., Калинова Г.С., Мягкова А.Н. "Общая биология". Москва, "Просвещение", 2000
- Тема 4. "Химический состав клетки." §2-§7 стр. 7-21
- Тема 5. "Фотосинтез." §16-17 стр. 44-48
- Тема 6. "Клеточное дыхание." §12-13 стр. 34-38
- Тема 7. "Генетическая информация." §14-15 стр. 39-44
Элементный состав организма
По химическому составу клетки разных организмов могут заметно отличаться, однако состоят они из одинаковых элементов. В клетках обнаружено около 70 элементов периодической таблицы Д.И. Менделеева, но только 24 из них имеют важное значение и встречаются в живых организмах постоянно.
Макроэлементы – кислород, углеводород, водород, азот – входят в состав молекул органических веществ. К макроэлементам в последнее время относят калий, натрий, кальций, сера, фосфор, магний, железо, хлор. Их содержание в клетке составляет десятые и сотые доли процента.
Магний входит в состав хлорофилла; железо – гемоглобина; фосфор – костной ткани, нуклеиновых кислот; кальций – костей, черепашек моллюсков, сера – в состав белков; калий, натрий и хлор-ионы берут участие в смене потенциала клеточной мембраны.
Микроэлементы представлены в клетке сотыми и тысячными долями процента. Это цинк, медь, йод, фтор, молибден, бор и др.
Микроэлементы входят в состав ферментов, гормонов, пигментов.
Ультрамикроэлементы – элементы, содержание которых в клетке не превышает 0,000001%. Это уран, золото, ртуть, цезий и др.
Вода и её биологическое значение
Вода количественно занимает среди химических соединений первое место во всех клетках. В зависимости от типа клеток, их функционального состояния, вида организма и условий его нахождения её содержание в клетках существенно колеблется.
Клетки костной ткани содержат не больше 20% воды, жировой ткани – около 40%, мышечные клетки – 76%, а клетки зародыша – более 90%.
Замечание 1
В клетках любого организма с возрастом количество воды заметно уменьшается.
Отсюда – вывод, что чем выше функциональная активность организма в целом и каждой клетки отдельно тем большим в них есть содержание воды, и наоборот.
Замечание 2
Обязательным условием жизненной активности клеток является наличие воды. Она является основной частью цитоплазмы, поддерживает её структуру и стойкость коллоидов, входящих в состав цитоплазмы.
Роль воды в клетке определяется её химическими и структурными свойствами. Прежде всего это связано с небольшим размером молекул, их полярностью и способностью соединяться с помощью водородных связей.
Водородные связи образуются при участии атомов водорода, соединённых с электронегативным атомом (обычно кислородом или азотом). При этом атом Гидрогена приобретает настолько большой позитивный заряд, что может образовать новую связь с другим электронегативным атомом (кислорода или азота). Так же связываются друг с другом молекулы воды, у которых один конец имеет позитивный заряд, а другой – негативный. Такую молекулу называют диполем . Более электронегативный атом кислорода одной молекулы воды притягивается к позитивно заряженному атому водорода другой молекулы с образованием водородной связи.
Благодаря тому, что молекулы воды полярные и способны образовывать водородные связи, вода является совершенным растворителем для полярных веществ, которые называются гидрофильными . Такими являются соединения ионного характера, в которых заряженные частички (ионы) диссоциируют (разделяются) в воде при растворении вещества (соли). Такую же способность имеют и некоторые неионные соединения, в молекуле которых находятся заряженные (полярные) группы (в сахарах, аминокислотах, простых спиртах это ОН-группы). Вещества, состоящие из неполярных молекул (липиды), в воде практически нерастворимы, то есть они гидрофобы .
При переходе вещества в раствор, его структурные частички (молекулы или ионы) приобретают возможность двигаться свободнее, а, соответственно, возрастает реакционная способность вещества. Благодаря этому вода является основной средой, где происходит большинство химических реакций. Кроме того, все окислительно-восстановительные реакции и реакции гидролиза проходят при непосредственном участии воды.
Вода имеет наибольшую удельную теплоёмкость среди всех известных веществ. Это означает, что при существенном увеличении тепловой энергии температура воды повышается сравнительно немного. Это обусловлено использованием значительного количества этой энергии на разрыв водородных связей, которые ограничивают подвижность молекул воды.
Благодаря большой теплоёмкости вода служит защитой для тканей растений и животных от сильного и быстрого повышения температуры, а высокая теплота парообразования является основой для надёжной стабилизации температуры тела организма. Необходимость значительного количества энергии для испарения воды вызвана тем, что между её молекулами существуют водородные связи. Эта энергия поступает из окружающей среды, потому испарение сопровождается охлаждением. Этот процесс можно наблюдать во время потоотделения, в случае тепловой задышки у собак, важна она и в процессе охлаждения транспирирующих органов растений, особенно в пустынных условиях и в условиях сухих степей и периодов засухи в других регионах.
Вода имеет так же высокую теплопроводность, чем обеспечивается равномерное распределение тепла по организму. Таким образом нет риска возникновения локальных «горячих точек», которые могут стать причиной повреждения элементов клеток. Значит, высокая удельная теплоёмкость и высокая для жидкости теплопроводность делают воду идеальной средой для поддержания оптимального теплового режима организма.
Для воды характерно высокое поверхностное натяжение. Это её свойство очень важно для адсорбционных процессов, движения растворов по тканях (кровообращение, восходящее и нисходящее движение по растению и т.п.).
Вода используется как источник кислорода и водорода, которые выделяются во время световой фазы фотосинтеза.
К важным физиологическим свойствам воды относится её способность растворять газы ($O_2$, $CO_2$ и др.). Кроме того, вода как растворитель участвует в процессе осмоса, что играет важную роль в жизнедеятельности клеток и организма.
Свойства углеводорода и его биологическая роль
Если не брать во внимание воду, можно сказать, что большая часть молекул клетки принадлежит к углеводородным, так называемым органическим, соединениям.
Замечание 3
Углеводород, имея уникальные химические способности, фундаментальные для жизни, составляет её химическую основу.
Благодаря небольшому размеру и наличию на внешней оболочке четырёх электронов атом углеводорода может образовывать четыре крепких ковалентных связи с другими атомами.
Самое важное значение имеет способность атомов углеводорода соединяться друг с другом, образуя цепи, кольца и, в конце концов, скелет больших и сложных органических молекул.
К тому же углеводород легко образует ковалентные связи с другими биогенными элементами (обычно с $H, Mg, P, O, S$). Именно этим объясняется существование астрономического количества разнообразных органических соединений, которые обеспечивают существование живых организмов во всех его проявлениях. Разнообразие их проявляется в структуре и размерах молекул, их химических свойствах, степени насыщенности карбонового скелета и различной форме молекул, что определяется углами внутримолекулярных связей.
Биополимеры
Это высокомолекулярные (молекулярная масса 103 – 109) органические соединения, макромолекулы которых состоят из большого количества звеньев, которые повторяются, - мономеров.
К биополимерам относятся белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и их производные (крахмал, гликоген, целлюлоза, гемицеллюлоза, пектиновые вещества, хитин и пр.). Мономерами для них являются соответственно аминокислоты, нуклеотиды и моносахариды.
Замечание 4
Около 90% сухой массы клетки составляют биополимеры: у растений преобладают полисахариды, а у животных – белки.
Пример 1
В клетке бактерий находится около 3 тыс. видов белков и 1 тыс. нуклеиновых кислот, а у человека количество белков оценивают в 5 млн.
Биополимеры не только образуют структурную основу живых организмов, но и в процессах жизнедеятельности играют проводящую роль.
Структурной основой биополимеров являются линейные (белки, нуклеиновые кислоты, целлюлоза) или разветвлённые (гликоген) цепи.
И нуклеиновых кислот, имунные реакции, реакции обмена веществ - и осуществляются благодаря образованию биополимерных комплексов и другим свойствам биополимеров.