Клетка - это наименьшая структурная и функциональная единица живого. Клетки всех живых организмов, в том числе и человека, имеют сходное строение. Изучение строения, функций клеток, их взаимодействия между собой - основа к пониманию такого сложного организма, как человек. Клетка активно реагирует на раздражения, выполняет функции роста и размножения; способна к самовоспроизведению и передаче генетической информации потомкам; к регенерации и приспособлению к окружающей среде.
Строение. В организме взрослого человека насчитывают около 200 типов клеток, которые различаются формой, строением, химическим составом и характером обмена веществ. Несмотря на большое разнообразие, каждая клетка любого органа представляет собой целостную живую систему. У клетки выделяют цитолемму, цитоплазму и ядро (рис. 5).
Цитолемма. Каждая клетка имеет оболочку - цитолемму (клеточную мембрану), отделяющую содержимое клетки от внешней (внеклеточной) среды. Цитолемма не только ограничивает клетку снаружи, но и обеспечивает ее непосредственную связь с внешней средой. Цитолемма выполняет защитную, транспортную функ-
1 - цитолемма (плазматическая мембрана); 2 - пиноцитозные пузырьки; 3 - центросома (клеточный центр, цитоцентр); 4 - гиалоплазма;
- - эндоплазматическая сеть (а - мембраны эндоплазматической сети,
- - рибосомы); 6 - ядро; 7 - связь перинуклеарного пространства с полостями эндоплазматической сети; 8 - ядерные поры; 9 - ядрышко; 10 - внутриклеточный сетчатый аппарат (комплекс Гольджи); 11 - секреторные вакуоли; 12 - митохондрии; 13 - лизосомы; 14 - три последовательные стадии фагоцитоза; 15 - связь клеточной оболочки
ции, воспринимает воздействия внешней среды. Через цитолемму различные молекулы (частицы) проникают внутрь клетки и из клетки выходят в окружающую ее среду.
Цитолемма состоит из липидных и белковых молекул, которые удерживаются вместе с помощью сложных межмолекулярных взаимодействий. Благодаря им поддерживается структурная целостность мембраны. Основу цитолеммы также составляют пласты ли-
попротеидной природы (липиды в комплексе с белками). Имея толщину около 10 нм, цитолемма является самой толстой из биологических мембран. У цитолеммы - полупроницаемой биологической мембраны - выделяют три слоя (рис. 6, см. цв. вкл.). Наружный и внутренний гидрофильные слои образованы молекулами липидов (липидный бислой) и имеют толщину 5-7 нм. Эти слои непроницаемы для большинства водорастворимых молекул. Между наружным и внутренним слоями находится промежуточный гидрофобный слой липидных молекул. К мембранным липидам относится большая группа органических веществ, плохо растворимых в воде (гидрофобные) и хорошо растворимых в органических растворителях. В клеточных мембранах присутствуют фосфолипиды (гли- церофосфатиды), стероидные липиды (холестерин) и др.
Липиды составляют около 50 % массы плазматической мембраны.
Липидные молекулы имеют гидрофильные (любящие воду) головки и гидрофобные (боящиеся воды) концы. Липидные молекулы располагаются в цитолемме таким образом, что наружный и внутренний слои (липидный бислой) образованы головками липидных молекул, а промежуточный слой - их концами.
Мембранные белки не образуют в цитолемме сплошного слоя. Белки располагаются в липидных слоях, погружаясь в них на разную глубину. Молекулы белков имеют неправильную округлую форму и образуются из полипептидных спиралей. При этом неполярные участки белков (не несущие на себе зарядов), богатые неполярными аминокислотами (аланином, валином, глицином, лейцином), погружены в ту часть липидной мембраны, где располагаются гидрофобные концы липидных молекул. Полярные части белков (несущие заряд), также богатые аминокислотами, взаимодействуют с гидрофильными головками липидных молекул.
В плазматической мембране белки составляют почти половину ее массы. Различают трансмембранные (интегральные), полуин- тегральные и периферические белки мембраны. Периферические белки располагаются на поверхности мембраны. Интегральные и полуинтегральные белки погружены в липидные слои. Молекулы интегральных белков проникают через весь липидный слой мембраны, а полуинтегральные белки погружены в мембранные слои частично. Мембранные белки, по их биологической роли, подразделяют на белки-переносчи- ки (транспортные белки), белки-ферменты, рецепторные белки.
Мембранные углеводы представлены полисахаридными цепочками, которые прикреплены к мембранным белкам и липидам. Такие углеводы называют гликопротеинами и гликолипидами. Количество углеводов в цитолемме и других биологических мем
бранах невелико. Масса углеводов в плазматической мембране колеблется от 2 до 10 % массы мембраны. Углеводы располагаются на внешней поверхности клеточной мембраны, которая не контактирует с цитоплазмой. Углеводы на клеточной поверхности образуют надмембранный слой - гликокаликс, принимающий участие в процессах межклеточного узнавания. Толщина гликокаликса составляет 3-4 нм. В химическом отношении гликокаликс представляет собой гликопротеиновый комплекс, в состав которого входят различные углеводы, связанные с белками и липидами.
Функции плазматической мембраны. Одна из важнейших функций цитолеммы - транспортная. Она обеспечивает поступление в клетку питательных и энергетических веществ, выведение из клетки продуктов обмена и биологически активных материалов (секретов), регулирует прохождение в клетку и из клетки различных ионов, поддерживает в клетке соответствующий pH.
Существует несколько механизмов для поступления веществ в клетку и выхода их из клетки: это диффузия, активный транспорт, экзо- или эндоцитоз.
Диффузия - это движение молекул или ионов из области с высокой их концентрацией в область с более низкой концентрацией, т.е. по градиенту концентрации. За счет диффузии осуществляется перенос через мембраны молекул кислорода (02) и углекислого газа (С02). Ионы, молекулы глюкозы и аминокислот, жирных кислот диффундируют через мембраны медленно.
Направление диффузии ионов определяется двумя факторами: один из этих факторов - их концентрация, а другой - электрический заряд. Ионы обычно перемещаются в область с противоположными зарядами и, отталкиваясь из области с одноименным зарядом, диффундируют из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.
Активный транспорт - это перенос молекул или ионов через мембраны с потреблением энергии против градиента концентрации. Энергия в виде расщепления аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) необходима, чтобы обеспечивать движение веществ из среды с более низкой их концентрацией в среду с более высоким их содержанием. Примером активного транспорта ионов является натрий-калиевый насос (Na+, К+-насос). С внутренней стороны к мембране поступают ионы Na+, АТФ, а с наружной - ионы К+. На каждые два проникающих в клетку иона К+ из клетки выводится три иона Na+. Вследствие этого содержимое клетки становится отрицательно заряженным по отношению к внешней среде. При этом между двумя поверхностями мембраны возникает разность потенциалов.
Перенос через мембрану крупных молекул нуклеотидов, аминокислот и др. осуществляют мембранные транспортные белки. Это белки-переносчики и каналообразующие белки. Белки-переносчики, соединяясь с молекулой переносимого вещества, транспортируют ее через мембрану. Этот процесс может быть как пассивным, так и активным. Каналообразующие белки формируют заполненные тканевой жидкостью узкие поры, которые пронизывают липидный бислой. Эти каналы имеют ворота, открывающиеся на короткое время в ответ на специфические процессы, которые происходят на мембране.
Цитолемма участвует также в поглощении и выделении клеткой различного рода макромолекул и крупных частиц. Процесс прохождения через мембрану внутрь клетки таких частиц получил название эндоцитоза, а процесс выведения их из клетки - экзоцитоза. При эндоцитозе плазматическая мембрана образует выпячивания или выросты, которые, отшнуровываясь, превращаются в пузырьки. Оказавшиеся в пузырьках частицы или жидкость переносятся внутрь клетки. Различают два типа эндоцитоза - фагоцитоз и пиноцитоз. Фагоцитоз (от греч. phagos - пожирающий) - это поглощение и перенос в клетку крупных частиц - например, остатков погибших клеток, бактерий). Пиноцитоз (от греч. pino - пью) - это поглощение жидкого материала, крупномолекулярных соединений. Большинство частиц или молекул, поглощенных клеткой, заканчивают свой путь в лизосомах, где эти частицы перевариваются клеткой. Экзоци- тоз - это процесс, обратный эндоцитозу. В процессе экзоцитоза содержимое транспортных или секретирующих пузырьков выделяется во внеклеточное пространство. При этом пузырьки сливаются с плазматической мембраной, а затем раскрываются на ее поверхности и выделяют их содержимое во внеклеточную среду.
Рецепторные функции клеточной мембраны осуществляются благодаря большому количеству чувствительных образований - рецепторов, имеющихся на поверхности цитолеммы. Рецепторы способны воспринимать воздействия различных химических и физических раздражителей. Рецепторами, способными распознавать раздражители, являются гликопротеиды и гликолипиды цитолеммы. Рецепторы располагаются на всей клеточной поверхности равномерно или могут быть сконцентрированы на какой-либо одной части клеточной мембраны. Существуют рецепторы, распознающие гормоны, медиаторы, антигены, различные белки.
Межклеточные соединения образованы при соединении, смыкании цитолеммы рядом расположенных клеток. Межклеточные соединения обеспечивают передачу химических и электрических сигналов от одной клетки к другой, участвуют во взаимоотношениях
клеток. Существуют простые, плотные, щелевидные, синаптические межклеточные соединения. Простые соединения образуются, когда цитолеммы двух соседних клеток просто соприкасаются, прилежат одна к другой. В местах плотных межклеточных соединений цитолемма двух клеток максимально сближена, местами сливается, образуя как бы одну мембрану. При щелевидных соединениях (нексусах) между двумя цитолеммами имеется очень узкая щель (2-3 нм). Синаптические соединения (синапсы) характерны для контактов нервных клеток друг с другом, когда сигнал (нервный импульс) способен передаваться от одной нервной клетки другой нервной клетке только в одном направлении.
С точки зрения функции межклеточные соединения можно объединить в три группы. Это запирающие соединения, прикрепительные и коммуникационные контакты. Запирающие соединения соединяют клетки очень плотно, делают невозможным прохождение через них даже небольших молекул. Прикрепительные контакты механически связывают клетки с соседними клетками или внеклеточными структурами. Коммуникационные контакты клеток друг с другом обеспечивают передачу химических и электрических сигналов. Основными типами коммуникационных контактов являются щелевые контакты, синапсы.
- Из каких химических соединений (молекул) построена цитолемма? Как молекулы этих соединений расположены в мембране?
- Где расположены мембранные белки, какую роль они играют в функциях цитолеммы?
- Назовите и опишите виды транспорта веществ через мембрану.
- Чем отличается активный транспорт веществ через мембраны от пассивного?
- Что такое эндоцитоз и экзоцитоз? Чем они отличаются друг от друга?
- Какие вы знаете виды контактов (соединений) клеток друг с другом?
Гиалоплазма (от греч. hyalmos - прозрачный) представляет собой сложную коллоидную систему, которая заполняет пространство между клеточными органеллами. В гиалоплазме синтезируются белки, в ней находится энергетический запас клетки. Гиалоплазма объединяет различные структуры клетки и обеспе
чивает их химическое взаимодействие, она образует матрикс - внутреннюю среду клетки. Снаружи гиалоплазма покрыта клеточной мембраной - цитолеммой. В состав гиалоплазмы входит вода (до 90%). В гиалоплазме синтезируются белки, необходимые для жизнедеятельности и функционирования клетки. В ней находятся энергетические запасы в виде молекул АТФ, жировые включения, откладывается гликоген. В гиалоплазме располагаются структуры общего назначения - органеллы, которые имеются во всех клетках, и непостоянные образования - цитоплазматические включения. В число органелл входят зернистая и незернистая эндоплазматическая сеть, внутренний сетчатый аппарат (комплекс Гольджи), клеточный центр (цитоцентр), рибосомы, лизосомы. К включениям относятся гликоген, белки, жиры, витамины, пигментные и другие вещества.
Органеллы - это структуры клетки, выполняющие определенные жизненно важные функции. Различают органеллы мембранные и немембранные. Мембранные органеллы - это замкнутые одиночные или связанные друг с другом участки цитоплазмы, отделенные от гиалоплазмы мембранами. К мембранным органел- лам относят эндоплазматическую сеть, внутренний сетчатый аппарат (комплекс Гольджи), митохондрии, лизосомы, перо- ксисомы.
Эндоплазматическая сеть образована группами цистерн, пузырьков или трубочек, стенками которых служит мембрана толщиной 6-7 нм. Совокупность этих структур напоминает сеть. Эндоплазматическая сеть неоднородна по строению. Выделяют два типа эндоплазматической сети - зернистую и незернистую (гладкую).
У зернистой эндоплазматической сети на мембранах-трубочках располагается множество мелких округлых телец - рибосом. Мембраны незернистой эндоплазматической сети на своей поверхности рибосом не имеют. Основная функция зернистой эндоплазматической сети - участие в синтезе белка. На мембранах незернистой эндоплазматической сети происходит синтез липидов и полисахаридов.
Внутренний сетчатый аппарат (комплекс Гольджи) обычно располагается около клеточного ядра. Он состоит из уплощенных цистерн, окруженных мембраной. Рядом с группами цистерн находится множество мелких пузырьков. Комплекс Гольджи участвует в накоплении продуктов, синтезированных в эндоплазматической сети, и выведении образовавшихся веществ за пределы клетки. Кроме того, комплекс Гольджи обеспечивает формирование клеточных лизосом и пероксимом.
Лизосомы представляют собой шаровидные мембранные мешочки (диаметром 0,2-0,4 мкм), наполненные активными химиче
скими веществами, гидролитическими ферментами (гидролаза- ми), расщепляющими белки, углеводы, жиры и нуклеиновые кислоты. Лизосомы являются структурами, осуществляющими внутриклеточное переваривание биополимеров.
Пероксисомы - это небольшие, овальной формы вакуоли размером 0,3-1,5 мкм, содержащие фермент каталазу, разрушающую перекись водорода, которая образуется в результате окислительного дезаминирования аминокислот.
Митохондрии являются энергетическими станциями клетки. Это органеллы овоидной или шаровидной формы диаметром около 0,5 мкм и длиной 1 - 10 мкм. Митохондрии, в отличие от других органелл, ограничены не одной, а двумя мембранами. Наружная мембрана имеет ровные контуры и отделяет митохондрию от гиа- лоплазмы. Внутренняя мембрана ограничивает содержимое митохондрии, ее тонкозернистый матрикс, и образует многочисленные складки - гребни (кристы). Основной функцией митохондрии является окисление органических соединений и использование освободившейся энергии для синтеза АТФ. Синтез АТФ осуществляется с потреблением кислорода и происходит на мембранах митохондрий, на мембранах их крист. Освободившаяся энергия используется для фосфорилирования молекул АДФ (аденозинди- фосфорной кислоты) и превращения их в АТФ.
К немембранным органеллам клетки относятся опорный аппарат клетки, включающий микрофиламенты, микротрубочки и промежуточные филаменты, клеточный центр, рибосомы.
Опорный аппарат, или цитоскелет клетки, обеспечивает клетке способность сохранять определенную форму, а также осуществлять направленные движения. Цитоскелет образован белковыми нитями, которые пронизывают всю цитоплазму клетки, заполняя пространство между ядром и цитолеммой.
Микрофиламенты представляют собой также белковые нити толщиной 5-7 нм, расположенные преимущественно в периферических отделах цитоплазмы. В состав микрофиламентов входят сократительные белки- актин, миозин, тропомиозин. Более толстые микрофиламенты, толщиной около 10 нм, получили название промежуточных филаментов, или микрофибрилл. Промежуточные филаменты располагаются пучками, в разных клетках имеют различный состав. В мышечных клетках они построены из белка демина, в эпителиальных клетках - из белков кератинов, в нервных клетках построены из белков, образующих нейрофибриллы.
Микротрубочки представляют собой полые цилиндры диаметром около 24 нм, состоящие из белка тубулина. Они являются основными структурными и функциональными элементами рес
ничек и жгутиков, основой которых являются выросты цитоплазмы. Главной функцией этих органелл является опорная. Микротрубочки обеспечивают подвижность самих клеток, а также движение ресничек и жгутиков, являющихся выростами некоторых клеток (эпителия дыхательных путей и других органов). Микро- трубочки входят в состав клеточного центра.
Клеточный центр (цитоцентр) представляет собой совокупность центриолей и окружающего их плотного вещества - центросферы. Располагается клеточный центр возле ядра клетки. Центриоли имеют форму полых цилиндров диаметром около
- 25 мкм и длиной до 0,5 мкм. Стенки центриолей построены из микротрубочек, которые образуют 9 триплетов (тройных микротрубочек - 9x3).
Рибосомы представляют собой гранулы размером 15-35 нм. В их состав входят белки и молекулы РНК примерно в равных весовых отношениях. Располагаются рибосомы в цитоплазме свободно или они фиксированы на мембранах зернистой эндоплазматической сети. Рибосомы участвуют в синтезе молекул белка. Они укладывают аминокислоты в цепи в строгом соответствии с генетической информацией, заключенной в ДНК. Наряду с одиночными рибосомами в клетках имеются группы рибосом, образующие полисомы, полирибосомы.
Включения цитоплазмы являются необязательными компонентами клетки. Они появляются и исчезают в зависимости от функционального состояния клетки. Основным местом расположения включений является цитоплазма. В ней включения накапливаются в виде капель, гранул, кристаллов. Различают включения трофические, секреторные и пигментные. К трофическим включениям относят гранулы гликогена в клетках печени, белковые гранулы в яйцеклетках, капли жира в жировых клетках и т. д. Они служат запасами питательных веществ, которые накапливает клетка. Секреторные включения образуются в клетках железистого эпителия в процессе их жизнедеятельности. Включения содержат биологически активные вещества, накапливаемые в виде секреторных гранул. Пигментные включения
могут быть эндогенного (если они образовались в самом организме - гемоглобин, липофусцин, меланин) или экзогенного (красители и др.) происхождения.
Вопросы для повторения и самоконтроля:
- Назовите основные структурные элементы клетки.
- Какими свойствами обладает клетка как элементарная единица живого?
- Что такое органеллы клетки? Расскажите о классификации орга- нелл.
- Какие органеллы участвуют в синтезе и транспорте веществ в клетке?
- Расскажите о строении и функциональном значении комплекса Гольджи.
- Опишите строение и функции митохондрий.
- Назовите немембранные органеллы клетки.
- Дайте определение включениям. Приведите примеры.
Ядро имеет обычно шаровидную или яйцевидную форму. Для некоторых клеток (лейкоцитов, например) характерно бобовидное, палочковидное или сегментированное ядро. Ядро неделящейся клетки (интерфазное) состоит из оболочки, нуклеоплазмы(карио- плазмы), хроматина и ядрышка.
Ядерная оболочка (кариотека) отделяет содержимое ядра от цитоплазмы клетки и регулирует транспорт веществ между ядром и цитоплазмой. Кариотека состоит из наружной и внутренней мембран, разделенных узким перинуклеарным пространством. Наружная ядерная мембрана непосредственно соприкасается с цитоплазмой клетки, с мембранами цистерн эндоплазматической сети. На поверхности ядерной мембраны, обращенной к цитоплазме, находятся многочисленные рибосомы. Ядерная оболочка имеет ядерные поры, закрытые сложноустроенной диафрагмой, образованной соединенными между собой белковыми гранулами. Через ядерные поры осуществляется обмен веществ
между ядром и цитоплазмой клетки. Из ядра в цитоплазму выходят молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК) и субъединицы рибосом, а в ядро поступают белки, нуклеотиды.
Под ядерной оболочкой находятся гомогенная нуклеоплазма (.кариоплазма) и ядрышко. В нуклеоплазме неделящегося ядра, в его ядерном белковом матриксе, находятся гранулы (глыбки) так называемого гетерохроматина. Участки более разрыхленного хроматина, расположенные между гранулами, называются эухрома- тином. Разрыхленный хроматин называют деконденсированным хроматином, в нем наиболее интенсивно протекают синтетические процессы. Во время деления клетки хроматин уплотняется, конденсируется, образует хромосомы.
Хроматин неделящегося ядра и хромосомы делящегося имеют одинаковый химический состав. И хроматин, и хромосомы состоят из молекул ДНК, связанной с РНК и белками (гистона- ми и негистонами). Каждая молекула ДНК состоит из двух длинных правозакрученных полинуклеотидных цепей (двойной спирали). Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара и остатка фосфорной кислоты. Причем основание расположено внутри двойной спирали, а сахарофосфатный скелет - снаружи.
Наследственная информация в молекулах ДНК записана в линейной последовательности расположения ее нуклеотидов. Элементарной частицей наследственности является ген. Ген - это участок ДНК, имеющий определенную последовательность расположения нуклеотидов, ответственных за синтез одного определенного специфического белка.
Молекулы ДНК в хромосоме делящегося ядра упакованы компактно. Так, одна молекула ДНК, содержащая 1 млн нуклеотидов при их линейном расположении, имеет длину 0,34 мм. Длина одной хромосомы человека в растянутом виде составляет около 5 см. Молекулы ДНК, связанные с белками-гистонами, образуют нуклеосомы, являющиеся структурными единицами хроматина. Нуклеосомы имеют вид бусинок диаметром 10 нм. Каждая нук- леосома состоит из гистонов, вокруг которых закручен участок ДНК, включающий 146 пар нуклеотидов. Между нуклеосомами располагаются линейные участки ДНК, состоящие из 60 пар нуклеотидов. Хроматин представлен фибриллами, которые образуют петли длиной около 0,4 мкм, содержащие от 20 000 до 300 000 пар нуклеотидов.
В результате уплотнения (конденсации) и закручивания (су- перспирализации) дезоксирибонуклеопротеидов (ДНП) в делящемся ядре хромосомы представляют собой удлиненные палочковидные образования, имеющие два плеча, разделенных так
называемой перетяжкой - центромерой. В зависимости от расположения центромеры и длины плеч (ножек) выделяют три типа хромосом: метацен трические, имеющие примерно одинаковые плечи, субмета центрические, у которых длина плеч (ножек) различная, а также акроцентрические хромосомы, у которых одно плечо длинное, а другое - очень короткое, еле заметное.
Поверхность хромосом покрыта различными молекулами, главным образом рибонуклеопрогеидами (РНП). В соматических клетках имеются по две копии каждой хромосомы. Их называют гомологичными хромосомами, они одинаковые по длине, форме, строению, несут одни и те же гены, которые расположены одинаково. Особенности строения, количество и размеры хромосом называют кариотипом. Нормальный кариотип человека включает 22 пары соматических хромосом (аутосом) и одну пару половых хромосом (XX или XY). Соматические клетки человека (диплоидные) имеют удвоенное число хромосом - 46. Половые клетки содержат гаплоидный (одинарный) набор - 23 хромосомы. Поэтому в половых клетках ДНК в два раза меньше, чем в диплоидных соматических клетках.
Ядрышко, одно или несколько, имеется во всех неделящихся клетках. Оно имеет вид интенсивно окрашивающегося округлого тельца, величина которого пропорциональна интенсивности белкового синтеза. Ядрышко состоит из электронно-плотной нуклео- лонемы (от греч. нема - нить), в которой различают нитчатую (фибриллярную) и гранулярную части. Нитчатая часть состоит из множества переплетающихся нитей РНК толщиной около 5 нм. Гранулярная (зернистая) часть образована зернами диаметром около 15 нм, представляющими собой частицы рибонуклеопроте- идов - предшественников рибосомных субъединиц. В ядрышке образуются рибосомы.
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 - Н2РО~, С1 , НСО“ 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 (греч. makros - большой). Такие молекулы состоят из повторяющихся сходных по структуре и связанных между собой соединений - мономеров (греч. monos - один). Образованная мономерами макромолекула называется полимером (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.
Поли пептидные 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 (С02 + + Н20). 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 - эго 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. Название «нуклеиновые кислоты» происходит от латинского слова «нуклеус», те. 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 нуклеотидов в одной цепи, то по принципу комплементарное™ сразу же выясняется порядок нуклеотидов в другой цепи.
В полинуклеотидных 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 кодаген (по-гречески кодаген - участок, образующий кодон). Каждый кодон кодирует (шифрует) только одну аминокислоту. В последовательности кодагенов заключена (записана) первичная информация о последовательности аминокислот в белках. 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 рибонуклеиновой кислоте, 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.
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.
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 рибонуклеиновой кислоты. Транспортная РНК (тРНК) в основном содержится в цитоплазме клетки. 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 (Н3Р04) она превращается в АТФ и становится источником энергии. Именно связь между второй и треть
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 .
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).
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 липиды
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 липиды 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.
Химический состав клетки тесно связан с особенностями строения и функционирования этой элементарной и функциональной единицы живого. Как и в морфологическом отношении, наиболее общим и универсальным для клеток представителей всех царств является химический состав протопласта. Последний содержит около 80% воды, 10% органических веществ и 1% солей. Ведущую роль в образовании протопласта среди них имеют, прежде всего, белки , нуклеиновые кислоты , липиды и углеводы .
По составу химических элементов протопласт чрезвычайно сложен. В нем содержатся вещества как с небольшим молекулярным весом так, так и вещества с крупной молекулой. 80% веса протопласта составляют высоко молекулярные вещества и лишь 30% приходится на низкомолекулярные соединения. В то же время на каждую макромолекулу приходятся сотни, а на каждую крупную макромолекулы тысячи и десятки тысяч молекул.
В состав любой клетки входят более 60 элементов периодической таблицы Менделеева .
По частоте встречаемости элементы можно поделить на три группы:
Неорганические вещества имеют малый молекулярный вес, встречаются и синтезируются как в живой клетке, так и в неживой природе. В клетке эти вещества представлены главным образом водой и растворенной в ней солями.
Вода составляет около 70% клетки. Благодаря своему особому свойству поляризации молекул вода играет огромную роль в жизни клетки.
Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
Электрохимическая структура молекулы такова, что на кислороде имеется небольшой избыток отрицательного заряда, а на атомах водорода - положительного, то есть молекула воды имеет две части, которые притягивают другие молекулы воды разноименно заряженными частями. Это приводит к увеличению связи между молекулами, что в свою очередь определяет жидкое агрегатное состояние при температурах от 0 до 1000С, несмотря на относительно малый молекулярный вес. Вместе с тем, поляризованные молекулы воды обеспечивают лучшую растворимость солей.
Роль воды в клетке:
· Вода является средой клетки, в ней протекают все биохимические реакции.
· Вода осуществляет транспортную функцию.
· Вода является растворителем неорганических и некоторых органических веществ.
· Вода сама участвует в некоторых реакциях (например, фотолиз воды).
Соли находятся в клетке, как правило, в растворенном виде, то есть в виде анионов (отрицательно заряженных ионов) и катионов (положительно заряженных ионов).
Важнейшими анионами клетки являются гидроскид (ОН -), карбонат (СО 3 2-), гидрокарбонат (СО 3 -), фосфат (РО 4 3-), гидрофосфат (НРO 4 -), дигидрофосфат (Н 2 РO 4 -). Роль анионов огромна. Фосфат обеспечивает образование макроэргических связей (химических связей с большой энергией). Карбонаты обеспечивают буферные свойства цитоплазмы. Буферность - это способность поддерживать постоянной кислотность раствора.
К важнейшим катионам относятся протон (Н +), калий (К +), натрий (Nа +). Протон участвует во многих биохимических реакциях, а так же своей концентрацией определяет такую важную характеристику цитоплазмы как ее кислотность. Ионы калия и натрия обеспечивают такое важное свойство клеточной мембраны как проводимость электрического импульса.
Клетка является той элементарной структурой, в которой осуществляются все основные этапы биологического обмена веществ и содержатся все основные химические компоненты живой материи. 80% веса протопласта составляют высокомолекулярные вещества - белки, углеводы, липиды , нуклеиновые кислоты, АТФ. Органические вещества клетки представлены различными биохимическими полимерами, то есть такими молекулами, которые состоят из многочисленных повторений более простых, сходных по структуре участков (мономеров).
2. Органические вещества, их строение и роль в жизнедеятельности клетки.
Биология клетки в общих чертах известна каждому из школьной программы. Предлагаем вам вспомнить изученное когда-то, а также открыть для себя что-то новое о ней. Название "клетка" было предложено еще в 1665 году англичанином Р. Гуком. Однако лишь в 19 веке ее начали изучать систематически. Ученых заинтересовала, среди прочего, и роль клетки в организме. Они могут быть в составе множества различных органов и организмов (икринок, бактерий, нервов, эритроцитов) или же быть самостоятельными организмами (простейшими). Несмотря на все их многообразие, в функциях и строении их обнаруживается много общего.
Функции клетки
Все они различны по форме и зачастую по функциям. Могут отличаться довольно сильно и клетки тканей и органов одного организма. Однако биология клетки выделяет функции, которые присущи всем их разновидностям. Именно здесь всегда происходит синтез белков. Этот процесс контролируется Клетка, которая не синтезирует белки, в сущности мертва. Живая клетка - это та, компоненты которой все время меняются. Однако основные классы веществ при этом остаются неизменными.
Все процессы в клетке осуществляются с использованием энергии. Это питание, дыхание, размножение, обмен веществ. Поэтому живая клетка характеризуется тем, что в ней все время происходит энергетический обмен. Каждая из них обладает общим важнейшим свойством - способностью запасать энергию и тратить ее. Среди других функций можно отметить деление и раздражимость.
Все живые клетки могут реагировать на химические или физические изменения среды, окружающей их. Это свойство называется возбудимостью или раздражимостью. В клетках при возбуждении меняется скорость распада веществ и биосинтеза, температура, потребление кислорода. В таком состоянии они выполняют функции, свойственные им.
Строение клетки
Ее строение довольно сложно, хотя она считается самой простой формой жизни в такой науке, как биология. Клетки расположены в межклеточном веществе. Оно обеспечивает им дыхание, питание и механическую прочность. Ядро и цитоплазма - основные составные части каждой клетки. Каждая из них покрыта мембраной, строительный элемент для которой - молекула. Биология установила, что мембрана состоит из множества молекул. Они расположены в несколько слоев. Благодаря мембране вещества проникают избирательно. В цитоплазме находятся органоиды - мельчайшие структуры. Это эндоплазматическая сеть, митохондрии, рибосомы, клеточный центр, комплекс Гольджи, лизосомы. Вы лучше поймете, как выглядят клетки, изучив рисунки, представленные в этой статье.
Мембрана
Эндоплазматическая сеть
Этот органоид был назван так из-за того, что он находится в центральной части цитоплазмы (с греческого языка слово "эндон" переводится как "внутри"). ЭПС - очень разветвленная система пузырьков, трубочек, канальцев различной формы и величины. Они отграничены от мембранами.
Различаются два вида ЭПС. Первый - гранулярная, которая состоит из цистерн и канальцев, поверхность которых усеяна гранулами (зернышками). Второй вид ЭПС - агранулярная, то есть гладкая. Гранами являются рибосомы. Любопытно, что в основном гранулярная ЭПС наблюдается в клетках зародышей животных, тогда как у взрослых форм она обычно агранулярная. Как известно, рибосомы являются местом синтеза белка в цитоплазме. Исходя из этого, можно сделать предположение, что гранулярная ЭПС бывает преимущественно в клетках, где происходит активный синтез белка. Агранулярная сеть, как считается, представлена в основном в тех клетках, где протекает активный синтез липидов, то есть жиров и различных жироподобных веществ.
И тот и другой вид ЭПС не просто принимает участие в синтезе органических веществ. Здесь эти вещества накапливаются, а также транспортируются к необходимым местам. ЭПС также регулирует обмен веществ, который происходит между окружающей средой и клеткой.
Рибосомы
Митохондрии
К энергетическим органоидам относятся митохондрии (на фото выше) и хлоропласты. Митохондрии - это своеобразные энергетические станции каждой клетки. Именно в них извлекается энергия из питательных веществ. Митохондрии имеют изменчивую форму, однако чаще всего это гранулы или нити. Число и размеры их непостоянны. Это зависит от того, какова функциональная активность той или иной клетки.
Если рассмотреть электронную микрофотографию, можно заметить, что митохондрии имеют две мембраны: внутреннюю и наружную. Внутренняя образует выросты (кристы), устланные ферментами. Благодаря наличию крист общая поверхность митохондрий увеличивается. Это важно для того, чтобы деятельность ферментов протекала активно.
В митохондриях ученые обнаружили специфические рибосомы и ДНК. Это позволяет этим органоидам самостоятельно размножаться в процессе деления клетки.
Хлоропласты
Что касается хлоропластов, то по форме это диск или шар, имеющий двойную оболочку (внутреннюю и наружную). Внутри этого органоида также имеются рибосомы, ДНК и граны - особые мембранные образования, связанные как с внутренней мембраной, так и между собой. Хлорофилл находится именно в мембранах гран. Благодаря ему энергия солнечного света превращается в химическую энергию аденозинтрифосфат (АТФ). В хлоропластах она используется для синтеза углеводов (образуются из воды и углекислого газа).
Согласитесь, представленную выше информацию нужно знать не только для того, чтобы сдать тест по биологии. Клетка - это строительный материал, из которого состоит наш организм. Да и вся живая природа - сложная совокупность клеток. Как вы видите, в них выделяется множество составных частей. На первый взгляд может показаться, что изучить строение клетки - непростая задача. Однако если разобраться, эта тема не так уж и сложна. Ее необходимо знать, чтобы хорошо разбираться в такой науке, как биология. Состав клетки - одна из основополагающих ее тем.
