Неорганические и органические вещества клетки

Задумайтесь! Мы с вами состоит из миллиардов атомов. Все атомы находятся в круговороте, и все атомы, которыми мы обладаем, в ком-то и где-то находились те 4,5 млрд. лет, которые существует Земля. Они были частями животных, растений, грибов и бактерий - а сейчас принадлежат нам на короткое время.

Круговорот атомов

С химической точки зрения ответ на вопрос "Жив ли изучаемый объект?" - не представляется возможным. Понятию "жизнь" дано колоссальное количество определений. Жизнь - это самовоспроизведение с изменением, способ существования белковых тел, постоянный обмен веществ с внешней средой.

Мы приступаем к изучению неорганических и органических веществ клетки. Начнем с неотъемлемого компонента клетки, благодаря которому жизнь на Земле в принципе стала возможна - вода.

Вода

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

Вода полярная молекула

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

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

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

Роль воды в клетке трудно переоценить. Ее функции и свойства крайне важны:

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

  • Вода - терморегулятор
  • Вода может поглощать теплоту при минимальном изменении температуры. Это настоящее "спасение" для клеток: чуть только температура меняется, вода начинает поглощать избыток тепла, защищая клетку от перегревания. Выделяясь на поверхность кожи с потом, вода испаряется, поверхность кожи при этом охлаждается.

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

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

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

    Осмотическое давление - избыточное гидростатическое давление на раствор, отделенный от чистого растворителя с помощью полупроницаемой мембраны.

    Главное - понимать суть: если мы поместим живую клетку в гипертонический раствор, то вода (растворитель) устремится из клетки в раствор (в сторону большей концентрации соли) - это приведет к сморщиванию клеток.

    Если же клетка окажется в гипотоническом растворе, то вода извне устремится внутрь клетки (опять-таки в сторону большей концентрации солей), приводя при этом к разбуханию (и возможному разрыву) клетки.

    Эритроциты в гипер- и гипотоническом растворе

Элементы

Живая клетка - кладезь элементов таблицы Менделеева. Процент содержания различных элементов отличается, в связи с чем все они делятся на 3 группы:

  • Биогенные (основные) - C, H, O, N. Входят в состав органических соединений, составляют основную часть клетки
  • Макроэлементы (греч. makrós - большой) - составляют десятые и сотые доли в клетке: K, Na, Ca, Mg, Cl, P, S, Fe
  • Микроэлементы (греч. mikrós - маленький) - составляют тысячные доли в клетке: Zn, Cu, I, Co, Mn

Процентное содержание элемента не коррелирует с его важностью и биологической значимостью. Так, к примеру, микроэлемент I играет важную роль в синтезе гормонов щитовидной железы: тироксина, трийодтиронина. За нормальные рост и развитие организмов отвечают Zn, Mn, Cu.

Благоприятно влияют на сперматозоиды Zn, Ca, Mg, защищая их от оксидативного стресса (окисления). Невозможным становится нормальное образование эритроцитов без должного уровня Fe и Cu.

Микроэлементы
Соли

В водной среде клетки соли диссоциируют (распадаются) на положительно заряженные ионы - катионы (Na+, K+, Ca2+, Mg2+) и отрицательно заряженные - анионы (Cl-, SO42-, HPO42-, H2PO4-).

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

Натрий-калиевый насос

Соли в клетке и организме выполняют ряд важных функций:

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

Функции солей в клетке

Мы переходим к органическим компонентам клетки, к которым относятся: жиры, углеводы, белки и нуклеиновые кислоты.

Белки, или пептиды (греч. πεπτος - питательный)

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

Образование пептидной связи

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

Выделяется несколько уровней пространственной организации белка:

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

Структуры белка

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

Осмелюсь сделать заявление: вы часто начинаете свой день с денатурации белка. Простейший способ провести такой эксперимент - пожарить яичницу. Заметьте, что изначально яичный белок прозрачный и текучий, но по итогу жарки эти свойства утрачиваются: он становится непрозрачным и вязким.

Денатурация белка

Завершаем тему о белках изучением их функций:

  • Каталитическая (греч. katalysis - разрушение)
  • Белки - природные катализаторы, ускоряющие реакции в организме в десятки и сотни тысяч раз. Эту роль главным образом выполняют белки-ферменты (энзимы).

    Иногда в состав белков входят так называемые ко-факторы - небелковые соединения, которые необходимы ферменту для его биологической активности (в роли ко-факторов могут выступать Zn2+, Mg2+).

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

  • Регуляторная
  • Некоторые гормоны, регулирующие обменные процессы в организме, имеют белковое происхождение: инсулин, глюкагон, адренокортикотропный гормон (АКТГ).

  • Защитная
  • Говоря об этой функции, прежде всего, стоит вспомнить об антителах - иммуноглобулинах, которые синтезируют B-лимфоциты. Антитела нейтрализуют чужеродные организму антигены (разрушают бактерии).

    Антитела иммуноглобулины

    Помимо антител, защитную функцию выполняют также белки свертывающей системы крови (тромбин и фибриноген): они предохраняют организм от кровопотери.

    Фибриноген и фибрин
  • Энергетическая
  • При недостаточном питании в организме начинают окисляться молекулы белков. При расщеплении 1 г белков выделяется 17,6 кДж энергии.

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

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

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

Жиры, или липиды (греч. lipos - жир)

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

Почему именно мыло смывает жир с рук? Дело в том, что молекула мыла повторяет свойства жира: одна часть ее гидрофобна, а другая гидрофильна. Мыло соединяется с молекулой жира гидрофобной частью, и вместе они легко смываются водой.

Моющее действие мыла

Приступим к изучению функций жиров:

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

  • Запасающая
  • Жиры имеют способность накапливаться в клетках, расположенных в подкожно-жировой клетчатке, внутренних органах. Эти запасы являются резервом организма на случай голодания или при недостаточном питании.

    В жирах также запасается вода: в 100 г жира содержится 107 мл воды. Многим пустынным животным (верблюдам) жировые запасы помогают длительное время обходиться без воды.

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

    Так, к примеру, холестерин - обязательный компонент мембраны, придает ей определенную жесткость и совершенно необходим для нормальной жизнедеятельности (заболевания возникают только при нарушении липидного обмена).

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

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

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

    Рахит

Углеводы

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

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

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

    Олигосахариды
  • Полисахариды
  • Это биополимеры, в состав которых входят сотни тысяч моносахаридов. Они обладают высокой молекулярной массой, нерастворимы в воде, на вкус несладкие.

    Крахмал, целлюлоза, гликоген, хитин и муреин - все это биополимеры. Давайте вспомним, где они находятся.

    Клеточная стенка образована: у растений - целлюлозой, у грибов - хитином, у бактерий - муреином. Запасным питательным веществом растений является крахмал, животных - гликоген.

Целлюлоза

Перечислим функции, которые выполняют углеводы:

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

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

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

    Гликоген

    Существуют заболевания, при которых распад гликогена нарушается: в результате нейроны не получают глюкозы (источника энергии, соответственно не синтезируются и молекулы АТФ). Из-за этого становятся возможны частые потери сознания.

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

Классификация углеводов
Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus — ядро)

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

  • Азотистое основание
  • Для ДНК характерны следующие азотистые основания: аденин - тимин, гуанин - цитозин; для РНК: аденин - урацил, гуанин - цитозин. Исходя из принципа комплементарности, данные основания соответствуют друг другу, в результате чего между ними образуются связи.

    Между аденином и тимином образуется 2 водородные связи, а между гуанином и цитозином - 3.

    Азотистые основания

    Именно по этой причине количество аденина в молекуле ДНК всегда совпадает с количеством тимина. К примеру, если в ДНК 20% аденина, то с уверенностью можно сказать, что в ней 20% тимина. Выходит на оставшиеся основания - цитозин и гуанин - остается 60%, значит, цитозин и гуанин составляют в ДНК 30% каждый. Таким нехитрым образом, зная процент содержания одного основания, можно подсчитать все остальные.

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

  • Остаток фосфорной кислоты - фосфат
  • Строение ДНК

Мы подробно изучили структуру ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) - двойной правозакрученной спиральной молекулы. Теперь настало время детально поговорить об РНК (рибонуклеиновой кислоте). Все виды РНК синтезируются на матрице - ДНК, различают три вида РНК:

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

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

    Комплементарность ДНК и РНК
  • Транспортная РНК (тРНК)
  • Обеспечивает транспорт аминокислоты к рибосоме во время синтеза белка. Благодаря этому становится возможным соединение аминокислот друг с другом, образуется белок. тРНК имеет характерную форму клеверного листа.

    тРНК