6)Клетка как открытая система: Потоки вещества, энергии и информации в клетке.

Клетка — открытая система, поскольку ее существование возможно только в условиях постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой. Жизнедеятельность клетки обеспечивается процессами, образующими три потока: информации, энергии веществ.

Благодаря наличию потока информации клетка приобретает структуру, отвечающую критериям живого, поддерживает ее во времени, передает в ряду поколений. В этом потоке участвуют ядро, макро молекулы, переносящие информацию в цитоплазму (мРНК), цитоплазматический аппарат транскрипции (рибосомы и полисомы, тРНК, ферменты активации аминокислот). Позже полипептиды, синтезированные на полисомах, приобретают третичную и четвертичную структуру, и используется в качестве катализаторов или структурных белков. Также функционируют геномы митохондрий, а в зеленых растениях — и хлоропластов.

Поток энергии обеспечивается механизмами энергообеспечения — брожением, фото — или хемосинтезом, дыханием. Дыхательный обмен включает реакции расщепления низкокалорийного органического «топлива» в виде глюкозы, жирных кислот, аминокислот, использование выделяемой энергии для образования высококалорийного клеточного «топлива» в виде аденозинтрифосфата (АТФ). Энергия АТФ в разнообразных процессах преобразуется в тот или иной вид работы — химическую (синтезы), осмотическую (поддержание перепадов концентрации веществ), электрическую, механическую, регуляторную. Анаэробный гликолиз — процесс бескилородного расщепления глюкозы. Фотосинтез — механизм преобразования энергии солнечного света в энергию химических связей органических веществ.

Дыхательный обмен одновременно составляет ведущее звено потока веществ, объединяющего метаболические пути расщепления и образования углеводов, белков, жиров, нуклеиновых кислот.

Биологически активные вещества — гормоны, ферменты, адреналин, серотонин и т. д.

7) Элементарный химический состав живого. Вода и низкомолекулярные соединения.

Клеточное вещество является сложным полифазным коллоидом, т. е. представляет собой систему из 2х несмешивающихся фаз.

В элементарном составе клетки насчитывается более 80 элементов. Их делят на 3 группы:

• Макроэлементы – содержание которых в клетках составляет до 10^-3 % (кислород, углерод, водород, азот, фосфор, сера, кальций, натрий и магний); на их долю приходится свыше 99% массы клеток.

• Микроэлементы – содержание которых колеблется от 10^-3% до 10^-6% (железо, марганец, медь, цинк, кобальт, никель, иод, фтор); на их долю приходится менее 1 % массы клеток.

• Ультрамикроэлементы – содержание которых составляет менее 10^-6% (золото, серебро, уран, цезий, бром, ванадий, селен); на их долю приходится менее 0,01% массы клетки.

Все перечисленные элементы входят в состав неорганических и органических веществ или содержатся в виде ионов. Важными являются катионы калия, натрия, кальция, магния; анионы дигидрофосфата, хлора и гидрокарбоната.

Неорганическими соединениями клетки являются вода и минеральные соли.

Вода составляет около 70% массы клетки. У отдельных организмов (медуз) её содержание составляет 95%. В теле человека вода составляет 60%, из которой 40 % приходится на внутриклеточную воду.

Функции воды:

1. связанная вода (4-5%) образует водные (сольватные) оболочки вокруг молекул белков, препятствуя склеиванию их друг с другом;

2. свободная вода является универсальным растворителем и способствует трунспорту растворенных в ней веществ;

3. вода принимает непосредственное участие в реакциях гидролиза;

4. вода регулирует тепловой режим и осмотическое давление в клетках.

Минеральные соли и хим элементы в определенных концентрациях необходимы для нормальной жизнедеятельности клеток. Например, азот и сера входят в состав молекул белков, фосфор – в ДНК, РНК и АТФ, магний – во многие ферменты и хлорофилл, железо – в гемоглобин, цинк – в гормон поджелудочной железы (инсулин), иод – в гормоны щитовидной железы и т.д. Нерастворимые соли кальция и фосфора обеспечивают прочность костной ткани, катионы натрия, калия и кальция – раздражимость клеток. Ионы кальция принимают участие в свертывании крови.

Органические низкомолекулярные соединения – это аминокислоты, липиды, органические кислоты, витамины, коферменты (производные витаминов, обусловливающие активность ферментов) и другие.

Белки составляют 10-18 % от общей массы клетки. Белки – это биополимеры, мономерами которых являются 20 аминокислот. Каждая аминокислота состоит из углеводородного радикала, соединенного с карбоксильной группой, имеющей кислотные свойства, и аминогруппой, обладающей основными свойствами. При соединении их в цепочки образуются прочные ковалентные связи между углеродом кислотной и азотом основной групп, с выделением молекулы воды. Первичная структура – последовательность соединения аминокислот в молекулу. Вторичная структура – закрученная в спираль последовательность аминокислот. Третичная структура – представлена глобулой, которая образуется путем многократного сворачивания спирали. Третичная структура соединена за счет дисульфидных связей. Четвертичная структура – несколько глобулярных белковых структур. Соединены за счет связей железа.

Органические кислоты — органические вещества, проявляющие кислотные свойства. К ним относятся карбоновые кислоты, содержащие карбоксильную группу -COOH, сульфоновые кислоты, содержащие сульфогруппу -SO3H и некоторые другие. Самыми известными органическими кислотами являются уксусная, муравьиная, лимонная и молочная.

Витами́ны (от лат. vita -«жизнь») — группа низкомолекулярных органических соединений относительно простого строения и разнообразной химической природы. Это сборная по химической природе группа органических веществ, объединённая по признаку абсолютной необходимости их для гетеротрофного организма в качестве составной части пищи. Витамины содержатся в пище в очень малых количествах, и поэтому относятся к микронутриентам. Витамины участвуют во множестве биохимических реакций, выполняя каталитическую функцию в составе активных центров большого количества разнообразных ферментов либо выступая информационными регуляторными посредниками, выполняя сигнальные функции экзогенных прогормонов и гормонов.

Витамины не являются для организма поставщиком энергии и не имеют существенного пластического значения. Однако витаминам отводится важнейшая роль в обмене веществ.

Концентрация витаминов в тканях и суточная потребность в них невелики, но при недостаточном поступлении витаминов в организм наступают характерные и опасные патологические изменения.

Большинство витаминов не синтезируются в организме человека. Поэтому они должны регулярно и в достаточном количестве поступать в организм с пищей или в виде витаминно-минеральных комплексов и пищевых добавок. Исключения составляют витамин К, достаточное количество которого в норме синтезируется в толстом кишечнике человека за счёт деятельности бактерий, и витамин В3, синтезируемый бактериями кишечника из аминокислоты триптофана.

С нарушением поступления витаминов в организм связаны 3 принципиальных патологических состояния: недостаток витамина — гиповитаминоз, отсутствие витамина — авитаминоз, и избыток витамина — гипервитаминоз.

Известно около полутора десятков витаминов. Исходя из растворимости, витамины делят на жирорастворимые — A, D, E, F, K и водорастворимые — все остальные(B, C и др.). Жирорастворимые витамины накапливаются в организме, причём их депо являются жировая ткань и печень. Водорастворимые витамины в существенных количествах не депонируются (не накапливаются), и при избытке выводятся с водой. Это объясняет то, что гиповитаминозы довольно часто встречаются относительно водорастворимых витаминов, а гипервитаминозы — чаще наблюдаются относительно жирорастворимых витаминов.

Витамины отличаются от других органических пищевых веществ тем, что не включаются в структуру тканей и не используются организмом в качестве источника энергии (не обладают калорийностью).

Коферменты, или коэнзимы — малые молекулы небелковой природы, специфически соединяющиеся с соответствующими белками, называемыми апоферментами, и играющие роль активного центра или простетической группымолекулы фермента.

Комплекс кофермента и апофермента образует целостную, биологически активную молекулу фермента, называемую холоферментом

Роль коферментов нередко играют витамины или их метаболиты (чаще всего — фосфорилированные формы витаминов группы B). Например, коферментом фермента карбоксилазы является тиаминпирофосфат, коферментом многих аминотрансфераз — пиридоксаль-6-фосфат.

В металлоферментах роль, аналогичную роли коферментов, могут исполнять катионы металлов, однако коферментами их обычно не называют.