Тема 2. Структура клітини та хімічний склад організмів

План

1. Поняття про цілісність організму людини.

2. Структура клітини.

3. Хімічний склад організму людини.

1. Поняття про цілісність організму людини

Доки людина жива, її організм функціонує як єдине ціле, постійно обмінюючись з навколишнім середовищем хімічними сполуками та енергією Тіло людини складається з клітин. Вони об'єднані в тканини, органи, системи, різні за складом і виконуваними функціями. Єдність организму як цілого забезпечується наявністю системи нейрогуморальної регуляції, яка складається з двох відділів: нервової системи і гуморальної.

Нервова система складається з особливим чином розташованих частин клітин - асконів і дендрітів, за допомогою яких нейрони поєднуються один з одним та з іншими клітинами, утворюючи синапс. Сигнали від рецепторів надходять до тіла нейрона і через синажпс передаються до центральної нервової системи і далі - до робочих органів.

Гуморальна регуляція забезпечується хімічними речовинами-гормонами, які виробляються залозами внутрішньої секреції і переносяться до різних відділів організму рідинами - кров'ю та лімфою. Гормони беруть участь у регуляції обміну речовин і енергії у тканинах і органах.

Функції обох відділів нейрогуморальної системи взаємопов'язані і забезпечують тонку регуляцію обміну речовин та процесів життєдіяльності в організмі.

Зв'язок організму з навколишнім середовищем через їжу здійснюється шлунково-кишковим трактом. У ньому здійснюється травлення складних харчових речовин, які перетворюються у форму, доступну для засвоєння. Цій системі належить важлива роль у виділенні незасвоєних залишків харчових речовин, отруйних продуктів, які утворилися з них і потрапили до організму в процесі виробничої діяльності, а також деяких продуктів обміну речовин, наприклад, холестерину, кальцію, заліза та інших. В одному з відділів шлунково-кишкового тракту - товстому кишечнику - синтезуються деякі вітаміни та незамінні амінокислоти.

Провідна роль у виділенні з організму продуктів обміну речовин належить органам виділення: ниркам і сечовому міхуру, легеням, шкірі.

Транспорт усіх поживних речовин, а також кисню і продуктів метаболізму, здійснюють рідкі середовища організму - кров і лімфа їхній постійний рух по судинам забезпечується серцем.

Всі клітини організму на 99% складаються з водню, кисню, вуглецю і азоту. Вони з'єднанні між собою та з іншими елементами, синтезуючи білки жири, вуглеводи і похідні цих речовин.

Високомолекулярні органічні речовини в живих організмах побудовані з сполук більш простих, невеликих - "будівельних блоків", які утворюють макромолекули білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів та ліпідів.

Різноманітність хімічних сполук в організмі зумовлено властивостями складових його елементів. Вуглець у більшій мірі, ніж інші елементи, здатен утворювати стабільні молекули різних конфігурацій і розмірів із безліччю функціональних груп. Різні сполучення речовин утворюють структурну основу клітин. Основними хімічними елементами, що входять до складу живого організму, є так звані органогени: вуглець, кисень, водень, азот.

Постачання організму пластичними й енергетичними ресурсами, необхідними для обміну речовин і процесів життєдіяльності, забезпечується їжею. Вона повинна містити такі компоненти, як: біологічно цінні білки, ліпіди, вуглеводи, вітаміни, мінеральні речовини та воду.

2.Структура клітини

Живий організм, як одноклітинний так і багатоклітинний можна уподібнити до комбінату, на якому виробляються різні хімічні продукти й енергія, що призводить до руху все виробництво. Крім того, такий комбінат, на відміну від звичайних, може відтворювати себе. Пам'ятаючи про складність виробничих проблем, можна уявити, що всі операції, які здійснюються на комбінаті, не можна вести, як заманеться, без належної організації, без поділу на цехи, відділи, бригади та інше. Отже, щоб у живому організмі всі процеси протікали узгоджено, необхідна відповідна організація всіх його структур. Розвиток і вдосконалення мікроскопічної техніки дозволили прийти до висновку, що точно так, як різні хімічні сполуки складаються з атомів, так і живі організми складаються з клітин. Клітина - основна одиниця живої матерії, своєрідний атом біологічних сполук.

Клітини рослин, тварин і людини, подібно до атомів, також схожі між собою. Кожна клітина містить у середині щільне утворення, яке називається ядром, що плаває в "напіврідкій" цитоплазмі. Все разом міститься в клітинній мембрані. Клітина складається з багатьох елементів, сукупність яких має певне значення не тільки для даної клітини, але й всього організму в цілому. Якщо яким-небудь способом порушити організацію клітини, то порушується і її функція, а клітина як організована одиниця втрачає свої властивості й гине. Таким чином, клітина є основною структурною і функціональною одиницею живого організму.

Вміст клітини являє собою дуже складну систему різноманітних компонентів. Схема будови клітини, одержана в результаті спостережень на електронному мікроскопі, наведено на рис 1.

Рис 1 Схема будови клітини

1 – мітохонрії

2 – лізосмома

3 – рибосоми 4 – мембрана

5 – хлоропласт

6 – ядро

7 – мембрана ядра

8 – ядерце

9 – ендоплазматичний ретикул

10 – аппарат Гольджи

8

Внутрішнє середовище клітини відрізняється від зовнішнього. Ця різниця підтримується протягом усього життя за допомогою клітинної мембрани, основна функція якої полягає в регуляції обміну речовин між клітиною і навколишнім середовищем. Усі мембрани клітини мають вибіркову проникність (напівпроникність). Рослинні клітини мають товсту захисну клітинну стінку (оболонку), яка покриває зовні плазматичну мембрану.

Цитоплазматична мембрана не лише являє собою бар'єр між клітиною і зовнішнім середовищем, але й забезпечує сталість внутрішнього складу клітини. Поряд з цим мембрана містить у собі специфічні рецептори для зовнішніх збудників, характерні для даного типу клітини антигени, специфічні білки і ферменти, які сприяють транспорту іонів і метаболітів через цитоплазматичну мембрану. Завдяки вп'ячуванню цитоплазматична мембрана може утворювати єдине ціле з протяжними каналами, які вводять навколишнє середовище далеко в середину клітини і беруть участь у формуванні простору між внутрішньою та зовнішньою мембранами ядра. Практично всі мембранні структури клітини мають загальні фізичні властивості.

1 3

Рис 2. Схема поперечного розрізу

через елементарну мембрану

1 – молекула білка

2 – молекула фосфоліпіду

4 3 – зовнішньоклітинне

─ середовище

4 – бімолекулярний ліпідний шар

5 – внутрішньоклітинне

середовище

Як показано на рис. 2 - узагальнена модель плазмотичної мембрани являє собою двошарову структуру товщиною 6-Ю мкм. Основними компонентами мембрани є білки і ліпіди (знаходяться звичайно у відношенні 1:1). Модель пояснює розташування ліпідів і білків. Ліпіди розташовані у вигляді бімолекулярного шару, при цьому іони та полярні (гідрофільні) голівки фосфогліцеридів утворюють зовнішні шари, що знаходяться у контакті з водою, а гідрофобна частина молекули ліпідів утворює внутрішній шар.

Молекули глобулярних білків мембрани мають полярну і неполярну області Неполярні частини білка занурені в гідрофобний ліпідний компонент мембрани, а полярна, яка знаходиться в контакті з водною фазою, виступає з мембрани назовні.

Цитоплазма являє собою внутрішнє середовище клітини, вона зумовлює колоїдні властивості, які лежать в основі таких процесів, як зміна в'язкості, еластичності, скорочення, поділу клітини та інших. У процесі еволюції в цитоплазмі з'являються внутрішньоклітинні мембрани, що розділяють її на безліч відсіків. Ядро, мітохондрії, рибосоми, хлоропласти, вакуолі, лізосоми та інші спеціалізовані клітинні структури є відокремленими від цитоплазми мембраною. Усю цитоплазму пронизують мембрани ендоплазматичної мережі, яка виконує безліч функцій транспортну, секреторну, регуляторну, механічну та інші. На мембранах знаходяться рибосоми - нуклеопротеїдні частинки, на яких відбувається синтез білка.

Вакуолі - порожнини, що наповнені цитоплазмою у якій міститься багато розчинених речовин, і відокремленні від решти цитоплазми вауколярною мембраною. Однією з головних функцій вакуолей є регулювання внутрішньоклітинного тиску.

Лізосоми (від грец. лізіс - розчиняю і сомо - тіло) - являють собою обмежені мембраною тільця, які містять у собі різноманітні гідролітичні ферменти. Знаходячись в середині лізосоми, ферменти роз'єднані з субстратами - головними хімічними компонентами клітини. В умираючих і пошкоджених клітинах мембрани лізосом розриваються. При цьому звільняються гідролази і перетравлюють усю клітину або її частину.

Мітохондрії (від грец метос - нитка і хондри - гранула) - тільця обмежені подвійною мембраною їх головна функція - добувати енергію, що знаходиться в органічних речовинах (цикл Кребса - дихальний ланцюг) і накопичувати її в фосфатичних зв'язках АТФ. АТФ необхідна для здійснення усіляких процесів життєдіяльності Рослинні клітини мають пластиди - невеликі гранули з подвійною мембраною, в яких здійснюється синтез і накопичення органічних речовин. До них належать хлоропласти, в яких міститься зелений пігмент - хлорофіл. Хлорофіл здатний перетворювати енергію сонячного світла на хімічну, яка запасається у вигляді хімічних зв'язків різних харчових речовин, що утворюються в процесі фотосинтезу.

Пластиди другого виду - це безбарвні лейкопласти, в яких накопичується крохмаль та інші речовини. Третій вид пластид -хромопласти - містять у собі різні пігменти, що зумовлюють забарвлення плодів, овочів, квітів.

Головною внутрішньоклітинною органелою є ядро з ядерцем. Клітинне ядро відокремлене від цитоплазми, яка його оточує, подвійною мембраною, сполученою з ендоплазматичною мережею. Ядро - це скарбничий генетичної інформації (спадкові ознаки), воно контролює всі метаболічні активності клітини. Ядерце відповідає за синтез на рибосомах. Відомості що до структурної організації клітини дозволяють зрозуміти, що структуризація забезпечує різноманітні, найбільш сприятливі умови для біохімічних реакцій, які протікають цієї миті в цьому місці клітини. Структурна організація дає змогу роз'єднувати ферментативні процеси в різних частинах клітини і водночас протікати великій кількості реакцій.

2. Хімічний склад організму людини

Із 105-ти елементів періодичної системи Д.І.Менделєєва у складі клітини виявлено близько 60-ти. Хімічні компоненти клітини можна розділити на неорганічні (вода і мінеральні солі) і органічні (білки жири. вуглеводи, нуклеїнові кислоти, вітаміни, тощо) Відносний вміст окремих груп речовин у тілі людини (в процентах):

Вода - 58 %

Білки - 20%

Жири - 15 %

Вуглеводи - 1%

Нуклеїнові кислоти - 1 %

Мінеральні речовини - 1 %

Людина задовольняє свою потребу у поживних речовинах за рахунок харчових продуктів, які різняться за вмістом тих чи інших органічних і неорганічних речовин. Наприклад, молоко та яйця містять майже всі необхідні людині речовини; овочі, картопля, крупи - багато вуглеводів та вітамінів; м'ясо, риба, сири, бобові та борошняні вироби - білки; фрукти та ягоди - баластні та солодкі вуглеводи, органічні кислоти та вітаміни. Тому для повноцінного харчування їжа повинна бути різноманітною.

За невеликим винятком (кістки, емаль зубів), вода є переважним компонентом клітини. Вона служить природним розчинником для багатьох речовин, а також дисперсійним середовищем, якому належить значна роль у колоїдній системі цитоплазми. Всі хімічні процеси організму відбуваються виключно у водному середовищі, а в багатьох реакціях вода бере безпосередню участь. Вода використовується і для виведення речовин із організму Тому значення води для організму дуже велике. Без їжі людина може витримати 30-40 діб, а без води - лише 4-7 діб. Штучне вилучення 20 % всієї кількості води, що є в організмі, призводить до зупинення життєвих функцій.

Мінеральні речовини. Вода та солі мінеральних речовин становлять близько 2/3 усієї маси тіла людини. В організмі людини більша частина мінеральних речовин приходиться на долю кісток, до складу яких входить переважно нерозчинний у воді фосфорнокислий Са. Рідини тіл людини - це розчини електролитів, яким належить важлива роль у підтримці осмотичного тиску кислотно-лужної рівноваги організму. Переважаючими катіонами при цьому є N⁺ і К⁺, а аніонами - хлор (СІ^--) та бікарбонат (НСО₃^--). Нормальна життєдіяльність організму (дихання, обмін речовин, кровотворення, робота нервової системи та інше) можлива тільки при відносно постійному сольовому складі тіла. Мінеральні речовини умовно ділять на 2 групи: мікро- і макроелементи. Макроелементи (К, Na, Са, Mg, Р, СІ₂, Fе та інші) містяться у достатньо великій кількості, а мікроелементи (Сu, Мn, Zn, Со, I₂ та інші) містяться в організмі в незначній кількості, але дуже важливі для протікання багатьох біохімічних процесів (бо входять до складу ферментів та гормонів).

Органічні сполуки (макромолекули). Живим організмам властиві речовини з великими розмірами молекул, які завдяки саме цьому набувають особливих для живої матерії якостей. Вивчення макромолекул тісно поєднане з наукою про життя. Так, з гігантськими природними молекулами - білками, нуклеїновими кислотами, полісахаридами - пов'язані всі життєво важливі процеси і саме виникнення життя. В чому ж полягає принципова відміна макромолекул від малих молекул?

Перш за все суміш з малих молекул немає тих гнучкості і рухливості, які необхідні для життєдіяльності. Відміни між організмами і мінливість самого організму в різні періоди часу визначаються властивостями макромолекул

Наприклад, кров людини містить білки альбуміни, властивості яких інші не тільки в кожної людини, але й в однієї людини протягом життя Макромолекули можуть "записати" інформацію про структуру одного поліпептиду і передати її у спадок. І в цьому, наприклад, полягає хімічний механізм процесу самовідтворення. Специфічність інформації полягає в послідовності розташування мономерів у ланцюзі полімера. Кожна жива істота потребує для своєї життєдіяльності енергії. Людина і тварина черпають її з їжі. І тільки крупні молекули мають великі запаси енергії і здатні перетворювати хімічну енергію на механічну. І навпаки. Малі ж молекули не володіють переліченими властивостями.