Химический состав клетки
По химическому составу растительные и животные клетки очень сходны, что свидетельствует о единстве их происхождения. В клетках живых организмов обнаружено около 90 элементов таблицы Д. И. Менделеева. По количеству присутствующего элемента они подразделяются на 3 группы: макроэлементы (кислород, углерод, водород, азот), их около 98%; микроэлементы (магний, натрий, железо, калий, сера и др.), их около 1,9%; ультрамикроэлементы (цинк, медь, фтор, бром и др.), их около 0,1%.
Все эти элементы образуют органические и неорганические вещества живого организма.
Неорганические вещества
К ним относятся минеральные вещества и вода.
Вода. Содержание воды в клетках колеблется от 40% до 95% и зависит от физиологической активности клетки. Эта вода может находиться в двух формах: а) связанная (4-5%), б) свободная (около 95%). Связанная вода образуется в результате формирования водородных связей воды с молекулами белка, когда вокруг белковых молекул образуются водные оболочки, препятствующие аггрегации белковых молекул. Свободная вода играет роль универсального растворителя – в ней растворяются соли, белки, углеводы.
По отношению к воде вещества делятся на гидрофильные или растворимые (минеральные соли, щелочи, кислоты, спирты, простые углеводы) и гидрофобные или нерастворимые (крахмал, целлюлоза, жиры).
Вода – активный участник химических реакций в клетке. Она необходима для удаления из клетки жидких продуктов обмена. Как физическое вещество, она обладает высокой теплоемкостью и теплопроводностью. Благодаря этому цитоплазма клеток и организм в целом предохраняются от перегревания. Кроме того, от количества воды в клетке зависит интенсивность обмена веществ в ней.
Минеральные соли поддерживают кислотно-щелочное равновесие цитоплазмы, тургор клеточных оболочек, влияют на возбудимость нервной и мышечной тканей, активируют ферменты. Соли калия, кальция и натрия влияют на проницаемость мембран клеток и на уровень воды в тканях, входят в состав опорной системы (костей, раковин моллюсков, наружного скелета членистоногих).
Органические вещества
Органические вещества клетки представлены белками, жирами, углеводами, нуклеиновыми кислотами и витаминами.
Белки – высокомолекулярные органические соединения, состоящие из аминокислот. Различают простые (альбумины, глобулины, гистоны) и сложные белки. Последние представляют собой соединения белка с углеводами (гликопротеиды), жирами (липопротеиды) и нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеиды). Структурными единицами белков являются аминокислоты. Каждая аминокислота состоит из углеводородного радикала и соединенных с ним карбоксильной группы (-СООН) и аминогруппы (-NH). Поэтому аминокислоты обладают одновременно кислотными и щелочными свойствами. С помощью пептидных связей (-СО-Н-) аминокислоты соединяются друг с другом в полипептидную цепочку, в результате чего освобождается вода. Соединение двух аминокислот – дипептид, трех – трипептид, многих – полипептид. Так из нескольких десятков аминокислот образуется белковая молекула. Она состоит из нескольких полипептидов. Белки разных организмов состоят из 21 аминокислоты и отличаются друг от друга их чередованием и частотой встречаемости в полипептидной цепи.
В зависимости от пространственной конфигурации полипептидных цепей различают первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры белковой молекулы. Первичная структура представляет собой последовательную цепочку аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Она специфична для каждого белка, определяет все его свойства и функции, кодируется генетической информацией ДНК. Вторичная структура обуславливается водородными связями, возникающими между двумя пептидными группами одной (спиральная конфигурация) или двух (складчатая конфигурация) полипептидных цепей. Вторичная структура характерна для фибриллярных белков. Третичная структура формируется вследствие превращения спиральных и неспиральных участков полипептидной цепи в трехмерные образования шаровидной формы (глобулы). Это происходит в результате возникновения между боковыми цепями аминокислот дисульфидных ионных и водородных связей, а также в результате гидрофобных взаимодействий. Четвертичная структура возникает при объединении нескольких отдельных белковых молекул в единую систему. Она характерна для регуляторных белков.
Структура белковой молекулы может нарушаться под влиянием различных химических и физических факторов. Этот процесс получил название денатурации. Чаще всего он обратим. При необратимой денатурации белки теряют свои свойства, в клетках прекращается обмен веществ, и клетка погибает.
Белки в клетке выполняют следующие функции: структурную, сократительную, ферментативную, сигнальную, защитную, транспортную, энергетическую.
Углеводы – органические соединения, в состав которых входят углерод, водород и кислород. Углеводы делятся на моносахариды, дисахариды и полисахариды. Моносахариды (простые сахара) состоят из трех и более атомов углерода (триозы, пентозы, гексозы). Примером могут служить глюкоза, фруктоза.
Дисахариды образуются из двух молекул моносахаридов с выделением молекулы воды (сахароза, лактоза).
Полисахариды синтезируются в результате полимеризации моносахаров также с выделением молекулы воды. К ним относятся крахмал, гликоген, целлюлоза.
Углеводы образуются в растениях в процессе фотосинтеза. В живых оpганизмах выполняют следующие функции: энергетическую, трофическую, структурную, опорную, для образования аминокислот и жирных кислот.
Жиры – это сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот (олеиновой, стеариновой и др.). Различают простые жиры или триглицерины и сложные, которые состоят из простых липидов, образующих комплексы с белками (липопротеиды), углеводами (гликолипиды), остатками фосфорной кислоты (фосфолипиды). Сложные жиры входят в состав клеточных мембран.
Функции жиров: энергетическая, защитная, теплоизоляционная, структурная, трофическая, источник эндогенной воды.
Нуклеиновые кислоты – органические соединения, хранящие (ДНК) и передающие (и-РНК) наследственную информацию. Различают следующие два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Мономером нуклеиновых кислот является нуклеотид, состоящий из одного азотистого основания (аденина-А, гуанина-Г, цитозина-Ц, тимина-Т, урацила-У), пятиатомного углевода (дезоксирибозы или рибозы) и остатка фосфорной кислоты. Название нуклеотида образуется из названия входящего в него азотистого основания: адениловый, гуаниловый, цитидиловый, тимидиловый, уридиловый нуклеотиды. Нуклеотиды соединяются между собой и образуют полинуклеотидную цепочку за счет ковалентных связей, возникающих между углеводами одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого.
Молекула ДНК (pис. 7) состоит из двух полинуклеотидных цепочек, закрученных в спираль. При этом азотистые основания каждой полинуклеотидной цепочки располагаются друг против друга по принципу комплементарности: А=Т, соединенные двумя водородными связями, и Г=Ц, соединенные тремя водородными связями.
ДНК локализуется в ядре клетки, где входит в состав хромосом в виде дезоксирибонуклеопротеида, а также содержится в матриксе митохондрий и пластид. ДНК обладает важнейшим свойством – редупликации (самоудвоения). Этот процесс происходит при подготовке клетки к делению (pис. 8). В основе синтеэа ДНК лежит принцип комплементарности.
При определенных условиях и наличии фермента ДНК-полимеразы молекулы ДНК начинают раскручиваться, что сопровождается разрывом водородных связей и освобождением азотистых оснований. В клетке всегда имеются свободные нуклеотиды, которые в строгом соответствии с принципом комплементарности начинают присоединяться к свободным основаниям. В результате из каждой молекулы материнской ДНК образуются две новые дочерние с тем же нуклеотидным свойством. Следовательно, каждая нить ДНК является матрицей, поэтому процесс ее удвоения называют матричным. Молекула РНК состоит из одной цепи нуклеотидов, и эта цепь также спирально закручена. Различают три вида РНК: транспортная – тРНК, информационная – иРНК, рибосомальная – рРНК. Они отличаются размерами молекул, структурой и функциями.
Информационная РНК составляет около 5% всей клеточной РНК. Существует иРНК в двух формах: предшественница или про-и-РНК (образуется на матричной ДНК) и зрелая иРНК (образуется при переходе про-и-РНК из ядра в цитоплазму за счет ее укорочения). Функция иРНК – перенос информации с ДНК на рибосомы, где эта информация реализуется при биосинтезе белка.
Транспортная РНК образуется в ядрышках, затем переходит в цитоплазму, где доставляет аминокислоты на рибосомы. Каждой аминокислоте соответствует своя тРНК. На долю т-РНК приходится около 10% от всей РНК клетки.
На долю рРНК в клетке приходится около 85% всей РНК. Она синтезируется в ядрышках, а затем соединяется с белками, обpазуя pибосомы. Ее функция: запускать и прекращать процесс присоединения аминокислот при биосинтезе белка.