Глава 2. Физико-химические свойства и морфология клетки химический состав и физико-химические свойства протоплазмы

Элементарный состав протоплазмы. Протоплазма — содержи­мое живой клетки, включая ее ядро и цитоплазму. В ее состав входят практически все химические элементы, но распростране­ние их не совпадает с распространением в неживой природе. В земной коре больше всего О, Si, Al, Na, Са, Fe, Mg, Р (99 %). Основными элементами любой структуры живого вещества явля­ются С, О, N и Н. Имеют немаловажное значение S, Р, К, Са, Na, CI, Fe, Си, Mn, Zn, I, F. В организме данные элементы распрост­ранены неравномерно: например, в костях много Са и Р, в щи­товидной железе — I. В зависимости от количества их делят на макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы. Мик­ро- и ультрамикроэлементы необходимы для жизни и деятельно­сти клетки, как и макроэлементы, хотя и действуют в ничтожно малых количествах (10^-8—10~¹²%). Как правило, микроэлементы входят в состав биологически активных веществ — гормонов, ви­таминов, ферментов, определяя их специфическую активность. Конечно, не все элементы имеются в каждой клетке. Клетки от­личаются как количеством, так и составом элементов, что во мно­гом определяет особенности их структуры и характер функцио­нирования.

Вещества, входящие в состав протоплазмы. Знание элемен­тарного состава протоплазмы не объясняет нам тайн живого. Почему химические элементы, войдя в состав живого вещества, приобретают способность участвовать в сложнейших биологиче­ских процессах? Дело в том, что в протоплазме химические эле­менты образуют сложные высокомолекулярные вещества, кото­рые строго упорядоченно взаимодействуют между собой. Изучая свойства и характер взаимодействия этих веществ, то есть позна­вая структурную организацию протоплазмы, мы подходим к рас­крытию тайн живого, тайн жизни.

В клетках химические элементы находятся в виде органиче­ских и неорганических веществ. Многие органические вещества протоплазмы — полимеры — это гигантские молекулы, состоящие из мономеров. Полимеры совмещают в себе свойства устойчиво­сти и изменчивости, благодаря чему на их основе возможна структурная организация клетки и пространственная организа­ция химических реакций, протекающих в клетке. Приблизитель­ный состав протоплазмы известен. Ее вещества имеют следую­щие средние молекулярные веса: белки — 35000, липиды— 1000, углеводы — 200, вода— 18. 70—80% сырой массы протоплазмы составляет вода, 10—20% белки, 2—3% липиды, 1—1,5% углево­ды и другие органические вещества. На одну белковую молекулу приходится в среднем 18 000 молекул воды, 100 молекул других неорганических веществ, 10 молекул липидов, 20 молекул других органических веществ. Важнейшими органическими веществами считаются белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы.

Белки по химическому составу являются соединения­ми С (около 50%), О (около 25%), N (16%), Н (до 8%), S (0,3—2,5%). В состав белков в небольшом количестве входят и другие макро- и микроэлементы. Белки — это полимеры, со­стоящие из мономеров — аминокислот. Аминокислоты в белках объединены между собой пептидными связями (—СО—NH—) — связями между карбоксильной группой одной и аминной группой другой молекулы. Пептидные связи образуют первичную струк­туру белков, в них аминокислотные остатки соединены ковалентными силами. Для каждого белка характерно определенное ко­личество аминокислот, их состав и последовательность располо­жения в молекуле. Возможные комбинации из 20 известных ами­нокислот составляют астрономическое число— 10¹⁸. Длинные це­пи белковых молекул под действием водородных связей скручи­ваются в спиральные структуры — это вторичная структура бел­ка. Третичная структура белка поддерживается гидрофобными, электростатическими или дисульфидными связями и придает бел­ку специфическую форму. Объединение нескольких молекул бел­ка в одну макромолекулу фибриллярной (нитчатой) или глобу­лярной (шаровидной) формы — это четвертичная структура белка.

Все белки амфотерны, так как содержат как кислые (карбок­сил— СООН), так и основные (аминные — NH₂) группы. В свя­зи с этим характер белка и его свойства могут меняться в зави­симости от рН среды. Если белок состоит только из аминокислот, его называют простым или протеином (молочный, яичный, сыво­роточный, альбумины, глобулины, фибриноген, миозин и др.), а если белок кроме аминокислотных остатков включает z себя другие небелковые вещества (так называемую простетическую группу) — сложным белком или протеидом. В зависимости от природы небелковой части различают: 1) нуклеопротеиды комплексы белков с нуклеиновыми кислотами, особо важная для клетки группа; 2) гликопротеиды — комплексы белков с углево­дами (муцин, различные мукоиды, цикозамины, гликозаминогли-каны); 3) фосфопротеиды—соединения белка с фосфорной кисло­той (казеиноген молока, вителлин яйца и др.); 4) липопротеиды — комплексы белков с липидами (все мембранные структуры клетки); 5) хромопротеиды — соединения простого белка с тем или иным окрашенным соединением небелкового характера, иногда содержащие металл — Fe или Сu (гемоглобин, миогло-бин, некоторые ферменты — каталаза, пероксидаза и др.).

Белки выполняют многочисленные функции: они входят в со­став всех мембранных структур клетки (пластическая функция); обладают каталитическими способностями (все ферменты явля­ются белками); в экстренных случаях используются как источ­ник энергии (глюконеогенез); им присущи защитные свойства (иммунные белки); являются акцепторами и переносчиками кис­лорода в процессе дыхания (гемоглобин, миоглобин); образуют структуры, осуществляющие движение клетки и ее частей, орга­на, организма (актин, миозин, тубулин).

Нуклеиновые кислоты — дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК) — полимеры с молекулярным весом 10⁴—10⁷. Это чрезвычайно важные соединения. Функциями ДНК являются хранение и передача наследственной информации и регуляция синтеза белка, а РНК—синтез белка. Их мономе­ры — нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из сахара (пентозы), к которому с одного конца присоединяются азотистое осно­вание (пуриновое или пиримидиновое), а с другого — фосфат — остаток фосфорной кислоты. В нуклеотидах, входящих в состав ДНК, сахаром является дезоксирибоза, пуриновые основания — аденин и гуанин, пиримидиновые — цитозин и тимин.

В нуклеотидах, составляющих РНК, сахар — рибоза, а в азо­тистых основаниях вместо тимина присутствует урацил. Друг с другом нуклеотиды соединены при помощи фосфата — диэфирными фосфатными связями, в результате образуется длинная це­почка. Так выглядит РНК. ДНК находится в ядре в виде двух спиралей, закрученных вокруг общей оси и соединенных между собой водородными комплементарными связями, возникающими между азотистыми основаниями. Причем всегда образуются па­ры только двух видов: аденин — тимин (А—Т) и цитозин — гуа­нин (Ц—Г). В период подготовки клетки к делению происходит удвоение ДНК — редупликация. Процесс этот идет под действи­ем ферментов, разъединяющих спирали ДНК. При этом водород­ные связи азотистых оснований оказываются свободными и к ним по принципу комплементарности присоединяются нуклеотиды. Из одной молекулы ДНК образуются две, имеющие ту же пер­вичную структуру.

В период активного функционирования клетки, когда в ней происходит синтез белка, на одноцепочечных участках молекул

ДНК происходит матричный синтез информационной РНК, кото­рая затем, выходя в цитоплазму и участвуя в синтезе белка, оп­ределяет его первичную структуру. В этот период ДНК имеет вид длинных неравномерно спирализованных нитей и в световой мик­роскоп видна в ядре в виде хроматина — глыбок разного разме­ра, окрашенных основными красителями. В период деления ДНК сильно спирализуется и приобретает вид окрашенных телец — хромосом. РНК также адсорбирует основные красители, но лока­лизуется как в ядре (в основном в ядрышке), так и в цитоплаз­ме. Известно три вида РНК: информационная (иРНК), транс­портная (тРНК), рибосомальная (рРНК). Все они синтезируют­ся на молекулах ДНК.

В клетках существуют и свободные нуклеотиды, играющие большую роль в процессах обмена веществ и энергии. Это аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), а также трифосфаты уридина, цитидина и гуанозина (УТФ, ЦТФ и ГТФ). Их называют макроэргическими соединениями, так как они являются аккумулятора­ми и переносчиками энергии. Энергия высвобождается при от­щеплении от молекулы нуклеотида фосфорных остатков. При распаде АТФ образуется 38 кДж/моль энергии. Определенное значение придается еще одному нуклеотиду — циклическому аденозинмонофосфату (цАМФ), играющему большую роль в рецеп-торных функциях клетки, в механизме транспорта вещестЕ в клетку, в структурных перестройках мембран.

Липиды состоят в основном из С, О, Н, широко распростра­нены в протоплазме, очень разнообразны по своему строению и свойствам. Молекулы многих липидов имеют полярные по рас­творимости концы — один из них не вступает в связь с водой и с белками — гидрофобный, другой — взаимодействует с водой и белками — гидрофильный. Липиды входят в состав всех мем­бранных структур клетки, а также в состав биологически актив­ных веществ (стероидных гормонов), являются запасным энерге­тическим материалом, так как при их окислении высвобождается большое количество энергии.

Углеводы, как и липиды, образованы в основном С, О, Н и повсеместно распространены в живом веществе в виде моноса­харидов— простые сахара (глюкоза, фруктоза и др.), дисахаридов (сахароза, лактоза и др.), полисахаридов — их полимеров (гликоген, крахмал, клетчатка, мукополисахариды и др.). Моно- и дисахариды водорастворимы, полисахариды в воде нераствори­мы.

Углеводы — это источники энергии в клетке, в соединении с белками и липидами входят в состав мембранных структур клет­ки, нуклеиновых кислот, являются составной частью межклеточ­ного вещества соединительных тканей, образуют биологически активные вещества (гепарин).

Неорганические вещества представлены водой и минеральны­ми солями.

Вода — необходимая составная часть протоплазмы, в ней протекают все жизненные процессы. Она проникает в клетку лег­че других веществ, вызывая ее тургор и набухание. Поступает вода в клетки пассивно. Проницаемость клеток разных тканей для воды различная. Так, проницаемость эритроцитов в 100 раз выше, чем яйцеклетки. Данное свойство сильно меняется в зави­симости от физиологического состояния клетки и внешнего воз­действия. В норме количество воды в клетках животных поддер­живается на постоянном уровне благодаря работе специальных систем организма, обеспечивающих постоянство осмотического давления тканевой жидкости и плазмы крови. Вода находится в клетках в свободном и в связанном состоянии. Количество свя­занной воды (от 5 до 80%) зависит как от самой ткани, так и от физиологического состояния организма. Связанная вода обра­зует сольватные оболочки макромолекул и удерживается водо­родными связями. Свободная вода — растворитель. В форме рас­творов в клетку и из клетки поступают различные вещества. Сво­бодная вода является той средой, в которой протекают реакции в клетке, а ее высокая теплоемкость предохраняет клетку от рез­ких перепадов температуры.

Из минеральных веществ в организме чаще встреча­ются соли угольной, соляной, серной и фосфорной кислот. Раство­римые соли обусловливают осмотическое давление в клетках, поддерживают кислотно-щелочное равновесие, определяя этим реакцию среды, влияют на коллоидное состояние протоплазмы. Минеральные вещества могут входить в состав сложных органи­ческих соединений (фосфолипиды, нуклеопротеиды и др.).

Физико-химические свойства протоплазмы определяются состоянием веществ, входящих в ее состав. Плотность протоплаз­мы 1,09—1,06, показатель преломления света 1,4. Она приобре­тает свойства коллоидных систем из-за присутствия большого количества макромолекул, способных к полимеризации и агрега­ции. Агрегация молекул происходит в результате их способности к адсорбции. С явлением адсорбции связаны такие жизненно важные процессы, как дыхание и питание клетки. Многие фер­менты функционируют только в адсорбированном состоянии. Протоплазма обладает рядом свойств типичных коллоидных рас­творов, но в то же время имеет и специфические свойства, харак­терные только для живого вещества.

Коллоидные растворы являются двухфазной системой, со­стоящей из растворителя — дисперсионной среды и взвешенных в нем частиц — дисперсной фазы. Коллоидные частицы — мицел­лы— удерживаются во взвешенном состоянии благодаря одно­именному электрическому заряду и сольватной оболочке.

Уменьшение заряда и частичное разрушение сольватной обо­лочки приводит к агрегации мицелл с образованием своеобраз­ной решетки, в ячеях которой находится дисперсионная среда. Этот процесс называется желатинизацией, а продукт — гелем. Гель может переходить в более жидкое состояние — золь при обособлении мицелл, а золь — в гель при агрегации мицелл. В протоплазме сочетаются различные коллоидные фазы, которые находятся в очень неустойчивом состоянии и могут легко менять­ся в зависимости от функционального состояния клетки и внеш­них воздействий. При этом значительно изменяется вязкость про­топлазмы. Например, при формировании веретена деления, обра­зования псевдоподий, воздействии током вязкость повышается, при изменении температуры — понижается.

Потеря заряда и добавление электролитов приводят к коагу­ляции (coagulatio — свертывание) —слипанию мицелл и выпаде­нию дисперсной фазы в осадок. При слабом воздействии коагу­ляция обратима, при сильном — необратима и приводит к гибе­ли клетки. От неживых коллоидных систем протоплазма отлича­ется высокой лабильностью; составляющие ее мицеллы белков и липидов образуют сложную структурную основу клетки; при уплотнении протоплазма способна образовывать новые белковые мицеллы и восстанавливать нарушение связи между ними, а при нарушении целостности клетки — уплотняться на наружной по­верхности с образованием мембранно-поверхностной реакции преципитации. Поэтому клетка быстро ликвидирует свои повреж­дения.

В определенных условиях дисперсная фаза коллоида обособ­ляется не в виде осадка, а в виде раствора. При этом коллоид­ный раствор расслаивается на два раствора разной концентра­ции. Это коацервация (coacervacio — нагромождение, собирание в кучу). Коацерваты имеют вид капель, веретен, слоев. В неод­нородной по химическому составу протоплазме, представляющей собой сочетание различных, часто противоположно заряженных коллоидов, возникают сложные комплексные коацерваты.