Общая морфология и химический состав клеток

Лекция № 2

Количество часов: 2

Общая морфология и химический состав клеток

1. Общая характеристика клетки

Клетки отличаются друг от друга по размеру, форме, функциям, продолжительности жизни. Так размеры клеток варьируют от 0,2−0,25 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе). Диаметр большинства эукариотных клеток составляет от 10 до 100 мкм. По форме клетки бывают шаровидные, овальные, кубические, призматические, звездчатые, дисковидные, с разнообразными отростками и другие. Форма клетки зависит от выполняемой ею функции. В многоклеточном организме клетки выполняют различные функции: одни клетки синтезируют пищеварительные ферменты или гормоны, другие поглощают и переваривают микробы и другие инородные тела, третьи осуществляют перенос кислорода от легких к тканям и т. д. Так клетки позвоночных животных имеют около 200 типов специализаций. Многие клетки полифункциональны. Например, клетки печени синтезируют различные белки плазмы крови и желчь, накапливают гликоген и превращают его в глюкозу, окисляют чужеродные вещества. В зависимости от специализации клетки имеют разную продолжительность жизни. Так у человека минимальная продолжительность жизни клеток составляет 1−2 суток (клетки кишечного эпителия), а максимальная соответствует продолжительности жизни (нейроны).

Несмотря на огромное разнообразие, клетки имеют общие черты строения. В клетке различают три основные части: плазматическую мембрану, цитоплазму и ядро. Цитоплазма составляет основную часть клетки и представляет собой внутреннюю полужидкую среду клеток и имеет сложное физико-химическое строение. В состав цитоплазмы входят вода, аминокислоты, белки, углеводы, АТФ, ионы неорганических веществ (преобладают белки). Цитоплазму подразделяют на три части: гиалоплазму, органоиды и включения. Гиалоплазма — жидкая вязкая фаза цитоплазмы клетки. Органоиды (маленькие органы) — специализированные постоянные компоненты цитоплазмы, обладающие тем или иным строением и выполняющие в жизнедеятельности клетки различные функции. Все органоиды клетки тесно связаны между собой. Универсальными органоидами эукариотных клеток являются в ядре — хромосомы, в цитоплазме — митохондрии, эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы. Во многих клетках присутствуют также мембранные структуры, способствующие поддержанию формы клетки — микротрубочки, микрофибриллы и др. Включения — необязательные компоненты (отложения запасных веществ или продуктов метаболизма). Органоиды бывают двух типов: мембранные (лизосомы, диктиосомы, эндоплазматический ретикулум, митохондрии, вакуоли растительных клеток, пластиды) и немембранные (рибосомы, центриоль, микротрубочки, реснички и жгутики).

Функции цитоплазмы:

1. Обеспечение взаимодействия всех органоидов.

2. В ней протекают основные процессы обмена веществ.

Кроме общих особенностей в строении, клетки имеют ряд общих свойств. К ним относятся подвижность, раздражимость, метаболизм и размножение.

Подвижность проявляется в различных формах:

1) Внутриклеточное движение цитоплазмы клетки.

2) Амебовидное движение. Эта форма движения выражается в образовании цитоплазмой псевдоподий в сторону того или иного раздражителя или от него. Эта форма движения присуща амебе, лейкоцитам крови, а также некоторым тканевым клеткам.

3) Мерцательное движение. Проявляется в виде биений крошечных протоплазматических выростов — ресничек и жгутиков. Присуща инфузориям, клеткам эпителия многоклеточных животных, спермиям и др.

4) Сократительное движение. Обеспечивается благодаря присутствию в цитоплазме специального органоида миофибрилл, укорочение или удлинение которого способствуют сокращению и расслаблению клетки. Способность к сокращению наиболее развита у мышечных клеток.

Раздражимость выражается в способности клеток реагировать на раздражение изменением обмена веществ и энергии.

Метаболизм включает все превращения вещества и энергии, протекающие в клетках.

Размножение одна из основных функций, характерных для живого вообще и для клетки в частности. Размножение обеспечивается способностью клетки к делению и образованию дочерних клеток (некоторые высокодифференцированные клетки эту способность утратили). Именно способность воспроизводить самих себя и позволяет считать клетки мельчайшими единицами живого. Более мелкие единицы этих свойств не проявляют. Р. Вирхов писал: «Клетка есть последний морфологический элемент всех живых тел, и мы не имеем права искать настоящей жизнедеятельности вне ее» (1858).

2. Особенности строения клеток различных организмов

Все известные организмы подразделяются на на две группы: прокариоты и эукариоты. К прокариотам относятся бактерии (эубактерии и архебактерии) а к эукариотам — грибы, растения и животные, большинство из которых являются многоклеточными организмами и только некоторые — одноклеточными. Различия между прокариотами и эукариотами так существенны, что в системе организмов их выделяют в надцарства.

Эукариоты (от греч. эу — хорошо, полностью и греч. karyon — ядро) — организмы, клетки которых содержат оформленные ядра. К эукариотам относятся все высшие животные, растения, а также одноклеточные и многоклеточные водоросли, грибы, простейшие.

Прокариоты (от лат. pro — раньше, перед и греч. karyon — ядро) — организмы, клетки которых не имеют ограниченного мембраной ядра. Аналогом ядра является нуклеоид, состоящий из кольцевой молекулы ДНК, связанной с небольшим количеством белка. Клетки прокариот имеют жесткую защитную оболочку (клеточная стенка), под которой находится плазматическая мембрана. Плазматическая мембрана обычно образует выпячивания внутрь цитоплазмы — мезосомы. На мембранах мезосом располагаются окислительно-восстановительные ферменты, а у фотосинтезирующих прокариот соответствующие пигменты (бактериохлорофилл, хлорофилл, фикоцианин). Благодаря этому такие мембраны, способны выполнять функции митохондрий, хлоропластов и других органоидов. В тоже время хлоропласты, митохондрии, лизосомы, комплекс Гольджи, эндоплазматический ретикулум, присущие клеткам эукариот, у прокариот отсутствуют. Бактерии очень малы и способны быстро размножаться путем простого бинарного деления (митоз у прокариот отсутствует). В оптимальных условиях прокариотическая клетка способна делиться каждые 20 минут. Благодаря быстрому темпу размножения, бактериальные популяции стремительно адаптируются к изменениям окружающей среды и занимают в природе все возможные экологические ниши (почву, воду, воздух, болота, океанические глубины, горячие источники и др.).

Таким образом, основными отличиями эукариот от прокариот являются:

1) Наличие ядра. Это наиболее важный отличительный признак эукариотических клеток.

2) Размер. Клетки прокариот имеют очень небольшие размеры (около 1 мкм). Объем эукариотических клеток, содержащих полноценное ядро, в 800−1000 раз больше объема клеток прокариот.

3) Особенности строения ДНК. ДНК эукариот представляют собой очень длинные линейные молекулы (от 10⁷ до более чем 10¹⁰ пар оснований). Они локализованы в ядре, связаны с гистонами и включают некодирующие области (интроны). Напротив, ДНК прокариот представляют собой более короткие (до 5 10⁶ пар оснований) кольцевые молекулы, расположенные в цитоплазме и не имеющие интронов.

4) Специализация. Структуры и функции эукариотических клеток сложнее и более специализированы, чем структуры и функции клеток прокариот. Эукариотические клетки состоят из специализированных отделов — органоидов.

Органоиды выполняют специфические функции в жизни клетки. Прокариотические клетки обладают единой мембранной системой, включающей как плазмалемму, так и различные выросты из нее, зачастую выполняющие специфические функции.

5) Пространственная разобщенность процессов синтеза РНК и белков. У эукариот протекают в различных отделах клеток и механизмы их регулирования не зависят один от другого. У прокариот, напротив, эти процессы значительно проще и взаимосвязаны.

Согласно современным представлениям, прокариоты вместе с предками эукариот относятся к наиболее древним организмам и имеют общее происхождение. Довод в пользу единого происхождения клеток прокариот и эукариот заключается в принципиальном сходстве их генетического аппарата.

Отличия растительных и животных клеток. У растительной клетки поверх мембраны имеется наружная стенка из целлюлозы и других материалов. Клеточная оболочка представляет собой внешний защитный каркас, обеспечивает тургор растительных клеток, пропускает воду, соли, молекулы многих органических веществ. Клеточная стенка растений, бактерий и цианобактерий препятствует фагоцитозу и поэтому фагоцитоз у них практически отсутствует. Клетки растений соединяются с помощью особых каналов, заполненных цитоплазмой и ограниченных плазматической мембраной. По этим каналам, проходящим через клеточные оболочки, из одной клетки в другую поступают питательные вещества, ионы и другие соединения.

Клетки животных, образующие различные ткани (эпителиальную, мышечную и др.), соединяются друг с другом плазматической мембраной. В местах соединений образуются складки или выросты, которые придают соединениям особую прочность. У большинства клеток (особенно животных) наружная сторона мембраны покрыта слоем полисахаридов и гликопротеидов (гликокаликс). Гликокаликс — очень тонкий, эластичный слой (в световой микроскоп не виден). Гликокаликс, как и целлюлозная стенка растений, прежде всего, осуществляет функцию непосредственной связи клеток с внешней средой. Однако, в отличие от растительной стенки он не обладает опорной функцией. Отдельные участки мембраны и гликокаликса могут дифференцироваться и превращаться в микроворсинки (обычно на поверхности клетки, которая контактирует с окружающей средой); межклеточные соединения и связи, находящиеся между клетками ткани, имеющими различную структуру. Одни из них играют механическую роль (межклеточные соединения), а другие участвуют в межклеточных обменных процессах, изменяя электрический потенциал мембраны.

3. Химический состав клеток Одним из свойств живого является сходство всех живых организмов по химическому составу. Из 109 элементов периодической системы Менделеева в клетках обнаружено значительное их большинство. Особенно велико содержание в клетке четырех элементов — кислорода, углерода, азота и водорода. В сумме они составляют почти 98% всего содержимого клетки. Следующую группу составляют восемь элементов, содержание которых в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента. Это сера, фосфор, хлор, калий, магний, натрий, кальций, железо. В сумме они составляют 1.9%. Все остальные элементы содержатся в клетке в исключительно малых количествах (меньше 0,01%). Химические элементы входят в состав органических и минеральных веществ. Минеральные вещества находятся в клетке, как правило, в виде катионов (K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺), анионов (HPO₄^2-, H₂PO₄^-, Сl^-, HCO₃) и воды. Соотношение которых определяет важную для жизнедеятельности клеток кислотность среды. (У многих клеток среда слабощелочная и ее pH почти не изменяется, так как в ней постоянно поддерживается определенное соотношение катионов и анионов.). Из неорганических веществ наиболее распространенной в клетке является вода. Много воды содержится в клетках мозга и эмбрионов человека (более 80%); в клетках жировой ткани — всего 40%. Клетки прокариот содержат от 70 до 90% воды. К старости содержание воды в клетках снижается. Вода является хорошим растворителем и играет большую роль в химических реакциях, протекающих в клетке в водных растворах. Вода способствует перемещению различных веществ внутри клетки или из клетки в клетку. Большое содержание воды в клетке придает ей упругость.

Из органических веществ в состав клетки входят углеводы, липиды, белки, нуклеиновые кислоты, АТФ.

Липиды. Липиды — большая группа веществ биологического происхождения, хорошо растворимых в органических растворителях, таких, как метанол, ацетон, хлороформ и бензол. В то же время эти вещества нерастворимы или мало растворимы в воде.

Функции липидов:

Структурная. Ряд липидов принимает участие в образовании клеточных мембран. Типичными мембранными липидами являются фосфолипиды, гликолипиды и холестерин.

Энергетическая. В количественном отношении липиды — основной энергетический резерв организма. В основном жир содержится в клетках в виде жировых капель, которые служат метаболическим «топливом». Липиды окисляются в митохондриях до воды и диоксида углерода с одновременным образованием большого количества АТФ (ATP).

Теплорегулирующая. Жировые отложения в подкожной ткани и вокруг различных органов обладают высокими теплоизолирующими свойствами. Так, китов, моржей, тюленей, пингвинов защищают от переохлаждения мощные жировые отложения. У кита, например, слой подкожного жира достигает 1 м.

Запасающая Углеводы. Углеводы (сахара) — группа природных полигидроксиальдегидов и полигидроксикетонов с общей формулой (CH₂O)_n. Группа включает простые сахара (моносахариды), олигосахариды и полисахариды.

Функции углеводов:

Структурная. Так, в клеточных стенках бактерий в качестве стабилизирующего структурного компонента присутствует муреин. В растениях эту функцию выполняют целлюлоза и другие полисахариды. Так, из целлюлозы строятся клеточные стенки растений. В древесине содержится от 40 до 60% целлюлозы. Углеводы часто встречаются в связанном виде с липидами (гликолипиды) или белками (гликопротеины), входящими в состав клеточных мембран.

Запасающая. Резервные полисахариды служат энергетическим ресурсом, из которого по мере необходимости в организм поступают моносахариды, являющиеся клеточным «топливом». Благодаря полимерной природе резервные полисахариды осмотически неактивны и поэтому могут накапливаться в клетках в больших количествах.

Энергетическая. клетка цитоплазма метаболизм химический

Белки. Из макромолекул являются наиболее распространенными и составляют до 55% сухого веса клетки.

Функции белков в клетке:

Каталитическая. Белки-катализаторы ускоряют химические реакции в клетке.

Регуляторная. Например, белок инсулин регулирует содержание сахара в крови.

Структурная. Молекулы белков входят в состав всех клеточных мембран. Молекулы белка коллагена составляют основу хрящей и сухожилий. Из белка состоят волосы, шерсть, ногти, рога, копыта, чешуя, перья, паутина. К структурным белкам можно отнести также гистоны, функцией которых является организация укладки ДНК в хроматине.

Двигательная. Белки актин и миозин, способные вызывать сокращение мышечных волокон, а также белки, входящие в состав ресничек, жгутиков одноклеточных и специализированных клеток, например сперматозоидов многоклеточных организмов.

Защитная. Иммунная система защищает организм от возбудителей болезней и чужеродных веществ. В качестве ключевого компонента этой системы здесь выступает иммуноглобулин G, который на эритроцитах образует комплекс с мембранными гликолипидами Транспортная. Наиболее известным транспортным белком является гемоглобин эритроцитов. Это белок участвует в переносе кислорода и диоксида углерода между легкими и тканями. В плазме крови содержатся множество других белков, выполняющих транспортные функции. Ионные каналы и другие интегральные мембранные белки осуществляют транспорт ионов и метаболитов через биологические мембраны.

Запасающая. В растениях содержатся запасные белки, являющиеся ценными пищевыми веществами. В животных организмах мышечные белки служат резервными питательными веществами.

Энергетическая. При недостатке полисахаридов и липидов белки могут выполнять энергетическую функцию.

Нуклеиновые кислоты. Нуклеиновые кислоты построены из нуклеотидных звеньев, которые в свою очередь состоят из азотистого основания, углеводного остатка и фосфатной группы. Различают два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновые кислоты [ДНК (DNA)] и рибонуклеиновые кислоты [PHK (RNA)]. ДНК и РНК различаются по типу углеводного остатка и структуре оснований.

Функции нуклеиновых кислот:

генная экспрессия и биосинтез белка;

хранение наследственной информации.

Основные функции клетки Обмен веществ. Обмен веществ, или метаболизм, — это совокупность химических реакций, лежащих в основе жизнедеятельности клетки. Химические реакции, ведущие к синтезу веществ клетки, называют ассимиляцией (assimilatio — усвоение) или анаболизмом (anabole — отложение), а реакции, которые ведут к расщеплению веществ на более простые составляющие, именуют диссимиляцией или катаболизмом (katabole — сбрасывание вниз). В процессе синтеза веществ клетка расходует энергию для построения более сложных органических соединений из простых, а расщепление сложных соединений сопровождается освобождением энергии. Однако сами по себе белки, жиры и углеводы и продукты их расщепления не могут быть непосредственно использованы в качестве горючего для энергетических потребностей клетки. Роль такого универсального горючего выполняет аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Освобождающаяся при расщеплении веществ энергия рассеивается в виде теплоты и идет на синтез молекул АТФ, причем на образование молекулы АТФ из аденозиндифосфата затрачивается около 41,9 кДж/моль и, естественно, столько же энергии освобождается при переходе АТФ в АДФ. Синтез АТФ в клетке, осуществляемый при помощи митохондрий, ведет к значительной аккумуляции энергии для ее последующего использования. В пищеварительном тракте животных организмов происходит расщепление жира на глицерин и жирные кислоты, белков — на аминокислоты, нуклеиновых кислот — на нуклеотиды, крахмала и гликогена — на глюкозу без образования молекул АТФ, а энергия, освобождающаяся при расщеплении этих веществ, рассеивается в виде теплоты. Всасываясь, эти вещества поступают в клетки организма и на внешней мембране митохондрий подвергаются анаэробному расщеплению с освобождением 7% энергии и синтезом 4 молекул АТФ, 2 из которых запасаются клеткой. Продукты гликолиза на внутренней мембране митохондрий подвергаются аэробному расщеплению с выделением свыше 90% энергии и синтезом 36 молекул АТФ. На 1 моль глюкозы, например, синтезируется 38 молекул АТФ, или 1589,2 кДж/моль, т. е. 55% энергии, полученной от расщепления глюкозы, сберегается клеткой в виде АТФ, а 45% рассеивается в виде теплоты.

Фиксация энергии растительными клетками осуществляется в процессе фотосинтеза, при котором световая энергия солнца в ряде последовательных реакций превращается в химическую энергию, которую может использовать клетка. В процессе фотосинтеза на каждый моль синтезированной глюкозы запасается 2861,7 кДж.

Движение. Формы движения живого вещества чрезвычайно разнообразны. Они могут проявляться в сокращении миофибрилл, в движениях ресничек и жгутиков, в амебоидном движении, в циклозе цитоплазмы растительных клеток, в движении митотического веретена, центриолей, хромосом, хроматид, в перемещении молекул и органоидов, в процессах секреции, фагоцитоза, пиноцитоза и пр. Все формы движения в клетке, как и ее перемещения, связаны с использованием энергии, заключенной в макроэргических соединениях типа АТФ.

Раздражимость. Раздражимость — это способность клеток и живых организмов реагировать на изменение факторов внешней среды: температуру, свет, влажность, химические вещества, рН, осмотическое давление, рентгеновское излучение и пр. Реакция клетки на эти раздражители выражается в перемещении ее от воздействующего агента — отрицательный таксис (taxis — расположение в порядке) либо в приближении к нему — положительный таксис. Наименования таксисов соответствуют физической природе раздражителя. Существует, например, хемотаксис — движение, вызванное воздействием химических веществ, фототаксис — движение, обусловленное воздействием света, термотаксис — движение под воздействием температуры и пр. Биологический смысл перемещения клеток и одноклеточных организмов под влиянием определенных воздействий внешней среды состоит в том, что таким способом они сохраняют себе жизнь, двигаясь в зону комфорта, которая наиболее благоприятна для их жизнедеятельности.

Реакция клетки на раздражение может проявляться в усилении обмена веществ, в выделении секрета, в мышечном сокращении и других формах возбуждения. Воздействие чрезмерного раздражителя ведет к нарушению нормального процесса жизнедеятельности клетки, которое проявляется в набухании, разрушении митохондрий и в изменении клеточного дыхания. Клетка начинает удовлетворять свои энергетические потребности лишь за счет гликолиза, который ведет к увеличению содержания молочной кислоты и воды в цитоплазме клетки. Смещение реакции цитоплазмы в кислую сторону создает благоприятные условия для коагуляции белков, активации гидролитических ферментов лизосом и переваривания собственных белков клетки. Такое состояние клетки называют паранекрозом (para — около, necrosis — отмирание). Если действие раздражителя будет прекращено, то исходом этого состояния может быть возвращение к норме. В противном случае паранекроз переходит в некробиоз (necros — мертвый, bios — жизнь), т. е. в состояние медленного отмирания клетки.

Рост. Рост клеток, сопровождающийся увеличением объема ядра и цитоплазмы, наиболее ярко проявляется в постмитотическом периоде жизнедеятельности клетки. В это время клетка интенсивно синтезирует белки для построения органоидов, цитоплазматических мембран, ферментных систем. Растительные клетки синтезируют белки из простейших органических веществ — углекислого газа, солей аммония, а животные — из аминокислот, которые образуются при расщеплении белков тех животных и растений, которыми они питаются.

Синтез белка. Основное значение в синтезе белка принадлежит ДНК, структурная организация которой определяет строение всех белков, синтезируемых в клетке. В молекуле ДНК имеется ряд участков, определяющих программу синтеза какого-либо белка. Эти участки называются генами. Индивидуальная последовательность аминокислот в молекуле каждого белка, синтезирующегося в клетке, закодирована в определенной последовательности нуклеотидов — аденина, гуанина, тимина, цитозина в ДНК. Программа синтеза белка копируется с ДНК путем синтеза информационной РНК, информация которой представляет собой различные сочетания трех нуклеотидов, или триплеты. Всего существует 64 сочетания триплетов нуклеотидов для синтеза белка из 20 аминокислот. Аминокислоты, находящиеся в цитоплазме клетки, транспортируются к рибосомам транспортной РНК, которая также синтезируется на ДНК. Транспортная РНК имеет участок, где располагается триплет нуклеотидов, комплементарный соответствующему триплету информационной РНК; участок, к которому присоединяется соответствующая аминокислота, комплементарная триплету нуклеотидов транспортной РНК; участок для соединения с ферментом и участок фиксации с рибосомой. Рибосомы своей малой субъединицей осуществляют контакт с информационной РНК, а большой — с транспортной РНК. Продвигаясь по информационной РНК, рибосома дает возможность транспортной РНК считывать программу синтеза белка и доставлять необходимые аминокислоты к полипептидной цепочке, осуществляя синтез белка.

Размножение. Размножение клеток является одним из обязательных условий эмбриогенеза и гистогенеза, так как без возникновения путем деления определенного количества клеток, которые создают эмбриональный зачаток, невозможно образование тканей. Размножение клеток имеет место и после окончания процессов эмбрионального гистогенеза; оно связано с ростом организма, с замещением стареющих и отмирающих клеток, с регенерацией тканей, с размножением организма, с обновлением структурной организации клеток, которые утрачивают способность к биосинтезу. Различают три формы клеточного деления: митоз (mitos — нить), или непрямое деление, или кариокинез; амитоз, или прямое деление; мейоз (meiosis — уменьшение), или редукционное деление (reducere — уменьшение).

1. Химический состав цитоплазмы. Неорганические вещества

2. Химический состав цитоплазмы. Органические вещества Вещества клетки можно разделить на две группы: неорганические (вода и минеральные соли) и органические (белки, углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты и т. д.).

1. Неорганические вещества Содержание воды в клетке обычно составляет около 80−85% массы клетки. Однако этот показатель может весьма варьировать Так в клетках мозга человека содержание воды составляет свыше 80%, а в клетках жировой ткани — всего 40%. К старости содержание воды в клетках снижается.

Источники воды в клетке. В результате метаболизма в клетке образуется некоторое количество воды. Однако в процессе дыхания и выделения организм теряет значительное количество воды и количества собственной воды недостаточно для поддержания водного баланса. Поэтому водный баланс организмов должен пополняться извне.

Формы воды в клетке. В цитоплазме вода находится не только в свободном состоянии, но и в связанном.

В клетке вода выполняет следующие основные функции:

1) универсальный растворитель;

2) при высоком содержании придает клеткам упругость;

3) способствует перемещению веществ внутри клетки или из клетки в клетку;

4) принимает участие во многих биохимических процессах клетки.

Клетки разных организмов обладают сходным химическим составом. По содержанию в клетке можно выделить три группы элементов. В первую группу входят кислород, углерод, водород и азот. На их долю приходится почти 98% всего состава клетки. Во вторую группу входят калий, натрий, кальций, сера, фосфор, магний, железо, хлор. Их содержание в клетке составляет десятые и сотые доли процента. Элементы этих двух групп относят к макроэлементам (от греч. — большой).

Остальные элементы, представленные в клетке сотыми и тысячными долями процента, входят в третью группу. Это микроэлементы (от греч. — малый).

Таблица 1

Макроэлементы составляют основу биополимеров — белков, углеводов, нуклеиновых кислот, а также липидов, без которых жизнь невозможна. Сера входит в состав некоторых белков, фосфор — в состав нуклеиновых кислот, железо — в состав гемоглобина, а магний — в состав хлорофилла. Кальций играет важную роль в обмене веществ.

Минеральные соли находятся в клетке, как правило, в виде катионов (K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺) и анионов (HPO₄^2-, H₂PO₄^-, Сl^-, HCO₃), соотношение которых определяет важную для жизнедеятельности клеток кислотность среды. (У многих клеток среда слабощелочная и ее pH почти не изменяется, так как в ней постоянно поддерживается определенное соотношение катионов и анионов.)

2. Химический состав цитоплазмы. Органические вещества Основными органическими веществами клетки являются белки, углеводы, нуклеиновые кислоты и липиды.

Углеводы. В клетке представлены моносахаридами, дисахаридами и полисахаридами.

Моносахариды — бесцветные твердые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, обычно сладкие на вкус. К моносахаридам относят глюкозу, фруктозу, рибозу, дезоксирибозу и др. Глюкозы и фруктозы много в меде, фруктах. Рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот.

Сложные и крупные молекулы полисахаридов (крахмал, целлюлоза, гликоген) состоят из множества соединенных между собой остатков молекул моносахаридов. Такие полисахариды, как крахмал, целлюлоза, гликоген, состоят из соединенных молекул глюкозы, число которых непостоянно и может колебаться от сотен тысяч до миллионов. Поэтому общая формула крахмала, гликогена и целлюлозы выглядит так: (C₆H₁₀O₅)_n.

При соединении двух молекул глюкозы одна молекула воды отщепляется. Символ n означает, что число молекул глюкозы в молекулах крахмала, гликогена и целлюлозы может изменяться. Целлюлоза имеет линейную структуру, а крахмал и гликоген — разветвленную.

Различие между молекулами целлюлозы и крахмала состоит также и в том, что число n у целлюлозы больше. В состав одной макромолекулы крахмала входит от нескольких сотен до нескольких тысяч звеньев, а в состав молекулы целлюлозы — свыше 10 000 звеньев. Целлюлоза образует волокна, которые придают растению жесткость и прочность. Так, волокно целлюлозы прочнее, чем стальная проволока такого же диаметра.

Липиды (от греч. — жир). Молекулы жиров образованы остатками трехатомного спирта (глицерина) и остатками молекул жирных кислот. Главное свойство липидов — гидрофобность.

Особенности структуры молекул углеводов и липидов определяют их функции в клетке.

Функции углеводов и липидов в клетке

1. Запас питательных веществ в клетке.

Углеводами богаты клетки клубней картофеля и корневищ многих растений. Гликоген накапливается в клетках печени и мышц. Когда организму требуется энергия, молекулы гликогена расщепляются на легко растворимые молекулы глюкозы. Запасы жира содержатся в клетках жировой клетчатки птиц и млекопитающих, семян некоторых растений. У хордовых животных запасы жира откладываются под кожей и служат для защиты организма от переохлаждения и механических повреждений. Так, китов, моржей, тюленей, пингвинов защищают от переохлаждения мощные жировые отложения. У кита, например, слой подкожного жира достигает 1 м.

2. Энергетическая. Молекулы углеводов и жиров окисляются в клетках до углекислого газа и воды, а освобождающаяся при этом энергия используется на процессы жизнедеятельности.

3. Структурная. Углеводы и липиды входят в состав различных частей и органоидов клетки. Так, из целлюлозы строятся клеточные стенки растений. В древесине содержится от 40 до 60% целлюлозы. Липиды — обязательный компонент клеточной мембраны.

Белки Функции белков в клетке:

1. Каталитическая. Белки-катализаторы ускоряют химические реакции в клетке. Так каталаза увеличивает скорость разложения пероксида водорода (H₂O₂) в 10¹¹ раз

2. Регуляторная. Например, белок инсулин регулирует содержание сахара в крови.

3. Структурная. Молекулы белков входят в состав всех клеточных мембран. Молекулы белка коллагена составляют основу хрящей и сухожилий. Из белка состоят волосы, шерсть, ногти, рога, копыта, чешуя, перья, паутина.

4. Двигательная. Некоторые белки (актин, миозин) способны вызывать сокращение мышечных волокон.

5. Защитная. Антитела, образующиеся у позвоночных представляют собой белки, обезвреживающие проникающие в организм чужеродные вещества. Белок фибриноген участвует в свертывании крови.

6. Транспортная. Например, белок крови гемоглобин, который входит в состав эритроцитов, образует в легких непрочные соединения с кислородом и доставляет его ко всем клеткам организма.

7. Запасающая. накапливаясь, например, в семенах растений.

8. Энергетическая. При недостатке полисахаридов и липидов белки могут выполнять энергетическую функцию. При окислении молекул белков в клетке освобождается энергия примерно в таком же количестве, как и при окислении углеводов.

Нуклеиновые кислоты Нуклеиновые кислоты были открыты во второй половине XIX в. швейцарским биохимиком Ф. Мишером, который выделил из ядер клеток вещество с высоким содержанием азота и фосфора и назвал его «нуклеином» (от лат. nucleos — ядро).

Существует два типа нуклеиновых кислот — ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Нуклеиновые кислоты, как и белки, обладают видовой специфичностью, то есть организмам каждого вида присущ свой тип ДНК.

Молекулы нуклеиновых кислот представляют собой очень длинные цепи, состоящие из многих сотен и даже миллионов нуклеотидов. Любая нуклеиновая кислота содержит всего четыре типа нуклеотидов. Функции молекул нуклеиновых кислот зависят от числа в цепи и последовательности соединения в молекуле нуклеотидов.

Каждый нуклеотид состоит из трех компонентов: азотистого основания, углевода и фосфорной кислоты. В состав каждого нуклеотида ДНК входит один из четырех типов азотистых оснований (аденин — А, тимин — Т, гуанин — Г или цитозин — Ц), а также углевод дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты.

В 1953 г. американским биологом Дж. Уотсоном и английским физиком Ф. Криком была создана модель строения молекулы ДНК. Ученые установили, что каждая молекула ДНК состоит из двух цепей, связанных между собой и спирально закрученных. Она имеет вид двойной спирали. В каждой цепи четыре типа нуклеотидов чередуются в определенной последовательности.

Нуклеотидный состав ДНК различается у разных видов бактерий, грибов, растений, животных. Но он не меняется с возрастом, мало зависит от изменений окружающей среды. Нуклеотиды парные, то есть число адениловых нуклеотидов в любой молекуле ДНК равно числу тимидиловых нуклеотидов (А-Т), а число цитидиловых нуклеотидов равно числу гуаниловых нуклеотидов (Ц-Г). Это связано с тем, что соединение двух цепей между собой в молекуле ДНК подчиняется определенному правилу, а именно: аденин одной цепи всегда связан двумя водородными связями только с тимином другой цепи, а гуанин — тремя водородными связями с цитозином, то есть нуклеотидные цепи одной молекулы ДНК комплементарны, дополняют друг друга ДНК содержат все бактерии, подавляющее большинство вирусов. Она обнаружена в ядрах клеток животных, грибов и растений, а также в митохондриях и хлоропластах. В ядре каждой клетки человеческого организма содержится 6,6×10^-12 г ДНК, а в ядре половых клеток — в два раза меньше — 3,3 · 10^-12 г.

Молекулы нуклеиновых кислот — ДНК и РНК состоят из нуклеотидов. В состав нуклеотидов ДНК входит азотистое основание (А, Т, Г, Ц), углевод дезоксирибоза и остаток молекулы фосфорной кислоты. Молекула ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух цепей, соединенных водородными связями по принципу комплементарности. Функция ДНК — хранение наследственной информации.

Молекула РНК в отличие от ДНК, как правило, представляет собой одиночную цепочку нуклеотидов, которая значительно короче, чем ДНК. Однако общая масса РНК в клетке больше, чем ДНК. Молекулы РНК имеются и в ядре, и в цитоплазме.

Содержание их в клетке зависит от стадии жизненного цикла клетки.

Известны три основных типа РНК: информационные, или матричные, — иРНК; рибосомные — рРНК, транспортные — тРНК, которые различаются по форме, размерам и функциям молекул. Их главная функция — участие в биосинтезе белка.

На показано строение молекул РНК. Вы видите, что молекула РНК, как и молекула ДНК, состоит из четырех типов нуклеотидов, три из которых содержат такие же азотистые основания, как и нуклеотиды ДНК (А, Г, Ц). Однако в состав РНК вместо азотистого основания тимина входит другое азотистое основание — урацил (У). Таким образом, в состав нуклеотидов молекулы РНК входят азотистые основания: А, Г, Ц, У. Кроме того, вместо углевода дезоксирибозы в состав РНК входит рибоза В клетках всех организмов имеются молекулы АТФ — аденозинтрифосфорной кислоты. АТФ — универсальное вещество клетки, молекула которого имеет богатые энергией связи. Молекула АТФ — это один своеобразный нуклеотид, который, как и другие нуклеотиды, состоит из трех компонентов: азотистого основания — аденина, углевода — рибозы, но вместо одного содержит три остатка молекул фосфорной кислоты Связи, обозначенные на значком ~, богаты энергией и называются макроэргическими. Каждая молекула АТФ содержит две макроэргические связи.

При разрыве макроэргической связи и отщеплении с помощью ферментов одной молекулы фосфорной кислоты освобождается 40 кДж/моль энергии, а АТФ при этом превращается в АДФ — аденозиндифосфорную кислоту. При отщеплении еще одной молекулы фосфорной кислоты освобождается еще 40 кДж/моль; образуется АМФ — аденозинмонофосфорная кислота. Эти реакции обратимы, то есть АМФ может превращаться в АДФ, АДФ — в АТФ Молекулы АТФ не только расщепляются, но и синтезируются, поэтому их содержание в клетке относительно постоянно. Значение АТФ в жизни клетки огромно. Эти молекулы играют ведущую роль в энергетическом обмене, необходимом для обеспечения жизнедеятельности клетки и организма в целом.