Состав и строение животной клетки

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КЛЕТКИ

Химические элементы и неорганические соединения в соответствии с процентным содержанием в клетке делят на три группы:

макроэлементы: водород, углерод, азот, кислород (концентрация в клетке — 99,9%);

микроэлементы: натрий, магний, фосфор, сера, хлор, калий, кальций (концентрация в клетке —0,1%);

ультрамикроэлементы: бор, кремний, ванадий, марганец, железо, кобальт, медь, цинк, молибден (концентрация в клетке — менее 0,001%).

Минеральные вещества, соли и ионы составляют 2…6 % объема клетки, некоторые минеральные компоненты присутствуют в клетке в неионизированной форме. Например, железо, связанное с углеродом, содержится в гемоглобине, ферритине, цитохромах и других ферментах, необходимых для поддержания нормальной активности клетки.

Минеральные соли диссоциируются на анионы и катионы и тем самым поддерживают осмотическое давление и кислотно-основное равновесие клетки. Неорганические ионы служат кофакторами, необходимыми для реализации ферментативной активности. Из неорганического фосфата образуется в процессе окислительного фосфорилирования аденозинтрифосфат (АТФ) — вещество, в котором запасается энергия, необходимая для жизнедеятельности клетки. Ионы кальция находятся в циркулирующей крови и в клетках. В костях они в соединении с фосфатными и карбонатными ионами образуют кристаллическую структуру.

Вода — это универсальная дисперсионная среда живой материи. Активные клетки состоят на 60—95% из воды, однако и в покоящихся клетках и тканях, например в спорах и семенах, на долю воды обычно приходится не менее 10—20 %>. В клетке вода находится в двух формах: свободной и связанной. Свободная вода составляет 95% всей воды в клетке и используется главным образом как растворитель и дисперсионная среда коллоидной системы протоплазмы. Связанная вода (4—5 % всей воды клетки) непрочно соединена с белками водородными и другими связями.

Органические вещества — соединения, содержащие углерод (кроме карбонатов). Большинство органических веществ — полимеры, состоящие из повторяющихся частиц — мономеров.

Белки — биологические полимеры, составляющие основную массу органических веществ клетки, на долю которых приходится около 40…50% сухой массы протоплазмы. Белки содержат углерод, водород, кислород, азот, а также серу и фосфор.

Белки, состоящие только из аминокислот, называют простыми — протеины (от гр. protos — первый, важнейший). Они обычно откладываются в клетке в качестве запасного вещества. Сложные белки (протеиды) образуются в результате соединения простых белков с углеводами, жирными кислотами, нуклеиновыми кислотами. Белковую природу имеет большинство ферментов, определяющих и регулирующих все жизненные процессы в клетке.

В зависимости от пространственной конфигурации различают четыре структурных уровня организации молекул белка. Первичная структура: аминокислоты нанизаны как бусины на нити, последовательность расположения имеет важное биологическое значение. Вторичная структура: молекулы представляют собой компактные, жесткие, не удлиненные частицы, по конфигурации такие белки напоминают спираль. Третичная структура: полипептидные цепи в результате сложной пространственной укладки образуют компактную структуру так называемых глобулярных белков. Четвертичная структура: состоит из двух или более цепей, которые могут быть одинаковыми или разными.

Белки состоят из мономеров — аминокислот (из известных 40 аминокислот 20 входят в состав белков). Аминокислоты — амфотерные соединения, содержащие одновременно кислотную (карбоксильную) и основную (аминную) группы. При конденсации аминокислот, приводящей к образованию белковой молекулы, кислая группа одной аминокислоты соединяется с основной группой другой аминокислоты. Каждый белок содержит сотни аминокислотных молекул, соединенных в различном порядке и соотношениях, что определяет многообразие функций белковых молекул.

Нуклеиновые кислоты — природные высокомолекулярные биологические полимеры, обеспечивающие хранение и передачу наследственной (генетической) информации в живых организмах. Это важнейшая группа биополимеров, хотя содержание не превышает 1—2% массы протоплазмы.

Молекулы нуклеиновых кислот — это длинные линейные цепи, состоящие из мономеров — нуклеотидов. Каждый нуклеотид содержит азотистое основание, моносахарид (пентозу) и остаток фосфорной кислоты. Основное количество ДНК содержится в ядре, РНК находится как в ядре, так и в цитоплазме.

Одноцепочечная молекула рибонуклеиновой кислоты (РНК) насчитывает 4…6 тыс. нуклеотидов, состоящих из рибозы, остатка фосфорной кислоты и четырех типов азотистых оснований: аденина (А), гуанина (Г), урацила (У) и цитозина (Ц).

Молекулы ДНК состоят из 10…25 тыс. отдельных нуклеотидов, построенных из дезоксирибозы, остатка фосфорной кислоты и четырех типов азотистых оснований: аденина (А), гуанина (Г), урацила (У) и тимина (Т).

Молекула ДНК состоит из двух комплементарных цепей, длина которых достигает нескольких десятков и даже сотен микрометров.

В 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик предложили пространственную молекулярную модель ДНК (двойная спираль). ДНК способна нести в себе генетическую информацию и точно воспроизводиться — это одно из самых значительных открытий в биологии XX в., позволившее объяснить механизм наследственности и давшее мощный толчок развитию молекулярной биологии.

Липиды — жироподобные вещества, разнообразные по строению и функциям. Простые липиды — жиры, воск — состоят из остатков жирных кислот и спиртов. Сложные липиды — комплексы липидов с белками (липопротеиды), ортофосфорной кислотой (фосфолипиды), сахарами (гликолипиды). Обычно они содержатся в количестве 2…3%. Липиды —это структурные компоненты мембран, влияющие на их проницаемость, а также служащие энергетическим резервом для образования АТФ.

Физические и химические свойства липидов определяются наличием в их молекулах как полярных (электрически заряженных) групп (—СООН, —ОН, —NH и др.), так и неполярных углеводородных цепей. Благодаря такому строению большинство липидов — поверхностно-активные вещества. Они очень плохо растворимы в воде (из-за высокого содержания гидрофобных радикалов и групп) и в маслах (из-за наличия полярных групп).

Углеводы — органические соединения, которые по степени сложности подразделяют на моносахариды (глюкоза, фруктоза), дисахариды (сахароза, мальтоза и др.), полисахариды (крахмал, гликоген и др.). Моносахариды — первичные продукты фотосинтеза, используются для биосинтеза полисахаридов, аминокислот, жирных кислот и др. Полисахариды запасаются как энергетический резерв с последующим расщеплением освобождающихся моносахаридов в процессах брожения или дыхания. Гидрофильные полисахариды поддерживают водный баланс клеток.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) состоит из азотистого основания — аденина, углевода рибозы и трех остатков фосфорной кислоты, между которыми существуют макроэргические связи.

Белки, углеводы и жиры — не только строительный материал, из которого сложен организм, но и источники энергии. Окисляя в процессе дыхания белки, углеводы, жиры, организм превращает энергию сложных органических соединений в богатые энергией связи в молекуле АТФ. АТФ синтезируется в митохондриях, а затем поступает в разные участки клетки, обеспечивая энергией все процессы жизнедеятельности.