Химический состав клетки - СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ

Химические элементы, которые входят в состав клетки, можно разделить на три группы:

1. Макроэлементы. Составляют около 99 % массы клетки. К ним относятся: углерод, кислород, водород, азот, а также калий, натрий, магний, кальций, железо, сера, фосфор и др.

2. Микроэлементы. Содержание в клетке - менее 0,001 %. К ним относятся: цинк, медь, молибден, кобальт, ванадий, бром, йод и др.

3. Ультрамикроэлементы. Содержание в клетке - менее 0,000001 %. К ним относятся: уран, радий, золото, ртуть, селен и др.

Химические вещества, которые входят в состав клетки, можно разделить на две группы:

1. Неорганические вещества: вода и минеральные соли.

Содержание воды в животной клетке составляет около 75 %.

Вода выполняет следующие функции:

- является универсальным растворителем в клетке;

- принимает участие в биохимических реакциях;

- принимает участие в теплорегуляции.

По отношению к воде вещества разделяются на:

• гидрофильные - растворимые в воде (например, многие минеральные соли, моносахариды);

• гидрофобные - нерастворимые в воде (например, липиды, полисахариды);

• амфифильные - вещества, которые имеют и гидрофильную и гидрофобную части (например, фосфолипиды мембран).

Минеральные соли находятся в клетке в виде ионов (ионы калия, натрия, магния, фосфаты, сульфаты и др.) или в твердом состоянии (например, карбонат кальция в костной ткани).

2. Органические вещества: белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты.

Белки - биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Аминокислоты объединяются пептидными связями. В состав белков входит 20 аминокислот, они называются биогенные или протеиногенные.

Различают несколько уровней структурной организации белков.

а) первичная структура белка - последовательность аминокислот, соединенных пептидными связями: ... - Гли - Вал - Тир - Глн - Сер - Ала -

б) вторичная структура - это упорядоченное расположение отдельных участков полипептида, стабилизированное водородными связями между кислородом карбонильной группы и водородом амидной группы разных аминокислот: С=O...H-N. К основным типам вторичной структуры относят:

• a-спираль;

• β-структура или структура складчатого листа.

в) третичная структура - трехмерная структура белка, характеризующаяся определенной укладкой в пространстве всех звеньев полипептидной цепи. Имеет вид глобулы (шара). Третичную структуру белка стабилизируют:

- ковалентные связи между остатками двух цистеинов (дисульфидные мостики);

- ионные взаимодействия возникают между противоположно заряженными аминокислотными остатками;

- водородные связи;

- гидрофобные взаимодействия образуются между неполярными радикалами в водной среде.

г) четвертичная структура характерна для белков, которые состоят из нескольких полипептидных цепей (например, гемоглобин). Четвертичная структура поддерживается слабыми связями: ионными, водородными и гидрофобными (рис. 1).

Разрушение пространственной структуры белка называется денатурацией. Она происходит под воздействием физических и химических факторов (например, температуры, радиации, сильных химических реагентов). Восстановление пространственной структуры называется ренатурация. Ренатурация возможна, если не нарушена первичная структура.

Рис. 1. Структурная организация белков

Функции белков:

• Каталитическая. Белки-ферменты ускоряют химические реакции в клетке.

• Структурная. Белки входят в состав биологических мембран, мембранных и немембранных органоидов клетки, образуют волокна соединительных тканей.

• Защитная. Иммуноглобулины (антитела) позвоночных являются белками. Фибриноген и тромбин участвуют в свертывании крови.

• Регуляторная. Некоторые гормоны являются белками (например, инсулин, соматотропный гормон).

• Сократительная и двигательная. Белки обеспечивают сокращение, движение или изменение формы клетки (актин и миозин мышечных клеток, тубулин микротрубочек).

• Транспортная. Белки-переносчики обеспечивают транспорт веществ через мембрану клетки.

• Энергетическая. В экстремальных условиях белки могут распадаться с освобождением энергии (1 г белка - 17,6 кДж).

Углеводы - органические соединения с общей формулой (СН₂О) _N. Углеводы подразделяются на три основные группы: моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

а) моносахариды (простые углеводы) по числу атомов углерода подразделяют:

• триозы (в молекуле - три атома углерода) - например, производные глицерина, молочной и пировиноградной кислот;

• тетрозы (четыре атома углерода) - например, эритроза - промежуточный продукт фотосинтеза;

• пентозы (пять атомов углерода) - например, рибоза и дезоксирибоза;

• гексозы (шесть атомов углерода) - например, глюкоза, фруктоза.

Дисахариды состоят из двух остатков моносахаридов. Например, лактоза, сахароза, мальтоза.

Полисахариды - это биополимеры, которые состоят из многих остатков моносахаридов (чаще всего гексоз). Например, гликоген (запасное вещество в клетках животных), крахмал (запасное вещество в клетках растений), целлюлоза (входит в состав клеточных стенок у растений), хитин (входит в состав клеточных стенок у грибов).

Функции углеводов:

• Энергетическая. При окислении 1 г углеводов образуется 17,6 кДж энергии.

• Запасающая. Крахмал и гликоген - запасные вещества у растений и животных.

• Структурная. Входят в состав клеточных стенок растений, грибов.

Липиды - органические вещества, которые не растворяются в воде и других полярных растворителях. Растворяются в неполярных растворителях: бензине, хлороформе, ацетоне.

Липиды подразделяются:

1. Простые липиды состоят из двух компонентов. К ним относятся:

• жиры - сложные эфиры глицерина и жирных кислот;

• воски - сложные эфиры многоатомных спиртов и жирных кислот;

• стериды - сложные эфиры полициклических спиртов (стеролов) и жирных кислот.

2. Сложные липиды состоят из многих компонентов. Например, фосфолипиды, гликолипиды.

Функции липидов:

• Запасающая и энергетическая. При окислении 1 г жира образуется 38,9 кДж энергии.

• Структурная. Липиды входят в состав биологических мембран.

• Регуляторная. Некоторые гормоны являются липидами (половые гормоны, гормоны коры надпочечников).

• Источник эндогенной воды.

Нуклеиновые кислоты - биополимеры, мономером которых являются нуклеотиды. К ним относятся дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК).

ДНК - правильная спираль, которая образована двумя полинуклеотидными цепями. Полинуклеотидные цепи антипараллельны, т. е. разнонаправлены. Каждая полинуклеотидная цепь - линейная последовательность нуклеотидов. Нуклеотид ДНК включает три компонента:

• азотистое основание: пуриновое (аденин или гуанин) или пиримидиновое (цитозин или тимин);

• пятиуглеродный сахар - дезоксирибозу;

• фосфатный остаток.

Нуклеотиды соединены 3',5'-фосфодиэфирными связями. Обе полинуклеотидные цепи соединены друг с другом водородными связями, которые образуются между азотистыми основаниями внутри спирали. При этом аденин соединяется с тимином, а гуанин - с цитозином. Пространственное соответствие азотистых оснований называется комплементарностью. В результате у любого организма сумма пуриновых азотистых оснований равна сумме пиримидиновых оснований (А+Г=Т+Ц). Эта закономерность называется “правило Чаргаффа”. Структуру молекулы ДНК описали в 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик (рис. 2).

Функции ДНК:

• хранение наследственной информации;

• передача наследственной информации;

• реализация наследственной информации.

РНК - одноцепочечный линейный полинуклеотид. Мономером РНК является нуклеотид, который включает три компонента:

- азотистое основание: пуриновое (аденин или гуанин), или пиримидиновое (цитозин или урацил);

- пятиуглеродный сахар - рибозу;

- фосфатный остаток.

Рис. 2. Структура ДНК

Нуклеотиды связаны в цепь с помощью 3',5' - фосфодиэфирных связей.

Различают три вида РНК:

• информационная или матричная РНК (иРНК, мРНК). Переносит генетическую информацию из ядра в цитоплазму;

• рибосомная РНК (рРНК). Формирует рибосомы;

• транспортная РНК (тРНК). Переносит аминокислоты к месту синтеза белка, т.е. к рибосоме.

Дополнительные функции РНК:

- у РНК-содержащих вирусов выполняет функции хранения и передачи наследственной информации;

- участвует в репликации ДНК, выступая в роли затравок (праймеров), необходимых для инициации синтеза комплементарных цепей ДНК.

Для РНК характерны первичная, вторичная и третичная структуры. Первичная структура РНК - это одноцепочечная полинуклеотидная цепь. Вторичная структура РНК - образование петель, или “шпилек”, с двухцепочечной структурой. Эта структура стабилизирована водородными связями, возникающими в парах А - У, Г - Ц. Третичная структура РНК - это пространственная структура, возникает за счет взаимодействия элементов вторичной структуры. Характерна для транспортной РНК (рис. 3).

Рис. 3. Вторичная и третичная структура тРНК

АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) - органическое вещество, универсальный источник энергии в клетке. Состоит из азотистого основания аденина, пятиуглеродного сахара рибозы и трех остатков фосфорной кислоты (рис. 4). Связи между остатками фосфорной кислоты макроэргические, т.е. энергоемкие. У эукариот большая часть АТФ синтезируется в митохондриях.

Рис. 4. Строение молекулы АТФ

Сравнительная характеристика клеток прокариот и эукариот

Характеристика	Прокариоты	Эукариоты
Наличие ядра	Нет оформленного ядра. Зона цитоплазмы, где расположена ДНК, называется нуклеоид	Есть ядро, ограниченное оболочкой
ДНК	Кольцевая, не связана с белками-гистонами, большинство генов активны. Характерно наличие “внехромосомных” ДНК - плазмид	ДНК линейная, в виде двойной спирали. ДНК связана с белками- гистонами, большинство генов не активны
Мембранные органоиды	Нет. Их функцию выполняют “впячивания” плазматической мембраны - мезосомы	Есть
Немембранные органоиды	Рибосомы 708	Рибосомы 808, клеточный центр, цитоскелет
Цитоплазматическая мембрана	Есть	Есть
Клеточная стенка	Состоит из муреина	У растений состоит из целлюлозы, у грибов - хитина, у животных отсутствует
Эндоцитоз (фагоцитоз и пиноцитоз)	Нет	Характерен для животных клеток, отсутствуют у растений и грибов
Жгутики	Простое строение, состоят из белка флагеллина	Имеют структуру (9*2)+2, состоят из белка тубулина
Движение цитоплазмы	Нет	Есть
Дыхание	У аэробных бактерий - в мезосомах. Есть анаэробные формы	У аэробов - в митохондриях. Есть анаэробные организмы
Фотосинтез	Есть у цианобактерий	Есть у растений
Размножение	Деление надвое	Митоз, мейоз
Спорообразование	Споры служат для перенесения неблагоприятных условий	Споры служат для размножения (растения, грибы)