а - Общая морфология

Лекция № 2.

Количество часов: 2

ОБЩАЯ МОРФОЛОГИЯ И ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КЛЕТОК

1. Общая характеристика клетки

2. Особенности строения клеток различных организмов

3. Химический состав клеток

Рекомендуемые материалы

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 5ּ10⁶ 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.

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.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11. Химический состав цитоплазмы. Неорганические вещества.

12. 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 х 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.

Бесплатная лекция: "15. Финансовая политика редакции" также доступна.

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.