Lenindzher Основы биохимии т.1 (1128695), страница 6
Текст из файла (страница 6)
ГЛАВА г КЛЕТКИ Читатели могут задать вопрос: почему, приступая к обсуждению биохимии, мы начинаем с клеток? Конечно, некоторые из вас уже, возможно, изучали биологию клетки. Тем не менее начать с клетки необходимо. потому чт.о большинство биохимических реакций в естественных условиях происхолит именно в клетках, а не в колбах или пробирках. Основное различие между биохимией и «обычной» химией состоит в том, что биохимические реакции протекают в строго ограниченных условиях, заданных размерами клеток и их внутренней структурой, а также физическими и химическими условиями, совместимыми с жизнью клеток. Обычные известные нам химические реакции проводят в реакционных сосудах, изготовленных из небиологических материалов, причем размеры этих сосудов несопоставимо больше величины реагирующих молгжул.
Кроме того, для обычных химических реакций иногда требуются высокие температуры или давления„активные реагенты или электрическая энергия; часто такие реакции проводят в органических растворителях. В отличие от химических биохимические Структура, затЕрявшаяся в цитоллазме клетки. Сеть или решетка очень тонких нитей, обрюуюших «основное мшесгвоз животных клеток при чрег выч айно большом увеляченни. Обычные методы электронной микроскопии не позволяли увидеть эту сеть-она бьша сбнвруиена лишь совсем недавно благодаря новому методу высоковольтной электронной микроскопии с очень высокой разрешающей способностью. На рисунке показана лишь назиачительнвя часть питоплаэмы клетки, которая буквально пронизана этой слоннсй трехмерной сеп ю. реакции в живых клетках протекают в объемах, жестко ограниченных размерами клеток или их органелл, необычайно хрупкие стенки которых часто имеют толщину порядка нескольких молекул.
Кроме того, биохимические реакции осуществляются только в водной среде при сравнительно низких постоянных температурах. Клетки не могут переносить экстремальной температуры или давления, экстремальной кислотности или присутствия соединений, обладающих высокой химической активностью. В дальнейшем, рассматривая химию биологических процессов, мы всегда должны помнить о размерах, строении и свойствах клеток, постоянно согласуя между собой представления химии и биологии клетки, В этой главе мы остановимся на строении и биохимических своиствах клеток наиболее распространенных типов.
Вгпоследующих главах некоторые аспекты этой проблемы будут рассмотрены более подробно. 2Л. Все клетки обладают некоторыми общими структуриьгми характеристиками Клетки — это структурные и функциональные единицы живых организмов. Простейшие организмы представляют собой единичные клетки; в отличие от них организм человека содержит, по-видимому, не менее 10ге клеток.
Существует множество самых разнообразных клеток, очень сильно различающихся по размерам, форме и функциональной спе- 26 ЧАСТЬ !. БИОМОЛЕКЗгды Плаэматичеокая мембрана Ядро или ядерное тельце Питоплеэма; непрерывная жгнжая часть цитоплаэмы нвэываегся цитоэолем Габоеомы; в цитоплвзме всех клеток содержится много тысяч рибооом циализации. В пригоршне земли или в стакане воды, взятой из пруда, можно обнаружить десятки различных одноклеточных организмов, а любой многоклеточный организм, будь то человек или какое-нибудь растение, состоит из десятков или сотен высокоспециализированных типов клеток, функционирующих совместно в составе тканей и органов.
Как бы ни был велик и сложен организм, клетки каждого типа сохраняют определенную индивидуальность и независимость. Несмотря на многочисленные внешние различия, клетки разных типов обладают поразительным схолством в своих главных структурных особенностях (рис. 2-1). Каждая клетка окружена очень тонкой мембраной, ограничивающей ее содержимое и позволяющей ей быть до некоторой степени самостоятельной. Клеточная мембрана, которую называют также плаэматической мембраной, характеризуется избирательной проницаемастью. Это ее свойство позволяет необходимым питательным веществам и солям проникать внутрь клетки, а излишним продуктам выходить из нее.
В то Рио. 2-!. Все клетки ограничены мембрлноа,оо- держлт ядро или ядерное тельце и рибооомы. Дачке мы увилнм, что существует дев непоеных клеооа клеток, рвэличающихоя по цругим струя- турным элементам. же время клеточная мембрана препятствует проникновению в клетку ненужных веществ из окружающей среды. Молекулярная организация плазматической мембраны у всех клеток примерно одинакова: она состоит из двух слоев липидных молекул с множеством включенных в нее специфических белков.
Одни мембранные белки обладают ферментативной активностью, тогда как другие связывают питательные вещества из окружающей среды и обеспечивают их перенос в клетку. Внутреннее пространство любой клетки заполнено цитаилаэмай, в которой протекает большинство катализнруемых ферментами реакций клеточного метаболизма. Именно в цитоплазме высвобождается химическая энергия, необходимая для построения клеточных структур и поддержания их целостности, а также для механической работы сокращения и передвижению В цитоплазме всех клеток присутствуют также рибасамы — небольшие гранулы диаметром от 18 до 22 нм, функция которых состоит в обеспечении синтеза белков. Кроме того, все живые клетки содержат ядро или ядерное тельце, в которых происходит редупликация генетического материала и его хранение в виде дезоксирибонуклеиновых кислот ДНК).
2.2. Клетки должны иметь очень малые размеры Клеткам присуща еще одна важная структурная особенность — все они относительно малы (иначе и не может быть). Обычно в лабораторных условиях химические реакции проводят в сосудах„ объем которых составляет десятки миллилитров или даже литры. Содержимое таких реакционных сосудов должно постоянно тщательно перемешиваться, с тем чтобы скорость реакции не лимитировалась скоростью диффузии реагирующих молекул. В живых же клетках биохимические реакции протекают в компартментах («отсекахв) микроскопически малого объема. Например, объем клетки бактерии Ексйепдиа со!! составляет всего лишь 2.10 'л миллилитра (мл).
Для тога чтобы ясно представить себе, какое гл. 2. клйтки Размер в длину [нм) Структура 0,5 0,7 3,5 3,6 6,8 18 30 160 300 1 500 2 000 8 000 20 000 Основные единицы Метр (и] Килограмм (кг) Секунда (с) Длина Масса Времн Приставки 1О з, милли- [м) ГО в, микро- (мк) !О в, нано- (н) 10', кило- !к! 1О,м -(М] 1Ов, гига- [Г) =.10 в м =1О вмм =1О змкм =И] вм = 10-з мм = 1000 нм Нанцметр (нм) Микрометр (мкм) значение имеет величина клетки с точки зрения химических аспектов ее жизнедеятельности, необходимо сначала познакомиться с размерами биомолекул и клеток.
Как указано в табл. 2-1, в качестве единиц длины при определении размеров клеток и их компонентов в настоящее время используются нанамензр (нм) и мццрамен!р (мкм). Хотя старые единицы, такие, как ангсн!рехз или микрон, применяются все реже, нх также следует знать. Чтобы читатель имел приблизительное представление о величине клеток, в табл. 2-2 приведены размеры некоторых наиболее важных биологических структур и, в частности, небольших биомолекул (аланина и глюкозы), макромолекул (трех белков и липнда), надмолекулярных Таблица 2-!. Менлунцродная снсгемц ели- н на Рлнцнцы двнны.нспцльзувмые в бнцццгнн клетки н биохимий Уцзврввшнв, нц всв вцхв звцтц ввпцдьзувмыв вдв- ннцы ! микрон [ц).
! микрометр (мкм) ! мндднмнхрпн (мц] = ! нввцмвтр [нм) ! ангстрем [А]=О,! нвнометр [цм! Табвпяа 2-2. Размеры некоторых биологиче- ских структур Аданнн [аминокислота) Глюкоза (свхар] Фпсфцтиднд холин (мембрцнный дипиц] Многдобин (белок малых размеров) 1 емогдсбнн (белок средних размеров) Рнбосома Е. спи Вирус псднцмнеднта Мнознн [лдннный пацочковидный белок) Вирус табачной мозаики Мнтцхондриц кдегкн печени Клетка Есо]! Хлороцласт из лнсгц шпината Клетка печени систем (рибосом и вирусов), клеточных органелл (митохондрий и хлоропластов), бактерии и печеночной клетки.
Многие бактериальные клетки достигают в длину 2 мкм, а большинство клеток высших животных-20 или 30 мкм. Может возникнуть вопрос: почему живые клетки имеют именно такие размеры? Почему нет клеток, которые были бы значительно меньше или значительно больше известных нам клсток7 Оказывается, для этого есть важные причины. Самая маленькая жизнеспособная клетка — микроорганизм Мусор)аз!на — не может быть намного меньше, чем она есть, просто из-за того. что молекулы, из которых она построена, имеют фиксированную величину, задаваемую размерами атомов углерода, водорода, кислорода и азота. Для обеспечения жизнедеятельности клетки необходимо, чтобы она содержала хотя бы минимальное число различных биомолекул.
Поэтому, если бы клетки были меньше, они должны были быть построены из более мелких атомов или молекул. С другой стороны, клетки, вероятно, не могут быть намного больше, чем они чАсть !. БиОМО3!Ькулы есть, просто потому, что в этом случае скорости метаболических процессов могли бы лимитироваться скоростью диффузии молекул питательных веществ внутри клетки, что ограничило бы возможности регуляции метаболизма. Максимальные размеры клеток зависят, таким образом, от основных законов физики, определяющих скорость диффузии молекул, растворенных в водной среде. Действительно, в наиболее крупных клетках цитоплазма разделена на структуры меньших размеров, клеточные Органеллы, в значительной мере для того, чтобы облегчить возможность быстрых взаимодействий между специфическими молекулами за счет сокращения пути, который они преодолевают, прежде чем сталкиваются и вступают в реакцию друг с другом.
Вполне понятно, что одна из причин, по которой клетки имеют малые размеры, состоит в том, что им приходится обходиться без электрических или механических перемешивающих устройств. Другая причина связана с существованием оптимального соотношениямшкду поверхностью и объемом клеток. Благодаря тому что площадь поверхности клетки относительно велика по сравнению с ее объемом, в клетку проникает большее число молекул питательных веществ в единицу времени. В результате несложных вычислений можно убедиться в том, что с увеличением диаметра сферы отношение плон!ади ее поверхности к объему резко снижается.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
