Химический состав клетки. Неорганические вещества

Атомный и молекулярный состав клетки. В микроскопической клетке содержится несколько тысяч веществ, которые участвуют в разнообразных химических реакциях. Химические процессы, про­текающие в клетке,- одно из основных условий ее жизни, разви­тия, функционирования.

Все клетки животных и растительных организмов, а также микроорганизмов сходны по химическому составу, что свидетельст­вует о единстве органического мира.

В таблице приведены данные об атомном составе клеток. Из 109 элементов периодической системы Менделеева в клетках обнаружено значительное их большинство. Одни элементы содер­жатся в клетках в относительно большом количестве, другие­ в малом. 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 %).

Таким образом, в клетке нет каких-нибудь особенных элемен­тов, характерных только для живой природы. Это указывает на связь и единство живой и неживой природы. На атомном уровне различий между химическим составом органического и неоргани­ческого мира нет. Различия обнаруживаются на более высоком уровне организации - молекулярном. Как видно из таблицы, в живых телах наряду с веществами, распространенными в нежи­вой природе, содержится множество веществ, характерных толь­ко для живых организмов.

Вода. На первом месте среди веществ клетки стоит вода. Она составляет почти 80% массы клетки. Вода - важнейший компо­нент клетки не только по количеству. Ей принадлежит существен­ная и многообразная роль в жизни клетки.

Вода определяет ,физические свойства клетки - ее объем, упру­гость. Велико значение воды в образовании структуры молекул органических веществ, в частности структуры белков, которая необходима для выполнения их функций. Велико значение воды как растворителя: многие вещества поступают в клетку из внеш­ней среды в водном растворе и в водном же растворе отработан­ные продукты выводятся из клетки. Наконец, вода является не­посредственным участником многих химических реакций (рас­щепление белков, углеводов, жиров и др.).

Приспособленность клетки к функционированию в водной среде служит доводом в пользу того, что жизнь на Земле зародилась в воде.

Биологическая роль воды определяется особенностью ее молекулярной структуры: полярностью ее молекул.

Углеводы. Углеводы содержатся в животных клетках в не­большом количестве (около 1 % от массы сyxoгo вещества); в клетках печени и мышц их больше (до 5%). Растительные же клетки очень богаты углеводами: в высушенных листьях, семе­нах, плодах, клубнях картофеля их почти 70%.

Углеводы представляют собой сложные органические соедине­ния, в их состав входят атомы углерода, кислорода и водорода.

Различают простые и сложные углеводы. Простые углеводы называют моносахаридами. Сложные углеводы представляют со­бой полимеры, в которых моносахариды играют роль мономеров. Из двух моносахаридов образуется дисахарид, из трех - триса­харид, из многих - полисахарид.

Все моносахариды - бесцветные вещества, хорошо раствори­мые в воде. Почти все они обладают приятным сладким вкусом. Самые распространенные моносахариды - глюкоза, фруктоза, рибоза и дезоксирибоза. Сладкий вкус фруктов и ягод, а также меда зависит от содержания в них глюкозы и фруктозы. Рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот (с. 158) и АТФ (с. 163).

Ди- и трисахариды, подобно моносахаридам, хорошо раство­ряются в воде, обладают сладким вкусом. С увеличением числа мономерных звеньев растворимость полисахаридов уменьшается, сладкий вкус исчезает.

Из дисахаридов важны свекловичный (или тростниковый) и молочный сахар, из полисахаридов широко распространены крах­мал (у растений), гликоген (у животных), клетчатка (целлюло­за). Древесина - почти чистая целлюлоза. Мономерами этих полисахаридов является глюкоза.

Биологическая роль углеводов. Углеводы играют роль источ­ника энергии, необходимой для осуществления клеткой различ­ных форм активности. Для деятельности клетки - движения, секреции, биосинтеза, свечения и т. Д.- необходима энергия. Сложные по структуре, богатые энергией, углеводы подвергаются в клетке глубокому расщеплению и в результате превращаются в простые, бедные энергией соединения - оксид углерода (IV) и воду (СО2 И Н20). В ходе этого процесса освобождается энергия. При расщеплении 1 г углевода освобождается 17,6 кДж.

Кроме энергетической, углеводы выполняют и строительную функцию. Например, из целлюлозы состоят стенки растительных клеток.

Липиды. Липиды содержатся во всех клетках животных и растений. Они входят в состав многих клеточных структур.

Липиды представляют собой органические вещества, нераст­воримые в воде, но растворимые в бензине, эфире, ацетоне.

Из липидов самые распространенные и известные - жиры.

Содержание жира в клетках обычно невелико: 5-10% (от сухо­го вещества). Существуют, однако, клетки, в которых около 90% жира. У животных такие клетки находятся под кожей, в грудных железах, сальнике. Жир содержится в молоке всех млекопитаю­щих. У некоторых растений большое количество жира сосредоточено в семенах и плодах, например у подсолнечника, конопли, грецкого ореха.

Кроме жиров в клетках присутствуют и другие липидов, на­ пример лецитин, холестерин. К Липидам относятся некоторые ви­тамины (А, О) и гормоны (например, половые).

Биологическое значение липидов велико и многообразно. Отметим, прежде всего, их строительную функцию. Липиды гидро­фобны. Тончайший слой этих веществ входит в состав клеточных мембран. Велико значение самого распространенного из липи­дов - жира - как источника энергии. Жиры способны окислять­ся в клетке до оксида углерода (IV) и воды. В ходе расщеп­ления жира освобождается в два раза больше энергии, чем при расщеплении углеводов. Животные и растения откладывают жир в запас и расходуют его в процессе жизнедеятельности. Высокое содержание жира в семенах необходимо для обеспечения энер­гией проростка, пока он не перейдет к самостоятельному пита­нию.

Необходимо отметить далее значение. жира как источника воды. Из 1 кг жира при его окислении образуется почти 1,1 кг воды. Это объясняет, каким образом некоторые животные' спо­собны обходиться довольно значительное время без воды. Верб­люды, например, совершающие переход через безводную пусты­ню, могут не пить в течение 10-12 дней. Медведи, сурки и дру­гие животные в спячке не пьют более двух месяцев. Необходи­мую для жизнедеятельности воду эти животные получают в ре­зультате окисления жира. Кроме структурной и энергетической функций, липиды выполняют защитные функции:, жир обладает низкой теплопроводностью. Он откладывается под кожей, обра­зуя у некоторых животных значительные скопления. Так, у кита толщина подкожного слоя жира достигает 1м, что позво­ляет этому животному жить в холодной воде полярных морей.

3. Биополимеры: белки, нуклеиновые кислоты.

Из всех органических веществ основную массу в клетке (50-70%) со­ставляют белки. Оболочка клетки и все ее внутренние структуры построены-с участием молекул белков. Молекулы белков очень крупные, поскольку состоят из многих сотен различных мономеров, образующих всевозможные комби­нации. Поэтому многообразие видов белков и их свойств поистине бесконеч­но. Белки входят в состав волос, перьев, рогов, мышечных волокон, питатель­

ных веществ яиц и семян и многих других частей организма.

Молекула белка - полимер. Мономерами молекул белка являются ами­нокислоты.

В природе известно более 150 различных аминокислот, но в построе­нии белков живых организмов обычно участвуют только 20. Длинная нить последовательно присоединенных друг к другу аминокислот представляет первичную структуру молекулы белка (она отображает его химическую формулу). Обычно эта длинная нить туго скручивается в спираль, витки которой проч­но соединены между собой водородными связями. Спирально скрученная нить молекулы - это вторичная структура ,молекулы белка. Такой белок ужет рудно растянуть. Свернутая в спираль молекула белка затем скручивается веще более плотную конфигурацию - третичную структуру. У некоторых бел­ков встречается еще более сложная форма - четвертичная структура, напри­мер у гемоглобина. В результате такого многократного скручивания длинная и тонкая нить молекулы белка становится короче, толще и собирается в ком­пактный комок - глобулу Только глобулярный белок выполняет в клетке свои биологические функции.

Если нарушить структуру белка, например, нагреванием или химическим воз­действием, то он теряет свои качества и раскручивается. Этот процесс называет­ся денатурацией. Если денатурация затронула только третичную или вторичную структуру, то она обратима: может снова закрутиться в спираль и уложиться в тре­тичную структуру (явление денатурации). При этом восстанавливаются функции данного белка. Это важнейшее свойство белков лежит в основе раздражимости живых систем, Т.е. способности живых клеток реагировать на внешние или внут­ренние раздражители.

Многие белки выполняют роль катализаторов в химических реакциях,

проходящих в клетке. Их называют ферментами. Ферменты участвуют в пере­носе атомов и молекул, в расщеплении и построении белков, жиров, углево­дов и всех других соединений (т.е. в клеточном обмене веществ). Ни одна хи­мическая реакция в живых клетках и тканях не обходится без участия фер­ментов. Все ферменты обладают специфичностью действия - упорядочивают протекание процессов или ускоряют реакции в клетке.

Белки в клетке выполняют множество функций: участвуют в ее строе­нии, росте и во всех процессах жизнедеятельности. Без белков жизнь клетки невозможна.

Нуклеиновые кислоты впервые были обнаружены в ядрах клеток, в связи, с чем и получили свое название (лат. пuсlеus - ядро). Есть два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (сокращенно ДИК) и рибонуклеиновая кислота (РИК). Молекулы нуклеиновых кислот пред­

ставляют собой очень длинные полимерные цепочки (тяжи), мономерами

которых являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид содержит в себе по од­ной молекуле фосфорной кислоты и сахара (дезоксирибозу или рибозу), а так­же одно из четырех азотистых оснований. Азотистыми основаниями у ДНК являются аденин гуанин и цumозuн, и mи.мин,.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) - важнейшее вещество в живой клетке. Молекула ДНК является носителем наследственной информации клетки и организма в целом. Из молекулы ДНК образуется хромосома. У орга­низмов каждого биологического вида определенное количество молекул ДНК на клетку. Последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК также всегда строго индивидуальна и. неповторима не только для каждого биологического вида, но и для отдельных особей. Такая специфичность молекул ДНК служит основой для установления родственной близости организмов.

Молекулы ДНК у всех эукариот находятся в ядре клетки. У прокариот нет ядра, поэтому их ДНК располагается в цитоплазме.

у всех живых существ макромолекулы ДНК построены по одному и то­му же типу. Они состоят из двух полинуклеотидных цепочек (тяжей), скреп­ленных между собой водородными связями азотистых оснований нуклеоти­дов (наподобие застежки «молния»). В виде двойной (парной) спирали моле­кула ДНК скручивается в направлении слева направо.

Последовательность в расположении нуклеотидов в молекуле дик определяет наследственную информацию клетки.

Структуру молекулы ДНК раскрыли в 1953 г. американский биохимик

Джеймс Уотсон и английский физик Френсис Крик. За это открытие ученые были удостоены в 1962 г. Нобелевской премии. Они доказали, что молекула

ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей. При этом нуклеотиды (моно­меры) соединяются друг с другом не случайно, а избирательно и парами по­средством азотистых соединений. Аден ин (А) всегда стыкуется с тимином (Т), а гуанин (г) - с цитозином (Ц). Эта двойная цепь туго закручена в спи­раль. Способность нуклеотидов к избирательному соединению в пары называ­ется комплементарностью (лат. complementus - дополнение).

Репликация происходит следующим образом. При участии специальных клеточ­ных механизмов (ферментов) двойная спираль ДНК раскручивается, нити рас­ходятся (наподобие того, как расстегивается «молния»), и постепенно к каждой из двух цепочек достраивается комплиментарная ей половина из соответствую­щих нуклеотидов. 8 результате вместо одной молекулы ДНК образуются две но­вые одинаковые молекулы. При том каждая вновь образованная двухцепочная молекула ДНК состоит из одной «старой» цепочки нуклеотидов и одной «новой». Поскольку ДНК является основным носителем информации, то ее способность к удвоению позволяет при делении клетки передавать ту наследственную ин­формацию во вновь образующиеся дочерние клетки.