Химия как раздел естествознания Основные задачи современной химии (стр. 61 из 68)

Рис. 17.1 схематически изображены основные органеллы клетки.

Рис. 17.1. Основные органеллы клетки

Живая клетка состоит на 70 – 95 % из воды, всѐ остальное – это органические вещества. Основными классами органических соединений, входящих в состав клетки, являются углеводы (полисахариды и моносахариды), липиды (жиры, стероиды), белки (протеины) и нуклеиновые кислоты. Белок составляет

более 50% сухого остатка любой клетки и участвует во всех происходящих в ней процессах.

Углеводы, или сахара, делятся на моносахариды и полисахарида. Важнейшими для живых систем моносахаридами являются гексозы, в первую очередь, глюкоза С₆Н₁₂О₆, а также пентозы рибоза С₅Н₁₀О₅ и дезоксирибоза С₅Н₁₀О₄. Полисахариды можно представить как полимерные молекулы, состоящие из остатков молекул моносахарида глюкозы С₆Н₁₂О₆. Сахариды синтезируются зелѐными растениями в процессе фотосинтеза, который можно представить в виде упрощѐнной схемы образования глюкозы:

6CО₂ С₆H₁₂O₆ 6O₂; H 2815,8 ^кДж (17.1) хлорофилл моль

Где h

- кванты солнечной энергии, а хлорофилл – составная часть хлоропласта растений - катализатор, ускоряющий процесс фотосинтеза. Глюкоза является основным источником энергии для всех живых систем, то есть углеводы выполняют в жизнедеятельности организмов энергетическую функцию.

Жиры, или липиды, представляют собой сложные эфиры трѐхатомного спирта глицерина и насыщенных (жирных) карбоновых кислот с 16-28 атомами в углеродной цепи. В состав молекулы жира могут входить одинаковые или разные кислотные остатки. Примерами таких жиров являются тристеарин (1) и пальмитоолеостеарин (2).

1) СН₂-ОС(О)-С₁₇H₃₅ СН₂-ОС(О)-С₁₇Н₃₅ СН2-ОС(О)-С17Н35

2) СН₂-О-С(О)-С₁₅Н₃₁ СН₂-О-С(О)-С₁₇Н₃₃

СН₂-О-С(О)-С₁₇Н₃₅

Жиры являются хорошим источником энергии, так как полностью «сгорают» в организме, выделяя при этом вдвое больше энергии, чем такое же количество углеводов или белков.

Строение белков и нуклеиновых кислот как природных полимеров было рассмотрено в Лекции 6.

17.2. Метаболизм

Живая клетка – это целое химическое производство, где на микроскопическом пространстве происходят тысячи химических реакций. Метаболизмом называется возникающее при этом свойство живой материи управлять этим множеством взаимодействий при обмене веществ с окружающей средой. Слово метаболизм происходит от греческого слова, metabolus означающего изменение, поэтому его часто путают с обменом веществ. Однако метаболизм не обмен веществ, а механизм управления этим обменом. Метаболизм можно представить в виде тщательно продуманной «дорожной карты» десятков тысяч реакций, происходящих в клетке, сходной с картой интенсивных транспортных потоков большого города. Реакции проходят по замысловатым разветвленным «метаболическим тропинкам», на которых происходит постепенное превращение молекул. На некоторых «метаболических дорожках» энергия высвобождается при разложении сложных соединений на простые составляющие. Эти дорожки называются катаболическими. Главные «магистрали» здесь – это процессы клеточного дыхания, в которых глюкоза окисляется до двуокиси углерода и воды:

С₆Н₁₂О₆ → 6СО₂+ Н₂О; H 2815,8 ^кДж (17.2)

моль

Процесс клеточного дыхания (17.2) является обратной реакцией по отношению к процессу фотосинтеза (17.1). Энергия, выделяющаяся в многостадийном и сложном процессе клеточного дыхания, идет на процессы жизнедеятельности клетки.

Имеются также анаболические дорожки, на которых затрачивается энергия на построение более сложных молекул из простых. Примером анаболизма является синтез белка из аминокислот (см. Лекцию 6).

Самопроизвольно химические реакции идут только, если свободная энергия Гиббса (зависящая от соотношения величин энтальпии, энтропии и температуры системы) отрицательна (см. Лекцию 13). Если же свободная энергия Гиббса положительна, для осуществления реакции нужен дополнительный приток энергии из окружающей среды. В процессах метаболизма экзотермические реакции (идущие с выделением энергии в окружающую среду) снабжают энергией эндотермические реакции (идущие с поглощением энергии). Любая реакция самопроизвольно достигает состояния равновесия, где беспорядок максимален; чтобы вывести некоторую реакцию из состояния равновесия, клетке требуется дополнительный приток энергии из окружающей среды. Все катаболические реакции, если их проводить в изолированной системе (колбе), самопроизвольно стремятся к термодинамическому равновесию. В живой клетке эти реакции всегда идут в прямом направлении и не достигают состояния равновесия. Это происходит потому, что продукты одной реакции не накапливаются, а служат исходными веществами для следующей реакции на метаболических дорожках, а отходы жизнедеятельности удаляются из клетки. В результате клетка как биохимическая система все время находится в состоянии, далеком от равновесного, так как выполняется принцип Ле Шателье (см. Лекцию 9).

Клетка «ведет» материю по «метаболическим тропам» с помощью катализаторов – энзимов, или ферментов (оба термина происходят от греческого и латинского слов, означающих закваска) – это белковые молекулы-катализаторы, которые обладают свойством избирательно ускорять или замедлять реакции метаболизма. Энзимы снижают энергию активации реакций, не влияя на величину свободной энергии. Если бы все метаболические дорожки открывались одновременно, в клетке царил бы химический хаос. В действительности же, все операции на каждой метаболической дорожке строго регулируются. Дорожки «открываются и закрываются» с помощью управляемого катализа.

Одним из самых обычных механизмов регулирования метаболизма является обратное замедление процессов. Конечный продукт «запирает» дорожку, служа ингибитором (замедлителем) для соответствующего энзима. Например, клетка использует дорожку из пяти стадий для синтеза аминокислоты под названием изолейцин из трионина, другой аминокислоты. Как только концентрация изолейцина достигает определенной величины, она «выключает» синтез самой себя. Это происходит потому, что изолейцин служит ингибитором того энзима, который служит катализатором самой первой стадии синтеза. Таким образом, клетка не синтезирует больше изолейцина, чем это необходимо.

Сложная структура клетки организует метаболизм во времени и пространстве. Целая «команда» энзимов на нескольких метаболических дорожках объединяется в комплекс. Этот комплекс задаѐт последовательность реакций, в которых продукт первого энзима становится исходным веществом для второго, и так до тех пор, пока не образуется конечный продукт. Для организации процессов метаболизма некоторые энзимы размещаются в определенных местах клетки и даже «ограждаются» мембранами. Даже если энзимы растворяются, они могут быть сильно сконцентрированы вместе со своими субстратами (исходными веществами) в разнообразных метаболических отделах, или органеллах, клетки. Мембраны делят клетку на отсеки, которые имеют свою собственную химическую среду и особую смесь энзимов. Подобно красному, зеленому и желтому сигналам светофора, регулирующим потоки транспорта на дорогах и предохраняющих их от аварий, энзимы поддерживают равновесие между поступлением и расходом вещества, не допуская нехватки или избытка необходимых клетке химических веществ. В целом, метаболизм является механизмом, обеспечивающим высокую упорядоченность и самоорганизацию клетки как биохимической системы.

17.3. Триплетный код и матричный синтез

Последовательность событий, происходящая между тем моментом, когда клетка делится, и тем, когда делится снова дочерняя клетка, называется жизненным циклом клетки. Между этими делениями клетка находится в интерфазе, периоде активного роста и метаболизма. Продолжительность жизненного цикла различных клеток различна в зависимости от их типа и физиологического состояния. Одни клетки делятся каждый час, другим для этого требуется не меньше суток. Некоторые клетки делятся гораздо реже или не делятся совсем: примером служат клетки мышечных тканей и нервные клетки.

Период интерфазы составляет не менее 90% всего жизненного цикла клетки. В период роста и бурной метаболической активности происходит формирование и рост всех составных частей клетки. Затем наступает фаза роста и репликации ДНК и количество хромосом удваивается. Затем наступает вторая фаза роста клетки и ее подготовки к делению. Затем наступает самая драматическая фаза в жизни клетки – митоз, хорошо различимая в микроскоп. При делении ядра удвоенный набор хромосом распределяется между дочерними клетками, причем каждая получает одинаковое количество генетического материала: по одной молекуле ДНК. Эксперименты показывают, что ошибка в распределении генетического материала между дочерними клетками не превышает величины 1:100000. На последнем этапе митоза между дочерними клетками распределяется цитоплазма.