Химический состав клетки и обмен веществ на клеточном уровне
Введение
Клетка – это основная единица живого (биологической активности), ограниченная полупроницаемой мембраной и способная к самовоспроизведению в среде, не содержащей живых систем.
Начало биологической эволюции связано с появлением на Земле клеточных форм жизни.
Одноклеточные организмы представляют собой существующие отдельно друг от друга клетки. Тело всех многоклеточных – животных и растений – построено из большего или меньшего числа клеток, которые являются своего рода блоками, составляющими сложный организм. Независимо от того, представляет ли собой клетка целостную живую систему – отдельный организм или составляет лишь его часть, она наделена набором признаков и свойств, общим для всех клеток.
1. Химический состав клетки
Клеточное вещество является сложным полифазным коллоидом, т.е. представляет собой систему из двух несмешивающихся фаз. Одна из этих фаз структурно является цитоплазматическим матриксом и выполняет роль водной фазы с переходами от жидкого до твердого состояния, тогда как другая является мембранной системой и выполняет роль относительно жидкой фазы. Цитоплазма практически бесцветна, имеет характер раствора.
В элементарном составе клетки насчитывают более 70 элементов, среди которых наиболее частыми являются кислород, углерод, водород, азот. На долю кислорода приходится 65% общей массы, на долю углерода – 18%, водорода – 10%, азота - 3%.
После этих элементов идут кальций, фосфор, калий, сера, натрий, хлор. Поскольку все эти элементы встречаются в клетках в большом количестве, часто их называют макроэлементами. Марганец, медь, йод, кобальт и другие, обнаруживаемые в микроколичествах, называют микроэлементами.
Химические элементы, входящие в состав клеток и обладающие биологическими функциями, называют биогенными.
Химические элементы участвуют в построении вещества клеток в виде ионов (катионов и анионов) или химических соединений. Важными являются катионы К*, Na*, Ca²*, Mg²*. Что касается анионов, то ими являются H2PO4¯, Cl¯и HCO³¯.
Соединяясь химическими связями, группы атомов образуют так называемые малые органические молекулы, которыми являются аминокислоты, нуклеотиды, сахара и жирные кислоты. Из этих малых молекул в клетках формируются макромолекулы в виде белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов.
Клетки построены как из неорганических, так и органических соединений.
Неорганическими соединениями клетки являются вода и минеральные соли.
Вода составляет около 70% массы клетки. У отдельных организмов, например медуз, содержание превышает 95%. У растений очень прочное сцепление молекул воды способствует переносу растворенных питательных веществ из корней в листья при транспирации. На молекулярном уровне у наземных и водных животных, равно как и у растений, вода определяет ряд важных свойств макромолекул.
В теле человека вода составляет 60%, из которой 40% приходится на внутриклеточную, а 20% – на экстраклеточную воду. Плазма крови содержит 5% экстраклеточной воды.
Вода имеет исключительно важное значение для жизнедеятельности клеток, представляя собой среду, в которой осуществляются важнейшие реакции, лежащие в основе синтеза и распада веществ. В воде хорошо растворяются хлористый натрий, сахара, простые спирты, альдегиды, катионы. Эта особенность воды имеет очень важное биологическое значение.
Для воды характерно то, что она обладает некоторой способностью к обратимой ионизации, в ходе которой она распадается на ионы водорода (Н*) и ионы гидроксила (ОН¯). Величины рН всех жидкостей организмов исключительно постоянны. Их изменения чрезвычайно неблагоприятны для организмов, поскольку даже небольшие сдвиги рН характеризуются значительным падением каталитической активности ферментов.
В воде под влиянием ферментов происходят реакции гидролиза белков и других соединений. Вода принимает участие также в выведении из клеток продуктов обмена. Наконец, она поддерживает тепловой режим клетки.
Минеральные соли входят в состав цитоплазмы. Встречаются калиевые, натриевые, магниевые соли, соли серной, соляной, фосфорной и других кислот. Важнейшая роль минеральных солей заключается в определении ими кислотно-щелочного состояния протоплазмы. Они необходимы также для размножения клеток.
Органическими (углеродсодержащими) соединениями клетки являются белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды и АТФ.
Белки, или, как их еще называют, протеины, являются наиболее сложными химическими соединениями, характеризующимися большой молекулярной массой. В состав всех известных белков входят углерод, водород, азот и кислород. В большинстве белков находят серу, а в некоторых белках – фосфор, железо, цинк и медь. Будучи макромолекулами, они представляют собой линейные полимеры, в которых мономерами являются аминокислоты, каждая из которых состоит из аминогруппы(-NH2), карбоксильной группы (-COOH), атома водорода и R-группы, присоединенной к атому углерода, который называют α – углеродным атомом.
Белки различаются по составу на простые и сложные. Простые белки состоят только из аминокислот. Сложные белки содержат соединения как органические, так и неорганические.
Углеводы – это органические соединения углерода, водорода и кислорода с общей формулой (СН2) n.
Углеводы обладают структурной функцией, причем самым распространенным структурным углеводом является целлюлоза. Другими структурными углеводными элементами являются гликоза-миногликаны (кислые мукополисахариды) и протеогликаны.
Углеводы являются важнейшим источником энергии в организме, которая освобождается в результате окислительно-восстановительных реакций. Углеводы служат своеобразным питательным резервом клеток, запасаясь в них в виде гликогена в клетках животных и крахмала в клетках растений.
Липиды – жиры, которые являются соединениями, состоящими из жирных кислот и глицирола. Липиды встречаются почти во всех клетках, но в основном в небольших количествах, хотя некоторые клетки содержат эти соединения в очень больших количествах, доходящих до 90% их сухой массы. Они обнаруживаются в нервной ткани, мужских половых клетках, в семенах растений. Липиды в сочетании с другими соединениями образуют более сложные соединения и обладают рядом важнейших свойств в жизни клеток. Прежде всего, поскольку углеводы могут переводится в липиды, то последние выполняют роль накопитель энергии, ибо окисление липидов сопровождается выделением энергии.
Очень важное значение в построении клеточных структур липиды приобрели в составе фосфолипидов, которые являются одним из основных строительных материалов мембран клеток. Важную биологическую роль в жизни клеток и организмов играют также липопротеиды.
Также в клетках в очень небольших количествах встречаются аминокислоты в свободном состоянии, которые не встречаются в составе белков.
Содержание химических элементов в клетке
Элементы Количество (в%) Элементы Количество (в%)
Кислород 65–75 Кальций 0,04–2,00
Углерод 15–16 Магний 0,02–0,03
Водород 8–10 Натрий 0,02–0,03
Азот 1,5–3,0 Железо 0,01–0,015
Фосфор 0,2–1,0 Цинк 0,0003
Калий 0,15–0,4 Медь 0,0002
Сера 0,15–0,2 Йод 0,0001
Хлор 0,05–0,1 Фтор 0,0001
В таблице приведены данные об атомном составе клеток. 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%)
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 не органического мира нет. Различия обнаруживаются на более высоком уровне организации – молекулярном.
2. Обмен веществ на клеточном уровне
Для химических реакций, протекающих в клетке, характерны величайшая организованность и упорядоченность: каждая реакция протекает в строго определенном месте. Молекулы ферментов расположены в один слой на внутренних структурах – мембранах митохондрий и эндоплазматической сети, выстилая их, как кафель стенку. При этом местоположение ферментов не случайно: они расположены в том порядке, в котором идут реакции. Мембраны клетки, выстланные молекулами ферментов, представляют своего рода «каталитический конвейер», на котором с исключительной точностью осуществляются химические реакции.
Пластический и энергетический обмен (ассимиляция и диссимиляция). В клетке обнаружена примерно тысяча ферментов. С помощью этого мощного каталитического аппарата осуществляется сложнейшая и многообразная химическая деятельность. Из громадного числа химических реакций клетки выделяются два противоположных по характеру типа реакций. Первый из них представляет реакции синтеза. В клетке постоянно идут процессы созидания. Из простых веществ образуются более сложные, из низкомолекулярных – высокомолекулярные. Синтезируются белки, сложные углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты. Синтезированные вещества используются для построения разных частей клетки, ее органоидов, секретов, ферментов, запасных веществ. Синтетические реакции особенно интенсивно идут в растущей клетке, но и у вполне взрослой, т.е. закончившей рост и развитие, клетки постоянно происходит синтез веществ для замены молекул, израсходованных и износившихся в процессе функционирования или разрушенных при повреждении. На место каждой разрушенной молекулы белка или какого-нибудь другого вещества встает новая молекула. Таким путем клетка сохраняет постоянной свою форму и химический состав, несмотря на непрерывное их изменение в процессе жизнедеятельности.