Химический состав клетки

Все клетки животных и растений сходны не только по строению, но и

по химическому составу. Они содер­жат как неорганические, так и ор­ганические вещества.

Неорганические вещества клетки.В состав клетки входят более 80 хи­мических элементов периодической системы Менделеева. При этом на долю шести из них – углерода, во­дорода, азота, кислорода, фосфора и серы приходится около 99% общей массы клетки. Химические элементы находятся в клетке либо в виде ионов, либо в виде соединений. Первое место среди веществ клетки занимает вода, имеющая химическую формулу Н₂О. Вода составляет около 70% массы клетки. Большинство реакций, протекающих в клетке, могут идти только в водной среде. Вода обладает высокой теплоемкостью и теплопроводностью.

Благодаря этим свойствам в клетке поддерживается тепловое равнове­сие. Она – основное средство пере­движения веществ в клетке и орга­низме. Велико значение воды как растворителя: многие вещества по­ступают в клетку из внешней среды в водном растворе и в водном же растворе выводятся из клетки отра­ботанные продукты. Вода определяет физические свойства клетки – ее объем, упругость. При потере боль­шого количества воды организмы гибнут.

К неорганическим веществам клетки, кроме воды, относят соли. Для процессов жизнедеятельности клетки наиболее важны катионы К⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, а также анионы Н₂Р0₄^– Cl^–, НСО₃^–. Концентрация катионов и анионов во внутрикле­точной и внеклеточной средах раз­лична. Так, внутри клетки всегда довольно высокая концентрация ионов калия и очень низкая – ионов нат­рия. Напротив, в окружающей клет­ку среде – в тканевой жидкости меньше ионов калия и больше ионов натрия. Пока клетка жива, эти раз­личия в концентрациях ионов калия и натрия между клеточной и внекле­точной средами сохраняют постоян­ство. После гибели клетки содержа­ние ионов в клетке и окружающей ее среде быстро выравнивается.

Основные сложные органические химические вещества, присутствующие в клетках человека. Их состав и функции.

Органические вещества (биомолекулы)	Строительные блоки	Главные функции
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота)	нуклеотиды (азотистое основание + углевод + фосфорная кислота)	генетический материал
РНК (рибонуклеиновая кислота)	нуклеотиды	матрица для синтеза белков
Белки	аминокислоты	строительная, ферментативная, двигательная, транспортная, за­щитная, энергетическая
Полисахар иды	глюкоза	запас энергии на короткое время
Липиды	жирные кислоты	компоненты мембран, запас энер­гии на длительное время

Органические вещества клетки (табл. 1). Можно сказать, что почти все молекулы клетки относятся к сое­динениям углерода. Благодаря не­большому размеру и наличию на внешней оболочке четырех электро­нов, атом углерода может образо­вывать четыре прочные ковалентные связи с другими атомами, создавая большие и сложные молекулы. Углеродсодержащие вещества характер­ны только для живых клеток и ор­ганизмов.

Большинство органических соеди­нений, входящих в состав клетки, характеризуются большим размером молекул. Поэтому их называют мак­ромолекулами (от греч. macros – большой). Такие молекулы состоят из повторяющихся сходных по струк­туре и связанных между собой соеди­нений – мономеров (от греч. monos – один). Образованную мономе­рами макромолекулу называют поли­мером (от греч. poly – много).

Белки. Белки составляют основ­ную массу цитоплазмы и ядра клет­ки. В состав всех белков входят ато­мы водорода, кислорода и азота. Во многие белки входят атомы серы, фосфора. Каждая молекула белка состоит из тысяч атомов, например молекула белка гемоглобина (C₃₈₃₂H₄₆₁₆О₈₇₂N₇₈₀S₈Fe₄) .

Существует огромное количество различных белков. Все они построены из аминокислот. Каждая аминокис­лота содержит карбоксильную группу (СООН), имеющую кислотные свойства, и аминогруппу (NН₂), име­ющую основные свойства. Участки молекул, лежащие вне амино- и кар­боксильной групп, которыми отлича­ются аминокислоты, называют ра­дикалами (R).

К числу важнейших аминокислот относят аланин, глутаминовую и аспарагиновую кислоты, пролин, лей­цин, цистеин. Соединения аминокис­лот друг с другом называют пептидами. Пептид из двух аминокислот называют дипептидом, из трех амино­кислот – трипептидом, из многих аминокислот – полипептидом. Та­ким образом, белки являются по­лимерами, мономерами которых слу­жат аминокислоты. В состав боль­шинства белков входит 300 – 500 аминокислот, но есть и более круп­ные белки, состоящие из 1500 и более аминокислот.

Белки отличаются составом, чис­лом и порядком чередования аминокислотных звеньев в полипептидной цепи. Установлено, что именно по­следовательность чередования ами­нокислот имеет первостепенное зна­чение в существующем разнообра­зии белков. Многие молекулы белков имеют большую длину и молекуляр­ную массу. Так, молекулярная масса инсулина – 5700, гемоглобина – 65 000, а воды – всего 18.

Полипептидные цепи белков не всегда вытянуты в длину. Они мо­гут скручиваться, изгибаться или свертываться самым различным об­разом.

Разнообразие физических и хими­ческих свойств белков обеспечивает им выполнение множества функций: строительную, ферментативную, двигательную, транспортную, защитную, энергетическую.

Углеводы – это сложные ор­ганические вещества, в состав кото­рых входят атомы углерода, кисло­рода и водорода. Общая формула углеводов С_n(Н20)n, где n – не меньше трех. Различают простые и сложные углеводы. Простые углево­ды называют моносахаридами. Сложные углеводы представляют со­бой полимеры, в которых моносахариды играют роль мономеров. Из двух мономеров образуется дисахарид, из трех – трисахарид, из мно­гих – полисахарид. Все моносахариды – бесцветные вещества, хорошо растворимые в воде. Самые распро­страненные моносахариды в живот­ной клетке – глюкоза, рибоза, дезоксирибоза.

Глюкоза – первичный источник энергии для клетки. Подвергаясь рас­щеплению, она превращается в оксид углерода и воду (СО₂+Н₂О).

В ходе этой реакции освобож­дается энергия (при расщеплении 1 г глюкозы освобождается 17,6 кДж энергии). Рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот и аденозинтрифосфорной кислоты.

Липиды образованы теми же химическими элементами, что и угле­воды, – углеродом, водородом и кислородом. Они представляют собой органические вещества, нераствори­мые в воде. Самые распространен­ные липиды – жиры. Жир – основ­ной источник энергии. При его рас­щеплении выделяется в 2 раза боль­ше энергии, чем при расщеплении углеводов. Липиды гидрофобны, они входят в состав клеточных мембран.

Нуклеиновые кислоты-ДНК и РНК. Название «нуклеи­новые кислоты» происходит от ла­тинского слова «нуклеус», т.е. ядро, где они и были впервые обнаружены. Нуклеиновые кислоты являются полинуклеотидами, т. е. представляют собой последовательно соединенные друг с другом нуклеотиды. Нуклеотид – это химическое соединение, со­стоящее из одной молекулы фосфорнои кислоты, одной молекулы моносахарида и одной молекулы органи­ческого основания. Органические ос­нования при взаимодействии с кис­лотами могут образовывать соли.

Молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК.) представляет со­бой две цепи, спирально закручен­ные одна вокруг другой. Каждая цепь – полимер, мономерами кото­рого являются нуклеотиды, в состав которых входят азотистые основания (аденин, тимин, гуанин, цитозин), углевод (дезоксирибоза) и фосфор­ная кислота.

При образовании двойной спира­ли комплементарные азотистые осно­вания одной цепи «стыкуются» с азотистыми основаниями другой. Ос­нования подходят друг к другу на­столько близко, что между ними воз­никают водородные связи. В полинуклеотидных цепях ДНК каждые три следующие друг за другом нуклеотида составляют триплет (сово­купность из трех компонентов). Наи­высшее число возможных трипле­тов 64, т. е. 4³.

ДНК имеет уникальное свойст­во – способность к удвоению, кото­рым не обладает ни одна из дру­гих известных молекул. В определен­ные моменты ДНК может существо­вать в виде одноцепочной молекулы. При достаточном наборе нуклеотидов и в присутствии специальных ферментов происходит воссоздание (образование) недостающей полови­ны на основе принципа комплементарности (дополнения к имеющейся).

Молекула рибонуклеиновой кис­лоты (РНК) также полимер, моно­мерами которой являются нуклеоти­ды, в состав которой входят азотис­тые основания (аденин, урацил, гуа­нин, цитозин), углевод (рибоза) и фосфорная кислота. РНК представ­ляет собой одноцепочную молеку­лу. В РНК, так же как и в ДНК, комбинации из трех нуклеотидов образуют триплеты, или информа­ционные единицы. Каждый три­плет управляет включением в бе­лок совершенно определенной амино­кислоты.

Наивысшее число возмож­ных триплетов, так же как и в ДНК – 64.

По выполняемым функциям выде­ляют несколько видов РНК: тран­спортная РНК (тРНК) в основном содержится в цитоплазме клетки; рибосомная РНК (рРНК) составляет существенную часть структуры рибосом; информационная РНК (иРНК), или матричная (мРНК), содержится в ядре и цитоплазме клетки и пере­носит информацию о структуре бел­ка от ДНК к месту синтеза белка в рибосомах. Все виды РНК синтези­руются на ДНК, которая служит своего рода матрицей.

Ферменты. Реакции органиче­ских соединений в клетках и тканях протекают с очень низкой скоростью. В то же время живая клетка имеет особые вещества для ускорения реак­ций, которые называют ферментами. Ферменты, расщепляющие углеводы называют сахаразами, отщепляющие водород – дегидрогеназами, расщепляющие жиры – липазами.