Хімічна організація клітин: органічні речовини, макро- і мікроелементи
В кінці 19 століття сформувалася галузь біології, названа біохімією. Вона вивчає хімічний склад живої клітини. Головне завдання науки - пізнання особливостей обміну речовин і енергії, що регулюють життєдіяльність рослинних і тваринних клітин.
Поняття про хімічний склад клітини
В результаті ретельних досліджень вченими була вивчена хімічна організація клітин і встановлено, що живі істоти мають в своєму складі більше 85 хімічних елементів. Причому деякі з них є обов`язковими практично для всіх організмів, а інші специфічні і зустрічаються у конкретних біологічних видів. А третя група хімічних елементів присутній в клітинах мікроорганізмів, рослин і тварин в досить малих кількостях. Хімічні елементи в склад клітин входять найчастіше у вигляді катіонів та аніонів, з яких утворюються мінеральні солі і вода, а також синтезуються углеродсодержащие органічні сполуки: вуглеводи, білки, ліпіди.
органогенні елементи
У біохімії до них відносяться карбон, гідроген, оксиген та нитроген. Їх сукупність становить в клітці від 88 до 97% від інших хімічних елементів, що знаходяться в ній. Особливо важливий карбон. Усе органічні речовини в складі клітини складаються з молекул, що містять в своєму складі атоми вуглецю. Вони здатні з`єднуватися між собою, утворюючи ланцюги (розгалужені і нерозгалужені), а також цикли. Ця здатність вуглецевих атомів лежить в основі вражаючої різноманітності органічних речовин, що входять до складу цитоплазми і клітинних органоїдів.
Наприклад, внутрішній вміст клітини складається з розчинних олигосахаридов, гідрофільних білків, ліпідів, різних видів рибонуклеїнової кислоти: транспортної РНК, рибосомальної РНК і інформаційної РНК, а також вільних мономерів - нуклеотидів. Подібний хімічний склад має і клітинне ядро. Воно також містить молекули дезоксирибонуклеїнової кислоти, що входять до складу хромосом. Всі перераховані вище сполуки мають в своєму складі атоми нітрогену, карбону, Оксиген, гідрогену. Це є доказом їх особливо важливого значення, так як хімічна організація клітин залежить від змісту біогенних речовин, що входять до складу клітинних структур: гіалоплазми і органел.
Макроелементи та їх значення
Хімічні елементи, які також дуже часто зустрічаються в клітинах різних видів організмів, в біохімії називаються макроелементами. Їх вміст у клітині становить 1,2% - 1,9%. До макроелементів клітини відносяться: фосфор, калій, хлор, сірка, магній, кальцій, залізо і натрій. Всі вони виконують важливі функції і входять до складу різних клітинних органел. Так, іон двовалентного заліза присутній в білку крові - гемоглобіні, який транспортує кисень (в цьому випадку він називається оксигемоглобін), вуглекислий газ (карбогемоглобін) або чадний газ (карбоксигемоглобін).
Іони натрію забезпечують найважливіший вид міжклітинної транспорту: так званий натрій-калієвий насос. Вони також входять до складу міжтканинної рідини і плазми крові. Іони магнію присутні в молекулах хлорофілу (фотопігмент вищих рослин) і беруть участь в процесі фотосинтезу, так як утворюють реакційні центри, що вловлюють фотони світлової енергії.
Іони кальцію забезпечують проведення нервових імпульсів по волокнам, а також є головним компонентом остеоцитів - кісткових клітин. З`єднання кальцію широко поширені в світі безхребетних тварин, у яких раковини складаються з карбонату кальцію.
Іони хлору беруть участь в перезарядці клітинних мембран і забезпечують виникнення електричних імпульсів, що лежать в основі нервового збудження.
Атоми сірки входять до складу нативних білків і обумовлюють їх третинну структуру, «зшиваючи» поліпептидний ланцюг, внаслідок чого формується глобулярна білкова молекула.
Іони калію беруть участь в транспорті речовин через клітинні мембрани. Атоми фосфору входять до складу такого важливого енергоємного речовини, як аденозинтрифосфорная кислота, а також є важливим компонентом молекул дезоксирибонуклеїнової і рибонуклеїнових кислот, які є головними речовинами клітинної спадковості.
Функції мікроелементів в клітинному метаболізмі
Близько 50 хімічних елементів, що становлять менше 0,1% в клітинах, називаються мікроелементами. До них відносять цинк, молібден, йод, мідь, кобальт, фтор. При незначному вмісті вони виконують дуже важливі функції, так як входять до складу багатьох біологічно активних речовин.
Наприклад, атоми цинку знаходяться в молекулах інсуліну (гормону підшлункової залози, що регулює рівень глюкози в крові), йод є складовою частиною гормонів щитовидної залози - тироксину і трийодтироніну, контролюючих рівень обміну речовин в організмі. Мідь, поряд з іонами заліза, бере участь в кровотворенні (утворенні еритроцитів, тромбоцитів і лейкоцитів у червоному кістковому мозку хребетних тварин). Іони міді входять до складу пігменту Гемоціанін, присутнього в крові безхребетних тварин, наприклад молюсків. Тому колір гемолімфи у них блакитний.
Ще менше вміст у клітині таких хімічних елементів, як свинець, золото, бром, срібло. Вони називаються ультромікроелементамі і входять до складу рослинних і тваринних клітин. Наприклад, в зернівках кукурудзи хімічним аналізом були виявлені іони золота. Атоми брому в великій кількості входять до складу клітин слані бурих і червоних водоростей, наприклад саргассума, ламінарії, фукуса.
Всі раніше наведені приклади і факти пояснюють, як взаємопов`язані хімічний склад, функції та будова клітини. Таблиця, наведена нижче, показує вміст різних хімічних елементів в клітинах живих організмів.
Загальна характеристика органічних речовин
Хімічні властивості клітин різних груп організмів певним чином залежать від атомів карбону, частка яких становить понад 50% клітинної маси. Практично всі суху речовину клітини представлено вуглеводами, білками, нуклеїновими кислотами і ліпідами, які мають складну будову і велику молекулярну масу. Такі молекули називаються макромолекулами (полімерами) і складаються з більш простих елементів - мономерів. Білкові речовини відіграють надзвичайно важливу роль і виконують безліч функцій, які і будуть розглянуті нижче.
Роль білків в клітині
Біохімічний аналіз сполук, що входять в живу клітину, підтверджує високий вміст в ній таких органічних речовин, як білки. Цьому факту є логічне пояснення: білки виконують різноманітні функції і беруть участь у всіх проявах клітинної життєдіяльності.
наприклад, захисна функція білків полягає в утворенні антитіл - імуноглобулінів, що виробляються лімфоцитами. Такі захисні білки, як тромбін, фібрин і тромбобластін, забезпечують згортання крові і запобігають її втрату при травмах і пораненнях. До складу клітини входять складні білки клітинних мембран, які мають здатність розпізнавати чужорідні сполуки - антигени. Вони змінюють свою конфігурацію і повідомляють клітці про потенційну небезпеку (сигнальна функція).
Деякі білки виконують регуляторну функцію і є гормонами, наприклад окситоцин, який виробляється гіпоталамусом, резервується гіпофізом. Поступаючи з нього в кров, окситоцин впливає на м`язові стінки матки, викликаючи її скорочення. Білок вазопресин також виконує регуляторну функцію, контролюючи кров`яний тиск.
В м`язових клітинах знаходяться актин і міозин, здатні скорочуватися, що обумовлює рухову функцію м`язової тканини. Для білків характерна і трофічна функція, наприклад, альбумін використовується зародком в якості поживної речовини для свого розвитку. Білки крові різних організмів, наприклад гемоглобін і гемоцианин, переносять молекули кисню - виконують транспортну функцію. Якщо більш енергоємні речовини, такі як вуглеводи і ліпіди, повністю використані, клітина приступає до розщеплення білків. Один грам цієї речовини дає 17, 2 кДж енергії. Однією з найважливіших функцій білків є каталітична (білки-ферменти прискорюють хімічні реакції, що протікають в компартментах цитоплазми). На підставі вищесказаного ми переконалися в тому, що білки виконують безліч дуже важливих функцій і обов`язково входять до складу тваринної клітини.
Відео: Органічні речовини клітини
біосинтез білка
Розглянемо процес синтезу білка в клітині, який відбувається в цитоплазмі за допомогою таких органел, як рибосоми. Завдяки діяльності спеціальних ферментів, за участю іонів кальцію рибосоми об`єднуються в полісоми. Основні функції рибосом в клітці - синтез білкових молекул, що починається процесом транскрипції. В результаті нього синтезуються молекули іРНК, до яких і приєднуються полісоми. Потім починається другий процес - трансляція. Транспортні РНК з`єднуються з двадцятьма різними видами амінокислот і приносять їх до полісомах, а так як функції рибосом в клітці - це синтез поліпептидів, то ці органели утворюють комплекси з тРНК, а молекули амінокислот зв`язуються між собою пептидними зв`язками, утворюючи макромолекул білка.
Роль води в процесах метаболізму
Цитологічні дослідження підтвердили той факт, що клітина, будова і склад якої ми вивчаємо, в середньому на 70% складається з води, а у багатьох тварин, провідних водний спосіб життя (наприклад, кишковопорожнинних) її вміст досягає 97-98%. З урахуванням цього хімічна організація клітин включає в себе гідрофільні (здатні до розчинення) і гідрофобні (водовідштовхувальні) речовини. Будучи універсальним полярним розчинником, вода відіграє виняткову роль і безпосередньо впливає не тільки на функції, а й на саму будову клітини. Таблиця, подана нижче, показує вміст води в клітинах різних типів живих організмів.
Функція вуглеводів в клітці
Як ми з`ясували раніше, до важливих органічних речовин - полімерів - відносяться також вуглеводи. До них відносяться полісахариди, олігосахариди і моносахариди. Вуглеводи входять до складу більш складних комплексів - гликолипидов і глікопротеїдів, з яких побудовані клітинні мембрани і надмембранний структури, наприклад гликокаликс.
Крім вуглецю, до складу вуглеводів входять атоми оксигена та гідрогену, а деякі полісахариди містять ще азот, сірку і фосфор. У клітинах рослин вуглеводів багато: бульби картоплі містять до 90% крохмалю, в насінні і плодах вміст вуглеводів до 70%, а в тваринних клітинах вони зустрічаються у вигляді таких з`єднань, як глікоген, хітин і трегалоза.
Прості цукру (моносахариди) мають загальну формулу CnH2nOn і діляться на тетрози, тріози, пентози і гексози. Дві останні найбільш поширені в клітинах живих організмів, наприклад, рибоза і дезоксирибоза входять до складу нуклеїнових кислот, а глюкоза і фруктоза приймають участь в реакціях асиміляції і дисиміляції. Олігосахариди часто зустрічаються в рослинних клітинах: сахароза запасається в клітинах цукрового буряка і цукрової тростини, мальтоза міститься в пророслих зернівках жита і ячменю.
Дисахариди мають солодкуватий смак і добре розчиняються у воді. Полісахариди, будучи биополимерами, представлені в основному крохмалем, целюлозою, гликогеном і Ламінарин. До структурних форм полісахаридів відноситься хітин. Основна функція вуглеводів в клітці - енергетична. В результаті гідролізу і реакцій енергетичного обміну полісахариди розщеплюються до глюкози, а вона потім окислюється до вуглекислого газу і води. В результаті один грам глюкози звільняє 17,6 кДж енергії, а запаси крохмалю і глікогену, по суті, є резервуаром клітинної енергії.
Глікоген відкладається в основному в м`язової тканини і клітинах печінки, рослинний крохмаль - в бульбах, цибулинах, коренеплодах, насінні, а у членистоногих, наприклад павуків, комах і ракоподібних, головну роль в енергозабезпеченні грає олігосахарид трегалоза.
Вуглеводи відрізняються від ліпідів і білків здатністю до безкисневого розщеплення. Це надзвичайно важливо для організмів, що живуть в умовах дефіциту або відсутності кисню, наприклад для анаеробних бактерій і гельмінтів - паразитів людини і тварин.
Є ще одна функція вуглеводів в клітці - будівельна (структурна). Вона полягає в тому, що ці речовини є опорними структурами клітин. Наприклад, целюлоза входить до складу клітинних стінок рослин, хітин утворює зовнішній скелет багатьох безхребетних і зустрічається в клітинах грибів, олісахаріди разом з молекулами ліпідів і білків утворюють гликокаликс - надмембранний комплекс. Він забезпечує адгезію - злипання тварин клітин між собою, що призводить до утворення тканин.
Ліпіди: будова і функції
Ці органічні речовини, які є гідрофобними (нерозчинними в воді) можна витягти, тобто екстрагувати з клітин за допомогою неполярних розчинників, таких як ацетон або хлороформ. Опціїліпідів в клітці залежать від того, до якої з трьох груп вони відносяться: до жирів, воскам або стероїдів. Жири найбільш широко поширені у всіх типах клітин.
Тварини накопичують їх у підшкірній жировій клітковині, нервова тканина містить жир у вигляді мієлінових оболонок нервів. Він також накопичується в нирках, печінці, у комах - в жировому тілі. Рідкі жири - олії - зустрічаються в насінні багатьох рослин: кедра, арахісу, соняшнику, маслини. Вміст ліпідів в клітинах коливається від 5 до 90% (в жировій тканині).
Стероїди і воски відрізняються від жирів тим, що вони не мають в складі молекул залишків жирних кислот. Так, стероїди - це гормони коркового шару надниркових залоз, що впливають на статеве дозрівання організму і є компонентами тестостерону. Вони також входять до складу вітамінів (наприклад, вітаміну Д).
Основні функції ліпідів в клітці - це енергетична, будівельна та захисна. Перша обумовлена тим, що 1 грам жиру при розщепленні дає 38,9 кДж енергії - набагато більше ніж інші органічні речовини - білки і вуглеводи. Крім того, при окисленні 1г жиру виділяється майже 1,1 гр. води. Саме тому деякі тварини маючи запас жиру в своєму тілі, можуть довгий час перебувати без води. Наприклад, ховрахи можуть бути в сплячці понад два місяці, не потребуючи воді, а верблюд не п`є воду при переходах через пустелю протягом 10-12 діб.
Відео: Біологія 5 клас 5-6 тиждень Хімічний склад клітини
Будівельна функція ліпідів полягає в тому, що вони є невід`ємною частиною клітинних мембран, а також входять до складу нервів. Захисна функція ліпідів полягає в тому, що шар жиру під шкірою навколо нирок та інших внутрішніх органів захищає їх від механічних травм. Специфічна теплоізоляційна функція властива тваринам, тривалий час перебувають у воді: китам, тюленям, морським котикам. Товстий підшкірний жировий шар, наприклад, у синього кита становить 0,5 м, він захищає тварину від переохолодження.
Значення кисню в клітинному метаболізмі
Аеробні організми, до яких належить переважна більшість тварин, рослини і людина, використовують атмосферний кисень для реакцій енергетичного обміну, що призводять до розщеплення органічних речовин і виділення певної кількості енергії, акумулюється у вигляді молекул аденозинтрифосфорної кислоти.
Так, при повному окисленні одного моля глюкози, що відбувається на Кріста мітохондрій, виділяється 2800 кДж енергії, з яких +1596 кДж (55%) запасається у вигляді молекул АТФ, що містять макроергічні зв`язку. Таким чином, основна функція кисню в клітині - здійснення аеробного дихання, в основі якого лежить група ферментативних реакцій так званої дихальної ланцюга, що відбуваються в клітинних органелах - мітохондріях. У прокаріотів - фототрофних бактерій і ціанобактерій - окислення поживних речовин відбувається під дією кисню, диффундирующего в клітини на внутрішні вирости плазматичних мембран.
Нами була вивчена хімічна організація клітин, а також розглянуті процеси біосинтезу білка і функція кисню в клітинному енергетичному обміні.
