Химические вещества в клетке

Вспомните

•  какими особенностями обладают клетки многоклеточного организма;

•  в чём проявляется сходство клеток прокариот и эукариот.

    Химический состав клеток. Клеточная форма жизни зародилась в воде. Минеральные вещества, содержащиеся в водной среде, послужили основой состава химических веществ живой клетки. При этом, несмотря на большое разнообразие клеток, все они состоят из одних и тех же типов химических веществ, претерпевающих одинаковые превращения в процессах жизнедеятельности клетки. Этот факт служит доказательством единства происхождения различных типов клеток в процессе эволюции.

    В клетках содержатся неорганические и органические вещества.

    Химический состав живой клетки отличают три особенности: 1) высокое содержание воды; 2) значительное присутствие различных химических элементов; 3) большое количество сложных органических веществ.

    Неорганические вещества клетки. В состав клетки входят вода, различные минеральные соли, углекислый газ, кислоты и основания.

    Вода — важнейший компонент живой клетки, она составляет около 70 % её массы. Вода придаёт клетке упругость и объём, служит растворителем веществ, делает возможным протекание всех процессов её жизнедеятельности.

 

    Минеральные соли составляют всего 1-1,5 % общей массы клетки, но роль их значительна. В растворённом виде они являются необходимыми компонентами и участниками химических процессов, обеспечивающих жизнь клетки. Избыточное количество солей в цитоплазме переходит в кристаллическое состояние и накапливается во включениях, а в клетках растений — также и в вакуолях.

Разновидности кристаллов солей кальция в клетках растений:

 

1 — игольчатые (недотрога); 2 — друза (опунция); 3 — кристаллический песок (картофель); 4 — одиночный кристалл (ваниль)

    Органические вещества клетки — это углеводы, липиды (жиры), белки и нуклеиновые кислоты.

    Во всех органических соединениях клетки важным элементом является углерод. Образование различных крупных молекул происходит благодаря уникальному свойству атомов углерода. Атомы углерода имеют четыре валентные связи, благодаря чему они способны создавать длинные цепи и замкнутые кольцевые структуры. Углеродные цепи и кольца представляют собой «скелеты» сложных органических молекул.

    В клетках живых организмов молекулы органических веществ могут, соединяясь друг с другом, создавать крупные молекулы — полимеры (от греч. poll — «много» и meros — «часть», «доля»). Молекулы, образующие полимер, называют мономерами (от греч. monos — «один»). Многие полимеры состоят из сотен и тысяч мономеров. Молекулы белков, жиров и нуклеиновых кислот — полимеры, а молекулы углеводов могут быть и мономерами, и полимерами (рис. 10).

 

    Органические вещества клетки представлены двумя группами молекул. Одни из них — биополимеры, или макромолекулы (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды), другие — малые неполимерные молекулы (липиды, моносахариды, дисахариды, аминокислоты, нуклеотиды и др.).  Полимерная молекула гликогена, образованная из множества молекул глюкозы (мономеров)

    Углеводы (глюкоза, крахмал, гликоген и др.) представляют собой органические вещества, в состав которых входят углерод, водород и кислород. Они выполняют в клетке различные функции: энергетическую (сахароза, глюкоза), защитную (целлюлоза), резервную (крахмал, гликоген), структурную (целлюлоза), служат важнейшими компонентами других сложных органических веществ клетки.

Полимерные молекулы гликогена, крахмала, гликогена. (образованные из множества молекул глюкозы.

Липиды — это вещества, нерастворимые в воде, в состав которых входят части молекул жирных кислот и глицерина. Как и углеводы, они выполняют энергетическую, резервную, защитную и структурную функции. Некоторые липиды (например, фосфолипиды) являются основным компонентом клеточных мембран.

Белки (протеины) составляют основную массу клетки (50-70 % её сухой массы). Это сложные вещества, которые выполняют в клетке важные функции. Гигантские полимерные белковые молекулы собраны из мономеров — различных аминокислот, которые, соединяясь друг с другом, образуют так называемую первичную структуру белка.

В природе известно 150 различных аминокислот, но в построении молекул белков живых организмов принимают участие только 20 из них. Специфичность белка определяется последовательностью соединения определённых аминокислот в его молекуле.

 

    Молекула белка представляет собой длинную нить, которая скручена в спираль. Она может скручиваться и далее, приобретая более плотную конфигурацию. В результате многократного скручивания длинная и тонкая нить молекулы белка становится короче, толще и представляет собой компактное образование — глобулу. Белок выполняет свои функции, только находясь в форме глобулы. Если белок подвергнуть нагреванию или химическому воздействию, то его молекула теряет прежнюю конфигурацию — она раскручивается. Это важное свойство белков лежит в основе реакции живых систем на внешние или внутренние раздражители.

    Роль белков в клетках очень многообразна. Они выполняют структурную, защитную, двигательную и запасающую функции. Многие белки играют роль катализаторов — ускоряют химические реакции, протекающие в клетке, и упорядочивают протекающие в ней процессы. Такие белки называют ферментами. Ни одна химическая реакция в живой клетке не обходится без участия ферментов.

Нуклеиновые кислоты были обнаружены в ядрах клеток, в связи с чем они и получили своё название (лат. nucleus — «ядро»). Существует два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (сокращённо ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Молекулы нуклеиновых кислот — очень длинные полимерные цепочки (тяжи), мономерами которых явстав которого входит азотистое основание, углевод (рибоза — в молекулах РНК или дезоксирибоза — в молекулах ДНК) и остаток фосфорной кислоты (рис. 12, 1). В состав ДНК входит четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (IX) и тимин (Г). Молекула ДНК состоит из двух полимерных цепочек, соединённых между собой в области азотистых оснований (рис. 12,2) и скрученных в виде двойной спирали (рис. 12,3). Структуру молекулы ДНК открыли в 1953 г. американский биохимик Д. Уотсон и английский физик Ф. Крик, удостоенные в 1962 г. Нобелевской премии.

Строение ДНК: 1 — схема строения нуклеотида; 2 — схема строения участка молекулы ДНК; 3 — двойная спираль ДНК

Нуклеотиды ДНК (мономеры) соединяются друг с другом парами не случайно, а избирательно — аденин всегда стыкуется с тимином, а гуанин — с цитозином. Способность нуклеотидов ДНК к избирательному соединению в пары называют комплементарностъю (лат. complementus — «дополнение»). Схематически расположение нуклеотидов в двухцепочечной молекуле ДНК можно изобразить следующим образом:

   На свойстве комплементарности основана способность молекулы ДНК к удвоению. Процесс удвоения ДНК получил название репликации (лат. replicatio — «повторение»).

   Последовательность расположения нуклеотидов в молекуле ДНК определяет наследственную информацию клетки.

 

   ДНК выполняет важные биологические функции: является структурным компонентом хромосом и носителем наследственной информации, служит основой — матрицей — для синтеза различных типов РНК.

 

   Молекула рибонуклеиновой кислоты (РНК) состоит из одной полинуклеотидной цепочки, вместо тимина содержит урацил (У), в состав нуклеотидов входит рибоза. Значение РНК в жизни клетки огромно — она принимает участие в процессах биосинтеза, связанных с передачей наследственной информации от ДНК к белку.

 

1.  Что служит доказательством единства происхождения различных типов клеток в процессе эволюции?

2.  Какие функции в клетке выполняют белки и нуклеиновые кислоты?

3.  Укажите лишний термин.

•  Белки, ДНК, РНК, нуклеотиды.

•  Мономеры, полимеры, молекула, глобула.

 

4.  Почему углерод играет ключевую роль в жизни клетки?