Хімічная арганізацыя клетак: арганічныя рэчывы, макра- і мікраэлементы

У канцы 19 стагоддзя сфармавалася галіна біялогіі, названая біяхіміяй. Яна вывучае хімічны склад жывой клеткі. Галоўная задача навукі - пазнанне асаблівасцяў абмену рэчываў і энергіі, якія рэгулююць жыццядзейнасць раслінных і жывёльных клетак.

Паняцце аб хімічным складзе клеткі

У выніку дбайных даследаванняў навукоўцамі была вывучана хімічная арганізацыя клетак і ўстаноўлена, што жывыя істоты маюць у сваім складзе больш за 85 хімічных элементаў. Прычым некаторыя з іх абавязковыя практычна для ўсіх арганізмаў, а іншыя спецыфічныя і сустракаюцца ў канкрэтных біялагічных відаў. А трэцяя група хімічных элементаў прысутнічае ў клетках мікраарганізмаў, раслін і жывёл у досыць малых колькасцях. Хімічныя элементы ў склад клетак ўваходзяць часцей за ўсё ў выглядзе катыёнаў і аніёнаў, з якiх утвараюцца мінеральныя солі і вада, а таксама сінтэзуюцца углеродсодержащие арганічныя злучэнні: вугляводы, бялкі, ліпіды.

ДЗЕЙНАСЦІ

У біяхіміі да іх ставяцца карбон, гидроген, оксиген і нитроген. Іх сукупнасць складае ў клетцы ад 88 да 97% ад іншых хімічных элементаў, якія знаходзяцца ў ёй. Асабліва важны карбон. Усе арганічныя рэчывы ў складзе клеткі складаюцца з малекул, якія змяшчаюць у сваім складзе атамы вугляроду. Яны здольныя злучацца паміж сабой, утвараючы ланцуга (разгалінаваная і неразветвленную), а таксама цыклы. Гэтая здольнасць вугляродных атамаў ляжыць у аснове дзіўнага разнастайнасці арганічных рэчываў, якія ўваходзяць у склад цытаплазмы і клетачных арганоідаў.

Напрыклад, унутранае змесціва клеткі складаецца з растваральных алігацукрыды, гідрафільных бялкоў, ліпідаў, розных відаў рібанукляінавай кіслаты: транспартнай РНК, рибосомальной РНК і інфармацыйнай РНК, а таксама свабодных мономеров - нуклеатыдаў. Падобны хімічны склад мае і клеткавае ядро. Яно таксама змяшчае малекулы дэзаксірыбануклеінавай кіслоты, якія ўваходзяць у склад храмасом. Усе вышэйпералічаныя злучэння маюць у сваім складзе атамы нитрогена, карбону, оксигена, гидрогена. Гэта з'яўляецца доказам іх асабліва важнага значэння, так як хімічная арганізацыя клетак залежыць ад утрымання ДЗЕЙНАСЦІ, якія ўваходзяць у склад клеткавых структур: гиалоплазмы і арганэл.

Макраэлементы і іх значэння

Хімічныя элементы, якія таксама вельмі часта сустракаюцца ў клетках розных відаў арганізмаў, у біяхіміі называюцца макраэлементаў. Іх змест у клетцы складае 1,2% - 1,9%. Да макраэлементаў клеткі адносяцца: фосфар, калій, хлор, сера, магній, кальцый, жалеза і натрый. Усе яны выконваюць важныя функцыі і ўваходзяць у склад розных клеткавых арганэл. Так, іён двухвалентнага жалеза прысутнічае ў бялку крыві - гемаглабіне, які транспартуе кісларод (у гэтым выпадку ён называецца оксигемоглобин), вуглякіслы газ (карбогемоглобин) або угарны газ (карбоксигемоглобин).

Іёны натрыю забяспечваюць найважнейшы від міжклеткавага транспарту: так званы натрый-каліевы помпа. Яны таксама ўваходзяць у склад межтканевой вадкасці і плазмы крыві. Іёны магнію прысутнічаюць у малекулах хларафіла (фотопигмент вышэйшых раслін) і ўдзельнічаюць у працэсе фотасінтэзу, так як ўтвараюць рэакцыйныя цэнтры, якія ўлоўліваюць фатоны светлавой энергіі.

Іёны кальцыя забяспечваюць правядзенне нервовых імпульсаў па валокнах, а таксама з'яўляюцца галоўным кампанентам остеоцитов - касцяных клетак. Злучэння кальцыя шырока распаўсюджаныя ў свеце беспазваночных жывёл, у якіх ракавіны складаюцца з карбанату кальцыя.

Іёны хлору прымаюць удзел у перазарадцы клеткавых мембран і забяспечваюць ўзнікненне электрычных імпульсаў, якія ляжаць у аснове нервовай узрушанасці.

Атамы серы ўваходзяць у склад натыўных бялкоў і абумоўліваюць іх троеснага структуру, «сшываючы» полипептидную ланцуг, з прычыны чаго фармуецца глобулярная бялковая малекула.

Іёны калія ўдзельнічаюць у транспарце рэчываў праз клеткавыя мембраны. Атамы фосфару ўваходзяць у склад такога важнага энергаёмістыя рэчывы, як аденозинтрифосфорная кіслата, а таксама з'яўляюцца важным кампанентам малекул дэзаксірыбануклеінавай і рібанукляінавай кіслот, якія з'яўляюцца галоўнымі рэчывамі клеткавай спадчыннасці.

Функцыі мікраэлементаў ў клеткавым метабалізме

Каля 50 хімічных элементаў, якія складаюць менш за 0,1% у клетках, называюцца мікраэлементамі. Да іх адносяць цынк, малібдэн, ёд, медзь, кобальт, фтор. Пры нязначным змесце яны выконваюць вельмі важныя функцыі, так як уваходзяць у склад шматлікіх біялагічна актыўных рэчываў.

Напрыклад, атамы цынку знаходзяцца ў малекулах інсуліну (гармону падстраўнікавай залозы, якое рэгулюе ўзровень глюкозы ў крыві), ёд з'яўляецца складовай часткай гармонаў шчытападобнай залозы - тыраксіну і трійодтіроніна, кантралюючых ўзровень абмену рэчываў у арганізме. Медзь, нароўні з іёнамі жалеза, удзельнічае ў крыватворы (адукацыі эрытрацытаў, трамбацытаў і лейкацытаў у чырвоным касцяным мозгу пазваночных жывёл). Іёны медзі ўваходзяць у склад пігмента гемоцианина, які прысутнічае ў крыві беспазваночных жывёл, напрыклад малюскаў. Таму колер гемолимфы ў іх блакітны.

Яшчэ менш ўтрыманне ў клетцы такіх хімічных элементаў, як свінец, золата, бром, серабро. Яны называюцца ультромикроэлементами і ўваходзяць у склад раслінных і жывёльных клетак. Напрыклад, у зерновка кукурузы хімічным аналізам былі выяўлены іёны золата. Атамы брому ў вялікай колькасці ўваходзяць у склад клетак слоевища бурых і чырвоных багавіння, напрыклад саргассума, ламінарыі, фукуса.

Усе раней прыведзеныя прыклады і факты тлумачаць, як ўзаемазвязаны хімічны склад, функцыі і будынак клеткі. Табліца, прыведзеная ніжэй, паказвае ўтрыманне розных хімічных элементаў у клетках жывых арганізмаў.

Агульная характарыстыка арганічных рэчываў

Хімічныя ўласцівасці клетак розных груп арганізмаў пэўным чынам залежаць ад атамаў карбону, доля якіх складае больш за 50% клеткавай масы. Практычна ўсе сухое рэчыва клеткі прадстаўлена на вугляводы, бялкі, нуклеінавых кіслот і ліпідамі, якія маюць складаную будову і вялікую малекулярную масу. Такія малекулы называюцца макрамалекуламі (палімерамі) і складаюцца з больш простых элементаў - мономеров. Бялковыя рэчывы гуляюць надзвычай важную ролю і выконваюць мноства функцый, якія і будуць разгледжаны ніжэй.

Ролю бялкоў у клетцы

Біяхімічны аналіз злучэнняў, якія ўваходзяць у жывую клетку, пацвярджае высокае ўтрыманне ў ёй такіх арганічных рэчываў, як вавёркі. Гэтым факце ёсць лагічнае тлумачэнне: вавёркі выконваюць разнастайныя функцыі і ўдзельнічаюць ва ўсіх праявах клеткавай жыццядзейнасці.

Напрыклад, ахоўная функцыя бялкоў заключаецца ў адукацыі антыцелаў - імунаглабулінаў, выпрацоўваемых лімфацытамі. Такія ахоўныя вавёркі, як трамбін, фібрына і тромбобластин, забяспечваюць згусальнасць крыві і прадухіляюць яе страту пры траўмах і раненнях. У склад клеткі ўваходзяць складаныя вавёркі клеткавых мембран, якія маюць здольнасць распазнаваць чужародныя злучэння - антыгены. Яны змяняюць сваю канфігурацыю і паведамляюць клетцы аб патэнцыйнай небяспекі (сігнальная функцыя).

Некаторыя вавёркі выконваюць рэгуляторных функцыю і з'яўляюцца гармонамі, напрыклад Аксытацын, выпрацоўваемы гіпаталамусам, рэзервуецца гіпофізам. Паступаючы з яго ў кроў, Аксытацын ўздзейнічае на цягліцавыя сценкі маткі, выклікаючы яе скарачэнне. Бялок вазопрессин таксама выконвае рэгуляторных функцыю, кантралюючы крывяны ціск.

У цягліцавых клетках знаходзяцца актыній і міязін, здольныя скарачацца, што абумоўлівае рухальную функцыю мышачнай тканіны. Для бялкоў характэрна і трафічная функцыя, напрыклад, альбумін выкарыстоўваецца зародкам ў якасці пажыўнага рэчыва для свайго развіцця. Вавёркі крыві розных арганізмаў, напрыклад гемаглабін і гемоцианин, пераносяць малекулы кіслароду - выконваюць транспартную функцыю. Калі больш энергаёмістыя рэчывы, такія як вугляводы і ліпіды, цалкам выкарыстаны, клетка прыступае да расшчаплення бялкоў. Адзін грам гэтага рэчыва дае 17, 2 кДж энергіі. Адной з найважнейшых функцый бялкоў з'яўляецца каталітычная (вавёркі-ферменты паскараюць хімічныя рэакцыі, якія праходзяць у компартментах цытаплазмы). На падставе вышэйсказанага мы пераканаліся ў тым, што вавёркі выконваюць мноства вельмі важных функцый і абавязкова ўваходзяць у склад жывёльнай клеткі.

біясінтэз бялку

Разгледзім працэс сінтэзу бялку ў клетцы, які адбываецца ў цытаплазме з дапамогай такіх арганэл, як Рыбасомы. Дзякуючы дзейнасці спецыяльных ферментаў, пры ўдзеле іёнаў кальцыя Рыбасомы аб'ядноўваюцца ў полісоміі. Асноўныя функцыі рыбасом ў клетцы - сінтэз бялковых малекул, які пачынаецца працэсам транскрыпцыі. У выніку яго сінтэзуюцца малекулы иРНК, да якіх і далучаюцца полісоміі. Затым пачынаецца другі працэс - трансляцыя. Транспартныя РНК злучаюцца з дваццаццю рознымі відамі амінакіслот і прыносяць іх да полісоміі, а так як функцыі рыбасом ў клетцы - гэта сінтэз поліпептыд, то гэтыя арганэл ўтвараюць комплексы з тРНК, а малекулы амінакіслот звязваюцца паміж сабой пептыднымі сувязямі, утвараючы макрамалекул бялку.

Ролю вады ў працэсах метабалізму

Цыталагічныя даследаванні пацвердзілі той факт, што клетка, будова і склад якой мы вывучаем, у сярэднім на 70% складаецца з вады, а ў шматлікіх жывёл, якія вядуць водны спосаб жыцця (напрыклад, кішачнаполасцевых) яе зьмест дасягае 97-98%. З улікам гэтага хімічная арганізацыя клетак ўключае ў сябе гідрафільныя (здольныя да растварэнню) і гідрафобныя (воданепрымальныя) рэчывы. З'яўляючыся універсальным палярным растваральнікам, вада адыгрывае выключную ролю і напрамую ўплывае не толькі на функцыі, але і на само будынак клеткі. Табліца, прадстаўленая ніжэй, паказвае ўтрыманне вады ў клетках розных тыпаў жывых арганізмаў.

Функцыя вугляводаў у клетцы

Як мы высветлілі раней, да важных арганічным рэчывам - палімерах - ставяцца таксама вугляводы. Да іх ставяцца поліцукрыды, алігацукрыды і моносахариды. Вугляводы ўваходзяць у склад больш складаных комплексаў - гликолипидов і гликопротеидов, з якіх пабудаваны клеткавыя мембраны і надмембранные структуры, напрыклад гликокаликс.

Акрамя вугляроду, у склад вугляводаў ўваходзяць атамы оксигена і гидрогена, а некаторыя поліцукрыды ўтрымліваюць яшчэ азот, серу і фосфар. У клетках раслін вугляводаў шмат: клубні бульбы ўтрымліваюць да 90% крухмалу, у насенні і плёне ўтрыманне вугляводаў да 70%, а ў жывёл клетках яны сустракаюцца ў выглядзе такіх злучэнняў, як глікаген, хітын і трегалозы.

Простыя цукру (моносахариды) маюць агульную формулу CnH2nOn і дзеляцца на тетрозы, триозы, пентозы і гексозы. Дзве апошнія найбольш распаўсюджаныя ў клетках жывых арганізмаў, напрыклад, рыбоза і дезоксирибоза ўваходзяць у склад нуклеінавых кіслот, а глюкоза і фруктоза прымаюць удзел у рэакцыях асіміляцыі і дысіміляцыя. Алігацукрыды часта сустракаюцца ў раслінных клетках: цукроза запасіцца ў клетках цукровых буракоў і цукровага трыснёга, мальтозу змяшчаецца ў прарослых зерновка жыта і ячменю.

Дисахариды маюць саладкавы густ і добра раствараюцца ў вадзе. Поліцукрыды, з'яўляючыся біяпалімераў, прадстаўлены ў асноўным крухмалам, цэлюлозай, гликогеном і ламінарін. Да структурных формаў поліцукрыдаў ставіцца хітын. Асноўная функцыя вугляводаў у клетцы - энергетычная. У выніку гідролізу і рэакцый энергетычнага абмену поліцукрыды расшчапляюцца да глюкозы, а яна затым акісляецца да вуглякіслага газу і вады. У выніку адзін грам глюкозы вызваляе 17,6 кДж энергіі, а запасы крухмалу і глікагену, па сутнасці, з'яўляюцца рэзервуарам клетачнай энергіі.

Глікаген адкладаецца ў асноўным у мышачнай тканіны і клетках печані, раслінны крухмал - у клубнях, цыбулінах, карняплодах, насенні, а ў членістаногіх, напрыклад павукоў, насякомых і ракападобных, галоўную ролю ў энергазабеспячэнні гуляе Алігацукрыды трегалозы.

Вугляводы адрозніваюцца ад ліпідаў і бялкоў здольнасцю да бескіслароднай расшчапленню. Гэта надзвычай важна для арганізмаў, якія жывуць ва ўмовах дэфіцыту або адсутнасці кіслароду, напрыклад для анаэробных бактэрый і гельмінтаў - паразітаў чалавека і жывёл.

Ёсць яшчэ адна функцыя вугляводаў у клетцы - будаўнічая (структурная). Яна заключаецца ў тым, што гэтыя рэчывы з'яўляюцца апорнымі структурамі клетак. Напрыклад, цэлюлоза ўваходзіць у склад клеткавых сценак раслін, хітын утворыць знешні шкілет многіх бесхрыбтовых і сустракаецца ў клетках грыбоў, олисахариды разам з малекуламі ліпідаў і бялкоў ўтвараюць гликокаликс - надмембранный комплекс. Ён забяспечвае адгезію - зліпанне жывёл клетак паміж сабой, якое прыводзіць да адукацыі тканін.

Ліпіды: будова і функцыі

Гэтыя арганічныя рэчывы, якія з'яўляюцца гідрафобнымі (нерастваральнымі ў вадзе) можна атрымаць, то ёсць экстрагаваць з клетак з дапамогай непалярных растваральнікаў, такіх як ацэтон або хлараформ. Функцыі ліпідаў у клетцы залежаць ад таго, да якой з трох груп яны адносяцца: да тлушчаў, воск або стэроідам. Тлушчы найбольш шырока распаўсюджаны ва ўсіх тыпах клетак.

Жывёлы назапашваюць іх у падскурнай тлушчавай абалоніне, нервовая тканіна ўтрымлівае тлушч у выглядзе миелиновых абалонак нерваў. Ён таксама назапашваецца ў нырках, печані, у казурак - у тлушчавым целе. Вадкія тлушчы - алеі - сустракаюцца ў насенні многіх раслін: кедра, арахіса, сланечніка, масліны. Змест ліпідаў у клетках вагаецца ад 5 да 90% (у тлушчавай тканіны).

Стэроіды і воскі адрозніваюцца ад тлушчаў тым, што яны не маюць у складзе малекул рэшткаў тоўстых кіслот. Так, стэроіды - гэта гармоны коркавага пласта наднырачнікаў, якія ўплываюць на палавое паспяванне арганізма і якія з'яўляюцца кампанентамі тэстастэрону. Яны таксама ўваходзяць у склад вітамінаў (напрыклад, вітаміна Д).

Асноўныя функцыі ліпідаў у клетцы - гэта энергетычная, будаўнічая і ахоўная. Першая абумоўлена тым, што 1 грам тлушчу пры расшчапленні дае 38,9 кДж энергіі - нашмат больш чым іншыя арганічныя рэчывы - бялкі і вугляводы. Акрамя таго, пры акісленні 1г тлушчу вылучаецца амаль 1,1 гр. вады. Менавіта таму некаторыя жывёлы маючы запас тлушчу ў сваім целе, могуць доўгі час знаходзіцца без вады. Напрыклад, суслікі могуць быць у спячцы больш за два месяцы, не маючы патрэбы ў вадзе, а вярблюд не п'е ваду пры пераходах праз пустыню на працягу 10-12 сутак.

Будаўнічая функцыя ліпідаў заключаецца ў тым, што яны з'яўляюцца неад'емнай часткай клеткавых мембран, а таксама ўваходзяць у склад нерваў. Ахоўная функцыя ліпідаў складаецца ў тым, што пласт тлушчу пад скурай вакол нырак і іншых унутраных органаў абараняе іх ад механічных траўмаў. Спецыфічная цеплаізаляцыйная функцыя ўласцівая жывёлам, доўгі час знаходзяцца ў вадзе: кітам, цюленям, марскім каткам. Тоўсты падскурны тлушчавы пласт, напрыклад, у сіняга кіта складае 0,5 м, ён абараняе жывёла ад пераахаладжэння.

Значэнне кіслароду ў клеткавым метабалізме

Аэробныя арганізмы, да якіх адносіцца пераважная большасць жывёл, расліны і чалавек, выкарыстоўваюць атмасферны кісларод для рэакцый энергетычнага абмену, якія прыводзяць да расшчаплення арганічных рэчываў і вылучэнню пэўнага колькасці энергіі, акумуліруюцца ў выглядзе малекул аденозинтрифосфорной кіслаты.

Так, пры поўным акісленні аднаго молячы глюкозы, таго, што адбываецца на Крыста мітахондрый, вылучаецца 2800 кДж энергіі, з якіх 1596 кДж (55%) запасіцца ў выглядзе малекул АТФ, якія змяшчаюць макроэргические сувязі. Такім чынам, асноўная функцыя кіслароду ў клетцы - ажыццяўленне аэробнага дыхання, у аснове якога ляжыць група ферментатыўных рэакцый так званай дыхальнай ланцуга, якія адбываюцца ў клеткавых арганэл - мітахондрыях. У будовы пракарыятычнай арганізмаў - фототрофных бактэрый і цианобактерий - акісленне пажыўных рэчываў адбываецца пад дзеяннем кіслароду, дыфундзіруе ў клеткі на ўнутраныя вырасты плазматычных мембран.

Намі была вывучана хімічная арганізацыя клетак, а таксама разгледжаны працэсы біясінтэзу бялкоў і функцыя кіслароду ў клеткавым энергетычным абмене.