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 жывёл 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 ўваходзяць у склад клетак часцей за ўсё ў выглядзе катыёнаў і аніёнаў, з якіх утвараюцца мінеральныя солі і вада, а таксама сінтэзуюцца углеродсодержащие арганічныя злучэнні: вугляводы, бялкі, ліпіды.

Органогенные элементы

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 ланцугу (разгалінаваныя і неразветвленной), 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, гідрафільнымі 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 зместу арганагенных элементаў, 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 ўтрыманне ў клетцы складае 1,2% – 1,9%. Да макраэлементам 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 выгляд міжклеткавай транспарту: так званы натрый-каліевы помпа. Яны таксама ўваходзяць у склад межтканевой вадкасці і плазмы крыві. Іёны магнію, якія прысутнічаюць у малекулах хларафіла (фотопигмент вышэйшых раслін) і ўдзельнічаюць у працэсе фотасінтэзу, так як ўтвараюць рэакцыйныя цэнтры, ўлоўліваюць фатоны светлавой энергіі.

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

Іёны хлору прымаюць удзел у перазарадцы клеткавых мембран і забяспечваюць узнікненне электрычных імпульсаў, якія ляжаць у аснове нервовага ўзбуджэння.

Атамы серы ўваходзяць у склад натыўных бялкоў і абумоўліваюць іх троеснай 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 энергаёмістай рэчывы, як аденозинтрифосфорная кіслата, а таксама з'яўляюцца важным кампанентам малекул дэзаксірыбануклеінавай і рыбанукляінавай кіслаты, якія з'яўляюцца галоўнымі рэчывамі клетачнай спадчыннасці.

Функцыі мікраэлементаў у 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(гармона падстраўнікавай залозы, рэгулюе ўзровень глюкозы ў крыві), ёд з'яўляецца складовай часткай гармонаў шчытападобнай залозы – тыраксіну і трійодтіроніна, якія кантралююць ўзровень абмену рэчываў у арганізме. Медзь, разам 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 гемалімфы ў іх блакітны.

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

Усе раней прыведзеныя прыклады і факты тлумачаць, як ўзаемазвязаны хімічны склад, функцыі і будова 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% клетачнай масы. Практычна ўсе сухое рэчыва клеткі прадстаўлена вугляводамі, вавёркамі, нуклеиновыми кіслотамі і ліпідамі, якія маюць складанае будова і вялікую малекулярную масу. Такія малекулы называюцца макромолекулами (палімерамі) і складаюцца з больш простых элементаў – мономеров. Бялковыя рэчывы гуляюць надзвычай важную ролю і выконваюць мноства функцый, якія і будуць разгледжаны ніжэй.

Роля бялкоў у клетцы

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

Напрыклад, ахоўная функцыя бялкоў заключаецца ў адукацыі антыцелаў – імунаглабулінаў, выпрацоўваемых лімфацытамі. Такія ахоўныя вавёркі, як трамбін, фібрын 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 якая рэгулюе функцыю, кантралюючы крывяны ціск.

У цягліцавых клетках знаходзяцца актыній і міязін, здольныя скарачацца, што абумоўлівае рухальную функцыю мышачнай тканіны. Для бялкоў характэрная і трафічная функцыя, напрыклад, альбумін выкарыстоўваецца зародкам ў якасці пажыўнага рэчывы 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 расшчапленню бялкоў. Адзін грам гэтага рэчыва дае 17, 2 кДж энергіі. Адной з найважнейшых функцый бялкоў з'яўляецца каталітычная (бялкі-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 полисомы. Асноўныя функцыі рыбасом ў клетцы – сінтэз бялковых малекул, які пачынаецца працэсам транскрыпцыі. У выніку яго сінтэзуюцца малекулы иРНК, да якіх і далучаюцца полисомы. Затым пачынаецца другі працэс – трансляцыя. Транспартныя РНК злучаюцца з дваццаццю рознымі відамі амінакіслот і прыносяць іх да полисомам, а так як функцыі рыбасом ў клетцы — гэта сінтэз поліпептыды, то гэтыя арганэлы ўтвараюць комплексы з тРНК, а малекулы амінакіслот звязваюцца паміж сабой пептидными сувязямі, утвараючы макромолекулу бялку.

Роля 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 многіх жывёл, якія вядуць водны спосаб жыцця (напрыклад, кішачнаполасцевых) яе змест 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, прыведзеная ніжэй, паказвае змест вады ў клетках розных тыпаў жывых арганізмаў.

Функцыя вугляводаў у клетцы

Як мы высветлілі раней, да важным арганічным рэчывам – палімерах - ставяцца таксама вугляводы. Да іх ставяцца поліцукрыды, алігацукрыды і монацукрыды. 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 уваходзяць атамы оксигена і гидрогена, а некаторыя ўтрымліваюць поліцукрыды 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 трегалоза.

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 дысіміляцыі. Алігацукрыды часта сустракаюцца ў раслінных клетках: цукроза запасіцца ў клетках цукровых буракоў і цукровага трыснёга, мальтозу змяшчаецца ў прарослых зерновках жыта і ячменю.

Дисахариды маюць саладкавы густ і добра раствараюцца ў вадзе. Поліцукрыды, з'яўляючыся биополимерами, прадстаўлены ў асноўным крухмалам, цэлюлозай, гликогеном і ламинарином. 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 олигосахарид трегалоза.

Вугляводы адрозніваюцца ад ліпідаў і бялкоў здольнасцю да бескислородному 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 ўтварае вонкавы 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 экстрагировать 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, воскам або стэроідам. Тлушчы найбольш шырока распаўсюджаны ва ўсіх тыпах клетак.

Жывёлы назапашваюць іх у падскурнай тлушчавай абалоніне, нервовая тканіна змяшчае тлушч у выглядзе миелиновых абалонак нерваў. Ён таксама назапашваецца ў нырках, печані, у насякомых – ў тлушчавым целе. Вадкія тлушчы – алею - 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 – вавёркі 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 двух месяцаў, не маючы патрэбу ў вадзе, а вярблюд не п'е ваду пры пераходах праз пустыню ў 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 іншыхўнутраных органаў абараняе іх ад механічных траўмаў. Спецыфічная цеплаізаляцыйная функцыя ўласцівая жывелам, доўгі час якія знаходзяцца ў вадзе: кітам, цюленям, марскім котикам. 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 вылучэнні пэўнага колькасці энергіі, аккумулируемого ў выглядзе малекул аденозинтрифосфорной кіслаты.

Так, пры поўным акісленні аднаго молячы глюкозы, таго, што адбываецца на кристах 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 органеллах – мітахондрыях. У будовы пракарыятычнай арганізмаў - фототрофных бактэрый і цианобактерий - акісленне пажыўных рэчываў адбываецца пад дзеяннем кіслароду, дыфузіююць ў клеткі на ўнутраныя вырасты плазматычных мембран.

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