Все о клетке
растворителей. Вещества, хорошо растворимые в воде называют гидрофильными.
К ним относят многие кристаллические соли, ряд органических веществ –
спирты, сахара, некоторые белки (например, альбумины, гистоны). Вещества,
плохо или совсем нерастворимые в воде, называют гидрофобными. К ним
относятся жиры, нуклеиновые кислоты, некоторые белки (глобулины,
фибриллярные белки).
Высокая теплоемкость воды делает ее идеальной жидкостью для поддержания
теплового равновесия клетки и в целом организма. Так как на испарение воды
расходуется много теплоты, то, испаряя воду, организмы могут защищать себя
от перегрева (например, при потоотделении).
Вода обладает высокой теплопроводностью, обеспечивая возможность
равномерного распределения тепла между тканями организма.
Вода является дисперсионной средой, играющей важную роль в коллоидной
системе цитоплазмы, определяет структуру и функциональную активность многих
макромолекул, служит основной средой для протекания химических реакций и
непосредственным участником реакций синтеза и расщепления органических
веществ, обеспечивает транспортировку веществ в клетке и организме
(диффузия, кровообращение, восходящий и нисходящий ток растворов по телу
растения и др. ).
Вода практически не сжимается, создавая тургорное давление и определяя
объем и упругость клеток и тканей.
Неорганические ионы имеют немаловажное значение для обеспечения
жизнедеятельности клетки – это катионы (K+, Na+, Ca 2+, Mg 2+, NH3+) и
анионы (Cl-, HPO4 2-, H2PO4-, HCO3-, NO3-) минеральных солей. Концентрация
катионов и анионов в клетке и в окружающей её среде резко различна. Внутри
клетки превалируют ионы К+ и крупные органические ионы, в околоклеточных
жидкостях всегда больше ионов Na+ и Cl-. Вследствие этого образуется
разность зарядов внешней и внутренней поверхностей мембраны клетки, между
ними возникает разность потенциалов, обуславливающая такие важные процессы
как передача возбуждения по нерву или мышце.
Соединения азота, фосфора, кальция и другие неорганические вещества
служат источником строительного материала для синтеза органических молекул
(аминокислот, белков, нуклеиновых кислот и др.) и входят в состав ряда
опорных структур клетки и организма.
Некоторые неорганические ионы (например, ионы кальция и магния)
являются активаторами и компонентами многих ферментов, гормонов и
витаминов. При недостатке этих ионов нарушаются жизненно важные процессы в
клетке.
Немаловажные функций в живых организмах выполняют неорганические
кислоты и их соли. Соляная кислота входит в состав желудочного сока
человека и животных, ускоряя процесс переваривания белков пищи. Остатки
серной кислоты, присоединяясь к нерастворимым в воде чужеродным веществам,
придают им растворимость, способствуя к выведению из организма.
Неорганические натриевые и калиевые соли азотистой и фосфорной кислот,
кальциевая соль серной кислоты служат важными элементами минерального
питания растений, их вносят в почву в качестве удобрений. Соли кальция и
фосфора входят в состав костной ткани животных.
Содержащиеся в организме ионы имеют важное значение для поддержания
постоянства реакций среды в клетки и в окружающих её растворах, т.е.
являются компонентами буферных систем. Наиболее значимые буферные системы
млекопитающих – фосфатная и бикарбонатная.
Органические вещества.
Клетки содержат множество разнообразных органических соединений:
углеводы, липиды, белки, нуклеиновые кислоты и др.
В зависимости от молекулярной массы и структур различают малые
низкомолекулярные органические молекулы – мономеры – и более крупные,
высокомолекулярные макромолекулы – полимеры. Мономеры служат строительным
материалом для полимеров.
Углеводы.
Содержание углеводов в животных клетках составляет 1-5%, а в некоторых
клетках растении достигает 70%.
Различают три основных класса углеводов: моносахариды, олигосахариды и
полисахариды, различающиеся числом мономерных звеньев.
Моносахариды – бесцветные, твердые кристаллические вещества, легко
растворимые в воде, но нерастворимые в неполярных растворителях, имеющие,
как правило, сладковатый вкус. В зависимости от числа атомов различают
триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и гептозы. Наиболее распространены в
природе гексозы (глюкоза, фруктоза) – основные источники энергии в клетках
(при полном расщеплении 1г глюкозы высвобождается 17,6 кДж энергии) и
пентозы (рибоза, дезоксирибоза), входящие в состав нуклеиновых кислот.
Два или несколько ковалентно связанных друг с другом с помощью
гликозидной связи моносахарида образуют ди - или олигосахариды. Дисахариды
также широко распространены в природе: наиболее часто встречается мальтоза,
или солодовый сахар, состоящий из двух молекул глюкозы.
Биологическое значение углеводов состоит в том, что они являются мощным
и богатым источником энергии, необходимой клетке для осуществления
различных форм активности. Полисахариды – удобная форма накопления
энергоемких моносахаридов, а также незаменимый защитный и структурный
компонент клеток и тканей животных, растений и микроорганизмов. Некоторые
полисахариды входят в состав клеточных мембран и служат рецепторами,
обеспечивая узнавание клеток друг другом и их взаимодействие.
Липиды.
Липиды представляют собой органические вещества, не растворимые в воде,
но растворимые в неполярных растворителях – эфире, хлороформе, бензоле. Они
обнаруживаются во всех без исключения клетках и разделены на несколько
классов, выполняющих специфические биологические функции. Наиболее
распространенными в составе живой природы являются нейтральные жиры, или
триацилглицерины, воска, фосфоролипиды, стеролы.
Содержание липидов в разных клетках сильно варьирует: от 2 – 3 до 50 –
90 % в клетках семян растении и жировой ткани животных.
Структурными компонентами большинства липидов являются жирные кислоты.
Жирные кислоты являются ценным источником энергии. При окислении 1г жирных
кислот высвобождается 38 кДж энергии и синтезируется в два раза большее
количество АТФ, чем при расщеплении такого же количества глюкозы.
Жиры – наиболее простые и широко распространенные липиды. Жиры являются
основной формой запасания липидов в клетке. Жиры используются также в
качестве источника воды (при сгорании 1г жира образуется 1,1г воды). У
многих млекопитающих под кожей откладывается толстый слой подкожного жира,
который защищает организм от переохлаждения.
Воска - это сложные эфиры, образуемые жирными кислотами и много атомными
спиртами. У позвоночных животных секретируются кожными железами. Покрывая
кожу и её производные (волосы, мех, шерсть, перья), воска смягчают их и
предохраняют от действия воды.
Фосфолипиды в состав молекул, которых входит остаток фосфорной кислоты,
являются основой всех клеточных мембран.
Стероиды составляют группу липидов, не содержащих жирных кислот и имеющих
особую структуру. К ним относится ряд гормонов, в частности кортизон,
вырабатываемый корой надпочечников, различные половые гормоны, а также
холестерин – важный компонент клеточных мембран у животных.
Белки.
Белки представляют собой самый многочисленный и наиболее разнообразный
класс органических соединений клетки. Белки – это биологические
гетерополимеры, мономерами которых являются аминокислоты.
Среди белков организма выделяют простые белки, состоящие только из
аминокислот, и сложные, включающие помимо аминокислот, так называемые
простатические группы различной химической природы. Липопротеины имеют в
своем составе липидный компонент, гликопротеины – углеводный. В состав
фосфопротеинов входит одна или несколько фосфатных групп. Металлопротеины
содержат различные металлы; нуклеопротеины – нуклеиновые кислоты.
Простетические группы обычно играют важную роль при выполнении белком его
биологической функции.
Белки выполняют в организме чрезвычайно важные и многообразные функции,
перечисленные в нижеследующей таблице, но несомненно наиболее значительной
является каталитическая, или ферментативная, функция.
Некоторые функции, выполняемые белками. Таблица.
|Класс |Выполняемая функция |Примеры белков |
|Ферменты |Служат катализаторами |Амилаза расщепляет |
| |определенных химических|крахмал до глюкозы; |
| |реакции; у разных |липаза расщепляет жиры |
| |организмов обнаружено |до глицерина и жирных |
| |более 2000 различных |кислот. |
| |ферментов. | |
|Структурные белки |Являются структурными |Коллаген хрящей и |
| |компонентами |сухожилий, эластин |
| |биологических мембран и|соединительной ткани, |
| |многих внутриклеточных |кератин волос и ногтей.|
| |органелл, главным | |
| |компонентом опорных | |
