Садчикова Е.В. Химический состав клетки

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ»

Е.В. Садчикова, И.С. Селезнева

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КЛЕТКИ

Учебное электронное текстовое издание

Подготовлено кафедрой «Технология органического синтеза»

Научный редактор: доц., канд. хим. наук М.А. Безматерных

Методическое пособие предназначено для самостоятельной подготовки к се-

минарским занятиям по курсам «Биология с элементами экологии» и «Био-

химия» студентов специальностей 022300 – «Физическая культура и спорт»,

022500 – «Адаптивная физическая культура» и 070100 – «Биотехнология»

всех

форм обучения. В краткой и лаконичной форме в пособии изложен ма-

териал, касающийся основных химических соединений, из которых состоит

живая клетка. Большее внимание уделено биохимии человека.

ГОУ ВПО УГТУ – УПИ, 2005

Екатеринбург

2005

ВВЕДЕНИЕ

Клеточное вещество является сложным полифазным коллоидом, то есть

представляет собой систему из двух несмешивающихся фаз. Одна из этих фаз

структурно является цитоплазматическим матриксом и выполняет роль водной фа-

зы с переходами от жидкого до твердого состояния, тогда как другая является мем-

бранной системой и выполняет роль относительно жидкой фазы. Цитоплазма прак

тически бесцветна, имеет характер раствора.

Строение и функции всех клеточных органелл подробно рассмотрены в ме-

тодическом пособии «Строение живой клетки». Настоящее методическое руково-

дство посвящено детальному описанию химических веществ, из которых построе-

ны живые организмы. Четкое понимание их строения и свойств позволит в даль-

нейшем осознанно изучать процессы, происходящие на

более высоких уровнях ор-

ганизации живой материи. Без этих знаний сегодня невозможны определение реак-

ции организма спортсмена на физические нагрузки, разработка усовершенствова-

ние методов тренировки, поиск более эффективных способов повышения работо-

способности, регламентация тренировок и отдыха, разработка путей реабилитации

спортсменов и рационализации их питания.

Изучение элементного состава клетки подтверждает единство живой

и не-

живой природы. В состав живых организмов входят те же химические элементы,

которые составляют и тела неживой природы. Основные различия живой и нежи-

вой природы касаются соотношений различных элементов. В клетках обнаружено

от 70 до 90 из 110 элементов, составляющих периодическую систему Д.И. Менде-

леева. Приблизительно 40 элементов принимают участие в процессах

обмена ве-

ществ и обладают выраженной биологической активностью. Эти элементы назы-

ваются биогенными.

Химические элементы участвуют в построении веществ клеток в виде ионов

(катионов и анионов) или химических соединений, как неорганических, так и орга-

нических. Неорганическими соединениями клетки являются вода и минеральные

соли. Концентрация солей в клетках определяет буферность ее

содержимого, под

которой понимают уровень концентрации ионов водорода в клетках (рН).

Соединяясь химическими связями, группы атомов образуют так называемые

малые органические молекулы, которыми являются аминокислоты, нуклеотиды,

моносахариды и жирные кислоты. Из этих малых молекул в клетках формируются

макромолекулы (биополимеры) в виде белков, нуклеиновых кислот, углеводов и

липидов.

Садчикова Е.В., Селезнева И.С. Химический состав клетки

ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005

Стр. 3 из 42

1. ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ КЛЕТКИ

Живые организмы почти на 98 % состоят из четырех химических элементов:

кислорода (О), углерода (С), водорода (Н) и азота (N). На долю кислорода прихо-

дится 65%, углерода – 18 %, водорода – 10 % и азота – 3 %. Водород и кислород –

составные элементы воды, на которую приходится 70-80 % массы клетки. Наряду с

углеродом и азотом эти два элемента также являются основными составляющими

органических соединений

, участвующих в большинстве процессов жизнедеятель-

ности. Многие биомолекулы содержат атомы серы (S, до 0,8 %) и фосфора (P, до

0,95 %). Перечисленные элементы наряду с кальцием (Ca), калием (K), кремнием

(Si), магнием (Mg), хлором (Cl), натрием (Na) и железом (Fe), которые содержатся

в десятых или сотых долях процента, входят в состав всех живых организмов и со-

ставляют группу макроэлементов.

Таблица 1

Содержание

макроэлементов в органах и тканях живого организма

в мг на 100 г сырого веса

Органы и ткани

живого организма

K Na Ca Mg Cl F P

Костная ткань 61 180 11000 105 190 - 5050

Зубы 50 250 36000 400 300 111 17000

Мышцы 350 72 7 23 66 0,16 220

Мозг 330 170 12 16 150 0,06 380

Печень 215 175 12 22 160 0,25 210

Плазма крови 20 335 10 2 370 - 15

Организм в целом 265 109 1900 36 160 0,9 1160

В несколько меньшем количестве (от тысячных до стотысячных долей про-

цента) в клетках встречаются элементы, объединенные в группу микроэлементов.

Это марганец (Mn), цинк (Zn), кобальт (Co), иод (I), селен (Se), медь (Cu), фтор (F),

бор (B), никель (Ni), серебро (Ag), литий (Li), хром (Cr), алюминий (Al), барий (Ba)

и некоторые другие. Суммарная масса всех микроэлементов – 0,02 %. И, наконец,

третью группу составляют ультрамикроэлементы – золото (Au), ртуть (Hg), радий

(Ra), стронций (Sr) и другие элементы, присутствующие в клетках в миллионных

долях процента.

Однако следует помнить, что важность того или иного элемента для нор-

мальной жизнедеятельности клетки определяется не только его количественным

содержанием. Многие микро- и ультрамикроэлементы являются жизненно необхо-

Садчикова Е.В., Селезнева И.С. Химический состав клетки

ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005

Стр. 4 из 42

димыми ей: они входят в состав необходимых ферментов, гормонов, витаминов и

других веществ.

Элементные составы разных клеток многоклеточного организма могут не-

сколько отличаться друг от друга, что связано с различным характером обмена ве-

ществ в разных клетках. Кроме того, некоторые организмы способны избирательно

извлекать из окружающей среды и накапливать определённые химические

элемен-

ты, необходимые для их жизнедеятельности. Например, морские водоросли накап-

ливают йод, моллюски и ракообразные – медь, ряска – радий, диатомовые водорос-

ли и злаки – кремний и т.д.

Роль далеко не всех элементов изучена достаточно полно и глубоко, хотя из-

вестно, что недостаток или отсутствие некоторых из них может привести к

возник-

новению различных заболеваний. Так, недостаток йода в воде, почве, продуктах

питания приводит к возникновению эндемического зоба, а недостаток фтора при-

водит к кариесу, отсутствие железа в необходимых количествах может служить по-

водом для развития анемии и т.д.

2. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА КЛЕТКИ

2.1. Вода

Вода составляет примерно 3/4 биомассы Земли, являясь самым простым

химическим соединением, входящим в состав живых организмов. По количествен-

ному содержанию в клетке она занимает первое место, а в организмах ее в целом в

5 раз больше, чем во всех реках земного шара. Однако следует помнить, что у раз-

ных организмов и

в разных тканях животных и растений содержание воды может

сильно варьироваться.

Таблица 2

Содержание воды в различных органах и тканях

взрослого человека (в % от массы ткани)

Ткань или орган Вода Ткань или орган Вода

Жировая ткань, зубная

эмаль

Костная ткань

Печень

Кожа

Кишечник

Мозг (серое вещество)

Мозг (белое вещество)

Сердце

10,0

22,0

68,3-70,0

72,0

74,5

84,0

70,0

79,2

Мышца

Селезёнка

Легкие

Почки

Плазма крови

Лимфа

Слюна

Желудочный сок

75,6

75,8

79,0

82,7

92,0

90,0

99,4

99,5

Садчикова Е.В., Селезнева И.С. Химический состав клетки

ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005

Стр. 5 из 42

Существует зависимость между интенсивностью обмена веществ и содержа-

нием воды в органах и тканях, что свидетельствует о большой биологической роли

воды. При снижении интенсивности обмена веществ у животных, например при

анабиозе, количество воды уменьшается. Уменьшается оно и с возрастом. Чем мо-

ложе организм или орган, тем больше в нем воды. Очевидно

, что одной из причин

снижения интенсивности обмена веществ является снижение содержания воды в

организме. В процессе старения происходит постепенное обезвоживание организ-

ма, поэтому появляются морщины.

Таблица 3

Содержание и распределение воды в организме человека

в зависимости от возраста (в % от массы тела)

Вода вне клеток

Возраст

Общая

вода

Внутриклеточная

вода

межклеточная в плазме

Новорожденный

До 1 года

1 – 10 лет

10 – 50 лет

> 50 лет

60-65

55-60

50-55

35-40

40-45

35-40

20-25

По степени связанности вода организма делится на следующие виды:

 гидратационная (химически связанная вода);

 мобильная (свободная вода);

 иммобильная (полусвязанная вода).

В связанном с молекулами белка состоянии находится 4

– 5 % воды. Это так

называемая сольватная вода, которая образует гидратные оболочки вокруг белко-

вых молекул, изолируя их друг от друга и препятствуя их агрегации, а также свя-

зывается с некоторыми ионами, например [Na(H

]

[Cl(H

]

. Сольватная вода

по своим химическим и физическим свойствам отличается от свободной воды. Так,

например, она не растворяет солей, а замерзает при температуре, близкой к -40 °С.

95 % воды находится в свободном состоянии и выполняет следующие функ-

ции:

 играет роль растворителя химических веществ, обволакивая их гидратной

(водной) оболочкой, которая постепенно переходит

в водную среду, проис-

ходит растворение вещества, скорость химической реакции при этом увели-

чивается;

 является средой протекания жизненно важных физико-химических процес-

сов;

Садчикова Е.В., Селезнева И.С. Химический состав клетки

ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005

Стр. 6 из 42

 включается в качестве активного компонента в некоторые ферментативные

реакции (гидролиз, гидратация, дегидратация и др.);

 выполняет транспортные функции, благодаря низкой вязкости, подвижно-

сти, способности растворять органические и неорганические соединения

обеспечивает приток веществ в клетку и удаление продуктов жизнедеятель-

ности из неё;

 определяет тургорное давление клетки;

 благодаря высокой теплоёмкости

и теплопроводности обеспечивает незна-

чительные колебания температуры внутри клетки и равномерное распреде-

ление тепла по клетке и во всём организме, предохраняет его от перегрева-

ния;

 служит основой жидкостей, которые смачивают (смазывают) покровы там,

где происходит трение одного органа о поверхность другого, например, в

суставах;

 участвует в формировании клеточных

структур.

Полусвязанная вода содержится в порах клеточных органоидов, между во-

локнистыми белковыми молекулами, между молекулами гликогена. При измельче-

нии тканей она не вытекает, т.к. является растворителем и замерзает.

Основными водно-дисперсными системами организма человека являются

кровь, слюна, лимфа, моча. Поступающая вода в организме распределяется между

жидкостными средами следующим образом: около

60 % внутри клеток, ~15 % – в

межклеточной жидкости, ~8 % содержится в составе крови и лимфы. При напря-

женной мышечной работе это распределение воды изменяется: увеличивается при-

ток воды в клетки и межклеточную жидкость, а в плазме ее количество уменьшает-

ся. После работы часть воды постепенно возвращается в кровь.

2.2. Минеральные соли

Бóльшая часть

неорганических веществ находится в клетке в виде солей –

серной, соляной, фосфорной и других кислот. Минеральные соли играют важную

роль в развитии живых организмов. Их недостаток или избыток может привести к

гибели организма. Соли могут находиться в клетке либо в виде ионов, либо в твёр-

дом состоянии.

Концентрации основных неорганических катионов и

анионов в межклеточ-

ной жидкости и в плазме крови почти одинаковы.

Садчикова Е.В., Селезнева И.С. Химический состав клетки

ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005

Стр. 7 из 42

Таблица 4

Сравнительное содержание основных катионов и анионов

внутри клетки и во внеклеточных жидкостях человека (по А.Е. Строеву, %)

Вне клетки

Ионы

В плазме

В межклеточной жидко-

сти

Внутри

клетки

Катионы:

92,7

3,0

1,3

94,0

2,7

2,0

1,3

7,5

75,0

2,5

15,0

Анионы:

HCO

⎯

органических ки-

слот

белков

17,0

69,0

1,4

0,6

2,0

10,0

19,3

76,0

1,4

0,7

2,0

0,6

5,0

7,5

50,0

10,0

2,5

25,0

является основным катионом во внеклеточной среде, а K

– внутри клет-

ки. Из анионов вне клетки преобладает Cl

⎯

, а внутри клетки – PO

⎯

. Живой организм

подчиняется физико-химическому закону электроотрицательности: сумма положи-

тельных зарядов катионов и отрицательных зарядов анионов должны быть равны.

Для соблюдения этого закона в организме не хватает некоторого количества неор-

ганических анионов. Недостаток отрицательных зарядов компенсируют анионы

органических кислот и белков.

Калиевые, магниевые, натриевые соли в комплексе с белками входят

в со-

став цитоплазмы клеток, они определяют кислотно-щелочное состояние цитоплаз-

мы и плазмы крови. Возбудимость нервной, мышечной тканей, активность фермен-

тов, ряд других важных процессов, протекающих в клетке, находятся в зависимо-

сти от концентрации тех или иных ионов различных солей. Поэтому в клетке в

норме поддерживается строго определённый качественный и

количественный со-

став солей. Так, например, повышение содержания ионов калия оказывает токсиче-

ское действие на сердечную мышцу. Отложение кальция в костях возможно только

в присутствии ионов фосфора, при соотношение Са:Р = 2:1. Отложение фосфора

возможно только в присутствии витамина D.

Садчикова Е.В., Селезнева И.С. Химический состав клетки

ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005

Стр. 8 из 42

Неорганические ионы в клетке выполняют многочисленные биологические

функции. Рассмотрим некоторые из них.

Биологические функции катионов

 Структурообразующая: обусловлена комплексообразующими свойствами ме-

таллов, катионы которых участвуют в образовании функционально активных

структур макромолекул и надмолекулярных комплексов (гем, хлорофилл, белки,

нуклеиновые кислоты и т.д.).

 Транспортная: катионы в составе металлопротеидов участвуют в

переносе

электронов или молекул простых веществ. Например, ионы железа и меди вхо-

дят в цитохромы, которые переносят электроны, а железо в составе гемоглобина

связывает и переносит кислород.

 Регуляторная: ионы металлов, соединяясь с ферментами, влияют на активность

катионов и регулируют (активируют или ингибируют) скорость химических ре-

акций в клетке (Mg

активирует ДНК- и РНК-полимеразу, Ca

– креатинкина-

зу, Mg

, Mn

– гексокиназу; ионы Mn

, Zn

, Co

, Ni

ускоряют распад и син-

тез белков, а ионы Ca

, Mg

участвуют в распаде и синтезе липидов и углево-

дов).

 Осмотическая: катионы используются для регуляции осмотического и гидро-

осмотического давлений в клетке и организме в целом.

 Биоэлектрическая: катионы участвуют в возникновении и регуляции величины

разности потенциалов на клеточных мембранах в возбудимых клетках (нервных,

мышечных) и проведении нервных импульсов.

 Синтетическая: связана с использованием неорганических катионов для син-

теза сложных молекул, например, Fe

– в синтезе гемоглобина, Ca

– в синтезе

амилазы. Cu

, Mn

, Zn

, Co

, Ni

поддерживают вторичную и третичную

структуру ДНК и РНК, Zn

, участвуют в образовании активного центра 30

ферментов.

Биологические функции анионов

 Энергетическая: анионы участвуют в образовании главного носителя энергии в

организме человека – молекулы АТФ – из АДФ и неорганических фосфатных

анионов.

 Механическая (или опорная): например, анион фосфора и катион кальция вхо-

дят в состав гидроксилапатита и фосфата кальция костей, тем

самым определяя

их механическую прочность.

 Синтетическая: связана с использованием неорганических анионов для синте-

за сложных молекул. Например, I

участвует в синтезе иодтиронинов в клетках

Садчикова Е.В., Селезнева И.С. Химический состав клетки

ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005

Стр. 9 из 42

щитовидной железы, SO

– в синтезе эфиросерных соединений, обезврежи-

вающих в печени чужеродные вещества и биологические яды.

3. ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА КЛЕТКИ

На долю органических веществ приходится от 20 до 30 % массы клетки. В

основном органические вещества представлены биополимерами, молекулы кото-

рых имеют большие размеры и состоят из многократно повторяющихся элементар-

ных единиц – мономеров. Наиболее важная биологическая роль принадлежит та-

ким веществам, как белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды, гормоны,

АТФ, витамины и др.

3.1. Белки

Белки, или протеины (от греч. protos – первичный, первостепенный; термин

введен в 1838 г.), занимают первое место среди всех органических веществ клетки

по количеству и по своему значению в ее жизнедеятельности. На их долю прихо-

дится от 10 до 20 % сырой массы клетки. Они присутствуют во всех типах клеток и

тканей. В организме человека

обнаружено более 5 млн. типов белковых молекул,

отличающихся по своему строению друг от друга и от белковых молекул других

организмов.

Белковая молекула состоит из углерода (50

–59 %), кислорода (21–24 %), во-

дорода (6,5

–7,3 %), азота (15–18 %), серы (до 2,5 %). Кроме того, в её состав могут

входить железо, фосфор, магний, цинк, медь и некоторые другие элементы.

В 1871 году русский химик Н. Н. Любавин (1845

–1918) установил, что белки

состоят из аминокислот, т.е. именно аминокислоты являются мономерами сложных

белковых молекул. Т.о., белки – это высокомолекулярные азотсодержащие ве-

щества, состоящие из α-аминокислот L-ряда, связанных между собой пептид-

ными связями.

Известно более 170 аминокислот, но только 20 из них входят в состав бел-

ков. Их называют протеиногенными.

Растения синтезируют все аминокислоты из

более простых веществ. Животные синтезируют не все аминокислоты. Некоторые

из них должны поступать с пищей, это так называемые незаменимые аминокисло-

ты. То есть, для человека по биологическому значению аминокислоты подразделя-

ются на:

Садчикова Е.В., Селезнева И.С. Химический состав клетки

ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005

Стр. 10 из 42

 заменимые аминокислоты – синтезируются в организме человека в достаточном

количестве (глицин, аланин, серин, цистеин, тирозин, аспарагиновая кислота,

глутаминовая кислота, аспарагин, глутамин);

 полузаменимые аминокислоты – образуются в организме, но в недостаточном

количестве, поэтому их недостаток должен восполняться белковой пищей (ти-

розин, аргинин, гистидин);

 незаменимые аминокислоты – в организме человека не синтезируются, поэтому

они должны поступать с пищей (валин, лейцин, изолейцин, треонин, лизин, ме-

тионин, фенилаланин, триптофан).

Аминокислотный состав белков определяется не доступностью или незаме-

нимостью той или иной аминокислоты, а назначением белка, его биологической

функцией. В настоящее время определен аминокислотный состав многих сотен

белков.

Все 20 аминокислот построены по одной схеме. На одном

конце молекулы

располагается карбоксильная группа – СООН, определяющая кислотные свойства

молекулы; рядом с ней, при втором атоме углерода находится аминогруппа NН

определяющая основные свойства, и далее – радикал (R). Это либо -Н, либо группа

-СН

, либо другая более сложная группа.

Таблица 5

Протеиногенные аминокислоты

Формула

Название,

обозначе-

ние

Формула

Назва-

ние,

обозна-

чение

COOH

Глицин

(гли)

CHCH

COOHCH

Треонин

(тре)

CHCH

COOH

Аланин

(ала)

CHCH

COOH

Цистеин

(цис)

CHCH

COOH

Валин

(вал)

CHCH

COOHCH

Метио-

нин

(мет)

CHCH

COOHCH

Лейцин

(лей)

CCH

CHCH

COOHCH

Аргинин

(арг)

CHCH

COOHCH

Изолейцин

(иле)

CHCH

COOHCH

Лизин

(лиз)