Химический состав клеток растений и животных весьма сходен, что говорит о единстве их происхождения. В клетках обнаружено более 80 химических элементов, однако не для каждого из них известна физиологическая роль. Все элементы делят на три группы:
+ макроэлементы, содержание которых в клетке составляет до 10-3 %. Это кислород, углерод, водород, азот, фосфор, сера, кальций, калий, хлор, натрий и магний, составляющие вместе свыше 99% массы клеток, причем 98% приходится на долю первых четырех элементов;
+ микроэлементы, содержание которых колеблется от 10-3 % до 10-6 %. Это железо, марганец, медь, цинк, кобальт, никель, иод, бром, фтор, бор; на их долю приходится менее 1,0% массы клеток;
+ ультрамикроэлементы, составляющие менее 10-6 %. Это золото, серебро, уран, бериллий, цезий, селен и др. - в сумме менее 0,01% массы клетки. Они играют определенную физиологическую роль в живых организмах. Например, установлено, что недостаток селена приводит к возникновению раковых заболеваний.
Все перечисленные элементы входят в состав неорганических и органических веществ живых организмов или содержатся в виде ионов.
Неорганические соединения клеток представлены водой и минеральными солями.
Самое распространенное неорганическое соединение в клетках живых организмов - вода. Ее содержание в разных клетках колеблется от 10% в эмали зуба до 85% в нервных клетках и до 97% в клетках развивающегося зародыша. Количество воды в клетках зависит от характера обменных процессов: чем они интенсивнее, тем выше содержание воды. В среднем в теле многоклеточных содержится около 80% воды. Такое высокое содержание воды говорит о важной роли, обусловленной ее химической природой. Молекулы воды имеют малые размеры, они по- лярны и способны соединяться друг с другом водородными связями.
Дипольный характер молекулы воды позволяет ей формировать вокруг молекул белков водную (сольватную) оболочку, препятствующую склеиванию их друг с другом. Это связанная вода, составляющая 4-5% всего ее содержания. Остальную воду (около 95%) называют свободной. Свободная вода является универсальным растворителем для многих органических и неорганических соединений. Большинство химических реакций идет только в растворах. Проникновение веществ в клетку и выведение из нее продуктов диссимиляции в большинстве случаев возможно только в растворенном виде. Вода принимает непосредственное участие и в биохимических реакциях, протекающих в клетке (реакции гидролиза). С водой связана также регуляция теплового режима клеток, так как она обладает хорошими теплопроводностью и теплоемкостью. По сравнению с другими жидкостями вода характеризуется высокой температурой кипения, большой теплотой плавления (льда - вода в твердом состоянии) и испарения, а также большим поверхностным натяжением.
Вода принимает активное участие в регуляции осмотического давления в клетках. Проникновение молекул растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор вещества называется осмосом, а давление, с которым растворитель (вода) проникает через мембрану, - осмотическим. Величина осмотического давления возрастает с увеличением концентрации раствора. Осмотическое давление жидкостей организма человека и большинства млекопитающих равно давлению 0,85%-го раствора хлорида натрия. Растворы с таким осмотическим давлением называются изотоническими, более концентрированные - гипертоническими, а менее концентрированные - гипотоническими. Явление осмоса лежит в основе напряжения стенок растительных клеток (тургор).
По отношению к воде все вещества делятся на гидрофильные (водорастворимые) - многие минеральные соли, кислоты, щелочи, белки, некоторые витамины, все моносахариды, гидрофобные (водонерастворимые) - жиры, полисахариды, некоторые соли, витамины и др. и амфифильные, имеющие полярные и неполярные группы, например фосфолипиды имеют гидрофильную головку и гидрофобный хвост. Кроме воды растворителями могут быть жиры и спирты.
Минеральные соли и химические элементы в определенных концентрациях необходимы для нормальной жизнедеятельности клеток. Так, азот и сера входят в состав белков, фосфор - в состав ДНК, РНК и АТФ, магний - в состав многих ферментов и хлорофилла, железо - в состав некоторых ферментов, гемоглобина и миоглобина, цинк - в состав гормона поджелудочной железы и многих ферментов, иод - в состав гормонов щитовидной железы, медь участвует в процессе кроветворения и фотосинтеза и т.д. Нерастворимые соли кальция и фосфора обеспечивают прочность костной ткани и зубной эмали, катионы натрия, калия и кальция - раздражимость клеток. Ионы кальция принимают участие в свертывании крови и обеспечивают мышечные сокращения.
Содержание катионов и анионов в клетке и окружающей ее среде (плазме крови, межклеточной жидкости, морской и пресной воде) различно вследствие полупроницаемости мембран. Например, в цитоплазме клеток много калия и мало натрия, а в межклеточной жидкости - наоборот.
Анионы слабых кислот связывают ионы водорода (Н+), а катионы слабых щелочей - ионы и гидроксила (ОН-), вследствие чего в клетках и межклеточной жидкости на постоянном уровне поддерживается слабощелочная реакция. Это явление называется буферностью.
Органические соединения составляют около 20-30% массы живых клеток. К ним относятся биологические полимеры - белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, а также жиры, гормоны, пигменты, АТФ и др.
Белки составляют 10-18% общей массы клетки (50-80% сухой массы). Молекулярная масса белков колеблется от десятков тысяч до многих миллионов единиц. Белки - это биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Все белки живых организмов построены из 20 аминокислот. Несмотря на это, разнообразие белковых молекул огромно. Они различаются по величине, структуре и функциям, которые определяются составом, количеством и порядком расположения аминокислот. Помимо простых белков (альбумины, глобулины, гистоны) имеются и сложные , представляющие собой соединения белков с углеводами (гликопротеины), жирами (липопротеины) и нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеины).
Каждая аминокислота состоит из углеводородного радикала, соединенного с карбоксильной группой, имеющей кислотные свойства (-СООН), и аминогруппой (-NН2), обладающей основными свойствами. Аминокислоты отличаются одна от другой только радикалами.
Растения синтезируют все аминокислоты, необходимые для построения белков, из первичных продуктов фотосинтеза. Животные и человек не способны синтезировать следующие аминокислоты: валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин; эти аминокислоты называются незаменимыми.
Аминокислоты являются амфотерными соединениями, обладающими одновременно свойствами и кислот, и оснований. Данное явление обусловливает возможность соединения кислот в длинные цепочки. При этом устанавливаются прочные ковалентные (пептидные) связи между углеродом кислотной и азотом основной групп (-СО-NН-) с выделением молекулы воды. Соединения, состоящие из двух аминокислотных остатков, называются дипептидами, из трех - трипептидами, из многих - полипептидами.
Белки живых организмов состоят из сотен и тысяч аминокислот, т.е. представляют собой макромолекулы. Различные свойства и функции белковых молекул определяются последовательностью соединения аминокислот, которая закодирована в ДНК. Эту последовательность называют первичной структурой молекулы, белка, от которой в свою очередь зависят последующие уровни пространственной организации и биологические свойства белков. Первичная структура белковой молекулы обусловлена ковалентными пептидными связями.
Вторичная структура белковой молекулы достигается ее спирализацией благодаря установлению между атомами соседних витков спирали водородных связей, которые образуются между NH-группами одного витка и СО-группами другого витка. Они слабее ковалентных, но многократно повторенные создают довольно прочное соединение. Функционирование в виде закрученной спирали (а-спираль) характерно для многих фибриллярных белков (коллаген, кератин, фибриноген, миозин, актин и др.). Некоторые белки (например, фиброин, составляющий основу шелкового волокна) образуют складчатый слой (β-слой), в котором две полипептидные цепи, соединенные водородными связями, складываются в «гармошку».
Многие белковые молекулы становятся функционально активными только после приобретения глобулярной (третичной) структуры. Она формируется путем многократного сворачивания спирали в трехмерное образование - глобулу. Данная структура поддерживается гидрофобными взаимодействиями (это силы притяжения между неполярными участками молекул, которые располагаются внутри клубка, а снаружи остаются гидрофильные боковые участки), электростатическими связями между положительно и отрицательно заряженными радикалами остатков аминокислот и слабыми дисульфидными (-S-S-) связями. Глобулярную структуру имеет большинство белков (альбумины, глобулины и др.).
Для выполнения некоторых функций требуется участие белков с более высоким уровнем организации, при котором возникает объединение нескольких глобулярных белковых молекул в единую систему - четвертичную структуру (химические связи могут быть разными- гидрофобные, водородные и ионные связи). Например, молекула гемоглобина состоит из четырех различных глобул и геминовой группы, содержащей ион железа.
Утрата белковой молекулой своей структурной организации называется денатурацией. Причиной ее могут быть различные химические (кислоты, щелочи, спирты, соли тяжелых металлов и др.) и физические (высокая температура и давление, ионизирующие излучения и др.) факторы. Вначале разрушается очень слабая - четвертичная, затем третичная и вторичная структуры. Если под действием денатурирующего фактора не затрагивается первичная структура (не происходит деградация), то при возвращении белковых молекул в нормальные условия среды их структура может восстанавливаться, т. е. происходит ренатурация. Это свойство белковых молекул широко используется в медицине для приготовления вакцин и сывороток и в пищевой промышленности для получения пищевых концентратов.
Белки выполняют следующие функции: структурную, каталитическую, транспортную, двигательную, защитную, сигнальную, регуляторную и энергетическую.
Как строительный материал (структурная функция) белки входят в состав всех клеточных мембран, хроматина, ядрышек, рибосом, формируют цитоскелет клетки (микрофиламенты и микротрубочки).
Каталитическую (ферментативную) функцию выполняют белки-ферменты, в десятки и сотни тысяч раз ускоряющие течение биохимических реакций (ассимиляции и диссимиляции) в клетках при нормальном давлении и температуре около 37 °С. Они также участвуют в расщеплении питательных веществ в пищеварительной системе. Ферменты обладают, как правило, четвертичной структурой. Белковая часть фермента называется апоферментом. В состав многих ферментов могут входить и небелковые компоненты - кофактор (неорганические соединения, например ионы металлов Zn2+, Mg2+и др.) или кофермент (коэнзим), если это низкомолекулярное органическое соединение (например, витамины). Каждый фермент может катализировать только одну реакцию, т. е. действие ферментов строго специфично. Специфичность ферментов обусловлена наличием одного или нескольких активных центров, в которых происходит тесный контакт между молекулами фермента и специфического вещества (субстрата). Молекулы большинства ферментов во много раз превосходят по величине субстраты, на которые они действуют. Активный центр фермента составляет лишь небольшую часть его молекулы, чаще всего от 3 до 12 аминокислотных остатков, расположенных в строго определенном порядке. Каждый фермент действует при определенных температуре и рН среды. Некоторые ферменты применяются в медицинской практике и пищевой промышленности.
Транспортная функция белков заключается в переносе веществ, например кислорода (гемоглобин), свободных жирных кислот (сывороточный альбумин) и некоторых биологически активных веществ (гормонов). Транспортную функцию выполняют белки мембран - пермеазы, порины и др.
Двигательная (сократительная) функция белков состоит в том, что все виды двигательных реакций клеток и организмов обеспечиваются специальными сократительными белками - актином, миозином и тубулином. Они содержатся во всех мышцах, ресничках, жгутиках, микро- филаментах. Их нити способны сокращаться с использованием энергии АТФ.
Защитная функция белков связана с выработкой лейкоцитами особых белковых веществ - иммуноглобулинов (антител) в ответ на проникновение в организм генетически чужеродных белков или микроорганизмов. Антитела связывают, нейтрализуют и разрушают не свойственные организму соединения. Примером защитной функции белков так же может служить превращение фибриногена в фибрин при свертывании крови.
Сигнальная (рецепторная) функция осуществляется белками благодаря способности их молекул изменять свою структуру (конформация) под влиянием многих химических и физических факторов, вследствие чего клетка или организм воспринимают эти изменения, например, в палочках сетчатки глаза содержится пигмент родопсин, в состав которого входит белок опсин.
Регуляторная функция осуществляется гормонами, имеющими белковую природу (например, инсулин, АКТГ, глюкагон).
Энергетическая функция белков заключается в их способности быть источником энергии в клетке (как правило, при отсутствии других источников). При полном ферментативном расщеплении 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии.
Углеводы - обязательный компонент как животных, так и растительных клеток. В растительных клетках их содержание достигает 90% сухой массы (в клубнях картофеля), а в животных - 5% (в клетках печени). В состав молекул углеводов входят углерод, водород и кислород, причем число атомов водорода в большинстве случаев вдвое превышает число атомов кислорода.
Все углеводы подразделяются на моно-, ди- и полисахариды. Моносахариды чаще содержат пять (пентозы) или шесть (гексозы) атомов углерода, столько же кислорода и вдвое больше водорода (например, глюкоза - С6Н12О6). Пентозы (рибоза и дезоксирибоза) входят в состав нуклеиновых кислот и АТФ. Гексозы (глюкоза, фруктоза и галактоза) постоянно присутствуют в клетках плодов растений, придавая им сладкий вкус. Глюкоза содержится в крови и служит источником энергии для клеток и тканей животных. Дисахариды объединяют в одной молекуле два моносахарида. Пищевой сахар (сахароза) состоит из молекул глюкозы и фруктозы, молочный сахар (лактоза) включает глюкозу и галактозу. Все моно- и дисахариды хорошо растворимы в воде и имеют сладкий вкус. Молекулы полисахаридов образуются в результате поликонденсации моносахаридов. Мономером полисахаридов - крахмала, гликогена, целлюлозы (клетчатки) и хитина является глюкоза. Полисахариды практически нерастворимы в воде и не обладают сладким вкусом. Основные полисахариды - крахмал (в растительных клетках) и гликоген (в клетках животных) откладываются в виде включений и служат запасными энергетическими веществами.
Углеводы образуются в зеленых растениях в процессе фотосинтеза и могут использоваться в дальнейшем для биосинтеза аминокислот, жирных кислот и других соединений.
Углеводы выполняют три основные функции: строительную (структурную), энергетическую и запасающую. Целлюлоза образует стенки растительных клеток; сложный полисахарид - хитин - стенки клеток грибов и наружный скелет членистоногих. Углеводы в соединении с белками (гликопротеины) входят в состав костей, хрящей, сухожилий и связок. Кроме того, углеводы выполняют роль основного источника энергии в клетке: при окислении 1 г углеводов высвобождается 17,6 кДж энергии. Крахмал в растительных клетках, а гликоген в мышцах и клетках печени откладываются в качестве запасного питательного вещества.
Липиды (жиры) и липоиды являются обязательными компонентами всех клеток. Жиры представляют собой сложные эфиры высокомолекулярных жирных кислот и трехатомного спирта глицерола, а липоиды - жирных кислот с другими спиртами. Эти соединения нерастворимы в воде (гидрофобны). Липиды могут образовывать сложные комплексы с белками (липопротеины), углеводами (гликолипиды), остатками фосфорной кислоты (фосфолипиды) и др. Содержание жиров в клетке колеблется от 5 до 15% массы сухого вещества, а в клетках подкожной жировой клетчатки - до 90%.
Если в жирных кислотах имеются двойные связи (С=С), то такие кислоты и содержащие их липиды называются ненасыщенными (непредельными). Жирные кислоты и липиды, в молекулах которых нет двойных связей, называются насыщенными (предельными). Непредельными жирными кислотами являются олеиновая, линолевая и линоленовая, предельными - пальмитиновая, стеариновая,арахиновая.
Жиры с короткими ненасыщенными цепями жирных кислот плавятся при низкой температуре, а при комнатной температуре имеют жидкую консистенцию (масла). Жиры с длинными насыщенными жирными кислотами при комнатной температуре являются твердыми веществами.
Важная роль в организации биологических мембран принадлежит фосфолипидам, в молекулах которых к одной из трех ОН-групп глицерола присоединяется фосфорная кислота. К липидам относятся воска - сложные эфиры одноатомных высокомолекулярных спиртов и высших карбоновых кислот, которые входят в состав липидных фракций нервной ткани, селезенки, лимфатических узлов и желчных протоков. Важную роль в живых организмах играют стероиды, построенные на основе спирта холестерола. К этой группе липидов (стеролы) относятся желчные кислоты, половые гормоны, витамин D и др. К стеролам близки терпены, представителями которых являются гиббереллины (ростовые вещества растений), каротиноиды (фотосинтетические пигменты), ментол и камфара (эфирные масла растений).
Функции жиров: структурная (строительная), регуляторная, энергетическая, источник воды, запасающая и защитная. Бимолекулярный слой липидов (преимущественно фосфолипиды) образует основу всех биологических мембран клеток. Липиды входят в состав оболочек нервных волокон. Производными холестерола являются мужской (тестостерон) и женский (прогестерон) половые гормоны и альдостерон (гормон коры надпочечников), витамин D и желчные кислоты. Жиры являются источником энергии: при полном расщеплении 1 г жира высвобождается 38,9 кДж энергии. Они служат источником воды: при окислении 100 г жира выделяется примерно 105 г воды. Жиры являются запасным источником энергии, накапливаясь в жировой ткани животных и в плодах и семенах растений. Они защищают органы от механических повреждений (например, почки окутаны мягким жировым «футляром»). Накапливаясь в подкожной жировой клетчатке некоторых животных (киты, тюлени), жиры выполняют теплоизоляционную функцию.
Нуклеиновые кислоты имеют первостепенное биологическое значение и представляют собой сложные высокомолекулярные биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Впервые они были обнаружены в 1868 г. швейцарским врачом И.Ф. Мишером в ядрах лейкоцитов, откуда и их название (от лат. nucleus - ядро).
Существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). ДНК входит в основном в хроматин ядра, хотя небольшое ее количество содержится и в некоторых органоидах (митохондрии, пластиды). РНК содержится в ядрышках, рибосомах, кариоплазме и цитоплазме клетки.
Структура молекулы ДНК была впервые расшифрована Дж. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 г. Она представляет собой две полинуклеотидные цепи, соединенные друг с другом (рис. 113). Мономерами ДНК являются нуклеотиды, в состав которых входят: пятиуглеродный сахар - дезоксирибоза, остаток фосфорной кислоты и одно из четырех азотистых оснований. Нуклеотиды отличаются один от другого только азотистыми основаниями. В состав нуклеотидов ДНК входят следующие азотистые основания: аденин и гуанин (пуриновые основания), цитозин и тимин (пиримидиновые основания). Нуклеотиды соединяются в цепочку путем образования ковалентных фосфоди-эфирных связей между дезоксирибозой одного и остатком фосфорной кислоты соседнего нуклеотида. Обе цепочки объединяются в одну молекулу водородными связями, возникающими между азотистыми основаниями разных цепочек, причем в силу определенной пространственной конфигурации между аденином и тимином устанавливаются две связи, а между гуанином и цитозином - три.
Цепи в молекуле ДНК антипараллельны, т. е. направлены в противоположные стороны, так что 3'-конец одной цепи располагается напротив 5'-конца другой. Двойная цепь молекулы ДНК закручена вправо в виде спирали вокруг одной оси. Витки спирали удерживаются водородными связями и гидрофобными взаимодействиями. Вдоль спирали молекулы соседние нуклеотиды располагаются на расстоянии 0,34 нм друг от друга. Полный оборот спирали включает 10 пар нуклеотидов - длина его 3,4 нм.
Рис. 11З. Схема строения молекулы ДНК: Ф - остаток фосфорной кислоты; Д - дезоксирибоза; А, Г, Ц, Т - соответственно аденин, гуанин, цитозин, тимин (азотистые основания)
Еще в 1951 г. Э. Чаргаффом было установлено, что в любой молекуле ДНК количество аденина равно количеству тимина, а количество гуанина - количеству цитозина, а сумма пуриновых оснований равна сумме пиримидиновых: А+Г = Т+Ц (правила Чаргаффа). В дальнейшем было показано, что нуклеотиды двух цепочек образуют пары: А-Т, Г-Ц. Строгое соответствие нуклеотидов друг другу в парных цепочках ДНК называется комплементарностью (взаимодополняемостью). Это свойство лежит в основе репликации (самоудвоения) молекулы ДНК, т. е. образования новой молекулы на основе исходной. Репликация происходит следующим образом. Под действием специального фермента (ДНК-полимеразы) происходит раскручивание спирали ДНК и разрыв водородных связей между нуклеотидами двух цепочек. К освободившимся связям по принципу комплементарности присоединяются соответствующие нуклеотиды ДНК (А-Т, Г-Ц). Следовательно, порядок нуклеотидов в «старой» цепочке ДНК определяет порядок нуклеотидов в «новой», т. е. «старая» цепочка ДНК является матрицей для синтеза «новой». Такие реакции называются реакциями матричного синтеза, они характерны только для живого. Поскольку комплементарные цепи в молекуле ДНК направлены в противоположные стороны, а фермент ДНК-полимераза может двигаться вдоль цепи ДНК только в направлении 3'→5', то синтез новых цепей идет антипараллельно (принцип антипараллельности), причем первая, лидирующая, дочерняя цепочка синтезируется непрерывно по мере раскручивания молекулы ДНК, а вторая, отстающая, - отдельными фрагментами, которые затем сшиваются ферментом лигазой. После репликации каждая молекула ДНК содержит одну «материнскую» цепочку и вновь синтезированную «дочернюю». Такой принцип синтеза называется полуконсервативным.
Молекулы ДНК могут содержать от 200 до 2х108 пар нуклеотидов. Огромное разнообразие молекул ДНК достигается разными их размерами, составом и различной последовательностью нуклеотидов.
Роль ДНК в клетке заключается в хранении, воспроизведении и передаче генетической информации. Благодаря матричному синтезу наследственная информация дочерних клеток точно соответствует материнской.
РНК, как и ДНК, представляет собой полимер, построенный из мономеров - нуклеотидов. Структура нуклеотидов РНК сходна со структурой нуклеотидов ДНК, но имеются следующие отличия: вместо дезоксирибозы в состав нуклеотидов РНК входит пятиуглеродный сахар - рибоза, а вместо азотистого основания тимина - урацил. Остальные три азотистых основания те же: аденин, гуанин и цитозин. По сравнению с ДНК в состав РНК входит меньше нуклеотидов и, следовательно, ее молекулярная масса меньше.
Известны двух- и одноцепочечные РНК. Двухцепочечные РНК содержатся у некоторых вирусов, выполняя (как и ДНК) роль хранителя и передатчика наследственной информации. В клетках других организмов встречаются одноцепочечные РНК, которые представляют собой копии соответствующих участков ДНК.
В клетках существуют три типа РНК: информационная (матричная), транспортная и рибосомальная.
Информационная РНК (и-РНК) состоит из 300-30 000 нуклеотидов и составляет примерно 5% всей РНК, содержащейся в клетке. Она представляет собой копию определенного участка ДНК (гена). Молекулы и-РНК выполняют роль переносчиков генетической информации от ДНК к месту синтеза белка (в рибосомы) и непосредственно участвуют в сборке его молекул.
Транспортная РНК (т-РНК) составляет около 10% всей РНК клетки и состоит из 75-85 нуклеотидов. Молекулы т-РНК непосредственно участвуют в биосинтезе белков - транспортируют аминокислоты из цитоплазмы в рибосомы.
Основную часть РНК цитоплазмы (около 85%) составляет рибосомальная РНК (р-РНК). Она входит в состав рибосом. Молекулы р-РНК состоят из 3-5 тыс. нуклеотидов. Считают, что р-РНК обеспечивает определенное пространственное взаиморасположение и-РНК и т-РНК.