Химическое строение клетки живого организма. Биология: клетки

Химические элементы и неорганические соединения в соответствии с процентным содержанием в клетке делят на три группы:

макроэлементы: водород, углерод, азот, кислород (концентрация в клетке - 99,9 %);

микроэлементы: натрий, магний, фосфор, сера, хлор, калий, кальций (концентрация в клетке -0,1 %);

ультрамикроэлементы: бор, кремний, ванадий, марганец, железо, кобальт, медь, цинк, молибден (концентрация в клетке - менее 0,001 %).

Минеральные вещества, соли и ионы составляют 2...6 % объема клетки, некоторые минеральные компоненты присутствуют в клетке в неионизированной форме. Например, железо, связанное с углеродом, содержится в гемоглобине, ферритине, цитохромах и других ферментах, необходимых для поддержания нормальной активности клетки.

Минеральные соли диссоциируются на анионы и катионы и тем самым поддерживают осмотическое давление и кислотно-основное равновесие клетки. Неорганические ионы служат кофакторами, необходимыми для реализации ферментативной активности. Из неорганического фосфата образуется в процессе окислительного фосфорилирования аденозинтрифосфат (АТФ) - вещество, в котором запасается энергия, необходимая для жизнедеятельности клетки. Ионы кальция находятся в циркулирующей крови и в клетках. В костях они в соединении с фосфатными и карбонатными ионами образуют кристаллическую структуру.

Вода - это универсальная дисперсионная среда живой материи. Активные клетки состоят на 60-95 % из воды, однако и в покоящихся клетках и тканях, например в спорах и семенах, на долю воды обычно приходится не менее 10-20 %>. В клетке вода находится в двух формах: свободной и связанной. Свободная вода составляет 95 % всей воды в клетке и используется главным образом как растворитель и дисперсионная среда коллоидной системы протоплазмы. Связанная вода (4-5 % всей воды клетки) непрочно соединена с белками водородными и другими связями.

Органические вещества - соединения, содержащие углерод (кроме карбонатов). Большинство органических веществ - полимеры, состоящие из повторяющихся частиц - мономеров.

Белки - биологические полимеры, составляющие основную массу органических веществ клетки, на долю которых приходится около 40...50 % сухой массы протоплазмы. Белки содержат углерод, водород, кислород, азот, а также серу и фосфор.

Белки, состоящие только из аминокислот, называют простыми - протеины (от гр. protos - первый, важнейший). Они обычно откладываются в клетке в качестве запасного вещества. Сложные белки (протеиды) образуются в результате соединения простых белков с углеводами, жирными кислотами, нуклеиновыми кислотами. Белковую природу имеет большинство ферментов, определяющих и регулирующих все жизненные процессы в клетке.

В зависимости от пространственной конфигурации различают четыре структурных уровня организации молекул белка. Первичная структура: аминокислоты нанизаны как бусины на нити, последовательность расположения имеет важное биологическое значение. Вторичная структура: молекулы представляют собой компактные, жесткие, не удлиненные частицы, по конфигурации такие белки напоминают спираль. Третичная структура: полипеп- тидные цепи в результате сложной пространственной укладки образуют компактную структуру так называемых глобулярных белков. Четвертичная структура: состоит из двух или более цепей, которые могут быть одинаковыми или разными.

Белки состоят из мономеров - аминокислот (из известных 40 аминокислот 20 входят в состав белков). Аминокислоты - амфотерные соединения, содержащие одновременно кислотную (карбоксильную) и основную (аминную) группы. При конденсации аминокислот, приводящей к образованию белковой молекулы, кислая группа одной аминокислоты соединяется с основной группой другой аминокислоты. Каждый белок содержит сотни аминокислотных молекул, соединенных в различном порядке и соотношениях, что определяет многообразие функций белковых молекул.

Нуклеиновые кислоты - природные высокомолекулярные биологические полимеры, обеспечивающие хранение и передачу наследственной (генетической) информации в живых организмах. Это важнейшая группа биополимеров, хотя содержание не превышает 1-2 % массы протоплазмы.

Молекулы нуклеиновых кислот - это длинные линейные цепи, состоящие из мономеров - нуклеотидов. Каждый нуклеотид содержит азотистое основание, моносахарид (пентозу) и остаток фосфорной кислоты. Основное количество ДНК содержится в ядре, РНК находится как в ядре, так и в цитоплазме.

Одноцепочечная молекула рибонуклеиновой кислоты (РНК) насчитывает 4...6 тыс. нуклеотидов, состоящих из рибозы, остатка фосфорной кислоты и четырех типов азотистых оснований: аде- нина (А), гуанина (Г), урацила (У) и цитозина (Ц).

Молекулы ДНК состоят из 10...25 тыс. отдельных нуклеотидов, построенных из дезоксирибозы, остатка фосфорной кислоты и четырех типов азотистых оснований: аденина (А), гуанина (Г), урацила (У) и тимина (Т).

Молекула ДНК состоит из двух комплементарных цепей, длина которых достигает нескольких десятков и даже сотен микрометров.

В 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик предложили пространственную молекулярную модель ДНК (двойная спираль). ДНК способна нести в себе генетическую информацию и точно воспроизводиться - это одно из самых значительных открытий в биологии XX в., позволившее объяснить механизм наследственности и давшее мощный толчок развитию молекулярной биологии.

Липиды - жироподобные вещества, разнообразные по строению и функциям. Простые липиды - жиры, воск - состоят из остатков жирных кислот и спиртов. Сложные липиды - комплексы липидов с белками (липопротеиды), ортофосфорной кислотой (фосфолипиды), сахарами (гликолипиды). Обычно они содержатся в количестве 2...3 %. Липиды -это структурные компоненты мембран, влияющие на их проницаемость, а также служащие энергетическим резервом для образования АТФ.

Физические и химические свойства липидов определяются наличием в их молекулах как полярных (электрически заряженных) групп (-СООН, -ОН, -NH и др.), так и неполярных углеводородных цепей. Благодаря такому строению большинство липидов - поверхностно-активные вещества. Они очень плохо растворимы в воде (из-за высокого содержания гидрофобных радикалов и групп) и в маслах (из-за наличия полярных групп).

Углеводы - органические соединения, которые по степени сложности подразделяют на моносахариды (глюкоза, фруктоза), дисахариды (сахароза, мальтоза и др.), полисахариды (крахмал, гликоген и др.). Моносахариды - первичные продукты фотосинтеза, используются для биосинтеза полисахаридов, аминокислот, жирных кислот и др. Полисахариды запасаются как энергетический резерв с последующим расщеплением освобождающихся моносахаридов в процессах брожения или дыхания. Гидрофильные полисахариды поддерживают водный баланс клеток.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) состоит из азотистого основания - аденина, углевода рибозы и трех остатков фосфорной кислоты, между которыми существуют макроэргические связи.

Белки, углеводы и жиры - не только строительный материал, из которого сложен организм, но и источники энергии. Окисляя в процессе дыхания белки, углеводы, жиры, организм превращает энергию сложных органических соединений в богатые энергией связи в молекуле АТФ. АТФ синтезируется в митохондриях, а затем поступает в разные участки клетки, обеспечивая энергией все процессы жизнедеятельности.

Как и все живое, организм человека состоит из клеток. Благодаря клеточному строению организма возможны его рост, размножение, восстановление поврежденных органов и тканей и другие формы деятельности. Форма и размеры клеток различны и зависят от выполняемой ими функции.

В каждой клетке различают две основные части -- цитоплазму и ядро, в цитоплазме, в свою очередь, содержатся органоиды -- мельчайшие структуры клетки, обеспечивающие ее жизнедеятельность (митохондрии, рибосомы, клеточный центр и др.). В ядре перед делением клетки образуются особые нитевидные тельца -- хромосомы. Снаружи клетка покрыта мембраной, отделяющей одну клетку от другой. Пространство между клетками заполнено жидким межклеточным веществом. Главная функция мембраны состоит в том, что она обеспечивает избирательное поступление различных веществ в клетку и выведение из нее продуктов обмена.

Клетки организма человека состоят из разнообразных неорганических (вода, минеральные соли) и органических веществ (углеводы, жиры, белки и нуклеиновые кислоты).

Углеводы состоят из углерода, водорода и кислорода; многие из них хорошо растворимы в воде и являются основными источниками энергии для осуществления жизненно важных процессов.

Жиры образованы теми же химическими элементами, что и углеводы; они нерастворимы в воде. Жиры входят в состав клеточных мембран и также служат важнейшим источником энергии в организме.

Белки -- главный строительный материал клеток. Строение белков сложное: молекула белка имеет большие размеры и представляет собой цепь, состоящую из десятков и сотен более простых соединений -- аминокислот. Многие белки служат ферментами, которые ускоряют течение биохимических процессов в клетке.

Нуклеиновые кислоты, образующиеся в клеточном ядре, состоят из углерода, кислорода, водорода и фосфора. Различают два типа нуклеиновых кислот:

1) дезоксирибонуклеиновые (ДНК) находятся в хромосомах и определяют состав белков клетки и передачу наследственных признаков и свойств от родителей к потомству;

2) рибонуклеиновые (РНК) -- связаны с образованием характерных для этой клетки белков.

ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ

Живая клетка обладает рядом свойств: способностью к обмену веществ и размножению, раздражимостью, ростом и подвижностью, на основе которых осуществляются функции целого организма.

Цитоплазма и ядро клетки состоят из веществ, которые поступают в организм через органы пищеварения. В процессе пищеварения происходит химический распад сложных органических веществ с образованием более простых соединений, которые с кровью приносятся к клетке. Энергия, выделяющаяся при химическом распаде, идет на поддержание жизнедеятельности клеток. В процессе биосинтеза поступающие в клетку простые вещества перерабатываются в ней в сложные органические соединения. Отработанные продукты -- углекислый газ, воду и другие соединения -- кровь выносит из клетки к почкам, легким и коже, которые выделяют их во внешнюю среду. В результате такого обмена веществ состав клеток постоянно обновляется: одни вещества в них образуются, другие разрушаются.

Клетка как элементарная единица живой системы обладает раздражимостью, т. е. способностью реагировать на внешние и внутренние воздействия.

Большинство клеток организма человека размножаются путем непрямого деления. Перед делением каждая хромосома достраивается за счет имеющихся в ядре веществ и становится двойной.

Процесс непрямого деления состоит из нескольких фаз.

1. Увеличение ядра в объеме; отделение хромосом каждой пары друг от друга и их рассредоточение по всей клетке; образование из клеточного центра веретена деления.

2. Выстраивание хромосом друг против друга в плоскости экватора клетки и прикрепление к ним нитей веретена деления.

3. Расхождение парных хромосом от центра к противоположным полюсам клетки.

4. Образование из разошедшихся хромосом двух ядер, возникновение перетяжки, а затем -- перегородки на теле клетки.

В результате такого деления обеспечивается точное распределение хромосом -- носителей наследственных признаков и свойств организма -- между двумя дочерними клетками.

Клетки могут расти, увеличиваясь в объеме, а некоторые обладают способностью передвигаться.

Атлас: анатомия и физиология человека. Полное практическое пособие Елена Юрьевна Зигалова

Химический состав клетки

Химический состав клетки

В состав клетки входит более 100 химических элементов, на долю четырех из них приходится около 98 % массы, это органогены : кислород (65–75 %), углерод (15–18 %), водород (8–10 %) и азот (1,5–3,0 %). Остальные элементы подразделяются на три группы: макроэлементы – их содержание в организме превышает 0,01 %); микроэлементы (0,00001–0,01 %) и ультрамикроэлементы (менее 0,00001). К макроэлементам относятся сера, фосфор, хлор, калий, натрий, магний, кальций. К микроэлементам – железо, цинк, медь, йод, фтор, алюминий, медь, марганец, кобальт и др. К ультрамикроэлементам – селен, ванадий, кремний, никель, литий, серебро и до. Несмотря на очень малое содержание, микроэлементы и ультрамикроэлементы играют очень важную роль. Они влияют, главным образом, на обмен веществ. Без них невозможна нормальная жизнедеятельность каждой клетки и организма как целого.

Рис. 1. Ультрамикроскопическое строение клетки. 1 – цитолемма (плазматическая мембрана); 2 – пиноцитозные пузырьки; 3 – центросома клеточный центр (цитоцентр); 4 – гиалоплазма; 5 – эндоплазматическая сеть: а – мембрана зернистой сети; б – рибосомы; 6 – связь перинуклеарного пространства с полостями эндоплазматической сети; 7 – ядро; 8 – ядерные поры; 9 – незернистая (гладкая) эндоплазматическая сеть; 10 – ядрышко; 11 – внутренний сетчатый аппарат (комплекс Гольджи); 12 – секреторные вакуоли; 13 – митохондрия; 14 – липосомы; 15 – три последовательные стадии фагоцитоза; 16 – связь клеточной оболочки (цитолеммы) с мембранами эндоплазматической сети

Клетка состоит из неорганических и органических веществ. Среди неорганических наибольшее количество воды. Относительное количество воды в клетке составляет от 70 до 80 %. Вода – универсальный растворитель, в ней происходит все биохимические реакции в клетке. При участии воды осуществляется теплорегуляция. Вещества, растворяющиеся в воде (соли, основания, кислоты, белки, углеводы, спирты и др.), называются гидрофильными. Гидрофобные вещества (жиры и жироподобные) не растворяются в воде. Другие неорганические вещества (соли, кислоты, основания, положительные и отрицательные ионы) составляют от 1,0 до 1,5 %.

Среди органических веществ преобладают белки (10–20 %), жиры, или липиды (1–5 %), углеводы (0,2–2,0 %), нуклеиновые кислоты (1–2 %). Содержание низкомолекулярных веществ не превышает 0,5 %.

Молекула белка является полимером, который состоит из большого количества повторяющихся единиц мономеров. Мономеры белка аминокислоты (их 20) соединены между собой пептидными связями, образуя полипептидную цепь (первичную структуру белка). Она закручивается в спираль, образуя, в свою очередь, вторичную структуру белка. Благодаря определенной пространственной ориентации полипептидной цепи возникает третичная структура белка, которая определяет специфичность и биологическую активность молекулы белка. Несколько третичных структур, объединяясь между собой, образуют четвертичную структуру.

Белки выполняют важнейшие функции. Ферменты – биологические катализаторы, увеличивающие скорость химических реакций в клетке в сотни тысяч миллионы раз, являются белками. Белки, входя в состав всех клеточных структур, выполняют пластическую (строительную) функцию. Движения клеток также осуществляют белки. Они обеспечивают транспорт веществ в клетку, из клетки и внутри клетки. Важной является защитная функция белков (антитела). Белки являются одним из источников энергии.

Углеводы подразделяются на моносахариды и полисахариды. Последние построены из моносахаридов, являющихся, подобно аминокислотам, мономерами. Среди моносахаридов в клетке наиболее важны глюкоза, фруктоза (содержит шесть атомов углерода) и пентоза (пять атомов углерода). Пентозы входят в состав нуклеиновых кислот. Моносахариды хорошо растворяются в воде. Полисахариды плохо растворяются в воде (в животных клетках гликоген, в растительных – крахмал и целлюлоза. Углеводы являются источником энергии, сложные углеводы, соединенные с белками (гликопротеиды), жирами (гликолипиды), участвуют в образовании клеточных поверхностей и взаимодействиях клеток.

К липидам относятся жиры и жироподобные вещества. Молекулы жиров построены из глицерина и жирных кислот. К жироподобным веществам относятся холестерин, некоторые гормоны, лецитин. Липиды, являющиеся основным компонентом клеточных мембран (они описаны ниже), выполняют тем самым строительную функцию. Липиды – важнейшие источники энергии. Так, если при полном окислении 1 г белка или углеводов освобождается 17,6 кДж энергии, то при полном окислении 1 г жира – 38,9 кДж. Липиды осуществляют терморегуляцию, защищают органы (жировые капсулы).

Нуклеиновые кислоты являются полимерными молекулами, образованными мономерами нуклеотидами. Нуклеотид состоит из пуринового или пиримидинового основания, сахара (пентозы) и остатка фосфорной кислоты. Во всех клетках существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонулеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК), которые отличаются по составу оснований и сахаров (табл. 1, рис. 2 ).

Рис. 2. Пространственная структура нуклеиновых кислот (по Б. Албертсу и соавт., с изм.). I – РНК; II – ДНК; ленты – сахарофосфатные остовы; A, C, G, T, U – азотистые основания, решетки между ними – водородные связи

Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в виде двойной спирали. Азотистые основания обеих цепей соединены между собой комплементарно водородными связями. Аденин соединяется только с тимином, а цитозин – с гуанином (А – Т, Г – Ц). В ДНК записана генетическая информация, которая определяет специфичность синтезируемых клеткой белков, т. е. последовательность аминокислот в полипептидной цепи. ДНК передает по наследству все свойства клетки. ДНК содержится в ядре и митохондриях.

Молекула РНК образована одной полинуклеотидной цепью. В клетках существует три типа РНК. Информационная, или мессенджер РНК тРНК (от англ. messenger – «посредник»), которая переносит информацию о нуклеотидной последовательности ДНК в рибосомы (см. ниже).

Транспортная РНК (тРНК), которая переносит аминокислоты в рибосомы. Рибосомальная РНК (рРНК), которая участвует в образовании рибосом. РНК содержится в ядре, рибосомах, цитоплазме, митохондриях, хлоропластах.

Таблица 1

Состав нуклеиновых кислот

Больше, других - меньше.

На атомарном уровне различий между органическим и неорганическим миром живой природы нет: живые организмы состоят из тех же атомов, что и тела неживой природы. Однако соотношение разных химических элементов в живых организмах и в земной коре сильно различается. Кроме того, живые организмы могут отличаться от окружающей их среды по изотопному составу химических элементов.

Условно все элементы клетки можно разделить на три группы.

Макроэлементы

Цинк - входит в состав ферментов, участвующих в спиртовом брожении, в состав инсулина

Медь - входит в состав окислительных ферментов, участвующих в синтезе цитохромов.

Селен - участвует в регуляторных процессах организма.

Ультрамикроэлементы

Ультрамикроэлементы составляют менее 0,0000001 % в организмах живых существ, к ним относят золото , серебро оказывают бактерицидное воздействие, подавляет обратное всасывание воды в почечных канальцах, оказывая воздействие на ферменты. Так же к ультрамикроэлементам относят платину и цезий . Некоторые к этой группе относят и селен, при его недостатке развиваются раковые заболевания. Функции ультрамикроэлементов еще мало понятны.

Молекулярный состав клетки

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Химический состав клетки" в других словарях:

Клетки - получить на Академике рабочий купон на скидку Галерея Косметики или выгодно клетки купить с бесплатной доставкой на распродаже в Галерея Косметики

Общая схема строения бактериальной клетки показана на рисунке 2. Внутренняя организация бактериальной клетки сложна. Каждая систематическая группа микроорганизмов имеет свои специфические особенности строения. Клеточная стенка.… … Биологическая энциклопедия

Своеобразие внутриклеточного строения красных водорослей складывается как из особенностей обычных клеточных компонентов, так и из наличия специфических внутриклеточных включений. Клеточные оболочки. В клеточных оболочках красных… … Биологическая энциклопедия

- (Argentum, argent, Silber), хим. знак Ag. С. принадлежит к числу металлов, известных человеку еще в глубокой древности. В природе оно встречается как в самородном состоянии, так и в виде соединений с другими телами (с серой, напр. Ag 2S… …

- (Argentum, argent, Silber), хим. знак Ag. С. принадлежит к числу металлов, известных человеку еще в глубокой древности. В природе оно встречается как в самородном состоянии, так и в виде соединений с другими телами (с серой, напр. Ag2S серебряный … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

У этого термина существуют и другие значения, см. Клетка (значения). Клетки крови человека (РЭМ) … Википедия

Термин Биология был предложен выдающимся французким естествоиспытателем и эволюционистом Жаном Батистом Ламарком в 1802 году для обозначения науки о жизни как особым явлении природы. Сегодня биология представляет собой комплекс наук, изучающих… … Википедия

Клетка элементарная единица строения и жизнедеятельности всех живых организмов (кроме вирусов, о которых нередко говорят как о неклеточных формах жизни), обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию,… … Википедия

- (цито + химия) раздел цитологии, изучающий химический состав клетки и ее компонентов, а также обменные процессы и химические реакции, которые лежат в основе жизнедеятельности клетки … Большой медицинский словарь

Клетки, образующие ткани растений и животных, значительно различаются по форме, размерам и внутреннему строению. Однако все они обнаруживают сходство в главных чертах процессов жизнедеятельности, обмена веществ, в раздражимости, росте, развитии, способности к изменчивости.

Биологические превращения, происходящие в клетке, неразрывно связаны с теми структурами живой клетки, которые отвечают за выполнение гой или иной функции. Такие структуры получили название органоидов.

Клетки всех типов содержат три основных, неразрывно связанных между собой компонента:

1. структуры, образующие ее поверхность: наружная мембрана клетки, или клеточная оболочка, или цитоплазматическая мембрана;
2. цитоплазма с целым комплексом специализированных структур — органоидов (эндоплазматическая сеть, рибосомы, митохондрии и пластиды, комплекс Гольджи и лизосомы, клеточный центр), присутствующих в клетке постоянно, и временных образований, называемых включениями;
3. ядро - отделено от цитоплазмы пористой мембраной и содержит ядерный сок, хроматин и ядрышко.

Строение клетки

Поверхностный аппарат клетки (цитоплазматическая мембрана) растений и животных имеет некоторые особенности.

У одноклеточных организмов и лейкоцитов наружная мембрана обеспечивает проникновение в клетку ионов, воды, мелких молекул других веществ. Процесс проникновения в клетку твердых частиц называется фагоцитозом, а попадание капель жидких веществ - пиноцитозом.

Наружная плазматическая мембрана регулирует обмен веществ между клеткой и внешней средой.

В клетках эукариот есть органоиды, покрытые двойной мембраной, - митохондрии и пластиды. Они содержат собственные ДНК и синтезирующий белок аппарат, размножаются делением, то есть имеют определенную автономию в клетке. Кроме АТФ, в митохондриях происходит синтез небольшого количества белка. Пластиды свойственны клеткам растений и размножаются путем деления.

К одномембранным органоидам относятся эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, различные типы вакуолей.

Современные средства исследования позволили биологам установить, что по строению клетки все живые существа следует делить на организмы «безъядерные» - прокариоты и «ядерные» - эукариоты.

У прокариот-бактерий и сине-зеленых водорослей, а также вирусов имеется всего одна хромосома, представленная молекулой ДНК (реже РНК), расположенной непосредственно в цитоплазме клетки.

Эукариоты обладают большим богатством органоидов, имеют ядра, содержащие хромосомы в виде нуклеопротеидов (комплекс ДНК с белком гистоном). К эукариотам относятся большинство современных растений и животных как одноклеточных, так и многоклеточных.

Выделяют два уровня клеточной организации:

• прокариотический - их организмы очень просто устроены - это одноклеточные или колониальные формы, составляющие царство дробянок, синезеленых водорослей и вирусов
• эукариотический - одноклеточные колониальные и многоклеточные формы, от простейших - корненожки, жгутиковые, инфузории — до высших растений и животных, составляющие царство растений, царство грибов, царство животных

Все органоиды клетки, несмотря на особенности их строения и функций, находятся во взаимосвязи и «работают» на клетку, как на единую систему, в которой связующим звеном является цитоплазма.

Особые биологические объекты, занимающие промежуточное положение между живой и неживой природой, представляют собой вирусы, открытые в 1892 г. Д. И. Ивановским, они составляют в настоящее время объект особой науки - вирусологии.

Вирусы размножаются только в клетках растений, животных и человека, вызывая различные заболевания. Вирусы имеют очень прослое строение и состоят из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и белковой оболочки. Вне клеток хозяина вирусная частица не проявляет никаких жизненных функций: не питается, не дышит, не растет, не размножается.