Состав клетки

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.

в) 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. 

 Таблица №1. Некоторые функции, выполняемые белками.

Класс	Выполняемая функция	Примеры белков
Ферменты	Служат катализаторами определенных химических реакции; у разных организмов обнаружено более 2000 различных ферментов.	Амилаза расщепляет крахмал  до глюкозы; липаза расщепляет жиры до глицерина и жирных кислот.
Структурные белки	Являются структурными компонентами биологических мембран и многих внутриклеточных органелл, главным  компонентом опорных структур организма.	Коллаген хрящей и сухожилий, эластин соединительной ткани, кератин  волос и ногтей.
Сократительные белки	Обеспечивают движение клеток, внутриклеточных структур.	Актин и миозин мышечного  волокна, тубулин микротрубочек.
Транспортные белки	Связывают и переносят  специфические молекулы и ионы из одного органа в другой.	Гемоглобин переносит  кислород, сывороточный альбумин –  жирные кислоты.
Пищевые белки	Питают зародыш на ранних стадиях развития и запасают биологически ценные вещества и ионы.	Казеин молока; ферритин, запасающий железо в селезенке.
Защитные белки	Предохраняют организм от вторжения других организмов и повреждений.	Антитела, вырабатываемые лимфоцитами, блокируют чужеродные антигены; фибриноген и тромбин, предохраняющие организм от кропотери.
Регуляторные белки	Участвуют в регуляции  активности клетки и организма.	Инсулин регулирует обмен  глюкозы; гистоны – генную активность.

 

г) Нуклеиновые кислоты

 

Нуклеиновые кислоты составляют 1–5 % сухой массы клетки и представлены моно-  и полинуклеотидами. Мононуклеотид  состоит из одного пуринового (аденин – А, гуанин – Г) или пиримидиного (цитозин – Ц, тимин – Т, урацил – У), азотистого основания, пятиуглеродного  сахара (рибоза или дизоксорибоза) и 1-3 остатков фосфорной кислоты.

Мононуклеотиды выполняют  в клетке исключительно важные функций. Они выступают в качестве источников энергии, причем АТФ является универсальным  соединением, энергия которого используется почти во всех внутриклеточных реакциях, энергия ГТФ необходима в белоксинтезирующей деятельности рибосом. Производные  нуклеотидов служат также переносчиками  некоторых химических групп, например НАД (никотинамиддинуклеотид) – переносчик атомов водорода.

Однако наиболее важная роль нуклеотидов состоит в том, что  они служат строительными блоками  для сборки полинуклеотидов РНК  и ДНК (рибонуклеиновых и дезоксирибонуклеиновых кислот).

РНК и ДНК – это линейные полимеры, содержащие от 70 – 80 до 10 в 9 степени мононуклеидов.

Нуклеотид РНК – содержит пятиугольный сахар – рибозу, одно из четырех азотистых оснований (гуанин, урацил, аденин или цитозин) и остаток фосфорной кислоты. Нуклеотиды, входящие в состав ДНК, содержат пятиугольный сахар – дезоксирибозу, одно из четырех основании (гуанин, тимин, аденин или цитозин) и остаток  фосфорной кислоты.

Данные рентгеноструктурного анализа показали, что молекулы ДНК  большинства живых организмов, за исключением некоторых фагов, состоят  из двух полинуклеотидных цепей, антипараллельно  направленных. Молекула ДНК имеет  форму двойной спирали, в которой  полинуклеотидные цепи закручены вокруг воображаемой центральной оси. Спираль  ДНК характеризуется рядом параметров. Ширина спирали около 2 нм. Шаг или  полный оборот спирали составляет 3,4 нм и содержит 10 пар комплементарных  нуклеотидов.

ДНК обладает уникальными  свойствами: способностью к самоудвоению (репликации) и способностью к самовосстановлению (репарации).

Репликация осуществляется под контролем ряда ферментов и протекает в несколько этапов. Она начинается в определенных точках молекулы ДНК. Специальные ферменты разрывают водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями, и спираль раскручивается. Полинуклеотидные цепи материнской молекулы удерживаются в раскрученном состоянии и служат матрицами для синтеза новых цепей.

  С помощью фермента ДНК-полимеразы из имеющихся в среде трифосфатов дезоксиринуклеотидов (дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ) комплементарно материнским цепям собираются дочерние цепи. Репликация осуществляется одновременно на обеих материнских цепях, но с разной скоростью и некоторыми отличиями. На одной из цепей (лидирующей) сборка дочерней цепи идет непрерывно, на другой (отстающей) – фрагментарно. В последующем синтезируемые фрагменты сшиваются с помощью фермента ДНКлигазы. В результате из одной молекулы ДНК образуется две, каждая из которых имеет материнскую и дочернюю цепи. Синтезируемые молекулы являются точными копиями друг друга и исходной молекулы ДНК. Такой способ репликации называется полуконсервативным и обеспечивает точное воспроизведение в дочерних молекулах той информации, которая была в материнской молекуле.

Репарацией называют способность молекулы ДНК «исправлять» возникающие в её цепях изменения. В восстановлении исходной структуры участвуют не менее 20 белков: узнающих измененные участки ДНК и удаляющих их из цепи, восстанавливающих правильную последовательность нуклеотидов и сшивающих восстановленный фрагмент с остальной молекулой ДНК.

Перечисленные особенности  химической структуры и свойств  ДНК обусловливают выполняемые  ей функции. ДНК записывает, хранит, воспроизводит генетическую информацию, участвует в процессах ее реализации между новыми поколениями клеток и организмов.

Рибонуклеиновые кислоты  – РНК – представлены разнообразными по размерам, структуре и выполняемым функциям молекулами. Все молекулы РНК являются копиями определенных участков молекулы ДНК и, помимо уже указанных отличий, оказываются короче ее и состоят из одной цепи. Между отдельными комплементарными друг другу участками одной цепи РНК возможно спаривание основании (А с У, Г с Ц) и образование спиральных участков. В результате молекулы приобретают специфическую конформацию.

Матричная, или информационная, РНК (мРНК, иРНК) синтезируются в ядре под контролем фермента РНК-полимеразы комплементарно информационным последовательностям ДНК, переносит эту информацию на рибосомы, где становится матрицей для синтеза белковой молекулы. В зависимости от объема копируемой информации молекула мРНК может иметь различную длину и составляет около 5% всей клеточной РНК.

Рибособная РНК (рРНК) синтезируется в основном в ядрышке, в области генов рРНК и представлена разнообразными по молекулярной массе молекулами, входящими в состав большой и малой субчастиц рибосом. На долю рРНК приходится 85% всей РНК клетки.

Транспортная РНК (тРНК) составляет около 10% клеточной РНК. Существует более 40 видов тРНК. При реализации генетической информации каждая тРНК присоединяет определенную аминокислоту и траспортирует ее к месту сборки полипентида. У эукариот тРНК состоят из 70-90 нуклеотидов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Строение клетки

3.1. Типы клеточной организации

 

Среди всего многообразия ныне существующих на Земле организмов выделяют две группы: вирусы и фаги, не имеющие клеточного строения; все  остальные организмы представлены разнообразными клеточными формами  жизни. Различают два типа клеточной  организации: прокариотический и эукариотический.

Клетки прокариотического  типа устроены сравнительно просто. В  них нет морфологически обособленного  ядра, единственная хромосома образована кольцевидной ДНК и находится  в цитоплазме; мембранные органеллы  отсутствуют (их функцию выполняют  различные впячивания плазматической мембраны); в цитоплазме имеются  многочисленные мелкие рибосомы; микротрубочки  отсутствуют, поэтому цитоплазма неподвижна, а реснички и жгутики имеют  особую структуру. К прокариотам  относят бактерии.

Большинство современных  живых организмов относится к  одному из трех царств – растений, грибов или животных, объединяемых в надцарство эукариот.

В зависимости от количества, из которых состоят организмы, последние  делят на одноклеточные и многоклеточные. Одноклеточные организмы состоят  из одной единственной клетки, выполняющей  все функции. Многие из этих клеток устроены гораздо сложнее, чем клетке многоклеточного организма. Одноклеточными являются все прокариоты, а также  простейшие, некоторые зеленые водоросли  и грибы.

Основу структурной организации  клетки составляют биологические мембраны. Мембраны состоят из белков и липидов. В состав мембран входят также  углеводы в виде гликолипидов и гликопротеинов, располагающихся на внешней поверхности  мембраны. Набор белков и углеводов  на поверхности мембраны каждой клетки специфичен и определяет её «паспортные» данные. Мембраны обладают свойством  избирательной проницаемости, также  свойством самопроизвольного восстановления целостности структуры. Они составляют основу клеточной оболочки, формируют  ряд клеточных структур.

3.2. Строение эукариотической клетки

 

Типичная эукариотическая  клетка состоит из трех компонентов: оболочки, цитоплазмы и ядра. 

3.2.1. Клеточная  оболочка

 

Снаружи клетка окружена оболочкой, основу которой составляет плазматическая мембрана, или плазмалемма (см. рис. 2), имеющая типичное строение и толщину 7,5 нм.

Клеточная оболочка выполняет  важные и весьма разнообразные функции: определяет и поддерживает форму  клетки; защищает клетку от механических воздействий проникновения повреждающих биологических агентов ; осуществляет рецепцию многих молекулярных сигналов (например, гормонов); ограничивает внутреннее содержимое клетки; регулирует обмен  веществ между клеткой и окружающей средой, обеспечивая постоянство  внутриклеточного состава; участвует  в формировании межклеточных контактов  и различного рода специфических  выпячивании цитоплазмы (микроворсинок, ресничек, жгутиков).

Углеродный компонент  в мембране животных клеток называется гликокаликсом.

Обмен веществ между клеткой  и окружающей ее средой происходит постоянно. Механизмы транспорта веществ  в клетку и из нее зависят от размеров транспортируемых частиц. Малые  молекулы и ионы транспортируются клеткой  непосредственно через мембрану в форме активного и пассивного транспорта.

В зависимости от вида и  направления различают эндоцитоз  и экзоцитоз.

Поглощение и выделение  твердых и крупных  частиц получило соответственно названия фагоцитоз и обратный фагоцитоз, жидких или растворенных частичек – пиноцитоз и обратный пиноцитоз.

3.2.2. Цитоплазма. Органоиды и включения

 

Цитоплазма представляет собой внутреннее содержимое клетки и состоит из гиалоплазмы и  находящихся в нем разнообразных  внутриклеточных структур.

Гиалоплазма (матрикс) – это водный раствор неорганических и органических веществ, способный изменять свою вязкость и находящиеся в постоянном движении. Способность к движению или, течению цитоплазмы, называют циклозом.

Матрикс – это активная среда, в которой протекают многие физические и химические процессы и  которая объединяет все элементы клетки в единую систему.

Цитоплазматические структуры  клетки представлены включениями и  органоидами. Включения – относительно непостоянные, встречающиеся в клетках некоторых типов в определенные моменты жизнедеятельности, например, в качестве запаса питательных веществ (зерна крахмала, белков, капли гликогена) или продуктов подлежащих выделению из клетки. Органоиды – постоянные и обязательные компоненты большинства клеток, имеющим специфическую структуру и выполняющим жизненно важную функцию.

К мембранным органоидам эукариотической клетки относят эндоплазматическую сеть, аппарат Гольджи, митохондрии, лизосомы, пластиды.

а) Эндоплазматическая сеть

 

Вся внутренняя зона цитоплазмы заполнена многочисленными мелкими  каналами и полостями, стенки которых  представляют собой мембраны, сходные  по своей структуре с плазматической мембраной. Эти каналы ветвятся, соединяются  друг с другом и образуют сеть, получившую название эндоплазматической сети.

Эндоплазматическая сеть неоднородна по своему строению. Известны два ее типа - гранулярная и гладкая. На мембранах каналов и полостей гранулярной сети располагается  множество мелких округлых телец - рибосом, которые придают мембранам шероховатый  вид. Мембраны гладкой эндоплазматической сети не несут рибосом на своей  поверхности.

Эндоплазматическая сеть выполняет много разнообразных  функций. Основная функция гранулярной  эндоплазматической сети - участие  в синтезе белка, который осуществляется в рибосомах.

На мембранах гладкой  эндоплазматической сети происходит синтез липидов и углеводов. Все эти  продукты синтеза накапливаются  н каналах и полостях, а затем  транспортируются к различным органоидам клетки, где потребляются или накапливаются  в цитоплазме в качестве клеточных  включений. Эндоплазматическая сеть связывает  между собой основные органоиды  клетки.