Химический состав и значение клетки

Первыми клетками были прокариоты, безъядерные клетки. Они исторически являются предшественниками клеток имеющих ядро, впервые появившихся около 3 млрд. лет тому назад – эукариотов. К прокариотам относятся бактерии, сине-зеленые водоросли.

Во второй половине XX века были выяснены вещественный состав, структура клетки и процессы, происходящие в ней. Клетка это своего рода атом в биологии. Как разные химические соединения сложены из атомов, так и живые организмы состоят из огромных скоплений клеток. Клетка, подобно атомам, содержит в середине плотное образование, названное ядром, которое плавает в «полужидкой» цитоплазме. Все вместе заключено в клеточную мембрану.

Организмы состоят из воды, различных неорганических ионов и многих органических соединений. Как отмечалось ранее, хи­мия живого насчитывает всего лишь около 20 элементов. Живые организмы образуют всевозмож­ные малые органические молекулы, называемые мономерами соединяя друг с другом мономеры. Организм строит свои макромолекулы. Процесс этот обратим: полимеры могут быть разрушены до мономеров, из кото­рых они состоят.

Все живые организмы содержат четыре главных класса органических соединений: углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты. Соедине­ния каждого класса построены из своих особых мономеров, объединяю­щихся в полимеры.

В углеводах роль мономеров играют простые сахара, назы­ваемые моносахаридами; примерами моносахаридов могут служить глю­коза и фруктоза. В состав простых сахаров входят атомы углерода, водо­рода и кислорода в соотношении 1:2:1. Одна из важных функций моносахаридов заключается в обеспе­чении организма энергией. В клетках простые сахара расщепля­ются до двуокиси углерода и воды, что сопровождается высвобождением энергии, запасенной в молекулах сахара. Некоторые пятиуглеродные са­хара играют также важную роль в качестве одного из компонентов нук­леиновых кислот.

Простые сахара могут соединяться, образуя дисахариды (сахароза) и полисахариды. Обычный полисахарид животного организма – гликоген – представляет собой по­лимер глюкозы, которая в таком виде запасается главным образом в пе­чени и мышцах. В растениях глюкоза хранится в виде крахмала. Кроме него растения синтезируют и другой полисахарид – целлюлозу. Целлюло­за образует волокна, которые сообщают телу растения жесткость.

В отличие от углеводов липиды разно­образны и по структуре, и по соотношению входящих в них элементов. Всем липидам присуще, однако, одно общее свойство: они неполярны, поэтому и растворяются в таких неполярных жидкостях, как хлороформ и эфир, но практически нерастворимы в воде. Именно нерастворимость в воде делает липиды важнейшими компонентами мембран, разделяющих в живых организмах отсеки, или компартменты, заполненные водным содержимым. Кроме того, липиды – это главная форма хранения энергии в животном организме, поскольку липиды, в отличие от углеводов, могут храниться в концентрированном виде.

Белки представлены в живых клетках гораздо полнее, чем любые другие органические соединения, что хорошо согласуется с раз­нообразием выполняемых ими функций. Белки – это ферменты, уско­ряющие химические реакции, а также структурные белки, из которых состоят, например, волосы, ногти или шелк. В состав белка входят угле­род, кислород, водород и азот; некоторые белки содержат еще и серу. Роль мономеров в белках играют аминокислоты. В белках встречаются 20 обычных видов аминокислот. Длинную цепь из аминокислот называют полипептидом. Полипептиды содержат от 100 до 300 аминокислот. Моле­кулы некоторых белков состоят из одной полипептидной цепи; в других белках их две или более, причем они специфическим образом упакованы. Цепь белка долж­на быть надлежащим образом скручена и свернута. Это свертывание обеспечивается различного рода взаимодействиями ме­жду аминокислотами.

Нуклеиновые кислоты – это самые крупные из молекул, образуемых живыми организмами. Есть два вида нуклеино­вых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (сокращенно ДНК), содер­жащая генетическую информацию, куда входит и информация о после­довательности аминокислот в полипептидах (ДНК поэтому определяет структуру белков), и рибонуклеиновая кислота (РНК), участвующая в синтезе белков.

Исследования показали, что клетки имеют некоторые общие свойства не только в строении, но и в функциях. Так, клетки осуществляют обмен веществ, способны к саморегуляции своего состояния, могут передавать наследственную информацию. Но клетки и весьма многообразны. Величина клеток – от 1 мкм до 1 м (у нервных клеток, имеющих отростки). Клетки могут быть дифференцированными (нервные, мышечные и т. д.). Большинство из них могут восстанавливаться, но некоторые, например нервные, – нет или почти нет. У клеток разный срок существования. Так, некоторые клетки пищевода отмирают у человека через несколько дней после появления, а срок жизни нервных клеток может совпадать с продолжительностью жизни человека.

Работу клетки можно сравнить с работой фабрики. Почти в каждой из клеток человека синтезируется свыше 10 000 разных белков. Нуклеиновые кислоты создают ферменты (белки), управляющие реакциями. Фермент похож на дирижера, который играет всегда со своим оркестром. В каждой клетке несколько тысяч «дирижеров–ферментов». Это станки и машины «фабрики». Но в отличие от обычной фабрики, клетка может и воспроизводить саму себя.