Раздел 2. Клетка как биологическая система
 Скачать 22.74 Mb.
|
|
Сравнительная характеристика строения клеток растений, животных, грибов и бактерий
Отличия в строении клеток представителей разных царств живой природы приведены на рис. 2.3.  Рис. 2.3. Строение клеток бактерий (А), животных (Б), грибов (В) и растений (Г) 2.3. Химическая организация клетки. Взаимосвязь строения и функций неорганических и органических веществ (белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, АТФ), входящих в состав клетки. Обоснование родства организмов на основе анализа химического состава их клеток. Химический состав клетки. В составе живых организмов обнаружено большинство химических элементов Периодической системы элементов Д. И. Менделеева, открытых к настоящему времени. С одной стороны, в них не содержится ни одного элемента, которого не было бы в неживой природе, а с другой сторо ны, их концентрации в телах неживой природы и живых организмах существенно различаются (табл. 2.2). Эти химические элементы образуют неорганические и органические вещества. Несмотря на то что в живых организмах преобладают неорганические вещества (рис. 2.4), именно органические вещества определяют уникальность их химического состава и феномена жизни в целом, посколь ку они синтезируются преимущественно организмами в процессе жизнедеятельности и играют в реакциях важнейшую роль. Изучением химического состава организмов и химических реакций, протекающих в них, за нимается наука биохимия. Следует отметить, что содержание химических веществ в различных клетках и тканях может существенно различаться. Например, если в животных клетках среди органических соединений преобладают белки, то в клетках растений — углеводы. Таблица 2.2 Содержание некоторых химических элементов в неживой природе и живых организмах, %
Макро- и микроэлементы В живых организмах встречается около 80 химических элементов, однако только для 27 из этих элементов установлены их функции в клетке и организме. Остальные элементы присутству ют в незначительных количествах, и, по-видимому, попадают в организм с пищей, водой и воз духом. Содержание химических элементов в организме существенно различается (см. табл. 2.2). В зависимости от концентрации их делят на макроэлементы и микроэлементы. Концентрация каждого из макроэлементов в организме превышает 0,01 %, а их суммарное содержание — 99 %. К макроэлементам относят кислород, углерод, водород, азот, фосфор, серу, калий, кальций, натрий, хлор, магний и железо. Первые четыре из перечисленных элементов (кислород, углерод, водород и азот) называют также органогенными, поскольку они входят в со став основных органических соединений. Фосфор и сера также являются компонентами ряда органических веществ, например белков и нуклеиновых кислот. Фосфор необходим для формиро вания костей и зубов. Без оставшихся макроэлементов невозможно нормальное функционирование организма. Так, калий, натрий и хлор участвуют в процессах возбуждения клеток. Калий также необходим для работы многих ферментов и удержания воды в клетке. Кальций входит в состав клеточных стенок растений, костей, зубов и раковин моллюсков и требуется для сокращения мышечных клеток, а также для внутриклеточного движения. Магний является компонентом хлорофилла — пигмен та, обеспечивающего протекание фотосинтеза. Он также принимает участие в биосинтезе белка. Железо, помимо того, что оно входит в состав гемоглобина, переносящего кислород в крови, не обходимо для протекания процессов дыхания и фотосинтеза, а также для функционирования многих ферментов. Микроэлементы содержатся в организме в концентрациях менее 0,01 %, а их суммарная концентрация в клетке не достигает и 0,1%. К микроэлементам относятся цинк, медь, марганец, кобальт, йод, фтор и др. Цинк входит в состав молекулы гормона поджелудочной железы — ин сулина, медь требуется для процессов фотосинтеза и дыхания. Кобальт является компонентом витамина В12, отсутствие которого приводит к анемии. Йод необходим для синтеза гормонов щи товидной железы, обеспечивающих нормальное протекание обмена веществ, а фтор связан с фор мированием эмали зубов. Содержание химических элементов в различных клетках и организмах неодинаково, в значи тельной степени оно обусловлено условиями окружающей среды. Так, клетки морских водорослей содержат относительно много йода, позвоночных животных — железа, а моллюсков и ракообраз ных — меди. Как недостаток, так и избыток или нарушение обмена макро- и микроэлементов приводят к развитию различных заболеваний. В частности, недостаток кальция и фосфора вызывает рахит, нехватка азота — тяжелую белковую недостаточность, дефицит железа — анемию, а отсутствие йода — нарушение образования гормонов щитовидной железы и снижение интенсивности обмена веществ. Уменьшение поступления фтора с водой и пищей в значительной степени обусловливает нарушение обновления эмали зубов и, как следствие, предрасположенность к кариесу. Свинец токсичен почти для всех организмов. Его избыток вызывает необратимые повреж дения головного мозга и центральной нерв ной системы, что проявляется потерей зрения и слуха, бессонницей, почечной недостаточ ностью, судорогами, а также может привести к параличу и такому заболеванию, как рак. Острое отравление свинцом сопровождается внезапными галлюцинациями и заканчивает ся комой и смертью.  Рис. 2.4. Содержание химических веществ в клетке Недостаток макро- и микроэлементов можно компенсировать путем увеличения их содержа ния в пище и питьевой воде, а также за счет приема лекарственных препаратов. Так, йод содер жится в морепродуктах и йодированной соли, кальций — в яичной скорлупе и т. п. 2.3.1. Неорганические вещества клетки. Химические элементы клетки образуют различные соединения — неорганические и органиче ские. К неорганическим веществам клетки относятся вода, минеральные соли, кислоты и др., а к органическим — белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды, АТФ, витамины и др. (рис. 2.4). Вода (Н20) — наиболее распространенное неорганическое вещество клетки, обладающее уникальными физико-химическими свойствами. У нее нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха. Плотность и вязкость всех веществ оценивается по воде. Как и многие другие вещества, вода мо жет находиться в трех агрегатных состояниях: твердом (лед), жидком и газообразном (пар). Температура плавления воды — 0°С, темпера тура кипения — 100 °С, однако растворение в воде других веществ может изменять эти характеристики. Теплоемкость воды также до статочно велика — 4200 кДж/моль.К, что дает ей возможность при нимать участие в процессах терморегуляции. В молекуле воды атомы водорода расположены под углом 105°, при этом общие электронные пары оттягиваются более электроотрицательным атомом кислорода. Это обусловливает дипольные свойства молекул воды (один их конец заряжен положительно, а другой — отрицательно) и возможность образования между молекулами воды водородных свя зей (рис. 2.5). Сцепление молекул воды лежит в основе явления поверхностного натяжения, ка пиллярности и свойств воды как универсального растворителя. Вследствие этого все вещества делятся на растворимые в воде (гидрофильные) и нерастворимые в ней (гидрофобные). Благодаря этим уникальным свойствам предопределено то, что вода стала основой жизни на Земле. Среднее содержание воды в клетках организма неодинаково и может изменяться с возрас том. Так, у полуторамесячного эмбриона человека содержание воды в клетках достигает 97,5%, у восьмимесячного — 83 %, у новорожденного снижается до 74 %, а у взрослого человека состав ляет в среднем 66 %. Однако клетки организма различаются содержанием воды. Так, в костях содержится около 20% воды, в печени — 70%, а в мозге — 86%. В целом можно сказать, что концентрация воды в клетках прямо пропорциональна интенсивности обмена веществ. Минеральные соли могут находиться в растворенном или нерастворенном состояниях. Рас творимые соли диссоциируют на ионы — катионы и анионы. Наиболее важными катионами являются ионы калия и натрия, облегчающие перенос веществ через мембрану и участвующие в возникновении и проведении нервного импульса; а также ионы кальция, который принимает участие в процессах сокращения мышечных волокон и свертывании крови; магния, входящего в состав хлорофилла; железа, входящего в состав ряда белков, в том числе гемоглобина. Важней шими анионами являются фосфат-анион, входящий в состав АТФ и нуклеиновых кислот, и оста ток угольной кислоты, смягчающий колебания рН среды. Ионы минеральных солей обеспечивают и проникновение самой воды в клетку, и ее удержание в ней. Если в среде концентрация солей ниже, чем в клетке, то вода проникает в клетку. Также ионы определяют буферные свойства цитоплазмы, т. е. ее способность поддерживать постоянство слабощелочной рН цитоплазмы, не смотря на постоянное образование в клетке кислотных и щелочных продуктов.  Нерастворимые соли (СаС03, Са3(Р04)2 и др.) входят в состав костей, зубов, раковин и панци рей одноклеточных и многоклеточных животных. Кроме того, в организмах могут вырабатываться и другие неорганические соединения, на пример кислоты и оксиды. Так, обкладочные клетки желудка человека вырабатывают соляную кислоту, которая активирует пищеварительный фермент пепсин, а оксид кремния пропитывает клеточные стенки хвощей и образует панцири диатомовых водорослей. В последние годы исследу ется также роль оксида азота (II) в передаче сигналов в клетках и организме. |