Молекулярные основы биохимии и физиологии клетки

Элементарный химический состав живой клетки. Определяет характер ее биохимических и физиологических процессов, целиком зависит от элементов, которые присутствуют в земной коре. Из 90 природных химических элементов, обнаруженных в клетке, с очень большим отрывом (около 95 %) преобладают всего четыре элемента — О, С, Н и N (макроэлементы), большинство элементов (Р, К, S, Сl, Na, Mg, Fe и др.) встречаются в небольшом количестве и составляют чуть меньше 4 % (микроэлементы). Остальные элементы (Cu, I, F, Аи и др.) присутствуют в клетках в минимальных количествах, измеряющихся тысячными долями процента (ультраэлементы).

Одним из самых востребованных клеткой неорганических веществ является вода. Она составляет 75 % от сырой массы клетки и самым активным образом участвует во всех процессах ее жизнедеятельности. Вода как наиболее приемлемый растворитель для большинства внутри- и внеклеточных веществ формирует ту среду, в которой осуществляется вся молекулярная жизнь клетки. Потеря клеткой более 20 % воды приводит к ее гибели.

Молекулярные основы биохимии и физиологии клетки. Основными отличительными свойствами живой материи являются обмен веществ, избирательность в поглощении веществ из окружающей среды, раздражимость и способность к росту и размножению.

Поглощая вещества из внешнего мира, живой организм почти неузнаваемо меняет их структуру и придает им совершенно новые свойства. Эти вещества названы органическими, или биологическими.

Органические вещества клетки имеют общий план строения и состоят из углеродного «каркаса», к которому подсоединяются фосфатные, карбоксильные и другие химические группы. По такому принципу в клетке синтезируется огромное число разнообразных протяженных органических молекул (макромолекул, или полимеров). К основным органическим соединениям, определяющим все аспекты жизнедеятельности клетки и жизнедеятельности всего организма, относятся: белки, жиры и углеводы.

Белки являются самой многочисленной группой органических соединений и составляют почти половину сухого клеточного остатка. Это строительный компонент для цитоплазмы, ядра и всех клеточных мембран, основа для веретена, ресничек, жгутиков и многих сократимых структур клетки. Белки входят в состав ферментов и гормонов и обеспечивают этим тонко сбалансированный метаболизм на уровне клетки и всего организма.

Жиры, или липиды (lipos — жир), по химическому составу — это сложные эфиры глицерина и жирных кислот. Они нерастворимы в воде, обладают высокой энергетической емкостью (9,5 ккал/г энергии). Утилизация жиров в клетке сопровождается не только выделением энергии, но и образованием воды, которая также может использоваться клетками. Из жиров, поступающих с пищей, каждый организм вырабатывает жиры, свойственные его виду (овечий, свиной, рыбий и т.д.).

Углеводы присутствуют в клетках как источник энергии (энергетическая емкость углеводов — 4,5 ккал/г), которая образуется в результате утилизации их посредством внутриклеточного дыхания и переводится в митохондриях в химическую энергию молекул АТФ. Используются углеводы и для синтеза многих биологически активных веществ (нуклеиновых кислот, различных ферментов).

По молекулярному строению углеводы подразделяются на моносахариды (глюкоза, фруктоза) и полисахариды (гликоген в животных и крахмал в растительных клетках). Углеводы вступают в связь с молекулами других веществ: с белками (гликопротеиды) и между собой (мукополисахариды).

Нуклеиновые кислоты (НК) были впервые открыты в ядре (nucleus). Различают два типа НК: дезоксирибонуклеиновую (ДНК) и рибонуклеиновую (РНК). Обе кислоты по своей структурной организации — это линейные молекулярные цепи, образованные полимеризацией очень похожих по своему строению мономерных звеньев (мононуклеотидов), расположенных в строго определенном порядке.

Типизация НК проводится по двум параметрам их нуклеотидов: по углеводу, входящему в их молекулу (в ДНК — дезоксирибоза, а в РНК — рибоза), и по набору азотистых оснований (в ДНК — аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т), а в РНК — урацил (У), А, Г и Ц). Но, несмотря на очень небольшие химические отличия, НК значительно различаются по свойствам и биологическим функциям.

ДНК расположена в ядерном веществе клетки и входит в состав генетического материала (хромосомы). Она отличается очень большим линейным размером своей молекулы, имеет вид двойной цилиндрической спирали и содержит генетический код, т. е. наследственную информацию о строении и развитии, передаваемую в дочерние клетки и «записанную» посредством разнообразия в чередовании пар азотистых оснований по длине молекулы ДНК (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Схема молекулы ДНК: А — двухспиральное строение ДНК с обозначением участка спаривания азотистых оснований; Б — линейные размеры одного витка двойной спирали ДНК; 1 — глубокая; 2 — мелкая бороздки в молекуле ДНК; стрелками показано направление спирализации отдельных цепей ДНК

Передача генетической «записи» в дочерние клетки в полном объеме обеспечивается способностью молекул ДНК изготавливать абсолютно идентичные свои копии (редубликация, или удвоение). Такой процесс протекает как обязательный при делении клеток. Вне времени деления (интерфаза) двойные спирали молекулы ДНК используются для «считывания» части своей информации с одной из цепей и транскрипции (синтеза) из свободных мононуклеотидов молекул РНК.

РНК в живых клетках присутствует в виде трех типов: рибосомальная (рРНК), информационная (иРНК), или матричная (мРНК), и транспортная (тРНК). Вместе все типы РНК являются «инструментом» при ДНК, посредством которого закодированная в ДНК генетическая информация переводится «на язык» определенной последовательности аминокислотных остатков в процессе синтеза белка и передается в качестве «руководства к действию» в каждую клетку организма. Таким образом, создается молекулярный механизм, благодаря которому осуществляется генетический контроль над процессами синтеза белков — самых важных клеточных веществ.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) — это основное энергетическое соединение клетки во всех живых организмах. АТФ образуется в митохондриях и накапливает в своих молекулярных макроэргических фосфатных связях около 7 ккал химической энергии. Энергия, освобождающаяся при окислении молекулы АТФ, обеспечивает протекание абсолютного большинства энергозатратных реакций клеточного метаболизма.