В состав веществ, участвующих в реакциях, связанных с жизнедеятельностью клетки, входят почти все известные химические элементы, причем на долю четырех из них приходится 98\% массы клетки. Это кис- лород (65-75\%), углерод (15-18\%), водород (8-10\%) и азот (1,5-3\%). Остальные элементы подразделяются на макроэлементы (около 1,9\%) и микроэлементы (около 0,1\%). К макроэлементам относятся сера, фосфор, хлор, калий, натрий, магний, кальций и железо, к микроэлементам — цинк, медь, йод, фтор, марганец, селен, кобальт и др. Несмотря на очень малое содержание, микроэлементы играют важную роль. Они влияют на обмен веществ, без них невозможна нормальная жизнедеятельность каждой клетки в отдельности и организма как целого.
Клетка состоит из неорганических и органических веществ. Среди неорганических преобладает вода, ее относительное количество в клетке от 70 до 80\%. Вода — универсальный растворитель, в ней происходят все биохимические реакции, при участии воды осуществляется тепло- регуляция клетки. Вещества, растворимые в воде (соли, основания, кислоты, белки, углеводы, спирты и др.), называются гидрофильными. Гидрофобные вещества (жиры и жироподобные вещества) не растворяются в воде. Есть органические вещества с вытянутыми молекулами, у которых один конец гидрофилен, другой гидрофобен; их называют амфипатическими. Примером амфипатических веществ могут служить фосфолипиды, участвующие в образовании биологических мембран.
Неорганические вещества (соли, кислоты, основания, положительные и отрицательные ионы) составляют от 1,0 до 1,5\% массы клетки. Среди органических веществ преобладают белки (10-20\%), жиры, или липиды (1-5\%), углеводы (0,2-2,0\%), нуклеиновые кислоты (1-2\%). Содержание низкомолекулярных веществ в клетке не превышает 0,5\%.
Молекула белка является полимером, который состоит из множества повторяющихся единиц (мономеров). Мономеры белка — аминокислоты
(их 20) соединены между собой пептидными связями, образующими полипептидную цепь (первичную структуру белка). Цепь закручивается в спираль, представляющую, в свою очередь, вторичную структуру белка.
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. Они образуют клеточный скелет. Движения клеток также осуществляют специальные белки (актин, миозин, динеин). Белки обеспечивают транспорт веществ в клетку, из клетки и внутри клетки. Антитела, которые наряду с регуляторными выполняют и защитные функции, также являются белками. Наконец, белки являются одним из источников энергии.
Углеводы подразделяются на моносахариды и полисахариды. Полиса- хариды, подобно белкам, построены из мономеров — моносахаридов. Среди моносахаридов в клетке наиболее важны глюкоза (содержит 6 атомов углерода) и пентоза (5 атомов углерода). Пентозы входят в состав нуклеиновых кислот. Моносахариды хорошо растворяются в воде, полисахариды — плохо. В животных клетках полисахариды представлены гликогеном. Углеводы являются источником энергии. Сложные углеводы, соединенные с белками (гликопротеины) и/или 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. Они являются важнейшим источником 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.
Нуклеиновые кислоты являются полимерными молекулами, образованными мономерами — нуклеотидами, каждый из которых состоит из пуринового или пиримидинового основания, сахара пентозы и остатка фосфорной кислоты. Во всех клетках существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК), которые различаются по составу оснований и сахаров (табл. 1).
Молекула ДНК состоит из двух разнонаправленных полинуклеотидньгх цепей, закрученных одна вокруг другой в виде двойной спирали. Основания расположены внутри двойной спирали, а сахарофосфатный скелет —
Таблица 1. Состав нуклеиновых кислот
снаружи. Азотистые основания обеих цепей соединены между собой комплементарно водородными связями, при этом аденин соединяется только с тимином, а цитозин с гуанином (А=Т, G=C). Количество гуанина всегда равно количеству цитозина, количество тимина — количеству гуанина. На один виток спирали длиной 3,4 нм приходится 10 пар азотистых оснований. ДНК несет в себе генетическую информацию, закодированную последовательностью азотистых оснований. Она определяет специфичность синтезируемых клеткой белков, т. е. последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Вместе с ДНК дочерним клеткам передается генетическая информация, определяющая (во взаимодействии с условиями среды) все свойства клетки. ДНК содержится в ядре и митохондриях. Молекула РНК образована одной полинуклеотидной цепью.
Организм человека состоит примерно из 6*1013 клеток (Дубинин Н.П., 1963). Размеры клеток человека варьируют от нескольких микрометров (например, малые лимфоциты — около 7 мкм) до 200 мкм (яйцеклетка). Напомним, что 1 микрометр (мкм) = 10-6 м; 1 нанометр (нм) = 10-9 м. Форма клеток разнообразна. Они могут быть шаровидными, овоидными, веретенообразными, плоскими, кубическими, призматическими, полигональными, пирамидальными, звездчатыми, отростчатыми и др.
Основными функциональными структурами клетки являются ее поверхностный комплекс, цитоплазма и ядро. Поверхностный комплекс включает в себя гликокаликс, клеточную мембрану (цитолемму)и кортикальный слой цитоплазмы. Нетрудно увидеть, что резкого отграничения поверхностного комплекса от цитоплазмы нет. В цитоплазме выделяют гиалоплазму (матрикс, цитозоль), органеллы и включения (табл. 2, рис. 1).
Структурными компонентами ядра являются кариолемма (кариотека), кариоплазма ихромосомы;петли некоторых хромосом могут переплетаться, и в этой области образуется ядрышко.
Цитолемма, кариолемма и часть органелл образованы биологическими мембранами.
Рис. 1. Ультрамикроскопическое строение клетки: 1 — цитолемма (цитоплазматическая мембрана); 2 — пиноцитозные пузырьки; 3 — центросома (клеточный центр; цитоцентр); 4 — гиалоплазма; 5 — зернистая эндоплазматическая сеть: а — мембрана зернистой сети, б — рибосомы; 6 — связь перинуклеарного пространства с полостями эндоплазматической сети; 7 — ядро; 8 — ядерная пора; 9 — незернистая (гладкая) эндоплазматическая сеть; 10 — ядрышко; 11 — внутренний сетчатый аппарат (комплекс Гольджи); 12 — секреторные вакуоли; 13 — митохондрия; 14 — лизосомы; 15 — три последовательные стадии фагоцитоза; 16 — связь клеточной оболочки (цитолеммы) с мембранами
эндоплазматической сети
Таблица 2. Структурные компоненты клетки
