Методические указания. Элементарный состав клетки (протоплазмы)

Элементарный состав клетки (протоплазмы). Биологические и физико-химические свойства тканей, зависят от химический состав протоплазмы клетки. Кроме воды, в протоплазме находится большое количество элементов. Тончайшими химическими исследованиями обнаружено, что из 104 элементов периодический системы Д. И. Менделеева в состав протоплазмы входит 96. Четыре элемента — углерод, кислород, водород и азот—составляют примерно 96% массы тела животного. На долю других четырех элементов — кальция, фосфора, калия и серы — приходится только 3 %, а на все остальные — примерно 1 %. Содержание отдельных элементов в протоплазме составляет доли процента, и одни из них встречаются в одних клетках, другие —в других. Так, для клеток щитовидной железы характерно присутствие йода, не имеющегося в клетках других органов. Таким образом, уже в элементарном составе живого обнаруживаются черты общности и различия отдельных клеток.

Особую группу составляют так называемые микроэлементы. Общими чертами их является, во-первых, то, что они оказывают действие в крайне ничтожных дозах (в пределах 10~8—10~12%); во-вторых, каждый из них действует специфически и не может быть заменен другим элементом. Есть основание считать, что микроэлементы —это катализаторы, играющие важную роль при превращении веществ в клетке. Установлено, что ряд микроэлементов принимает участие во внутриклеточном обмене, оказывая влияние на рост и развитие, участвуя в процессах синтеза гормонов и витаминов. Так, медь вместе с белками образует ферменты, а йод, барий, кобальт, марганец, цинк, алюминий ускоряют работу некоторых ферментов. Отдельные микроэлементы изменяют физическое состояние коллоидных растворов. Например, алюминий повышает вязкость и понижает проницаемость.

Вещества, входящие в состав клетки. Разнообразные химические элементы находятся в клетках в виде органических и неорганических соединений.

Органические вещества являются тем субстратом, без которого невозможна особая форма движения материи, называемая жизнью.

Важнейшими органическими веществами являются: белки, жиры,углеводы, нуклеиновые кислоты и аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).

Белки. Элементарный состав белков представлен углеродом (около 50%), кислородом (приблизительно 25%), азотом (в среднем 16%), водородом (до 8%) и серой (0,3—2,5%). В некоторых белках в небольшом количестве присутствуют фосфор, железо, магний, марганец и другие макро- и микроэлементы. Белки составляют 50—70% сухого вещества тела животного. Именно с белками неразрывно связаны основные проявления жизни клетки; особенностями белков в большей мере определяются свойства отдельных клеток, тканей, органов и целых организмов.

Белки состоят из аминокислотных остатков, соединенных пептидными связями. Всего в белки входит примерно 20 разных аминокислот. Последовательность чередования этих двадцати мономеров дает чрезвычайно большое количество комбинаций разнообразных белковых молекул и тем самым определяет специфичность и биологическую активность белков. Аминокислоты — это производные карбоновых кислот, у которых один или несколько атомов водорода замещены на аминогруппу (—NH2). Аминокислоты, входящие в состав белков, по своему строению являются а-аминокислотами, то есть аминная группа присоединена к ближайшему к карбоксилу углеродному атому. В тех случаях, когда аминокислота содержит две аминогруппы, вторая присоединяется к крайнему углеродному атому. Поскольку в аминокислотах одновременно присутствуют и кислая (карбоксил — СООН) и основная (аминогруппа — NH2) группы, то они относятся к амфотерным соединениям, то есть способны реагировать либо в качестве кислот со щелочами, либо в качестве щелочей с кислотами в зависимости от состояния среды, в которой происходит реакция.

Различают белки простые и сложные. К простым относятся те, которые состоят только из аминокислот (аминокислотных остатков): альбумины, глобулины (молочный, яичный, сывороточный), фибриноген, миозин и др. Сложные белки, или протеиды, состоят из белков и небелковой части (простетическая группа). Все протеиды делят на группы в зависимости от природы небелковой части.

Гликопротеиды — это сложные соединения, где белок прочно связан с углеводами. К ним относятся муцин, в состав которого входит амино-содержащий углевод — глюкозамин, и мукоиды, содержащие аминосахар— хондразамин.

Фосфопротеиды — белок связан с фосфорной кислотой эфирной связью. Фосфопротеиды — это казеин молока и вителлин куриного яйца.

Липопротеиды — белки, связанные с жироподобными веществами,липоидами. Из липопротеидов формируются мембраны почти всех клеточных структур и органелл: ядра, митохондрий, пластинчатого комплекса,цитоплазматической сети, лизосомы и мембраны секреторных гранул.

Хромопротеиды — соединения, состоящие из белка, связанного с небелковым пигментом. К ним относят гемоглобин (белок — глобин и пигмент — гем), при помощи которого осуществляется перенос кислорода и углекислоты кровью, миоглобин — дыхательный пигмент мышечных клеток и соединение хлорофилла с белком — с его помощью растения усваивают углекислоту.

Нуклеопротеиды — соединение белков с нуклеиновыми кислотами.Кислый характер их определяется присутствием фосфорной кислоты, что имеет очень большое значение во многих процессах, протекающих в живом организме.

Металлопротеиды — соединения белков и металлов. Это в основном белки, обладающие ферментативными свойствами: каталаза, пероксидаза, цитохромы, содержащие железо, и др.

Химические, физико-химические и биологические свойства белков определяются не только составом аминокислот и последовательностью их соединения в белковой молекуле, но и конфигурацией полипептидных цепей во всей молекуле в целом. Частицы одних белков имеют округлую (эллипсоидную) форму— глобулярные белки (альбумины, глобулины, гемоглобин, пепсин и др.). Частицы других белков — фибриллярных (миозин, кератин, коллаген, элластин и др.) представлены тончайшими нитями и волокнами.

В клетках имеются гидрофильные белки, которые легко соединяются с водой, давая коллоидные растворы, и белки гидрофобные, не вступающие в соединение с водой. Некоторые белки образуют кристаллы. Хорошо кристаллизуются, например, гемоглобин эритроцитов.

Углеводы в клетке встречаются в виде моносахаридов (простые углеводы) и полисахаридов (полимерные углеводы). Мономерами последних являются сахара. Типичный моносахарид — глюкоза, или виноградный сахар, который в клетке находится в виде раствора. Полисахариды широко распространены в организмах животных и растений в виде клетчатки, крахмала, гликогена, мукополисахаридов. Большинство полисахаридов, ввиду того что они плохо растворимы в воде, образуют в клетке видимые под микроскопом скопления.

В организме углеводы, во-первых, играют роль энергетических веществ, так как освобождающаяся при их окислении и гликолизе энергия используется организмом для осуществления ряда биологических процессов. Некоторые углеводы входят в состав белков, ферментов, нуклеиновых кислот и других биологически активных веществ. Кислые мукополисахариды входят в состав соединительной ткани (гиалуроновая кислота), хряща (хондро-итинсерная кислота), печени, мышц (гепарин) и др. Ряд углеводов принимает участие в построении оболочек и органелл клетки. Содержание углеводов в клетке может сильно варьировать в зависимости от вида и физиологического состояния клетки. В общем количество их в животных клетках ниже, чем в растительных.

Липиды, входящие в состав клетки, делят на две группы: нейтральные жиры и липоиды (жироподобные вещества). Нейтральные жиры состоят из глицерина и жирных кислот. Липоиды, так же как и жиры, растворимы в органических растворителях, но имеют различное химическое строение.

Липиды в клетке играют как роль запасных питательных веществ, так и пластического материала, за счет которого строится тело клетки. Как запасные вещества жиры представляют исключительную ценность в связи с тем, что в них сочетается высокая калорийность с малой плотностью, В случае больших энергетических затрат запасные жиры мобилизуются организмом и без вреда для жизнедеятельности клетки выводятся из нее. Окисляясь, такие жиры выделяют огромное количество энергии, которая используется для осуществления ряда физиологических процессов. Запасные жиры часто накапливаются в клетке в значительных количествах. После специальной окраски они хорошо видны под микроскопом. Пластическим материалом главным образом являются жироподобные вещества. Они входят в состав органелл, оболочек и других частей клетки. Так как эти вещества являются конструктивными, то их разрушение приводит к нарушению жизнедеятельности клетки.

Неорганические вещества главным образом представлены водой и различными минеральными вещеествами. Вода — необходимая составная часть клеток. Она находится в свободном и связанном состоянии. Свободная вода (95%) — растворитель. В форме водных растворов в клетку поступает ряд веществ из внешней среды, и с водой из клетки выводятся продукты обмена. Свободная вода образует также среду, в которой протекают многие реакции, а благодаря своей теплоемкости предохраняет клетку от резких колебаний температуры. Связанная вода вместе с другими веществами участвует в образовании ряда морфологических компонентов клетки. Она входит в состав сольватных оболочек и удерживается молекулами белка при помощи водородных связей. Значение воды в жизни клеток ярко демонстрируется тем фактом, что смерть при ее отсутствии наступает раньше, чем при отсутствии пищи. Количество воды в клетке колеблется от 60 до 80%. Это зависит от вида клетки, ее состояния и возраста. Так, в эмбриональных тканях воды значительно больше, чем в клетках взрослого организма.

Минеральные вещества вместе с органическими участвуют в обмене веществ. Среди минеральных веществ особенно большое значение имеют соли. Наиболее распространены в животных тканях соли угольной, соляной, серной и фосфорной кислот. Минеральные соли, растворимые в жидкостях, обусловливают осмотическое давление, от которого зависит проникновение веществ из клетки и внутрь нее, перемещение веществ внутри клетки и другие явления. Соли влияют на коллоидное состояние высокомолекулярных веществ клетки, что отражается на ее физических свойствах. Растворимые минеральные вещества поддерживают кислотно-щелочное равновесие, определяя таким образом реакцию среды, которой в значительной мере определяется течение сложных превращений веществ, связанных с осуществлением жизненных процессов в клетке. Например, белки, обладающие амфо-терными свойствами, в кислой среде ведут себя, как щелочи, а в щелочной — как кислоты. Некоторые минеральные вещества приобретают большое значение в соединениях с органическими веществами. В отдельных тканях минеральные вещества играют механическую роль, придавая им прочность и крепость.

Все названные выше элементы и вещества образуют в клетке сложную единую систему, в которой изменение одних компонентов влечет за собой изменение других частей этой системы.

Задание. 1.Изучить строения животной клетки и сделать схематический рисунок с обозначением основных компонентов животной клетки, заполнить таблицу.

Материалы:постоянные окрашенные препараты животных клеток.