Структура клетки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Структура клетки

Биохимия - фундаментальная наука, изучающая химические процессы в живых системах. Она возникла в 80-е годы XIX в., когда из органической химии выделились химия природных соединений и физиологическая химия. Задачей первой являлось выделение природных биологически активных соединений и изучение их структуры; второй - изучение физиологического действия таких соединений и их превращений в живой системе. Именно физиологическая химия явилась предшественницей биологической химии. 20-30-е годы XX в. стали временем становления биохимии как науки. Биохимия вначале делилась на статическую (изучение структуры) и динамическую (исследование процессов превращения веществ). В начале 60-х годов статическая биохимия легла в основу биоорганической химии. Возникает и бионеорганическая химия. В настоящее время эти науки развивают задачи и методы статической биохимии. Собственно биохимией стала динамическая биохимия. Поскольку в организме все реакции катализируются ферментами (энзимами), то биохимию часто отождествляют с энзимологией.

Биологическая химия - это раздел биологии, который изучает химический состав растений, животных и микроорганизмов, происходящие в живых организмах биохимические процессы, связь между жизнедеятельностью организмов и протекающими в них биохимическими процессами.

В задачу биохимии входит изучение физиологической роли отдельных веществ в жизни организмов, процессов биосинтеза сложных органических веществ из неорганических соединений.

Совокупность химических превращений, отражающих постоянную взаимосвязь организма с внешней средой, составляет биологический обмен веществ или метаболизм. Биохимия по своему содержанию и методам тесно связана с физиологией - наукой о природе живых организмов, о функциях и процессах, протекающих в живом организме и его частях (органах, тканях, клетках).

Целью изучения дисциплины является подготовка студентов к освоению технологий производства и хранения пищевых продуктов путем формирования у будущих специалистов научных представлений о строении, свойствах и биологической роли в процессах обмена биогенных веществ.

Задачи дисциплины:

изучение студентами химического строения и основных функций органических и минеральных соединений, входящих в состав живых организмов;

получение теоретических основ знаний о превращениях, которым подвергаются химические вещества в процессе обмена веществ;

изучение химических процессов, лежащих в основе обмена веществ;

изучение роли биохимических процессов в пищевой промышленности;

знакомство с методами исследования химических веществ, принимающих участие в биохимических процессах.

Данные биохимии широко используют в разнообразных областях биологии, сельского хозяйства и промышленности. Пищевая промышленность является своеобразным посредником между сельским хозяйством, производящим все виды пищевого сырья, и потребителем. В процессе производственной обработки пищевых материалов, помимо хорошего внешнего вида, вкуса, аромата, должна быть повышена пищевая ценность продукта. Это может быть достигнуто лишь при углубленном изучении теоретических основ производства, среди которых ведущая роль принадлежит биохимии.

Несмотря на большое разнообразие предприятий пищевой промышленности, производственный процесс основывается на сходных биохимических реакциях. Пищевое сырье после длительного или кратковременного хранения в хозяйствах, на складах и производстве подвергается либо механическому, либо термическому воздействию, а чаще тому и другому. В результате жизненно важные процессы в клетках и тканях грубо нарушаются, и возникают новые, которые и приводят к превращению сырья в готовый продукт, обладающий характерным для него качеством.

Задача технолога состоит в том, чтобы направить биохимические процессы в нужную сторону с целью получения высококачественного продукта. Эта задача может быть решена только при условии углубленного изучения биохимических процессов, совершающихся в производственных смесях или в сырье, подвергаемом обработке, и умения этими процессами управлять.

Биохимия - основа науки о питании. Теория «сбалансированного» пищевого рациона исходит из представлений о рекомендуемых дозах основных пищевых веществ, витаминов и микроэлементов на основе современных знаний о роли отдельных веществ в обмене.

Все живое состоит из клеток. Клетка является основной структурно-функциональной единицей всех живых организмов. Тело растительного или животного организма содержит огромное количество клеток, которые выполняют различные функции и образуют разнообразные ткани и органы, являющиеся сырьем для производства продуктов питания.

Эволюция жизни на нашей планете привела к возникновению чрезвычайно большого разнообразия живых существ. По химическому составу они очень сходны: основные компоненты всякой клетки - дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), рибонуклеиновая кислота (РНК), белки, липиды, фосфолипиды, углеводы и другие. Однако имеются заметные различия между клетками бактерий и цианобактерий, с одной стороны, и животными и растительными клетками (включая также микроскопически малых представителей) - с другой. Бактерии и цианобактерии (сине-зеленые водоросли), не имеющие окруженного мембраной ядра и других окруженных мембраной внутриклеточных органелл, называют прокариотами. В клетках животных, растений, водорослей, грибов и простейших ДНК находится в виде хромосом в истинном ядре или в других органеллах (митохондриях и хлоропластах у растений). Организмы с подобной организацией клеток, в том числе и одноклеточные, называют эукариотами.

Условно к живым существам можно отнести вирусы, которые не способны размножаться самостоятельно, и их репродукция может происходить только внутри живых клеток.

Первичным источником энергии для биологических процессов является Солнце. Каждую секунду оно излучает такое количество энергии, которое эквивалентно примерно 4 млн. т массы. Часть солнечной энергии доходит до Земли в виде фотонов света (квантов) - дискретной электромагнитной энергии, из которой только 0,1-1,0% используется фотосинтезирующими организмами. Но даже из этого количества усвоенной энергии в течение года в процессе фотосинтеза образуется 164 млрд. т органической массы.

Фотосинтезирующие организмы, используя солнечную энергию, отщепляют от молекулы воды водород и выделяют кислород. В процессе фотосинтеза из диоксида углерода и воды с использованием солнечной энергии образуются органические вещества, в первую очередь глюкоза.

В общих чертах строение клеток животных, растений и микроорганизмов имеет много общего, однако имеются и отличия (рис.).

Строение эукариотической клетки (Э. Рис., М. Стернберг, 1988): 1 - лизосома, 2 - жировая капля, 3 - центриоль, 4 - плотный контакт, 5 - ядерные поры, 6 - ядрышко, 7 - плазматическая мембрана (как у прокариот), 8 - конденсированный хроматин, 9 - цитоплазма, 10 - ядро, 11 - шероховатый эндоплазматический ретикулум, 12 - рибосомы (и полирибосомы), 13 - митохондрии, 14 - кристы, 15 - окаймленный пузырек, 16 - гладкий эндоплазматический ретикулум, 17-пиноцитозный пузырек, 18 - окаймленная ямка, 19 - комплекс Гольджи, 20 - вакуоль, 21 - фотосинтезирующие ламеллы, 22 - хлоропласт, 23 - ДНК, 24 - клеточная стенка (слои целлюлозы), 25 - плазмодесма

биохимия трансмембранный диффузия клетка

Снаружи клетка покрыта клеточной оболочкой или клеточной стенкой, за которой располагается наружная мембрана, окружающая протоплазму. Протоплазма состоит из ядра и цитоплазмы. Биохимические функции органоидов клетки представлены в таблице 1.

Так, клеточная стенка дрожжей составляет примерно 15% массы клетки. Толщина стенки достигает 400 нм. В состав ее входят белково-полисахаридные комплексы и липиды. Примерно 70% сухой массы стенки составляют полисахариды маниан и глюкан, которые обуславливают в основном ее механическую прочность. Основу клеточной стенки бактерий образует глипопептид муреин. Количество белков в клеточной стенке обычно не превышает 13% общей массы оболочки клеток. Установлено, что часть белков клеточной стенки представлена ферментами.

Органоиды клетки и их характеристика

Цитоплазматическая мембрана отделяет протоплазму от клеточной стенки и в основном определяет осмотическое давление, транспорт веществ в клетку. Поверхность цитоплазматической мембраны складчатая, толщиной 8 нм. Она построена из бимолекулярного слоя липидов, в котором свободно «плавают» белковые молекулы или их комплексы. Это так называемая «мозаичная» структура строения цитоплазматической мембраны.

В бимолекулярном липидном слое благодаря гидрофобному взаимодействию молекул фосфолипидов полярные (гидрофильные) части их молекул обращены к внешней поверхности, гидрофобные - ко в внутренней поверхности слоя.

При этом молекулы фосфолипидов и белков находятся в непрерывном движении и взаимодействии. Липидный слой определяет структурные основные особенности биологических мембран, а белки ответственны за большинство функций мембран (транспорт, передача сигналов и т.д.). В активном состоянии мембрана имеет жидкую консистенцию, которая зависит от соотношения насыщенных и жирных ненасыщенных кислот.

В плазматических мембранах клеток всех эукариот большинство белков, расположенных на поверхности клетки, а также некоторые молекулы липидов наружного липидного слоя связаны с олигосахаридными цепями. Предполагают, что, по крайней мере, некоторые из олигосахаридных цепей принимают участие в процессах межклеточного узнавания.

Механизмы, обеспечивающие транспорт веществ через цитоплазматическую мембрану, изучены далеко не полностью. Более понятен процесс диффузии веществ по градиенту концентрации.

Липидные биослои в значительной степени непроницаемы для большинства полярных молекул. Такие молекулы проникают в клетку посредством специфических транспортных белков, причем часть этих белков только катализирует облегченную диффузию соответствующего вещества. Другие белки подвергаются конформационным изменениям, вызываемым гидролизом АТФ или связыванием ионов; в результате они способны работать как насосы.

Существуют транспортные белки другого типа, формирующие открытые каналы, которые открываются лишь в ответ на определенные сигналы.

Внутренняя поверхность цитоплазматической мембраны граничит с цитоплазмой, которая представляет собой коллоидный раствор углеводов, аминокислот, ферментов, минеральных и других веществ в воде. Цитоплазма у эукариот, как правило, занимает 50-60% объема клетки. Вязкость цитоплазмы в 800 раз выше вязкости воды. При старении клеток вязкость цитоплазмы увеличивается, в ней появляются мелкие гранулы и вакуоли. В цитоплазме находятся важнейшие клеточные органеллы - ядро, митохондрии, рибосомы, эндоплазматический ретикулум, комплекс Гольджи и другие, в которых протекают все ферментативные процессы.

Эндоплазматический ретикулум представляет собой мембранное образование в виде мелких канальцев или пузырьков, которые локализуются в определенных участках цитоплазмы. Эндоплазматический ретикулум как бы изолирует и локализует в клеточной цитоплазме различные ферментные системы, катализирующие синтез белковых и липидных компонентов большинства клеточных органелл. В эндоплазматической сети происходит гликозирование N-ацетилглюкозамина, маннозы и глюкозы. На эндоплазматической сети расположена часть рибосом.

Аппарат Гольджи - мембранное образование, состоящие из ориентированных определенным образом стопок дискоидных цистерн, окруженных массой мелких пузырьков. Белки из полости эндоплазматического ретикулума входят в аппарат Гольджи, где подвергаются разнообразным ковалентным модификациям, в результате которых приобретают свои зрелые конечные формы. Аппарат Гольджи направляет их в многочисленные внутриклеточные и внеклеточные «пункты назначения». Правильная сортировка белков и их модификация перед избирательным выделением - одна из главных функций аппарата Гольджи.

Пероксисомы - содержащие пероксидазы органеллы, образуют пероксид водорода который расщепляется по каталазному или пероксидазному пути.

Лизосомы - органеллы, специализированные для внутриклеточного расщепления макромолекул; содержат около 30 разнообразных гидролитических ферментов. Гидролазы синтезируются в эндоплазматическом ретикулуме и подвергаются процессингу, проходя через аппарат Гольджи.

Рибосомы находятся в цитоплазме клеток и участвуют в биосинтезе белка на матрице матричной рибонуклеиновой кислоты (мРНК), т.е. в трансляции. Они находятся на поверхности мембраны (активны) или свободно плавают в цитоплазме. В состав рибосом входят рибосомная РНК (рРНК) и белки. Размер рибосом 15-35 нм.

Митохондрии представляют собой сравнительно большие, несколько изогнутые палочковидные структуры, длина которых достигает 1500 нм, диаметр 500 нм. Митохондрии покрывает оболочка, которая состоит из двух мембран. Митохондрии снабжают клетку энергией, которая накапливается в форме аденозинтрифосфата (АТФ) в результате окисления органических веществ. Молекулы АТФ являются универсальными источниками энергии для любых жизненных процессов в клетке. В бактериях функцию митохондрий выполняют особые образования цитоплазматической мембраны - мезосомы. Протекание жизненно важных процессов переноса энергии и веществ, следовательно, связано с мембранами.

В растительных клетках имеется три типа протопластов: хлоропласты, лейкопласты и хромопласты. В хлоропластах происходит фотосинтез, т.е. преобразование энергии света в энергию химических связей органических веществ. В хлоропластах локализованы хлорофилл а (70%) и хлорофилл b (30%). У зеленых водорослей имеются также хлорофиллы с и d, у других типов водорослей хлорофилл е. В хлоропластах кроме хлорофилла содержатся каротиноиды и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Лейкопласты имеются в клетках подземных частей растений; они содержат ДНК, зерна крахмала. Хромопласты обуславливают желтую, оранжевую и красную окраску многих цветов, плодов и некоторых корней, так как содержат свыше 50 видов каротиноидов.

В клетках эукариот есть ядро, окруженное двойной мембраной. Внешняя мембрана связана с эндоплазматическим ретикулумом и через него - с цитоплазматической мембраной. В ядерной оболочке имеются сравнительно большие поры.

Бактерии принадлежат к группе прокариотических микроорганизмов, у которых ядра как такового нет, оно может быть представлено в виде аналога - нуклеоида или просто ядерного вещества, диффузно распределенного в протоплазме.

Основную часть ядра составляет связанная с белками ДНК, в которой закодирована наследственная информация клетки или всего организма. ДНК составляет 1-2% сухой массы клеток. В ядре синтезируется РНК.

Главные функции клеточного ядра: хранение информации, передача информации в цитоплазму с помощью транскрипции, то есть синтез м-РНК (т-РНК и р-РНК) и передача информации дочерним клеткам при репликации - делении клетки и ядер.

Жизнедеятельность любой клетки протекает при участии ферментов. Большинство белков клеток представлено именно в виде ферментов. В прокариотах их 1000-2000, а в клетках эукариот - во много раз больше. Одни ферменты, относящиеся к экзоферментам (амилазы, целлюлазы и другие), подготавливают (расщепляют) субстрат для его проникновения в клетку, другие ферменты участвуют в процессах транспорта веществ через мембраны, третьи катализируют процессы генерирования энергии, биосинтез макромолекул и так далее.

Содержимое всех живых клеток отделено от окружающей среды специальными структурами - биомембранами, которые обычно называют протоплазматическими мембранами. У растений и бактерий наряду с такими мембранами снаружи клетки еще имеется клеточная стенка. Для эукариотических клеток характерно деление внутреннего содержимого клетки на отдельные отсеки, или компартменты. Они представляют собой субклеточные органеллы, ограниченные мембранами, например, ядро митохондрии, аппарат Гольджи. Однако мембраны служат не только поверхностями раздела. По существу, мембраны представляют собой сложные по строению и разнообразные по функциям биохимические системы.

Термин мембрана известен с середины XIX в., но современные представления о строении и биологических функциях мембран начинали складываться в 70-е годы XX в. Мембраны - надмолекулярные комплексы толщиной в несколько молекул. Их размеры составляют 60-100 А. Основные составные части мембран - белки и липиды, а также углеводы. Между всеми компонентами мембран существуют нековалентные кооперативные взаимодействия.

Структурную основу мембран составляют липиды, а функциональную роль выполняют белки, которые являются ферментами, транспортными белками, рецепторами, переносчиками, образующими поры, каналы и насосы. Существуют две основные теории строения мембран.

1. Теория «элементарной мембраны» или липидно-белкового бислоя, предложенная в 1910 г. Д. Даниэли и наиболее подробно изученная Дж. Ро - бертсоном. В 1959 г. он опубликовал видимое под микроскопом строение мембран в виде двух электронноплотных слоев, разделенных менее плотным слоем, определил размеры и состав этих слоев. Наружные гидрофильные части липидных молекул были связаны с белками, а гидрофобные образовали внутреннюю часть, или «кор». Так как на границе жир-вода существует большое поверхностное натяжение, то гидрофобность липидных компонентов уравновешивается гидрофильностью белков.

2.В 1971 г. Ф. Сенгери Г. Николсон предложили жидкостно-мозаичную модель биомембран, согласно которой мембраны представляют собой жидкокристаллические структуры, в которых белки могут быть не только на поверхности мембран, но и пронизывать их насквозь. В этом случае основой мембраны является липидный бислой, в котором углеводородные цепи фосфолипидов находятся в жидкокристаллическом состоянии, и с этим бислоем связаны белки двух типов: периферические и интегральные. Первые - гидрофильные, связаны с мембранами водородными и ионными связями и могут быть легко отделены от липидов при промывании буфером, солевым раствором или при центрифугировании. Вторые белки - гидрофобные, находятся внутри мембраны и могут быть выделены только после разрушения липидного слоя детергентом (процесс солюбилизации мембран), например, додецилсульфатом натрия, ЭДТА и другими. Интегральные белки, как правило, амфипатические, то есть своей гидрофобной частью они взаимодействуют с жирными кислотами, а гидрофильной частью - с клеточным содержимым. Интегральные белки часто являются гликопротеидами, которые синтезируются в аппарате Гольджи, гликозилируются в мембране и содержат много гидрофобных АК и до 50% спиральных участков. Эти белки перемещаются внутри липидного бислоя со скоростью, сравнимой с перемещением в среде, имеющей вязкость жидкого масла («море липидов с плавающими айсбергами белков»).

Координирующая роль мембран состоит в том, что многие ферменты активны только в связанном с мембранами состоянии (мембраны создают своеобразный «биологический конвейер»). Поэтому, важна также векторная роль мембран в действии ферментов. Примерами могут быть процессы фотосинтеза: трансформация энергии и биосинтез органических веществ протекает на мембранах как высокоорганизованный процесс; дыхание и окислительное фосфолирование в мембранах митохондрий, а также всасывание и переваривание пищи, возникновение и передача импульсов в нервной системе, работа органов чувств, работа сердца, сокращение мышц.

Жизнедеятельность клетки и есть существование мембран. Возможно, именно с появлением мембран связано возникновение жизни. Состав мембран постоянно обновляется: у белков в течение 2-6 дней, липидов - в течение 1-2 дней. Но несмотря на непрерывное обновление мембранных компонентов, их структурная организация в течение жизни клетки остается постоянной.

Одной из основных функций мембран является регуляция поступления различных веществ в клетку и их выведения в окружающую среду, то есть осуществление мембранного транспорта. С этим связано и взаимодействие клеток с окружающей средой, и межклеточное взаимодействие, перенос и превращение энергии, работа рецепторов и органов чувств, передача нервных импульсов и работа центральной нервной системы у высших организмов.

Биологические мембраны по природе своей полупроницаемы, так как трудно представить нормальную жизнедеятельность клетки, если бы она была окружена полностью непроницаемой или полностью проницаемой мембраной, поэтому фактически часть веществ может проходить через мембрану, а другая должна переноситься специальными переносчиками.

Различают два вида мембранного транспорта: активный и пассивный. Если вещества двигаются через мембрану из участка с высокой концентрацией в сторону более низкой концентрации, то такой транспорт называют пассивным, или диффузией. Диффузия протекает без затрат энергии и может быть простой или облегченной.

Простая диффузия ионов происходит через поры в мембране, называемые ионными каналами, которые образованы мембранными белками. Путем простой диффузии переносятся вода, неорганические ионы и некоторые сходные с липидами соединения.

Облегченная диффузия - перемещение молекул из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией с помощью белков-переносчиков (или специальных пептидов-ионофоров). Процесс этот называют пассивным, так как он идет по градиенту концентрации, но отличается от обычной диффузии следующими особенностями:

- осуществляется быстрее, чем обычная диффузия;

- достигает насыщения;

- специфичен по отношению к переносимым молекулам.

Активный транспорт - процесс переноса молекул или ионов через

мембраны против градиента концентрации. Такой процесс требует участия специальных переносчиков и затрат энергии. В организме человека на процессы активного транспорта расходуется около 40% всей потребляемой энергии. Примером активного транспорта является поддержание разницы в концентрации ионов между цитоплазмой и межклеточным окружением: К²⁺ и Mg²⁺ больше внутри клетки, a Na⁺ и Са²⁺ - снаружи, то есть имеет место трансмембранный градиент. Он поддерживается благодаря непрерывной, требующей затрат энергии работе специализированных белковых структур - насосов (Na⁺, К⁺-АТФаза, Са2⁺, Мg²⁺-АТФаза).

Существуют особые виды мембранного транспорта, которые нельзя четко определить как пассивные или активные. Так, у эукариотов мембраны могут впячиваться внутрь, образуя сферические пузырьки. Внеклеточные белки, прикрепленные к мембране в месте впячивания, оказываются внутри пузырьков. Затем пузырьки отделяются от мембраны и сливаются с лизосомами, где захваченные белки расщепляются ферментами - такой процесс называется пиноцитозом, или эндоцитозом. Может происходить и обратный процесс - экзоцитоз. Процесс, аналогичный пиноцитозу, но с захватом твердых частиц, называется фагоцитозом. Он впервые был обнаружен И.И. Мечниковым и подробно изучен у лимфоцитов крови (за это исследование И.И. Мечников получил Нобелевскую премию).

Особенностью этих процессов является то, что связывание происходит без затрат энергии, но специфически: если в мембране нет подходящих участков связывания для захватываемой частицы, то она и не взаимодействует с ней. Однако образование пузырька и его отрыв от мембраны требует затрат энергии, что указывает на сходство специфических видов клеточного транспорта с активным транспортом. Характерно также дальнейшее слияние пузырьков с лизосомами, где содержимое пузырьков разрушается.

Водная среда - важнейшее условие протекания биохимических процессов. Особая роль воды для биохимических реакций объясняется следующими ее уникальными свойствами:

- вода - универсальный растворитель;

- у воды низкая температура замерзания и высокая температура кипения;

- диэлектрическая проницаемость воды, равная 80, превосходит таковую для многих жидкостей, и дает возможность удерживать растворенные в ней вещества на расстоянии, способствуя образованию диполей;

- высокая теплота испарения (540 кал/г) и высокая теплоемкость, равная 1 кал для нагрева 1 г воды на 1 градус, позволяют поддерживать постоянной температуру живых существ;

- плотность воды максимальна при 4°С и выше, она превышает плотность льда, что позволяет сохранять жизнь в замерзающих водоемах;

- молекулы воды образуют водородные связи, причем не только в жидкой воде, но и в кристаллах льда и в водяных парах - этим объясняются высокая температура кипения и высокая теплота испарения. В биологических молекулах водородные связи очень важны как для поддержания структуры макромолекул, так и для их функционирования.

Литература

1. Казаков Е.Д., Биохимия зерна и хлебопродуктов. [Текст] / Е.Д. Казаков, Г.П Карпиленко - СПб: ГИОРД, 2005. - 512 с.

2. Комов В.П., Биохимия. [Текст] /В, П. Комов. - СПб.: ГИОРД, 2004. - 465с

3. Ленинджер А. Основы биохимии: В 3 т. М.: Мир, 1987. 980 с.

4. Луценко Н.Г. Начала биохимии: Кур лекций / РХТУ им. Менделеева Д.И. - М.: МАЙК «Наука / Интерпериодика», 2002 - 125 с

5. Рис. Э., Введение в молекулярную биологию: от клеток к атомам: Пер. с англ. [Текст] / Э. Рис., М. Стернберг. - М.: Мир, 2002. - 142 с.

6. Уайт А., Фендлер Ф., Смит Э., Хилл Р., Леман И. Основы биохимии. В 3 т. - М.: Мир, 1981.

7. Щербаков В.Г., Биохимия. [Текст] / В.Г. Щербаков, В.Г. Лобанов, Т.Н. Прудникова, А.Д. Минакова - СПб.: ГИОРД, 2003. - 440 с.

8. Эллиот В., Эллиот Д. Биохимия и молекулярная биология. М.: НИИ биомед. химии РАМН, 1999. - 372 с

Размещено на Allbest.ru