Понятие о клетке и ее физико-химические свойства

Клетка - это основная форма организации живой материи, представляет собой участок протоплазмы, отделенный от внешней среды клеточной оболочкой. Для всех клеток характерны обмен веществ, раздражимость, рост и размножение. Длительность жизни клетки или жизненный цикл определяется многими факторами и зависит от того, какой ткани она принадлежит. Например, клетки крови живут от нескольких часов до нескольких дней, а нервные клетки живут в течение всей жизни особи. Молодые клетки способны к делению или митотическому циклу с образованием двух дочерних клеток. Затем клетки дифференцируются, то есть специализируются на выполнении строго определенной функции. Они практически теряют способность к делению, отличаются друг от друга формой, величиной, внутренним строением, обменом веществ и выполняемыми функциями.

Химический состав протоплазмы клетки многообразен, он включает 96 элементов таблицы Менделеева. В зависимости от количества их делят на макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы. Углерод, кислород, водород и азот составляют около 96% массы тела человека или животного. Кальций, фосфор, калий и сера - около 3%, остальные элементы около 1%. Как правило, микро- и ультрамикроэлементы входят в состав биологически активных веществ - гормонов, витаминов, ферментов, определяя их специфическую активность. Химические элементы в клетках образуют сложные высокомолекулярные вещества, которые делятся на органические и неорганические. Важнейшими органическими веществами клетки считаются белки, нуклеиновые кислоты, липиды и углеводы.

Белки составляют около 50-70% сухого вещества тела животного. Состоят из аминокислот, соединенных друг с другом пептидными связями. Возможны комбинации из 20 известных аминокислот. Простые белки состоят только из аминокислот, их называют протеинами. К ним относятся молочный, яичный, сывороточный и другие протеины. Сложные белки включают помимо аминокислот небелковые вещества и называются протеидами. В зависимости от происхождения небелковой части различают:

1. нуклеопротеиды - комплексы белков с нуклеиновыми кислотами (РНК, ДНК)

2. гликопротеиды - соединения белков с углеводами (муцин, мукоиды)

3. фосфопротеиды - комплексы белков с фосфорной кислотой вителлин яйца, казеин молока)

4. липопротеиды - соединения белков с липидами (все мембранные структуры клетки)

5. хромопротеиды - комплексы белков с небелковыми пигментами, иногда содержащими металлы (гемоглобин, миоглобин, многие ферменты)

Нуклеопротеиды - очень важные соединения, состоящие из мономеров (нуклеотид). Каждый нуклеотид включает фосфорную кислоту, азотистое основание и сахар (рибозу или дезоксирибозу). Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) отвечает за хранение и передачу наследственной информации и регуляцию синтеза белка. Функция рибонуклеиновой кислоты (РНК) - синтез белка. ДНК находится в ядре в виде двух спиралей, соединенных между собой водородными связями. При подготовке к делению происходит удвоение ДНК (редупликация). ДНК в неделящейся клетке имеет вид глыбок разного размера, окрашенных основными красителями хроматина. При делении ДНК сильно спирализуется и преобразуется в хромосомы. РНК локализуется как в ядрышке, так и в цитоплазме. Известно три вида РНК: информационная, транспортная и рибосомальная. Все они синтезируются на молекулах ДНК.

Большую роль в процессах обмена веществ и энергии играют свободные нуклеотиды: аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), трифосфаты уридина (УТФ), цитидина (ЦТФ) и гуанозина (ГТФ). Они являются аккумуляторами и переносчиками энергии. Энергия высвобождается при отщеплении от нуклеотида фосфорных остатков. Еще одно вещество - циклический аденозинмонофосфат (цАМФ) участвует в рецепторных функциях клетки, механизме транспорта веществ и структурных перестройках мембран.

Липиды - широко распространены в протоплазме, входят в состав всех мембранных структур клетки, а также в состав биологически активных веществ (стероидных гормонов), являются запасным энергетическим материалом, при их окислении выделяется большое количество энергии. Молекулы многих липидов имеюи полярные концы. Гидрофобный конец не соединяется с водой и белками, гидрофильный - взаимодействует и с белками, и с водой. Могут находиться в клетке в виде нейтральных жиров, состоящих из глицерина и жирных кислот, либо в виде жироподобных веществ - липоидов.

Углеводы находятся в клетке в виде простых сахаров - моносахаридов (глюкоза, фруктоза и др.), дисахаридов (сахароза, лактоза), либо полисахаридов (гликоген, крахмал, клетчатка). Углеводы являются источниками энергии в клетке, входят в состав мембранных структур, нуклеиновых кислот, образуют биологически активные вещества (гепарин), являются составной частью межклеточного вещества соединительных тканей (гиалуроновая, хондроитинсерная кислоты).

Неорганические вещества - представлены водой и минеральными солями.

Вода - необходимая составная часть протоплазмы, в ней протекают все жизненные процессы. Масса воды составляет около 60-80%. Вода в клетке находится как в свободном, так и в связанном состоянии. Ее количество колеблется от 5 до 80%. Она образует сольватные оболочки макромолекул и удерживается водородными связями. Свободная вода является растворителем для веществ поступающих в клетку и из нее. Она легко проникает в клетку, вызывая ее тургор и набухание. Минеральные вещества - чаще всего в организме встречаются соли угольной, соляной, серной и фосфорной кислот. Растворимые соли обусловливают осмотическое давление в клетках, поддерживают кислотно-щелочное равновесие, влияют на коллоидное состояние протоплазмы. Минеральные вещества могут входить в состав сложных органических соединений (фосфолипиды, нуклеопротеиды и др.).

Физическое состояние протоплазмы определяется состоянием веществ, входящих в ее состав. Плотность протоплазмы 1, 09-1, 06, показатель преломления света 1, 4. Протоплазма имеет коллоидное состояние из-за присутствия большого количества макромолекул, способных к полимеризации и агрегации. Коллоидные растворы являются двухфазной системой, состоящей из растворителя - дисперсионной среды и взвешенных в нем частиц - дисперсионной фазы. Коллоидные частицы удерживаются во взвешенном состоянии благодаря одноименному электрическому заряду и сольватной оболочке. Уменьшение заряда и частичное разрушение сольватной оболочки приводит к агрегации коллоидных частиц. Этот процесс называется желатинизацией, а продукт - гелем. Гель может переходить в более жидкое состояние - золь (при обособлении коллоидных частиц), либо обратно - в гель (при агрегации частиц). Потеря заряда и добавление электролитов приводят к коагуляции - слипанию и выпадению в осадок коллоидных частиц. При сильных воздействиях коагуляция необратима и приводит к гибели клетки.