Лекция: Структура клетки

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.