Клеточный уровень организации жизни

Клетка является структурной единицей всех живых организмов. Она обладает всеми признаками целостного организма: растет, размножается, обменивается с окружающей средой веществами и энергией, реагирует на внешние раздражители. Известны одноклеточные организмы, состоящие из единственной клетки, которая существует автономно, и многоклеточные: от мелких, состоящих из нескольких сотен клеток, до крупных, к которым относится человеческий организм, включающий в себя 1014 клеток. Размеры растительных и животных меток колеблются от 5 до 20 мкм без прямой зависимости между размерами организмов и размерами их клеток.

Практически все ткани многоклеточных организмов состоят из клеток. Но есть и исключения: например, сердечная мышца животных и человека состоит из клеточной массы со множеством ядер, некоторые структуры организма (например, минеральная основа костей) образованы не клетками, а продуктами их секреции. Изучением клеток занимается наука цитология.

Появление термина «клетка» связано с именем английского биолога Роберта Гука (1665). К концу XIX в. в биологии сложилась клеточная теория строения живых организмов, основные положения которой лежат в основе современных биологических наук:

• • клетка является основной единицей строения и развития живых организмов;
• • клетки всех организмов сходны по своему строению, химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности;
• • каждая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки;
• • в многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемой ими функции и образуют ткани, из которых состоят органы, объединенные в общую систему (организм) и связанные процессами регуляции.

Биохимия клетки

В живых организмах наиболее распространены элементы, входящие в так называемые органические соединения: углерод, водород, кислород и азот, которые составляют около 98% массы клеток. Кроме четырех основных элементов в клетке содержатся железо, калий, натрий, кальций, магний, хлор, фосфор и сера. Их количество измеряется десятыми и сотыми долями процентов. Эти элементы названы макроэлементами в отличие от микроэлементов (цинк, медь, йод, фтор, кобальт, марганец и др.), которые находятся в клетке в значительно меньших количествах, но также необходимы для ее жизнедеятельности.

Химические элементы входят в состав неорганических (вода, минеральные соли, оксиды, кислоты, основания) и органических (белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды) соединений. Вода является основным веществом живых организмов и составляет около 80% массы тела человека. Исключительно важная роль воды в обеспечении процессов жизнедеятельности обусловлена ее способностью образовывать водородные связи, растворять многие вещества, создавать среду для протекания большинства химических реакций в клетке; кроме того, молекулы воды сами вступают во многие жизненно важные реакции.

Белки. Среди органических веществ живой клетки белки стоят на первом месте как по количеству (10−12% общей массы клетки), так и по важности в процессах жизнеобеспечения. Белки представляют собой высокомолекулярные соединения — цепочки аминокислот, содержащие десятки и сотни аминокислот. Молекулы различных белков отличаются друг от друга молекулярной массой, числом и составом аминокислот, последовательностью расположения их в белковой молекуле. Это обусловливает огромное разнообразие белковых молекул, которое определяет специфичность белковых молекул для разных биологических видов и для отдельных индивидуумов.

Специфичность белковых молекул является важным фактором иммунных процессов организма, которые обеспечивают сопротивляемость различным микроорганизмам, аллергические реакции, несовместимость тканей разных особей, приводящую к отторжению тканей при пересадке или тяжелым реакциям при переливании «несовместимой» крови. Так организм поддерживает постоянство своей внутренней среды — важное условие его существования. Количество разнообразных белковых молекул у всех видов живых организмов оценивается числом 1010−1012.

Молекулы белка имеют сложную структуру: цепочка аминокислот (первичная структура белка) сворачивается в спираль (вторичная структура белка), между атомами соседних витков возникает притяжение, и образуются водородные связи, которые приводят к формированию специфичной для данного белка конфигурации (третичная структура). Количество аминокислот и порядок их расположения в полипептидной цепочке специфичны для каждого белка, но биологическую активность белок проявляет только в виде третичной структуры. Поэтому нарушение первичной структуры белка из-за замены хотя бы одной аминокислоты может привести к утрате его биологической активности. Объединение белков в комплексы из нескольких молекул представляет собой четвертичную структуру белка (например, гемоглобин состоит из четырех молекул белка и только в такой форме способен присоединять и транспортировать кислород).

Функции белков в клетке важны и многообразны:

• • строительная — белки участвуют в образовании всех клеточных и межклеточных структур;
• • энергетическая — белки наряду с другими питательными веществами служат важным источником энергии для организма: при расщеплении 1 г белков выделяется 17,6 кДж (-4,2 ккал);
• • двигательная — сократительные белки участвуют в разных видах движений, таких как мерцание ресничек у простейших или сокращение мышц у животных;
• • транспортная — присоединение химических элементов или биологически активных веществ и перенос их к тканям и органам тела;
• • ферментативная (каталитическая) — белки-ферменты служат катализаторами химических реакций в живой клетке, ускоряя их протекание в сотни и тысячи миллионов раз;
• • защитная (иммунная) — выработка особых белков (антител) в ответ на проникновение в организм чужеродных белков или клеток, способных связывать и обезвреживать чужеродные вещества.

Нуклеиновые кислоты обеспечивают хранение и передачу по наследству информации о структуре белковых молекул, определяющей свойства тканей и закономерности их развития. Существуют два типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты) хранят в себе информацию о составе белков клетки, а РНК (рибонуклеиновые кислоты) переносят ее от ДНК к месту синтеза клеткой собственных белковых молекул из аминокислот, поступивших с пищей.

Углеводы, или сахариды, — органические вещества, состоящие преимущественно из углерода и воды, подразделяются на простые (моносахариды) и сложные (олигосахариды и полисахариды). Моносахариды служат источником энергии в обменных процессах организма (при окислении 1 г углеводов выделяется 17,2 кДж (4,1 ккал) энергии) и участвуют в поддержании постоянства осмотического давления жидкостей организма. Сложные углеводы участвуют в построении клеточных структур, в том числе клеточных стенок, воспринимающей части клеточных рецепторов, ДНК и РНК. Запасы питательных веществ в живом организме представлены полисахаридами, которые при необходимости расщепляются до моносахаридов и могут служить непосредственным источником энергии.

Липиды — жиры и жироподобные вещества — входят в состав всех живых клеток и играют важную роль в жизненных процессах. Большинство липидов — производные высших жирных кислот, спиртов или альдегидов, они могут быть простыми (состоящими из жирных высокомолекулярных кислот или альдегидов и спиртов) и сложными (включающими производные ортофосфорной кислоты — фосфолипиды или остатки сахаров — гликолипиды). Химические и физические свойства липидов определяются наличием в их молекулах как полярных молекулярных группировок (-СООН, -ОН, -NH2 и др.), так и неполярных углеводородных цепей. Благодаря такому строению большинство липидов являются поверхностно-активными веществами и формируют биологические мембраны (см. Клеточная мембрана). Будучи одним из основных компонентов клеточных мембран, липиды влияют на их проницаемость, на активность многих ферментов, участвуют в передаче нервного импульса, в межклеточном взаимодействии, в мышечном сокращении, в иммунохимических процессах. Кроме того, липиды играют важнейшую роль в энергетическом обмене организма. В ходе расщепления 1 г жиров освобождается большое количество энергии — 38,9 кДж (-9,3 ккал). Жировые вещества накапливаются в жировой ткани и служат запасным источником энергии. Низкая теплопроводность и водоотталкивающие свойства липидных субстанций обеспечивают защитную функцию липидов: покровные ткани растений и животных содержат жировые вещества, создающие термои гидроизоляцию внутренних органов. Кроме того, прослойка жировой ткани защищает внутренние органы от механических воздействий.