Молекулярная организация клетки

Для живого организма характерна определенная иерархия входящих в его состав биологических молекул по степени сложности их строения (схема 1).

Все биоорганические молекулы в конечном итоге происхо­дят от очень простых низкомолекулярных предшественников, по­ступающих в организм из внешней среды: углекислоты, воды и атмосферного азота. В живом организме из них путем ряда про­межуточных превращений образуются биоорганические молекулы, играющие роль строительных блоков: простые сахара, аминокисло­ты, жирные кислоты и т. д. В дальнейшем эти строительные блоки связываются друг с другом ковалентными связями, образуя макро­молекулы белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и липидов (хотя молекулярные веса отдельных липидов малы по сравнению с молекулярными весами белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов, тем не менее липиды способны объединяться в структуры с высоким молекулярным весом и функционировать как макромолекулярные комплексы). На следующем уровне организации макро­молекулы при помощи слабых ковалентных сил объединяются в надмолекулярные комплексы, например липопротеиды (комплексы липидов и белков) или рибосомы (комплексы белков и нуклеино­вых кислот). На высшем клеточном уровне организации надмоле­кулярные комплексы также за счет слабых нековалентных взаи­модействий объединяются в клеточные органеллы: ядра, митохондрии, мембраны и т. п.

 

 

Схема 1. Иерархия молекулярной организации клетки.

 

II. ВОДА

II.1. БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ, СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ВОДЫ

Содержание и распределение воды в организме и клетке.

Вода составляет около 3/4 биомассы Земли. Ее содержание в организмах примерно в 5 раз превышает количество во­ды во всех реках земного шара. У разных организмов и особенно в раз­личных тканях животных и растений содержание воды колеблется в зна­чительных пределах. Так, в биологических жидкостях (кровь, лимфа, слюна, желудочный сок животных и т. п.) содержится от 88 до 99% воды, тогда как в древесине растений или костной ткани жи­вотных ее количество измеряется 20-24%.

Чем моложе организм или орган, тем выше в нем содержание воды. Отличной иллюстрацией этому является постепенное обезвоживание ор­ганизма человека и животных в процессе старения, сопровождающееся характерным сморщиванием кожных покровов. Аналогично этому про­исходит постепенное снижение содержания влаги в растениях по мере их вегетации. Кроме того, у древесных растений верхушечные (молодые) листья всегда значительно богаче водой, чем приствольные (более старые) листья.

Большая часть воды в организме локализована в его клетках. Эту воду называют внутриклеточной. В противоположность этому вода, со­средоточенная в межклеточном пространстве или входящая в состав биологических жидкостей, называется внеклеточной. Так, в организме человека 2/3 составляет внутриклеточная, а 1/3 - внеклеточная вода. Содержание воды в клетках коррелирует с интенсивностью процессов жизнедеятельности в них. Содержание воды в активно делящихся клетках достигает 80% и в некоторых случа­ях даже 90 %.

Около 2/3 внутриклеточной воды локализована в цитоплазме и клеточной стенке. Из субклеточных частиц наименьшим содержанием воды отличаются ядрышко и липидные включения; ядерный сок, матрикс митохондрий и гиалоплазма достаточно богаты водой, тогда как в липопротеиновых структурах эндоплазматического ретикулума ее содер­жание невысоко.

 

Строение и свойства воды.

Огромная роль воды в организме определяется особенностями строения ее молекул.

Атомы водорода и кислорода в воде связаны друг с другом ковалентными полярными связями. Электрические заряды в моле­куле воды распределяются неравномерно: в ней имеются два центра положительного (у водорода) и от­рицательного (у кислорода) заряда. Эти центры образуют конфи­гурацию тетраэдра. Поэтому молекула воды представляет собой диполь с довольно большим дипольным моментом (произ­ведением величины зарядов на расстояние между ними). Диполи воды могут образовывать друг с другом водородные связи. Это приводит к объединению молекул в агрегаты состава (Н₂O)_n, где n=2, 3, 4, 5. Агрегаты такого состава, в свою очередь, образуют более сложные кристаллоподобные структуры. Ассоциация моле­кулы воды не вызывает изменения ее химических свойств, так как водородная связь не очень прочная; физические же свойства меня­ются сильно. В частности, возрастает растворяющая способность воды. В жидкой воде преобладают агрегаты молекул, имеющие тетраэдрическую форму (рис. 1). Они находятся в состоя­нии подвижного равновесия с агрегатами другого состава и хаоти­чески распределенными молекулами воды. В кристаллах льда име­ются только тетраэдрические структуры. В воде непрерывно и с очень большой скоростью происходят образование и разрыв водо­родных связей. В результате агрегаты молекул быстро распадают­ся и формируются. Кристаллоподобной структурой воды объясняются такие важ­ные для живых организмов ее свойства, как высокая теп­лота плавления и испарения. Организм человека избегает перегре­ва, испаряя воду с поверхности кожи; высокая темплоемкость во­ды предохраняет от повреждения клетки тела при кратковремен­ном местном выделении тепла.

Рис.1. Строение молекул жидкой воды.

Диполи воды способны взаимодействовать не только между со­бой, но и с полярными молекулами других веществ. Этот процесс получил название гидратации веществ. При гидратации более чем в 80 раз ослабевает взаимодействие между электрическими зарядами. Таким образом, гидратация способствует диспергированию кристаллов веществ до ионов, молекул или молекулярных агрегатов. При этом образуются различные виды дисперсных систем.

Вода способна диспергировать не только ионные и полярные соединения, но и вещества, содержащие неполярные, гидрофобные радикалы, например липиды, белки. Между гидрофобными радикалами возникает гидрофобное взаимодействие за счет межмолекулярных сил притяжения и «выталкивания» этих радикалов из воды. Вещества, имеющие неполярный радикал и полярную функциональную группу (белки) способны образовывать мицеллы (рис. 2), в которых радикалы взаимодействуют между собой, а функциональные группы – с молекулами воды. Такие структуры принимают участие в образовании клеточных мембран.

 

Рис. 2. Строение мицеллы в водном растворе.