Химический состав клетки

В любой клетке — от бактериальной до клетки твоей печени — работает один и тот же небольшой набор веществ. Их делят на две группы, и граница между ними проходит не по тому, «живое» вещество или нет, а по строению молекулы.

Неорганические вещества — вода и минеральные соли. Их молекулы простые, они не содержат длинных углеродных цепей.

Органические вещества — белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды и АТФ. Все они построены на углеродном скелете.

Белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды — биополимеры: маленькие звенья (мономеры) соединяются в длинную цепь (полимер). Аминокислота — мономер белка, нуклеотид — мономер нуклеиновой кислоты, моносахарид — мономер полисахарида. Липиды, моно- и дисахариды и АТФ полимерами не являются — вариант «липиды — полимеры» в заданиях на выбор неверен.

Принцип «мономер → полимер» стоит запомнить отдельно: на экзамене часто подменяют мономер одного вещества мономером другого.

Воды в клетке больше, чем любого другого вещества — школьный диапазон для большинства клеток составляет примерно 70–80% массы. Точная цифра зависит от ткани (в эмали зуба и в костной ткани воды заметно меньше, в клетках зародыша — больше), поэтому безопаснее оперировать диапазоном, а не одним числом.

Вода выполняет свою роль благодаря устройству молекулы: атом кислорода стягивает на себя электронную плотность сильнее, чем атомы водорода, поэтому молекула воды полярна и способна образовывать водородные связи с себе подобными и с другими полярными молекулами. Отсюда ключевые свойства для клетки: вода — универсальный растворитель для полярных (гидрофильных) веществ, среда почти для всех реакций обмена веществ и участник самих реакций, например при расщеплении полимеров на мономеры. У воды высокая теплоёмкость и теплопроводность, поэтому она сглаживает перепады температуры и участвует в терморегуляции.

Минеральные соли в клетке — это в первую очередь ионы. Катионы K⁺ и Na⁺ создают разность зарядов на мембране и лежат в основе нервного импульса. Ca²⁺ запускает мышечное сокращение и входит в состав костной ткани. Mg²⁺ нужен для работы многих ферментов: без него они не действуют. Fe²⁺ входит в состав гемоглобина, который переносит кислород.

Анионы Cl⁻, HCO₃⁻ и PO₄³⁻ поддерживают осмотическое давление и буферные системы, которые держат pH внутренней среды почти постоянным.

Углеводы делят по числу звеньев. Моносахариды — одна молекула-сахар, например глюкоза, рибоза или дезоксирибоза (о двух последних — в блоке про нуклеиновые кислоты). Дисахариды — две молекулы моносахарида, соединённые вместе, например сахароза. Полисахариды — длинные цепи из множества моносахаридов.

И вот здесь прячется главная ловушка темы: крахмал, гликоген и целлюлоза — три совершенно разных по свойствам полисахарида, но мономер у всех троих один и тот же — глюкоза. Разница не в мономере, а в том, как молекулы глюкозы соединены: разные формы глюкозы и разное ветвление цепи. Крахмал — запасающее вещество растений: на фотографии ниже видно, как его зёрна заполняют клетки клубня картофеля. Гликоген играет похожую роль запасного вещества у животных и грибов. А целлюлоза образует прочные неразветвлённые волокна клеточной стенки растений, которые почти никто из животных не может переварить.

Функции углеводов в клетке — энергетическая (при расщеплении высвобождается энергия) и строительная (целлюлоза в стенке растительной клетки, хитин — родственный полисахарид — в покровах членистоногих и клеточной стенке грибов).

Липиды объединяет не строение, а общее свойство — они не растворяются в воде (гидрофобны) и растворяются в неполярных растворителях. Три главных класса устроены по-разному.

Жиры — соединение глицерина с тремя молекулами жирных кислот. Это самая ёмкая форма запаса энергии в клетке: на единицу массы жиры дают заметно больше энергии, чем углеводы, поэтому именно они откладываются про запас на длительный срок.

Фосфолипиды устроены иначе: у молекулы есть гидрофильная «головка» (с остатком фосфорной кислоты) и два гидрофобных «хвоста» из жирнокислотных цепей. Именно из-за этой двойственности фосфолипиды в водной среде сами выстраиваются в двойной слой — головки наружу, к воде, хвосты друг к другу, внутрь. Так устроена основа любой клеточной мембраны.

Стероиды — липиды с другим типом молекулярного скелета (кольчатая структура вместо цепи); к ним относятся холестерин и часть гормонов. Их роль в клетке не запасающая, а регуляторная и структурная — холестерин, например, встраивается в мембрану и влияет на её прочность и текучесть.

Мономер белка — аминокислота. У любой аминокислоты один и тот же атом углерода одновременно связан с аминогруппой NH₂ и карбоксильной группой COOH; различаются аминокислоты только боковым радикалом, который прикреплён к этому же атому углерода. Именно сочетание «амино + карбоксил на одном углероде» — надёжный признак, по которому аминокислоту узнают на схеме среди других органических формул.

Соединяясь друг с другом, аминокислоты образуют пептидную связь между карбоксильной группой одной молекулы и аминогруппой соседней. Цепочка таких связей — это первичная структура белка, и именно она задаёт всё остальное: порядок аминокислот в цепи определяет, как молекула свернётся дальше.

Вторичная структура — не новая связь между аминокислотами, а укладка уже готовой цепи за счёт водородных связей между соседними участками той же цепи: так возникают спирали и складчатые слои. Дальше цепь сворачивается ещё плотнее (третичная структура), а несколько цепей могут собраться в один комплекс (четвертичная). Главное — не перепутать первые два уровня и два типа связи: пептидная — это первичная структура, водородная — вторичная.

Денатурация — нарушение природной структуры белка при нагревании, действии кислот, щелочей, спирта. Разрушаются четвертичная, третичная и вторичная структуры, а первичная — цепь аминокислот на пептидных связях — сохраняется. Поэтому денатурация бывает обратимой: если воздействие было мягким, белок может восстановить форму (ренатурация).

Функции белков необычно широкие для одного класса веществ. Каталитическая: ферменты ускоряют реакции. Строительная, транспортная (переносчики в мембране, гемоглобин), двигательная (белки мышц). Регуляторная (гормоны белковой природы), сигнальная (рецепторы), защитная (антитела).

Есть и энергетическая функция, но как источник энергии клетка использует белки в последнюю очередь, когда истощены запасы углеводов и жиров.