Химический состав клетки

В аптечке — упаковка витамина C, в стакане — сладкий чай, а в лаборатории пробирку с кровью ставят в центрифугу. Все три ситуации — про один вопрос: из чего построена клетка и почему она не растекается бесформенной слизью. Ещё химики XIX века замечали: сжигая кусочки тканей, они получали золу с десятками элементов. Разберём, как из простых атомов складываются белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты — и почему почти вся масса живого держится на четырёх элементах.

Органогены: четыре элемента, на которых стоит жизнь

Почему именно углерод? У него четыре валентные связи, поэтому атомы углерода выстраиваются в цепи, кольца и каркасы любой длины, а к ним цепляются боковые группы. Так получаются и маленькая молекула сахара, и гигантский белок из тысяч звеньев. Водород и кислород заполняют эти конструкции, азот даёт аминогруппы — без него не собрать ни аминокислоту, ни основание нуклеотида.

Живое вещество по составу совсем не похоже на земную кору: в коре лидируют кислород и кремний, а кремния в живом почти нет — зато углерод и азот собраны в концентрациях, которых в камнях не найти. На этом различии живого и косного вещества строил учение о биосфере геохимик Владимир Вернадский. Вывод для контроля: если спрашивают, из каких элементов «построена» жизнь, — называй четвёрку органогенов и не подставляй в неё кремний.

Элементы, вода и минеральные соли

Клетка берёт те же атомы, что и неживая природа, но в особых пропорциях: углерод, водород, кислород и азот вместе дают около 98% массы живого — их зовут органогенами. Дальше идут макроэлементы — калий, кальций, магний, фосфор, сера, натрий, железо: десятые доли процента. И микроэлементы — медь, цинк, йод, кобальт, бор: сотые доли, но без них клетка болеет, как человек без йода — щитовидной железой. Главная часть клетки — вода: около 80% массы, а в тканях мозга до 85%. Полярные молекулы воды растворяют соли и сахара и отталкивают жиры — потому липиды легко собираются в мембраны. Растворённые минеральные соли дают ионы калия, натрия, кальция и хлора: они задают pH, а слабая кислота и её соль работают буфером — кислотность не прыгает от каждого глотка лимонада.

По отношению к воде вещества делят на гидрофильные — соли, сахара, большинство белков — и гидрофобные, которые воды сторонятся: жиры, воски. Именно поэтому мембрана собирается сама: гидрофобные хвосты фосфолипидов прячутся от воды внутрь, а гидрофильные головки смотрят наружу. Заодно вода спасает клетку от перегрева: её теплоёмкость огромна, и температура внутри меняется плавно, без скачков.

Белки: 20 букв живого алфавита

Белки — рабочие клетки, собранные из 20 аминокислот, связанных пептидными связями в цепь; различие белков — в порядке этих звеньев. У цепи четыре уровня организации: первичный (сам порядок аминокислот), вторичный (спираль или складка), третичный (упаковка в клубок) и четвертичный — сборка из нескольких цепей, как у гемоглобина с его четырьмя субъединицами. Нагрев или кислота ломают третичную упаковку — это денатурация: свернувшееся яйцо не вернуть в жидкое. Работ у белков много: ферменты катализируют реакции, гемоглобин носит кислород, антитела защищают, актин с миозином сокращают мышцы.

Из двадцати аминокислот десяток организм умеет собирать сам, а восемь — незаменимые — приходят только с едой: валин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин и изолейцин. Белок без одной незаменимой кислоты не соберётся, как слово без буквы, — поэтому меню должно быть разным: мясо, яйца, рыба и бобовые дополняют друг друга. Иногда денатурация обратима: если первичная цепь не порвана, снятие вредного фактора возвращает белку рабочую форму — на этом держится самовосстановление клеток.

Жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты

Жиры — главный склад энергии: при окислении 1 г жира освобождается около 39 кДж, вдвое больше, чем из белка или углевода; фосфолипиды строят мембраны, подкожный жир греет и амортизирует. Углеводы — глюкоза как мгновенное топливо, крахмал и гликоген как запас растений и животных, целлюлоза как стены растительных клеток. Нуклеиновые кислоты ведут программу: ДНК — двойная спираль из двух цепей нуклеотидов, её строение расшифровали Уотсон и Крик в 1953 году, а РНК переписывает и переносит инструкцию к рибосоме. А АТФ — отдельная молекула-батарейка: отщепление концевого фосфата освобождает около 40 кДж на моль, и клетка расходует её на всё — от деления до мышечного усилия.

Ферменты: катализаторы с ключом под замок

Ферменты — белки-катализаторы: они ускоряют реакции в тысячи и миллионы раз и работают по принципу «ключ к замку» — каждый подстраивается только под своё вещество. Амилаза слюны расщепляет крахмал: пожуй кусок хлеба минуту — почувствуешь сладковатый привкус. Пепсин в желудке режет белки, но лишь в кислой среде, липаза берётся за жиры, а каталаза мгновенно разлагает ядовитую перекись водорода на воду и кислород. Ферменты капризны к условиям: у человека их оптимум — около 37 градусов, и при температуре выше 42 белки начинают сворачиваться, поэтому сильный жар так опасен.

АТФ и витамины: энергия и незаменимые мелочи

Подробнее про клеточную батарейку. АТФ состоит из азотистого основания аденина, сахара рибозы и трёх фосфатных остатков; отщепление концевого фосфата освобождает около 40 кДж на моль — столько, сколько нужно клетке на транспорт, деление и мышечное усилие. Запаса АТФ в клетке почти нет, зато молекула обновляется до двух-трёх тысяч раз в сутки: АДФ плюс фосфат — и батарейка снова заряжена.

С витаминами история поучительная. В 1880 году русский врач Николай Лунин кормил мышей искусственной смесью из чистых белков, жиров и углеводов — и мыши погибали, хотя калорийность была идеальной: в пище спрятаны ещё и незаменимые мелочи. Термин «витамины» появился в 1912 году благодаря Казимиру Функу. Моряки прошлого сотнями гибли от цинги, пока не стали брать в плавание цитрусы: витамин C не даёт энергии, но без него не собирается коллаген.

Органогены#

четыре элемента — C, H, O и N — дающие около 98% массы клетки

Макроэлементы#

калий, кальций, магний, фосфор, сера — десятые доли процента

Микроэлементы#

медь, цинк, йод, кобальт — следовые, но незаменимые количества

Денатурация#

разрушение вторичной и третичной структуры белка

Фермент#

белок-катализатор, ускоряющий конкретную реакцию

Буферность#

способность раствора держать кислотность на одном уровне

Как это спрашивают на контрольной

• Перечисли элементы-органогены и объясни, почему углерод стал основой органических молекул.
• Назови четыре уровня организации белка и приведи пример белка с четвертичной структурой.
• Почему вода — главная среда реакций клетки? Приведи не меньше трёх причин.
• Какую работу выполняет АТФ и сколько энергии освобождает отщепление концевого фосфата?
• Объясни, почему фермент не расходуется в реакции, и покажи это на примере амилазы.

Образец полного ответа. Вопрос: «Почему белок теряет функцию при кипячении?» Ответ: «Белок — полимер из аминокислот, который работает за счёт точной пространственной формы. При кипячении тепло разрушает вторичную и третичную структуры — происходит денатурация, цепь разворачивается и спутывается. Первичный порядок аминокислот сохраняется, но активный центр фермента или место связывания кислорода у гемоглобина уже не соберётся, поэтому функция теряется, и обычно необратимо».

Химический состав клетки объясняет, почему биология начинается с химии: смести пропорцию микроэлементов — и организм заболевает, разрушь третичную структуру — и фермент теряет работу. Дальше по программе — превращения этих веществ в обмене веществ и энергии. А пока прогони пары и таблицу вслух: связка «вещество — роль» — самая частая формулировка и в классной проверке, и на экзамене.

Подсказка: клавиши J — следующая тема, K — предыдущая, на телефоне: свайп влево/вправо — соседняя тема