Растительная клетка

     Химический  состав Клеточная стенка растительных клеток состоит, главным образом, из полисахаридов. Все компоненты, входящие в состав клеточной стенки, можно разделить на 4 группы:

• Структурные компоненты, представленные целлюлозой у большинства автотрофных растений.
• Компоненты матрикса, т. е. основного вещества, наполнителя оболочки – гемицеллюлозы, белки, липиды.
• Компоненты, инкрустирующие клеточную стенку, (т.е. откладывающиеся и выстилающие ее изнутри) – лигнин и суберин.
• Компоненты, адкрустирующие стенку, т.е. откладывающиеся на ее поверхности, - кутин, воск.

       Основной структурный компонент оболочки – целлюлоза представлена неразветвленными полимерными молекулами, состоящими из 1000-11000 остатков - D глюкозы, соединенных между собой гликозидными связями. Наличие гликозидных связей создает возможность образования поперечных стивок. Благодаря этому, длинные и тонкие молекулы целлюлозы объединяются в элементарные фибриллы или мицеллы. Каждая мицелла состоит из 60-100 параллельно расположенных цепей целлюлозы. Мицеллы сотнями группируются в мицеллярные ряды и составляют микрофибриллы диаметром 10-15 нм. Целлюлоза обладает кристаллическими свойствами благодаря упорядоченному расположению мицелл в микрофибриллах. Микрофибриллы, в свою очередь перевиваются между собой как пряди в канате и объединяются в макрофибриллы. Макрофибриллы имеют толщину около 0,5 мкм. и могут достигать в длину 4мкм. Целлюлоза не обладает ни кислыми, ни щелочными свойствами. По отношению к повышенным температурам она достаточно стойка и может быть нагрета без разложения до температуры 200^о С.. Многие из важных свойств целлюлозы обусловлены ее высокой стойкостью по отношению к ферментам и химическим реагентам. Она не растворима в воде, в спирте, в эфире и в других нейтральных растворителях; не растворяется в кислотах и щелочах. Целлюлоза, пожалуй, самый распространенный вид органических макромолекул на Земле.

       Микрофибриллы оболочки погружены в аморфный пластичный гель – матрикс. Матрикс является наполнителем оболочки. В состав матрикса оболочек растений входят гетерогенные группы полисахаридов, называемые гемицеллюлозами и пектиновыми веществами.

       Гемицеллюлозы представляют собой ветвящиеся полимерные цепи, состоящие из различных остатков гексоз (D-глюкоза, D-галактоза, манноза),

     пентоз (L-ксилоза, L-арабиноза) и уриновых кислот (глюкуроновая и галактуроновая). Эти компоненты гемицеллюлоз сочетаются между собой в разных количественных отношениях и образуют разнообразные комбинации.

       Цепочки гемицеллюлоз состоят из 150-300 молекул мономеров. Они значительно короче. Кроме этого цепи не кристаллизуются и не образуют элементарных фибрилл.

     Именно  поэтому гемицеллюлозы нередко  называют полуклетчатками. На их долю приходится около 30-40 % сухого веса клеточных стенок.

       По отношению к химическим реагентам гемицеллюлозы гораздо менее стойки, чем целлюлоза: они растворяются в слабых щелочах без подогревания; гидролизуются с образованием сахаров в слабых растворах кислот; растворяются полуклетчатки и в глицерине при температуре 300^о С.

       Гемицеллюлозы в теле растений играют:

• Механическую роль, участвуя наряду с целлюлозой и другими веществами в построении клеточных стенок.
• Роль запасных веществ, отлагающихся, а затем расходующихся. При этом функцию запасного материала несут преимущественно гексозы; а гемицеллюлозы с механической функцией обычно состоят из пентоз. В качестве запасных питательных веществ гемицеллюлозы отлагаются также в семенах многих растений.

       Пектиновые вещества имеют довольно сложный химический состав и строение. Это гетерогенная группа, в которую входят разветвленные полимеры, несущие отрицательные заряды из-за множества остатков галактуроновой кислоты. Характерная особенность: пектиновые вещества сильно набухают в воде, а некоторые в ней растворяются. Легко они разрушаются и под действием щелочей и кислот.

       Все клеточные стенки на ранней стадии развития почти целиком состоят из пектиновых веществ. Межклеточное вещество срединной пластинки, как бы цементирующее оболочки соседних стенок, состоит также из этих веществ, главным образом из пектата кальция. Пектиновые вещества, хотя и в небольших количествах, имеются в основной толщине и взрослых клеток.

       В состав матрикса клеточных стенок помимо углеводных компонентов входит также структурный белок, называемый экстенсином. Он является гликопротеином, углеводная часть которого представлена остатками сахара арабинозы. 
 

1 группа (до 98 %) (органогены)

Углерод

Водород

Кислород

Азот

Фосфор 

2 группа (1,5—2 %) (макроэлементы)

Калий

Натрий

Кальций

Магний

Хлор

Железо 

3 группа (>0,01 %) (микроэлементы)

Цинк

Марганец

Медь

Фтор

Йод

Кобальт

Молибден 

4 группа (>0,00001 %) (ультрамикроэлементы)

Уран

Радий

Золото

Все клетки животных и растительных организмов, а также  микроорганизмов сходны по химическому  составу. В клетке содержится несколько  тысяч веществ, которые участвуют  в разнообразных химических реакциях. Сходство в строении и химическом составе разных клеток свидетельствует  о единстве их происхождения. 

  Одни элементы  содержатся в клетках в относительно  большом количестве, другие - в малом.  Особенно велико содержание в  клетке четырех элементов - кислорода,  углерода, азота и водорода (до 98%). Сера, фосфор, хлор, калий, магний, натрий, кальций, железо составляют вместе 1,9%. Все остальные элементы содержатся  в клетке в исключительно малых  количествах (меньше 0,01%). В живых  телах наряду с веществами, распространенными  в неживой природе, содержится  много веществ, характерных только  для живых организмов. 

   Вода составляет  почти 80% массы клетки. Ей принадлежит  существенная многообразная роль  в жизни клетки. Она определяет  физические свойства клетки - ее  объем, форму, упругость. Вода  участвует в образовании структурных  молекул органических веществ,  в частности структуры белков. Большинство реакций, протекающих  в клетке, могут идти только  в водном растворе; многие вещества  поступают в клетку из внешней  среды в водном растворе и  в водном же растворе отработанные  продукты выводятся из клетки. Вода является непосредственным  участником многих химических  реакций (расщепление белков, углеводов,  жиров и др.). 

   Биологическая  роль воды определяется особенностью  ее молекулярной структуры, полярностью  молекул воды. Частица воды - диполь: в области атомов водорода (протона)  преобладает положительный заряд,  а в области атомов кислорода  - отрицательный. Этим объясняется  способность воды к ориентированию  в электрическом поле и присоединению  к различным молекулам и участкам  молекул, несущим заряд, с образованием  гидратов. Много веществ способно растворяться в воде: соли, кислоты, щелочи, а из органических веществ - многие спирты, амины, углеводы, белки и др.  

Вещества, хорошо растворимые  в воде, называются гидрофильными  веществами (греч.  

“гидрос” - вода, “филео” - люблю). Жиры, клетчатка и другие вещества плохо или вовсе не растворяются в воде, их называют гидрофобными (греч. “гидрос” - вода, “фобос” - страх, ненависть).  

Гидрофильность объясняется  наличием групп атомов, способных  вступать с молекулами воды в  

электростатическое  взаимодействие или образованием с  ними водородных связей. Гидрофильные вещества - это соли, углеводы, белки, низкомолекулярные органические соединения. Многие жиры - гидрофобны. Гидрофобные вещества входят в состав клеточных мембран, обусловливая их полупроницаемость. 

    Для процессов  жизнедеятельности клетки наиболее  важны такие катионы, как K+, Na+, Ca2+, Mg2+, из анионов - HPO42-, Cl-, HCO3-. Концентрация анионов и катионов в клетке и среде ее обитания, как правило, резко различна. К примеру, внутри клетки всегда довольно высокая концентрация ионов калия и очень малая - ионов натрия, а в окружающей среде (плазме крови, морской воде) мало ионов калия и много ионов натрия. Пока клетка жива, это соотношение ионов строго поддерживается, а после смерти клетки содержание ионов в среде и клетке выравнивается. Ионы клетки способствуют  

поддержанию постоянного  осмотического давления внутри клетки и рН. В норме реакция  

клеток слабощелочная, почти нейтральная, обеспечиваемая содержащимися в клетке  

анионами слабых кислот (НСО3-, НРО4-) и слабыми кислотами (Н2СО3), которые связывают и отдают ионы водорода, в результате чего реакция внутренней среды клетки практически не изменяется. Некоторые неорганические вещества содержатся в клетке не только в растворенном, но  

и в твердом состоянии. Так, прочность и твердость костной  ткани обеспечивается фосфатом кальция,  

а раковин моллюсков - карбонатом кальция. Не все вещества, содержащиеся в клетке, специфичны для живой природы. Вода и соли  

распространены и вне живого. Но в организмах и продуктах их жизнедеятельности обнаружено  

большое количество углеродсодержащих соединений, характерных  только для живых клеток и организмов, получивших название органических веществ. 

  Из органических  веществ клетки на первом месте по количеству и значению стоят белки, состоящие  

из крупных молекул (макромолекул, греч. “макрос” - большой). В состав всех белков входят атомы водорода, кислорода, азота; во многие белки входят еще атомы серы, а в некоторые - атомы  

металлов железа, цинка, меди. Белки составляют 10-20% от сырой массы и 50-80% от сухой массы  клетки. Белки обладают большой молекулярной массой: молекулярная масса альбумина - одного из белков яйца - 36 000, гемоглобина - 152 000, миозина (одного из белков мышц) - 500 000. Тогда  

как молекулярная масса  спирта - 46, уксусной кислоты - 60, бензола - 78. Среди органических веществ белки  самые сложные, они составлены из повторяющихся сходных по структуре  

низкомолекулярных соединений, ковалентно связанных между собой, которые называются  

мономерами. Поэтому  белки (как углеводы и жиры) являются полимерами. Если обозначить  

мономер буквой А, то структуру полимера можно изобразить так: А-А-А-А-А. Большинство природных и искусственных (полиэтилен, лавсан, капрон и др.) полимеров построены из одинаковых мономеров. Белки же состоят из сходных, но не вполне одинаковых мономеров. Мономерами белков  

являются аминокислоты. Молекула аминокислоты как бы состоит  из двух частей: одна часть  

одинаковая, состоящая  из аминогруппы (-NH2) (выделена синим цветом) и находящейся рядом  

карбоксильной группы (-СООН); другая часть молекулы у всех аминокислот разная (выделена  

красным цветом) и  называется радикалом (R). Имеется много  разных аминокислот, но  

мономерами любых  природных белков - животных, растительных, микробных, вирусных - являются  

только 20 аминокислот (их еще называют “волшебными”). Соединение аминокислот  

происходит через  общие для них группировки: аминогруппа  одной аминокислоты соединяется  с  

карбоксильной группой  другой с отщеплением молекулы воды. Между аминокислотами  

образуется прочная  ковалентная связь -NH-CO2-, которая  называется пептидной связью.  

Образовавшееся соединение аминокислот называется пептидом. Пептид из двух  

аминокислот называется дипептидом, из трех - трипептидом, из многих аминокислот - полипептидом. Все белки представляют собой полипептиды, т.е. цепи из многих десятков и даже сотен аминокислотных звеньев. 

   Двадцать  аминокислот, входящих в состав  

               природных белков 

   Аминокислота 

Сокращенное название