Клетката основна единица на живота

Автор Проф. Тодор Николов

В тази преговорна глава се прави кратък преглед на изученото в химията и биологията. Затова целите са да се акцентира на значението, видовете, състава и структурната организация на клетките, да се въведе представата за протичащите в тях метаболитни процеси и да се разгледат примери за значението на тези знания за клиниката.

1. Да дадат определение и примери за едноклетъчни и многоклетъчни организми и за прокариотни и еукариотни клетки;

2. Да изброят физикохимическите свойства на водата, които я правят "подходяща" вътрешна среда на организмите;

3. Да дефинират какво представлява водородният експонент (рН) и константата на дисоциация на слаби киселини (рК_a) съгласно уравнението на Henderson-Hasselbalch;

4. Да дадат определение и примери за буфери с биологично значение;

5. Да изброят макроминералите и микроминералите в организма и посочат значението им;

6. Да дадат определение за органични съединения, основни и производни структури;

7. Да дадат определение за стереоизомери и илюстрират с примери изомерията при монозахариди; да дадат примери за монозахариди с пиранозни и фуранозни пръстени;

8. Да дадат примери за други основни органични структури като алифатни алкохоли, алдехиди, кетони и амини, изопренови производни, ароматни съединения, хетероциклени съединения;

9. Да дадат определение за комплексни органични съединения и биологични макромолекули;

10. Да дадат определение за биологична обмяна и междинна обмяна, за обменни пътища, обменни стъпала и обменни цикли;

11. Да дадат определение за автотрофни и хетеротрофни организми и за анаеробни и аеробни организми;

1. Да обяснят как дисоциират водните молекули и изведат дисоциационната константа и йонното произведение на водата;

2. Да класифицират карбоксиловите киселини;

3. Да класифицират монозахаридите;

4. Да илюстрират с примери и обяснят разликата между алдози и кетози, между  и -аномери и между епимери;

5. Да обяснят механизмите за получаване на производни органични структури: полимеризация и кондензация;

6. Да обяснят структурата и функциите на клетъчните мембрани и видовете транспорт през тях:

7. Да обяснят структурата и функциите на субклетъчните органели: ядро, митохондрии, ендоплазмен ретикулум, рибозоми, комплекс на Голджи, лизизоми и пероксизоми, а също и на немебранните цитоплазмени компоненти;

8. Да преценят преимуществата на цикличните процеси;

9. Да обяснят кои фактори и как повлияват регулирането на обменните процеси във времето и пространството;

1. Да представят с формули представители на наситените и ненаситените мастни монокарбоксилови киселини с четен и нечетен брой и техни производни с допълнителни функционални групи: хидроксилна, оксо, алдехидна, карбоксилова; производни на монозахариди (онови киселини) и ароматни карбоксилови киселини;

2. Да представят с формули представители на монозахариди: триози, тетрози, пентози, хексози, хептози и техни производни: аминозахари и дезоксизахари;

3. Да представят с формули двадесетте -аминокиселини, участващи в състава на белтъците;

4. Да представят с формули представители на алифатни алкохоли, алдехиди, кетони и амини, изопренови производни, ароматни съединения, хетероциклени съединения;

5. Да илюстрират с примери образуването на киселинно-амидна, естерна, гликозидна и киселинно-анхидридна връзка,

6. Да направят характеристика на анаболитните и катаболитните процеси.

1.1. Резюме

Всички съвременни организми от бактерии до човек са изградени от клетки. Клетката е основната и най-малка структурна и функционална единица за биологична активност. Eдноклетъчните организми се състоят само от една клетка. Многоклетъчните организми представляват съобщества от много клетки. Вирусите не притежават типичната клетъчна организация. Те проявяват признаци на живот само когато проникнат в други организми.

Клетките, независимо дали на едно- или многоклетъчни организми, биват два типа: прокариотни и еукариотни. Най-съществената разлика между двата типа клетки е, че прокариотните клетки не притежават морфологично обособено ядро. Между двата типа клетки съществуват и други структурни различия. Най-общо организацията на прокариотните клетки е значително по-проста от тази на еукариотните, което отразява и по-опростен метаболизъм.

Молекулите, които изграждат живата материя биват неорганични и органични. Органичните съединения преобладават, както по видове, така и по количество. Единствено изключение е неорганичното съединение вода, която безспорно представлява далеч по-голяма част от масата на живата материя. Водата притежава редица физикохимични свойства, които я правят "подходяща" за среда на организмите. Водата е много добър разтворител на голям брой неорганични и органични вещества с изключение на липидите. Водните диполи имат склонност да се свързват с неорганични йони и с полярни химични групи, образувайки около тях хидратационни обвивки. Водата участва активно в химичните процеси и е краен продукт на аеробните окислителни процеси в биосферата.

Водата дисоцира в слаба степен до H⁺ и OH^-. Концентрацията на протоните, изразена като pН, определя киселинността на разтвора. Киселина е вещество, което може да освобождава протони, база или основа е вещество, което може да приема протони. Протонната дисоциация на киселините се характеризира с константата

Буферите са смеси от слаби киселини и техните спрегнати (конюгирани) бази. Те имат способността да се съпротивляват на промяната на рН при прибавяне или отстраняване на протони от водните им разтвори. Най-голям е буферният капацитет в рН интервала около рК_a.

Организмите съдържат голям брой неорганични вещества - макроелементи (натрий, калий, калций и магнезий, фосфор и хлор) и микроелементи: катиони (желязо, манган, мед, кобалт, цинк, селен, хром, молибден) и аниони (йод и флуор).

Въглерод, кислород, водород и азот са главните съставки на повечето биомолекули.

Органичните съединения се делят на две основни групи - основни и производни органични структури. Основни структури притежават тези органични съединения, които не подлежат на хидролиза. Производни органични структури, т.е. молекули, са тези, които биха могли да се подложат на хидролиза. Разгледани са карбоксилови киселини, монозахариди, аминокарбоксилови киселини и други органични структури, без претенции за изчерпателност, но от гледна точка на значението им за организма, както и възможностите за свързване между тях чрез ковалентни връзки или нековалентни взаимодействия.

Петте главни биологични макромолекули са ДНК, РНК, белтъци, полизахариди и липиди. Една част от тях са хомобиополимери (изградени чрез свързването на еднотипни, в някои случаи идентични основни структури). Когато градивните единици при полимерите са еднотипни, но не идентични, се говори за хетебиорополимери.

Биополимерите със своята склонност към конюгиране и агрегиране играят централна роля при създаване на закономерна и стройна вътреклетъчна организация. Описани са накратко от гледна точка на тяхната биологична функция клетъчните органели и други субклетъчни компоненти: мембрани, ядро, митохондрии, ендоплазмен ретикулум, апарат на Голджи, лизозоми, пероксизоми. Рибозомите, цитоскелетът и цитозолът са други важни компоненти, които могат да се изолират като субклетъчни фракции. Чрез координираните функции на тези субклетъчни органели се осъществява дейността на клетките в човешкия организъм.

Организмът поема от околната среда вещества и енергия, които преобразува за свои нужди, но също така връща в нея преработени продукти и енергия. Именно това взаимодействие на организма със средата се нарича биологична обмяна. Попаднали в организма, хранителните вещества се подлагат на най-разнообразни химични превръщания, съвкупността от които се нарича междинна обмяна. Превръщането на хранителните вещества в собствени, характерни за организма биополимери и в необходими за функционирането му активни съединения обхваща част от обменните процеси, наречени анаболитни. Едновременно с анаболитните процеси в организмите се извършват непрекъснато процеси на разграждане на биополимерите и хранителните вещества до по-нискомолекулни съединения. Тези процеси обхващат втората страна от обмяната на веществата и се наричат катаболитни. Освободената при тях енергия се използва за нуждите на организма - за провеждане на ендергоничните синтези, за извършване на друг вид работа и т.н. Следователно най-общо катаболитните процеси са необходимо допълнение на анаболитните процеси. Анаболитните и катаболитните процеси, асимилационните и дисимилационните процеси са противоположни, но свързани неразривно едни с други.

Както анаболитните, така и катаболитните процеси са вериги от химични реакции - свързани една с друга, следващи една след друга. Тези вериги се наричат обменни пътища, а отделните реакции в обменните пътища - обменни стъпала. Стъпалата в обменните пътища се катализират от ензими. Друга характерна особеност на обмяната на веществата е наличието на кръгови процеси, или т. нар. обменни цикли. Цикличните процеси позволяват посредством малки количества междинни метаболити или кофактори да се преработва голямо количество вещество; те са израз на тенденцията в организмите към пестене на средства.

Обменните пътища са разположени не само във времето, но и в пространството. Сложната структура на еукариотната клетка позволява едновременното осъществяване на огромен брой реакции и функции. Клетките на многоклетъчните организми взаимодействат и помежду си, влияят си и участват в поддържане на клетъчния и тъканен баланс и така осигуряват добро състояние на целия организъм. За тази цел метаболитните пътища са строго регулирани и сложно координирани.

Според типа на обмяната организмите се делят на автотрофни и хетеротрофни. Автотрофните организми използват като източници за своите биологични синтези неорганични съединения, които получават от околната среда, т.е. те се "хранят" с неорганични вещества. Хетеротрофните организми се "хранят" с органична материя. Освен на автотрофни и хетеротрофни обменните процеси се разделят на други две големи групи - аеробни и анаеробни. Аеробен е този тип на обмяната, при който окислителните процеси се извършват за сметка на атмосферен кислород. Аеробните организми дишат - т.е. приемат непрекъснато кислород от атмосферата. Анаеробен е този тип на обмяната, при който окислителните процеси се извършват в отсъствие на кислород.

Познаване структурата, функциите и метаболизма на клетките в нормален здрав организъм е необходима предпоставка за разбиране отклоненията, които са в основата на много болести. Предложени са три примери (митохондрийни болести, апоптоза, подагра), за да се демонстрира значението на знанията върху клетъчната структура, функции и регулационни механизми за медицината.

1.2. Едноклетъчни и многоклетъчни организми

Клетката е най-малката структурна и функционална единица на живота. Тя е в основата на всички съвременни организми от бактерии до човек. Много от организмите се състоят само от една клетка. Това са едноклетъчните организми. Други представляват съобщества от много клетки. Това са многоклетъчните организми. Човешкият организъм се състои от около 100 трилиона клетки. Пространствата между клетките на многоклетъчните организми съдържат вещество, наречено междуклетъчен или интерстициален матрикс. Компонентите на интерстициалния матрикс се синтезират в клетките и излъчват от тях. Извън клетките те могат да претърпят малки биохимични промени.

Най-старите организми са били едноклетъчни и се предполага, че са били и хипертермофилни, т.е. извършвали са жизнените си функции при твърде високи температури, каквито са били температурите на земната повърхност по време на появата на живота. И понастоящем на Земята обитават едноклетъчни организми, включително и термофилни. Повечето от тях са бактерии.

На Земята обитават и организми, които не притежават типичната клетъчна организация. Това са вирусите. Те проявяват признаци на живот само при известни условия, от които най-същественото е да проникнат в други организми - както едноклетъчни, така и многоклетъчни. Предполага се, че вирусите са възникнали в по-късни пероди от развитието на живота на Земята, като изява на максимално развит паразитизъм.

1.3. Прокариотни и еукариотни клетки

По своята организация и морфология клетките, независимо дали на едно- или многоклетъчни организми, биват два типа: прокариотни и еукариотни. Най-съществената разлика между двата типа клетки е, че прокариотните клетки не притежават морфологично обособено ядро. Между двата типа клетки съществуват и други структурни различия. Най-общо организацията на прокариотните клетки е значително по-проста от тази на еукариотните, което отразява и по-опростен метаболизъм. Протоплазмата на прокариотните клетки е най-общо казано недиференцирана, докато еукариотните клетки съдържат в протоплазмата си различни цитоплазмени структури, повечето от които са отделени от цитозола с мембрани. Това създава при еукариотните клетки така наречената компартментализация. И двата типа клетки са отделени от околната среда с клетъчна мембрана. Прокариотните клетки, и някои еукариотни клетки обаче, притежават и клетъчна стена, която обгражда мембраната им от вън и ги предпазва от разнообразни неблагоприятни влияния на средата и най-вече от промени в осмотичното налягане. Това се отнася предимно до едноклетъчните прокариоти и еукариоти.

Много по-голяма част от едноклетъчните организми са прокариоти. Такива са архибактериите и бактериите. Прокариотните организми са еволютивно по-стари от еукариотните. По-подробното устройство на еукариотната животинска клетка ще бъде разгледано в т. 1.5.

1.4. Химичен състав на клетката

Живата материя е изградена от огромно количество различни видове молекули. Те формират веществото на клетката, а при многоклетъчните организми - и интерстициалния матрикс. Всъщност живата материя представлява съвкупност от огромно количество различни видове молекули.

Молекулите, които изграждат живата материя биват неорганични и органични. Органичните съединения преобладават, както по видове, така и по количество. Единствено изключение е неорганичното съединение вода, която безспорно представлява далеч по-голяма част от масата на живата материя.

1.4.1. Вода и нейното значение

Живата материя се е зародила във водна среда (първичния океан) и затова водата е основна съставка на организмите. Някои организми, например медузите, съдържат над 99% вода. Възрастният човек съдържа около 60% вода, докато новородените - около 70%. През ранните стадии на ембрионалното развитие водното съдържание достига до 97%.

При многоклетъчните организми, вкл. човека, водата се намира в клетките, в междуклетъчните пространства и в телесните течности (кръвна плазма, лимфа). Около две трети от водата при човека се намира вътреклетъчно. Около една четвърт от останалата една трета вода се намира в кръвната плазма, а останалите три четвърти в междуклетъчните пространства и лимфата. Някои органи при човека са "по-водни", напр. бъбреци, мускули, а други съдържат по-малко вода. Сравнително бедни на вода са костната, хрущялната и мастната тъкани.

Водата притежава редица физикохимически свойства, които я правят "подходяща" вътрешна среда на организмите. Тя има висока топлоемкост - 4,19 kJ/градус/мол, много висока топлина на изпарение и след металите е най-добър проводник на топлината. Тези нейни свойства, съчетани с нейното голямо процентно съдържание в организма правят от водата отлично средство за неутрализиране на значителните количества топлена, отделяни в организма при екзотермични процеси. Водата поглъща отделяната топлина, като при това възможно най-малко повишава температурата си, а след това я излъчва чрез изпарение (пот) или чрез отделяните екскрети (урина). Поради добрата си топлопроводимост водата спомага за поддържане на почти еднаква температура във всички клетки на тялото и не позволява микропрегрявания.

След живака водата има най-високо повърхностно напрежение в сравнение с останалите течности - около 72 дини/cm^-1 при 20^oC. Повечето вещества, разтворени във водата, понижават повърхностното напрежение, поради което се "стремят" да се натрупат на граничната повърхност вода/друга фаза.

Водата има сравнително нисък вискозитет (1,36 сантипоаза при 0^oC), което я прави леко подвижна и с нисък коефициент на триене при преминаване през капилярите. Освен това тя има много висока диелектрична константа (78,54 при 25^oC) - по-висока от почти всички други познати течности, което позволява висока степен на дисоциация на разтворените в нея електролити, т.е. възможността им да действат физиологично като йони, а не като цели молекули. Това е от съществено значение за поддържане на сравнително високо осмотично налягане на телесните течности и за протичане на много други биологични процеси. Водата е много добър разтворител на по-голямата част от органичните вещества в организма (хидрофилни молекули). Изключение правят липидите (хидрофобни молекули).

Тези изключително съществени физични константи на водата са свързани със структурата на водната молекула. Молекулата на водата представлява леко "изкривен" тетраедър, в центъра на който е разположен кислородният атом. Двете му връзки с водорода са насочени към два от върховете на тетраедъра, докато несподелените електрони от двата sp³-хибридизирани орбитала заемат двата останали върха (фиг. 1-1). Най-забележително е, че ъгълът между двата водородни атома (105^o) е малко по-малък от съответния ъгъл при един правилен тетраедър (109,5^o). Тази "дребна" разлика "изкривява" тетраедъра и е причина за повече от особените физико-химични свойства на водата, а оттам и за биологичните и функции.

Фиг. 1-1. Тетраедрична структура на водната молекула.

Фиг. 1-2. Асоциация на водни молекули в разтвор.

Разликата е, че при твърдата вода тези връзки са доста трайни, докато при течната вода времето на полу-живот е не повече от една микросекунда (непрекъснато се образуват и разпадат). Затова водата замръзва едва при 0^oC. В леда един воден дипол се свързва трайно с четири други, докато в течната вода свързването е статистически с не повече е от 3,5.

Освен помежду си, водните диполи се свързват по подобен начин и с други йони или полярни (електрически натоварени молекули), респ. химични групи (-COO^-, NH₃⁺, -S^- и др.). Това е причина за сравнително високия вискозитет и повърхностното напрежение на водата, за високата степен на разтворимост на йони и полярни органични молекули. То е причина и за добрата разтворимост и стабилност на такива биополимери като белтъци и нуклеинови киселини. Тяхната пространствена структура (конформация) зависи твърде много от свързването на техни йонизирани групи с водните диполи. Във водна среда техните вериги се нагъват така, че по-голяма част от йонизиращите се групи излизат на повърхността на молекулите им, докато хидрофобните участъци "се заравят" предимно във вътрешността. Това повишава разтворимостта им и допринася за стабилността на тяхната конформация. Поради високото съдържание на хидрофилни белтъци в клетките, в междуклетъчните пространства и в телесните течности, голяма част от водата е свързана чрез водородни връзки с тях. Такива водни диполи са трудно подвижни за разлика от състоянието им в свободната от електролити и заредени групи течна вода. Такава "свързана" вода се нарича хидратационна. Хидратираните биополимери (хидрофилни белтъци) са стуктурно много по-стабилни.

Водата участва активно в химичните процеси и е краен продукт на аеробните окислителни процеси в биосферата, затова човешкият организъм отделя малко повече вода, отколкото приема за 24 часа.

1.4.2. Дисоциация на водата. рН. Буфери

Макар и в много ниска степен водата йонизира до водородни катиони (протони) и хидроксилни аниони. В чиста вода една молекула вода от всеки 1,8.10⁹ се намира статистически в дисоциирано състояние.

Тази макар и в много слаба степен йонизация на водата има огромно значение за живота на земята. Фактически протоните не съществуват самостоятелно, а се свързват с водородни връзки с водните диполи, образувайки "гроздове" от протонирани водни молекули като H₃O⁺, H₅O₂⁺ и т. н.

Дисоциационната константа на водата се намира в основата на измерването на така наречената киселинност на водните разтвори, т.е. концентрацията на водородните катиони в нея. Дисоциационната константа на водата се определя като:

Количеството на водата в един литър е 55,56 мола и остава (поради ниската степен на дисоциация) практически постоянно. Тогава

От тук може да се изведе нова константа [H⁺] [OH ^], която се нарича йонно произведение на водата (K_w), равно на 10 ^ (mol/L)².

Много важен извод от това е, че йонното произведение на водата не се изменя от прибавяне на киселини или основи към нея. Прибавянето на киселини повишава концентрацията на H⁺, но съответно намалява концентрацията на OH ^. Обратното става при прибавяне на основа. Йонното произведение на водата свързва тези две концентрации една с друга.

Поради ниските стойности на концентрацията на водородните, респ. хидроксилните йони, Сьоренсен през 1909 г. е въвел понятието водороден експонент (рН). Това е отрицателният логаритъм от концентрацията на водородните йони. В чистата вода тази концентрация, както видяхме, е 10 ^ и следователно рН на водата е 7,0. Това определя неутрална среда, в която концентрациите на водородните и хидроксилните йони са равни. Прибавяне на киселина във водата повишава концентрацията на водородните йони и респективно намалява тази на хидроксилните йони; рН става по-ниско от 7 и това определя кисела среда. Обратно, рН над 7 определя алкална среда.

В организма съществена роля играят съединения, които се третират като слаби киселини или основи. В химията понятието киселина кореспондира със състояние, при което съответната й функционална група е протонирана. Така например протонираната -COOH група е кисела и протонираната -NH₂ група като -NH₃⁺ е също кисела. Депротонираните групи - COO^ и -NH₂ се дефинират като конюгирани (свързани) бази на тези киселини.

Протонната дисоциация на киселините се характеризира с константата

Киселинността на тези групи се определя от pK - отрицателният логаритъм на тяхната дисоциационна константа. Колкото стойността на pK е по-ниска, толкова съответното съединение е по-силна киселина и обратно. Така pK на карбоксилната група е при рН между 4 - 5 и това показва, че тя е значително по-кисела от аминната група, чието pK е при рН = 9 -10.