Основы биохимии Том 1 - А. Ленинджер 1985

Биомолекулы
Клетки
Клетки должны иметь очень малые размеры

Клеткам присуща еще одна важная структурная особенность - все они относительно малы (иначе и не может быть). Обычно в лабораторных условиях химические реакции проводят в сосудах, объем которых составляет десятки миллилитров или даже литры. Содержимое таких реакционных сосудов должно постоянно тщательно перемешиваться, с тем чтобы скорость реакции не лимитировалась скоростью диффузии реагирующих молекул. В живых же клетках биохимические реакции протекают в компартментах («отсеках») микроскопически малого объема. Например, объем клетки бактерии Escherichia coli составляет всего лишь 2∙10^-12 миллилитра (мл). Для того чтобы ясно представить себе, какое

значение имеет величина клетки с точки зрения химических аспектов ее жизнедеятельности, необходимо сначала познакомиться с размерами биомолекул и клеток. Как указано в табл. 2-1, в качестве единиц длины при определении размеров клеток и их компонентов в настоящее время используются нанометр (нм) и микрометр (мкм). Хотя старые единицы, такие, как ангстрем или микрон, применяются все реже, их также следует знать. Чтобы читатель имел приблизительное представление о величине клеток, в табл. 2-2 приведены размеры некоторых наиболее важных биологических структур и, в частности, небольших биомолекул (аланина и глюкозы), макромолекул (трех белков и липида), надмолекулярных систем (рибосом и вирусов), клеточных органелл (митохондрий и хлоропластов), бактерии и печеночной клетки. Многие бактериальные клетки достигают в длину 2 мкм, а большинство клеток высших животных - 20 или 30 мкм.

Таблица 2-1. Международная система единиц

Таблица 2-2. Размеры некоторых биологических структур

Может возникнуть вопрос^- почему живые клетки имеют именно такие размеры? Почему нет клеток, которые были бы значительно меньше или значительно больше известных нам клеток? Оказывается, для этого есть важные причины. Самая маленькая жизнеспособная клетка - микроорганизм Mycoplasma - не может быть намного меньше, чем она есть, просто из-за того, что молекулы, из которых она построена, имеют фиксированную величину, задаваемую размерами атомов углерода, водорода, кислорода и азота. Для обеспечения жизнедеятельности клетки необходимо, чтобы она содержала хотя бы минимальное число различных биомолекул. Поэтому, если бы клетки были меньше, они должны были быть построены из более мелких атомов или молекул.

С другой стороны, клетки, вероятно, не могут быть намного больше, чем они есть, просто потому, что в этом случае скорости метаболических процессов могли бы лимитироваться скоростью диффузии молекул питательных веществ внутри клетки, что ограничило бы возможности регуляции метаболизма. Максимальные размеры клеток зависят, таким образом, от основных законов физики, определяющих скорость диффузии молекул, растворенных в водной среде. Действительно, в наиболее крупных клетках цитоплазма разделена на структуры меньших размеров, клеточные органеллы, в значительной мере для того, чтобы облегчить возможность быстрых взаимодействий между специфическими молекулами за счет сокращения пути, который они преодолевают, прежде чем сталкиваются и вступают в реакцию друг с другом. Вполне понятно, что одна из причин, по которой клетки имеют малые размеры, состоит в том, что им приходится обходиться без электрических или механических перемешивающих устройств. Другая причина связана с существованием оптимального соотношения между поверхностью и объемом клеток. Благодаря тому что площадь поверхности клетки относительно велика по сравнению с ее объемом, в клетку проникает большее число молекул питательных веществ в единицу времени. В результате несложных вычислений можно убедиться в том, что с увеличением диаметра сферы отношение площади ее поверхности к объему резко снижается. (Попробуйте сами рассчитать отношения поверхности к объему для сфер диаметром 1, 10 и 100 мкм. Площадь поверхности сферы равна 4пr², а ее объем - 4/3пr³, где r - радиус, а п равно 3,14.)