Нажмите "Enter", чтобы перейти к контенту

Химический состав клетки

Химические элементы в составе клетки. Как вам известно из курса химии, молекулы любых веществ построены из атомов химических элементов (см. Периодическую систему химических элементов Д. Менделеева).

Неорганические вещества составляют большую часть массы клетки, причем на воду приходится 85%, а на минеральные соли — лишь 1,5%. Особое значение имеет вода. Основные функции воды в организме: важнейший растворитель и среда для биохимических реакций; химически активное вещество; терморегулятор организма; компонент транспортной системы организма; входит в состав внутренних жидкостей организма; компонент опорной системы организма.

Минеральные соли и различные ионы неорганических соединений является обязательной составляющей любого организма. Благодаря их наличию осуществляется раздражительность и регуляция скорости обменных процессов, они являются составляющими многих важных веществ. У животных они отвечают за проведение нервных импульсов и сокращение мышечных клеток, формируют скелет, осуществляют соединения клеток.

Химические элементы, содержащиеся в клетках живых организмах, в биологии в соответствии с их количеством разделяют на две группы: макроэлементы и микроэлементы.

Макроэлементы

Группу макроэлементов составляют 12 самых распространенных в живых организмах химических элементов. Доля каждого из них в клетке составляет не менее 0,01%, а их наличие является одним из условий ее жизнедеятельности. Особенно значительно содержание в клетке кислорода (О), углерода (С), водорода (Н), азота (N). На них приходится 98% массы клетки. Водород и кислород образуют воду, углерод является непременным компонентом всех органических соединений, а азот — обязательная составляющая белков и нуклеиновых кислот.

Содержимое остальных восьми макроэлементов: калия (К), серы (S), фосфора (Р), хлора (Cl), магния (Мg), кальция (Са), натрия (Na), железа (Fe) — измеряется десятыми и сотыми долями процента. Их общая удельная масса составляет 1,9%. В отличие от четырех наиболее распространенных универсальных макроэлементов, они выполняют лишь отдельные функции. Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, сера является частью белков, железо содержится в гемоглобине, магний в хлорофилле, а кальций — основной элемент неорганических веществ, образующих костную ткань.

Микроэлементы

Микроэлементы — это химические элементы, которые нужны организму в незначительных количествах, обычно составляющих лишь тысячные доли процента. На них приходится лишь 0,1% массы клетки. Однако без микроэлементов невозможна нормальная работа клетки, ведь они выполняют важные функции: это составляющие белков, витаминов, гормонов, пигментов. Наличие микроэлементов в растворенном виде в цитоплазме клетки влияет на скорость процессов обмена веществ, рост и развитие.

Насчитывают более 30 микроэлементов, среди которых металлы: алюминий (Al), медь (Cu), марганец (Mn), цинк (Zn), молибден (Mo), кобальт (Co), никель (Ni), стронций (St) — и неметаллы: йод (I), селен (Se), бром (Br), фтор (F), мышьяк (As), бор (В).

Недостаток любого микроэлемента неизбежно приводит к расстройствам в работе организма и как следствие — болезни. Например, если в организм человека поступает недостаточно йода, то возникает болезнь — эндемический зоб. Это нарушение функции щитовидной железы, которая вырабатывает гормон тироксин, в состав которого входит этот химический элемент. Распространенную болезнь растений хлороз, которая проявляется в раннем пожелтении и опадение листьев, вызывает дефицит в почве ионов магния и железа, что приводит к недостатку пигмента хлорофилла и уменьшение фотосинтеза.

Вода в составе клетки

Вода — самая большая по абсолютной массой соединение клетки. Молекула воды Н2O состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Это самое распространенное и самое важное неорганическое соединение на Земле. Подсчитано, что вода составляет 85% общей массы среднестатистической клетки всех живых существ, хотя в клетках человека на воду приходится лишь около 64%. Однако содержимое воды в разных клетках человека может существенно колебаться от 10% в клетках эмали зубов до 90% в клетках зародыша.

Молодые клетки всегда содержат воды больше, чем старые. Так, в клетках младенца вода составляет 86%, а в клетках пожилого возраста — лишь 50%.

Вода имеет уникальные свойства, обусловленные структурой ее поляризованной молекулы, которая имеет форму равнобедреного треугольника, в вершинах основы которого расположены положительно заряженные атомы водорода, а в третьей вершине содержится отрицательный атом кислорода. Когда электроположительный атом водорода одной молекулы воды оказывается рядом с электроотрицательным атомом кислорода другой молекулы, то между ними возникают водородные связи, которые имеют определенную длину и направленность, а потому соединенные между собой молекулы воды образуют упорядоченную решетку. Кристаллическая структура льда обусловлена ​​четырьмя водородными связями на одну молекулу воды (две образованные двумя атомами Н и две — одним атомом О).

Основные функции воды в организме

Полярное строение молекулы воды объясняет ее свойства как растворителя. Молекулы воды вступают во взаимодействие с химическими веществами, атомы которых имеют электростатические связи, и раскладывают их на анионы и катионы, что приводит к протеканию химических реакций. Именно поэтому многие химические реакции происходят только в водном растворе.

Вода — это химически активное вещество, которое вступает в реакцию гидролиза (от греч. Гидро — вода и Лизис — распад). Эта реакция лежит в основе многих процессов, происходящих в живых организмах, и прежде всего с ее участием происходит разложение огромных биологических молекул. Молекулы воды также являются непосредственными составляющими реакций биологического синтеза, в частности благодаря реакции 6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2, в клетках растений образуются органические вещества (C6H12O6 — глюкоза) и выделяется кислород (O2) т.е. происходит фотосинтез.

Вода — важнейшая терморегулирующее вещество организма, что обусловлено ее чрезвычайно высокой теплоемкостью Это объясняют тем, что часть тепловой энергии расходуется на разрушение водородных связей — преодоление сил сцепления между молекулами воды, предотвращает перегрев организма. Благодаря высокой теплоемкости воды биохимические реакции в клетках происходят в установившемся диапазоне температур.

Высокая теплота испарения воды позволяет регулировать температуру тела у млекопитающих во время потоотделения и охлаждать поверхность листьев у растений.

Вода входит в состав крови, лимфы и тканевой жидкости, которая образуется из плазмы крови, содержащей 90% воды. Тканевая жидкость заполняет межклеточные пространства тканей и органов животных и человека.

Кровь является транспортом кислорода, питательных веществ, продуктов распада, углекислого газа, гормонов, ферментов, витаминов и др. Суставная жидкость, в состав которой тоже входит вода, уменьшает трение между костями и облегчает скольжения головки одной кости в суставной впадине другой.

Вода служит средой для транспортировки растворенных веществ внутри растительного организма. Благодаря силам поверхностного натяжения вода тонкими ведущими сосудами древесины поднимается на высоту в десятки метров.

Благодаря явлениям осмоса и тургора вода обеспечивает упругое состояние взрослых клеток и является опорой организма не только у растений, но и у некоторых животных, в частности, у круглых и кольчатых червей форма тела поддерживается благодаря так называемому гидроскелету.

Воде присуще поверхностное натяжение, и поэтому капля воды пытается приобрести форму, максимально близкой к сферической. Именно благодаря силе связей между молекулами по поверхности воды могу бегать, например, почти невесомые клопы-водомерки.

Другие неорганические вещества в составе клеток

Непременными компонентами клетки являются соли неорганических (минеральных) кислот. На них приходится не более 1,5% массы клетки. Однако, несмотря на такой «скромный вклад», жизнь без минеральных веществ так же невозможна, как и без воды. В живом организме соли содержатся в водном растворе как в растворенном, так и в твердом состояниях.

Растворимые минеральные соли содержатся в виде катионов — положительно заряженных ионов металлических элементов (К+, Са2+, Мg2+, Fe2+, Zn2+ и другие) и водорода (Н+), а также анионов, основными из которых являются гидроксильная группа (-OH-) и остатки различных кислот (Cl, SO42+, Н2РО4, NO3, HCO3).

Между анионами и катионами существует соответствующая равновесие (баланс), нарушение которой приводит к функциональным расстройствам в клетке. Значение имеет также концентрация минеральных веществ — от этого зависят физические и химические свойства цитоплазмы (жидкого содержимого клетки).

Катионы K+, Na+, Ca2+ обеспечивают универсальное свойство живой материи — раздражимость, поддерживают осмотическое давление в клетке. В организме человека они обеспечивают проведение нервных сигналов, стимулируют синтез определенных гормонов. К тому же ионы K+ и Na+ участвуют в универсальном механизме транспортировки различных соединений в клетку и их выведение за ее пределы. Ионы Ca2+ входят в состав межклеточного вещества, которое обеспечивает скрепление клеток и упорядоченность их расположения.

Наличие иона Ca2+ предопределяет сокращение мышц. Катион Mg2+ входит в состав молекулы хлорофилла, он активизирует химические реакции, является составляющей многих ферментов, содержится в костях и зубах. Fe2+ входит в состав гемоглобина, хрусталика и роговицы глаза.

Важную роль в организмах разных видов живых существ играют анионы ортофосфорной кислоты H2PO4 и HPO42-, которые обусловливают способность клетки поддерживать нейтральное состояние своей среды, при котором цитоплазма не имеет ни кислотных, ни щелочных свойств.

Нерастворимые минеральные соли также является неотъемлемым компонентом всех опорных структур животных. При этом ключевым веществом является кальций ортофосфат Ca3(PO4)2 — составляющая межклеточного «цемента», который обеспечивает соединение клеток в ткани. Кроме того, он непременно содержится в скелете, в частности в костях позвоночных животных и в раковинах моллюсков.

 

Будьте первым, кто оставит комментарий!

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *