Какие неорганические соединения содержатся в клетке

Химический состав клетки

Химические элементы клетки.

Все клетки, независимо от уровня организации, сходны по химическому составу. В клетке содержится несколько тысяч веществ, которые участвуют в разнообразных химических реакциях. В живых организмах обнаружено около 80 химических элементов периодической системы Д.И.Менделеева. Для 24 элементов известны функции, которые они выполняют в организме, это биогенные элементы. По количественному содержанию в живом веществе элементы делятся на три категории:

Макроэлементы :

O, C, H, N — около 98% от массы живого вещества, элементы 1-ой группы;

K, Na, Ca, Mg, S, P, Cl, Fe — элементы 2-ой группы. (1,9% массы живого вещества).

Микроэлементы ( Zn, Mn, Cu, Co, Mo и многие другие), доля которых составляет от 0,001% до 0,000001. Микроэлементы входят в состав биологически активных веществ — ферментов, витаминов и гормонов.

Ультрамикроэлементы (Au, U, Ra и др.), концентрация которых не превышает 0,000001%. Роль большинства элементов этой группы до сих пор не выяснена.

Макро- и микроэлементы присутствуют в живой материи в виде разнообразных химических соединений, которые подразделяются на неорганические и органические вещества.

Неорганические соединения клетки.

К неорганическим веществам относятся: вода, составляющая примерно 70-80% массы организма; минеральные вещества — 1-1,5%.

Вода. Самое распространенное в живых организмах неорганическое соединение. Ее содержание колеблется в широких пределах: в клетках эмали зубов вода составляет по массе около 10%, а в клетках развивающегося зародыша — более 90%.

Без воды жизнь невозможна. Она не только обязательный компонент живых клеток, но и среда обитания организмов. Биологическое значение воды основано на ее химических и физических свойствах.

Химические и физические свойства воды объясняются, прежде всего, малыми размерами молекул воды, их полярностью и способностью соединяться друг с другом водородными связями. В молекуле воды один атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода. Молекула полярна: кислородный атом несет небольшой отрицательный заряд, а два водородных — небольшие положительные заряды. Это делает молекулу воды диполем. Поэтому при взаимодействии молекул воды друг с другом между ними устанавливаются водородные связи. Они в 15—20 раз слабее ковалентной, но, поскольку каждая молекула воды способна образовывать 4 водородные связи, они существенно влияют на физические свойства воды. Большая теплоемкость, теплота плавления и теплота парообразования объясняются тем, что большая часть поглощаемого водой тепла расходуется на разрыв водородных связей между ее молекулами. Вода обладает высокой теплопроводностью. Вода практически не сжимается, прозрачна в видимом участке спектра. Наконец, вода —вещество, плотность которого в жидком состоянии больше, чем в твердом, при 4ºС у нее максимальная плотность, у льда плотность меньше, он поднимается на поверхность и защищает водоем от промерзания.

Физические и химические свойства делают ее уникальной жидкостью и определяют ее биологическое значение. Вода — хороший растворитель ионных (полярных), а также некоторых не ионных соединений, в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы. Любые полярные соединения в воде гидратируются (окружаются молекулами воды), при этом молекулы воды участвуют в образовании структуры молекул органических веществ. Если энергия притяжения молекул воды к молекулам какого-либо вещества больше, чем энергия притяжения между молекулами вещества, то вещество растворяется. По отношению к воде различают: гидрофильные вещества — вещества, хорошо растворимые в воде; гидрофобные вещества — вещества, практически нерастворимые в воде. Большинство биохимических реакций может идти только в водном растворе; многие вещества поступают в клетку и выводятся из нее в водном растворе. Большая теплоемкость и теплопроводность воды способствуют равномерному распределению тепла в клетке.

Благодаря большой потери тепла при испарении воды, происходит охлаждение организма. Благодаря силам адгезии и когезии, вода способна подниматься по капиллярам (один из факторов, обеспечивающих движение воды в сосудах растений). Вода является непосредственным участником многих химических реакций (гидролитическое расщепление белков, углеводов, жиров и др.). Определяет напряженное состояние клеточных стенок (тургор), а также выполняет опорную функцию (гидростатический скелет, например, у круглых червей).

Минеральные вещества клетки. В основном представлены солями, которые диссоциируют на анионы и катионы. Для процессов жизнедеятельности клетки наиболее важны катионы К+, Na+, Ca2+, Mg2+, анионы HPO42-, Cl-, HCO3-. Концентрации ионов в клетке и окружающей ее среде различны. Например, во внешней среде (плазме крови, морской воде) K+ всегда меньше, а Na+ всегда больше, чем в клетке. Существует ряд механизмов, позволяющих клетке поддерживать определенное соотношение ионов в протопласте и внешней среде.

Различные ионы принимают участие во многих процессах жизнедеятельности клетки: катионы К+, Na+, Cl- обеспечивают возбудимость живых организмов; катионы Mg2+, Mn2+, Zn2+, Ca2+ и др. необходимы для нормального функционирования многих ферментов; образование углеводов в процессе фотосинтеза невозможно без Mg2+ (составная часть хлорофилла); буферные свойства клетки (поддержание слабощелочной реакции содержимого клетки) поддерживается анионами слабых кислот (НСО3-, НРО4-) и слабыми кислотами (Н2СО3);

Фосфатная буферная система:

Низкий pH Высокий pH

НРО42- + Н+ ←―――――――→H2PO4-

Гидрофосфат — ион Дигидрофосфат — ион

Бикарбонатная буферная система:

Низкий pHВысокий pH

НСО3- + Н+ ←―――――――→ H2СO3

Гидрокарбонат — ион Угольная кислота

Некоторые неорганические вещества содержатся в клетке не только в растворенном, но и в твердом состоянии. Например, Са и Р содержатся в костной ткани, в раковинах моллюсков в виде двойных углекислых и фосфорнокислых солей.

Задумайтесь! Мы с вами состоит из миллиардов атомов. Все атомы находятся в круговороте, и
все атомы, которыми мы обладаем, в ком-то и где-то находились те 4,5 млрд. лет, которые существует Земля. Они были частями
животных, растений, грибов и бактерий – а сейчас принадлежат нам на короткое время.

С химической точки зрения ответ на вопрос “Жив ли изучаемый объект?” – не представляется возможным. Понятию “жизнь” дано
колоссальное количество определений. Жизнь – это самовоспроизведение с изменением, способ существования белковых тел,
постоянный обмен веществ с внешней средой.

Мы приступаем к изучению неорганических и органических веществ клетки. Начнем с неотъемлемого компонента клетки,
благодаря которому жизнь на Земле в принципе стала возможна – вода.

Вода

Составляет 60-80% массы клетки. Молекула воды обладает уникальным свойством – полярностью, которое возникает из-за
разницы в электроотрицательности (ЭО) между атомами кислорода и водорода (у кислорода ЭО больше).

Поскольку молекула воды полярна, ее называют диполь. Между молекулами воды возникают непрочные водородные связи:
водородная связь начинается от отрицательно заряженного атома кислорода (2δ-) одной молекулы воды и
тянется до положительно заряженного атома водорода другой молекулы воды (δ+)

По отношению к воде все вещества можно подразделить на два типа:

• Гидрофильные (греч. hydro – вода и philéo – люблю) – вещества, которые хорошо растворяются в воде. Гидрофильными
  веществами являются сахара, соли, альдегиды, спирты, аминокислоты.
• Гидрофобные (греч. hydro – вода и phobos — страх) – вещества, которые не растворяются в воде. Гидрофобными
  веществами являются жиры.

Роль воды в клетке трудно переоценить. Ее функции и свойства крайне важны:

• Вода – универсальный растворитель

Большинство реакций, которые протекают в клетке, идут в растворе (водной среде). Полярность молекулы воды позволяет
ей быть отличным растворителем для других гидрофильных (полярных) веществ.

• Вода – терморегулятор

Вода может поглощать теплоту при минимальном изменении температуры. Это настоящее “спасение” для клеток: чуть только
температура меняется, вода начинает поглощать избыток тепла, защищая клетку от перегревания. Выделяясь на поверхность
кожи с потом, вода испаряется, поверхность кожи при этом охлаждается.

• Вода – реагент

Она не только создает среду для реакций в клетке, но и сама активно участвует во многих из них. Расщепление питательных
веществ, попавших в клетку, происходит за счет реакции гидролиза (греч. hydro – вода и lysis – расщепление).

• Транспортная функция

Питательные вещества, газы перемещаются по организму с током крови. Вода составляет 90-92% плазмы крови, является ее основным
компонентом. С помощью воды происходит не только доставка веществ к клеткам, но и удаление из организма побочных продуктов
обмена веществ.



• Структурная функция

Вода придает тканям тургор (лат. turgor — наполнение) – внутреннее осмотическое давление в живой клетке, создающее
напряжение оболочек клеток. Вода составляет от 60 до 95% цитоплазмы, придает клеткам форму. Изменение тургора клеток растений
приводит к перемещениям их частей, раскрытию устьиц, цветков.

Осмотическое давление – избыточное гидростатическое давление на раствор, отделенный от чистого растворителя с
помощью полупроницаемой мембраны.

Главное – понимать суть: если мы поместим живую клетку в гипертонический раствор, то
вода (растворитель) устремится из клетки в раствор (в сторону большей концентрации соли) – это приведет к сморщиванию
клеток.

Если же клетка окажется
в гипотоническом растворе, то вода извне устремится внутрь клетки (опять-таки в сторону большей концентрации солей),
приводя при этом к разбуханию (и возможному разрыву) клетки.

Элементы

Живая клетка – кладезь элементов таблицы Менделеева. Процент содержания различных элементов отличается, в связи с чем все они делятся на
3 группы:

• Биогенные (основные) – C, H, O, N. Входят в состав органических соединений, составляют основную часть клетки
• Макроэлементы (греч. makrós – большой) – составляют десятые и сотые доли в клетке: K, Na, Ca, Mg, Cl, P, S, Fe
• Микроэлементы (греч. mikrós – маленький) – составляют тысячные доли в клетке: Zn, Cu, I, Co, Mn

Процентное содержание элемента не коррелирует с его важностью и биологической значимостью. Так, к примеру, микроэлемент
I играет важную роль в синтезе гормонов щитовидной железы: тироксина, трийодтиронина. За нормальные рост и развитие
организмов отвечают Zn, Mn, Cu.

Благоприятно влияют на сперматозоиды Zn, Ca, Mg, защищая их от оксидативного стресса (окисления). Невозможным становится
нормальное образование эритроцитов без должного уровня Fe и Cu.

Соли

В водной среде клетки соли диссоциируют (распадаются) на положительно заряженные ионы – катионы (Na+, K+,
Ca2+, Mg2+) и отрицательно заряженные – анионы (Cl-, SO42-,
HPO42-, H2PO4-).

Для процессов возбуждения клетки (нейрона, миоцита – мышечной клетки) внутри клетки должна поддерживаться низкая концентрация ионов Na+ и высокая концентрация ионов K+. В окружающей клетку среде все наоборот: много Na и мало K. В мембране существует
специальный натрий-калиевый насос, который поддерживает необходимое равновесие. Если это
соотношение нарушится, то нейрон не сможет сгенерировать нервный импульс, а клетка мышцы – сократиться.

Соли в клетке и организме выполняют ряд важных функций:

• Участвуют в активации ферментов
• Создают буферные системы (бикарбонтаную, фосфатную, белковую)
• Поддерживают кислотно-щелочное состояние (КЩС)
• Создают осмотическое давление клетки
• Создают мембранный потенциал клеток (натрий-калиевый насос)
• Являются основным минеральным составляющим скелета внутреннего и наружного (у моллюсков)

Мы переходим к органическим компонентам клетки, к которым относятся: жиры, углеводы, белки и нуклеиновые кислоты.

Белки, или пептиды (греч. πεπτος – питательный)

Белки – полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Белки представляют линейную структуру, образованную из
длинной цепи аминокислот, между которыми возникают пептидные связи. Пептидная связь образуется между карбоксильной
группой (COOH) одной аминокислоты и аминогруппой другой аминокислоты (NH2).

Между понятиями пептиды и белки существует определенная разница. Белки состоят из сотен тысяч аминокислот. Пептидами
называют небольшие белки, содержащие до 10 аминокислот. Ими являются некоторые гормоны: окситоцин,
вазопрессин, тиреолиберин – эти пептиды выполняют регуляторную функцию.

Выделяется несколько уровней пространственной организации белка:

• Первичная – полипептидная цепь, в которой аминокислоты расположены линейно
• Вторичная – полипептидная цепь закручивается в спираль, формируется α или β структура
• Третичная – спирали скручиваются в глобулу (лат. globulus – шарик)
• Четвертичная – образуется у сложных белков путем соединения нескольких глобул

При резком изменении оптимальных для белка условий он подвергается денатурации: при этом происходит переход от
высших структур организации к низшим, или “раскручивание белка”. Важно заметить, что аминокислотная последовательность (первичная структура белка) при этом не меняется, однако свойства белка меняются кардинально (теряется его гидрофильность).

Осмелюсь сделать заявление: вы часто начинаете свой день с денатурации белка. Простейший способ провести такой
эксперимент – пожарить яичницу. Заметьте, что изначально яичный белок прозрачный и текучий, но по итогу жарки эти свойства
утрачиваются: он становится непрозрачным и вязким.

Завершаем тему о белках изучением их функций:

• Каталитическая (греч. katalysis – разрушение)

Белки – природные катализаторы, ускоряющие реакции в организме в десятки и сотни тысяч раз. Эту роль главным образом
выполняют белки-ферменты (энзимы).

Иногда в состав белков входят так называемые ко-факторы – небелковые соединения,
которые необходимы ферменту для его биологической активности (в роли ко-факторов могут выступать Zn2+,
Mg2+).

• Строительная

Белки входят в состав клеточных мембран. Сложные белки: коллаген, эластин – входят в состав соединительных тканей организма,
придавая им некоторую прочность и эластичность.

• Регуляторная

Некоторые гормоны, регулирующие обменные процессы в организме, имеют белковое происхождение: инсулин, глюкагон,
адренокортикотропный гормон (АКТГ).

• Защитная

Говоря об этой функции, прежде всего, стоит вспомнить об антителах – иммуноглобулинах, которые синтезируют B-лимфоциты.
Антитела нейтрализуют чужеродные организму антигены (разрушают бактерии).



Помимо антител, защитную функцию выполняют
также белки свертывающей системы крови (тромбин и фибриноген): они предохраняют организм от кровопотери.



• Энергетическая

При недостаточном питании в организме начинают окисляться молекулы белков. При расщеплении 1 г белков выделяется 17,6 кДж энергии.

• Транспортная

Некоторые белки крови способны присоединять к себе и переносить различные молекулы. Альбумины участвуют в транспорте
жирных кислот, глобулины – гормонов и некоторых ионов (Fe, Cu). Основной белок эритроцитов – гемоглобин – способен
переносить кислород, углекислый и угарный газы (угарный конечно нежелательно ему переносить, будет отравление)

• Сократительная

Двигательные белки, актин и миозин, на уровне саркомера обеспечивают сокращение мышц. При возбуждении мышечной
ткани тонкие нити актина начинают тереться о толстые нити миозина, приводя к сокращению.



• Рецепторная

На поверхности мембраны белки образуют многочисленные рецепторы, которые, соединяясь с гормонами, приводят к
изменению обмена веществ в клетке. Таким образом, гормоны реализуют воздействие на клетки органов-мишеней.

Жиры, или липиды (греч. lipos – жир)

С химической точки зрения жиры являются сложными эфирами, образованными трехатомным спиртом глицерином и высшими
карбоновыми кислотами (жирными кислотами). Среди их свойств надо выделить то, что они практически нерастворимы
в воде. Вспомните, как тяжело смыть жир с рук водой.

Почему именно мыло смывает жир с рук? Дело в том, что молекула мыла повторяет свойства жира: одна часть ее гидрофобна,
а другая гидрофильна. Мыло соединяется с молекулой жира гидрофобной частью, и вместе они легко смываются водой.

Приступим к изучению функций жиров:

• Энергетическая

При окислении жиров выделяется много энергии: 1 г – 38,9 кДж. Это вдвое больше выделяющейся энергии при расщеплении
1г углеводов.

• Запасающая

Жиры имеют способность накапливаться в клетках, расположенных в подкожно-жировой клетчатке, внутренних органах.
Эти запасы являются резервом организма на случай голодания или при недостаточном питании.

В жирах также запасается вода: в 100 г жира содержится 107 мл воды. Многим пустынным животным (верблюдам)
жировые запасы помогают длительное время обходиться без воды.

• Структурная

Жиры входят в состав биологических мембран клеток человека вместе с белками. Из фосфолипидов построены мембраны всех
клеток органов и тканей!

Так, к примеру, холестерин – обязательный компонент мембраны, придает ей определенную жесткость и совершенно необходим
для нормальной жизнедеятельности (заболевания возникают только при нарушении липидного обмена).



• Терморегуляция

Жиры обладают плохой теплопроводностью. Располагаясь в подкожно-жировой клетчатке, они образуют термоизолирующий слой.
Особенно хорошо он развит у ластоногих (моржи и тюлени), китов, защищает их от переохлаждения.

• Гормональная

Некоторые гормоны по строению относятся к жирам: половые (андрогены – мужские и эстрогены – женские), гормон
беременности (прогестерон), кортикостероиды.

• Участие в обмене веществ (метаболизме)

Производное жира – витамин D – принимает важное участие в обмене кальция и фосфора в организме. Он образуется
в коже под действием ультрафиолетового излучения (солнечного света). При недостатке витамина D возникает заболевание –
рахит.

Углеводы

Представляют собой органические соединения, состоящие из одной или нескольких молекул простых сахаров. Выделяется три основных
класса углеводов:

• Моносахариды (греч. monos — единственный)

Простые сахара, легко растворяющиеся в воде и имеющие сладкий вкус. Моносахариды подразделяются на гексозы (имеют 6 атомов углерода)
– глюкоза, фруктоза, и пентозы (имеют 5 атомов углерода) – рибоза и дезоксирибоза, входящие в состав нуклеиновых кислот.

• Олигосахариды (греч. ὀλίγος — немногий)

При гидролизе олигосахариды распадаются на моносахариды. В состав олигосахаридов может входить от 2 до 10 моносахаридных остатков.
Если в состав олигосахарида входят 2 остатка моносахарида, то его называют дисахарид. К дисахаридам относятся сахароза, лактоза,
мальтоза. При гидролизе сахароза распадается на глюкозу и фруктозу.



• Полисахариды

Это биополимеры, в состав которых входят сотни тысяч моносахаридов. Они обладают высокой молекулярной массой,
нерастворимы в воде, на вкус несладкие.

Крахмал, целлюлоза, гликоген, хитин и муреин – все это биополимеры. Давайте вспомним, где они находятся.

Клеточная стенка образована: у растений – целлюлозой, у грибов – хитином, у бактерий – муреином. Запасным питательным
веществом растений является крахмал, животных – гликоген.

Перечислим функции, которые выполняют углеводы:

• Энергетическая

В результате расщепления 1 г углеводов высвобождается 17,6 кДж энергии.

• Запасающая

Запасным питательным веществом растений и животных соответственно являются крахмал и гликоген. Расщепление гликогена позволяет
нам оставаться в сознании и быть активными между приемами пищи.

Гликоген представляет собой разветвленную молекулу, состоящую
из остатков глюкозы. За счет больших размеров такая молекула хорошо удерживается в клетке, а ее разветвленность позволяет ферментам
быстро отщеплять множество молекул глюкозы одновременно.



Существуют заболевания, при которых распад
гликогена нарушается: в результате нейроны не получают глюкозы (источника энергии, соответственно не синтезируются и молекулы АТФ). Из-за этого становятся возможны частые потери сознания.

• Структурная (опорная)

Целлюлоза входит в состав клеточных стенок растений, придавая им необходимую твердость. Хитин образует клеточную стенку
грибов и наружный скелет членистоногих.

Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus — ядро)

Высокомолекулярные органические соединения, представленные двумя видами: ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты) и РНК
(рибонуклеиновые кислоты). ДНК и РНК – биополимеры, мономером которых является нуклеотид. Запомните, что нуклеотид
состоит из 3 компонентов:

• Азотистое основание

Для ДНК характерны следующие азотистые основания: аденин – тимин, гуанин – цитозин; для РНК: аденин – урацил,
гуанин – цитозин. Исходя из принципа комплементарности, данные основания соответствуют друг другу, в результате
чего между ними образуются связи.

Между аденином и тимином образуется 2 водородные связи, а между гуанином и цитозином – 3.



Именно по этой причине количество аденина в молекуле ДНК всегда совпадает с количеством тимина. К примеру, если
в ДНК 20% аденина, то с уверенностью можно сказать, что в ней 20% тимина. Выходит на оставшиеся основания – цитозин
и гуанин – остается 60%, значит, цитозин и гуанин составляют в ДНК 30% каждый. Таким нехитрым образом, зная процент
содержания одного основания, можно подсчитать все остальные.

• Остаток сахара

В ДНК остаток сахара – дезоксирибоза, в РНК – рибоза.

• Остаток фосфорной кислоты – фосфат

Мы подробно изучили структуру ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) – двойной правозакрученной спиральной молекулы. Теперь
настало время детально поговорить об РНК (рибонуклеиновой кислоте). Все виды РНК синтезируются на матрице – ДНК, различают
три вида РНК:

• Рибосомальная РНК (рРНК)

Синтезируется в ядрышке. рРНК входит в состав
малых и больших субъединиц рибосом. В процентном отношении рРНК составляет 80-90% всей РНК клетки.

• Информационная РНК (иРНК, син. – матричная РНК, мРНК)

Синтезируется в ядре в ходе процесса транскрипции (лат. transcriptio — переписывание).
Фермент РНК-полимераза строит цепь иРНК по принципу комплементарности с ДНК. Исходя из данного принципа,
гуанин (Г) в молекуле ДНК соединяется с цитозином (Ц) в РНК. Далее соответственно: цитозин (Ц) – гуанин (Г),
аденин (А) – урацил (У), тимин (Т) – аденин (А).



• Транспортная РНК (тРНК)

Обеспечивает транспорт аминокислоты к рибосоме во время синтеза белка. Благодаря этому становится возможным
соединение аминокислот друг с другом, образуется белок. тРНК имеет характерную форму клеверного листа.