Химическая организация клетки. Неорганические вещества клетки.

Лекция «Химическая организация клетки. Неорганические вещества клетки»

Клетка — это сложная саморегулирующаяся система, в которой одновременно и в определенной последовательности происходят сотни химических реакций, направленных на поддержание ее жизнедеятельности, роста и развития. Изучение химического состава клеток показывает, что в живых организмах нет никаких особых химических элементов, свойственных только им: именно в этом проявляется единство химического состава живой и неживой природы.

Из 115 существующих в природе химических элементов активное участие в процессах жизнедеятельности принимают не менее их половины. Причем 24 из них являются обязательными и обнаруживаются почти во всех типах клеток, а наибольшее значение имеют 10 элементов – азот (N), водород (H), углерод (C), кислород (O), фосфор (P), сера (S), натрий (Na), калий (K), кальций (Ca), магний (Mg) – из них построены основные компоненты клетки.

В зависимости от содержания все химические элементы, входящие в состав живой природы, разделяют на несколько групп:

-Макроэлементы: Главными компонентами всех органических соединений, выполняющих биологические функции являются кислород, углерод, водород, азот, фосфор, сера, кальций, калий, хлор, натрий и магний, составляющие свыше 99% массы клетки. Натрий, калий и хлор обеспечивают возникновение и проведение электрических импульсов в нервной ткани. Поддержание нормального сердечного ритма зависит от концентрации в оргнизме натрия, калия и кальция. Железо участвует в биосинтезе хлорофилла, входит в состав гемоглобина (белка-переносчика кислорода в крови) и миоглобина (белка, содержащего запас кислорода в мышцах). Магний в клетках растений входит в состав хлорофилла, а в животном организме участвует в формировании ферментов, необходимых для нормального функционирования мышечной, нервной и костной тканей. В состав белков часто входит сера, а все нуклеиновые кислоты содержат фосфор. Фосфор также является компонентом всех мембранных структур.

Среди макроэлементов кислород, углерод, водород, азот, фосфор и сера объединяются в группу биоэлементов ил органогенов, на основании ого, что они составляют основу большинства органических молекул.

-Микроэлементы: Существует большая группа химических элементов, которые содержатся в организмах в очень низких концентрациях. Это алюминий, медь, марганец, медь, цинк, кобальт, никель, йод, бром, фтор, бор; на их долю приходится 0,02% массы клетки. В растения и микроорганизмы микроэлементы поступают из почвы и воды, а в организм животных с пищей, водой и воздухом. Кобальт входит в состав витамина В12 и принимает участие в синтезе гемоглобина, его недостаток приводит к анемии. Молибден в составе ферментов участвует в фиксации азота у бактерий и обеспечивает работу устьичного аппарата у растений. Медь является компонентом фермента, участвующего в синтезе меланина (пигмента кожи), влияет на рост и размножение растений, на процессы кроветворения у животных организмов. Йод у всех позвоночных животных входит в состав гормона щитовидной железы – тироксина. Бор влияет на ростовые процессы у растений, его недостаток приводит к отмиранию верхушечных почек, цветков и завязей. Цинк действует на рост животных и растений, а также входит в состав гормона поджелудочной железы – инсулина. Каждый элемент играет свою определенную, очень важную роль в обеспечении жизнедеятельности организма.

Обнаружено, что некоторые организмы интенсивно накапливают определенные элементы. Например, многие морские водоросли накапливают йод, хвощи – кремний, лютики – литий, а моллюски отличаются повышенным содержанием меди.

Микроэлементы широко используются в современном сельском хозяйстве в виде микроудобрений для повышения урожайности культур и в качестве добавок к кормам для увеличения продуктивности животных. Применяются микроэлементы и в медицине.

-Ультрамикроэлементы: Существует группа химических элементов, которые содержатся в организмах в следовых, т.е. ничтожно малых концентрациях. К ним относят золото, серебро, уран, бериллий, цезий, селен и др.; в сумме – менее 0,1% массы клетки.

Вода и ее роль в клетке

Самое распространенное неорганическое соединение в живых организмах — вода. Ее содержание в клетках разного типа колеблется в широких пределах:

в клетках эмали зубов воды около 10 %, а в клетках развивающегося зародыша — более 90 %. В теле медузы воды до 98 %. Но в среднем в многоклеточном организме вода составляет около 80 % массы тела. Важная роль воды в клетке обусловлена ее химической природой.

Молекула воды – это диполь, т.е. на одной стороне молекулы сосредоточен положительный заряд, а на другом конце – отрицательный. Именно эта особенность строения молекулы воды определяет ее свойство универсального растворителя. Любые вещества, имеющие заряженные группы, растворяются в воде. Такие соединения называют гидрофильными. Большинство веществ, присутствующих в клетке, относится к этой группе, например, соли, аминокислоты, сахара. Когда вещество переходит в раствор, его реакционная способность увеличивается. Однако есть соединения, которые в воде растворяются очень плохо или вовсе не растворяются. Такие вещества называют гидрофобными, к ним относятся жиры, жироподобные вещества, полисахариды и некоторые белки.

Большинство процессов, которые протекают внутри клетки, могут осуществляться только в водной среде. Но вода не только обеспечивает условия химических реакций, она сама участвует во многих метаболических процессах. В реакциях гидролиза белки расщепляются до аминокислот, а крахмал – до глюкозы. Высвобождение энергии в организме происходит при взаимодействии с водой главной энергетической молекулы – АТФ. Вода участвует в реакциях фотосинтеза и в синтезе АТФ в митохондриях.

Отрицательные и положительные полюсы разных молекул воды притягиваются друг к другу, что приводит к образованию водородных связей. Наличие этих связей придает воде структурированность, что объясняет многие ее необычные свойства: высокую температуру кипения, плавления, высокую теплоемкость.

Сочетание высокой теплоемкости и теплопроводности делает воду идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия. Тепло быстро и равномерно распределяется между всеми частями организма.
Высокая интенсивность испарения приводит к быстрой потере тепла и предохраняет от перегрева: испарение у растений и потоотделение у животных являются защитными реакциями и позволяют при минимальной потере воды существенно снизить температуру тела.

Высокая сила поверхностного натяжения воды обеспечивает восходящий и нисходящий транспорт веществ в растениях и движение крови в капиллярах. Многие мелкие организмы легко удерживаются и передвигаются по поверхности воды, благодаря наличию пленки поверхностного натяжения.

Неорганические соли и их роль в клетке

В большинстве клеток и тканей соли присутствуют в растворенном состоянии, т.е. в виде катионов и анионов. Некоторые ткани содержат нерастворимые соли в составе своего межклеточного вещества (например, костная ткань животных).

Основными катионами клеток являются К⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, основными анионами – Cl^-, HPO²₄^-, H₂PO₄^-, HCO^-₃.

Катионы и анионы распределены неравномерно между клеткой и внеклеточной средой, что является необходимым условием существования клетки. Так, содержание ионов калия существенно выше внутри клетки, а ионов натрия – во внеклеточной среде.

Таблица 1

Значение некоторых ионов в клетке