Особенности химического состава клетки

Вы же помните общие свойства живых организмов?

Клеточное строение. Рост и развитие. Наследственность. Изменчивость… А какой пункт здесь самый первый? Правильно. И сегодня мы более подробно поговорим о том, что всё живое на Земле имеет сходный химический состав.

Вначале вообще о химическом составе. Наша Вселенная образовалась примерно 13 миллиардов лет назад. Температура её была такой высокой, что элементарные частицы вещества не могли соединяться в атомы. А значит, нельзя было говорить о каком-либо химическом составе материи. Так как попросту не существовало каких-либо атомов.
С понижением температуры, когда частицы перестали двигаться уж с совсем сумасшедшей скоростью, они стали объединяться в атомы. Так возникли химические элементы.
Первыми появились самые лёгкие из них: водород и гелий. Ну а дальше и все остальные.

Теперь от Вселенной перейдём к нашей планете. Образовалась она примерно 4,5 миллиарда лет назад и была очень горячей.

По мере остывания, примерно через 500 миллионов лет, на Земле сложились условия для появления первых живых организмов. Конечно, возможно, всё происходило и иначе. Но общепринятая биохимическая теория происхождения жизни на Земле утверждает, что живые организмы возникли из неживого вещества. Если живое возникло из неживого, значит оно будет состоять из тех же химических элементов, что и неживое. Логично?

Идём дальше. Какие химические элементы мы знаем? Для этого нужно заглянуть в таблицу Менделеева. На сегодняшний день человеку известно более 100 химических элементов. Значит, можно смело предположить, что и живые организмы состоят из такого же количества химических элементов. И действительно. В клетках живых существ найдено около 80 химических элементов. Скажете, не все? Не все. Но абсолютное большинство из встречающихся стабильных. А остальные, похоже, для жизни оказались вовсе не обязательны.
Вместе с тем нет ни одного химического элемента, содержащегося в живых организмах, который не был бы найден в телах неживой природы.

И здесь мы делаем первый важный вывод о единстве живой и неживой материи.

Но! Единство единством, а мы всё же не совсем похожи на какие-нибудь там камни. Дело в том, что соотношение химических элементов в живой и неживой природе различно. Если, например, земная кора наполовину представлена кислородом, на четверть кремнием, а далее идут алюминий, железо, кальций и другие элементы, то абсолютно все живые организмы на 98% состоят из четырёх – углерода, кислорода, водорода и азота. Как видим, если говорить о схожести, то общим и необходимым элементом будет являться только кислород. Кстати, у человека массой 70 кг до 40 кг кислорода. То есть больше половины нашего тела - кислород.
Почему именно эти четыре элемента? Во-первых, потому что, в основном, мы состоим из воды. А во-вторых, из углерода, кислорода, водорода и азота состоят органические вещества, которые наряду с водой, образуют тела живых организмов. Вам известны эти вещества. Это белки, жиры (липиды), углеводы, нуклеиновые кислоты.

Таким образом, уясняем: живая и неживая природа едины. Но соотношение химических элементов в живом и неживом веществе сильно различается.

Если же мы ещё внимательнее присмотримся к химическому составу живых организмов, то обнаружим, что разные организмы и даже клетки, выполняющие разные функции, могут существенно отличаться друг от друга. Например, лютики накапливают литий, ряска – радий, а водоросли – элемент, необходимый для нормального функционирования нашей щитовидной железы, – йод.

Итак, содержание разных химических элементов в живых организмах различно. Существует и несколько классификаций элементов по этому показателю. Мы с вами рассмотрим следующие три группы.

Первую группу составляют химические элементы, содержание которых достаточно велико. Поэтому называются они макроэлементами. К ним будут относиться, конечно же, кислород, углерод, водород и азот, о которых мы уже упоминали. Их количество настолько велико, что эту четвёрку часто называют основными элементами. Значительно ниже содержание в живых организмах других элементов. Фосфора, калия, серы, железа, магния, натрия, кальция. Нижняя планка, по которой элемент относится к макро-, – его количество должно составлять более 0,01 %.

Вторая группа – микроэлементы. Это бор, кобальт, медь, молибден, цинк, ванадий, йод, бром. Количество микроэлементов в организме – от 0,01 до 0,00001 %.

Ну а третью группу составляют уже достаточно экзотические ультрамикроэлементы. К ним отнесём, не пугайтесь: уран, ртуть, радий, бериллий, цезий, селен и даже золото. Содержание ультрамикроэлементов в организме – миллионные доли процента. Например, золота в организме человека – около 10 мг. Вы спросите: «Где его искать?» Половина этого количества содержится в костях. В крови – 1 мг на литр. Кроме того, немножко можно найти в коже, волосах и ногтях.

Теперь давайте сравним. Сколько там у нас кислорода? 40 кг! А, например, того же золота аж в 4 миллиона раз меньше. Колоссальная разница. Но в живой природе это работает не так, как в человеческом обществе. Когда 40 кг золота – это лучше, чем 10 миллиграммов.
Запомните. Процентное содержание того или иного элемента не характеризует степень его важности в организме. Вы же помните про витамины. Организму их нужно гораздо меньше, чем той же картошки. Но уменьшение содержания даже сравнительно ничтожного количества витаминов приводит к тяжёлым нарушениям обмена веществ и, как следствие, к заболеваниям.

Поговорим о значении некоторых химических элементов более конкретно и начнём с больших.
Кислород, углерод, водород, азот – основа органических веществ клетки. А это более 97 % от сухого вещества. Кроме того, водород и кислород образуют «мокрое» вещество клетки – воду. В некоторых клетках её также может быть около 90 %.

Кальций составляет минеральную основу костей и зубов. Участвует в нервной и мышечной деятельности, свёртываемости крови. У растений входит в состав клеточной стенки.
Фосфор и сера также входят в состав органических веществ – в основном, белков и нуклеиновых кислот. Кроме того, фосфор – обязательная составляющая костей и зубной эмали.
Калий является одним из важнейших катионов в организме животных. Он обеспечивает проведение нервного импульса, регуляцию сердечной деятельности. У автотрофов участвует в процессах фотосинтеза.
Хлор – противоположность калию. Это один из важнейших анионов организма. Поддерживает осмотическое давление, регулирует водно-солевой баланс. В составе соляной кислоты – компонент желудочного сока животных.
Натрий зачастую работает вместе с калием. Благодаря им происходит генерация биоэлектрических потенциалов. А вместе с хлором натрий поддерживает осмотическое давление в клетке. Также натрий оказывает влияние на синтез гормонов.
Благодаря магнию на Земле существуют гетеротрофные организмы, так как он входит в состав хлорофилла, без которого был бы невозможен фотосинтез.
Итак, это были элементы, содержание которых в клетке превышает 0,01 %. Теперь о тех, которых значительно меньше. Кстати, попробуйте сравнить роль «маленьких» и «больших», маленьких и больших - в кавычках, конечно же. И проверить наше утверждение о том, что процентное содержание того или иного элемента не характеризует степень его важности в организме.
Железо мы найдём в составе многих ферментов, гемоглобина и миоглобина. Также оно участвует в процессах клеточного дыхания и фотосинтеза.

Кремний. Помните, неживая природа примерно на четверть состоит из кремния? Если проводить сравнение, то можно сказать, что в живых организмах его практически нет – всего одна тысячная процента. Но кремний у нас есть и активно работает. Он участвует в формировании костей и основного белка соединительной ткани – коллагена. Входит в состав клеточной оболочки растений.
Цинк обеспечивает регуляцию содержания глюкозы в крови – он входит в состав инсулина и некоторых других ферментов. Принимает участие в синтезе растительных гормонов.
Медь. Как там говорят? Пройти огонь, воду и медные трубы. Здесь и сейчас проходим медь. Как и магний, она также обеспечивает Землю органическими веществами – участвует в процессах фотосинтеза. Параллельно медь помогает эти органические вещества и расщеплять – обеспечивает нормальное протекание клеточного дыхания. У беспозвоночных животных окрашивает кровь и гемолимфу в благородный голубой цвет, так как входит в состав дыхательных пигментов.
Фтор. Вы, наверное, видели рекламу или сами пользуетесь зубной пастой с содержанием фтора. Дело в том, что этот химический элемент входит в состав зубной эмали. Правда, попадает ли он в зубы из пасты – вопрос достаточно спорный. Но это тема отдельного разговора.
Ещё фтор в нашем организме накапливается в костной ткани.
Йод нужен для нормального функционирования щитовидной железы. Он входит в состав её гормонов – тироксина и трийодтиронина, регулирующих обмен веществ.
Марганец входит в состав ферментов, а также регулирует их активность. Участвует в формировании костей и фотосинтезе.
Кобальт – составная часть цианкобаламина. Отсюда и название витамина B 12, имеющего самую сложную из всех витаминов структуру. Также кобальт принимает участие в процессах кроветворения.
И закончим наш обзор молибденом. Этот металл используют клубеньковые бактерии для очень важного процесса – связывания атмосферного азота и перевода его в форму, доступную для растений.

Как мы видим, каждый химический элемент выполняет свою роль в живых организмах. Для одних функций необходимо высокое содержание определённого элемента, а для других – низкое. Но абсолютно все они являются жизненно необходимыми.

Нам осталось рассмотреть то, в каком же виде находятся химические элементы в составе живых организмов. Мы уже сказали, что они могут быть составными частями молекул разнообразных неорганических и органических соединений.
Важнейшее из неорганических – вода. В ней растворены газы (кислород, углекислый газ, азот).
Органические вещества состоят, в основном, из углерода, водорода и кислорода. В составе белков к этим элементам добавляются азот и сера. А в нуклеиновых кислотах – азот и фосфор.
Кроме того, часть химических элементов выполняет свои функции в форме ионов. Например, катионов (калия, натрия, кальция, магния) и анионов (хлора, гидрокарбонат ион, гидрофосфат ион, сульфат ион).

И отдельно отметим роль углерода. Благодаря своим уникальным химическим свойствам, фундаментальным для жизни, он составляет её химическую основу. Образуя связи с другими атомами и группами атомов, он составляет скелет различных по химическому составу, строению, длине и форме органических молекул.  И основная причина их разнообразия не столько отличия составляющих их атомов, сколько разнообразие порядка и связи друг с другом. Благодаря прочности ковалентных связей возникают и существуют гигантские органические молекулы – полисахариды, белки, нуклеиновые кислоты. Многообразие которых практически бесконечно. И именно в этом причина разнообразия живых организмов на Земле. А может, где-то и на других планетах.

Подведём итог.
1. Живая и неживая природа состоят из одинаковых химических элементов.
2. Соотношение элементов в живой и неживой природе различно.
3. По содержанию в живых организмах химические элементы делятся на три группы: макроэлементы, микроэлементы, ультрамикроэлементы.
4. Процентное содержание того или иного элемента не характеризует степень его важности в организме.
5. Химические элементы являются составными частями неорганических и органических веществ, а также выполняют свои функции в виде ионов.
6. Углерод, благодаря уникальным химическим свойствам, составляет химическую основу жизни.