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, F e - 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 + , Ca 2+ , Mg 2+ , анионы HPO 4 2- , Cl - , HCO 3 -. 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 Mg 2+ , Mn 2+ , Zn 2+ , Ca 2+ и др. необходимы для нормального функционирования многих ферментов; образование углеводов в процессе фотосинтеза невозможно без Mg 2+ (составная часть хлорофилла); буферные свойства клетки (поддержание слабощелочной реакции содержимого клетки) поддерживается анионами слабых кислот (НСО 3 - , НРО 4 -) и слабыми кислотами (Н 2 СО 3);

Фосфатная буферная система:

Низкий pH Высокий pH

НРО 4 2- + Н + ←―――――――→H 2 PO 4 -

Гидрофосфат - ион Дигидрофосфат - ион

Бикарбонатная буферная система:

Низкий pH Высокий pH

НСО 3 - + Н + ←―――――――→ H 2 СO 3

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.

Химические элементы, входящие в состав клетки.

В состав живой клетки входят около 60 химических элементов периодической системы Д. И Менделеева. Причем многие из них имеют наименьшие порядковые номера. А чем меньше порядковый номер химического элемента, тем чаще он встречается в живой природе.

Все химические элементы, входящие в состав клетки, можно разделить на
3 группы по встречаемости:

1) макроэлементы: углерод, водород, кислород и азот. Количество их в клетке наибольшее, составляет около 98%. Эти элементы входят в состав белка.

2) олигоэлементы или средние по встречаемости. Всего их 8: 5 из них металлы (натрий, калий, кальций, магний и железо) и 3 неметаллы (сера, фосфор и хлор). На долю олигоэлементов в клетке приходится 1,9%.

3) микроэлементы. Их в клетке очень мало, около 0,1% на более чем 40 элементов. Это йод, цинк, медь, фтор и др. Недостаток или отсутствие микроэлементов может вызвать серьезные заболевания. Например, недостаток йода вызывает нарушение функции щитовидной железы, в результате чего развивается зоб.

По химическому составу, входящие в клетку вещества, делятся на 2 группы:

– Неорганические (встречаются и в неживой природе)

– Органические (характерны только для живых организмов)

Вода . Количество воды в клетке максимально и составляет 70–80%.

Роль воды в клетке очень велика:

1) Вода является универсальным растворителем. В ней растворяются различные органические и неорганические вещества. В зависимости от того, как различные вещества растворяются в воде, выделяют 2 группы веществ:

– гидрофильные (от греч. hydor – вода, phileo – люблю) – это вещества хорошо растворимые в воде. К ним относятся многие соли, кислоты, белки, углеводы и др.

– гидрофобные (от греч. hydor – вода, phobos – страх) – это нерастворимые или плохо растворимые в воде вещества. К ним относятся жиры и жироподобные вещества.

2) Большинство химических процессов в клетке протекают только в водных растворах. Вода непосредственно участвует во многих химических внутриклеточных реакциях (гидролиз, т.е. расщепление белков, жиров и других веществ).

3) Объем и упругость клетки зависят от количества воды в ней.

4) Вода обладает высокой теплоемкостью, она обеспечивает терморегуляцию клетки.

Молекулы воды полярны и способны образовывать комплексы из нескольких молекул за счет возникновения водородных связей. При повышении температуры окружающей среды часть тепла затрачивается на разрыв водородных связей между молекулами воды, при этом температура внутренней среды практически не меняется. При охлаждении вновь возникают водородные связи между молекулами воды, и выделяется тепло.

Кроме воды в клетке содержатся слабые кислоты, основания, а также множество солей.

Соли в клетке находятся в диссоциированном состоянии. Важное значение в жизнедеятельности клетки имеют К + , Na + Ca 2+ Mg 2+ и HPO 2- , H 2 PO 4 , НСО 3 , Cl – . С помощью анионов слабых кислот поддерживается практически на постоянном уровне реакция внутренней среды клетки, близкая к нейтральной (слабощелочная).

Концентрация ионов внутри клетки и в межклеточной жидкости различна. Особенно резкие различия характерны для Na + (локализуется в основном в межклеточной жидкости) и К + (содержатся в клетке в высокой концентрации), играющих важную роль в работе нервных и мышечных волокон.

Содержание различных солей в клетке поддерживается на определенном уровне. Значительное изменение их концентрации может вызвать серьезные нарушения в клетке, и даже гибель ее. Снижение концентрации Ca 2+ в крови млекопитающих вызывает судороги и смерть. Для нормального сокращения сердечной мышцы необходимо определенное соотношение К + , Na + Ca 2+ . При изменении баланса этих ионов работа сердечной мышцы нарушается.

Часто неорганические вещества в клетке образуют комплексы с белками, углеводами и жирами.

Вода. Из неорганических веществ, входящих в состав клетки, важнейшим является вода. Количество ее составляет от 60 до 95% общей массы клетки. Вода играет важнейшую роль в жизни клеток и живых организмов в целом. Помимо того что она входит в их состав, для многих организмов это еще и среда обитания.

Роль воды в клетке определяется ее уникальными химическими и физическими свойствами, связанными главным образом с малыми размерами молекул, с полярностью ее молекул и с их способностью образовывать друг с другом водородные связи.

Вода как компонент биологических систем выполняет следующие важнейшие функции: клетка химический неорганический

Вода -- универсальный растворитель для полярных веществ, например солей, Сахаров, спиртов, кислот и др. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными. Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы получают возможность двигаться более свободно; соответственно возрастает реакционная способность вещества. Именно по этой причине большая часть химических реакций в клетке протекает в водных растворах. Ее молекулы участвуют во многих химических реакциях, например при образовании или гидролизе полимеров. В процессе фотосинтеза вода является донором электронов, источником ионов водорода и свободного кислорода.

Неполярные вещества вода не растворяет и не смешивается с ними, поскольку не может образовывать с ними водородные связи. Нерастворимые в воде вещества называются гидрофобными. Гидрофобные молекулы или их части отталкиваются водой, а в ее присутствии притягиваются друг к другу. Такие взаимодействия играют важную роль в обеспечении стабильности мембран, а также многих белковых молекул, нуклеиновых кислот и ряда субклеточных структур.

Вода обладает высокой удельной теплоемкостью. Для разрыва водородных связей, удерживающих молекулы воды, требуется поглотить большое количество энергии. Это свойство обеспечивает поддержание теплового баланса организма при значительных перепадах температуры в окружающей среде. Кроме того, вода отличается высокой теплопроводностью, что позволяет организму поддерживать одинаковую температуру во всем его объеме.

Вода характеризуется высокой теплотой парообразования, т. е. способностью молекул уносить с собой значительное количество тепла при одновременном охлаждении организма. Благодаря этому свойству воды, проявляющемуся при потоотделении у млекопитающих, тепловой одышке у крокодилов и других животных, транспирации у растений, предотвращается их перегрев.

Для воды характерно исключительно высокое поверхностное натяжение. Это свойство имеет очень важное значение для адсорбционных процессов, для передвижения растворов по тканям (кровообращение, восходящий и нисходящий токи в растениях). Многим мелким организмам поверхностное натяжение позволяет удерживаться на воде или скользить по ее поверхности.

Вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма.

У растений вода определяет тургор клеток, а у некоторых животных выполняет опорные функции, являясь гидростатическим скелетом (круглые и кольчатые черви, иглокожие).

Вода - составная часть смазывающих жидкостей (синовиальной - в суставах позвоночных, плевральной - в плевральной полости, перикардиальной - в околосердечной сумке) и слизей (облегчают передвижение веществ по кишечнику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей). Она входит в состав слюны, желчи, слез, спермы и др.

Минеральные соли. солей в водном растворе распадаются на катионы и анионы. Наибольшее значение имеют катионы (К+, Na+, Са 2+, Mg:+, NH4+) и анионы (С 1, Н 2Р 04 -, НР 042-, НС 03 -, NO32--, SO4 2-) Существенным является не только содержание, но и соотношение ионов в клетке.

Разность между количеством катионов и анионов на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникновение потенциала действия, что лежит в основе возникновения нервного и мышечного возбуждения. Разностью концентрации ионов по разные стороны мембраны обусловлен активный перенос веществ через мембрану, а также преобразование энергии.

Анионы фосфорной кислоты создают фосфатную буферную систему, поддерживающую рН внутриклеточной среды организма на уровне 6,9.

Угольная кислота и ее анионы формируют бикарбонатную буферную систему, поддерживающую рН внеклеточной среды (плазма крови) на уровне 7,4.

Некоторые ионы участвуют в активации ферментов, создании осмотического давления в клетке, в процессах мышечного сокращения, свертывании крови и др.

Ряд катионов и анионов необходим для синтеза важных органических веществ (например, фосфолипидов, АТФ, нуклеотидов, гемоглобина, гемоцианина, хлорофилла и др.), а также аминокислот, являясь источниками атомов азота и серы.

Любая клетка содержит не только органические вещества. В ее состав входит 70 элементов из таблицы Менделеева. А 24 из них содержатся в клетках любого типа. Неорганические вещества клетки также представлены водой и ионами.

Все элементы можно поделить на три группы в зависимости от их содержания:

• макроэлементы – N, C, H, O, Mg, Na, K, Ca, Fe, P, Cl, S;
• микроэлементы – B, Ni, Cu, Zn, Mb, Co;
• ультрамикроэлементы – U, Ra, Hg, Au, Pb, Se.

По другому способу классификации от этих групп отдельно выносят органоиды – вещества, необходимые для синтеза органики: вода, углерод, кислород и азот.

Значение воды

Вода – одно из самых важных неорганических веществ клетки. Ее необходимость для любого живого существа трудно переоценить, но мало кто знает обо всех ее функциях в клетке. Кратко рассмотрим их в связи с теми свойствами воды, которые позволяют ей выполнять свою роль.

1. Транспирация и потоотделение – высокая теплоемкость и хорошей теплопроводности.
2. Поддержание формы – воду практически невозможно сжать так, чтобы она изменила свой объем.
3. Смазывающие свойства – вязкость.
4. Осмос – подвижность молекул благодаря непрочности водородных связей внутри молекулы.
5. Лимфа, кровь, желудочный сок и прочие жидкости организма могут использовать растворенный в воде кислород – молекулы воды полярны, она хороший растворитель.
6. В цитоплазме поддерживается дисперсионная среда (одновременное существование в растворе двух и более фаз, не смешивающихся друг с другом) – образование гидратационных оболочек вокруг больших молекул, опять же благодаря полярности молекул воды.

Макроэлементы, микроэлементы и их роль в клетке

Рассмотрим некоторые функции элементов, чтобы понять, насколько они важны для клетки, хоть их содержание в ней невелико.

Магний – помогает многим ферментам участвовать в синтезе ДНК и энергетическом обмене.

Кальций – регулирует проницательность клеточных мембран.

Калий – участвует в синтезе белка и гликолизе, поддерживает необходимый биоэлектрический потенциал на мембране (посмотрите, как работает натрий-калиевый насос).

Сера – входит в состав некоторых аминокислот, помогает им создавать дисульфидные мостики (для образования третичной структуры белка), участвует в хемосинтезе и бактериальном фотосинтезе.

Железо – входит в состав ферментов-переносчиков электрона в системе фотосинтеза, является центром молекулы гемоглобина.

Хлор – его ионы помогают клетке оставаться электронейтральной.

Бром – является частью витамина В1.

Медь – входит в состав ферментов, которые участвуют в реакции синтеза цитохромов.

Цинк – содержится в ферментах, необходимых для спиртового брожения.

И это еще не все неорганические вещества клетки. Очень важно поддерживать концентрацию каждого вещества на нужном уровне. Ведь их недостаток может существенно нарушить работу клетки. Впрочем, как и их избыток.

Структура клетки и все процессы, происходящие в ней – это очень большая и сложная система. Все процессы и способы их регуляции были выработаны веками эволюции, в них все отточено и при должных условиях работает стабильно и без ошибок.

Неорганические вещества, входящие в состав клетки – видео

Биология — наука о жизни. Важнейшая задача биологии — изучение многообразия, строения, жизнедеятельности, индивидуального развития и эволюции живых организмов, их взаимоотношений со средой обитания.

Живые организмы имеют ряд особенностей, отличающих их от неживой природы. По отдельности каждое из отличий достаточно условно, поэтому их следует рассматривать в комплексе.

Признаки, отличающие живую материю от неживой:

1. способность к размножению и передаче наследственной информации следующему поколению;
2. обмен веществ и энергии;
3. возбудимость;
4. адаптированность к конкретным условиям обитания;
5. строительный материал — биополимеры (важнейшие из них — белки и нуклеиновые кислоты);
6. специализация от молекул до органов и высокая степень их организации;
7. рост;
8. старение;
9. смерть.

Уровни организации живой материи:

1. молекулярный,
2. клеточный,
3. тканевой,
4. органный,
5. организменный,
6. популяционно-видовой,
7. биогеоценотический,
8. биосферный.

Многообразие жизни

Первыми на нашей планете появились безъядерные клетки. Большинством ученых принимается, что ядерные организмы появились в результате симбиоза древних архебактерий с синезелеными водорослями и бактериями-окислителями (теория симбиогенеза).

Цитология

Цитология — наука о клетке . Изучает строение и функции клеток одноклеточных и многоклеточных организмов. Клетка является элементарной единицей строения, функционирования, роста и развития всех живых существ. Поэтому процессы и закономерности, характерные для цитологии, лежат в основе процессов, изучаемых многими другими науками (анатомия, генетика, эмбриология, биохимия и др.).

Химические элементы клетки

Химический элемент — определенный вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра. В клетках обнаружено около 80 химических элементов. Их можно разделить на четыре группы:
1 группа — углерод, водород, кислород, азот (98% от содержимого клетки),
2 группа — калий, натрий, кальций, магний, сера, фосфор, хлор, железо (1,9%),
3 группа — цинк, медь, фтор, йод, кобальт, молибден и др. (меньше 0,01%),
4 группа — золото, уран, радий и др. (меньше 0,00001%).

Элементы первой и второй групп в большинстве пособий называют макроэлементами , элементы третьей группы — микроэлементами , элементы четвертой группы — ультрамикроэлементами . Для макро- и микроэлементов выяснены процессы и функции, в которых они участвуют. Для большинства ультрамикроэлементов биологическая роль не выявлена.

Химический элемент	Вещества, в которых химический элемент содержится	Процессы, в которых химический элемент участвует
Углерод, водород, кислород, азот	Белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы и др. органические вещества	Синтез органических веществ и весь комплекс функций, осуществляемых этими органическими веществами
Калий, натрий	Na + и K +	Обеспечивание функции мембран, в частности, поддержание электрического потенциала клеточной мембраны, работы Na + /Ka + -насоса, проведение нервных импульсов, анионный, катионный и осмотический балансы
Кальций	Са +2	Участие в процессе свертывания крови
	Фосфат кальция, карбонат кальция	Костная ткань, зубная эмаль, раковины моллюсков
	Пектат кальция	Формирование срединной пластинки и клеточной стенки у растений
Магний	Хлорофилл	Фотосинтез
Сера	Белки	Формирование пространственной структуры белка за счет образования дисульфидных мостиков
Фосфор	Нуклеиновые кислоты, АТФ	Синтез нуклеиновых кислот
Хлор	Cl -	Поддержание электрического потенциала клеточной мембраны, работы Na + /Ka + -насоса, проведение нервных импульсов, анионный, катионный и осмотический балансы
	HCl	Активизация пищеварительных ферментов желудочного сока
Железо	Гемоглобин	Транспорт кислорода
	Цитохромы	Перенос электронов при фотосинтезе и дыхании
Марганец	Декарбоксилазы, дегидрогеназы	Окисление жирных кислот, участие в процессах дыхания и фотосинтеза
Медь	Гемоцианин	Транспорт кислорода у некоторых беспозвоночных
	Тирозиназа	Образование меланина
Кобальт	Витамин В 12	Формирование эритроцитов
Цинк	Алькогольдегидрогеназа	Анаэробное дыхание у растений
	Карбоангидраза	Транспорт СО 2 у позвоночных
Фтор	Фторид кальция	Костная ткань, зубная эмаль
Йод	Тироксин	Регуляция основного обмена
Молибден	Нитрогеназа	Фиксация азота

Атомы химических элементов в живых организмах образуют неорганические (вода, соли) и органические соединения (белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы). На атомном уровне различий между живой и неживой материей нет, различия появятся на следующих, более высоких, уровнях организации живой материи.

Вода

Вода — самое распространенное неорганическое соединение. Содержание воды составляет от 10% (зубная эмаль) до 90% массы клетки (развивающийся эмбрион). Без воды жизнь невозможна, биологическое значение воды определяется ее химическими и физическими свойствами.

Молекула воды имеет угловую форму: атомы водорода по отношению к кислороду образуют угол, равный 104,5°. Та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, часть, где находится кислород, — отрицательно, в связи с этим молекула воды является диполем. Между диполями воды образуются водородные связи. Физические свойства воды: прозрачна, максимальная плотность — при 4 °С, высокая теплоемкость, практически не сжимается; чистая вода плохо проводит тепло и электричество, замерзает при 0 °С, кипит при 100 °С и т.д. Химические свойства воды: хороший растворитель, образует гидраты, вступает в реакции гидролитического разложения, взаимодействует со многими оксидами и т.д. По отношению к способности растворяться в воде различают: гидрофильные вещества — хорошо растворимые, гидрофобные вещества — практически нерастворимые в воде.

Биологическое значение воды:

1. является основой внутренней и внутриклеточной среды,
2. обеспечивает поддержание пространственной структуры,
3. обеспечивает транспорт веществ,
4. гидратирует полярные молекулы,
5. служит растворителем и средой для диффузии,
6. участвует в реакциях фотосинтеза и гидролиза,
7. способствует охлаждению организма,
8. является средой обитания для многих организмов,
9. способствует миграциям и распространению семян, плодов, личиночных стадий,
10. является средой, в которой происходит оплодотворение,
11. у растений обеспечивает транспирацию и прорастание семян,
12. способствует равномерному распределению тепла в организме и мн. др.

Другие неорганические соединения клетки

Другие неорганические соединения представлены в основном солями, которые могут содержаться или в растворенном виде (диссоциированными на катионы и анионы), или твердом. Важное значение для жизнедеятельности клетки имеют катионы K + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+ (см. таблицу выше) и анионы HPO 4 2— , Cl — , HCO 3 — , обеспечивающие буферные свойства клетки. Буферность — способность поддерживать рН на определенном уровне (рН — десятичный логарифм величины, обратной концентрации водородных ионов). Величина рН, равная 7,0, соответствует нейтральному, ниже 7,0 — кислому, выше 7,0 — щелочному раствору. Для клеток и тканей характерна слабощелочная среда. За поддержание этой слабощелочной реакции отвечают фосфатная (1) и бикарбонатная (2) буферные системы.