Химический состав клетки. Неорганические вещества

Любая клетка состоит из органических и неорганических веществ. На этом уроке мы будем вести разговор о неорганических веществах.

К неорганическим веществам клетки относятся вода, кислоты, соли, основания. Они составляют 1-1,5% массы клетки.

Вода

Вода представляет собой важнейшее неорганическое вещество клетки. Вода – это преобладающий компонент большинства клеток (исключением является  костная ткань и эмаль зубов).

При этом количество воды зависит от интенсивности обмена веществ в определенной ткани: чем она выше, тем больше воды.

Приведу пример. Человеческий эмбрион в возрасте 1,5 месяца на 97,5% состоит из воды, в возрасте 8 месяцев — на 83%. Новорожденные состоят из воды на 74%, а что касается взрослых, то этот показатель составляет 66%.

Надо отметить, что в различных органах и тканях количество воды разное.

В мозгу взрослого человека содержится до 86% воды. Для сравнения, в печени всего 70, а в кости и того меньше — около 20%.

Чем старше становится человек, тем меньше в его тканях воды.

В молодых клетках содержится 95% воды, в старых – 60%. В клетке вода находится в свободном и связанном состоянии. Молекулы связанной воды достаточно прочно соединены с белками.

Молекула воды — это диполь – на одном конце «–» заряд, на другом «+» заряд, но в целом молекула электронейтральна. Между отдельными молекулами воды могут образовываться водородные связи, которые определяют физические и химические свойства воды.

Вещества растворимые  в воде, называются гидрофильными (соли, кислоты, спирты, белки, углеводы).

Вещества, нерастворимые в воде называются гидрофобными (жиры и жироподобные вещества).

Полярность молекулы воды, способность образовывать водородные связи может объяснить ее высокую удельную теплоемкость. Вследствие этого в живых организмах не происходит резких колебаний температуры. Благодаря этому свойству воды обеспечивается поддержание теплового баланса в организме.

Воду можно называть универсальным растворителем, в ней происходят все биохимические процессы в клетке. В активных клетках на долю воды приходится до 75% — это клетки головного мозга и мышцы, в менее активных, например, в жировой ткани – 40%.

Поговорим о функциях воды:

1. Универсальный растворитель
2. Придает упругость и объем клетке
3. Участвует в реакциях гидролиза – это реакции расщепления органических соединений до простых.
4. Источник водорода и кислорода при фотосинтезе
5. По жидкой цитоплазме передвигаются  вещества в организме
6. При участии воды осуществляется терморегуляция

Почему вода так важна для организма?

Она выполняет ряд функций:

• сохраняет объем клеток;
• обеспечивает клетке упругость;
• способствует растворению различных химических веществ.

Но самым главным нужно считать тот факт, что именно в воде как среде происходят все химические процессы.

Вода принимает участие во всех химических реакциях: после химического взаимодействия с водой расщепляются жиры, углеводы и иные органические соединения.

Вода обладает высокой теплоемкостью, благодаря чему она оберегает цитоплазму от резких температурных колебаний и участвует в терморегуляции клеток и организма в целом.

Определенная часть молекул воды (около 15%) присутствует в связанном состоянии с белковыми молекулами. Они отвечают за изоляцию молекул белка друг от друга в коллоидных растворах.

Низкой растворимостью вводе характеризуется большое количество органических веществ в клетке (липиды). Молекулы воды слабо притягиваются к таким веществам. Вот почему, будучи основой клеточной мембраны, эти вещества сокращают переход воды из клетки во внешнюю среду и в обратном направлении (в том числе из одного участка клетки в другой).

Неорганические ионы

Соли диссоциируют на катионы и анионы. К наиболее значимым из них относятся:

1. Соединения азота служат источником минерального питания растений, биосинтеза белков
2. Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, АТФ, фосфолипидов, костей, хитинового покрова членистоногих
3. Ионы кальция входят в состав костей, кальций также необходим для мышечного сокращения и свертываемости крови
4. Ионы калия участвуют в проведении нервного импульса,
5. Магний входит в состав хлорофилла
6. Цинк входит в состав гормона поджелудочной железы инсулина
7. Железо входит в состав гемоглобина
8. Йод входит в состав гормонов щитовидной железы.
9. Минеральные соли

В клетках опорных органов содержат достаточно большое количество минеральных солей. В качестве примера можно привести хитиновые панцири черепашек и моллюсков, кости. Цитоплазма других клеток почти все соли содержит в диссоциированном состоянии — как катионы и анионы калия, натрия, хлора, кальция и др.

Для нормального функционирования клетки важно, чтобы в ней содержались катионы. Концентрация солей определяет объем поступающей в клетку воды. Это объясняется тем, что для молекул воды клеточная мембрана является проницаемой, а для большинства крупных молекул и ионов — непроницаемой.

В случае, если окружающая среда содержит меньшее количество ионов, чем клеточная цитоплазма, то поступление воды в клетку осуществляется до того момента, пока концентрация солей не выровняется (осмос).

Соли в цитоплазме задают ей определенные буферные свойства. Способность поддерживать постоянный уровень pH (около нейтральной реакции) даже в условиях непрерывного образования в процессе обмена веществ кислых и щелочных продуктов.

Содержание химических элементов клетки

Поговорим и о химических элементах клетки.

Клетки живых существ обладают значительным отличием от окружающей их среды не только по структуре химических соединений, которые входят в их состав, но также по набору и содержанию химических элементов.

Из известных сегодня химических элементов в живой природе обнаружено около 90.

В зависимости от содержания этих элементов в организмах живых существ они делятся на три группы:

• макроэлементы, то есть элементы, содержащиеся в клетках в значительных количествах (от десятков процентов до сотых долей процента). К этой группе относятся водород, кислород, углерод, азот, натрий, кальций, фосфор, сера, калий, хлор.

В сумме эти элементы составляют около 99% массы клеток, причем 98% приходится на долю первых четырех элементов (водород, кислород, углерод и азот).

• микроэлементы, на долю которых приходится менее сотых долей процента от массы живых организмов. К этим элементам относятся железо, цинк, марганец, кобальт, медь, никель, йод, фтор. В сумме они составляют примерно 1% массы клеток. И хотя содержание этих элементов в клетке мало, они необходимы для ее жизнедеятельности.

При отсутствии или низком содержании таких элементов возникают различные заболевания. Нехватка йода, например, приводит у человека к возникновению заболеваний щитовидной железы, а недостаток железа может вызвать анемию.

• ультрамикроэлементы, содержание которых в клетке крайне мало (меньше чем  10-12 %). В эту группу входят бром, золото, селен, серебро, ванадий и многие другие элементы. Большинство этих элементов тоже нужны для нормального функционирования организмов. Так, например, дефицит селена приводит к возникновению раковых заболеваний, а недостаток бора вызывает заболевание у растений.

Некоторые элементы этой группы, как и микроэлементы, входят в состав ферментов. В отличие от живых организмов, в земной коре к наиболее распространенным элементами относятся кислород, кремний, алюминий и натрий.

Так как содержание углерода, водорода и азота в живом веществе выше, чем в земной коре, следует логический вывод, что молекулы, в состав которых входят атомы этих элементов, требуются для осуществления процессов, обеспечивающих жизнедеятельность.

У четырех самых распространенных в живой материи элементов есть одно общее свойство: они с легкостью образуют ковалентные связи за счет спаривания электронов. Для того чтобы образовать стабильные электронные связи, атому водорода на внешней электронной оболочке не хватает одного электрона, атому кислорода — двух, азота — трех и углерода — четырех электронов. Эти элементы могут легко реагировать друг с другом, заполняя внешние электронные оболочки.

Кроме того, 3 элемента: азот, кислород и углерод — умеют образовывать как одинарные, так и двойные связи, благодаря чему значительно возрастает количество химических соединений, построенных из этих элементов.

Углерод, водород и кислород  — самые подходящие для образования живой материи еще и потому, что они самые легкие среди элементов, образующих ковалентные связи.

Очень важной с точки зрения биологии считается способность атома углерода образовывать ковалентные связи сразу с четырьмя другими атомами углерода. Вот так, ковалентно связанные атомы углерода могут формировать каркасы огромного количества самых разных органических молекул.