Химический состав клетки

Химический состав клетки тесно связан с особенностями строения и функционирования этой элементарной и функциональной единицы живого. Как и в морфологическом отношении, наиболее общим и универсальным для клеток представителей всех царств является химический состав протопласта. Последний содержит около 80% воды, 10% органических веществ и 1% солей. Ведущую роль в образовании протопласта среди них имеют, прежде всего, белки, нуклеиновые кислоты, липиды и углеводы.

По составу химических элементов протопласт чрезвычайно сложен. В нем содержатся вещества как с небольшим молекулярным весом так, так и вещества с крупной молекулой. 80% веса протопласта составляют высоко молекулярные вещества и лишь 30% приходится на низкомолекулярные соединения. В то же время на каждую макромолекулу приходятся сотни, а на каждую крупную макромолекулы тысячи и десятки тысяч молекул.

В состав любой клетки входят более 60 элементов периодической таблицы Менделеева.

По частоте встречаемости элементы можно поделить на три группы:

Основные элементы. Это углерод (С), водород (Н), азот (N), кислород (О). Их содержание в клетке превышает 97%. Они входят в состав всех органических веществ (белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот) и составляют их основу.

Макроэлементы. К ним относятся железо (Fе), сера (S), кальций (Са), калий (К), натрий (Na), фосфор (Р), хлор (Сl). На долю макроэлементов приходится около 2%. Они входят в состав многих органических и неорганических веществ.

Микроэлементы. Имеют самое большое разнообразие (их более 50-ти), но в клетке даже взятые все вместе они менее 1 %. Микроэлементы в чрезвычайно малых количествах входят в состав многих ферментов, гормонов или специфичных тканей, но определяют их свойства. Так, фтор (F), входит в состав зубной эмали, укрепляя ее. Йод (I) участвует в строении гормонащитовидной железы тироксина, магний (Мg) входит в состав хлорофилла растительной клетки, медь (Сu) и селен (Sе) встречаются в ферментах, защищающих клетки от мутаций, цинк (Zn) связан с процессами памяти (см. приложение № 20).

Все клетки животных и растительных организмов, а также микроорганизмов сходны по химическому составу, что свидетельствует о единстве органического мира.

Содержание химических элементов в клетке

Элементы Количество (в %):

Кислород 65-75

Кальций 0.04-2.00

Углерод 15-16

Магний 0.02-0,03

Водород 8-10

Натрий 0,02-0,03

Азот 1.5-3,0

Железо 0.01 -0,015

Фосфор 0,2-1,0

Цинк 0,0003

Калий 0,15-0,4

Медь 0.0002

Сера 0,15-0.2

Йод 0.0001

Хлор 0,05-0,1

Фтор 0,0001

В таблице приведены данные об атомном составе клеток. Из 109 элементов периодической системы Менделеева в клетках обнаружено значительное их большинство. Таким образом, в клетке нет каких-нибудь особенных элементов, характерных только для живой природы. Это указывает на связь и единство живой и неживой природы. На атомном уровне различий между химическим составом органического и неорганического мира нет. Различия обнаруживаются на более высоком уровне организации – молекулярном.

Все элементы клетки входят в состав различных молекул, образуют вещества, которые делятся на два класса: неорганические и органические.

1. Неорганические вещества.

Неорганические вещества имеют малый молекулярный вес, встречаются и синтезируются как в живой клетке, так и в неживой природе. В клетке эти вещества представлены главным образом водой и растворенной в ней солями.

а) Вода.

Вода составляет около 70% клетки. Благодаря своему особому свойству поляризации молекул вода играет огромную роль в жизни клетки.

Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

Электрохимическая структура молекулы такова, что на кислороде имеется небольшой избыток отрицательного заряда, а на атомах водорода - положительного, то есть молекула воды имеет две части, которые притягивают другие молекулы воды разноименно заряженными частями. Это приводит к увеличению связи между молекулами, что в свою очередь определяет жидкое агрегатное состояние при температурах от 0 до 1000С, несмотря на относительно малый молекулярный вес. Вместе с тем, поляризованные молекулы воды обеспечивают лучшую растворимость солей.

Роль воды в клетке:

· Вода является средой клетки, в ней протекают все биохимические реакции.

· Вода осуществляет транспортную функцию.

· Вода является растворителем неорганических и некоторых органических веществ.

· Вода сама участвует в некоторых реакциях (например, фотолиз воды).

б) Соли.

Соли находятся в клетке, как правило, в растворенном виде, то есть в виде анионов (отрицательно заряженных ионов) и катионов (положительно заряженных ионов).

Важнейшими анионами клетки являются гидроскид (ОН^-), карбонат (СО₃^2-), гидрокарбонат (СО₃^-), фосфат (РО₄^3-), гидрофосфат (НРO₄^-), дигидрофосфат (Н₂РO₄^-). Роль анионов огромна. Фосфат обеспечивает образование макроэргических связей (химических связей с большой энергией). Карбонаты обеспечивают буферные свойства цитоплазмы. Буферность - это способность поддерживать постоянной кислотность раствора.

К важнейшим катионам относятся протон (Н⁺), калий (К⁺), натрий (Nа⁺). Протон участвует во многих биохимических реакциях, а так же своей концентрацией определяет такую важную характеристику цитоплазмы как ее кислотность. Ионы калия и натрия обеспечивают такое важное свойство клеточной мембраны как проводимость электрического импульса.

Клетка является той элементарной структурой, в которой осуществляются все основные этапы биологического обмена веществ и содержатся все основные химические компоненты живой материи. 80% веса протопласта составляют высокомолекулярные вещества - белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты, АТФ. Органические вещества клетки представлены различными биохимическими полимерами, то есть такими молекулами, которые состоят из многочисленных повторений более простых, сходных по структуре участков (мономеров).

2. Органические вещества, их строение и роль в жизнедеятельности клетки.