Химическая организация клетки

Химический состав клетки
Неорганические вещества		Органические вещества
Вода 70—80 %	Минеральные соли 1—1,5 %	Белки 10—20%	Липиды 1—5%	Углеводы 0,2—2%
		Нуклеиновые кислоты 1—2%	АТФ 0,1—0,5%	БАВ

Химическая организация клетки — совокупность всех органических и неорганических веществ, входящих в состав клетки. В состав клетки постоянно входят 15 из 81 стабильного химического элемента Периодической системы Дмитрия Менделеева, встречающегося в природе. Они являются абсолютно необходимыми для нормальной жизнедеятельности клетки и организма в целом. Наиболее распространены в живых организмах (в порядке убывающего числа атомов) четыре элемента: водород, углерод, кислород и азот. На их долю приходится более 90 % как массы, так и числа атомов, входящих в состав всех живых организмов. Все элементы, содержание которых в живых организмах составляет от десятков процентов до сотых долей процента, называют макроэлементами. К макроэлементам также относятся сера, фосфор, натрий, калий, магний, кальций, хлор.

Ещё 8-10 элементов присутствуют не во всех, а только в некоторых организмах. Элементы, которые содержатся в живых организмах в исключительно малых количествах (менее 0,001 %), составляют группу микроэлементов. К ним относятся металлы: железо, цинк, медь, кобальт, марганец и некоторые неметаллы, такие, как йод, селен, фтор и другие химические элементы. Незначительное содержание микроэлементов никак не влияет на степень их важности в организме. Так, йод, содержание которого в норме в организме человека не превышает 0,0001 %, входит в состав гормонов щитовидной железы тироксина и трийодтиронина, которые регулируют обмен веществ, влияют на рост, развитие и дифференцировку тканей и поддерживают нормальную деятельность нервной системы.

Органические вещества клетки — это те соединения, в состав которых входит углерод, образуя углеродный скелет. В живых клетках органические вещества представлены белками (10-20 %), липидами (1-5 %), углеводами (0,2-2,0 %), нуклеиновыми кислотами (0,1-0,5 %). Помимо органических веществ в химический состав клетки формируют также неорганические вещества, то есть вещества, в состав которых не входит углерод, кроме оксида углерода, диоксида углерода, угольной кислоты и карбонатов. Как правило это вода, минеральные соли, а также соответствующие анионы и катионы.

Химические элементы

Важнейшую роль в строении клетки занимают органические соединения — белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. Без них клетки не способны функционировать и делиться. За деление клетки и передачу генетической информации в клетках отвечают нуклеиновые кислоты, которые представлены дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК), рибонуклеиновой кислотой (РНК) и Аденозинтрифосфат (АТФ), который является источником энергии для всех клеточных реакций. Хранится наследственная информация в макромолекуле ДНК, при образовании веретена делении она обеспечивает передачу генетического материала формирующейся клетки. Таким образом, геном клетки заложен в программе, задающей порядок чередования аминокислотных остатков в полипептидной цепи белка, сформированным в дезоксирибонуклеиновой кислоте. Отдельные участки двутяжевой ДНК, называемые генами, являются матрицами для синтеза на них однотяжевых цепей РНК. Синтезированные цепи РНК комплементарны одной из цепей ДНК и, таким образом, точно воспроизводят дезоксирибонуклеотидную последовательность другой цепи ДНК в своей рибонуклеотидной последовательности. В клетке РНК отвечают за синтез белков.

Углеводы и жиры — это основные источники энергии в организме, а белки — строительный материал каждой клетки.

Неорганические вещества в клетке представляют собой воду и минеральные вещества. Взаимодействие веществ в клетке происходит только в водной среде. Минеральные вещества участвуют в переносе кислорода по организму, сокращении мышц, свёртывании крови, образовании нервного импульса. Их можно разделить на две группы: макроэлементы (необходимость в них считается в граммах) и микроэлементы (в миллиграммах). К макроэлементам относят углерод, азот, водород, кислород, калий, натрий, магний, кальций, серу, фосфор, хлор. К микроэлементам — цинк, фтор, медь, железо, селен и другие

Органогены (биоэлементы)

Клетка — это структурная и функциональная единица всех живых организмов. Химический состав клетки разнообразен и включает в себя множество элементов и соединений, которые выполняют различные функции и обеспечивают жизнедеятельность клетки.

Органогены — химические элементы, входящие в состав всех органических соединений и составляющие около 98 % массы клетки.

Элемент	% содержание	Функция
Кислород	65—75	Входит в состав большинства органических веществ клетки. Образуется в ходе фотосинтеза при фотолизе воды. Для аэробных организмов служит окислителем в ходе клеточного дыхания, обеспечивая клетки энергией. В наибольших количествах в живых клетках содержится в составе воды.
Углерод	15—18	Входит в состав всех органических веществ; скелет из атомов углерода составляет их основу. Кроме того, в виде CO2 фиксируется в процессе фотосинтеза и выделяется в ходе дыхания, в виде CO (в низких концентрациях) участвует в регуляции клеточных функций, в виде CaCO3 входит в состав минеральных скелетов.
Водород	8—10	Входит в состав всех органических веществ клетки. В наибольших количествах содержится в составе воды. Некоторые бактерии окисляют молекулярный водород для получения энергии.
Азот	2—3	Входит в состав аминокислот, белков (в том числе ферментов и гемоглобина), нуклеиновых кислот, хлорофилла, некоторых витаминов.

Макроэлементы

Элементы, представленные в клетке в меньшем количестве — десятые и сотые доли процента.

Элемент	% содержание	Функция
Кальций	0,04—2,50	Содержится в мембране клетки, межклеточном веществе и костях. Участвует в регуляции внутриклеточных процессов, поддержания мембранного потенциала, передаче нервных импульсов, необходим для мышечного сокращения и экзоцитоза. Нерастворимые соли кальция участвуют в формировании костей и зубов позвоночных и минеральных скелетов беспозвоночных.
Фосфор	0,2—1,0	Входит в состав АТФ в виде остатка фосфорной кислоты (PO43-). Содержится в костной ткани и зубной эмали (в виде минеральных солей), а также присутствует в цитоплазме и межклеточных жидкостях (в виде фосфат-ионов).
Калий	0,15—0,4	Участвует в поддержании мембранного потенциала, генерации нервного импульса, регуляции сокращения сердечной мышцы. Содержится в межклеточных веществах. Участвует в фотосинтезе.
Сера	0,15—0,25	Содержится в некоторых аминокислотах, ферментах, тиамине. В небольших количествах присутствует в виде сульфат-иона в цитоплазме клеток и межклеточных жидкостях.
Хлор	0,05—0,2	Участвует в формировании осмотического потенциала плазмы крови и других жидкостей в виде аниона. Содержится в желудочном соке.
Натрий	0,02—0,10	Участвует в поддержании мембранного потенциала, генерации нервного импульса, процессах осморегуляции(в том числе в работе почек у человека) и создании буферной системы крови.
Магний	0,02—0,07	Кофактор многих ферментов, участвующих в энергетическом обмене и синтезе ДНК; поддерживает целостность рибосом и митохондрий, входит в состав хлорофилла. В животных клетках необходим для функционирования мышечных и костных систем.

Микроэлементы

К микроэлементам, составляющим от 0,001 % до 0,000001 % массы тела живых существ, относят ванадий, германий, йод (входит в состав тироксина, гормона щитовидной железы), кобальт (витамин В12), марганец, никель, селен, фтор (зубная эмаль), медь, хром, цинк, молибден (участвует в связывании атмосферного азота), бор (влияет на ростковые процессы у растений).

Элемент	% содержание	Функция
Йод	0,01	У позвоночных входит в состав гормонов щитовидной железы — тироксина и трийодтиронина
Железо	0,01-0,02	Входит в состав цитохромов (ферментов — переносчиков электронов). Участвует в биосинтезе хлорофилла, входит в состав гемоглобина и белка, содержащего запас кислорода в мышцах — миоглобина, участвует в процессах дыхания и фотосинтеза
Медь	< 0,001	Входит в состав окислительных ферментов, участвует в синтезе цитохромов. Входит в состав ферментов, участвующих в темновых реакциях фотосинтеза. Участвует в процессах кроветворения, синтеза гемоглобина. У беспозвоночных входит в состав гемоцианинов — белков-переносчиков кислорода; у человека входит в состав фермента, участвующего в синтезе меланина (пигмента кожи)
Марганец	< 0,001	Входит в состав некоторых ферментов, участвующих в дыхании, окислении жирных кислот, повышает активность карбоксилазы. Входит в состав ферментов, участвующих в темновых реакциях фотосинтеза и в восстановлении нитратов (ассимиляции азота и процессе фотосинтеза). Входит в состав фосфатаз — ферментов, необходимых для роста костей
Молибден	< 0,001	Входит в состав некоторых ферментов, участвующих в процессах связывания атмосферного азота клубеньковыми бактериями. Входит в состав некоторых ферментов, регулирующих работу устьичного аппарата и синтез аминокислот у растений
Кобальт	< 0,001	Входит в состав витамина В12, участвует в фиксации атмосферного азота клубеньковыми бактериями. Принимает участие в синтезе гемоглобина Недостаток кобальта приводит к кобальтдефицитной анемии
Бор	< 0,001	Влияет на ростовые процессы растений, активирует восстановительные ферменты дыхания. Недостаток приводит к отмиранию верхушечных почек, цветков, завязей, проводящих тканей
Цинк	< 0,001	Входит в состав некоторых ферментов, участвующих в спиртовом брожении. Входит в состав некоторых ферментов, расщепляющих полипептиды и угольную кислоту; участвует в синтезе растительных гормонов (ауксинов). Входит в состав ферментов, необходимых для нормального роста
Фтор	< 0,001	Входит в состав костей и эмали зубов
Бром	< 0,001	Входит в состав витамина В1 — составной части фермента, участвующего в расщеплении пировиноградной кислоты у животных, растений и микроорганизмов

Мминеральные соли

Для поддержания жизнедеятельности клеток и организма в целом важное значение имеют минеральные соли. В живых организмах они находятся либо в растворенном виде (диссоциированы на ионы), либо в твердом состоянии. Наиболее важны среди ионов катионы калия (К+), натрия (Na+), кальция (Са2+), магния (Мg 2+) и анионы гидрокарбоната НСO3 — , ортофосфорной кислоты Н2РО4 — и другие.

Существенным является не только содержание, но и соотношение ионов в клетке. Общее содержание неорганических веществ в различных клетках варьирует. Их роль в клетке разнообразна. От наличия НСO3 — , Н2РО4 — и НРО4 2 зависят буферные свойства клетки — способность поддерживать слабощелочную реакцию (рН ≈ 7,4) внеклеточной среды (плазма крови, НСО3 —) и слабокислую (рН ≈ 6,9) внутриклеточной среды (анионы фосфорной кислоты). От наличия солей зависят осмотические свойства клетки. Нерастворимые соли (карбонат и фосфат кальция) входят в состав зубов, костей, раковин.

Вода

В количественном отношении вода занимает первое место среди химических веществ клетки. Ее содержание зависит от вида организма, условий его обитания, вида клеток и тканей и колеблется от 10 % в клетках эмали зуба до 90 % в клетках развивающегося зародыша. Молекула воды имеет нелинейную пространственную структуру. Атомы в молекуле удерживаются посредством полярных ковалентных связей, которые связывают один атом кислорода с двумя атомами водорода. Полярность ковалентных связей (неравномерное распределение зарядов) объясняется сильной электроотрицательностью кислорода, который оттягивает на себя электроны из общих электронных пар.

На атоме кислорода возникает частичный отрицательный заряд, а на атомах водорода — частичный положительный. В результате этого, хоть молекула воды и не заряжена, она образует диполь. Взаимодействуя между собой, противоположно заряженные полюса молекул воды образуют водородные связи. Энергия этих связей невелика, поэтому они достаточно легко разрушаются и легко образуются. Благодаря образованию водородных связей молекулы воды связаны одна с другой, что обусловливает исходное жидкое состояние воды при нормальных условиях. Именно такое строение молекул воды делает её универсальным растворителем органических и неорганических веществ; она служит резервуаром для всех биохимических реакций клетки.

Вода в клетках выступает терморегулятором за счёт способности поглощать теплоту при минимальном изменении температуры. Когда температура меняется, вода начинает поглощать избыток тепла, защищая клетку от перегревания. Для охлаждения тела вода выделяется на поверхность кожи с потом, при её испарении кожи охлаждается.

См. также

• Биологически значимые элементы
• Клетка
• Сравнение строения клеток бактерий, растений, животных и грибов

Литература

• Билич Г. Л., Крыжановский В. А. Биология. Полный курс: В 4 т. — издание 5-е, дополненное и переработанное. — Оникс, 2009. — С. 20. — 864 с. — ISBN 978-5-488-02311-6.
• Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология: в 3т. — Мир, 1993. — Т. 1. — С. 105—112. — 456 с. — ISBN 5-03-003685-7.