Химический состав клетки

В живой клетке обнаружено около 60 химических элементов периодической системы элементов Менделеева. В клетке содержатся те же химические элементы, что и в неживой природе, а это свидетельствует о единстве органического и неорганического мира. Входящие в состав клетки химические элементы можно разделить на три группы (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Содержание в клетке химических элементов

I группу составляют кислород, углерод, водород, азот. Количество их в клетке наибольшее (до 98 %).

Кислород, углерод, водород входят в состав углеводов, жиров и белков. Обязательным компонентом белков является также и азот.

Ко II группе относятся сера, фосфор, хлор, калий, натрий, магний, кальций, железо. На их долю приходится 1,9 %.

К III группе относятся элементы, содержащиеся в клетке в исчезающе малых количествах, микроэлементы: цинк, медь, йод, фтор, марганец и многие другие. Присутствуя в ничтожных количествах, микроэлементы определяют нормальные развитие и функционирование организма. Недостаток или отсутствие в организме каких-либо микроэлементов может вызвать заболевание. Например, при недостаточном поступлении в организм человека йода нарушается функция щитовидной железы, увеличиваются ее размеры — развивается зоб.

По химическому составу входящие в клетку вещества делятся на неорганические (встречаются и в неживой природе) и органические, характерные для живых организмов (табл. 2.2).

Таблица 2.2

Содержание в клетке химических соединений, %

Неорганические вещества клетки

Вода. Количество воды в клетке максимально и составляет в среднем 70—80 % от массы клетки. Содержание воды в организме наибольшее в эмбриональном периоде и постепенно уменьшается с возрастом. В зависимости от функциональной активности тканей количество воды в них различно (табл. 2.3).

Таблица 2.3

Содержание воды в организме человека, %

Роль воды в клетке очень велика. Вода является универсальным растворителем. В ней растворяются различные органические и неорганические соединения, что очень важно, так как многие вещества поступают в клетку или выводятся из нее в водном растворе. Большинство химических процессов в клетке протекает только в водных растворах. Вода непосредственно участвует во многих химических внутриклеточных реакциях (гидролиз, т. е. расщепление белков, жиров и других веществ).

Объем и упругость клетки зависят от количества воды в ней. Обладая высокой теплоемкостью, вода обеспечивает терморегуляцию клетки.

Биологическая роль воды определяется особенностями строения ее молекул. Молекулы воды полярны и способны образовывать комплексы из нескольких молекул за счет возникновения водородных связей.

При повышении температуры окружающей среды часть тепловой энергии 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. Этим обусловлены высокая теплоемкость воды и ее способность обеспечивать терморегуляцию клетки.

Роль воды как растворителя объясняется полярностью ее молекул. В воде хорошо растворяются вещества, молекулы которых могут вступать во взаимодействие с полярными молекулами воды или образовывать водородные связи. Это гидрофильные вещества (от греч. hydor — вода, phileo — люблю). К ним относятся многие соли, кислоты, основания, белки, углеводы, спирты и др. Нерастворимые или плохо растворимые в воде вещества называются гидрофобными (от греч. hydor — вода, phobos — страх). Гидрофобными являются, например, жиры и жироподобные вещества, входящие в состав мембранных структур клетки.

Неорганические вещества в клетке (за исключением воды). Клетки содержат различные, как правило, слабые, кислоты и основания, а также множество солей. Соли находятся в диссоциированном состоянии. Определенная концентрация ионов обеспечивает поступление в клетку воды. Важное значение в жизнедеятельности клетки имеют К+, Na⁺, Са²⁺, Mg²⁺ и НРО4^-, Н2РО4, НС05,С1-.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+ (локализуются 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 Са²⁺ в крови млекопитающих вызывает судороги и смерть. Для нормального сокращения сердечной мышцы необходимо определенное соотношение Na+, К⁺, Са²⁺. При изменении баланса этих ионов работа сердечной мышцы нарушается.

Часто неорганические вещества в клетке образуют комплексы с белками, углеводами и жирами. Большую роль в жизнедеятельности клетки играют сера и фосфор, связанные с органическими соединениями. Сера, входящая в состав белковых молекул, участвует в образовании внутримолекулярных связей. Фосфорсодержащие органические вещества служат источником энергии в клетке.