4.6. Неорганические вещества Неорганические вещества в плазме и сыворотке крови (калий, натрий, кальций, фосфор, магний, железо, хлор и др.), определяют физикохимические свойства крови.Количество неорганических веществ в плазме – около 1 %. В тканях организма они находятся в

6.9. Стволовые клетки Сейчас модно рассуждать на тему стволовых клеток. Когда меня спрашивают, что я об этом думаю, то я отвечаю вопросом на вопрос: «Где? В России или в мире?».В России и в мире ситуации в этой области совершенно разные. В мире идут интенсивные исследования и

Учебник для 10-11 классов

Раздел I. Клетка - единица живого
Глава I. Химический состав клетки

В живых организмах содержится большое количество химических элементов. Они образуют два класса соединений - органические и неорганические. Химические соединения, основой строения которых являются атомы углерода, составляют отличительный признак живого. Эти соединения называют органическими. Органические соединения чрезвычайно многообразны, но только четыре класса их имеют всеобщее биологическое значение: белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды.

§ 1. Неорганические соединения

Биологически важные химические элементы. Из известных нам более 100 химических элементов в состав живых организмов входят около 80, причем только в отношении 24 известно, какие функции в клетке они выполняют. Набор этих элементов не случаен. Жизнь зародилась в водах Мирового океана, и живые организмы состоят преимущественно из тех элементов, которые образуют легко растворимые в воде соединения. Большинство таких элементов принадлежит к числу легких, их особенностью является способность вступать в прочные (ковалентные) связи и образовывать множество различных сложных молекул.

В составе клеток человеческого тела преобладают кислород (более 60%), углерод (около 20%) и водород (около 10%). На азот, кальций, фосфор, хлор, калий, серу, натрий, магний, вместе взятые, приходится около 5%. Остальные 13 элементов составляют не более 0,1%. Сходный элементный состав имеют клетки большинства животных; отличаются лишь клетки растений и микроорганизмов. Даже те элементы, которые в клетках содержатся в ничтожно малых количествах, ничем не могут быть заменены и совершенно необходимы для жизни. Так, содержание иода в клетках не превышает 0,01%. Однако при недостатке его в почве (из-за этого и в пищевых продуктах) задерживается рост и развитие детей. Содержание меди в клетках животных не превышает 0,0002%. Но при недостатке меди в почве (отсюда и в растениях) возникают массовые заболевания сельскохозяйственных животных.

Значение для клетки основных элементов приведено в конце этого параграфа.

Неорганические (минеральные) соединения. В состав живых клеток входит ряд относительно простых соединений, которые встречаются и в неживой природе - в минералах, природных водах. Это неорганические соединения.

Вода - одно из самых распространенных веществ на Земле. Она покрывает большую часть земной поверхности. Почти все живые существа состоят в основном из воды. У человека содержание воды в органах и тканях варьирует от 20% (в костной ткани) до 85% (в головном мозге). Около 2/3 массы человека составляет вода, в организме медузы до 95% воды, даже в сухих семенах растений вода составляет 10-12%.

Вода обладает некоторыми уникальными свойствами. Свойства эти настолько важны для живых организмов, что нельзя представить жизнь без этого соединения водорода и кислорода.

Уникальные свойства воды определяются структурой ее молекул. В молекуле воды один атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода (рис. 1). Молекула воды полярна (диполь). Положительные заряды сосредоточены у атомов водорода, так как кислород электроотрицательнее водорода.

Рис. 1. Образование водородных связей в воде

Отрицательно заряженный атом кислорода одной молекулы воды притягивается к положительно заряженному атому водорода другой молекулы с образованием водородной связи (рис. 1).

По прочности водородная связь примерно в 15-20 раз слабее ковалентной связи. Поэтому водородная связь легко разрывается, что наблюдается, например, при испарении воды. Вследствие теплового движения молекул в воде одни водородные связи разрываются, другие образуются.

Таким образом, в жидкой воде молекулы подвижны, что немаловажно для процессов обмена веществ. Молекулы воды легко проникают через клеточные мембраны.

Из-за высокой полярности молекул вода является растворителем других полярных соединений. В воде растворяется больше веществ, чем в любой другой жидкости. Именно поэтому в водной среде клетки осуществляется множество химических реакций. Вода растворяет продукты обмена веществ и выводит их из клетки и организма в целом.

Вода обладает большой теплоемкостью, т. е. способностью поглощать теплоту при минимальном изменении собственной температуры. Благодаря этому она предохраняет клетку от резких изменений температуры. Поскольку на испарение воды расходуется много теплоты, то, испаряя воду, организмы могут защищать себя от перегрева (например, при потоотделении).

Вода обладает высокой теплопроводностью. Такое свойство создает возможность равномерного распределения теплоты между тканями тела.

Вода служит растворителем для «смазочных» материалов, необходимых везде, где есть трущиеся поверхности (например, в суставах).

Вода имеет максимальную плотность при 4°С. Поэтому лед, обладающий меньшей плотностью, легче воды и плавает на ее поверхности, что защищает водоем от промерзания.

По отношению к воде все вещества клетки разделяются на две группы: гидрофильные - «любящие воду» и гидрофобные - «боящиеся воды» (от греч. «гидро» - вода, «филео» - любить и «фобос» - боязнь).

К гидрофильным относятся вещества, хорошо растворимые в воде. Это соли, сахара, аминокислоты. Гидрофобные вещества, напротив, в воде практически нерастворимы. К ним относятся, например, жиры.

Клеточные поверхности, отделяющие клетку от внешней среды, и некоторые другие структуры состоят из водонерастворимых (гидрофобных) соединений. Благодаря этому сохраняется структурная целостность клетки. Образно клетку можно представить в виде сосуда с водой, где протекают биохимические реакции, обеспечивающие жизнь. Стенки этого сосуда нерастворимы в воде. Однако они способны избирательно пропускать водорастворимые соединения.

Помимо воды, в числе неорганических веществ клетки нужно назвать соли, представляющие собой ионные соединения. Они образованы катионами калия, натрия, магния и иных металлов и анионами соляной, угольной, серной, фосфорной кислот. При диссоциации таких солей в растворах появляются катионы (К + , Na + , Са 2+ , Mg 2+ и др.) и анионы (СI - , НСО 3 - , HS0 4 - и др.). Концентрация ионов на внешней поверхности клетки отличается от их концентрации на внутренней поверхности. Разное число ионов калия и натрия на внутренней и внешней поверхности клетки создает разность зарядов на мембране. На внешней поверхности клеточной мембраны очень высокая концентрация ионов натрия, а на внутренней поверхности очень высокая концентрация ионов калия и низкая - натрия. Вследствие этого образуется разность потенциалов между внутренней и внешней поверхностью клеточной мембраны, что обусловливает передачу возбуждения по нерву или мышце.

Ионы кальция и магния являются активаторами многих ферментов, и при недостатке их нарушаются жизненно важные процессы в клетках. Ряд важных функций выполняют в живых организмах неорганические кислоты и их соли. Соляная кислота создает кислую среду в желудке животных и человека и в специальных органах насекомоядных растений, ускоряя переваривание белков пищи. Остатки фосфорной кислоты (Н 3 Р0 4), присоединяясь к ряду ферментных и иных белков клетки, изменяют их физиологическую активность. Остатки серной кислоты, присоединяясь к нерастворимым в воде чужеродным веществам, придают им растворимость и способствуют таким образом выведению их из клеток и организмов. Натриевые и калиевые соли азотистой и фосфорной кислот, кальциевая соль серной кислоты служат важными составными частями минерального питания растений, их вносят в почву как удобрения для подкормки растений. Более подробно значение для клетки химических элементов приведено ниже.

Биологически важные химические элементы клетки

1. Какова биологическая роль воды в клетке?
2. Какие ионы содержатся в клетке? Какова их биологическая роль?
3. Какую роль играют содержащиеся в клетке катионы?

Клетка это сложная саморегулирующаяся система, в которой одновременно и в определенной последовательности происходят сотни химических реакций, направленных на поддержание ее жизнедеятельности, роста и развития. Изучение химического состава клеток показывает, что в живых организмах нет никаких особых химических элементов, свойственных только им: именно в этом проявляется единство химического состава живой и неживой природы.

Из 115 существующих в природе химических элементов активное участие в процессах жизнедеятельности принимают не менее их половины. Причем 24 из них являются обязательными и обнаруживаются почти во всех типах клеток, а наибольшее значение имеют 10 элементов – азот (N), водород (H), углерод (C), кислород (O), фосфор (P), сера (S), натрий (Na), калий (K), кальций (Ca), магний (Mg) – из них построены основные компоненты клетки.

По процентному содержанию в клетке химические элементы делятся на три группы:

· макроэлементы, содержание в клетке - 10 -3 ; кислород, углерод, водород, азот, фосфор, сера, кальций, калий, хлор, натрий и магний, составляющие свыше 99% массы клетки;

· микроэлементы, содержание которых колеблется в пределах 10 -3 -10 -6 ; железо, марганец, медь, цинк, кобальт, никель, йод, бром, фтор, бор; на их болю приходится 1,0% массы клетки;

· ультрамикроэлементы , составляющие менее 10 -6 ; золото, серебро, уран, бериллий, цезий, селен и др.; в сумме – менее 0,1% массы клетки.

Несмотря на низкое содержание в живых организмах микро - и ультрамикроэлементы играют важную роль: они входят в состав различных ферментов, витаминов и обусловливают тем самым нормальное развитие и функционирование структур клетки и организма в целом.

Каждый из химических элементов, встречающихся в живых организмах, выполняет важную функцию (табл. 1).

Таблица 1.

ФУНКЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ

Химические элементы в клетках находятся в виде ионов, в составе неорганических или органических веществ.

Вода и неорганические соединения, их роль в клетке.

Неорганические (минеральные) вещества – это относительно простые химические соединения, которые встречаются как в живой, так и в неживой природе (в минералах, природных водах). Из неорганических соединений важное значение имеют вода, минеральные соли, кислоты и основания.

Среднее содержание воды в клетках большинства организмов составляет около 70% (в клетках медузы – 96%). Количество воды в различных органах и тканях варьирует и зависит от уровня их обменных процессов. Так, у человека содержание воды в клетках зубной эмали – 10%, костной ткани – 20%, жировой ткани – 40%, почек – 80%, головного мозга – до 85%, а в клетках эмбриона - до 97%.

Такое высокое содержание воды – свидетельство её важной в клетках живых организмов роли, обусловленной ее строением. Молекулы воды имеют малые размеры и нелинейную

Рис. 1. Формула воды.

пространственную структуру. Атомы в молекуле удерживаются посредством полярных ковалентных связей , которые связывают один атом кислорода с двумя атомами водорода. Полярность ковалентных связей, т.е. неравномерное распределение зарядов, объясняется в данном случае сильной электроотрицательностью атома кислорода, который оттягивает на себя электроны из общих электронных пар, вследствие чего на атоме кислорода возникает частичные отрицательный заряд, а на атомах водорода – частичный положительный. Между атомами кислорода и водорода соседних молекул воды возникают водородные связи, благодаря чему при нормальных условиях вода имеет исходное жидкое состояние. Однако, водородные связи по прочности слабее ковалентных примерно в 20 раз, поэтому легко разрываются при испарении воды.

Свойства воды:

- универсальный растворитель – в воде растворяются полярные неорганические и органические соединения; вещества, хорошо растворимые в воде (многие минеральные соли, кислоты, щелочи, спирты, сахара, витамины, некоторые белки – альбумины, гистоны), называют полисахариды, жиры, нуклеиновые кислоты, некоторые белки – глобулины, фибриллярные), гидрофильными ; вещества плохо или вовсе не растворимые в воде (некоторые соли, витамины, называют гидрофобными .

- высокая удельная теплоемкость – способность поглощать теплоту при минимальном изменении собственной температуры; при испарении воды для разрыва водородных связей, удерживающих молекулы, требуется поглотить большое количество энергии, поэтому, испаряя воду, организмы могут защитить себя от перегрева.

- высокая теплопроводность – равномерное распределение теплоты между тканями организма.

- высокое поверхностное натяжение – имеет важное значение для адсорбционных процессов, для передвижения растворов по тканям (кровообращение у животных, восходящий ток у растений), удержание на поверхности или скольжение по поверхности воды мелких организмов.

- вода практически не сжимается , создавая тургорное давление, в основе которого лежат явления осмоса, и, определяя объем и упругость клеток и тканей.

Осмос – проникновение молекул растворителя (воды) через биологическую мембрану в раствор вещества. Осмотическое давление – давление, с которым растворитель проникает через мембрану. Величина осмотического давления возрастает с увеличением концентрации раствора. Осмотическое давление жидкостей человеческого организма равно давлению 0,85% раствора хлорида натрия, т. е. изотонического раствора. Более концентрированные растворы называют гипертоническими, а менее концентрированные – гипотоническими.

Вода находится в клетке в свободной и связанной формах. Связанная вода – 4-5% - входит в состав фибриллярных структур, и соединятся с некоторыми белками, образуя вокруг них сольватную оболочку. Свободная вода – 95-96% - выполняет целый ряд биологически важных функций.

Функции воды:

1) транспортная – обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение

2) метаболическая – является средой для всех биохимических реакций в клетке;

3) структурная – цитоплазма клетки содержит от 60% до 95% воды; у растений вода обеспечивает тургор; у круглых и кольчатых червей является гидростатическим скелетом.

Неорганические вещества.

Подавляющая часть неорганических веществ находится в виде солей – либо диссоциированных на ионы, либо в твердом состоянии.

Неорганические ионы имеют немаловажное значение для обеспечения процессов жизнедеятельности клетки – это катионы (K + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+ , NH 3 +) и анионы (Cl - , HPO 4 2- , H 2 PO 4 - , HCO - , NO 3 -) минеральных солей. Содержание катионов и анионов в клетке отличается от их концентрации в среде, окружающей клетку, вследствие активной регуляции переноса веществ мембраной. Таким образом, обеспечивается постоянство химического состава живой клетки. С гибелью клетки концентрация веществ в среде и в цитоплазме выравнивается.

Содержащиеся в организме ионы имеют важное значение для поддержания постоянства реакции среды (рН) в клетке и в окружающих ее растворах, т.е. являются компонентами буферных систем. Буферность – способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию своего содержимого на постоянном уровне. Анионы слабых кислот и слабые щелочи связывают ионы Н + и гидроксил-ионы (ОН -), благодаря чему реакция внутри клетки практически не меняется. Буферные свойства клетки зависят от концентрации солей. Наиболее значимые буферные системы млекопитающих – фосфатная и бикарбонатная.

Фосфатная буферная система – состоит из H 2 PO 4 - и HPO 4 2- и поддерживает рН внутриклеточной жидкости в пределах 6,9-7,4. Главной буферной системой внеклеточной среды (плазмы крови) служит бикарбонатная система, состоящая из H 2 CO 3 и HCO 3 - и поддерживающая рН на уровне 7,4.

Неорганические кислоты и их соли имеют важное значение в жизнедеятельности организмов:

Соляная кислота входит в состав желудочного сока;

Остатки серной кислоты, присоединяясь к нерастворимым в воде чужеродным веществам, делают их растворимыми, способствуя выведению из организма;

Неорганические натриевые и калиевые соли азотистой и фосфорной кислот, кальциевая соль серной кислоты служат компонентами минерального питания растений (в качестве удобрений);

Соли кальция и фосфора входят в состав костной ткани животных.

Органические вещества – многочисленные соединения углерода, синтезируемые преимущественно живыми организмами.

Соотношение химических элементов в живых телах иное, чем в объектах неживой природы. В земной коре наиболее распространены Si, Al, O 2 , Na – 90%. В живых организмах: H, O, C, N – 98%. Такое различие обусловлено особенностями химических свойств водорода, кислорода, углерода и азота, вследствие чего они оказались наиболее подходящими для формирования молекул, выполняющих биологические функции.

Водород, кислород, углерод и азот способны образовывать прочные ковалентные связи посредством спаривания электронов, принадлежащих двум атомам. Кислород, углерод и азот образуют и одинарные, и двойные связи, благодаря чему получаются самые разные химические соединения. Особенно важна способность атомов углерода взаимодействовать друг с другом путем возникновения ковалентных углерод-углеродных связей. Каждый углеродный атом может установить ковалентные связи с четырьмя атомами углерода. Ковалентно связанные атомы углерода могут формировать каркасы бесчисленного множества органических молекул. Поскольку атомы углерода легко вступают в ковалентные связи с кислородом, азотом и серой, органические молекулы достигают исключительной сложности и разнообразия строения.

Органические соединения составляют в среднем 20-30% массы клетки живого организма. Различают: мономеры – малые низкомолекулярные органические молекулы, которые служат строительными блоками для полимеров; полимеры – более крупные, высокомолекулярные макромолекулы.

Полимеры представляют собой линейные или разветвленные цепи, содержащие большое число мономерных звеньев. Гомополимеры – представлены одним видом мономеров (целлюлоза), гетерополимеры – несколькими различными мономерами (белок, ДНК, РНК). Если в молекуле группа мономеров периодически повторяется, то полимер называют регулярным , в молекулах нерегулярных полимеров видимой повторяемости нет.

К органическим веществам относятся биополимеры – белки, нуклеиновые кислоты и углеводы; а также жиры.

В различные типы клеток входит неодинаковое количество тех или иных органических соединений (в растительных клетках преобладают сложные углеводы – полисахариды; в животных – больше белков и жиров). Тем не менее, каждая группа органических веществ в любом типе клеток выполняет сходные функции.

Похожая информация.