Химический состав клетки

       Живой мир нашей планете необычайно разнообразен. Но, несмотря на такое разнообразие живой природы, согласно клеточной теории, все организмы имеют одинаковый химический состав и содержат большое количество химических элементов.

        В состав клеток входят 70 химических элементов из периодической системы Дмитрия Ивановича Менделеева. Такой набор образовался неслучайно. Живые организмы зародились в водах Мирового океана, и потому состоят из тех элементов, которые образуют легкорастворимые соединения.

Выделяется несколько групп элементов в клетках.

Первую группу образуют четыре основных элемента, их называют макроэлементами: водород (8%), кислород (72%), азот (3%) и углерод (15%). В сумме эти элементы составляют 98 % массы клетки. Самый универсальный из них — углерод. Уникальная способность атомов углерода соединяться между собой с образованием прочных и длинных цепей и циклов привела к возникновению громадного числа разнообразных соединений в живой природе.

Ко второй группе химических элементов относят фосфор, хлор, серу, железо, калий, кальций, магний и натрий. В организме они составляют всего 1,9 % от массы клетки, но являются главными составляющими частями белков и нуклеиновых кислот. Ученые называют химические элементы первой и второй группы биоэлементами.

Такие элементы, как медь, цинк, селен, кобальт, марганец, йод и другие содержатся в незначительном количестве, их называют микроэлементами. Этих элементов в живой клетке всего 0,02 %, но они выполняют важную функцию. Цинк необходим для синтеза инсулина, йод — важный компонент гормона щитовидной железы, селен поддерживает иммунную систему человека, железо необходимо для синтеза эритроцитов и гемоглобина.

Химические элементы живых организмов делят на два класса: неорганические и органические.

К неорганическим веществам относится вода и минеральные соли.

Вода считается одним из важнейших компонентов клетки. Ее содержание в разных клетках отличается.  Например, в клетках зуба человека воды 10 %, а в клетках головного мозга — 85 %. В организме медузы 95 % воды. А в сухих семенах растений воды 12 %.

Вода — это соединение водорода и кислорода. Молекулы воды взаимодействуют с разными веществами. Вода является хорошим растворителем для органических и неорганических веществ.

Вещества, которые легко растворяются в воде (спирты, сахара, аминокислоты), называются гидрофильными. Жирные кислоты, жиры, целлюлоза плохо растворяются в воде, их называют гидрофобными.

В водной среде клетки протекают химические реакции, осуществляется обмен веществ. В любом организме вода является теплорегулятором, потому что имеет высокую теплоемкость и такую же высокую теплопроводность. Эти свойства делают воду идеальной жидкостью для обеспечения постоянной температуры клетки и организма.

Цитоплазма определяет форму клетки благодаря воде. Растениям вода обеспечивает упругость органов, а у медузы служит гидростатическим скелетом.

При обезвоживании многие организмы гибнут, а простейшие утрачивают все признаки жизни, впадают в анабиоз. Таким образом, вода — не просто неорганическое соединение, а необходимое для жизни вещество. Но, вероятно, человек владеет еще не всеми сведениями о воде. Антуан де Сент-Экзюпери писал: «Вода, у тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя невозможно описать, тобой наслаждаются, не ведая, что ты такое».

Неорганические вещества в клетке — это минеральные соли в виде ионов или твёрдых нерастворимых солей. Роль минеральных веществ огромна. Они поддерживают гомеостаз, регулируют поступление воды в клетку, создают на мембранах разность потенциалов, необходимую для синтеза АТФ и передачи нервных импульсов.

Нерастворимые минеральные соли являются составной частью костной ткани животных и человека, раковин моллюсков. Соли могут накапливаться и в клетках растений. Соли кальция в клетках растений образуют кристаллы  в виде игл или ромбов.

В состав клеток входят и органические соединения, характерные только для живой природы. Главными органическими веществами являются белки, углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты и аденозинтрифосфорная кислота.

Основной частью любой живой клетки являются белки. Классическое определение Ф. Энгельса "Жизнь есть способ существования белковых тел» определяет значимость белков в живом организме.

Молекулы белков имеют большие размеры, поэтому их называют макромолекулами. Кроме углерода, кислорода, водорода и азота, в состав белков могут входить сера, фосфор и железо.

Мономерами белков являются аминокислоты, которые состоят из аминогруппы и карбоксильной группы. Аминогруппа обладает свойствами основания, а вот карбоксильная группа имеет кислотные свойства. Каждая аминокислота имеет свое название, особое строение, свойства и общую формулу. Отличаются аминокислоты по строению радикала. Соединяясь между собой, аминокислоты образуют пептидные связи. Соединение двух аминокислот в одну молекулу называют пептидом, трех аминокислот — трипептидом, а соединения из двадцати и более аминокислот называют полипептидом.

        Молекулы белков имеют различные пространственные конфигурации.

Последовательность аминокислот в составе полипептидной цепи представляет первичную структуру белка. Она уникальна для любого белка и определяет его форму, свойства и функции.

        Вторичная структура белка более сложная, и она имеет вид спирали. Прочность спирали достигается образованием водородных связей.

       Третичная структура белка образуется в результате сворачивания спирали в глобулу. Глобула — причудливая, но для каждого белка специфическая конфигурация. Прочность третичной структуры обеспечивается разнообразными связями между радикалами аминокислот.

       Четвертичная структура характерна не для всех белков. Она возникает в результате соединения нескольких макромолекул с третичной структурой в сложный комплекс. Например, гемоглобин крови человека представляет комплекс из четырех макромолекул белка.

      Белки имеют свойства, которые обусловлены их структурной организации: способность растворяться в воде, проявлять активность в узких температурных рамках. Под воздействием температуры, химических веществ, лучистой энергии происходит нарушение природной структуры белка, и это свойство называют денатурацией. Денатурация частично обратима. Восстановление свойств белка называют ренатурацией.

       Белок миозин участвует в мышечном сокращении. Фибрин, альбумин и гемоглобин — это белки крови. Коллаген и эластин имеют высокую прочность и обеспечивают тканям способность растягиваться.

Все ферменты в организме — вещества белковой природы, они являются катализаторами.

      Липаза разлагает жиры на жирные кислоты и глицерин, а каталаза разрушает пероксид водорода и превращает его в воду и кислород. Интересно будет знать, что одна молекула каталазы расщепляет за одну минуту более пяти миллионов молекул пероксид водорода.

        Углеводы — такая же необходимая составная часть любой клетки, как и белок. Углеводами называют органические вещества, у которых число молекул воды в несколько раз превышает число атомов углерода. По химическому составу углеводы делятся на простые и сложные.

Простые углеводы называют моносахаридами. Это глюкоза и фруктоза, которые содержатся во многих плодах растений. Пищевой сахар состоит из одной молекулы глюкозы и одной молекулы фруктозы. Рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот.

Сложные углеводы называют полисахаридами.

      Важнейшими полисахаридами являются крахмал, клетчатка, гликоген, хитин. Крахмала много в картофеле. В пищевом рационе человека на долю крахмала приходится около 80% общего количества потребляемых углеводов.

Клетчатка по химической структуре близка к полисахаридам. Высокое содержание клетчатки характерно зерновым продуктам.

Гликоген в организме используется в качестве энергетического материала для питания работающих мышц. Целлюлоза является сложным углеводом и образует клеточные стенки растений, она не растворима в воде.

В клетках живых организмов содержатся липиды. Они представляют собой органические вещества, которые состоят из жирных кислот и глицерина. Липиды нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в эфире, бензине, хлороформе. В живой природе есть жиры, которые отличаются большим химическим разнообразием.

Важнейшими липидами являются растительные масла и рыбий жир, желчные кислоты, холестерин, половые гормоны, витамины. Главной функцией липидов является энергетическая функция. При полном расщеплении и окислении 1 г жира выделяется 38,9 кДж энергии.

Половые гормоны и гормоны надпочечников выполняют регуляторную функцию.

Благодаря плохой теплопроводности жир выполняет функцию теплоизолятора. У некоторых животных жир откладывается в подкожной жировой ткани. У китов такой слой жира может достигать метра. Это позволяет теплокровному животному жить в холодной воде полярного океана.

Немаловажна роль липидов как источника метаболической воды для пустынных и находящихся в спячке животных.  При окислении 100 г жира в организме этих животных образуется примерно 105 г воды.

Липиды могут образовывать сложные соединения с веществами других классов. Если жиры соединяются  с белками, то такие соединения называют липопротеидами, а если с углеводами, то — гликолипиды.

В 1868 г. швейцарский ученый Ф. Мишер получил из ядер лейкоцитов человека соединения, ранее неизвестные науке, которые он назвал нуклеинами. Позднее он установил, что нуклеин — это сложное соединение. Оно состоит из компонента с высоким содержанием фосфора и белкового компонента. В 1889 г. этот компонент назвали нуклеиновой кислотой.

Нуклеиновые кислоты — это биополимеры, макромолекулы, которых состоят из многократно повторяющихся звеньев — нуклеотидов. Поэтому их также называют полинуклеотидами. Есть два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота и рибонуклеиновая кислота. Важнейшей характеристикой нуклеиновых кислот является их нуклеотидный состав. Нуклеотид состоит из

азотистого основания, углевода и остатка фосфорной кислоты.

Азотистыми основаниями  у ДНК являются аденин, гуанин, цитозин  и тимин. В состав РНК вместо тимина входит урацил.

Углевод, входящий в состав нуклеотида, определяет вид нуклеиновых кислот.  Рибонуклеиновые кислоты содержат рибозу, а дезоксирибонуклеиновые кислоты — дезоксирибозу.

Молекула ДНК образована двумя цепочками, которые соединяются с помощью водородных связей, образуют двойную спираль.

Нуклеиновые кислоты являются носителем наследственной информации.

Структуру молекулы ДНК раскрыли в 1953 г. Джеймс Уотсон, Фрэнсис Крик и Морис Уилкинс. За это открытие ученые получили Нобелевскую премию.

Живые организмы состоят из неорганических и органических веществ. В совокупности они обеспечивают жизнедеятельность организма.