Клетка

Всякий живой организм, состоит из клеток, причем каждая клетка порождается тоже клеткой. Клетка — это простейшая и обязательная единица живого, это его элемент, основа строения, развития и всей жизнедеятельности организма.

Биологически важные химические соединения

Из известных более 100 хим. элементов в состав организмов входят около 80, причём 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 этих элементов, которые образуют легко растворимые в воде соединения.

В составе клеток человеческого тела преобладают элементы:

органогены: О2 – 65–75 %; С – 15–18 %; Н – 8–10 %; N – 1,5–3 %;

макроэлементы: Mg, Na, Ca, Fe, K, S, P, Cl ≈ 4–5 %;

микроэлементы: Zn, Cu, Co, J, F, Mn ≈ 0,1 %.

Сходный элементарный 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 йода в клетках не превышает 0,01 %. Однако при недостатке его в почве (в пищевых продуктах) задерживается рост и развитие детей. Значение для клетки основных элементов смотрите в таблице на стр. 11–12 (см. учебник Беляева Д.К.).

Неорганические соединения

Вода – одно из самых распространённых веществ на Земле. Она покрывает большую часть земной поверхности. Почти все живые существа состоят в основном из воды. У человека содержание Н2О в различных органах и тканях варьирует от 20 % (в костной ткани) до 85 % (в головном мозге). Около 2/3 массы человека состоит из воды, даже в сухих семенах растений вода составляет 10–12 %. Уникальные свойства воды определяются структурой её молекул. По прочности водородная связь ~ в 15–20 раз слабее ковалентной связи, следовательно легко разрывается. Т. о., в жидкой воде молекулы легкоподвижные.

Схема образования связей между диполями воды

Вода. Из неорганических веществ, входящих в состав клетки, важнейшим является вода. Количество ее составляет от 60 до 95% общей массы клетки. Вода играет важнейшую роль в жизни клеток и живых организмов в целом. Помимо того что она входит в их состав, для многих организмов это еще и среда обитания.

Роль воды в клетке определяется ее уникальными химическими и физическими свойствами, связанными главным образом с малыми размерами молекул, с полярностью ее молекул и с их способностью образовывать друг с другом водородные связи.

Вода как компонент биологических систем выполняет следующие важнейшие функции:

1. Вода—универсальный растворитель для полярных веществ, например солей, Сахаров, спиртов, кислот и др. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными. Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы получают возможность двигаться более свободно; соответственно возрастает реакционная способность вещества. Именно по этой причине большая часть химических реакций в клетке протекает в водных растворах. Ее молекулы участвуют во многих химических реакциях, например при образовании или гидролизе полимеров. В процессе фотосинтеза вода является донором электронов, источником ионов водорода и свободного кислорода.

2. Неполярные вещества вода не растворяет и не смешивается с ними, поскольку не может образовывать с ними водородные связи. Нерастворимые в воде вещества называются гидрофобными. Гидрофобные молекулы или их части отталкиваются водой, а в ее присутствии притягиваются друг к другу. Такие взаимодействия играют важную роль в обеспечении стабильности мембран, а также многих белковых молекул, нуклеиновых кислот и ряда субклеточных структур.

3. Вода обладает высокой удельной теплоемкостью. Для разрыва водородных связей, удерживающих молекулы воды, требуется поглотить большое количество энергии. Это свойство обеспечивает поддержание теплового баланса организма при значительных перепадах температуры в окружающей среде. Кроме того, вода отличается высокой теплопроводностью, что позволяет организму поддерживать одинаковую температуру во всем его объеме.

4. Вода характеризуется высокой теплотой парообразования, т. е. способностью молекул уносить с собой значительное количество тепла при одновременном охлаждении организма. Благодаря этому свойству воды, проявляющемуся при потоотделении у млекопитающих, тепловой одышке у крокодилов и других животных, транспирации у растений, предотвращается их перегрев.

5. Для воды характерно исключительно высокое поверхностное натяжение. Это свойство имеет очень важное значение для адсорбционных процессов, для передвижения растворов по тканям (кровообращение, восходящий и нисходящий токи в растениях). Многим мелким организмам поверхностное натяжение позволяет удерживаться на воде или скользить по ее поверхности.

6. Вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма.

7. У растений вода определяет тургор клеток, а у некоторых животных выполняет опорные функции, являясь гидростатическим скелетом (круглые и кольчатые черви, иглокожие).

8. Вода — составная часть смазывающих жидкостей (синовиальной — в суставах позвоночных, плевральной — в плевральной полости, перикардиальной — в околосердечной сумке) и слизей (облегчают передвижение веществ по кишечнику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей). Она входит в состав слюны, желчи, слез, спермы и др.

Таблица « Физические свойства воды и их значение для биологических процессов различных уровней»

Физические свойства	Значение	Примеры
Сочетание высокой теплоемкости(благодаря наличию водородных связей между молекулами) и высокой теплопроводности (из-за небольших размеров самих молекул)	Идеальная жидкость для поддержания теплового равновесия организма- большое количество воды в клетках придает организму термостабильность и дает возможность значительно охладиться при минимальной потери воды; Круговорот воды в природе является одним из элементов формирования погоды в данное время, а также климата в целом	Транспирация у растений, потоотделение у млекопитающих Периодическое выпадение осадков, исторически сложивщиеся условия увлажнения в различных природных зонах
Прозрачность в видимом участке спектра	Возможность фотосинтеза на небольшой глубине водоема, и отсюда возможность существования связанных с ним пищевых цепей	Высокопродуктивные биоценозы озер, рек. морей
Практически полная несжимаемость(благодаря силам межмолекулярного сцепления)	Поддержание формы организма	Тургорное давление придает форму сочным органам и тканям растений, у травянистых растений обеспечивает положение в пространстве; Гидростатический скелет – круглые черви, медузы,; амниотическая жидкость поддерживает и защищает плод млекопитающих
Подвижность молекул( вследствие слабости водородных связей)	Возможность осмоса	Поступление воды из почвы, плазмолиз
Вязкость (благодаря наличию водородных связей)	Смазывающие свойства	Синовиальная жидкость является « смазкой» в суставах позвоночных; Плевральная жидкость уменьшает трение между грудной клеткой и легкими во время дыхания
Хороший растворитель(благодаря полярности молекул)	Самый распространенный растворитель , благодаря тому что молекула является диполем , среда многих химических реакций в организме	Кровь, тканевая жидкость, лимфа, желудочный сок, слюна – у животных; Клеточный сок у растений; Участие в реакциях гидролиза :гидролиз биополимеров до мономеров: Белки + вода=аминокислоты Крахмал + вода= глюкоза Жир + вода= глицерин + жирные кислоты Высвобождение энергии АТФ АТФ+вода= АДФ+ фосфорная кислота + энергия (40 кДЖ)
Способность образовывать гидратационную оболочку вокруг макромолекул (благодаря полярности молекул)	Является дисперсионной средой в коллоидной системе цитоплазмы	Гиалоплазма представляет собой коллоидный раствор белков. В котором макромолекулы белков окружены « чехлом» из определенных образом ориентированных молекул воды
Оптимальная сила поверхностного натяжения(определяемого силами межмолекулярного сцепления)	Водные растворы являются средством передвижения веществ в организме	Капиллярный кровоток; восходящий и нисходящий токи растворов в растении
Расширение при замерзании (благодаря образованию каждой молекулой максимального числа _четырех_ водородных связей)	Лед защищает от холода находящиеся в воде организмы	Сохранение зимой биоценозов замерзающих водоемов

Таблица «Роль макро и микроэлементов на клеточном уровне»

Элемент	Роль в клетке
магний	Кофактор многих ферментов, участвующих в энергетическом обмене и синтезе ДНК
натрий	Участвует в создании и поддержании биоэлектрического потенциала на мембране ( в результате работы натриевого и калий-натриевого насосов)
кальций	Ионы кальция участвуют в регуляции избирательной проницаемости клеточной мембраны; участвуют в процессах соединения ДНК с белком
Калий	участвует в создании и поддержании биоэлектрического потенциала; активирует ферменты, участвующие в синтезе белка; входит в состав ферментов , участвующих в гликолизе
железо	Входит в состав цитохромов- ферментов-переносчиков электронов на третьем этапе диссимиляции и в световой фазе фотосинтеза
сера	Входит в состав серосодержащих аминокислот; участвует в формировании третичной структуры белка; входит в состав некоторых ферментов; участвует в бактериальном фотосинтезе4 окислительно-восстановительные реакции соединений серы являются источником энергии в хемосинтезе
фосфор	В виде остатков фосфорной кислоты входит в состав АТФ,ДНК,РНК,НАД, ФАД,НАДФ, фосфорилированных сахаров, фосфолипидов, ферментов; входит в состав всех мембранных структур
хлор	Анионы хлора поддерживают электронейтральность клетки
Медь	Входит в состав окислительных ферментов, участвует в синтезе цитохромов
марганец	Входит в состав ферментов, участвующих в дыхании, окислении жирных кислот, повышает активность ферментов
молибден	Входит в состав ферментов, участвующих в фиксации азота

Соединения азота

1. У растений – из окружающей среды в виде ионов NH4+ и NO3- ; у животных – с пищей в виде белков и аминокислот

2. В клетках растений ионы аммония и нитратов восстанавливаются до NH2 и включаются в синтез аминокислот; у животных аминокислоты идут на построение собственных белков. При отмирании организмов включаются в круговорот веществ в форме свободного азота

3. Входят в состав белков, аминокислот, нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) и АТФ

Соединения фосфора

1. У растений – из окружающей среды в виде ионов Н2РО4- и НРО42-; у животных – с пищей в форме органических (фосфолипиды) и неорганических соединений

2. Соли фосфора – фосфаты, находясь в почве, растворяются корневыми выделениями растений и усваиваются. Остатки фосфорной кислоты при отмирании организмов минерализуются, образую соли.

3. Входят в состав всех мембранных структур, нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) и АТФ. ферментов, тканей (костной)

Соединения калия

1. У растений – из внешней среды в виде иона К+; у животных – с пищей

2. Калий содержится во всех клетках в виде ионов К+, концентрация которых намного выше, чем в окружающей среде. После отмирания возвращается в окружающую среду в виде ионов

3. Калиевый насос клетки способствует проникновению веществ через мембрану. Активизирует жизнедеятельность клетки, проведение возбуждения и импульсов

Соединения кальция

1. У растений – из внешней среды в виде ионов Са2+; у животных – с пищей

2. Кальций содержится в клетках в виде ионов или кристаллов солей

3. Образует межклеточное вещество и кристаллы в клетках растений. Входит в состав крови, способствует ее свертыванию. Входит в состав костей, раковин, известковых скелетов, коралловых полипов у животных