Создает возможность для равномерного распределения теплоты между тканями тела

Химический состав клетки

В живых организмах содержится большое количество химических элементов. Они образуют два класса соединений — органические и неорганические.

В организме человека обнаружено 86 постоянно присутствующих элементов периодической системы Менделеева. Из них 25 необходимы для поддержания жизнедеятельности, 18 из которых абсолютно необходимы, а 7 — полезны. На долю четырех химических элементов — кислорода, водорода, углерода и азота — приходится около 98% массы клетки. Другие элементы присутствуют в ней в незначительных количествах: серы 0,15-0,2%, цинка 0,003%, а йода — всего 0,000001%.

Основные вещества клетки включают молекулы нуклеиновых кислот, белков, жиров, углеводов, воды, кислорода и углекислого газа. В неживой природе эти вещества нигде не встречаются вместе.

Основные вещества клетки =
= Нуклеиновые кислоты + Белки + Жиры (липиды) + Углеводы + Вода + Кислород + Углекислый газ

В составе клеток человеческого тела преобладают:

Знак химического элемента

В состав живых клеток входят ряд относительно простых соединений, которые встречаются в неживой природе — в минералах, природных водах. Это неорганические соединения.

Вода — одно из самых распространённых веществ на земле. У человека содержание воды в различных тканях и органах варьирует от 20% (в костной ткани) до 85% (в головном мозге). Около 2/3 массы человека составляет вода. Свойства воды настолько важны для живых организмов, что нельзя представить себе жизни без этого соединения водорода с кислородом.

В жидкой воде молекулы подвижны, что немаловажно для процессов обмена веществ. Молекулы воды легко проникают через клеточные мембраны. 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 высокой теплопроводностью. Такое свойство создаёт возможность равномерного распределения теплоты между тканями тела.

Химические соединения, основой которых являются атомы углерода, составляют отличительный признак живого. Эти соединения называются органическими. Органические соединения чрезвычайно многообразны, но только четыре класса их имеют всеобщее биологическое значение: белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды.

Органическими веществами называют химические соединения, в состав которых входят атомы углерода. Атомы углерода способны вступать друг с другом в прочную ковалентную связь, образуя множество разнообразных цепочечных или кольцевых молекул. Самыми простыми углеродсодержащими соединениями являются углеводороды, соединения, которые содержат только углерод и водород. Однако в большинстве органических соединений содержатся и другие элементы (кислород, азот, фосфор, сера).

Углеводы широко распространены в живых клетках. В состав молекулы углеводов входит углерод, водород и кислород. Общая формула углеводов C_n(H₂O)_m. Примером углеводов может служить глюкоза.
Её формула C₆H₁₂O₆.

Структурная формула и модель молекулы глюкозы

Глюкоза является простым сахаром. В состав молока входит дисахарид, который состоит из остатков двух простых сахаров. Тысячи остатков простых сахаров образуют молекулы полисахаридов. В составе живых организмов много полисахаридов. Полисахариды относятся к биополимерам («био» — жизнь, «поли» — много).
У растений — это крахмал, у животных — это гликоген. Они состоят из тысяч молекул глюкозы.

Липиды.
Липиды разнообразны по структуре. Всем им присуще одно общее свойство — они неполярные. К липидам относятся жиры, жироподобные вещества. В клетке при окислении жиров образуется большое количество энергии, которая используется на различные процессы. Жиры могут накапливаться в клетках и служить запасом энергии.

Белки.
Белки — обязательная составная часть всех клеток. В состав этих биополимеров входят 20 типов мономеров. Такими мономерами являются аминокислоты. Аминокислоты получили своё название потому, что содержат и аминогруппу (–NH₂), и кислотную карбоксильную группу (–COOH).

Образование линейных молекул белков происходит в результате соединения аминокислот друг с другом. Карбоксильная группа одной аминокислоты сближается с аминогруппой другой, и при отщеплении молекулы воды между аминокислотными остатками возникает прочная ковалентная связь, называемая пептидной. Соединение, состоящее из большого числа аминокислот, называется полипептидом. Каждый белок по своему составу является полипептидом.

Читайте также: Марвел стоун ткань аметист

Выделяют первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры белков.

Первичная структура определяется порядком чередования аминокислот в полипептидной цепи. Двадцать аминокислот можно уподобить 20 буквам химического алфавита, из которых составлены «слова» длиной в 300–500 букв. С помощью 20 букв можно написать безграничное множество таких длинных слов. Известно, что замена даже одного аминокислотного звена другим в белковой молекуле изменяет её свойства.

В живой клетке многие молекулы белков или их отдельные участки представляют собой не вытянутую нить, а спираль с одинаковыми расстояниями между витками. Такая спираль представляет собой вторичную структуру белковой молекулы. Между группами N–H и C=O, расположенными на соседних витках, возникают водородные связи. Они намного слабее ковалентных, но, повторённые многократно, скрепляют регулярные витки спирали.

В результате взаимодействия различных остатков аминокислот спирализованная молекула белка образует клубок — третичную структуру. Для каждого вида белка характерна своя форма клубка с изгибами и петлями. Третичная структура зависит от первичной структуры, т.е. от порядка расположения аминокислот в цепи.

Наконец, некоторые белки, например гемоглобин, состоят из нескольких цепей, различающихся по первичной структуре. Объединяясь вместе, они создают сложный белок, обладающий не только третичной, но и четвертичной структурой.

Нуклеиновые кислоты.
В клетках имеются два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Эти биополимеры состоят из мономеров, называемых нуклеотидами. Мономеры-нуклеотиды ДНК и РНК сходны в основных чертах строения. Каждый нуклеотид состоит из трёх компонентов, соединённых прочными химическими связями.

Одно из четырёх органических соединений, называемых азотистое основание

Гуанин (Г)

Остаток ортофосфорной кислоты

Модель молекулы ДНК

Порядок расположения нуклеотидов в молекулах ДНК определяет порядок расположения аминокислот в линейных молекулах белков, то есть их первичную структуру. Молекулы ДНК хранят сведения о свойствах белков и передают их поколениям потомков, то есть являются носителями информации.

Основные виды РНК.
Наследственная информация, хранящаяся в молекулах ДНК, реализуется через молекулы белков. Информация о строении белка передаётся в цитоплазму особыми молекулами РНК, которые называются информационными РНК (иРНК).
Информационная РНК строится комплиментарно одной из нитей ДНК, а в цитоплазме с помощью специальных органоидов рибосом идёт синтез белка.
В синтезе белка принимает участие и другой тип РНК – транспортная РНК (тРНК), которая подносит аминокислоты к месту образования белковых молекул — рибосомам, своеобразным фабрикам по производству белков.
В состав рибосом входит третий вид РНК, так называемая рибосомная РНК (рРНК), которая определяет структуру и функционирование рибосом.

Каждая молекула РНК в отличие от молекулы ДНК представлена одной нитью; вместо дезоксирибозы содержит рибозу и вместо тимина — урацил.
Итак, нуклеиновые кислоты выполняют в клетке важнейшие биологические функции. В ДНК хранится наследственная информация обо всех свойствах клетки и организма в целом. Различные виды РНК принимают участие в реализации наследственной информации через синтез белка.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).
Особо важную роль в биоэнергетике клетки играет адениловый нуклеотид, к которому присоединены два остатка фосфорной кислоты, называемое аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). В химических связях между остатками фосфорной кислоты молекулы АТФ запасена энергия, которая освобождается при отщеплении фосфата:

где АДФ — аденозиндифосфорная кислота, Ф — фосфат, Е — освобождающаяся энергия.

Энергию АТФ все клетки используют для процессов биосинтеза, движения, производства тепла, нервных импульсов, то есть для всех процессов жизнедеятельности. АТФ — универсальный биологический аккумулятор энергии. Световая энергия Солнца и энергия, заключённая в потребляемой пище, запасаются в молекулах АТФ.

Витамины.
Витамины — жизненно важные соединения, которые организм данного вида не способен сам синтезировать, а должен получать в готовом виде.
Недостаток витаминов в организме человека и животных ведёт к нарушению работы ферментов и является причиной тяжёлых заболеваний — авитаминозов. Например, недостаток витамина C является причиной тяжёлого заболевания — цинги, при недостатке витамина D развивается рахит у детей.
Суточная потребность человека в каждом витамине составляет несколько микрограммов (мкг)
(1 микрограмм = 10 -6 г). Только витамин C нужен в количестве около 100 миллиграмм (мг) в сутки
(1 миллиграмм = 10 -3 г).
В таблице представлены продукты питания, которые содержат наибольшее количество витаминов:

Читайте также: Коллекция тканей для жалюзи

Плоды шиповника, чёрная смородина, листья салата, картофель, яблоки, лимон, лук, капуста.

Печень, куриные яйца, плоды шиповника, лук, горох, морковь, помидоры, сливочное масло, листья салата, рыбий жир.

Злаки (пшеница, рожь, овёс), капуста, куриные яйца, морковь, лук, яблоки.

§ 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.

Читайте также: Что такое гормональная жировая ткань

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 — , НСО₃ — , HS0₄ — 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 (Н₃Р0₄), 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

Какова биологическая роль воды в клетке?
Какие ионы содержатся в клетке? Какова их биологическая роль?
Какую роль играют содержащиеся в клетке катионы?

Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом