Вспомните, какие химические элементы относят к биогенам. Каково соотношение этих элементов в биосистемах? В чем значение основных элементов-биогенов? Какие функции выполняют в клетке вода и минеральные соли?
Клетки весьма разнообразны, однако все они имеют сходный химический состав. Химические элементы, постоянно встречающиеся в клетках, называются биогенами. Они образуют молекулы неорганических и органических веществ клетки. К неорганическим относят воду и минеральные вещества. Основную массу органических веществ составляют липиды, углеводы, белки и нуклеиновые кислоты.
Химический состав клетки. Все элементы-биогены в зависимости от их содержания в клетках можно разделить на три группы: макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы. Макроэлементы составляют основу всех органических веществ клетки, а также входят в состав воды. Содержание микро- и ультрамикроэлементов значительно меньше, но жизнедеятельность клетки невозможна без них. Содержание и функции некоторых, наиболее значимых химических элементов представлены в таблице 1.
Минеральные вещества. Эти вещества присутствуют в клетках в виде ионов и твердых нерастворимых соединений. Содержание их в среднем составляет 1-1,5% от массы клетки. Функции минеральных веществ очень разнообразны: они создают кислую или щелочную реакции среды, входят в состав белков, активизируют деятельность многих ферментов, являются компонентами гормонов, участвуют в свертывании крови и окислительно-восстановительных процессах в клетке, обеспечивают прочность костей и проведение нервных импульсов и др. При нехватке минеральных веществ могут нарушаться процессы жизнедеятельности клетки и всего организма (табл. 1).
Таблица 1
Содержание некоторых химических элементов в клетке (в % на сухую массу)
|
Группы элементов |
Содержание |
Роль в клетке |
|
Макроэлементы Кислород (O) Углерод (С) Водород (Н) Азот (N) Фосфор (Р) Сера(S) Кальций (Са) Калий (К) Натрий (Na) |
(70-0,1) 70-62 20-18 10-9 3,0-0.3 0,98-0,07 0,16-0,05 2,5-0,3 0,3-0.2 0,1-0,03 |
Основные элементы-биогены, входят в состав всех органических веществ клетки: белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот. Обеспечивают образование всех клеточных структур. Входит в состав нуклеиновых кислот, АТФ, ферментов, костной ткани и эмали зубов. Является компонентом белков, ферментов. Придает прочность оболочке растений, костям и зубам животных, участвует в свертывании крови Обеспечивают проведение нервных импульсов, активизируют деятельность ферментов, процесс фотосинтеза, рост растений, поддерживают осмотическое давление в клетке, стимулируют синтез гормонов. |
|
Микроэлементы |
(0,1-0,001) |
|
|
Магний (Mg) |
0,07-0,03 |
Компонент молекулы хлорофилла, содержится в костях и зубах, активизирует синтез ДНК, энергетический обмен в клетке. |
|
Железо (Fe) |
0,02 0,01 |
Входит в состав гемоглобина крови, миоглобина, хрусталика и роговицы глаза, обеспечивает транспорт кислорода, активизирует ферменты, участвует в синтезе хлорофилла. При недостатке развивается железодефицитная анемия |
|
Хлор (Сl) |
0,08-0,01 |
Компонент желудочного сока (соляной кислоты), активизирует деятельность ферментов желудка. |
|
Кремний (Si) |
0,1-0,0001 |
Входит в состав клеточных стенок растений и раковин простейших |
|
Марганец (Мn) |
0,001-0,0001 |
Активизирует работу ферментов |
|
Ультрамикроэлементы |
(0,001-0.000001) |
|
|
Цинк (Zn) |
0,0002 |
Активаторы ферментов и гормонов. Влияют на процессы кроветворения, фотосинтеза, обмена веществ. |
|
Медь (Сn) |
0,0001 |
|
|
Бром (Вr) |
0,0001 |
При их недостатке в организме могут нарушаться процессы жизнедеятельности |
|
Фтор (F) |
0,00001 |
Входит в состав эмали зубов, при недостатке развивается кариес, при избытке - флюороз - размягчение костной ткани. |
|
Йод (I) |
0,000001 |
Входит в состав гормона щитовидной железы - тироксина, влияет на обмен веществ. При недостатке или избытке развивается ряд заболеваний: базедова болезнь, микседема. |
|
Селен (Se), серебро (Ag), золото (Au), ртуть (Hg), бериллий(Be) |
(менее 0,000001 и следовые количества) |
Воздействуют на нервные клетки, активизируют обменные процессы в организме. |
Рис. 16. Строение молекулы воды. Водородные связи между пятью молекулами воды - ассоциатами
Вода. Из неорганических веществ в клетке наибольшее значение имеет вода. Жизнь на нашей планете возникла в воде, что и обусловило ее исключительную роль. Содержание воды в клетках в среднем составляет 70-80% от их массы. Значимость воды связана с ее уникальными свойствами: полярностью молекулы, способностью образовывать водородные связи, большим поверхностным натяжением, аномально высокими температурами плавления и кипения.
Все эти свойства воды определяются строением ее молекулы (рис. 16). Она имеет вид диполя и способна образовывать водородные связи, благодаря чему молекулы воды объединяются в ассоциаты. Этим объясняется тот факт, что при обычных условиях вода, имея незначительную молекулярную массу - жидкость, а не газ, как водородные соединения других неметаллов - азота, углерода, серы, хлора, фосфора. Большинство веществ при замерзании сжимаются и их плотность увеличивается. Вода же имеет наибольшую плотность при температуре +4°С. При охлаждении до 0°С расстояние между молекулами воды слегка увеличивается за счет водородных связей, а плотность понижается.
В результате лед оказывается легче воды и плавает на ее поверхности (рис. 17). Следовательно, одно и то же количество воды занимает в твердом состоянии больший объем, чем в жидком. Именно поэтому, кристаллизуясь в замкнутых сосудах или живых клетках, вода может разорвать их стенки, разрушить тонкие клеточные структуры. С другой стороны, образование льда на поверхности водоемов предотвращает замерзание его обитателей.
Рис. 17. Твердое состояние воды: 1 - лед легче жидкой воды; 2 - кристаллы льда
Наличием водородных связей объясняются и другие свойства воды: высокое поверхностное натяжение, высокая теплопроводность. Благодаря водородным связям молекулы воды способны слипаться друг с другом, чем объясняется ее высокое поверхностное натяжение. В результате на поверхности образуется «пленка». Вода, налитая в стакан «с верхом», не прольется. Она способна слипаться и с другими веществами. Поднимаясь по волокнам бумаги, вода тянет за собой другие молекулы и заполняет все пространство, чем и объясняются капиллярные ее свойства.
Участие в терморегуляции организмов - важнейшая биологическая функция воды. Благодаря высокой теплопроводности тепло быстро и равномерно распределяется по всему объему живых клеток, не давая перегреваться в отдельных точках организма. При испарении воды, т.е. переходе ее из жидкого в газообразное состояние, происходит охлаждение поверхности, с которой она испаряется.
Вода служит также универсальным полярным растворителем в клетке. По растворимости в воде вещества делят на гидрофильные - растворимые в воде, и гидрофобные - нерастворимые в воде.
В клетке различают воду свободную (90%) и связанную (около 10%). Свободная вода составляет внутреннюю среду клетки, где протекают все химические реакции. Она является участником и катализатором этих процессов. Свободная вода определяет тургор клетки и тканей - напряженное состояние плазматической мембраны, создаваемое давлением внутриклеточной жидкости, которая состоит из воды и растворенных в ней веществ. Связанная вода входит в состав макромолекул и клеточных органоидов. Она никогда не теряется живой клеткой.
Биогены, макроэлементы, микроэлементы, ультрамикроэлементы; вода: свободная и связанная; вещества: гидрофильные и гидрофобные.
1. Какие элементы составляют основу химических веществ клетки?
2. Почему наиболее распространенные в земной коре элементы, кроме кислорода, в составе тел организмов представлены незначительно?
3. Какие биологические функции выполняют химические элементы в клетке и организме? 4. С чем связано многообразие функций воды в клетке? 5. Какие свойства воды обеспечили ее значительное распространение на Земле и в биосистемах? 6. Благодаря каким свойствам происходит подъем воды в капиллярах? 7. Начните заполнять (в тетради) таблицу «Химический состав клетки». Внесите в нее сведения о воде и минеральных веществах.
Химический состав клетки
|
Вещества |
Содержание в клетке, % |
Биологические функции |
Отдельные группы клеток специализировались на синтезе некоторых неорганических веществ. Так, клетки слизистой оболочки желудка образуют соляную кислоту, клетки слюнных желез синтезируют вещества с щелочными свойствами, а в клетках многих животных вырабатывается аммиак и другие азотистые соединения.