Химические соединения клетки

Неорганические вещества клетки – это вода, различные минеральные соли, двуокись углерода, кислоты и основания.

Вода

Жизнь на нашей планете возникла в океане, и условия первобытной среды наложили существенный отпечаток на химизм живых существ.

Вода является важнейшим химическим компонентом содержимого живой клетки. Она составляет в среднем около 70–95 % общей массы клетки, хотя в семенах растений и в костях позвоночных животных содержание воды составляет не более 5-15 %.

Вода обладает уникальными свойствами, благодаря которым она имеет первостепенное значение во всех процессах жизнедеятельности клетки. Даже небольшое нарушение водного режима вызывает серьезные сдвиги в обмене веществ. Жизнь на Земле зародилась только благодаря воде, и водная среда является основой для протекания большинства процессов, происходящих в клетках животных, растительных и других живых организмов.

Именно водная фаза объединяет все клетки и ткани в единое целое, участвует в построении и упорядочении многих мембранных структур, гидратирует основные органические вещества клетки – белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, поддерживает вязкость цитоплазмы, обеспечивает упругое состояние клеток и тканей, а также осуществляет их защиту как амортизатор при механических воздействиях.

Все биохимические реакции, совершающиеся в клетке, идут в присутствии воды. Молекула воды асимметрична, в ней атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода. Две ковалентные связи O–H в молекуле воды формируют угол в 105°. Поскольку кислород обладает большой способностью оттягивать на себя электроны ковалентной связи, на стороне кислорода образуется отрицательный заряд, а на стороне атомов водорода – положительный. В итоге молекула воды приобретает полярный характер. Поэтому вода как молекула-диполь может образовывать водородные связи с другими полярными молекулами, например с белками или другими молекулами воды или иных веществ.

Молекулярное строение воды и возможные водородные связи

Вода является универсальным растворителем и активным метаболитом многих биохимических процессов. Например, она принимает непосредственное участие в окислительных процессах дыхания, при фотосинтезе служит поставщиком электронов и протонов. С помощью воды осуществляется передвижение веществ по растению (восходящий и нисходящий токи), у животных она создает фракцию жидкой соединительной ткани (крови и лимфы), обеспечивающей транспортировку необходимых веществ в организме. Обладая высокой теплоемкостью и большой удельной теплотой парообразования, вода обеспечивает терморегуляцию организмов и защищает ткани и клетки от резких колебаний температуры.

Вода в клетке может находиться в двух состояниях: свободном и связанном. Свободная вода – это чистая, лишенная каких-либо примесей вода с высокой подвижностью и растворимостью. Связанная вода – вода, содержащаяся в различных гетерогенных внутриклеточных структурах (коллоидах, желатиновых гелях, хрящах), связанная водородными связями с полисахаридами, молекулами белков и др. Она не может служить растворителем и имеет ограниченную подвижность. Больше всего воды содержится в цитоплазме. У растений особенно много воды концентрируется в вакуоли. Вакуолярный сок содержит растворенные сахара, органические кислоты, ионы, белки и другие соединения, связывающие воду как биоколлоиды.

В воде растворяются соли, основания, углеводы, белки и кислоты. Лишь жиры и жироподобные вещества нерастворимы в воде. Вещества, растворяющиеся в воде, называются гидрофильными (от греч. hydor – вода и philia – любовь, дружба), а нерастворяющиеся – гидрофобными (от греч. hydor – вода и phobos – страх). У некоторых макромолекул один конец является гидрофильным, а другой – гидрофобным. К их числу относятся, например, молекулы фосфолипидов, которые участвуют в образовании биологических мембран.

С помощью воды растения как автотрофы и продуценты биосферы накапливают в своих тканях питательные вещества, обеспечивающие возможность существования всему многообразию гетеротрофов нашей планеты – животным, человеку, грибам, вирусам и многим бактериям. Вода с растворенными минеральными солями, поглощенная корневой системой растений, затем испаряется, а соли остаются, накапливаются и участвуют в химических превращениях в теле растения. Поэтому элементный минеральный состав биосферы формируется главным образом благодаря поглотительной деятельности корневой системы растений. В этом процессе могут принимать участие также микоризообразующие грибы и азотфиксирующие бактерии. За такую способность эти организмы образно называют «шахтерами земной коры».

Роль воды в накоплении минеральных веществ растениями

Неорганические вещества клетки

Кроме воды, в клетке содержатся много других неорганических соединений – это соли (иногда в форме кристаллов), кислоты и щелочи. Они присутствуют в растворах в виде анионов, катионов и в составе органических соединений. Среди них видное место занимают катионы (H+, Ca2+, Mg2+, NH4+, Na+, K+) и анионы (OH-, Cl-, NO32-, H2PO4-, HCO3-). Имеются также ионы, находящиеся в свободной форме, готовые связываться с органическими соединениями. В клетках всегда присутствуют оксиды металлов и неметаллов (Na2O, MgO, Al2O3, P2O3, SO3 и др.), металлы (в составе биомолекул). Все эти вещества принимают активное участие в метаболических процессах.

Важнейшими соединениями клетки являются органические вещества. К ним относятся четыре группы соединений: углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты.

Органические вещества

Почти все молекулы клетки являются соединениями углерода, которые относят к органическим веществам, или углеродсодержащим соединениям. Интересно, что среди всех элементов нашей планеты атомы углерода, обладая четырехвалентностью, проявляют уникальную способность, соединяясь друг с другом и с другими атомами, образовывать длинные цепи; прямые, разветвленные и замкнутые (циклические). При этом образуются очень большие и сложные макромолекулы, размеры которых не ограниченны. Такой способностью обладает еще и кремний, но он заметно уступает в этом отношении углероду.

Образование макромолекул атомы углерода осуществляют благодаря четырем ковалентным связям, обладающим высокой прочностью.

Схема атома углерода: 1 – протоны; 2 – нейтроны; 3 – электроны, 4 – первый энергетический уровень; 5 – второй энергетический уровень

Многие крупные молекулы органических соединений насчитывают несколько тысяч атомов углерода. К числу таких макромолекул относятся молекулы нуклеиновых кислот, многие белки, различные полисахариды, например крахмал и целлюлоза. Они обычно состоят из сходных по структуре многократно повторяющихся низкомолекулярных органических соединений – мономеров (от греч. monos – один, единственный и meros – часть, доля). Макромолекулы, построенные из мономеров, называют полимерами (от греч. polymereia – многосложность). При этом свойства мономеров зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от порядка соединения в них атомов, то есть от строения молекулы.

Порядок соединения атомов в молекулах органических соединений обеспечивает их разные химические свойства

Биополимеры

Макромолекулы природных соединений – белков, полисахаридов и нуклеиновых кислот, обладающих особыми биологическими функциями в клетке, называют биополимерами (от греч. bios – жизнь и polymereia – многосложность). Молекулярная масса биополимеров достигает 103–109. Их уникальные биологические свойства определяются упорядоченной структурой (строением) и существованием в растворах.

Среди биополимеров чаще всего встречаются смешанные соединения, образованные из мономеров, относящихся к различным типам органических соединений. Например, мономерами полимера гликопротеида служат остатки углеводов и аминокислот, полимера гликолипида – остатки моносахаридов и липидов. Простыми биополимерами являются полисахариды (крахмал, глюкоза, гликоген), белки и нуклеиновые кислоты.

Малые органические молекулы

Наряду с крупными молекулами в клетке имеется много различных органических соединений, у которых молекулы не столь велики. Они относятся к низкомолекулярным органическим соединениям. Это простые сахара, аминокислоты, нуклеотиды и жирные кислоты.

В составе так называемых малых органических молекул содержится до 30 атомов углерода. Количество таких малых молекул в клетке может быть велико. Обычно они находятся в цитоплазматическом растворе в свободном состоянии и могут принимать участие в образовании макромолекул. Расщепляясь, макромолекулы распадаются до тех же низкомолекулярных соединений, из которых они синтезировались. Таким образом, малые молекулы, или низкомолекулярные органические соединения, являются важнейшими промежуточными продуктами в химических реакциях синтеза и расщепления веществ в клетке.