Атомный и молекулярный состав клетки. В микроскопической клетке содержится несколько тысяч веществ, которые участвуют в разнообразных химических реакциях. Химические процессы, протекающие в клетке, – одно из основных условий ее жизни, развитии, функционирования.
Все клетки животных и растительных организмов, а также микроорганизмов сходны по химическому составу, что свидетельствует о единстве органического мира.
Содержание химических элементов в клетке
В таблице приведены данные об атомном составе клеток. Из 109 элементов периодической системы Менделеева в клетках обнаружено значительное их большинство. Одни элементы содержатся в клетках в относительно большом количестве, другие – в малом. Особенно велико содержание в клетке четырех элементов – кислорода, углерода, азота и водорода. В сумме они составляют почти 98% всего содержимого клетки. Следующую группу составляют восемь элементов, содержание которых в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента. Это сера, фосфор, хлор, калий, магний, натрий, кальций, железо. В сумме они составляют 1,9%. Все остальные элементы содержатся в клетке в исключительно малых количествах (меньше 0,01%).
Таким образом, в клетке нет каких-нибудь особенных элементов, характерных только для живой природы. Это указывает на связь и единство живой и неживой природы. На атомном уровне различий между химическим составом органического и неорганического мира нет. Различия обнаруживаются на более высоком уровне организации – молекулярном. Как видно из таблицы, в, живых телах наряду с веществами, распространенными в неживой природе, содержится множество веществ, характерных только для живых организмов.
Содержание в клетке химических соединений
Вода. На первом месте среди веществ клетки стоит вода. Она составляет почти 80% массы клетки. Вода – важнейший компонент клетки не только по количеству. Ей принадлежит существенная и многообразная роль в жизни клетки.
Вода определяет физические свойства клетки – ее объем, упругость. Велико значение воды в образовании структуры молекул органических веществ, в частности структуры белков, которая необходима для выполнения их функций. Велико значение воды, как растворителя: многие вещества поступают в клетку из внешней среды в водном растворе и в водном же растворе отработанные продукты выводятся из клетки. Наконец, вода является непосредственным участником многих химических реакций (расщепление белков, углеводов, жиров и др.).
Приспособленность клетки к функционированию в водной среде служит доводом в пользу того, что жизнь на Земле зародилась в воде.
Биологическая роль воды определяется особенностью ее молекулярной структуры, полярностью ее молекул.
Особенности молекулярной структуры воды объясняют и ее свойства как растворителя. Существует много веществ, хорошо растворимых в воде: таковы многие соли, кислоты, щелочи, а из органических веществ – многие спирты, амины, углеводы, белки и др. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными веществами (греч. «гидрос» – вода, «филео» – люблю). Известно также много веществ, плохо или вовсе нерастворимых в воде, например жиры, клетчатка и др. Их называют гидрофобными веществами (греч. «гидрос» вода, «фобос»– страх, ненависть). От чего же зависит гидрофильность или гидрофобность вещества? Вещества гидрофильны, если а их молекуле содержатся группы атомов, способные вступать с молекулами воды в электростатическое взаимодействие или образовывать с ними водородные связи. В клетке содержится много гидрофильных веществ: соли, углеводы, белки, низкомолекулярные органические соединения. Есть в клетке и гидрофобные вещества, например жиры. Тончайший слой гидрофобных веществ входит в состав клеточных мембран. Благодаря этому ограничивается передвижение воды из окружающей среды в клетку и обратно, а также из одних участков клетки в другие.
Соли. К неорганическим веществам клетки, кроме воды, относятся также соли. Для процессов жизнедеятельности из входящих в состав солей катионов наиболее важны K + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+ , из анионов HPO4 2- , H2PO4 — , Cl — , HCO3 — .
Концентрация катионов и анионов в клетке и в среде ее обитания, как правило, резко различна. Так, внутри клетки всегда довольно высокая концентрация ионов калия и очень малая ионов натрия. Напротив, в окружающей клетку среде в плазме крови, в морской воде – мало ионов калия и много ионов натрия. Пока клетка жива, это соотношение ионов внутри и вне клетки стойко поддерживается. После смерти клетки содержание ионов в клетке и в среде быстро выравнивается. Содержащиеся в клетке ионы имеют важное значение для нормального функционирования клетки, а также для поддержания внутри клетки постоянной реакции. Несмотря на то что в процессе жизнедеятельности непрерывно образуются кислоты и щелочи, в норме реакция клетки слабощелочная, почти нейтральная. Это обеспечивается содержащимися в ней анионами слабых кислот (HCO3 — , HPO4 2- ) и слабыми кислотами (H2CO3), которые связывают и отдают ионы водорода, в результате чего реакция внутренней среды клетки практически не изменяется.
Неорганические вещества содержатся в клетке не только в растворенном, но и в твердом состоянии. В частности, прочность и твердость костной ткани обеспечиваются фосфатом кальция, а раковин моллюсков, – карбонатом кальция.
О чем свидетельствует сходство химического состава клеток разных организмов? 2. Чем отличается химический состав тел живой и неживой природы? 3. Какова биологическая роль воды в клетке? 4. Назовите ионы неорганических соединений, содержащиеся в клетке.
