Химическая организация клетки

Автор: Прищепа Лариса Николаевна

Организация: ФГКОУ Кадетский корпус СК РФ им. Г.К. Жукова

Населенный пункт: г. Санкт-Петербург

Молекулярный уровень организации жизни находится на границе между живой и неживой материей (природой). Он является первоосновой жизни на планете. Жизнь начинается только тогда, когда многочисленные молекулы находятся в клетке и взаимодействуют между собой как единая система. Вне клетки процессов жизни нет. Выделенные из клетки макромолекулы (биополимеры) теряют свою биологическую роль и характеризуются лишь физическими и химическими свойствами. Молекулярный уровень в клетке представлен неорганическими и органическими веществами.

 

Элементный состав клетки

По химическому составу клетки разных организмов и даже клетки одного организма, выполняющие различные функции, отличаются друг от друга. В то же время любые клетки включают в себя одни и те же химические элементы. Это доказывает единство живой природы. Также нет ни одного химического элемента, содержащегося в живых организмах, который не был бы найден в неживой природе. Это указывает на единство живой и неживой природы.

В состав клетки входит более  80 известных в настоящее время химических элементов, но только для 27 из них изучена роль (функции). Однако распределение этих элементов в клетках неравномерно. Так, примерно 98% от массы клетки приходится на 4 элемента: кислород, водород, углерод и азот.

Эти элементы составляют основу органических соединений, а кислород и водород входят также в состав воды. Поэтому их часто называют биоэлементами  или органогенными элементами.

Кроме кислорода, водорода, углерода и азота, необходимыми компонентами белков и нуклеиновых кислот являются фосфор и сера.

Около 2% от массы клетки приходится на следующие 8 элементов:  калий, натрий, кальций, хлор, магний, железо, фосфор и сера. Все остальные элементы содержатся в клетке в очень малых количествах, поэтому их общий вклад в массу клетки составляет всего 0,02%.

 

Группы химических элементов по содержанию в клетке.

Макроэлементы             (до 0,001%)	Микроэлементы  (от 0,001 до 0,000001%)	Ультрамикроэлементы     (менее 0,000001%)
Кислород (65 – 75) Углерод (15 – 18) Водород (8,0 – 10,0) Азот (1,5 – 3,0) Фосфор (0,2 – 1,00) Калий (0,15 – 0,4) Сера (0,15 – 0,2) Кальций (0,04 – 2,00) Магний (0,02 – 0,03) Натрий (0,02 – 0,03 Железо (0,01 – 0,15) Хлор (0,05 – 0,10)	Бор (0,001-0,000001) Бром (0,0001) Иод (0,0001) Кобальт (следовые концентрации) Медь (0,0002) Молибден (следовые концентрации) Цинк (0,0003) Фтор (0,0001) Марганец (0,001-0,000001)	Уран Радий Золото Ртуть Бериллий Цезий Селен

 

Некоторые организмы способны накапливать  определенные элементы: бактерии – марганец, железо, морские водоросли – йод, ряска – радий, моллюски, ракообразные – медь

Процентное соотношение органических и неорганических веществ, содержащихся в клетке

Неорганические	Содержание в %	Органические	Содержание в %
Вода Минеральные вещества	10 – 95 1,0 – 1,5	Белки Липиды Углеводы Нуклеиновые кислоты АТФ и другие органические низкомолекулярные соединения	10 – 20 1 – 5 0,2 – 2,0 1,0 – 2,0 0,1 – 0,5

 

Неорганические вещества.

 

 

I. Вода и её роль в жизнедеятельности клетки.

          Содержание воды в клетке зависит от интенсивности обмена веществ: чем выше интенсивность обмена веществ, тем больше в ней содержится воды. Высокое содержание воды в клетке - важнейшее условие ее деятельности.

• При потере большей части воды многие организмы гибнут, а ряд одноклеточных и даже многоклеточных организмов временно утрачивают все признаки жизни (анабиоз):
• При потере воды до 2% массы тела (1-1,5 л) появляется жажда, при утрате 6-8% наступает полуобморочное состояние,
• При нехватке 10% появляются галлюцинации, нарушается глотание.
• При потере воды в объеме 12 % от массы тела, человек погибает.

Содержание воды в клетках изменяется с возрастом:

- 1,5 месячный эмбрион – 97,5%;

- 8-ми месячный эмбрион – 83%;

- у новорождённого – 74%;

- у взрослого человека в среднем – 66%.

Клетки одного организма различаются по содержанию Н₂О в них:

- клетки эмали зубов – 10%

- клетки костной ткани – 20%

- клетки печени – 70%

- клетки мозга – 86%

Вода выполняет различные функции:

- сохранение объёма;

- сохранение упругости клетки;

- растворение различных веществ, что способствует протеканию химических реакций, т.к. большинство из них происходят только в водных растворах. Функции воды во многом определяются её физическими и химическими свойствами.

Свойства воды связаны главным образом с:

1. малыми размерами молекул воды;
2. полярностью молекул воды;
3. способностью соединятся друг с другом водородными связями.

Свойства воды также определяются её структурой 

 

Таким образом молекула воды поляризована и является диполем (имеет два полюса)

Частично отрицательный заряд атома кислорода одной молекулы воды \притягивается частично положительными атомами водорода других молекул. Таким образом, каждая молекула воды стремится связаться водородной связью с четырьмя соседними молекулам воды.

 

Зависимость биологической роли воды от её строения и свойств

                                    

1. Вода – хороший растворитель. Благодаря полярности молекул и способности образовывать водородные связи вода легко растворяет ионные вещества (соли, кислоты, основания). Хорошо растворяются в воде и некоторые неионные, но полярные соединения, т.е. в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы (сахара, низшие спирты, аминокислоты). Вещества, хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными (с греч. hydros – водный, влажный и  philia – дружба, склонность, любовь; т.е. люблю воду).

Способность растворять газы (О₂;  СО₂) является, в физиологическом отношении, важным свойством воды.

В качестве растворителя вода обеспечивает как приток веществ в клетку, так и удаление из неё продуктов жизнедеятельности, а также растворы имеют более низкую температуру замерзания, чем чистая вода. Поэтому некоторые организмы накапливают в своих тканях вещества, предотвращающие

замерзание и образование кристаллов льда, которые могут привести к повреждению и гибели клетки. Например, лягушки способны оживать после вмерзания в лёд. Это обеспечивается повышенным содержанием в их клетках глюкозы. В теле насекомых перед наступлением холодов увеличивается концентрация глицерина и может доходит до 3% всего жидкого содержимого. Морозостойкость растений также связана с увеличением концентрации сахаров, а у большинства растений также возрастает синтез водорастворимых белков, которые частично гидролизуясь, увеличивают содержание свободных аминокислот.  В растворе возрастает реакционная способность веществ, поэтому все реакции гидролиза (разложение веществ) и окислительно – восстановительные реакции идут при участии воды.

Вещества, плохо растворимые в воде, называются гидрофобными (от греч. рhobos – страх; т.е. боязнь воды). К ним относятся жиры, нуклеиновые кис-лоты, некоторые витамины.

2.  С малыми размерами и нелинейным строением молекул воды связана биологическая роль, как:

а) среды для протекания реакций: гидролиза макромолекул (пищеварение), биохимических в клетках;

б) донора электронов, источника ионов водорода и свободного кислорода при фотосинтезе.

в) вещества, обеспечивающего рН среды, которая определяется концентрацией Н⁺ и ОН^-.

3. Теплоёмкость воды – это способность поглощать тепловую энергию. При этом происходитминимальное повышение собственной температуры клетки. Большая теплоёмкость воды защищает ткани организма от быстрого и сильного повышения температуры. Многие организмы охлаждаются, испаряя воду (испарение воды листьями растений, потоотделения у животных).
4. Теплопроводность воды обеспечивает равномерное распределение тепла по всему организму. Таким образом, высокая теплоёмкость и хорошая теплопроводность делают воду идеальной жидкостью для теплового равновесия в клетке и организме, т.е. температура внутри клетки и организма остаётся неизменной или её колебания незначительны по сравнению с температурой  окружающей среды.

Теплоемкость и теплопроводность связаны со способностью молекул воды образовывать водородные связи. При замерзании вода расширяется (образуется много водородных связей), лед легче воды, плавает на её поверхности, самая «тяжелая вода» при

 t +4⁰, что спасает жизнь водным обитателям зимой.

5. Вода практически не сжимается благодаря силам межмолекулярного сцепления, результате чего создается тургорное давление (давление цитоплазмы на клеточную стенку изнутри, что обеспечивает напряжённое состояние оболочек клеток). Это определяет объём и упругость клеток, тканей и служит для поддержания формы организмов (гидростатический скелет). Именно гидростатический скелет поддерживает форму тела круглых червей, медуз и др. организмов, а также поддерживает и защищает плод млекопитающих. За счет вязкости вода выполняет функцию смазывающего вещества в биологических системах: синовиальная жидкость («смазка» в суставах), плевральная жидкость (плевральная полость), слизь.

6.  Сила поверхностное натяжение воды.  Поверхностное натяжение определяет степень сцепления молекул воды между собой. Чем выше показатель, тем больше энергии тратит организм, чтобы разорвать это сцепление и усвоить воду. Чем меньше сила сцепления молекул и показатель натяжения, тем быстрее организм усвоит воду, и полезные вещества попадут куда следует.

У воды из-под крана в клетке — степень ПН - 73 дин/см эквивалентно единицам системы  СИ мН/м (миллиньютонам на метр); в организме человека — 40-43 дин/см.

Это значит, что вода в организме в два раза легче. Для того, чтобы усвоить воду с большим поверхностным натяжением, организм тратит много энергии. Приходится сначала разорвать молекулы, чтобы они стали доступны для организма. Чем ближе показатель к цифре 43 дин/см тем быстрее организм усваивает воду. Благодаря этому свойству обеспечивается кровоток в организме.

 

Ионы минеральных солей:

1. обеспечивают раздражимость и передачу возбуждения по нерву или  мышце, т.к., из-за разности концентраций ионов в клетке и в окружающей среде, образуется разность потенциалов между клеткой и окружающей средой;
2. определяют буферные свойства, т.е. способность поддерживать рН (водородный показатель, характеризующий концентрацию ионов Н⁺) на постоянном уровне (рН цитоплазмы слабощелочная). Изменение его на 1-2 единицы губительно для клетки.

Буферным называют раствор, содержащий смесь какой – либо слабой кислоты и её растворимой соли.  рН внутриклеточной жидкости млекопитающих, в пределах 6,9 – 7,4, поддерживается за счёт фосфатной буферной смеси, состоящей из ионов НРО₄ и  Н₂РО₄                                                                           

Главной буферной системой внеклеточной среды (плазмы крови) служит бикарбонатная система, состоящая из Н₂СО₃ и НСО₃ и поддерживающая рН на уровне 7,4.  

Когда кислотность увеличивается, свободные анионы, источником которых является соль, соединяются  со свободными ионами Н⁺ и удаляют их из раствора. Когда кислотность снижается, высвобождаются дополнительные ионы Н⁺.  Так поддерживается относительно постоянная концентрация ионов Н⁺. Некоторые органические соединения, например белки, также имеют буферные свойства, т.к. являются электролитами.  

3. Ионы некоторых металлов (Mg,  Ca,  Fe,  Zn,  Mn,  Br,  Co) являются компонентами  ферментов, гормонов и витаминов или активирует их.

 

Биологическая роль ионов натрия, калия, хлора, кальция, магния

                          

Ион	Нахождение в организме	Роль для организма
Na+	Внеклеточный ион: при-сутствует практически во всех органах, тканях и биологических жидкос-тях, большая часть его находится во внеклеточ-ных жидкостях - около 50%, в костях и хрящах - около 40% и менее 10% - внутри клеток.	1) играет важную роль в процессе внутрикле-точного и межклеточного обмена; 2) активирует ряд ферментов слюнных желёз и поджелудочной железы; 3) более чем на 30% обеспечивает щелочной резерв плазмы крови; 4) активирует в организме выработку гормона вазопрессина, который ведет к увеличению внеклеточного объема жидкости и суживает сосуды, что ведет к повышению артериального давления; 5) участвует в выработке гормонов, которые  спо-собствуют выведению почками его излишков из организма; 6) он обеспечивает щелочную реакцию секрета поджелудочной железы, за счет этого происходит нейтрализация желудочного сока (кислая среда), поступающего в двенадцатиперстную кишку.
К+	основной внутриккле-точный катион. В орга-низме человека около 98 % калия находится внутри клеток тканей. Не способен к депонирова-нию (накоплению), по-этому значительные ко-лебания содержания его в организме  сразу ска-зываются на внутрикле-точном состоянии.	1) необходим для синтеза белков, АТФ и гликогена; 2) он замедляет частоту сердечных сокращений, способствуя в некоторых случаях нормализации сердечного ритма; 3) участвует в передаче сигналов по нервному волокну; 4) поддерживает кислотно – щелочное равновесие; 5) регулирует водный баланс в организме; 6) улучшает снабжение мозга кислородом; 7) способствует снижению давления крови; 8) поддерживает осмотическое давление жидкостей организма (преимущественно внутри клетки).
К+, Na+        1) антогонисты по физиологическому действию: а) необходимы для регуляции водного обмена, но ионы натрия задерживают воду в организме, а ионы калия, наоборот, способствуют выведению воды б) в большинстве случаев ион калия ускоряет, а ион натрия замедляет ферментативные реакции. Исключение составляет синтез жиров, который активируется большим количеством натрия, благодаря чему происходит восстановление повреждений самих клеточных мембран;  2) на клеточной мембране оболочки клетки с одной и с другой ее стороны создается разность концентраций каждого из этих двух химических элементов. Благодаря чему происходит: а) проведение возбуждения в нервных и мышечных клетках; б) обеспечивают водно – солевой обмен, а также регуляцию клеточного обмена веществ; 3) поддерживают кислотно – щелочной баланс организма.
Cl-	Главный внеклеточный  анион, 90% аниона нахо-дится во внеклеточной жидкости. Содержится в плазме крови в виде NaCl (у женщин больше, чем у мужчин), эритро-цитах, мышцах, в коже.	1) хлорид натрия участвует в синтезе соляной кислоты в желудке; 2) стимулирует у человека аппетит и способствует выделению желудочного сока; 3) предохраняет от обезвоживания организм, он также выводит из клеток и тканей углекислый газ, шлаки и токсины; 4) принимает участие в поддержании нормального состояния эритроцитов; 5) ионы натрия, калия и хлора участвуют в созда-нии и поддержании осмотического давления  (с концентрацией 0,9%),   кислотно-щелочного баланса в клетках и межклеточных жидкостях организма, обеспечивают проницаемость клеточ-ных мембран, поддерживают водно – солевой ба-ланс проведение нервного импульса по волокну.
Ca       Ca2+	Содержится в 2-х фор-мах: а) связанной (костная ткань и ткань зубов); б) свободной (кровь, мышцы). Если резервы Са2+ в свободной форме истощены, то он извлекается из костей для поддержания его уровня в крови.	1) формирование костной ткани и минерализация зубов; 2) участвует в сокращении мышц и, действуя на сердечную мышцу, координирует сердцебиение; 3) необходим для проведения нервного импульса; 4) обеспечивает нормальную свертываемость крови, усиливая действие витамина К; 5)  вместе с калием, натрием, магнием кальций регулирует давление крови; 6) воздействует на проницаемость клеточных мембран; 7) С уменьшением концентрации Ca2+  в крови повышается возбудимость мышц, что приводит к судорогам.
Mg2+	До 70% входит в состав костей, остальной объём содержится в мышцах, эндокринных железах. Небольшое количество – в крови. В растительных клетках входит в состав пигмента – хлорофилла. Входит в состав ферментов (ко-фермент)	1) стабилизирует костную структуру и придает костям твёрдость; 2) является коферментом и активатором ряда ферментов, поэтому с участием магния протекает более 300 ферментативных реакций; 3) связывает между собой субъединицы рибосом; 4) снижается мышечная возбудимость т.е. расслаб-ляет мышцы; 5) «антистрессовый минерал», т.к. повышает устойчивость к стрессам и успокаивает нервную систему; 6) под воздействием соединений магния усилива-ется перистальтика кишечника, лучше отделяется желчь и выводится холестерин, что снижает риск инсульта и инфаркта; 7) при дефиците магния калий плохо удерживается внутри клеток; 8) участвует в синтезе белка играет существенную роль в процессах образования фибрина, то есть влияет на свертываемость крови, принимает прямое участие в процессах регенерации поврежденных тканей. 9) Без магния клетка не может синтезировать ДНК
Ca2+ и Mg2+  антогонисты по физиологическому действию: Ca2+ вызывает сокращение мышц, а ион Mg2+ - расслабление; Mg2+ вызывает наркоз, а Ca2+ снимает это явление.

 

Исследования, проведенные в Африке среди населения, питающегося исключительно натуральными нерафинированными продуктами, показали, что там почти не бывает мочекаменной болезни, хотя в среднем люди получают в 4-5 раз больше кальция, чем принято в Европе. Дело в том, что кальций в рационе африканцев уравновешен достаточным количеством магния.

Важный источник многих минеральных веществ, в частности кальция и магния, - вода. Замечено: жители районов, снабжающихся жесткой водой (содержащей большое количество минеральных солей), меньше жалуются на высокое давление, высокий уровень холестерина в крови и аритмии, чем те, кто вынужден употреблять мягкую воду. Кстати это - уязвимое место многих фильтров для воды, делающих водопроводную воду почти дистиллированной.

Нехватка магния в организме

К сожалению, человек редко обращает внимание на дефицит магния в организме. А между тем, постоянная нехватка магния в организме вызывает масштабные функциональные нарушения во всех органах. О недостаточности магния говорят судороги в мышцах и дрожь, повышенная раздражительность, ухудшение концентрации. Из-за того, что при недостатке магния снижается уровень кальция, возникает остеопороз костей. Нарушение функционирования паращитовидной железы и сбои в работе сердца тоже являются проявлениями недостатка магния. Начальные симптомы нехватки магния заметить несложно – раздражительность и тремор, внезапные головокружения, сопровождаемые потерей равновесия, упомянутые уже мышечные судороги, покалывающие ощущения в ногах, выпадают волосы, повышается ломкость ногтей. Все эти симптомы наблюдаются у алкоголезависимых людей, а так же у тех, кто в больших объёмах употребляет чёрный чай, кофе, чрезмерно солёные или сладкие блюда. Специалисты уверены, что инфаркт людей в возрасте от 30 до 40 лет вызывается именно недостаточным содержанием магния в сердечной мышце. 50%-ная недостаточность магния может привести к летальному исходу.

Установить, грозит ли вам нехватка магния в организме со всеми вытекающими последствиями, сравнительно просто. Необходимо принять вертикальное положение, напрячь мышцы или с усилием потянуться. Болезненные ощущения в лодыжках – первый тревожный «звонок». Необходимо предпринять меры к восстановлению магниевого баланса. Однако не переусердствуйте. Ибо избыток магния в организме вреден не меньше, чем недостаток.

 

 

 

 

Литература:

1. Войнар А.И. Биологическая роль микроэлементов в организме животных и человека. – М.: Наука, 1960. – 497 с.
2. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология: в 3т. — Мир, 1993. — Т. 1. — С. 105—112. — 456 с.
3. Розин Б.Я. Химия – союзник медицины – М. , «Медицина», 1976
4. Макаров К.А. Химия и медицина – М., «Прсвещение», 1981
5. Венецкий С.И. Рассказы о металлах – М.. «Металлургия», 1979
6. Терлецкий  Е.Д. Металлы, которые всегда с тобой – М.. «Знание», 1986
7. Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. Биология 10-11 – М. «Дрофа» 2006
8. Пасечник В.В Биология 10 класс – М., «Просвещение»,2019
9. Пономарева И.Н., Корнилова О.А., Лощилина Т.Е. Общая биология – М., «Вантана-Граф», 2005     

 

 

 

 

Опубликовано: 28.06.2025