4.6. Неорганические вещества Неорганические вещества в плазме и сыворотке крови (калий, натрий, кальций, фосфор, магний, железо, хлор и др.), определяют физикохимические свойства крови.Количество неорганических веществ в плазме – около 1 %. В тканях организма они находятся в

6.9. Стволовые клетки Сейчас модно рассуждать на тему стволовых клеток. Когда меня спрашивают, что я об этом думаю, то я отвечаю вопросом на вопрос: «Где? В России или в мире?».В России и в мире ситуации в этой области совершенно разные. В мире идут интенсивные исследования и

Вода . Из неорганических веществ, входящих в состав клетки , важнейшим является вода. Количество ее составляет от 60 до 95% общей массы клетки . Вода играет важнейшую роль в жизни клеток и живых организмов в целом . Помимо того что она входит в их состав, для многих организмов это еще и среда обитания.

Роль воды в клетке определяется ее уникальными химическими и физическими свойствами, связанными главным образом с малыми размерами молекул, с полярностью ее молекул и с их способностью образовывать друг с другом водородные связи.

Вода как компонент биологических систем выполняет следующие важнейшие функции:

1. Вода-универсальный растворитель для полярных веществ, например солей, Сахаров , спиртов, кислот и др. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными. Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы получают возможность двигаться более свободно; соответственно возрастает реакционная способность вещества. Именно по этой причине большая часть химических реакций в клетке протекает в водных растворах. Ее молекулы участвуют во многих химических реакциях, например при образовании или гидролизе полимеров. В процессе фотосинтеза вода является донором электронов, источником ионов водорода и свободного кислорода.
2. Неполярные вещества вода не растворяет и не смешивается с ними, поскольку не может образовывать с ними водородные связи. Нерастворимые в воде вещества называются гидрофобными. Гидрофобные молекулы или их части отталкиваются водой, а в ее присутствии притягиваются друг к другу. Такие взаимодействия играют важную роль в обеспечении стабильности мембран , а также многих белковых молекул, нуклеинов вых кислот и ряда субклеточных структур.
3. Вода обладает высокой удельной теплоемкостью. Для разрыва водородных связей, удерживающих молекулы воды, требуется поглотить большое количество энергии. Это свойство обеспечивает поддержание теплового баланса организма при значительных перепадах температуры в окружающей среде. Кроме того, вода отличается высокой теплопроводностью, что позволяет организму поддерживать одинаковую температуру во всем его объеме.
4. Вода характеризуется высокой теплотой парообразования, т. е. способностью молекул уносить с собой значительное количество тепла при одновременном охлаждении организма. Благодаря этому свойству воды, проявляющемуся при потоотделении у млекопитающих , тепловой одышке у крокодилов и других животных , транспирации у растений , предотвращается их перегрев.
5. Для воды характерно исключительно высокое поверхностное натяжение. Это свойство имеет очень важное значение для адсорбционных процессов, для передвижения растворов по тканям (кровообращение , восходящий и нисходящий токи в растениях). Многим мелким организмам поверхностное натяжение позволяет удерживаться на воде или скользить по ее поверхности.
6. Вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма .
7. У растений вода определяет тургор клеток, а у некоторых животных выполняет опорные функции, являясь гидростатическим скелетом (круглые и кольчатые черви , иглокожие).
8. Вода - составная часть смазывающих жидкостей (синовиальной - в суставах позвоночных , плевральной - в плевральной полости, перикардиальной - в околосердечной сумке) и слизей (облегчают передвижение веществ по кишечнику , создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей). Она входит в состав слюны, желчи, слез, спермы и др.

Минеральные соли. Неорганические вещества в клетке, кроме воды, прецспавлевы минеральными солями. Молекулы солей в водном растворе распадаются на катионы и анионы. Наибольшее значение имеют катионы (К + , Na + , Са 2+ , Mg:+ , NH 4 +) и анионы (С1 , Н 2 Р0 4 -, НР0 4 2- , НС0 3 -, NO3 2-- , SO 4 2-) Существенным является не только содержание, но и соотношение ионов в клетке.

Разность между количеством катионов и анионов на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникновение потенциала действия, что лежит в основе возникновения нервного и мышечного возбуждения. Разностью концентрации ионов по разные стороны мембраны обусловлен активный перенос веществ через мембрану, а также преобразование энергии.

К ним относятся вода и минеральные соли.

Вода необходима для осуществления жизненных процессов в клетке. Ее содержание составляет 70-80% от массы клетки. Основные функции воды:

представляет собой универсальный растворитель;

является средой, в которой протекают биохимические реакции;

определяет физиологические свойства клетки (упругость, объем);

участвует в химических реакциях;

поддерживает тепловое равновесие организма благодаря высокой теплоемкости и теплопроводности;

является основным средством для транспорта веществ.

Минеральные соли присутствуют в клетке в виде ионов: катионы К + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+ ; анионы – Cl - , HCO 3 - , H 2 РО 4 - .

3. Органические вещества клетки.

Органические соединения клетки состоят из многих повторяющихся элементов (мономеров) и представляют собой крупные молекулы - полимеры. К ним относят белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. Их содержание в клетке: белки -10-20%; жиры - 1-5%; углеводы - 0,2-2,0%; нуклеиновые кислоты - 1-2%; низкомолекулярные органические вещества – 0,1-0,5%.

Белки – высокомолекулярные (с большой молекулярной массой) органические вещества. Структурной единицей их молекулы является аминокислота. В образовании белков принимают участие 20 аминокислот. В состав молекулы каждого белка входят только определенные аминокислоты в свойственном этому белку порядке расположения. Аминокислота имеет следующую формулу:

H 2 N – CH – COOH

В состав аминокислот входят NH 2 – аминогруппа, обладающая основными свойствами; СООН – карбоксильная группа с кислотными свойствами; радикалы, отличающие аминокислоты друг от друга.

Существуют первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белка. Аминокислоты, соединенные между собой пептидными связями, определяют его первичную структуру. Белки первичной структуры с помощью водородных связей соединяются в спираль и образуют вторичную структуру. Полипептидные цепи, скручиваясь определенным образом в компактную структуру, образуют глобулу (шар) - третичная структура белка. Большинство белков имеет третичную структуру. Следует отметить, что аминокислоты активны только на поверхности глобулы. Белки с глобулярной структурой объединяются и формируют четвертичную структуру (например, гемоглобин). При воздействии высокой температуры, кислот и других факторов сложные белковые молекулы разрушаются – денатурация белка . При улучшении условий денатурированный белок способен восстанавливать свою структуру, если не разрушается его первичная структура. Этот процесс называется ренатурацией.

Белки отличаются видовой специфичностью: для каждого вида животных характерен набор определенных белков.

Различают белки простые и сложные. Простые состоят только из аминокислот (например, альбумины, глобулины, фибриноген, миозин и др.). В состав сложных белков, кроме аминокислот, входят и другие органические соединения, например, жиры и углеводы (липопротеиды, гликопротеиды и др.).

Белки выполняют следующие функции:

ферментативную (например, фермент амилаза расщепляет углеводы);

структурную (например, входят в состав мембран и др. органоидов клетки);

рецепторную (например, белок родопсин способствует лучшему зрению);

транспортную (например, гемоглобин переносит кислород или углекислый газ);

защитную (например, белки иммуноглобулины участвуют в формировании иммунитета);

двигательную (например, актин и миозин участвуют в сокращении мышечных волокон);

гормональную (например, инсулин превращает глюкозу в гликоген);

энергетическую (при расщеплении 1 г белка выделяется 4,2 ккал энергии).

Жиры (липиды) - соединения трёхатомного спирта глицерина и высокомолекулярных жирных кислот. Химическая формула жиров:

CH 2 -O-C(O)-R¹

CH 2 -O-C(O)-R³, где радикалы могут быть разными.

Функции липидов в клетке:

структурная (принимают участие в построении клеточной мембраны);

энергетическая (при распаде в организме 1 г жира выделяется 9,2 ккал энергии);

защитная (сохраняют от потери тепла, механических повреждений);

жир – источник эндогенной воды (при окислении 10 г жира выделяется 11 г воды);

регуляция обмена веществ.

Углеводы – их молекулу можно представить общей формулой С n (Н 2 О) n – углерод и вода.

Углеводы делят на три группы: моносахариды (включают одну молекулу сахара - глюкоза, фруктоза и др.), олигосахариды (включают от 2 до 10 остатков моносахаридов: сахароза, лактоза) и полисахариды (высокомолекулярные соединения – гликоген, крахмал и др.).

Функции углеводов:

служат исходными элементами для построения разнообразных органических веществ, например, при фотосинтезе - глюкоза;

основной источник энергии для организма, при их разложении с использованием кислорода выделяется больше энергии, чем при окислении жира;

защитная (например, слизь, выделяемая различными железами, содержит много углеводов; она предохраняет стенки полых органов (бронхи, желудок, кишечник) от механических повреждений; обладая антисептическими свойствами);

структурная и опорная функции: входят в состав плазматической мембраны.

Нуклеиновые кислоты – это фосфорсодержащие биополимеры. К ним относятся дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК) кислоты .

ДНК - самые крупные биополимеры, их мономером является нуклеотид . Он состоит из остатков трех веществ: азотистого основания, углевода дезоксирибозы и фосфорной кислоты. Известны 4 нуклеотида, участвующие в образовании молекулы ДНК. Два азотистых основания являются производными пиримидина – тимин и цитозин. Аденин и гуанин относят к производным пурина.

Согласно модели ДНК, предложенной Дж. Уотсоном и Ф. Криком (1953), молекула ДНК представляет собой две спирально обвивающие друг друга нити.

Две нити молекулы удерживаются вместе водородными связями, которые возникают между их комплементарными азотистыми основаниями. Аденин комплементарен тимину, а гуанин – цитозину. ДНК в клетках находится в ядре, где она вместе с белками образует хромосомы . ДНК имеется также в митохондриях и пластидах, где их молекулы располагаются в виде кольца. Основная функция ДНК – хранение наследственной информации, заключенной в последовательности нуклеотидов, образующих ее молекулу, и передача этой информации дочерним клеткам.

Рибонуклеиновая кислота одноцепочечная. Нуклеотид РНК состоит из одного из азотистых оснований (аденина, гуанина, цитозина или урацила), углевода рибозы и остатка фосфорной кислоты.

Различают несколько видов РНК.

Рибосомальная РНК (р-РНК) в соединении с белком входит в состав рибосом. На рибосомах осуществляется синтез белка. Информационная РНК (и-РНК) переносит информацию о синтезе белка из ядра в цитоплазму. Транспортная РНК (т-РНК) находится в цитоплазме; присоединяет к себе определенные аминокислоты и доставляет их к рибосомам – месту синтеза белка.

РНК находится в ядрышке, цитоплазме, рибосомах, митохондриях и пластидах. В природе есть еще один вид РНК – вирусная. У одних вирусов она выполняет функцию хранения и передачи наследственной информации. У других вирусов данную функцию выполняет вирусная ДНК.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) - является особым нуклеотидом, образованным азотистым основанием аденином, углеводом рибозой и тремя остатками фосфорной кислоты.

АТФ – универсальный источник энергии, необходимой для биологических процессов, протекающих в клетке. Молекула АТФ очень неустойчива и способна отщеплять одну или две молекулы фосфата с выделением большого количества энергии. Эта энергия расходуется на обеспечение всех жизненных функций клетки – биосинтеза, движения, генерации электрического импульса и др. Связи в молекуле АТФ называются макроэргическими. Отщепление фосфата от молекулы АТФ сопровождается выделением 40 кДж энергии. Синтез АТФ происходит в митохондриях.

Впервые химические вещества классифицировал в конце IX столетия арабский ученый Абу Бакр ар-Рази. Он, опираясь на происхождение веществ, распределили их по трем группам. В первой группе он отвел место минеральным, во второй - растительным и в третьей - животным веществам.

Этой классификации было суждено просуществовать почти целое тысячелетие. Лишь в XIX веке из тех групп сформировали две - органические и неорганические вещества. Химические вещества обоих типов строятся благодаря девяноста элементам, внесенным в таблицу Д. И. Менделеева.

Группа неорганических веществ

Среди неорганических соединений различают простые и сложные вещества. Группа простых веществ объединяет металлы, неметаллы и благородные газы. Сложные вещества представлены оксидами, гидроксидами, кислотами и солями. Все неорганические вещества могут строиться из любых химических элементов.

Группа органических веществ

В состав всех органических соединений в обязательном порядке входит углерод и водород (в этом их принципиальное отличие от минеральных веществ). Вещества, образованные C и H называются углеводородами - простейшими органическими соединениями. В составе производных углеводородов находится азот и кислород. Они, в свою очередь, классифицированы на кислород- и азотсодержащие соединения.

Группа кислородсодержащих веществ представлена спиртами и эфирами, альдегидами и кетонами, карбоновыми кислотами, жирами, восками и углеводами. К азотсодержащим соединениям причислены амины, аминокислоты, нитросоединения и белки. У гетероциклических веществ положение двояко - они, в зависимости от строения, могут относиться и к тому и к другому виду углеводородов.

Химические вещества клетки

Существование клеток возможно, если в их состав входят органические и неорганические вещества. Они погибают, когда в них отсутствует вода, минеральные соли. Клетки умирают, если сильно обеднены нуклеиновыми кислотами, жирами, углеводами и белками.

Они способны к нормальной жизнедеятельности, если в них находится несколько тысяч соединений органической и неорганической природы, способных вступать во множество различных химических реакций. Биохимические процессы, текущие в клетке - основа ее жизнедеятельности, нормального развития и функционирования.

Химические элементы, насыщающие клетку

Клетки живых систем содержат группы химических элементов. Они обогащены макро-, микро- и ультрамикроэлементами.

• Макроэлементы, прежде всего, представлены углеродом, водородом, кислородом и азотом. Эти неорганические вещества клетки образуют практически все ее органические соединения. А еще к ним причислены жизненно необходимые элементы. Клетка не способна жить и развиваться без кальция, фосфора, серы, калия, хлора, натрия, магния и железа.
• Группа микроэлементов образована цинком, хромом, кобальтом и медью.
• Ультрамикроэлементы - еще одна группа, представляющая важнейшие неорганические вещества клетки. Группа сформирована золотом и серебром, оказывающим бактерицидное действие, ртутью, препятствующей обратному всасыванию воды, заполняющей почечные канальцы, оказывающей влияние на ферменты. В нее же включена платина и цезий. Определенную роль в ней отводят селену, дефицит которого ведет к различным видам рака.

Вода в составе клетки

Важность воды, распространенного на земле вещества для жизни клетки, неоспорима. В ней растворяются многие органические и неорганические вещества. Вода - та благодатная среда, где протекает невероятное количество химических реакций. Она способна растворять продукты распада и обмена. Благодаря ей клетку покидают шлаки и токсины.

Эта жидкость наделена высокой теплопроводностью. Это позволяет теплу равномерно распространяться по тканям тела. У нее существенная теплоемкость (способность поглощать теплоту, когда собственная температура изменяется минимально). Такая способность не позволяет возникать в клетке резким перепадам температур.

Вода обладает исключительно высоким поверхностным натяжением. Благодаря ему растворенные неорганические вещества, как и органические, без труда передвигаются по тканям. Множество небольших организмов, используя особенность поверхностного натяжения, держатся на водной поверхности и свободно по ней скользят.

Тургор растительных клеток зависит от воды. С опорной функцией у определенных видов животных справляется именно вода, а не какие-нибудь другие неорганические вещества. Биология выявила и изучила животных с гидростатическими скелетами. К ним относятся представители иглокожих, круглых и кольчатых червей, медуз и актиний.

Насыщенность клеток водой

Работающие клетки заполнены водой на 80 % от их общего объема. Жидкость пребывает в них в свободной и связанной форме. Белковые молекулы прочно соединяются со связанной водой. Они, окруженные водной оболочкой, изолируются друг от дружки.

Молекулы воды полярны. Они образуют водородные связи. Благодаря водородным мостикам вода обладает высокой теплопроводностью. Связанная вода позволяет клеткам выдерживать пониженные температуры. На долю свободной воды приходится 95 %. Она способствует растворению веществ, вовлекаемых в клеточный обмен.

Высокоактивные клетки в тканях мозга содержат до 85 % воды. Мышечные клетки насыщены водой на 70 %. Менее активным клеткам, образующим жировую ткань, достаточно 40 % воды. Она в живых клетках не только растворяет неорганические химические вещества, она ключевой участник гидролиза органических соединений. Под ее воздействием органические вещества, расщепляясь, превращаются в промежуточные и конечные вещества.

Важность минеральных солей для клетки

Минеральные соли представлены в клетках катионами калия, натрия, кальция, магния и анионами HPO 4 2- , H 2 PO 4 - , Cl - , HCO 3 - . Правильные пропорции анионов и катионов создают необходимую для жизни клетки кислотность. Во многих клетках поддерживается слабощелочная среда, которая практически не меняется и обеспечивает их стабильное функционирование.

Концентрация катионов и анионов в клетках отлична от их соотношения в межклеточном пространстве. Причина тому - активная регуляция, направленная на транспортировку химических соединений. Такое течение процессов обуславливает постоянство химических составов в живых клетках. После гибели клеток концентрация химических соединений в межклеточном пространстве и цитоплазме обретает равновесие.

Неорганические вещества в химической организации клетки

В химическом составе живых клеток нет каких-либо особых элементов, характерных только для них. Это определяет единство химических составов живых и неживых объектов. Неорганические вещества в составе клетки играют огромную роль.

Сера и азот помогают формироваться белкам. Фосфор участвует в синтезе ДНК и РНК. Магний - важная составляющая ферментов и молекул хлорофилла. Медь необходима окислительным ферментам. Железо - центр молекулы гемоглобина, цинк входит в состав гормонов, вырабатываемых поджелудочной железой.

Важность неорганических соединений для клеток

Соединения азота преобразуют белки, аминокислоты, ДНК, РНК и АТФ. В растительных клетках ионы аммония и нитраты в процессе окислительно-восстановительных реакций превращаются в NH 2 , становятся участниками синтеза аминокислот. Живые организмы используют аминокислоты для формирования собственных белков, необходимых для строительства тел. После гибели организмов белки вливаются в круговорот веществ, при их распаде азот выделяется в свободной форме.

Неорганические вещества, в составе которых есть калий, играют роль «насоса». Благодаря «калиевому насосу» в клетки сквозь мембрану проникают вещества, в которых они остро нуждаются. Калиевые соединения приводят к активизации жизнедеятельности клеток, благодаря им проводятся возбуждения и импульсы. Концентрация ионов калия в клетках весьма высока в отличие от окружающей среды. Ионы калия после гибели живых организмов легко переходят в природное окружение.

Вещества, содержащие фосфор, способствуют формированию мембранных структур и тканей. В их присутствии образуются ферменты и нуклеиновые кислоты. Солями фосфора в той или иной степени насыщены различные слои почвы. Корневые выделения растений, растворяя фосфаты, усваивают их. Вслед за отмиранием организмов остатки фосфатов, подвергаются минерализации, превращаясь в соли.

Неорганические вещества, содержащие кальций, способствуют формированию межклеточного вещества и кристаллов в растительных клетках. Кальций из них проникает в кровь, регулируя процесс ее свертывания. Благодаря ему формируются кости, раковины, известковые скелеты, коралловые полипы у живых организмов. Клетки содержат ионы кальция и кристаллы его солей.