Около 2 % от массы клетки приходится на следующие восемь элементов: калий, натрий, кальций, хлор, магний, железо, фосфор и сера. Остальные химические элементы содержатся в клетке в крайне малом количестве. Некоторые живые организмы способны накапливать определённые химические элементы. Так, например, некоторые водоросли накапливают иод, лютики – литий, ряска – радий и т. д.
Все элементы по содержанию их в живых организмах разделяются на три группы. Элементы, количество которых составляет до 0,001 % от массы тела, называются макроэлементами, те, на долю которых приходится от 0,001 до 0,000001 %, – микроэлементами, а элементы, содержание которых не превышает 0,000001 %, – ультрамикроэлементами (табл. 1).
Таблица 1. Важнейшие химические элементы клетки
Химические вещества клетки. Элементы, входящие в состав организмов, могут быть составными частями молекул разнообразных неорганических и органических соединений либо находиться в форме ионов, например катионов (К+, Na+, Ca2+, Mg2+) и анионов (Сl-, НСО, Н2РО, SO42- и др.) (рис. 5). Важнейшим из неорганических веществ, входящих в состав клетки, является вода. В ней растворены газы (О2, СО2, N2) и другие соединения. Органические вещества состоят в основном из С, Н и О; в составе белков к этим элементам прибавляются N и S, а в нуклеиновых кислотах – N и Р. Соотношение органических и неорганических веществ в клетках различно (табл. 2).
Таблица 2. Процентное соотношение органических и неорганических веществ, содержащихся в клетке
Рис. 5. Вещества, входящие в состав живых организмов
Углерод, имея уникальные химические свойства, фундаментальные для жизни, составляет её химическую основу. Он может вступать в связь со многими атомами и их группами, образуя цепочки, кольца, составляющие скелет различных по химическому составу, строению, длине и форме органических молекул. Из них образуются сложные химические соединения, различающиеся по строению и функциям. Основная причина разнообразия органических молекул – не столько отличия составляющих их атомов, сколько разнообразие порядка их связи друг с другом. Благодаря прочности ковалентных связей существуют гигантские органические молекулы – белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, многообразие которых почти бесконечно. Они составляют более 97 % от сухого вещества клетки.
Макроэлементы. Микроэлементы. Ультрамикроэлементы.
1. Почему можно утверждать, что химический состав клетки является подтверждением единства живой природы и общности живой и неживой природы?
2. Какие элементы относятся к макроэлементам?
3. В чём разница между микроэлементами и ультрамикроэлементами?
4. Почему считают, что углерод составляет химическую основу жизни?
Для организмов важно постоянство содержания многих элементов. Часто недостаток или избыток какого-либо элемента может вызвать различные заболевания. Так, кобальт, входящий в состав витамина В12, стимулирует кроветворение. В то же время его избыток в организме может вызвать развитие злокачественных опухолей. При недостатке иода развивается эндемический зоб, а недостаток цинка снижает плодовитость и вызывает задержки роста у людей и животных.
§ 7. Вода и её роль в жизнедеятельности клетки
1. Какое строение имеет вода?
2. Какое количество воды (в %) содержится в различных клетках?
3. Какова роль воды в живых организмах?
Роль воды в клетке. Вода – одно из самых распространённых веществ на нашей планете. В клетке в количественном отношении она также занимает первое место среди других химических соединений. Чем выше интенсивность обмена веществ в той или иной клетке, тем больше в ней содержится воды.
Вода в клетке находится в двух формах: свободной и связанной. Свободная вода находится в межклеточных пространствах, сосудах, вакуолях, полостях органов. Она служит для переноса веществ из окружающей среды в клетку и наоборот. Связанная вода входит в состав некоторых клеточных структур, находясь между молекулами белка, мембранами, волокнами, и соединена с некоторыми белками.
Вода выполняет различные функции: сохранение объёма, упругости клетки, растворение различных веществ. Кроме того, в живых системах большая часть химических реакций протекает в водных растворах.
Вода обладает рядом свойств, имеющих исключительно важное значение для живых организмов.
Свойства воды. Уникальные свойства воды определяются структурой её молекулы. Молекула воды состоит из атома О, связанного с двумя атомами Н полярными ковалентными связями. Характерное расположение электронов в молекуле воды придаёт ей электрическую асимметрию. Более электроотрицательный атом кислорода притягивает электроны атомов водорода сильнее, в результате общие пары электронов смещены в молекуле воды в его сторону. Поэтому, хотя молекула воды в целом не заряжена, каждый из двух атомов водорода обладает частично положительным зарядом (обозначаемым 8+), а атом кислорода несёт частично отрицательный заряд (8-). Молекула воды поляризована и является диполем (имеет два полюса) (рис. 6).
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 молекулами воды (рис. 7).
Вода является хорошим растворителем. Благодаря полярности молекул и способности образовывать водородные связи вода легко растворяет ионные соединения (соли, кислоты, основания). Хорошо растворяются в воде и некоторые неионные, но полярные соединения, т. е. в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы, например сахара, простые спирты, аминокислоты. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными (от греч. hygros – влажный и philia – дружба, склонность). Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы могут двигаться более свободно и, следовательно, реакционная способность вещества возрастает. Это объясняет, почему вода является основной средой, в которой протекает большинство химических реакций, а все реакции гидролиза и многочисленные окислительно-восстановительные реакции идут при непосредственном участии воды.
Рис. 6. Схема строения молекулы воды
Рис. 7. Водородные связи между молекулами воды
Вещества, плохо или вовсе нерастворимые в воде, называются гидрофобными (от греч. phobos – страх). К ним относятся жиры, нуклеиновые кислоты, некоторые белки и полисахариды. Такие вещества могут образовывать с водой поверхности раздела, на которых протекают многие химические реакции. Следовательно, тот факт, что вода не растворяет неполярные вещества, для живых организмов также очень важен. К числу важных в физиологическом отношении свойств воды относится её способность растворять газы (О2, СО2 и др.).
Вода обладает высокой теплоёмкостью, т. е. способностью поглощать тепловую энергию при минимальном повышении собственной температуры. Большая теплоёмкость воды защищает ткани организма от быстрого и сильного повышения температуры. Многие организмы охлаждаются, испаряя воду (транспирация у растений, потоотделение у животных).
Вода обладает также высокой теплопроводностью, обеспечивая равномерное распределение тепла по всему организму. Следовательно, высокая удельная теплоёмкость и высокая теплопроводность делают воду идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия клетки и организма.
Вода практически не сжимается, создавая тургорное давление, определяя объём и упругость клеток и тканей. Так, именно гидростатический скелет поддерживает форму у круглых червей, медуз и других организмов.
Вода характеризуется оптимальным для биологических систем значением силы поверхностного натяжения, которое возникает благодаря образованию водородных связей между молекулами воды и молекулами других веществ. Благодаря силе поверхностного натяжения происходит капиллярный кровоток, восходящий и нисходящий токи растворов в растениях.
Гидрофильные и гидрофобные вещества.
1. В чём особенность строения молекулы воды?
2. Каково значение воды как растворителя?
3. Что такое теплопроводность и теплоёмкость воды?
4. Почему считают, что вода является идеальной жидкостью для клетки?
5. Какова роль воды в клетке?
6. Какие структурные и физико-химические свойства воды определяют её биологическую роль в клетке?
