Химический состав клетки. Неорганические вещества

Клетка состоит из химических элементов, которые делятся на три группы по содержанию. Макроэлементы составляют около 98% массы клетки — это углерод, водород, кислород и азот. Их называют органогенами, так как они входят в состав всех органических молекул. Мезоэлементы содержатся в количестве от 0,01 до 1%: кальций, фосфор, калий, сера, натрий, хлор, магний, железо. Микроэлементы содержатся в количестве менее 0,01%: цинк, медь, йод, марганец, кобальт, молибден, фтор. Внимание! Несмотря на ничтожное содержание, микроэлементы абсолютно необходимы для жизни: их недостаток вызывает тяжёлые заболевания.

Вода — самое распространённое вещество в клетке: её содержание составляет от 70 до 90% массы. Первая функция — растворитель: вода растворяет полярные вещества (соли, сахара, аминокислоты) и обеспечивает среду для химических реакций. Вторая — транспортная: вода переносит растворённые вещества по клетке и между клетками. Третья — участие в реакциях гидролиза: вода расщепляет биополимеры на мономеры. Четвёртая — терморегуляторная: вода обладает высокой теплоёмкостью и теплотой испарения, что защищает клетку от резких перепадов температуры. Пятая — структурная: вода поддерживает форму клетки (тургор), обеспечивает упругость тканей. Внимание! На ЕГЭ часто спрашивают минимум пять функций воды — знай их наизусть.

Вода является полярной молекулой: атом кислорода притягивает электроны сильнее, чем атомы водорода, поэтому молекула воды имеет частичные отрицательный и положительный заряды. Благодаря полярности вода растворяет ионные соединения (соли) и другие полярные молекулы (сахара, аминокислоты, спирты) — они называются гидрофильными веществами. Неполярные молекулы (жиры, воска) вода не растворяет — они называются гидрофобными. Именно гидрофобность липидов объясняет строение клеточной мембраны: жирные хвосты фосфолипидов обращены внутрь и отделяют внутреннее содержимое клетки от водной среды.

Минеральные соли присутствуют в клетке в двух формах. В растворённом виде — как ионы: катионы калия, натрия, кальция, магния; анионы хлора, фосфата, карбоната. В нерастворимом виде — как твёрдые структуры: соли кальция и фосфора образуют костную ткань и зубную эмаль. Функции ионов: поддержание осмотического давления и водно-солевого баланса; поддержание кислотно-щелочного равновесия, или pH; обеспечение проведения нервных импульсов (ионы натрия и калия); участие в свёртывании крови (ионы кальция); активация ферментов.

Кальций — важнейший мезоэлемент с несколькими функциями. Структурная: вместе с фосфором образует гидроксиапатит — минеральное вещество костей и зубов. Регуляторная: ионы кальция необходимы для свёртывания крови; без кальция фибриноген не превращается в фибрин, и рана не закрывается. Нейромышечная: ионы кальция участвуют в передаче нервного импульса и сокращении мышц. Клеточная: кальций действует как вторичный мессенджер, передающий сигналы внутри клетки. Внимание! Недостаток кальция у детей вызывает рахит, у взрослых — остеопороз (хрупкость костей).

Фосфор входит в состав нескольких жизненно важных молекул. Первое — нуклеиновые кислоты: фосфатные группы образуют сахарофосфатный остов цепи ДНК и РНК. Второе — АТФ, то есть аденозинтрифосфорная кислота: фосфор входит в состав макроэргических связей, хранящих энергию. Третье — фосфолипиды: фосфатная группа образует гидрофильную «голову» фосфолипида — основы клеточной мембраны. Четвёртое — кости и зубы: фосфор вместе с кальцием формирует минеральный матрикс костной ткани.

Железо — важнейший микроэлемент, входящий в состав гемоглобина — белка эритроцитов, переносящего кислород. Один атом железа в составе гема присоединяет одну молекулу кислорода. В одном эритроците около 280 миллионов молекул гемоглобина. Кроме гемоглобина, железо входит в состав миоглобина — кислородзапасающего белка мышц; цитохромов — белков дыхательной цепи митохондрий; ряда ферментов. Внимание! Недостаток железа вызывает железодефицитную анемию: снижается количество эритроцитов и гемоглобина, ухудшается снабжение тканей кислородом.

Йод — микроэлемент, необходимый для синтеза гормонов щитовидной железы: тироксина и трийодтиронина. Эти гормоны регулируют обмен веществ, рост и развитие организма. При недостатке йода щитовидная железа разрастается, пытаясь захватить больше йода из крови — развивается эндемический зоб. У детей дефицит йода вызывает кретинизм — задержку умственного и физического развития. У взрослых — гипотиреоз, то есть микседему: снижение обмена веществ, отёки, вялость. Источники йода: морская рыба, морепродукты, йодированная соль.

Осмос — это диффузия воды через полупроницаемую мембрану из раствора с меньшей концентрацией растворённых веществ в раствор с большей концентрацией. Осмотическое давление определяется концентрацией растворённых веществ, прежде всего ионов минеральных солей. Если концентрация солей вне клетки выше, чем внутри, вода выходит из клетки — клетка сморщивается (плазмолиз у растений). Если концентрация солей вне клетки ниже, вода входит в клетку — клетка набухает (тургор у растений). Поддержание постоянной концентрации ионов — важнейшая задача клетки, обеспечивающая её нормальную работу.

pH — показатель кислотности среды. Нейтральный pH равен 7; ниже 7 — кислая среда; выше 7 — щелочная. Цитоплазма большинства клеток имеет pH около 7,0–7,4 — близкий к нейтральному. Это важно, так как ферменты работают только в узком диапазоне pH. Постоянство pH обеспечивается буферными системами — смесями кислот и оснований, нейтрализующими избыток кислоты или щёлочи. В крови главные буферы — бикарбонатный (ионы гидрокарбоната) и белковый (аминокислоты белков, способные присоединять или отдавать ионы водорода). Внимание! При изменении pH ферменты денатурируют — и клетка погибает. Именно поэтому отравление кислотами или щелочами так опасно.

Гидролиз — расщепление химических связей при участии воды. Например, при переваривании пищи: белки расщепляются на аминокислоты, полисахариды — на моносахариды, жиры — на глицерин и жирные кислоты. В каждой такой реакции молекула воды разрывает химическую связь: один атом водорода присоединяется к одному продукту, а группа ОН — к другому. Гидролиз — основа процессов пищеварения в желудочно-кишечном тракте и переваривания в лизосомах клетки. Именно поэтому при обезвоживании пищеварение нарушается.

У новорождённого ребёнка содержание воды в клетках составляет около 80–90%. У взрослого человека — около 65–70%. У пожилых людей — 55–60%. Снижение содержания воды с возрастом связано с уменьшением синтеза коллагена и других белков, которые удерживают воду в тканях. Это проявляется в сморщивании кожи, снижении упругости тканей, ухудшении работы суставов. Клетки с меньшим содержанием воды медленнее проводят химические реакции, что в целом замедляет обмен веществ.

Содержание воды значительно различается в разных тканях. В сером веществе мозга — около 85%. В мышечной ткани — около 75%. В костной ткани — около 20–25%. В жировой ткани — около 10%. Такое различие объясняется разной интенсивностью обмена веществ: ткани с высокой метаболической активностью (мозг, мышцы) содержат больше воды, так как она необходима для быстрого протекания химических реакций. Кости и жировая ткань метаболически менее активны, поэтому воды в них меньше.

Магний — мезоэлемент с несколькими ключевыми функциями. Главная — магний входит в состав хлорофилла — зелёного пигмента растений. В центре каждой молекулы хлорофилла находится один атом магния; без него фотосинтез невозможен. Кроме того, магний является кофактором более 300 ферментов, в том числе участвующих в синтезе ДНК и АТФ. Магний необходим для нормальной работы мышц и нервной системы; его недостаток вызывает судороги. В костях магний вместе с кальцием и фосфором участвует в минерализации.

Внимание! Первая ошибка — считать, что углерод является основным элементом по массе. По массовой доле первое место занимает кислород (около 65%), второе — углерод (около 18%), третье — водород (около 10%). Вторая ошибка — путать макроэлементы и мезоэлементы. Углерод, водород, кислород и азот — это макроэлементы. Кальций, фосфор, калий, сера — мезоэлементы. Третья ошибка — думать, что микроэлементы не важны из-за малого количества. На самом деле без йода невозможен синтез гормонов щитовидной железы, без железа — синтез гемоглобина, без цинка — работа многих ферментов.