Химический состав клетки. Неорганические вещества

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, разви­тия, функционирования.

Все клетки животных и растительных организмов, а также микроорганизмов сходны по химическому составу, что свидетельст­вует о единстве органического мира.

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.

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.

Углеводы. Углеводы содержатся в животных клетках в не­большом количестве (около 1 % от массы сyxoгo вещества); в клетках печени и мышц их больше (до 5%). Растительные же клетки очень богаты углеводами: в высушенных листьях, семе­нах, плодах, клубнях картофеля их почти 70%.

Углеводы представляют собой сложные органические соедине­ния, в их состав входят атомы углерода, кислорода и водорода.

Различают простые и сложные углеводы. Простые углеводы называют моносахаридами. Сложные углеводы представляют со­бой полимеры, в которых моносахариды играют роль мономеров. Из двух моносахаридов образуется дисахарид, из трех - триса­харид, из многих - полисахарид.

Все моносахариды - бесцветные вещества, хорошо раствори­мые в воде. Почти все они обладают приятным сладким вкусом. Самые распространенные моносахариды - глюкоза, фруктоза, рибоза и дезоксирибоза. Сладкий вкус фруктов и ягод, а также меда зависит от содержания в них глюкозы и фруктозы. Рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот (с. 158) и АТФ (с. 163).

Ди- и трисахариды, подобно моносахаридам, хорошо раство­ряются в воде, обладают сладким вкусом. С увеличением числа мономерных звеньев растворимость полисахаридов уменьшается, сладкий вкус исчезает.

Из дисахаридов важны свекловичный (или тростниковый) и молочный сахар, из полисахаридов широко распространены крах­мал (у растений), гликоген (у животных), клетчатка (целлюло­за). Древесина - почти чистая целлюлоза. Мономерами этих полисахаридов является глюкоза.

Биологическая роль углеводов. Углеводы играют роль источ­ника энергии, необходимой для осуществления клеткой различ­ных форм активности. Для деятельности клетки - движения, секреции, биосинтеза, свечения и т. Д.- необходима энергия. Сложные по структуре, богатые энергией, углеводы подвергаются в клетке глубокому расщеплению и в результате превращаются в простые, бедные энергией соединения - оксид углерода (IV) и воду (СО2 И Н20). В ходе этого процесса освобождается энергия. При расщеплении 1 г углевода освобождается 17,6 кДж.

Кроме энергетической, углеводы выполняют и строительную функцию. Например, из целлюлозы состоят стенки растительных клеток.

Липиды. Липиды содержатся во всех клетках животных и растений. Они входят в состав многих клеточных структур.

Липиды представляют собой органические вещества, нераст­воримые в воде, но растворимые в бензине, эфире, ацетоне.

Из липидов самые распространенные и известные - жиры.

Содержание жира в клетках обычно невелико: 5-10% (от сухо­го вещества). Существуют, однако, клетки, в которых около 90% жира. У животных такие клетки находятся под кожей, в грудных железах, сальнике. Жир содержится в молоке всех млекопитаю­щих. У некоторых растений большое количество жира сосредоточено в семенах и плодах, например у подсолнечника, конопли, грецкого ореха.

Кроме жиров в клетках присутствуют и другие липидов, на­ пример лецитин, холестерин. К Липидам относятся некоторые ви­тамины (А, О) и гормоны (например, половые).

Биологическое значение липидов велико и многообразно. Отметим, прежде всего, их строительную функцию. Липиды гидро­фобны. Тончайший слой этих веществ входит в состав клеточных мембран. Велико значение самого распространенного из липи­дов - жира - как источника энергии. Жиры способны окислять­ся в клетке до оксида углерода (IV) и воды. В ходе расщеп­ления жира освобождается в два раза больше энергии, чем при расщеплении углеводов. Животные и растения откладывают жир в запас и расходуют его в процессе жизнедеятельности. Высокое содержание жира в семенах необходимо для обеспечения энер­гией проростка, пока он не перейдет к самостоятельному пита­нию.

Необходимо отметить далее значение. жира как источника воды. Из 1 кг жира при его окислении образуется почти 1,1 кг воды. Это объясняет, каким образом некоторые животные' спо­собны обходиться довольно значительное время без воды. Верб­люды, например, совершающие переход через безводную пусты­ню, могут не пить в течение 10-12 дней. Медведи, сурки и дру­гие животные в спячке не пьют более двух месяцев. Необходи­мую для жизнедеятельности воду эти животные получают в ре­зультате окисления жира. Кроме структурной и энергетической функций, липиды выполняют защитные функции:, жир обладает низкой теплопроводностью. Он откладывается под кожей, обра­зуя у некоторых животных значительные скопления. Так, у кита толщина подкожного слоя жира достигает 1м, что позво­ляет этому животному жить в холодной воде полярных морей.