Химические элементы клетки

Химический элемент — определенный вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра. В клетках обнаружено около 80 химических элементов. Их можно разделить на четыре группы:
1 группа — углерод, водород, кислород, азот (98% от содержимого клетки),
2 группа — калий, натрий, кальций, магний, сера, фосфор, хлор, железо (1,9%),
3 группа — цинк, медь, фтор, йод, кобальт, молибден и др. (меньше 0,01%),
4 группа — золото, уран, радий и др. (меньше 0,00001%).

Элементы первой и второй групп в большинстве пособий называют макроэлементами, элементы третьей группы — микроэлементами, элементы четвертой группы — ультрамикроэлементами. Для макро- и микроэлементов выяснены процессы и функции, в которых они участвуют. Для большинства ультрамикроэлементов биологическая роль не выявлена.

Химический элемент

Вещества, в которых химический элемент содержится

Процессы, в которых химический элемент участвует

Углерод, водород, кислород, азот

Белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы и др. органические вещества

Синтез органических веществ и весь комплекс функций, осуществляемых этими органическими веществами

Калий, натрий

Na+ и K+

Обеспечивание функции мембран, в частности, поддержание электрического потенциала клеточной мембраны, работы Na+/Ka+-насоса, проведение нервных импульсов, анионный, катионный и осмотический балансы

Кальций

Са+2

Участие в процессе свертывания крови

Фосфат кальция, карбонат кальция

Костная ткань, зубная эмаль, раковины моллюсков

Пектат кальция

Формирование срединной пластинки и клеточной стенки у растений

Магний

Хлорофилл

Фотосинтез

Сера

Белки

Формирование пространственной структуры белка за счет образования дисульфидных мостиков

Фосфор

Нуклеиновые кислоты, АТФ

Синтез нуклеиновых кислот

Хлор

Cl-

Поддержание электрического потенциала клеточной мембраны, работы Na+/Ka+-насоса, проведение нервных импульсов, анионный, катионный и осмотический балансы

HCl

Активизация пищеварительных ферментов желудочного сока

Железо

Гемоглобин

Транспорт кислорода

Цитохромы

Перенос электронов при фотосинтезе и дыхании

Марганец

Декарбоксилазы, дегидрогеназы

Окисление жирных кислот, участие в процессах дыхания и фотосинтеза

Медь

Гемоцианин

Транспорт кислорода у некоторых беспозвоночных

Тирозиназа

Образование меланина

Кобальт

Витамин В12

Формирование эритроцитов

Цинк

Алькогольдегидрогеназа

Анаэробное дыхание у растений

Карбоангидраза

Транспорт СО2 у позвоночных

Фтор

Фторид кальция

Костная ткань, зубная эмаль

Йод

Тироксин

Регуляция основного обмена

Молибден

Нитрогеназа

Фиксация азота

 

Атомы химических элементов в живых организмах образуют неорганические (вода, соли) и органические соединения (белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы). На атомном уровне различий между живой и неживой материей нет, различия появятся на следующих, более высоких, уровнях организации живой материи.

Вода

Вода — самое распространенное неорганическое соединение. Содержание воды составляет от 10% (зубная эмаль) до 90% массы клетки (развивающийся эмбрион). Без воды жизнь невозможна, биологическое значение воды определяется ее химическими и физическими свойствами.

Молекула воды имеет угловую форму: атомы водорода по отношению к кислороду образуют угол, равный 104,5°. Та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, часть, где находится кислород, — отрицательно, в связи с этим молекула воды является диполем. Между диполями воды образуются водородные связи. Физические свойства воды: прозрачна, максимальная плотность — при 4 °С, высокая теплоемкость, практически не сжимается; чистая вода плохо проводит тепло и электричество, замерзает при 0 °С, кипит при 100 °С и т.д. Химические свойства воды: хороший растворитель, образует гидраты, вступает в реакции гидролитического разложения, взаимодействует со многими оксидами и т.д. По отношению к способности растворяться в воде различают: гидрофильные вещества — хорошо растворимые, гидрофобные вещества — практически нерастворимые в воде.

Биологическое значение воды:

  1. является основой внутренней и внутриклеточной среды,
  2. обеспечивает поддержание пространственной структуры,
  3. обеспечивает транспорт веществ,
  4. гидратирует полярные молекулы,
  5. служит растворителем и средой для диффузии,
  6. участвует в реакциях фотосинтеза и гидролиза,
  7. способствует охлаждению организма,
  8. является средой обитания для многих организмов,
  9. способствует миграциям и распространению семян, плодов, личиночных стадий,
  10. является средой, в которой происходит оплодотворение,
  11. у растений обеспечивает транспирацию и прорастание семян,
  12. способствует равномерному распределению тепла в организме и мн. др.

Другие неорганические соединения клетки

Другие неорганические соединения представлены в основном солями, которые могут содержаться или в растворенном виде (диссоциированными на катионы и анионы), или твердом. Важное значение для жизнедеятельности клетки имеют катионы K+, Na+, Ca2+, Mg2+ (см. таблицу выше) и анионы HPO42—, Cl, HCO3, обеспечивающие буферные свойства клетки. Буферность — способность поддерживать рН на определенном уровне (рН — десятичный логарифм величины, обратной концентрации водородных ионов). Величина рН, равная 7,0, соответствует нейтральному, ниже 7,0 — кислому, выше 7,0 — щелочному раствору. Для клеток и тканей характерна слабощелочная среда. За поддержание этой слабощелочной реакции отвечают фосфатная (1) и бикарбонатная (2) буферные системы:

Низкий рН

    

Высокий рН

(1)

НРО42— + Н+

Н2РО4

Гидрофосфат

Дигидрофосфат

 

Низкий рН

    

Высокий рН

(2)

НCО3 + Н+

Н23

Гидрокарбонат

Угольная кислота

В твердом нерастворенном состоянии находятся в костной ткани, в раковинах моллюсков карбонаты и фосфаты кальция и магния, в зубной эмали — фторид кальция и т.д.