В составе клетки встречается примерно 70 химических элементов таблицы Менделеева, однако содержание элементов ( химический состав клетки ) существенно отличается от концентраций в окружающей среде, что доказывает единство органического мира.
Химические элементы, имеющиеся в составе клетки, делят на три группы: макроэлементы, мезоэлементы (олигоэлементы) и микроэлементы.
Процент макроэлементов составляет около 98 % массы клетки. К ним относят углерод, кислород, азот и водород, входящие в состав основных органических веществ. Мезоэлементы — это фосфор, сера, калий, кальций, натрий, магний, железо, хлор, составляющие в сумме около 1,9 % массы клетки. фосфор и сера являются компонентами важнейших органических соединений в клетке. Химические элементы, концентрация которых в клетке приблизительно составляет 0,1 %, называют микроэлементами. Это йод, цинк, медь, фтор, марганец кобальт и другие элементы важные составляющие состава клетки.
Химические Вещества клетки делят на органические и не органические. К неорганическим веществам относят минеральные соли и воду.
Благодаря своим физико-химическим свойствам вода в клетке является растворителем, средой для протекания реакций, исходным веществом и продуктом химических реакций, выполняет транспортную и терморегуляторную функции, придает клетке упругость, обеспечивает тургор растительной клетки. Минеральные соли в клетке могут находиться в растворенном или нерастворенном состояниях. Растворимые соли диссоциируют на ионы. Наиболее важными катионами являются калий и натрий, облегчающие перенос веществ через мембрану и участвующие в возникновении и проведении нервного импульса; кальций, который принимает участие в процессах сокращения мышечных волокон и свертывании крови, магний, входящий в состав хлорофилла, и железо, входящее в состав ряда белков, в том числе гемоглобина. Цинк входит в состав молекулы гормона поджелудочной железы — инсулина, медь требуется для процессов фотосинтеза и дыхания. Важнейшими анионами являются фосфат-анион, входящий в состав АТФ и нуклеиновых кислот, и остаток угольной кислоты, смягчающий колебания рН среды. Недостаток кальция и фосфора приводит к рахиту, нехватка железа — к анемии.
Органические вещества клетки представлены углеводами, липидами, белками, нуклеиновыми кислотами, АТФ, витаминами и гормонами.
В состав углеводов входят в основном три химических элемента: углерод, кислород и водород. Их общая формула Cm(H2O)n. Различают простые и сложные углеводы. Простые углеводы (моносахариды) содержат единственную молекулу сахара. Их классифицируют по количеству углеродных атомов, например, пентозы (С5) и гексозы (С6). К пентозам относятся рибоза и дезоксирибоза. Рибоза входит в состав РНК и АТФ. Дезоксирибоза является компонентом ДНК. Гексозы — это глюкоза, фруктоза, галактоза и др. Они принимают активное участие в обмене веществ в клетке и входят в состав сложных углеводов — олигосахаридов и полисахаридов. К олигосахаридам (дисахаридам) относятся сахароза (глюкоза + фруктоза), лактоза или молочный сахар (глюкоза+галактоза) и др. Примерами полисахаридов являются крахмал, гликоген, целлюлоза и хитин. Углеводы выполняют в клетке пластическую (строительную), энергетическую (энергетическая ценность расщепления 1 г углеводов — 17,6 кДж), запасающую и опорную функции. Углеводы могут также входить в состав сложных липидов и белков. Липиды — это группа гидрофобных веществ. К ним относят жиры, стероиды воска, фосфолипиды и т. д.
Жир — это сложный эфир трехатомного спирта глицерина и высших органических (жирных) кислот. В молекуле жира можно выделить гидрофильную часть — «головку» (остаток глицерина) и гидрофобную часть — «хвосты» (остатки жирных кислот), поэтому в воде молекула жира ориентируется строго определенным образом: гидрофильная часть направлена к воде, а гидрофобная — от нее.
Липиды выполняют в клетке пластическую, энергетическую (энергетическая ценность расщепления 1 г жира — 38,9 кДж), запасающую, защитную (амортизационную) и регуляторную (стероидные гормоны) функции.
Белки — это биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Аминокислоты содержат аминогруппу, карбоксильную группу и радикал. Отличаются аминокислоты только радикалами. В состав белков входит 20 основных аминокислот. Соединяются аминокислоты между собой с образованием пептидной связи. Цепочка из более чем 20 аминокислот называется полипептидом или белком. Белки образуют четыре основные структуры: первичную, вторичную, третичную и четвертичную.
Первичная структура — это последовательность аминокислот, соединенных пептидной связью. Вторичная структура — это спираль, или складчатая структура, удерживаемая водородными связями между атомами кислорода и водорода пептидных группировок разных витков спирали или складок. Третичная структура (глобула) удерживается гидрофобными, водородными, дисульфидными и другими связями. Третичная структура характерна для большинства белков организма, например, миоглобина мышц. Четвертичная структура наиболее сложная, образованная несколькими полипептидными цепями, соединенными в основном теми же связями, что и в третичной. Четвертичная структура характерна для гемоглобина, хлорофилла и др.
Белки могут быть простыми и сложными. Простые белки состоят только из аминокислот, тогда как сложные белки (липопротеины, хромопротеины, гликопротеины, нуклеопротеины и др.) содержат белковую и небелковую части. Например, в состав гемоглобина помимо четырех полипептидных цепей белка глобина входит небелковая часть — гем, в центре которой находится ион железа, придающий гемоглобину красную окраску.
Функциональная активность белков зависит от условий окружающей среды. Утрата белковой молекулой своей структуры вплоть до первичной называется денатурацией. Обратный процесс восстановления вторичной и более высоких структур — это ренатурация. Полное разрушение белковой молекулы называется деструкцией.
Белки выполняют в клетке ряд функций: пластическую (строительную), каталитическую (ферментативную), энергетическую (энергетическая ценность расщепления 1 г белка — 17,6 кДж), сигнальную (рецепторную), сократительную (двигательную), транспортную, защитную, регуляторную, запасающую.
Нуклеиновые кислоты — это биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. В состав нуклеотида входят азотистое основание, остаток сахара-пентозы и остаток ортофосфорной кислоты. Выделяют два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновую (РНК) и дезоксири-бонуклеиновую (ДНК).
ДНК включает четыре типа нуклеотидов: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). В состав этих нуклеотидов входит сахар деоксирибоза. Для ДНК установлены правила Чаргаффа: количество адениловых нуклеотидов в ДНК равно количеству тимидиловых (А = Т); количество гуаниловых нуклеотидов в ДНК равно количеству цитидиловых (Г = Ц); сумма адениловых и гуаниловых нуклеотидов равна сумме тимидиловых и цитид иловых (А + Г = Т + Ц).
Структура ДНК была открыта Ф. Криком и Д. Уотсоном (Нобелевская премия по физиологии и медицине 1962 г.). Молекула ДНК представляет собой двуцепочечную спираль. Нуклеотиды соединяются между собой через остатки фосфорной кислоты, образуя фосфодиэфирную связь, при этом азотистые основания направлены вовнутрь. Расстояние между нуклеотидами в цепи равно 0,34 нм.
Нуклеотиды разных цепей соединяются между собой водородными связями по принципу комплементарности: аденин соединяется с тимином двумя водородными связями (А = Т), а гуанин с цитозином — тремя (Г = Ц). Важнейшим свойством ДНК является способность к репликации (самоудвоению). Основной функцией ДНК является хранение и передача наследственной информации. Она сосредоточена в ядре, митохондриях и пластидах.
В состав РНК входят также четыре нуклеотида: аденин (А), урацил (У), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Остаток сахара-пентозы в ней представлен рибозой. РНК — в основном одноцепочечные молекулы. Выделяют три вида РНК: информационную (и-РНК), транспортную (т-РНК) и рибосомальную (р-РНК). Все они принимают активное участие в процессе реализации наследственной информации, которая с ДНК переписывается на и-РНК, а на последней осуществляется уже синтез белка, т-РНК в процессе синтеза белка приносит аминокислоты к рибосомам, р-РНК входит в состав самих рибосом.
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) — нуклеотид, содержащий помимо азотистого основания аденина и остатка рибозы три остатка фосфорной кислоты. Связи между двумя фосфорными остатками являются макроэргическими (при расщеплении выделяется 40 кДж/моль энергии). При потребности в энергии макроэргическая связь АТФ расщепляется, образуются аденозиндифосфорная кислота (АДФ), фосфорный остаток и выделяется энергия. В процессе энергетического обмена в клетке АДФ присоединяет фосфорный остаток и превращается в АТФ. Реакция восстановления АТФ называется фосфорилированием. АТФ — универсальный источник энергии для всех живых организмов, что говорит об их едином происхождении.
Витамины — это физиологически активные вещества, принимающие участие в процессе обмена веществ как регуляторы процессов жизнедеятельности. Их недостаток так же негативно сказываются на жизнедеятельности организма, как и избыток.
Витамины делят на две группы: жирорастворимые и водорастворимые. К жирорастворимым витаминам относятся витамины A, D и Е. Водорастворимыми витаминами считаются витамины группы В, витамин С.
Витамин А содержится в рыбьем жире, яйцах, сливочном масле, моркови, шпинате. Его недостаток приводит к нарушению сумеречного зрения (куриная слепота) и нарушениям роста. Витамином Вг богаты мука грубого помола, дрожжи, печень, почки, яйца. Его авитаминоз вызывает полиневрит (бери-бери) и другие нарушения функций нервной системы. Витамин В6 в относительно высоких концентрациях находится в дрожжах, молоке, яйцах и говядине. Для данного авитаминоза характерны нарушения белкового и жирового обмена, а также заболевания кожи. Витамина В12 много в печени и почках. Недостаток витамина приводит к малокровию.
Витамин С содержится в плодах черной смородины, шиповника, цитрусовых, картофеле, капусте, шпинате и других зеленых растениях. Его недостаток приводит к цинге, тогда как избыток вызывает выведение других витаминов из организма. Витамином D богаты рыбий жир, печень, масло и яйца. Его недостаток сопровождается рахитом.
