Клеточная теория, химический состав, строение, функции.

Группа элементов

Элементы

Суммарное содержание в клетке, %

Макроэлементы

O, C, H, N (основные, или органогены) Ca, K, Si, Mg, P, S, Na, Cl, Fe

98–99 1–2

Микроэлементы

Mn, Co, Zn, Cu, B, I, F, Mo и др.

0,1

Ультрамикроэлементы

Se, U, Hg, Ra, Au, Ag и др. менее

0,01

Элемент

В живых организмах, % от сырой массы

В земной коре, %

В морской воде, %

Кислород

65–75

49,2

85,8

Углерод

15–18

0,4

0,0035

Водород

8–10

1,0

10,67

Азот

1,5–3,0

0,04

0,37

Фосфор

0,20–1,0

0,1

0,003

Сера

0,15–0,2

0,15

0,09

Калий

0,15–0,4

2,35

0,04

Хлор

0,05–0,1

0,2

0,06

Кальций

0,04–2,0

3,25

0,05

Магний

0,02–0,03

2,35

0,14

Натрий

0,02–0,03

2,4

1,14

Железо

0,01–0,015

4,2

0,00015

Цинк

0,0003

< 0,01

0,00015

Медь

0,0002

< 0,01

< 0,00001

Йод

0,0001

< 0,01

0,000015

Фтор

0,0001

0,1

2,07

Название элемента

Символ элемента

Роль в живых организмах

Углерод

С

Входит в состав органических веществ, в форме карбонатов входит в состав раковин моллюсков, коралловых полипов, покровов тела простейших, бикарбонатной буферной системы (HCO_3-, Н₂CO₃)

Кислород

О

Входит в состав воды и органических веществ

Водород

Н

Входит в состав воды и органических веществ

Азот

N

Входит в состав всех аминокислот, нуклеиновых кислот, АТФ, НАД, НАДФ, ФАД

Фосфор

Р

Входит в состав нуклеиновых кислот, АТФ, НАД, НАДФ, ФАД, фосфолипидов, костной ткани, эмали зубов, фосфатной буферной системы (HPO₄, H₂PO_4-)

Сера

S

Входит в состав серосодержащих аминокислот (цистина, цистеина, метионина), инсулина, витамина В₁, кофермента А, многих ферментов, участвует в формировании третичной структуры белка (образование дисульфидных связей), в бактериальном фотосинтезе (сера входит в состав бактериохлорофилла, H₂S является источником водорода), окисление соединений серы — источник энергии в хемосинтезе

Хлор

Cl

Преобладающий отрицательный ион в организме, участвует в создании мембранных потенциалов клеток, осмотического давления для поглощения растениями воды из почвы и тургорного давления для поддержания формы клетки, процессах возбуждения и торможения в нервных клетках, входит в состав соляной кислоты желудочного сока

Натрий

Na

Главный внеклеточный положительный ион, участвует в создании мембранных потенциалов клеток (в результате работы натрий-калиевого насоса), осмотического давления для поглощения растениями воды из почвы и тургорного давления для поддержания формы клетки, в поддержании сердечного ритма (вместе с ионами K+ и Ca2+)

Калий

K

Преобладающий положительный ион внутри клетки, участвует в создании мембранных потенциалов клеток (в результате работы натрий-калиевого насоса), поддержании сердечного ритма (вместе с ионами Na⁺ и Ca²⁺), активирует ферменты, участвующие в синтезе белка

Кальций

Ca

Входит в состав костей, зубов, раковин, участвует в регуляции избирательной проницаемости клеточной мембраны, процессах свёртывания крови; поддержании сердечного ритма (вместе с ионами K⁺ и Na²⁺), образовании желчи, активирует ферменты при сокращении поперечно-полосатых мышечных волокон

Магний

Mg

Входит в состав хлорофилла, многих ферментов

Железо

Fe

Входит в состав гемоглобина, миоглобина, некоторых ферментов

Медь

Cu

Входит в состав некоторых ферментов

Цинк

Zn

Входит в состав некоторых ферментов

Марганец

Mn

Входит в состав некоторых ферментов

Молибден

Mo

Входит в состав некоторых ферментов

Кобальт

Co

Входит в состав витамина В₁₂

Фтор

F

Входит в состав эмали зубов, костей

Йод

I

Входит в состав гормона щитовидной железы — тироксина

Бром

Br

Входит в состав витамина В₁

Бор

В

Влияет на рост растений

Вещество

Содержание, % от сырой массы

Вода

75–85

Белки

10–15

Жиры

1–5

Углеводы

0,2–2,0

Нуклеиновые кислоты

1–2

Низкомолекулярные органические соединения

0,1–0,5

Неорганические соединения

1,0–1,5

Функция

Характеристика

Вода как растворитель

Вода является лучшим из известных растворителей, в ней растворяется больше веществ, чем в любой другой жидкости. Многие химические реакции в клетке являются ионными, поэтому протекают только в водной среде. Молекулы воды полярны, поэтому вещества, молекулы которых также полярны, хорошо растворяются в воде, а вещества, молекулы которых не полярны, нерастворяются (плохо растворяются) в воде. Вещества, растворяющиеся в воде, называются гидрофильными (спирты, сахара, альдегиды, аминокислоты), нерастворяющиеся — гидрофобными (жирные кислоты, целлюлоза).

Вода как реагент

Вода участвует во многих химических реакциях: реакциях гидролиза, полимеризации, в процессе фотосинтеза и т. д.

Транспортная

Передвижение по организму вместе с водой растворённых в ней веществ к различным его частям и выведение ненужных продуктов из организма.

Вода как термостабилизатор и терморегулятор

Эта функция обусловлена такими свойствами воды, как высокая теплоёмкость (благодаря наличию водородных связей): смягчает влияние на организм значительных перепадов температуры в окружающей среде; высокая теплопроводность (вследствие небольших размеров молекул) позволяет организму поддерживать одинаковую температуру во всем его объёме; высокая теплота испарения (благодаря наличию водородных связей): вода используется для охлаждения организма при потоотделении у млекопитающих и транспирации у растений.

Структурная

Цитоплазма клеток содержит обычно от 60 до 95% воды, и именно она придаёт клеткам их нормальную форму. У растений вода поддерживает тургор (упругость эндоплазматической мембраны), у некоторых животных служит гидростатическим скелетом (медузы, круглые черви). Это возможно благодаря такому свойству воды, как полная несжимаемость.

Функция

Характеристика

Поддержание кислотно- щелочного равновесия

Наиболее важные буферные системы млекопитающих — фосфатная и бикарбонатная. Фосфатная буферная система (HPO₄ ^2-, H₂PO₄^-) поддерживает рН внутриклеточной жидкости в пределах 6,9–7,4. Бикарбонатная система (HCO₃^-, Н₂CO₃) сохраняет рН внеклеточной среды (плазмы крови) на уровне 7,4.

Участие в создании мембранных потенциалов клеток

В составе наружной клеточной мембраны клетки имеются так называемые ионные насосы. Один из них — натрий-калиевый насос — белок, пронизывающий плазматическую мембрану, накачивает ионы натрия внутрь клетки и выкачивает из неё ионы натрия. При этом на каждые два поглощённых иона калия выводятся три иона натрия. В результате образуется разность зарядов (потенциалов) внешней и внутренней поверхностей мембраны клетки: внутренняя сторона заряжена отрицательно, наружная — положительно. Разность потенциалов необходима для передачи возбуждения по нерву или мышце.

Активация ферментов

Ионы Ca, Mg, Fe, Zn, Cu, Mn, Co и других металлов являются компонентами многих ферментов, гормонов и витаминов.

Создание осмотического давления в клетке

Более высокая концентрация ионов солей внутри клетки обеспечивает поступление в неё воды и создание тургорного давления.

Строительная (структурная)

Соединения азота, фосфора, серы и другие неорганические вещества служат источником строительного материала для синтеза органических молекул (аминокислот, белков, нуклеиновых кислот и др.) и входят в состав ряда опорных структур клетки и организма. Соли кальция и фосфора входят в состав костной ткани животных.