Химический состав клетки

Все вы зна­е­те, что в при­ро­де можно встре­тить боль­шое раз­но­об­ра­зие кле­ток. Они от­ли­ча­ют­ся по раз­ме­ру, функ­ци­ям, форме, яв­ля­ют­ся сво­бод­но­жи­ву­щи­ми или же вхо­дят в со­став мно­го­кле­точ­ных ор­га­низ­мов, но при всем этом раз­но­об­ра­зии все они со­сто­ят из одних и тех же типов хи­ми­че­ских ве­ществ, пре­тер­пе­ва­ю­щих оди­на­ко­вые пре­вра­ще­ния. Живую клет­ку от­ли­ча­ют две важ­ные осо­бен­но­сти, их нужно за­пом­нить.

Пер­вая осо­бен­ность – это вы­со­кое со­дер­жа­ние воды, и вто­рая — боль­шое ко­ли­че­ство слож­ных ор­га­ни­че­ских ве­ществ. Какие же хи­ми­че­ские эле­мен­ты можно встре­тить в живой клет­ке? Уче­ные под­счи­та­ли, что в клет­ке со­дер­жит­ся более 70 хи­ми­че­ских эле­мен­тов, то есть более по­ло­ви­ны всех су­ще­ству­ю­щих. Прав­да, толь­ко 24 из них по­сто­ян­но встре­ча­ют­ся в раз­лич­ных типах кле­ток. По ко­ли­че­ству эле­мен­ты, со­дер­жа­щи­е­ся в клет­ках, де­лят­ся на мак­ро- и мик­ро­эле­мен­ты. Мак­ро­эле­мен­ты встре­ча­ют­ся в клет­ках в боль­шом ко­ли­че­стве. К ним от­но­сят­ся кис­ло­род, уг­ле­род, во­до­род, азот, сера, же­ле­зо, фос­фор, каль­ций, калий и т.д. Мик­ро­эле­мен­ты пред­став­ле­ны в клет­ках в неболь­шом ко­ли­че­стве. Это такие эле­мен­ты, как мар­га­нец, медь, селен, ко­бальт, цинк, йод, ни­кель и т.д.

Несмот­ря на очень малое со­дер­жа­ние, мик­ро­эле­мен­ты иг­ра­ют важ­ную роль, так как вли­я­ют на обмен ве­ществ в клет­ке. Кроме мак­ро- и мик­ро­эле­мен­тов вы­де­ля­ют еще груп­пу уль­тра­мик­ро­эле­мен­тов, ко­то­рые со­став­ля­ют менее одной мил­ли­он­ной про­цен­та в ор­га­низ­мах живых су­ществ. К ним, на­при­мер, от­но­сят­ся зо­ло­то и се­реб­ро, ко­то­рые ока­зы­ва­ют бак­те­ри­цид­ное воз­дей­ствие. Ртуть по­дав­ля­ет об­рат­ное вса­сы­ва­ние воды в по­чеч­ных ка­наль­цах, ока­зы­вая воз­дей­ствие на фер­мен­ты. Также к уль­тра­мик­ро­эле­мен­там от­но­сят пла­ти­ну и цезий. Неко­то­рые к этой груп­пе от­но­сят и селен, при его недо­стат­ке раз­ви­ва­ют­ся ра­ко­вые за­бо­ле­ва­ния. Про­цент­ное со­дер­жа­ние в ор­га­низ­ме того или иного эле­мен­та ни в коем слу­чае не ха­рак­те­ри­зу­ет сте­пень его важ­но­сти и необ­хо­ди­мо­сти в ор­га­низ­ме.

Так, на­при­мер, мно­гие мик­ро­эле­мен­ты вхо­дят в со­став био­ло­ги­че­ски ак­тив­ных ве­ществ: фер­мен­тов, ви­та­ми­нов. На­при­мер, ко­бальт вхо­дит в со­став ви­та­ми­на B12. А также гор­мо­нов, они ока­зы­ва­ют вли­я­ние на рост и раз­ви­тие ор­га­низ­мов, кро­ве­тво­ре­ния (же­ле­зо и медь), про­цес­сы кле­точ­но­го ды­ха­ния (медь, цинк) и т.д. Эти 70 эле­мен­тов в со­ста­ве клет­ки об­ра­зу­ют ты­ся­чи хи­ми­че­ских ве­ществ, ко­то­рые можно раз­де­лить на две боль­шие груп­пы. Это неор­га­ни­че­ские ве­ще­ства, вхо­дя­щие в со­став клет­ки и ор­га­ни­че­ские ве­ще­ства. Неор­га­ни­че­ские ве­ще­ства – это вода, ми­не­раль­ные соли, уг­ле­кис­лый газ, раз­лич­ные кис­ло­ты и ос­но­ва­ния. Вода яв­ля­ет­ся важ­ней­шим ком­по­нен­том со­дер­жи­мо­го живой клет­ки, она со­став­ля­ет в сред­нем около 70% ее массы.

Вода при­да­ет клет­ке упру­гость и объем, обес­пе­чи­ва­ет по­сто­ян­ство ее со­ста­ва, участ­ву­ет в хи­ми­че­ских ре­ак­ци­ях и в по­стро­е­нии хи­ми­че­ских мо­ле­кул, де­ла­ет воз­мож­ным про­те­ка­ние всех про­цес­сов жиз­не­де­я­тель­но­сти клет­ки. Вода яв­ля­ет­ся уни­вер­саль­ным рас­тво­ри­те­лем всех ве­ществ, по­сту­па­ю­щих в клет­ку, и тех, ко­то­рые из нее вы­во­дят­ся. Ми­не­раль­ные соли со­став­ля­ют при­мер­но от 1 до 1,5% от общей массы клет­ки, но роль, ко­то­рую они вы­пол­ня­ют, очень важна. В рас­тво­рен­ном виде ми­не­раль­ные соли пред­став­ля­ют собой необ­хо­ди­мую среду для хи­ми­че­ских про­цес­сов, ко­то­рые про­те­ка­ют в клет­ке.

В клет­ках можно встре­тить много раз­ных солей. Жи­вот­ные из­бы­ток этих солей вы­во­дят с по­мо­щью вы­де­ли­тель­ной си­сте­мы. А у рас­те­ний они на­кап­ли­ва­ют­ся и кри­стал­ли­зу­ют­ся в раз­лич­ных ор­га­но­и­дах или ва­ку­о­лях. Чаще этой бы­ва­ет соль и каль­ций. Их форма в клет­ках рас­те­ний может быть раз­лич­ной: иглы, ромбы, кри­стал­ли­ки, оди­но­кие или срос­ши­е­ся вме­сте, так на­зы­ва­е­мые друзы. Ор­га­ни­че­ские ве­ще­ства клет­ки на­зы­ва­ют так, по­то­му что впер­вые вы­де­ле­ны они были имен­но из ор­га­низ­мов. К ним от­но­сят­ся такие ве­ще­ства, как белки, ли­пи­ды (или жиры) и нук­ле­и­но­вые кис­ло­ты. Из школь­но­го курса вы зна­е­те, что ор­га­ни­че­ская химия – это химия со­еди­не­ния та­ко­го уди­ви­тель­но­го эле­мен­та, как уг­ле­род. В чем же его уди­ви­тель­ность и уни­каль­ность? Мно­го­чис­лен­ные пре­вра­ще­ния мо­ле­кул и об­ра­зо­ва­ние раз­лич­ных круп­ных и даже ги­гант­ских мо­ле­кул ор­га­ни­че­ских со­еди­не­ний про­ис­хо­дит бла­го­да­ря тому, что уг­ле­род, бу­дучи че­ты­рех­ва­лент­ным, спо­со­бен объ­еди­нять­ся в длин­ные цепи и за­мкну­тые коль­це­вые струк­ту­ры. Эти уг­ле­род­ные цепи и коль­ца яв­ля­ют­ся ске­ле­та­ми слож­ных ор­га­ни­че­ских мо­ле­кул. В клет­ках живых ор­га­низ­мов син­те­зи­ру­ют­ся все­воз­мож­ные боль­шие и малые ор­га­ни­че­ские мо­ле­ку­лы.

Неко­то­рые малые мо­ле­ку­лы могут со­еди­нять­ся между собой и об­ра­зу­ют круп­ные мо­ле­ку­лы – по­ли­ме­ры (от гре­че­ско­го слова polis — «мно­го­чис­лен­ный» и meros — «часть», «доля»). Малые мо­ле­ку­лы, став­шие зве­нья­ми по­ли­мер­ной цепи, на­зы­ва­ют мо­но­ме­ра­ми от слова monos — «один». Уг­ле­во­ды – это ор­га­ни­че­ские ве­ще­ства, в со­став ко­то­рых вхо­дит уг­ле­род, во­до­род и кис­ло­род, то есть по сути уг­ле­род и вода, от­сю­да и на­зва­ние – уг­ле­во­ды. Они вы­пол­ня­ют в клет­ке раз­лич­ные функ­ции. Энер­ге­ти­че­скую, как са­ха­ро­за, глю­ко­за, на­при­мер. За­щит­ную, как цел­лю­ло­за. Ре­зерв­ную, как крах­мал или гли­ко­ген. К тому же уг­ле­во­ды часто вы­сту­па­ют в роли очень важ­ных ком­по­нен­тов дру­гих ор­га­ни­че­ских со­еди­не­ний клет­ки, ко­то­рые встре­ча­ют­ся прак­ти­че­ски у всех ор­га­низ­мов, жи­ву­щих на Земле. Ли­пи­ды – это ве­ще­ства, ко­то­рые прак­ти­че­ски не рас­тво­ря­ют­ся в воде, но зато хо­ро­шо рас­тво­ря­ют­ся в ор­га­ни­че­ских рас­тво­ри­те­лях. Мно­гие из них об­ра­зо­ва­ны с уча­сти­ем жир­ных кис­лот. В част­но­сти, хо­ро­шо зна­ко­мые нам ли­пи­ды, жиры, ко­то­рые мы упо­треб­ля­ем в пищу, на­при­мер, сли­воч­ное масло. Это не что иное, как со­еди­не­ние жир­ных кис­лот и трех­атом­но­го спир­та гли­це­ри­на. Роль ли­пи­дов в жиз­нен­ном цикле клет­ки не сво­дит­ся к од­но­му лишь за­па­са­нию энер­гии, хотя бла­го­да­ря своим свой­ствам эту функ­цию они вы­пол­ня­ют бле­стя­ще. Раз­ные виды ли­пи­дов вклю­ча­ют­ся в самые раз­лич­ные про­цес­сы, про­те­ка­ю­щие в клет­ке, на­при­мер, фос­фо­ли­пи­ды, в со­став ко­то­рых вхо­дит оста­ток фос­фор­ной кис­ло­ты.

Эти со­еди­не­ния – глав­ный ком­по­нент плаз­ма­ти­че­ской мем­бра­ны, мем­бран хло­ро­пла­стов, ми­то­хон­дрий, ядра и т.д. Су­ще­ству­ют ли­пи­ды, ко­то­рые вхо­дят в со­став гор­мо­нов и участ­ву­ют в ре­гу­ля­ции об­ме­на ве­ществ в ор­га­низ­ме. Мы не рас­смот­ре­ли еще две груп­пы ор­га­ни­че­ских ве­ществ, вхо­дя­щих в со­став клет­ки. Это нук­ле­и­но­вые кис­ло­ты и белки.