Неорганические вещества клетки

Вода в составе клетки

Химический состав

Строение эукариотической клетки

Содержание воды в клетках достигает 80% от их общей массы и даже более. Однако в зависимости от таксономической и тканевой принадлежности клеток содержание воды может изменяться в широких пределах. Например, в клетках человека среднее содержание воды составляет 40%, в т. ч., в клетках тканей зубов – 3...10%, в клетках жировой ткани – 30...40%, в клетках печени – 75%, в клетках головного мозга 80...85%. В растительных клетках содержание воды достигает 95% за счет клеточного сока.

Биологические функции воды в клетках:

1. Вода служит универсальным растворителем, а также средой для транспорта веществ.

2. Вода служит средой для протекания химических реакций и сама участвует в химических реакциях.

3. Вследствие высокой теплоемкости и теплопроводности вода обеспечивает относительное постоянство температуры внутри клетки.

4. Вода служит донором протонов и электронов в обменных процессах.

5. Вода (как и другие жидкости) практически несжимаема и поэтому выполняет функцию гидростатического скелета клетки.

6. Вода служит средой для передвижения отдельных клеток.

По содержанию в клетке выделяют четыре группы элементов: биогены, макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.

Биогены

К биогенам относятся элементы, которые обязательно входят в состав биополимеров: кислород (составляет 65...75 % сухого вещества клетки), углерод (15...20 %), водород (8...10 %), азот (1...5 %), фосфор (0,2...1,0%). По массе биогены составляют 98% всего содержимого клетки.

Неорганический кислород представлен молекулярным кислородом О2, входит в состав оксидов и сложных ионов. Эффективным переносчиком молекулярного кислорода в организме высших животных является гемоглобин и сходные с ним вещества (миоглобин, гемоцианин).

Неорганический углерод представлен углекислым газом, который растворен в воде.

Неорганический водород в клетках представлен протонами, связанными с водой и разнообразными переносчиками.

Азот. Поглощается в виде нитрат–ионов и ионов аммония. В органической форме является обязательным компонентом аминокислот, белков и других пептидов, азотистых оснований, нуклеотидов, нуклеиновых кислот и других веществ.

В неорганической форме азот представлен нитратами, нитритами и ионами аммония. Аммиак и его производные токсичны для большинства клеток и подлежат удалению.

Нитриты как продукты промежуточных реакций активно взаимодействуют с азотистыми основаниями, изменяя их структуру, то есть являются мутагенами.

Фосфор. Поглощается в виде кислотных остатков ортофосфорной кислоты Н3РО4: гидрофосфат– и дигидрофосфат–ионов. Фосфаты образуют соединения с макроэргическими связями: АТФ, ГТФ, креатинфосфат, фосфорные эфиры углеводов, жирных кислот. Фосфаты – обязательный компонент нуклеотидов и нуклеиновых кислот, фосфолипидов.

Примечание. Иногда фосфор относят не к биогенам, а к следующей группе элементов – макроэлементам.

Макроэлементы

К макроэлементам относятся те элементы, содержание которых в клетках измеряется десятыми и сотыми долями процента сухого вещества клетки (редко их содержание достигает нескольких процентов): калий, натрий, кальций, магний, железо, сера, хлор, йод. Содержание макроэлементов в клетках выражается в процентах от всей массы сухого вещества клетки.

Калий (до 1 %). Поглощается в виде гидратированных ионов К+, которые хорошо проходят через мембраны. Основные функции калия:

1. Регулирует углеводный обмен.

2. Регулирует осмотическое давление.

3. Участвует в формировании мембранных потенциалов.

4. Активирует ферменты при фотосинтезе.

5. Радиоактивный изотоп 40К – основной источник внутренней радиоактивности.

Примечание. Осмотическое давление – это величина, отражающая соотношение воды и сухого вещества в клетке. Чем выше осмотическое давление в клетке, тем легче клетка будет поглощать воду из внеклеточной среды, и, наоборот, чем ниже внутриклеточное осмотическое давление, тем скорее клетка будет терять воду.

Натрий (до 0,1 %). Поглощается в виде гидратированных ионов Na+, которые плохо проходят через мембраны. Регулирует углеводный обмен, осмотическое давление, участвует в формировании мембранных потенциалов.

Кальций. (до 2 %). В клетке представлен гидратированными ионами Са2+, нерастворимыми солями (например, солями щавелевой, фосфорной, плавиковой кислоты), металлорганическими комплексами. Регулирует активность многих ферментов, стабилизирует структуру хромосом. Фториды и фосфаты кальция – основа костной ткани. Избыток кальция вреден для клетки, поскольку в этом случае фосфаты, необходимые для образования макроэргических связей, переходят в нерастворимую форму – Са3(РО4)2.

Магний (до 3 %). В клетках содержится в виде металлорганических комплексов, реже – в виде ионов. Стабилизирует структуру рибосом, регулирует активность ферментов, входит в состав АТФазы, входит в состав молекулы хлорофилла в клетках растений.

Железо (до 0,1 %). Поглощается в виде двухвалентных ионов Fe2+, реже – металлорганических комплексов Fe3+. В клетках содержится в составе металлорганических комплексов. Железо входит в состав гема – металлорганического комплекса, содержащего порфириновое ядро и ион железа с переменной степенью окисления. Гем – обязательный компонент переносчиков кислорода: гемоглобинов и миоглобина.

Сера (до 1 %). Поглощается в виде сульфатов SO42 –. В клетке содержится в виде свободных сульфат-ионов, в окисленной и восстановленной форме в составе органических соединений. Сера входит в состав серосодержащих аминокислот: метионина, цистеина; между этими аминокислотами образуются дисульфидные мостики, поддерживающие третичную структуру белка.

Сероводород и другие восстановленные соединения серы служат донорами электронов при бактериальном фотосинтезе.

Хлор (до 4 %). Поглощается и содержится в клетке в виде хлоридов Cl–. Участвует в регуляции осмотического давления.

Йод (до 0,01 %). Содержится в клетках в виде иодидов J– и металлорганических комплексов. Входит в состав тироксина – гормона щитовидной железы, регулирующего проницаемость мембран.

Микроэлементы – это элементы, суммарное содержание которых в клетке обычно не превышает 0,01 %. Содержатся в клетках в виде гидратированных неорганических ионов и (или) металлорганических комплексов.

Марганец. Участвует в фотосинтезе. Входит в состав дегидрогеназ и фосфатаз, в состав ферментов, участвующих в симбиогенной фиксации азота. Активирует ряд ферментов углеводного и азотного обмена.

Медь. Входит в состав ферментов. Участвует в синтезе фосфолипидов, гемоглобина.

Цинк. Входит в состав различных ферментов и гормона поджелудочной железы инсулина, регулирующего углеводный обмен. Регулирует действие гормонов гипофиза.

Бор участвует в регуляции азотного и углеводного обмена.

Фтор. Входит в состав зубной эмали в виде фторфосфатов кальция и магния.

Ультрамикроэлементы

Элементы, содержание которых в клетке составляет миллионные доли процента, называются ультрамикроэлементы. К ультрамикроэлементам относятся: селен, цезий, алюминий, кадмий, ртуть, мышьяк, свинец, серебро, золото, радий и многие другие.

Биологические функции ультрамикроэлементов изучены недостаточно. В повышенных концентрациях они являются ферментными ядами.

К органическим веществам клетки относятся углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты, белки и низкомолекулярные органические вещества.

К углеводам относятся моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

Моносахариды – это простейшие углеводы. В их состав входят углерод, водород и кислород в соотношении 1:2:1. Молекула моносахарида состоит из углеродного скелета, в боковых цепях которого содержатся водород и функциональные группы

Функции моносахаридов:

1. Играют роль промежуточных продуктов реакций.

2. Входят в состав нуклеотидов и их производных (см. ниже).

3. Входят в состав некоторых коферментов (см. ниже).

4. Служат основными источниками энергии при дыхании.

5. Служат исходными веществами для синтеза аминокислот, сложных углеводов (см. ниже) и других веществ (например, аскорбиновой кислоты).

Олигосахариды – это углеводы, состоящие из остатков 2...10 молекул моносахаридов, связанных гликозидными связями.

Из дисахаридов наиболее распространены: сахароза, или тростниковый сахар (состоит из остатков глюкозы и фруктозы), реже встречаются лактоза, или молочный сахар (состоит из остатков глюкозы и галактозы), мальтоза (состоит из двух остатков глюкозы) и другие. Дисахариды служат источниками энергии в клетках.

Олигосахариды входят в состав гликокаликса клетки, образуют разнообразные антигены, участвуют в информационно-сигнальных контактах.

Полисахариды – это углеводы, состоящие из остатков множества моносахаридов (тысячи и десятки тысяч), связанных гликозидными связями. Гигантские молекулы (макромолекулы), в состав которых входят сходные, многократно повторяющиеся структуры, называются полимеры, а сами повторяющиеся структуры называются мономеры. Полимеры могут быть линейными и разветвленными. К полисахаридам относятся многие полимеры глюкозы: крахмал, гликоген, целлюлоза (клетчатка).

Если все мономеры в составе полимера совершенно одинаковы, то полимер называется гомополимер; если же мономеры различаются, то полимер называется гетерополимер.

К полисахаридам–гомополимерам относятся: крахмал, гликоген, целлюлоза. В этих полимерах мономерами являются разные формы глюкозы, остатки которой соединены между собой различным способом. Другие полисахариды–гомополимеры: инулин (запасное вещество многих сложноцветных; мономером является фруктоза), хитин (мономером является ацетилглюкозамин).

К полисахаридам–гетерополимерам относятся: пектины (состоят из чередующихся остатков галактозы и галактуроновой кислоты); гемицеллюлозы (состоят из чередующихся остатков разнообразных пентоз и сахарных кислот); муреин (состоит из чередующихся остатков двух аминосахаров); мукополисахариды (состоят из повторяющихся дисахаридных остатков, причем, в каждом дисахаридном блоке один из моносахаридов представлен аминосахаром).

Функции полисахаридов:

1. Запасающие (гликоген у грибов и животных, крахмал у растений).

2. Структурные, или опорно-защитные (целлюлоза, муреин, мукополисахариды).

Липиды – это сборная группа органических веществ, которые плохо растворимы в воде, но хорошо растворимы в органических (неполярных) растворителях. В молекулах липидов имеются неполярные (углеводородные) и полярные (–СООН, –ОН, –NH2) участки. Неполярные участки не смачиваются водой и называются гидрофобными. Полярные участки смачиваются водой и называются гидрофильными.

К липидам относятся триглицериды, фосфолипиды, стероиды, терпены, воски и некоторые другие вещества.

Функции липидов:

1. Структурные. Фосфолипиды – основа клеточных мембран.

2. Запасающие. Твердые и жидкие жиры (триглицериды).

3. Регуляторные. Многие гормоны.

4. Защитные. Жиры, воски, терпены.

5. Энерготрансформирующие (в составе фотосинтетических пигментов).

6. Информационно-сигнальные (участвуют в формировании антигенов).

Нуклеотиды и их производные. Нуклеиновые кислоты

Дата добавления: 2014-01-03