Все живые системы на планете содержат в себе в разных объёмах химические элементы, а также органические и неорганические химические соединения.

Химическое строение клетки

В зависимости от того, какое количество того или иного химического элемента содержится в клетке, выделяют три группы химических элементов:

Макроэлементы;

Микроэлементы;

Ультра микроэлементы.

98% массы клетки составляют четыре макроэлемента: водород, углерод, азот и кислород. В значительно меньших количествах в клетке присутствуют такие макроэлементы как натрий, магний, калий, фосфор, железо и сера.

Микроэлементы формируют собой ионы галогенов и металлов (медь, кобальт, цинк, бром, йод). Микроэлементы в живой клетке содержаться в очень малых количествах (0, 00001%). К ультра микроэлементам относят ртуть, золото, селен (менее чем 0, 000001% массы клетки).

Химические соединения

Химические соединения представляют собой вещество, которое состоит из соединённых атомов двух или нескольких химических элементов. Химические соединения делятся на две группы:

Органические химические соединения (минеральные соли и вода);

Неорганические химические соединения (соединение химических элементов с углеродом).

К числу основных органических химических соединений относят белки, углеводы, жиры и нуклеиновые кислоты.

Понятие и функции белков

Белки – это высокомолекулярное органическое вещество, состоящее из остатков альфа аминокислот, соединёнными между собой пептидными связями. Белки являются очень важным веществом в процессе жизнедеятельности человека.

Функции белков:

Защитная функция. При попадании в организм вируса, белок начинает усиленное синтезирование в организме, тем самым ликвидируя его.

Структурная функция. Благодаря содержанию в белках такого компонента как коллаген, происходит процесс рубцевания повреждений в организме человека.

Двигательная. Белок принимает непосредственное участие в процессе сокращения мышечных тканей.

Транспортная. Атомы белка переносят кислород и питательные вещества к клеткам.

Энергетическая. При распаде белок освобождает энергию, необходимую человеку для жизнедеятельности.

Помимо этого белки также выступают катализаторами всех химических реакций, происходящих в организме.

Углеводы, их роль в жизнедеятельности

Углеводы – органические поли- и мономеры, содержащие в своем составе кислород, водород и углерод. Главной функцией углеводов является энергетическая функция – распад 1г углеводов освобождает 17 кДж энергии.

Углеводы в виде целлюлозы формируют стенки многих видов растений. Благодаря углеводам живые организмы также запасают питательные вещества, которые сохраняются в виде крахмала.

Жиры

К числу органических химических веществ относят также жиры . Жиры делятся на две группы: сложные и простые. Простые липиды состоят из остатков жирных кислот и глицерина. Сложные жиры представляют собой синтез простых липидов с углеводами и белками.

КСЕ. Тема 4.

1. Какие основные элементы и вещества слагают живую клетку?

В зависимости от того, в каком количестве входят химические элементы в состав веществ, образующих живой организм, принято выделять несколько групп атомов. Первую группу (около 98% массы клетки) об­разуют четыре элемента: водород, кислород, углерод и азот. Их называют макроэлементами. Это главные компоненты всех органических соединений. Вместе с двумя элементами второй группы - серой и фосфором, являющимися необ­ходимыми составными частями молекул биологических по­лимеров (от греч. polys - много; meros - часть) - белков и нуклеиновых кислот, их часто называют биоэлементами.

В меньших количествах в состав клетки, кроме упомя­нутых фосфора и серы, входят 6 элементов: калий и натрий, кальций и магний, железо и хлор. Каждый из них выполняет важную функцию в клетке. Например, Na, К и Cl обеспечи­вают проницаемость клеточных мембран для различных ве­ществ и проведение импульса по нервному волокну. Са и Р участвуют в формировании межклеточного вещества костной ткани, определяя прочность кости. Кроме того, Са - один из факторов, от которых зависит нормальная свертывае­мость крови. Железо входит в состав гемоглобина - белка эритроцитов, участвующего в переносе кислорода от легких к тканям. Наконец, Mg в клетках растений включен в хло­рофилл - пигмент, обусловливающий фотосинтез, а у жи­вотных входит в состав биологических катализаторов - ферментов, участвующих в биохимических превращениях.

Все остальные элементы - третья группа (цинк, медь, йод, фтор и др.) содержатся в клетке в очень малых количе­ствах. Общий их вклад в массу клетки всего 0,02%. Поэто­му их называют микроэлементами. Однако это не означает, что они меньше нужны организму, чем другие элементы. Микроэлементы также важны для живого организма, но включаются в его состав в меньших количествах. Цинк, например, входит в молекулу гормона поджелудочной железы - инсулина, который участвует в регуляции обме­на углеводов, а йод - необходимый компонент тирокси­на - гормона щитовидной железы, регулирующего интен­сивность обмена веществ всего организма в целом и его рост в процессе развития.

Все перечисленные химические элементы участвуют в по­строении организма в виде ионов либо в составе тех или иных соединений - молекул неорганических и органиче­ских веществ.

Неорганические вещества, входящие в состав клетки

Вода. Самое распространенное неорганическое соедине­ние в живых организмах - вода. Ее содержание колеблется в широких пределах: в клетках эмали зубов воды около 10%, а в клетках развивающегося зародыша - более 90%. В сред­нем в многоклеточном организме вода составляет около 80% массы тела.

Роль воды в клетке очень велика. Ее функции во многом определяются химической природой. Дипольный характер строения молекул обусловливает способность воды активно вступать во взаимодействие с различными веществами. Ее молекулы вызывают расщепление ряда водорастворимых веществ на катионы и анионы. В результате этого ионы бы­стро вступают в химические реакции. Большинство хими­ческих реакций представляет собой взаимодействие между растворимыми в воде веществами.

Таким образом, полярность молекул и способность обра­зовывать водородные связи делают воду хорошим раствори­телем для огромного количества неорганических и органи­ческих веществ. Кроме того, в качестве растворителя вода обеспечивает как приток веществ в клетку, так и удаление из нее продуктов жизнедеятельности, поскольку большин­ство химических соединений может проникнуть через на­ружную клеточную мембрану только в растворенном виде.

Не менее важна и чисто химическая роль воды. Под дей­ствием некоторых катализаторов - ферментов - она всту­пает в реакции гидролиза, т. е. реакции, при которых к сво­бодным валентностям различных молекул присоединяются группы ОН - или Н - воды. В результате образуются новые вещества с новыми свойствами.

Вода в известной степени является теплорегулятором; за счет хорошей теплопроводности и большой теплоемкости воды, при изменении температуры окружающей среды, внутри клетки температура остается неизменной или ее ко­лебания оказываются значительно меньшими, чем в окру­жающей клетку среде.

Минеральные соли. Большая часть неорганических ве­ществ клетки находится в виде солей - либо диссоцииро­ванных на ионы, либо в твердом состоянии. Среди первых большое значение имеют катионы К - , Na + Са 2+ , которые обеспечивают такое важнейшее свойство живых организ­мов, как раздражимость. В тканях многоклеточных живот­ных кальций входит в состав межклеточного «цемента», обусловливающего сцепление клеток между собой и упоря­доченное их расположение в тканях. От концентрации солей внутри клетки зависят буферные свойства клетки.

Буферностью называют способность клетки поддержи­вать слабощелочную реакцию своего содержимого на посто­янном уровне.

Нерастворимые минеральные соли, например фосфорно­кислый кальций, входят в состав межклеточного вещества костной ткани, в раковины моллюсков, обеспечивая проч­ность этих образований.

Органические вещества входящие в состав клетки

Органические соединения составляют в среднем 20- 30% массы клетки живого организма. К ним относятся био­логические полимеры - белки, нуклеиновые кислоты и уг­леводы, а также жиры и ряд небольших молекул - гормо­нов, пигментов, АТФ и многих других. В различные типы клеток входит неодинаковое количество органических со­единений. В растительных клетках преобладают сложные углеводы - полисахариды; в животных - больше белков и жиров. Тем не менее каждая из групп органических веществ в любом типе клеток выполняет сходные функции.

Биологические полимеры - белки. Среди органических веществ клетки белки занимают первое место как по количеству, так и по значению. У жи­вотных на них приходится около 50% сухой массы клетки. В организме человека встречаются 5 млн. типов белковых молекул, отличающихся не только друг от друга, но и от белков других организмов. Несмотря на такое разнообразие и слож­ность строения они построены всего из 20 различных амино­кислот. Соединение двух аминокислот в одну молекулу называ­ется дипептидом, трех аминокислот - трипептидом и т. д., а соединение, состоящее из 20 и более аминокислотных ос­татков, - полипептидом.

Углеводы, или сахариды, - органические вещества с общей формулой С n (Н 2 0) m . У большинства углеводов число молекул воды соответствует количеству атомов углерода. Поэтому эти вещества и были названы углеводами.

В животной клетке углеводы находятся в количествах, не превышающих 1-2, иногда 5%. Наиболее богаты угле­водами растительные клетки, где их содержание в некото­рых случаях достигает 90% сухой массы (клубни картофе­ля, семена и т. д.). Углеводы бывают простыми и слож­ными.

Простые углеводы называют моносахаридами. В зави­симости от числа атомов углерода в молекуле моносахариды называют триозами - 3 атома, тетрозами - 4, пентозами - 5 или гексозами - 6 атомов углерода. Из шестиуглеродных моносахаридов - гексоз - наиболее важны глюкоза, фрук­тоза и галактоза. Глюкоза содержится в крови (0,08- 0,12%). Пентозы - рибоза и дезоксирибоза - входят в со­став нуклеиновых кислот и АТФ.

Если в одной молекуле объединяются два моносахари­да, такое соединение называют дисахаридом. К дисахаридам относятся пищевой сахар - сахароза, получаемый из тростника или сахарной свеклы, который состоит из одной молекулы глюкозы и одной молекулы фруктозы, и молоч­ный сахар, образуемый молекулами глюкозы и галактозы.

Сложные углеводы, образованные многими моносахари­дами, называют полисахаридами. Мономерами таких по­лисахаридов, как крахмал, гликоген, целлюлоза, является глюкоза. Полисахариды, как правило, - разветвленные полимеры.

Жиры (липиды) представляют собой соединения вы­сокомолекулярных жирных кислот и трехатомного спирта глицерина. Жиры не растворяются в воде, они гидрофобны (от греч. hydor - вода и phobos - страх). В клетках всегда есть и другие сложные гидрофобные жироподобные вещест­ва, называемые липоидами.

Важна роль жиров и как растворителей гидрофобных органических соединений, необходимых для нормального протекания биохимических превращений в организме.

Биологически полимеры - нуклеиновые кислоты. Значение нуклеиновых кислот в клетке очень велико. Особенности их химического строения обеспечивают воз­можность хранения, переноса и передачи по наследству до­черним клеткам информации о структуре белковых моле­кул, которые синтезируются в каждой ткани на определен­ном этапе индивидуального развития.

Поскольку большинство свойств и признаков обусловле­но белками, то понятно, что стабильность нуклеиновых кис­лот - важнейшее условие нормальной жизнедеятельности клеток и целых организмов. Любые изменения строения нуклеиновых кислот влекут за собой изменения структуры клеток или активности физиологических процессов в них, влияя таким образом на жизнеспособность.

Изучение структуры нуклеиновых кислот, которую впер­вые установили американский биолог Дж. Уотсон и англий­ский физик Ф. Крик, имеет исключительно важное значе­ние для понимания наследования признаков у организмов и закономерностей функционирования как отдельных клеток, так и клеточных систем – тканей и органов.

Существуют два типа нуклеиновых кислот: ДНК и РНК.

Все живые системы содержат в различных соотношениях химические элементы и построенные из них химические соединения, как органические, так и неорганические.

По количественному содержанию в клетке все химические элементы делят на 3 группы: макро-, микро- и ультрамикроэлементы.

Макроэлементы составляют до 99% массы клетки, из которых до 98% приходится на 4 элемента: кислород, азот, водород и углерод. В меньших количествах клетки содержат калий, натрий, магний, кальций, серу, фосфор, железо.

Микроэлементы - преимущественно ионы металлов (кобальта, меди, цинка и др.) и галогенов (йода, брома и др.). Они содержатся в количествах от 0,001% до 0,000001%.

Ультрамикроэлементы. Их концентрация ниже 0,000001%. К ним относят золото, ртуть, селен и др.

Химическое соединение - это вещество, в котором атомы одного или нескольких химических элементов соединены друг с другом посредством химических связей. Химические соединения бывают неорганическими и органическими. К неорганическим относят воду и минеральные соли. Органические соединения - это соединения углерода с другими элементами.

Основными органическими соединениями клетки являются белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты.

Химические элементы и неорганические вещества клетки

Различие между живой и неживой природой отчетливо проявляется в их химическом составе. Так, земная кора на 90 % состоит из кислорода, кремния, алюминия и натрия (O, Si, Al, Na), а в живых организмах около 95 % составляют углерод, водород, кислород и азот (C, H, O, N). Кроме того, к этой группе макроэлементов относятся еще восемь химических элементов: Na - натрий, Cl - хлор, S - сера, Fe - железо, Mg - магний, P - фосфор, Ca - кальций, K - калий, содержание которых исчисляется десятыми и сотыми долями процента. В гораздо меньших количествах встречаются столь же необходимые для жизни микроэлементы: Cu - медь, Mn - марганец, Zn - цинк, Mo - молибден, Co - кобальт, F - фтор, J - йод и др.

Только 27 элементов (из 105, которые известны сегодня) выполняют определенные функции в организмах. И как мы уже отмечали, всего лишь четыре - С, H, O, N - служат основой живых организмов. Именно из них главным образом состоят органические вещества (белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры и т. д.).

Первое место среди макроэлементов принадлежит углероду. Он характеризуется способностью образовывать почти все типы химических связей. Углерод в большей степени, чем прочие элементы, способен к формированию крупных молекул. Его атомы могут соединяться между собой, образуя кольца и цепи. В результате возникают сложные молекулы больших размеров, характеризующиеся огромным разнообразием (на сегодня описано более 10 млн органических веществ). Кроме того, атомы углерода в одном и том же химическом соединении проявляют и окислительные, и восстановительные свойства.

Углерод выступает основой всех органических соединений. Высокое же содержание кислорода и водорода связано с наличием у них ярко выраженных окислительных и восстановительных свойств. Благодаря только трем элементам - C, H, O - существует все множество углеводов (сахаров), обобщенная формула которых выглядит как CnH2nOn (где n - число атомов). К этим трем элементам в составе белков добавляются еще атомы N и S, а в составе нуклеиновых кислот - N и P.

Существенная роль в живых организмах принадлежит и всем остальным элементам, названным выше. Так, атомы Mg входят в состав хлорофилла, а Fe - гемоглобина. Йод содержится в составе молекулы тироксина (гормона щитовидной железы), а Zn - молекулы инсулина (гормона поджелудочной железы). Наличие ионов Na и К необходимо для проведения нервного импульса, для осуществления транспорта через клеточную мембрану. Соли P и Са в большом количестве есть в костях, раковинах моллюсков, что обеспечивает высокую прочность этих образований.

Необходимо отметить, что наибольшая часть (до 85 %) химического состава живых организмов - это вода. Поскольку она универсальный растворитель для многих неорганических и органических веществ, то и оказывается идеальной средой для осуществления различных химических реакций. Вода участвует в различных биохимических реакциях (например, при фотосинтезе). С ней выводятся из организма избытки солей, продукты жизнедеятельности. Свойственные воде высокая теплоемкость и относительно высокая теплопроводность имеют существенное значение для терморегуляции организмов (при испарении пота, например, происходит охлаждение кожи).

Сегодня обнаружено и выделено в чистом виде много химических элементов таблицы Менделеева, а пятая их часть встречается в каждом живом организме. Они, подобно кирпичикам, являются главными составляющими органических и неорганических веществ.

Какие химические элементы входят в состав клетки, по биологии каких веществ можно судить об их наличии в организме - все это мы рассмотрим далее в статье.

Что такое постоянство химического состава

Для соблюдения стабильности в организме каждая клетка должна поддерживать концентрацию каждой своей составляющей на постоянном уровне. Этот уровень определяется видовой принадлежностью, средой обитания, экологическими факторами.

Чтобы ответить на вопрос, какие химические элементы входят в состав клетки, необходимо четко понимать, что в составе любого вещества находятся какие-либо из составляющих таблицы Менделеева.

Порой идет речь о сотых и тысячных долях процента содержания определенного элемента в клетке, но при этом изменение названного числа хотя бы на тысячную часть уже может нести серьезные последствия для организма.

Из 118 химических элементов в клетке человека должно быть как минимум 24. Нет таких составляющих, которые встречались бы в живом организме, но не входили в состав неживых объектов природы. Этот факт подтверждает тесную связь между живым и неживым в экосистеме.

Роль различных элементов, входящих в состав клетки

Так какие химические элементы входят в состав клетки? Их роль в жизнедеятельности организма, следует заметить, напрямую зависит от частоты встречаемости и концентрации их в цитоплазме. Однако, несмотря на разное содержание элементов в клетке, значимость каждого из них в равной степени высока. Дефицит любого из них может привести к пагубному воздействию на организм, отключив из метаболизма важнейшие биохимические реакции.

Перечисляя, какие химические элементы входят в состав клетки человека, нужно упомянуть три основных вида, которые мы рассмотрим далее:

Основные биогенные элементы клетки

Неудивительно, что элементы О, С, Н, N относятся к биогенным, ведь именно они образуют все органические и многие неорганические вещества. Невозможно представить белки, жиры, углеводы или нукленовые кислоты без этих важнейших для организма составляющих.

Функция этих элементов определила их высокое содержание в организме. На их долю в совокупности приходится 98% от всей сухой массы тела. В чем еще может проявляться активность этих ферментов?

1. Кислород. Его содержание в клетке около 62% от общей сухой массы. Функции: построение органических и неорганических веществ, участие в цепи дыхания;
2. Углерод. Его содержание достигает 20%. Основная функция: входит в состав всех ;
3. Водород. Его концентрация принимает значение в 10%. Кроме того, что этот элемент является составляющей органических веществ и воды, он также учавствует в преобразованиях энергии;
4. Азот. Количество не превышает 3-5%. Его основная роль - это образование аминокислот, нуклеиновых кислот, АТФ, многих витаминов, гемоглобина, гемоцианина, хлорофилла.

Вот какие химические элементы входят в состав клетки и образуют большинство необходимых для нормальной жизнедеятельности веществ.

Значение макроэлементов

Макроэлементы также помогут подсказать, какие химические элементы входят в состав клетки. Из курса биологии становится понятно, что, кроме основных, 2% сухой массы составляют другие составляющие периодической таблицы. И к макроэлементам относятся те из них, содержание которых не ниже 0,01%. Их основные функции представлены в виде таблицы.

Кальций (Са)		Отвечает за сокращение мышечных волокон, входит в состав пектина, костей и зубов. Усиливает свертываемость крови.
Фосфор (Р)		Входит в состав важнейшего источника энергии - АТФ.
		Участвует в образовании дисульфидных мостиков при сворачивании белка в третичную структуру. Входит в состав цистеина и метионина, некоторых витаминов.
		Ионы калия участвуют в клетки, а также влияют на потенциал мембраны.
		Главный анион организма
Натрий (Na)		Аналог калия, участвующий в тех же процессах.
Магний (Mg)		Ионы магния - это регуляторы процесса В центре молекулы хлорофилла также распологается атом магния.
		Участвует в транспорте электронов по ЭТЦ дыхания и фотосинтеза, является структурным звеном миоглобина, гемоглобина и многих ферментов.

Надеемся, из перечисленного несложно определить, какие химические элементы входят в состав клетки и относятся к макроэлементам.

Микроэлементы

Есть и такие составляющие клетки, без которых организм не может нормально функционировать, однако их содержание всегда меньше 0,01%. Давайте определим, какие химические элементы входят в состав клетки и относятся к группе микроэлементов.

		Входит в состав ферментов ДНК- и РНК-полимераз, а также многих гормонов (например, инсулин).
		Участвует в процессах фотосинтеза, синтеза гемоцианина и некоторых ферментов.
		Является структурной составляющей гормонов Т3 и Т4 щитовидной железы
Марганец (Mn)	менее 0,001	Входит в состав ферментов, костей. Участвует в азотфиксации у бактерий
	менее 0,001	Влияет на процесс роста растений.
		Входит в состав костей и эмали зубов.

Органические и неорганические вещества

Кроме перечисленных, еще какие химические элементы входят в состав клетки? Ответы можно найти, просто изучив строение большинства веществ организма. Среди них выделяют молекулы органического и неорганического происхождения, и каждая из этих групп имеет в составе фиксированный набор элементов.

Основные классы органических веществ - это белки, нуклеиновые кислоты, жиры и углеводы. Они построены полностью из основных биогенных элементов: скелет молекулы всегда образован углеродом, а водород, кислород и азот входят в состав радикалов. У животных доминирующим классом являются белки, а у растений - полисахариды.

Неорганические вещества - это все минеральные соли и, конечно же, вода. Среди всей неорганики в клетке больше всего Н 2 О, в которой растворены остальные вещества.

Все сказанное выше поможет вам определить, какие химические элементы входят в состав клетки, и их функции в организме больше не будут для вас загадкой.

Все живые организмы состоят из клеток. Химический состав клеток растений и животных имеет множество общих черт. В клетках растений содержится огромное количество химических элементов, которые также могут входить в состав предметов неживой природы. Они участвуют в различных химических реакциях, происходящих внутри клетки. В химическом составе клеток живых организмов, в том числе растений, преимущественно содержатся такие элементы, как углерод, водород, кислород, азот. В целом эти элементы составляют до 98% массы клетки. Относительное содержание этих элементов в живом веществе значительно выше, чем в земной коре.

Другие элементы (калий, кальций, сера, фосфор, натрий, кремний, хлор, железо, магний) составляют десятые или сотые доли процента от общей массы клетки растения. Содержание остальных химических элементов, к примеру, цинка, меди, йода, в живом организме еще меньше (тысячные и десятитысячные доли процента). Химические элементы, соединяясь между собой, образуют неорганические и органические вещества.

Органические вещества являются важным структурным компонентом живых организмов, в том числе растений. К ним относятся углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты, т.д. Белки входят в состав разнообразных клеточных образований, регулируют процессы жизнедеятельности и откладываются про запас. Жиры откладываются в семени и других частях растения.

Значение жиров состоит в том, что вследствие их расщепления освобождается необходимая для жизнедеятельности организма растения энергия. Углеводы являются основной группой органических соединений, благодаря расщеплению которых живые организмы получают энергию, необходимую для их существования.

Самым распространенным запасным углеводом, который образуется в клетках растений, благодаря фотосинтезу, является крахмал.

Огромное количество этого соединения откладывается, например, в клетках клубней картофеля или семян злаков. Другие углеводы – сахара – придают сладкий вкус плодам растений. А такой углевод, как целлюлоза, входит в состав клеточных оболочек растений. Нуклеиновым кислотам принадлежит ведущая роль в сохранении наследственной информации и передачи ее потомкам.

К неорганическим веществам в составе растительной клетки можно отнести воду и минеральные соли. Вода составляет от 60 до 95% общей массы клетки. Благодаря воде, клетка приобретает необходимую упругость, форму. Также вода принимает участие в обмене веществ.

Вода обеспечивает движение питательных веществ внутри растения и играет важную роль в регулировании температуры организма.

Примерно 1-1,5% массы клетки составляют минеральные соли, в том числе соли калия, натрия и кальция.

Большое значение играют соли магния и железа, так как они участвуют в образовании хлорофилла. Из-за недостатка либо отсутствия этих элементов листья бледнеют или вообще теряют зеленую окраску, нарушаются или приостанавливаются процессы фотосинтеза.

Таким образом, растительная клетка представляет собой своеобразную «природную лабораторию», где продуцируются и преобразуются различные химические соединения. Благодаря этому, клетку считают элементарной составной частью и функциональной единицей живого организма.

Похожие материалы: