Вы уже знаете, что все организмы состоят из клеток. Некоторые организмы состоят из одной клетки, другие — из многих. Процессы, происходящие внутри клеток, является основой функционирования как одноклеточных, так и многоклеточных организмов. Разнообразие соединений в организмах гораздо больше, чем в объектах неживой природы. Внутриклеточные процессы обеспечиваются взаимодействием многих химических веществ. Для того чтобы понять, как построена и функционирует клетка, ознакомимся сначала с ее химическим составом. Типичная клетка организма человека содержит как органические, так и неорганические вещества: 65% воды, 1,5% других неорганических соединений, 20% белков, 12% липидов, около 1% нуклеиновых кислот и менее 0,5% углеводов и других органических веществ ( по массе).
Элементный состав клеток
Из курса химии вам уже известно, что химические вещества состоят из молекул, а те, в свою очередь, из атомов химических элементов. В организмах обнаружены почти все химические элементы, которые есть в объектах неживой природы, что свидетельствует о единстве живой и неживой природы. Они образованы одинаковыми атомами, однако их количество может существенно различаться. В качестве доказательства этого рассмотрим схему содержания некоторых химических элементов в организме человека. Он несколько сходен (но не идентичен) с составом морской воды, однако существенно отличается от состава земной коры. В организме человека имеются атомы 60 химических элементов, но только на четыре из них — водород, кислород, углерод и азот приходится около 99% от количества атомов и 96% массы организма человека.
Недостаток тех или иных элементов может привести к ограничению роста и развития, а иногда — даже к гибели организма. Ведь химические элементы образуют органические и неорганические соединения, которые обеспечивают жизнедеятельность клетки и организма в целом. Поэтому ознакомимся со значением основных химических элементов для всего живого.
Значение химических элементов для всего живого
По значению для живого химические элементы делятся на несколько групп.
1. Углерод, водород, кислород и азот формируют 98% массы организмов. Эти четыре элемента называются органогенными. Первые три элемента являются обязательными компонентами всех органических соединений. Азот входит в состав белков и нуклеиновых кислот, а также других веществ.
Кроме того, водород и кислород составляют молекулу воды, является обязательным компонентом живого. Для дыхания аэробным организмам необходим кислород (02 ), образованный двумя атомами кислорода. Углерод входит в состав неорганических соединений — углекислого газа (С02 ), карбонатов и водород-карбонатов, которые имеют важное значение для живых организмов.
2. На семь других химических элементов приходится около 1,9% количества атомов. Несмотря на относительно небольшое количество, они необходимы для функционирования всех известных организмов:
- Натрий, калий и хлор в виде соответствующих ионов (Na + , К + , Cl+) необходимы для нормального функционирования каждой клетки.
- Ртуть участвует в обеспечении способности нервных и мышечных клеток к раздражительности и возбуждения. Соляная кислота создает кислую среду в желудке позвоночных животных и человека, обеспечивая активность ферментов желудочного сока.
- Кальций в составе карбонатов, сульфатов и фосфатов обеспечивает прочность костей, зубов, ракушек, яичной скорлупы и т.д. (рис. 6). Как ион Са2+ он участвует в регуляции многих внутриклеточных функций. В частности он необходим для обеспечения процессов выделения (секреции) из клетки многих гормонов, ферментов, медиаторов, нужен для сокращения мышц. В организме человека ион Са2+ участвует в свертывании крови.
- Фосфор в виде ортофосфат-аниона входит в состав многих жизненно важных органических соединений, в частности ортофосфорная кислота, необходимой для синтеза АТФ и нуклеиновых кислот.
- Магний входит в состав некоторых ферментов, активируя их. У растений этот элемент является обязательным компонентом молекулы хлорофилла в хлоропластах. Сера входит в состав некоторых аминокислот, образующих белки во всех живых организмах.
3. Следующие элементы есть в живом в общем количестве 0,1%. Они нужны для жизнедеятельности многих, но не всех организмов. К этой группе относятся бор, фтор, кремний, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, йод, молибден, селен. Они являются компонентами некоторых жизненно необходимых веществ в определенных видов или групп организмов. Например, йод входит в состав гормонов щитовидной железы позвоночных животных, а кремний — в состав опорных структур некоторых организмов: клеточных стенок хвощей, панцирей диатомовых водорослей, внутриклеточного скелета радиолярий, скелета некоторых губок. С помощью микроскопа можно увидеть эритроциты красного цвета, который обусловлен наличием гемоглобина, в состав которого входит железо.
Вода в составе клеток и ее биологическая роль
Вода относится к числу наиболее распространенным веществ на Земле. Она занимает огромные пространства на поверхности планеты в виде льда и снега, покрывает высокие горы и огромные просторы Арктики и Антарктиды. Много воды есть в атмосфере. Это пар, туман и облака. Значительное количество воды содержится и в земной коре в виде подземных вод. В природе вода находится не только в свободном состоянии, но и в химически связанном. Она является составляющей многих горных пород и всех живых организмов. Это основная неорганическое вещество, входящее в состав живых организмов. Содержание воды в них составляет 60 — 70%, а в некоторых случаях — до 98%. Цитоплазма большинстве клеток содержит примерно 80% воды, кровь и лимфа человека — более 80%. Итак, вода является основой внутренней среды организмов.
Молекула воды состоит из двух атомов водорода, соединенных с атомом кислорода ковалентными связями. Молекула воды является полярной — атом кислорода в ее составе должно частично отрицательный заряд, тогда как атомы водорода — частично положительный. Благодаря этому две соседние молекулы взаимно притягиваются. Так возникает водородная связь. Этим объясняется главная особенность воды — она является растворителем для других веществ полярного строения. В растворе молекулы воды ориентированы так, что отрицательно заряженный атом кислорода направлен в сторону положительных зарядов растворенных частиц, а положительно заряженные атомы водорода — в сторону негативных.
В зависимости от растворимости в воде соединения разделяют на гидрофильные (хорошо растворимые) и гидрофобные (нерастворимые). К гидрофильным принадлежит большинство солей, глюкоза, некоторые аминокислоты и белки. Гидрофобными являются жиры и другие подобные вещества. Как растворитель вода является средой для протекания многих химических реакций. Кроме того, она может сама вступать в определенные реакции или образовываться как продукт их протекания. Благодаря хорошей растворимости различных веществ вода участвует в их транспортировке, перенося питательные вещества, продукты обменных процессов и т.д. (например, с кровью в организме человека или в сосудах растений). В организме вода распределена неравномерно. Это зависит от интенсивности процессов обмена веществ между органами и тканями.
Как и другие жидкости, вода плохо сжимается, а потому может выполнять механическую функцию. Заполненные жидкостью полости в теле животных работают как гидроскелет. У растений вода обеспечивает упругость клеток и частей тела. Жидкость, которая заполняет пространство между головным мозгом и костями черепа, обеспечивает амортизацию при ударах. Благодаря воде ослабляется трения между различными поверхностями (например, в суставах).
Из курса физики целесообразно вспомнить, что вода имеет сравнительно высокие удельную теплоемкость и теплоту испарения. В результате она выполняет терморегуляторную функцию. При испарении воды с поверхности организма он теряет большое количество теплоты (вспомните, как в жару охлаждаются кошки или собаки). Вода переносит теплоту от более нагретых органов к холодным. Например, во время интенсивной физической работы кровь нагревается в мышцах и охлаждается в коже.
Вода может менять свои свойства, в частности температуры замерзания и кипения в зависимости от количества растворенных в ней веществ. Вследствие увеличения концентрации растворенных веществ снижается температура, при которой вода переходит в твердое состояние, и организмы могут приспосабливаться к изменениям температуры окружающей среды. Например, с наступлением зимы в клетках растений повышается содержание углеводов в растворе, у членистоногих — глицерина, у рыб — белков и тому подобное.