Какой химический элемент содержится в клетке в большом количестве

Х Химический состав клетки составляют около 80 элементов таблицы Менделеева. Химический состав клетки определяет ее способность к жизнедеятельности и развитию организма в целом.

Содержание химических элементов в клетке

В клетках обнаружено более 80 химических элементов. Все элементы делят на три группы.

Макроэлементы, содержание которых в клетке составляет до 10-3%, – это кислород, углерод, водород, азот, фосфор, сера, кальций, натрий и магний; на их долю приходится свыше 99% массы клеток.

Микроэлементы, ссдержание которых колеблется от 10-3% до 10-6%. Это железо, марганец, медь, цинк, кобальт, никель, иод, фтор; на их долю приходится менее 1,0 % массы клеток.

Ультрамикроэлементы, составляющие менее 10-6% – это золото, серебро, уран, цезий, бром, ванадий, селен и др., на их долю приходится менее 0,01% массы клетки. Физиологическая роль установлена только для некоторых из них. Например, дефицит селена приводит к развитию раковых заболеваний.

Все перечисленные элементы входят в состав неорганических и органических веществ или содержатся в виде ионов.

Вода и минеральные соли

Неорганические соединения клеток представлены водой и минеральными солями.

Содержание воды в разных клетках зависит от интенсивности обменных процессов и колеблется от 10% в эмали зуба до 85% в нервных клетках и до 97% в клетках развивающегося зародыша. В среднем в теле многоклеточных содержится около 80% воды от массы тела.

Вода в клетках выполняет следующие функции:

• связанная вода (4 — 5% от всего ее содержания) образует водные (сольватные) оболочки вокруг молекул белков, препятствуя склеиванию их друг с другом;
• свободная вода является универсальным растворителем и способствует транспорту растворенных в ней веществ;
• вода принимает непосредственное участие в реакциях гидролиза;
• вода регулирует тепловой режим и осмотическое давление в клетках.

По отношению к воде все вещества делятся на гидрофильные (водорастворимые) – многие минеральные соли, кислоты, щелочи, моносахариды, белки, витамины (С и В) и гидрофобные (водонерастворимые) – жиры, полисахариды, некоторые соли, витамины (А, D).

Минеральные соли и химические элементы в определенных концентрациях необходимы для нормальной жизнедеятельности клеток. Так, азот и сера входят в состав молекул белков, фосфор – в ДНК, РНК и АТФ, магний – во многие ферменты и хлорофилл, железо – в гемоглобин, цинк в гормон поджелудочной железы, иод – в гормоны щитовидной железы и т.д. Нерастворимые соли кальция и фосфора обеспечивают прочность костной ткани, катионы натрия, калия и кальция – раздражимость клеток. Ионы кальция принимают участие в свертывании крови.

Липиды и углеводы

Органические соединения составляют около 20 — 30% массы живых клеток. К ним относятся биологические полимеры – белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, а также липиды, гормоны, пигменты, АТФ и др.

Липиды (жиры) и липоиды являются обязательными компонентами всех клеток. Содержание жиров в клетке колеблется от 5 до 15% массы сухого вещества, а в клетках подкожной жировой клетчатки – до 90%. Липиды представляют собой сложные эфиры высокомолекулярных жирных кислот и трехатомного спирта глицерина, а липоиды – жирных кислот с другими спиртами. Эти соединения нерастворимы в воде (гидрофобны). Липиды могут образовывать сложные комплексы с белками (липопротеины), углеводами (гликолипиды), остатками фосфорной кислоты (фосфолипиды) и др.

Функции жиров:

• строительная – жиры составляют основу биологических мембран;
• энергетическая – жиры являются источником энергии;
• запасающая – жиры откладываются в жировой ткани животных и в плодах и семенах растений и являются запасным источником энергии;
• источник воды – при окислении жиров выделяется вода;
• защитная – скопления жира выполняют теплоизоляционную и механическую защиту органов.

Углеводы – обязательный химический компонент клеток. В растительных клетках их содержание достигает 90% сухой массы (крахмал в клубнях картофеля), а в животных – 5% (гликоген в клетках печени). В состав молекул углеводов входят углерод, водород и кислород.

Все углеводы подразделяют на моно-, ди- и полисахариды. Моносахариды чаще содержат пять (пентозы) или шесть (гексозы) атомов углерода. Пентозы (рибоза и дезоксирибоза) входят в состав нуклеиновых кислот и АТФ. Гексозы (глюкоза и фруктоза) постоянно присутствуют в клетках плодов растений, придавая им сладкий вкус. Глюкоза содержится в крови и служит источником энергии для клеток и тканей животных. Дисахариды объединяют в одной молекуле два моносахарида. Пищевой сахар (сахароза) состоит из молекул глюкозы и фруктозы, молочный сахар (лактоза) включает глюкозу и галактозу. Все моно- и дисахариды хорошо растворимы в воде и имеют сладкий вкус. Молекулы полисахаридов образуются в результате поликонденсации моносахаридов. Мономером полисахаридов – крахмала, гликогена, целлюлозы (клетчатки) является глюкоза. Полисахариды практически нерастворимы в воде и не обладают сладким вкусом. Основные полисахариды – крахмал (в растительных клетках) и гликоген (в клетках животных) откладываются в виде включений и служат запасными энергетическими веществами. Целлюлоза образует стенку растительных клеток и выполняет защитную функцию.

Углеводы образуются в растениях в процессе фотосинтеза и могут использоваться в дальнейшем для биосинтеза аминокислот, жирных кислот и других соединений.

Углеводы выполняют четыре основные функции:

1. строительную – образуют стенки растительных клеток;
2. энергетическую – углеводы являются основным источником энергии;
3. запасающую – углеводы откладываются в клетках в виде гликогена или крахмала и являются запасным источником энергии;
4. защитную – целлюлоза в стенках клеток растений.

Белки

Белки составляют 10 — 18% от общей массы клетки. Молекулярная масса их колеблется от десятков тысяч до многих миллионов единиц. Белки – это биополимеры, мономерами которых являются 20 аминокислот. Молекулы белков различаются по величине, структуре и функциям, которые определяются составом, количеством и порядком расположения аминокислот. Помимо простых белков (альбумины, глобулины, гистоны) имеются и сложные – соединения белков с углеводами (гликопротеины), жирами (липопротеины) и нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеины).

Каждая аминокислота состоит из углеводородного радикала, соединенного с карбоксильной группой, имеющей кислотные свойства (–СООН)‚ и аминогруппой (–NН2)‚ обладающей основными свойствами. Аминокислоты отличаются одна от другой только радикалами. Они способны соединяться в длинные цепочки. При этом устанавливаются прочные ковалентные (пептидные) связи между углеродом кислотной и азотом основной групп (–СО–NН–) с выделением молекулы воды. Соединения, состоящие из двух аминокислотных остатков, называются дипептидами, из трех – трипептидами, из многих – полипептидами.

Различные свойства и функции белковых молекул определяются последовательностью соединения аминокислот, которая закодирована в ДНК. Эту последовательность называют первичной структурой молекулы белка, от которой в свою очередь зависят последующие уровни ее пространственной организации и биологические свойства белков.

Вторичная структура белковой молекулы достигается ее спирализацией благодаря установлению между атомами соседних витков спирали водородных связей. Функционирование в виде закрученной спирали характерно для некоторых фибриллярных белков (фибриноген, миозин, экшн и др.).

Многие белковые молекулы становятся функционально активными только после приобретения глобулярной (третичной) структуры. Она формируется путем многократного сворачивания спирали в трехмерное образование – глобулу. Эта структура поддерживается ковалентными дисульфидными (–S–S–) связями, гидрофобными взаимодействиями и электростатическими связями. Глобулярную структуру имеет большинство белков (альбумины, глобулины и др.).

Для выполнения некоторых функций требуется участие белков с более высоким уровнем организации, при котором возникает объединение нескольких глобулярных белковых молекул в единую систему – четвертичную структуру (химические связи могут быть разные – гидрофобные взаимодействия, водородные и ионные связи). Например, молекула гемоглобина состоит из четырех различных глобул и небелковой части – гема, содержащего железо.

Утрата белковой молекулой своей структурной организации называется денатурацией. Причиной ее могут быть различные химические (кислоты, щелочи, спирт, соли тяжелых металлов и др.) и физические (высокая температура и давление, ионизирующие излучения и др.) факторы. Вначале разрушается четвертичная, затем третичная, вторичная, а при более жестких условиях и первичная структура (происходит деградация). Если под действием денатурирующего фактора не затрагивается первичная структура, то при возвращении белковых молекул в нормальные условия среды их структура полностью восстанавливаетея, т.е. происхоцит ренатурация.

Свойства белков: гидрофильность, видовая специфичность, химическая активность, способность денатурировать и ренатурировать, переходить из золя в гель, изменять конфигурацию молекул под действием факторов среды.

Белки выполняют следующие функции:

• строительную – входят в состав большинства клеточных структур;
• каталитическую – все ферменты являются белками;
• транспортную – переносят различные вещества, напригер гемоглобин, – O2;
• двигательную – обусловливают сокращение мышц, жгутиков, ресничек;
• защитную – выполняют антитела;
• сигнальную (рецепторную) – белковые молекулы способны изменять свою структуру под действием различных факторов среды;
• регуляторную – гормоны, имеющие белковую природу (инсулин);
• энергетическую – белки являются источником энергии.

Каталитическую функцию в клетках выполняют белки-ферменты, в десятки и сотни тысяч раз ускоряющие течение биохимических реакций при нормальном давлении и температуре 37 °С. Действие ферментов строго специфично: каждый фермент катализирует только одну реакцию, действует на одно вещество или один тип связи при определенной температуре и рН среды. Высокая специфичность ферментов обусловлена наличием одного или нескольких активных центров, в которых происходит тесный контакт между молекулами фермента и субстратом (веществом, на которое действует данный фермент).

Нуклеиновые кислоты

Схема строения молекулы ДНК: Ф — остаток фосфорной кислоты; Д — дезоксирибоза; А,Г,Т,Ц — первые буквы названий азотистых оснований(аденин, гуанин, цитозин, тимин).

Нуклеиновые кислоты представляют собой сложные высокомолекулярные биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.

Существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). ДНК входит в основном в хроматин ядра, хотя небольшое ее количество содержится и в некоторых органоидах (митохондрии, пластиды). РНК содержится в ядрышках, кариолимфе, рибосомах, митохондриях, пластидах и в гиалоплазме клетки.

Структура молекулы ДНК была впервые расшифрована Дж. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 г. Она представляет собой две полинуклеотидные цепи, соединенные друг с другом. Мономерами цепей являются нуклеотиды. В состав каждого нуклеотида входят: пятиуглеродный сахар – дезоксирибоза, остаток фосфорной кислоты и одно из четырех азотистых оснований: аденин и гуанин (пуриновые основания), цитозин и тимин (пиримидиновые основания). Нуклеотиды отличаются один от другого только азотистыми основаниями.

Нуклеотиды соединяются в цепочку путем образования фосфодиэфирных (ковалентных) связей между дезоксирибозой одного и остатком фосфорной кислоты другого, соседнего, нуклеотида. Молекулы ДНК могут содержать от 200 до 2 * 108 нуклеотидов. Огромное разнообразие молекул ДНК достигается разным составом, количеством и различной последовательностью нуклеотидов. Обе цепочки объединяются в одну молекулу ведородными связями, возникающими между азотистыми основаниями нуклеотидов противоположных цепочек, причем в виду определенной пространственной конфигурации между аденином и тимином устанавливаются две связи, а между гуанином и цитозином – три. Вследствие этого нуклеотиды двух цепочек образуют пары: А — Т, Г — Ц . Строгое соответствие нуклеотидов друг другу в парных цепочках ДНК называется комплементарностью (дополнительностью). Это свойство лежит в основе репликации (самоудвоения) молекулы ДНК.

Репликация молекулы ДНК происходит следующим образом. Под действием фермента (ДНК-полимераза) разрываются водородные связи между нуклеотидами двух цепочек и к освободившимся связям по принципу комплементарности присоединяются соответствующие нуклеотиды ДНК.

Следовательно, порядок нуклеотидов в «старой» цепочке ДНК определяет порядок нуклеотидов в «новой», т.е. «старая» цепочка ДНК является матрицей для синтеза «новой». Такие реакции называются реакциями матричного синтеза; они характерны только для живого.

Роль ДНК в клетке заключается в хранении, воспроизведении и передаче генетической информации. Благоларя матричному синтезу наследственная информация дочерних клеток точно соответствует материнской.

РНК, как и ДНК, представляет собой полимер, состоящий из мономеров – нуклеотидов. Структура нуклеотидов РНК сходна с таковой ДНК, но имеет следующие отличия: вместо дезоксирибозы в состав нуклеотидов РНК входит пятиуглеродный сахар – рибоза, а вместо азотистого основания тимина – урацил. По сравнению с ДНК в состав РНК входит меньше нуклеотидов, и, следовательно, ее молекулярная масса меньше. В клетках эукариот встречаются только одноцепочечные молекулы РНК.

Имеется три типа РНК: информационная, транспортная и рибосомальная.

Информационная РНК (и-РНК) состоит из 300 — 30000 нуклеотидов и составляет примерно 5% от всей РНК, содержащейся в клетке. Она представляет собой комплементарную копию определенного участка ДНК (гена). Молекулы и-РНК выполняют роль переносчиков генетической информации от ДНК к месту синтеза белка ( в рибосомы) и непосредственно участвуют в сборке его молекул.

Транспортная РНК (т-РНК) составляет до 10% от всей РНК клетки и состоит из 75 — 85 нуклеотидов. Молекулы т-РНК транспортируют аминокислоты из цитоплазмы в рибосомы.

Основную часть РНК цитоплазмы (около 85%) составляет рибосомальная РНК (р-РНК). Она входит в состав рибосом. Молекулы р-РНК состоят из 3 — 5 тыс. нуклеотидов. р-РНК обеспечивает определенное пространственное взаиморасположение и-РНК и т-РНК.