НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА

Содержание химических элементов в клетке. В клетках живых организмов встречается около 90 различных химических элемен­тов, причем примерно 25 из них обнаружено практически во всех клетках, т.е. все они необходимы для их жизнедеятельности. По содержанию химических элементов клетки значительно отлича­ются от объектов неживой природы, что в первую очередь связа­но с присутствием в них больших количеств органических соеди­нений — белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Кроме того, некоторые химические элементы входят в состав биологи­чески активных веществ и выполняют в клетках специфические функции. Например, соединения кремния и алюминия, широко распространенные в земной коре, практически не встречаются в живых организмах. Исключение составляют ткани хвощей, рако­вины диатомовых водорослей и радиолярий, в которых кремне­зем выполняет структурную и защитную функции.

По содержанию в живых системах все химические элементы подразделяются на три большие группы: макроэлементы (не меньше 10^-3 %), микроэлементы (от 10~^-12 до 10 ^-3 %) и ультрамикроэлементы (не больше 10^-12 %). На долю макроэлементов в сумме приходится около 99%, на долю микроэлементов — менее 1%, а ультрамик­роэлементов — менее 0,01% массы клеток.

Обычно среди макроэлементов выделяют две большие группы. В первую группу входят кислород (65—75%), углерод (15—18%), водород (8—10%) и азот (1,5—3%), в сумме составляющие около 98% от массы клеток. Эти четыре элемента входят в состав органи­ческих соединений; кроме того, из водорода и кислорода состоит вода, на долю которой приходится не менее 2/3 содержимого боль­шинства клеток.

Вторую группу представляют фосфор (0,2 –1%), калий (0,15 – 0,4%), сера (0,15 – 0,2%), хлор (0,05 – 0,1%), кальций (0,04 – 2%), магний (0,02 – 0,03%), натрий (0,02 – 0,03%), железо (0,01 – 0,015%), в сумме составляющие около 1,9%. Эти элементы также важны для обеспечения жизнедеятельности организма. Так, кальциевые соли фосфорной кислоты составляют основу костного скелета по­звоночных; фосфорная кислота входит в состав нуклеиновых кис­лот, нуклеотидов, фосфолипидов, а ее соли играют главную роль в поддержании рН цитоплазмы клеток и внеклеточных жидкостей (плазмы крови, тканевой жидкости, лимфы). Концентрация ионов калия и натрия в цитоплазме и внеклеточных жидкостях значи­тельно различается: в клетке много калия и мало натрия, поскольку натрий с затратой энергии АТФ удаляется из цитоплазмы во вне­шнюю среду в обмен на калий. Благодаря этому на внешней мем­бране клеток создается электрический потенциал, необходимый для нормального функционирования возбудимых (нервная, мы­шечная, секреторные) и других тканей. Направленный внутрь клет­ки градиент концентрации ионов натрия используется также для транспорта в клетку сахаров, аминокислот и других соединений. Хлорид-ион компенсирует электрические токи через клеточные мембраны, возникающие при возбуждении клеток, а у высших позвоночных значительные количества хлора секретируются в со­ставе соляной кислоты специальными клетками слизистой обо­лочки желудка. Сера — необходимый компонент белков (амино­кислоты цистеин и метионин), коферментов (кофермент А, липоевая кислота) и простетических групп ряда ферментов. Каль­ций нужен не только для построения костей, но и для свертыва­ния крови, обеспечения разных форм клеточной подвижности, секреции и регуляции многих клеточных функций. Магний входит в состав хлорофилла растений, нуклеиновые кислоты присутству­ют в клетках, АТФ участвует во всех реакциях в виде магниевых солей. Многие ферменты нуждаются в магнии для проявления своей активности. Железо входит в состав гемоглобина и миоглобина, оно необходимо также для работы ферментов дыхательной цепи митохондрий (цитохромов) и ряда других белков. Таким образом, даже беглый обзор позволяет увидеть, что макроэлементы обес­печивают многие функции живых клеток.

К микроэлементам относятся марганец, медь, цинк, кобальт, никель, йод, фтор. Фтор нужен для нормального развития эмализубов, йод — активный компонент гормонов щитовидной желе­зы, а цинк — поджелудочной железы, кобальт входит в состав витамина В₁₂ и т.д.

Из ультрамикроэлементов (серебро, золото, бром, бор, мышь­як, селен и др.) можно назвать, например, бор, соединения кото­рого необходимы для нормального роста и развития растений, или селен, недостаток которого приводит к развитию раковых за­болеваний. Следует, однако, помнить, что в больших количествах многие микроэлементы и ультрамикроэлементы токсичны для организмов.

Вода и ее роль в жизнедеятельности клетки. Особое место среди неорганических соединений живых клеток занимает вода. Ее со­держание в клетках может колебаться от 10% (сухие семена расте­ний) до 90—95% (эмбриональные клетки, нервная ткань, клетки многих водных организмов). В среднем на долю воды приходится не менее 2/3 от общей массы живых организмов. Как правило, содержание воды больше у молодых растущих организмов, а в процессе старения ее количество снижается. Поскольку жизнь воз­никла, как предполагается, в водах Мирового океана, столь вы­сокое содержание воды в живых организмах вполне объяснимо. Кроме того, многие свойства воды успешно используются орга­низмами в процессе жизнедеятельности.

По химическим и физическим свойствам вода представляет со­бой уникальное соединение. По сравнению с большинством дру­гих жидкостей она характеризуется необычайно высокими темпе­ратурами плавления и кипения, удельной теплоемкостью и электропроводностью, теплотой плавления и испарения, большим по­верхностным натяжением. Все эти свойства связаны с тем, что молекулы воды гораздо прочнее связаны друг с другом, чем моле­кулы других растворителей. Входящие в состав молекулы воды атом кислорода и два атома водорода связаны прочными ковалентными связями за счет общих пар электронов на внешних электрон­ных орбиталях. Однако более электроотрицательный атом кисло­рода оттягивает на себя эти электронные пары, приобретая час­тичный отрицательный заряд, тогда как атомы водорода заряжа­ются частично положительно. Поэтому между атомом кислорода одной молекулы и атомом водорода другой (или других) молеку­лы воды возникает слабое электростатическое взаимодействие, приводящее к образованию водородной связи (рис.Х.11, А). Несмотря на то что водородные связи между молекулами очень слабые (для разрыва такой связи требуется примерно в 20 раз меньше энер­гии, чем для разрыва ковалентной связи), их огромное количе­ство "структурирует" воду. Это приводит к резкому увеличению температуры плавления и кипения воды и увеличивает ее тепло­емкость.

Рис.Х.11. Схематическое изображение водородных связей (показаны точками) между молекулами воды (А). Схема, иллюстрирующая дипольные свойства моле­кулы (Б)

Кроме того, поскольку атом кислорода в молекуле воды имеет частичный отрицательный заряд, атомы водорода — положитель­ный, а угол связи Н-О-Н составляет 104,5°, молекула воды при­обретает свойства диполя, когда одна ее часть заряжена отрица­тельно, а другая положительно (рис.Х.II, Б). В связи с этим моле­кулы воды могут приобретать определенную ориентацию в элект­рическом поле, а также взаимодействовать с ионами или заря­женными группами различных соединений, образуя вокруг них гидратную оболочку. Этим объясняется способность воды хорошо растворять большое число неорганических и полярных органичес­ких соединений (различных солей, углеводов, аминокислот, нуклеотидов, многих белков и т.д.) Вещества, вступающие с молеку­лами воды в электростатические взаимодействия и, как следствие, хорошо в ней растворяющиеся, называют гидрофильными. С другой стороны, большое число органических соединений (в первую оче­редь липиды) практически нерастворимы в воде. Такие вещества называют гидрофобными. Именно гидрофобный слой биологичес­ких мембран выполняет функцию барьера, отделяющего содержи­мое клетки от внешней среды или содержимое клеточных органо­идов от цитоплазмы. Способность воды проникать через такой ба­рьер из раствора с низкой концентрацией солей или гидрофиль­ных органических соединений в раствор с высокими концентра­циями этих веществ лежит в основе осмоса, который обеспечива­ет поступление воды в клетки, поддержание тургора, движение воды и солей по проводящим пучкам растений и т.д.

Важным свойством воды является способность ее молекул диссо­циировать на ионы водорода (протоны, Н⁺) и гидроксила (ОН^-), которые участвуют во многих биохимических процессах, в пер­вую очередь в окислительно-восстановительных реакциях. В клетках концентрация ионов водорода (рН среды) поддерживается на определенном уровне, близком к нейтральному, что необходимо для нормальной работы ферментов. В поддержании определенного значения рН важную роль играют соли фосфорной и угольной кислот, а также низкомолекулярные и высокомолекулярные орга­нические соединения. Молекула воды также может участвовать во многих химических реакциях, например в реакциях гидролиза (раз­рыва ковалентной связи с присоединением к образовавшимся продуктам водорода и гидроксила) или гидрирования (присоеди­нения молекулы воды по двойной связи).

Высокая теплоемкость воды (поглощение тепла без значитель­ного изменения собственной температуры) предохраняет живые организмы от резких колебаний температуры, а высокая теплота испарения воды в процессах транспирации растений и потоотде­ления животных защищает их от перегрева при высоких темпера­турах. Высокая теплопроводность воды обеспечивает быстрое вы­равнивание температуры в разных частях тела многоклеточных организмов, а ее несжимаемость придает клеткам и тканям упру­гость.