Неорганические (минеральные) соединения.

В состав живых кле­ток входит ряд относительно простых соединений, которые встреча­ются и в неживой природе – в горных породах, мине­ралах, природных водах. Это неоргани­ческие соединения.

Вода – одно из самых распростра­ненных веществ на Земле. Она покры­вает большую часть земной поверхности. Почти все живые существа состоят в ос­новном из воды. У человека содержание воды в органах и тканях варьирует от 20% (в костной ткани) до 85% (в голов­ном мозге). Около 2/3 массы человека со­ставляет вода, в организме медузы до 95% воды, даже в сухих семенах расте­ний вода составляет 10-12%.

Вода обладает некоторыми уникаль­ными свойствами. Свойства эти настоль­ко важны для живых организмов, что нельзя представить жизнь без этого со­единения водорода и кислорода.

Уникальные свойства воды определя­ются структурой ее молекул. В молеку­ле воды один атом кислорода связан ковалентными полярными связями с двумя атомами водорода. Поэтому молекула воды – диполь. Положительные заряды сосредоточены у атомов водорода, так как кислород элект­роотрицательнее водорода.

Отрицательно заряженный атом кислорода одной молекулы воды притягивается к положительно заряженному атому водорода другой молекулы с образованием водородной связи.

Образование водородных связей в воде

 

По прочности водородная связь примерно в 15-20 раз слабее ко­валентной. Поэтому водородная связь легко разрывается, что наблюдается, например, при испарении воды. Вследствие теплового движения молекул в воде одни водородные связи разрываются, дру­гие образуются.

Таким образом, в жидкой воде молекулы подвижны, что нема­ловажно для процессов обмена веществ. Молекулы воды легко про­никают через клеточные мембраны.

Из-за высокой полярности молекул вода является растворителем других полярных, т.е. гидрофильных, соединений (правило растворения: «подобное в подобном»). В воде растворяется больше веществ, чем в любой другой жидкости. Именно поэтому в водной среде клет­ки осуществляется множество химических реакций. Вода растворя­ет продукты обмена веществ и выводит их из клетки и организма в целом.

По отношению к воде все вещества клетки разделяются на три группы: гидрофильные – «любящие воду», гидрофобные – «боя­щиеся воды» и амфифильные (от греч. «гидро» – вода, «филео» – любить и «фобос» – боязнь, «амфи» - двоякость).

К гидрофильным относятся вещества, имеющие полярные молекулы и, следовательно, хорошо растворимые в во­де. Это соли, сахара, аминокислоты.

Гидрофобные вещества, напро­тив, в воде практически нерастворимы, поскольку их молекулы неполярны. К ним относятся, например, жиры.

Амфифильные вещества обладают двоякостью свойств: часть их молекулы неполярна, а, следовательно, гидрофобна, а другой участок – полярен, и, следовательно – гидрофилен.

Клеточные поверхности, отделяющие клетку от внешней среды, и некоторые другие структуры состоят из амфифильных и гид­рофобных соединений. Благодаря этому сохраняется структурная це­лостность клетки. Образно клетку можно представить в виде сосуда с водой, где протекают биохимические реакции, обеспечивающие жизнь. Стенки этого сосуда нерастворимы в воде. Однако они спо­собны избирательно пропускать водорастворимые соединения.

Вода обладает большой теплоемкостью, т. е. способностью погло­щать теплоту при минимальном изменении собственной температу­ры. Благодаря этому она предохраняет клетку от резких изменений температуры. Поскольку на испарение воды расходуется много теп­лоты, то, испаряя воду, организмы могут защищать себя от пере­грева (например, при потоотделении).

Вода обладает высокой теплопроводностью. Такое свойство созда­ет возможность равномерного распределения теплоты между тканя­ми тела.

Вода служит растворителем для «смазочных» материалов, необ­ходимых везде, где есть трущиеся поверхности (например, в суста­вах).

Вода имеет максимальную плотность при 4°С. Поэтому лед, об­ладающий меньшей плотностью, легче воды и плавает на ее поверх­ности, что защищает водоем от промерзания.

Не­органические кислоты и их соли также выполняют в живых организмах ряд важных функций.

Соли, представляющие собой ионные соединения, образо­ваны катионами калия, натрия, магния и иных металлов и аниона­ми соляной, угольной, серной, фосфорной кислот. При диссоциации таких солей в растворах появляются катионы (К⁺, Na⁺, Са²⁺, Mg²⁺ и др.) и анионы (Сl^–, HCO₃^–, HSO₄^– и др.). Концентрация ионов на внешней поверхности клетки отличается от их концентрации на вну­тренней поверхности. Так например, за счет работы К⁺-Na⁺– насоса создает разность зарядов на мембране. На внешней поверхности клеточной мембраны очень вы­сокая концентрация ионов натрия, а на внутренней поверхности – низкая. Эта разность концентраций порождает градиент электрических потенциалов между внутренней и внешней поверхностью клеточной мембраны, что обусловливает передачу воз­буждения по нерву или мышце.

Ионы кальция и магния являются активаторами многих фермен­тов, и при их недостатке нарушаются жизненно важные процессы в клетках.

Соляная кислота создает кислую среду в желудке животных и человека и в специальных органах на­секомоядных растений, ускоряя переваривание белков пищи. Остат­ки фосфорной кислоты (Н₃Р0₄), присоединяясь к ряду ферментных и иных белков клетки, изменяют их физиологическую активность. Остатки серной кислоты, присоединяясь к нерастворимым в воде чу­жеродным веществам, придают им растворимость и способствуют их выведению из клеток и организмов. Натриевые и калиевые соли азотистой и фосфорной кислот, кальциевая соль сер­ной кислоты служат важными составными частями минерального пи­тания растений, их вносят в почву как удобрения для подкормки растений.

Органические вещества

Органическими веществами назы­вают химические соединения, в состав которых входят атомы угле­рода.

Атомы углерода способны вступать друг с другом в прочную ковалентную связь, образуя множество разнообразных цепочечных или кольцевых молекул. Самыми простыми углеродсодержащими соединениями являются углеводороды – соединения, которые содержат только углерод и во­дород. Однако в большинстве органических соеди­нений содержатся и другие элементы (кислород, азот, фосфор, сера).

В состав клеток входит множество органических соединений низко- и высокомолекулярных (биополимеров): уг­леводы, белки, липиды, нуклеиновые кислоты и другие соединения. Биополимеров нет в неживой природе.