Химический состав и физико-химические свойства протоплазмы

Элементный состав протоплазмы

Изучение элементного химического состава протоплазмы подтверж­дает тесное единство всей природы. Живые организмы состоят из тех же химических элементов, что и тела неживой природы.

Из известных в настоящее время науке 104 химических элементов, со­ставляющих периодическую систему Менделеева, свыше 70 входят в со­став организмов. Это, разумеется, не предел наших знаний об элемент­ном составе протоплазмы. По-видимому, дальнейшие исследования обна­ружат в организмах еще ряд химических элементов. Допустимо предпо­ложить, что нет таких элементов в неживой природе, которые в каком-то количестве не йходят в состав тех или иных организмов. Химические элементы, которые принимают участие в процессах обмена веществ и обладают выраженной биологической активностью (таких около 40), называются биогенными.

Элементный анализ протоплазмы растений и животных показывает, что она в среднем содержит: кислорода около 70% общего веса, углеро­да 18% и водорода 10%. В сумме эти три элемента составляют более 98% общего живого веса.

Затем следуют кальций, азот, калий и кремний, входящие в состав живых организмов в десятых долях процента, а также фосфор, магний, сера, хлор, натрий, алюминий и железо, составляющие сотые доли про­цента. Названные элементы вместе с кислородом, водородом и углеродом

составляют 99,99% веса живых организмов; поскольку они находятся в них в сравнительно большом количестве, их называют макроэлемен­тами.

В несколько меньшем количестве встречаются марганец, бор, медь, цинк, фтор, барий, никель, литий, йод, кобальт, хром. Они составляют тысячные, десятитысячные и стотысячные доли процента к весу тела н получили название микроэлементов. Наконец, в еще меньшем ко­личестве обнаружены ультрамикроэлементы: ртуть, золото, радий и др., составляющие миллионные доли процента.

Важность того или иного элемента определяется не только его коли­чеством. Многие микро- и ультрамикроэлементы оказались жизненно не­обходимыми.

Элементный состав протоплазмы из клеток организмов разных видов несколько варьирует, что стоит В связи с различным характером обмена веществ. Более того, акад. В. И. Вернадский (1863-1945) обнаружил, что некоторые из организмов являются интенсивными накопителями оп­ределенных элементов. Так, ряд морских водорослей накапливает йод, лютики - литий, ряска - радий, диатомовые водоросли и злаки-крем­ний, моллюски и ракообразные-медь, позвоночные - железо, некото­рые бактерии - марганец. Но элементный химический состав организ­мов и химический состав окружающей среды всегда существенно отли­чаются. Так, кремния в почве около 33%, а в растениях лишь 0,15%; на­оборот, кислорода в почве около 49%, а в растениях 70% и т. д. Это ука­зывает на избирательную способность организмов извлекать определен­ные химические элементы, необходимые для построения и жизнедеятель­ности протоплазмы.

ФИЗИКО - Х ИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРОТОПЛАЗМЫ Протоплазма характеризуется рядом физико-химических свойств. Это обусловлено тем, что она представляет собой сложное соединение кол­лоидных растворов белка и других органических веществ с истинными растворами солей и ряда неорганических соединений.

Следует различать истинные растворы, коллоидные рас­творы и суспензии. Истинные растворы отличаются прозрач­ностью; благодаря малым размерам растворенных частиц (менее 1 тр.) они легко проходят через биологические мембраны.

В коллоидном растворе различают непрерывную фазу, или диспер­сионную среду, и коллоидные частицы - дисперсионную фа-

з у. Дисперсионная фаза протоплазмы состоит чаще всего из макромо­лекул белка. Коллоидные частицы протоплазмы как бы «взвешены» в дисперсионной (жидкой) среде, вследствие чего создается огромная поверхность, на которой происходит оседание, адсорбция веществ, по­ступающих в клетку, и осуществляются разнообразные биохимические реакции.

При известных обстоятельствах частицы дисперсной фазы могут склеи­ваться между собой - агглютинировать и выпадать в осадок. Прото­плазма представляет собой устойчивый гидрофильный коллоид (от греч„ hydor - вода, phileo- люблю). Напомним, что вокруг каждой макро­молекулы образуется водная или сольватная оболочка.

Коллоиды протоплазмы бывают в двух состояниях: в виде коллоид­ного раствора (золя) и студня (геля). При исследовании протоплазмы под электронным микроскопом обнаружено, что в состоянии геля (от лат. gelatin а - студень) вытянутые белковые молекулы, соприкасаясь частя­ми поверхностей между собой, образуют остов из сетки, заполненный дисперсионной средой. Когда коллоидные частицы - белковые макро­молекулы расходятся, коллоид Переходит в золь (от лут. solutus - рас­творенный). Такой переход из одного состояния в другое можно наблю­дать на растворе желатины, который при нагревании жидок (золь), а при остывании становится студнеобразным (гель). Эти процессы обратимы й в клетке совершаются непрерывно. Они зависят от физиологического состояния живого вещества. При сокращении мышцы золь быстро пере­ходит в гель и наоборот; при образовании псевдоподии у амебы наблю­дается переход геля в золь и т. д.

Коллоидным состоянием протоплазмы обусловлена ее вязкость. У большинства клеток консистенция цитоплазматического матрикса пре­вышает вязкость воды не более чем в 5-10 раз, но в ряде случаев может быть и значительно выше. Вязкость протоплазмы зависит от обменных процессов в клетках. Так, она повышается при повреждении клетки, а в яйцеклетках - после оплодотворения. Во время деления клетки обнару­живается ритмичное изменение вязкости протоплазмы. Вязкость крови меняется в зависимости от физиологического и патологического состоя­ния организма.Жидко-кристаллическая структура обнаружена в сперматозоидах, эри­троцитах, в клетках нервной системы и нервных волокон, в палочках и колбочках сетчатки глаза.

Паранекроз и денатурация протоплазмы

Физико-химическое состояние протоплазмы очень лабильно. При дейст­вии на нее разнообразных термических, механических, химических и других повреждающих агентов в клетках происходят паранекротические изменения. Термин «паранекроз», предложенный Д. Н. Насоновым и В. Я- Александровым (1934), в дословном переводе значит «вблизи смерти». Паранекроз проявляется в повышении вязкости, укрупнении раздробленных коллоидных частиц, увеличении адсорбции, изменении реакции цитоплазмы в сторону большей кислотности и т. д. Если сила раздражителя незначительна, процесс обратим. При более сильном воз­действии наступают необратимые изменения - денатурация протоплаз­мы, при которой клетки гибнут. Такие изменения сопровождаются внут­римолекулярными изменениями белка. Денатурированная протоплазма теряет свои нативные, естественные свойства, нерастворима в воде, хи­мически инертна. Она не может быть возвращена в прежнее, нативное состояние. Денатурация наступает в результате воздействия разно­образных физических и химических факторов. Ее можно вызвать, на­пример, действием высокой температуры, крепкой кислотой или ще­лочью. Для поддержания нормального состояния протоплазма нуждается в непрерывной затрате энергии, освобождающейся из веществ, посту­пающих в клетку.

Химический состав кости (органические и неорганические вещества). Кости скелета имеют сложный химический состав. Кость, извлеченная из организма и не подвергшаяся фиксации или высушиванию, состоит из 50% воды, 15,5% жира, 12,5% органических и 22% неорганических веществ, представленных в виде различных соединений. В высушенных и обезжиренных костях содержится около 1/3 органических и 2/3 неорганических веществ, из которых количество неорганических веществ может колебаться от'40 до 60%. Отношение органических веществ к неорганическим и процентное содержание минеральных соединений в костях подвержены значительным колебаниям, что зависит от вида и породы животного, его возраста, условий питания, содержания, сезона года и физического состояния (беременность, усиленная работа, уровень молочной продуктивности, болезнь). В этом можно убедиться при сравнении костей молодого животного, у которого кости мягкие и эластичные за счет большого содержания органических веществ, и старого животного, у которого в силу минерализации кости становятся менее эластичными и более хрупкими.