Биология

Химический состав клетки

 

В при­ро­де можно встре­тить боль­шое раз­но­об­ра­зие кле­ток (рис. 1). Они от­ли­ча­ют­ся по раз­ме­ру, функ­ци­ям, форме, яв­ля­ют­ся сво­бод­но­жи­ву­щи­ми или же вхо­дят в со­став мно­го­кле­точ­ных ор­га­низ­мов, но при всем этом раз­но­об­ра­зии все они со­сто­ят из одних и тех же типов хи­ми­че­ских ве­ществ, пре­тер­пе­ва­ю­щих оди­на­ко­вые пре­вра­ще­ния.

 

Рис. 1. Разнообразие клеток 

Живую клет­ку от­ли­ча­ют две важ­ные осо­бен­но­сти:

1. Вы­со­кое со­дер­жа­ние воды.

2. Боль­шое ко­ли­че­ство слож­ных ор­га­ни­че­ских ве­ществ.

В живой клет­ке можно встретить различные химические элементы. Уче­ные под­счи­та­ли, что в клет­ке со­дер­жит­ся более 70 хи­ми­че­ских эле­мен­тов, то есть более по­ло­ви­ны всех су­ще­ству­ю­щих, толь­ко 24 из них по­сто­ян­но встре­ча­ют­ся в раз­лич­ных типах кле­ток. По ко­ли­че­ству эле­мен­ты, со­дер­жа­щи­е­ся в клет­ках, де­лят­ся на мак­ро- и мик­ро­эле­мен­ты (рис. 2).

Рис. 2. Макро-, микро- и ультрамикроэлементы (Источник) 

Мак­ро­эле­мен­ты встре­ча­ют­ся в клет­ках в боль­шом ко­ли­че­стве. К ним от­но­сят­ся кис­ло­род, уг­ле­род, во­до­род, азот, сера, же­ле­зо, фос­фор, каль­ций, калий и так далее. Мик­ро­эле­мен­ты пред­став­ле­ны в клет­ках в неболь­шом ко­ли­че­стве, это такие эле­мен­ты, как мар­га­нец, медь, селен, ко­бальт, цинк, йод, ни­кель и так далее. Несмот­ря на очень малое со­дер­жа­ние, мик­ро­эле­мен­ты иг­ра­ют важ­ную роль, так как вли­я­ют на обмен ве­ществ в клет­ке. Кроме мак­ро- и мик­ро­эле­мен­тов, вы­де­ля­ют еще груп­пу уль­тра­мик­ро­эле­мен­тов, ко­то­рые со­став­ля­ют менее одной мил­ли­он­ной про­цен­та в ор­га­низ­мах живых су­ществ. К ним, на­при­мер, от­но­сят­ся зо­ло­то и се­реб­ро, ко­то­рые ока­зы­ва­ют бак­те­ри­цид­ное воз­дей­ствие. Ртуть по­дав­ля­ет об­рат­ное вса­сы­ва­ние воды в по­чеч­ных ка­наль­цах, ока­зы­вая воз­дей­ствие на фер­мен­ты. Также к уль­тра­мик­ро­эле­мен­там от­но­сят пла­ти­ну и цезий. Неко­то­рые к этой груп­пе от­но­сят и селен, при его недо­стат­ке раз­ви­ва­ют­ся ра­ко­вые за­бо­ле­ва­ния. Про­цент­ное со­дер­жа­ние в ор­га­низ­ме того или иного эле­мен­та ни в коем слу­чае не ха­рак­те­ри­зу­ет сте­пень его важ­но­сти и необ­хо­ди­мо­сти в ор­га­низ­ме.

Мно­гие мик­ро­эле­мен­ты вхо­дят в со­став био­ло­ги­че­ски ак­тив­ных ве­ществ: фер­мен­тов, ви­та­ми­нов, на­при­мер, ко­бальт вхо­дит в со­став ви­та­ми­на B12 (рис. 3), а также гор­мо­нов. Они ока­зы­ва­ют вли­я­ние на рост и раз­ви­тие ор­га­низ­мов, кро­ве­тво­ре­ния (же­ле­зо и медь), про­цес­сы кле­точ­но­го ды­ха­ния (медь, цинк) и так далее.

Рис. 3. Витамин В 12 

Эти 70 эле­мен­тов в со­ста­ве клет­ки об­ра­зу­ют ты­ся­чи хи­ми­че­ских ве­ществ, ко­то­рые можно раз­де­лить на две боль­шие груп­пы (рис. 4).

Рис. 4. Органические и неорганические вещества (Источник) 

Это неор­га­ни­че­ские и органические вещества, вхо­дя­щие в со­став клет­ки. Неор­га­ни­че­ские ве­ще­ства – это вода, ми­не­раль­ные соли, уг­ле­кис­лый газ, раз­лич­ные кис­ло­ты и ос­но­ва­ния. Вода яв­ля­ет­ся важ­ней­шим ком­по­нен­том со­дер­жи­мо­го живой клет­ки, она со­став­ля­ет в сред­нем около 70 % ее массы (рис. 5).

Рис. 5. Состав клетки (Источник) 

Вода при­да­ет клет­ке упру­гость и объем, обес­пе­чи­ва­ет по­сто­ян­ство ее со­ста­ва, участ­ву­ет в хи­ми­че­ских ре­ак­ци­ях и в по­стро­е­нии хи­ми­че­ских мо­ле­кул, де­ла­ет воз­мож­ным про­те­ка­ние всех про­цес­сов жиз­не­де­я­тель­но­сти клет­ки. Вода яв­ля­ет­ся уни­вер­саль­ным рас­тво­ри­те­лем всех ве­ществ, по­сту­па­ю­щих в клет­ку, и тех, ко­то­рые из нее вы­во­дят­ся. Ми­не­раль­ные соли со­став­ля­ют при­мер­но от 1 до 1,5 % от общей массы клет­ки, но роль, ко­то­рую они вы­пол­ня­ют, очень важна. В рас­тво­рен­ном виде ми­не­раль­ные соли пред­став­ля­ют собой необ­хо­ди­мую среду для хи­ми­че­ских про­цес­сов, ко­то­рые про­те­ка­ют в клет­ке.

В клет­ках можно встре­тить много раз­ных солей. Жи­вот­ные их из­бы­ток вы­во­дят с по­мо­щью вы­де­ли­тель­ной си­сте­мы. А у рас­те­ний они на­кап­ли­ва­ют­ся и кри­стал­ли­зу­ют­ся в раз­лич­ных ор­га­но­и­дах или ва­ку­о­лях, чаще всего это бы­ва­ет соль и каль­ций. Их форма в клет­ках рас­те­ний может быть раз­лич­ной: иглы, ромбы, кри­стал­ли­ки, оди­но­кие или срос­ши­е­ся вме­сте, так на­зы­ва­е­мые друзы (рис. 6). Ор­га­ни­че­ские ве­ще­ства клет­ки на­зы­ва­ют так по­то­му, что впер­вые вы­де­ле­ны они были имен­но из ор­га­низ­мов. К ним от­но­сят­ся такие ве­ще­ства, как белки, ли­пи­ды (или жиры), углеводы и нук­ле­и­но­вые кис­ло­ты.

Рис. 6. Форма различных солей в клетках растений (Источник)  

Ор­га­ни­че­ская химия – это химия со­еди­не­ния та­ко­го уди­ви­тель­но­го эле­мен­та, как уг­ле­род. Его уди­ви­тель­ность и уни­каль­ность в том, что мно­го­чис­лен­ные пре­вра­ще­ния мо­ле­кул и об­ра­зо­ва­ние раз­лич­ных круп­ных и даже ги­гант­ских мо­ле­кул ор­га­ни­че­ских со­еди­не­ний про­ис­хо­дит бла­го­да­ря тому, что уг­ле­род, бу­дучи че­ты­рех­ва­лент­ным, спо­со­бен объ­еди­нять­ся в длин­ные цепи и за­мкну­тые коль­це­вые струк­ту­ры (рис. 7).

Рис. 7. Модель кристаллической структуры углерода 

Эти уг­ле­род­ные цепи и коль­ца яв­ля­ют­ся ске­ле­та­ми слож­ных ор­га­ни­че­ских мо­ле­кул. В клет­ках живых ор­га­низ­мов син­те­зи­ру­ют­ся все­воз­мож­ные боль­шие и малые ор­га­ни­че­ские мо­ле­ку­лы.

Неко­то­рые малые мо­ле­ку­лы могут со­еди­нять­ся между собой и об­ра­зу­ют круп­ные мо­ле­ку­лы – по­ли­ме­ры (от гре­че­ско­го слова polis – «мно­го­чис­лен­ный» и meros – «часть, доля»). Малые мо­ле­ку­лы, став­шие зве­нья­ми по­ли­мер­ной цепи, на­зы­ва­ют мо­но­ме­ра­ми (от слова monos – один) (рис. 8).

Рис. 8. Мономеры и полимеры (Источник)  

 

Углеводы

 

 

Уг­ле­во­ды – это ор­га­ни­че­ские ве­ще­ства, в со­став ко­то­рых вхо­дит уг­ле­род, во­до­род и кис­ло­род, то есть, по сути, уг­ле­род и вода, от­сю­да и на­зва­ние – уг­ле­во­ды.

 

Рис. 9. Углеводы (Источник)  

Они вы­пол­ня­ют в клет­ке раз­лич­ные функ­ции:

- энер­ге­ти­че­скую, как са­ха­ро­за, глю­ко­за;

- за­щит­ную, как цел­лю­ло­за;

- ре­зерв­ную, как крах­мал или гли­ко­ген.

Уг­ле­во­ды часто вы­сту­па­ют в роли очень важ­ных ком­по­нен­тов дру­гих ор­га­ни­че­ских со­еди­не­ний клет­ки, ко­то­рые встре­ча­ют­ся прак­ти­че­ски у всех ор­га­низ­мов, жи­ву­щих на Земле.

 

Липиды

 

 

Ли­пи­ды – это ве­ще­ства, ко­то­рые прак­ти­че­ски не рас­тво­ря­ют­ся в воде, но зато хо­ро­шо рас­тво­ря­ют­ся в ор­га­ни­че­ских рас­тво­ри­те­лях (рис. 10).

 

Рис. 10. Липиды (Источник)  

Мно­гие из них об­ра­зо­ва­ны с уча­сти­ем жир­ных кис­лот. Хо­ро­шо зна­ко­мые нам ли­пи­ды – жиры, ко­то­рые мы упо­треб­ля­ем в пищу, на­при­мер сли­воч­ное масло. Это не что иное, как со­еди­не­ние жир­ных кис­лот и трех­атом­но­го спир­та гли­це­ри­на. Роль ли­пи­дов в жиз­нен­ном цикле клет­ки не сво­дит­ся к од­но­му лишь за­па­са­нию энер­гии, хотя бла­го­да­ря своим свой­ствам эту функ­цию они вы­пол­ня­ют бле­стя­ще. Раз­ные виды ли­пи­дов вклю­ча­ют­ся в самые раз­лич­ные про­цес­сы, про­те­ка­ю­щие в клет­ке, на­при­мер фос­фо­ли­пи­ды (рис. 11), в со­став ко­то­рых вхо­дит оста­ток фос­фор­ной кис­ло­ты.

Рис. 11. Фосфолипиды (Источник) 

Эти со­еди­не­ния – глав­ный ком­по­нент плаз­ма­ти­че­ской мем­бра­ны, мем­бран хло­ро­пла­стов, ми­то­хон­дрий, ядра и так далее (рис. 12).

Рис. 12. Соединения липидов (Источник)  

Су­ще­ству­ют ли­пи­ды, ко­то­рые вхо­дят в со­став гор­мо­нов и участ­ву­ют в ре­гу­ля­ции об­ме­на ве­ществ в ор­га­низ­ме.

 

Заключение

 

 

Мы рас­смот­ре­ли химический состав клетки, органические ве­щества, вхо­дя­щие в со­став клет­ки – липиды и углеводы, обсудили их функции. Нук­ле­и­но­вые кис­ло­ты и белки мы рассмотрим на следующем уроке.

 

 

Список литературы

1. Мамонтов С.Г., Захаров В.Б., Агафонова И.Б., Сонин Н.И. Биология. Общие закономерности. – Дрофа, 2009.
2. Пономарева И.Н., Корнилова О.А., Чернова Н.М. Основы общей биологии. 9 класс: Учебник для учащихся 9 класса общеобразовательных учреждений/ Под ред. проф. И.Н. Пономаревой. – 2-е изд., перераб. – М.: Вентана-Граф, 2005.
3. Пасечник В.В., Каменский А.А., Криксунов Е.А. Биология. Введение в общую биологию и экологию: Учебник для 9 класса, 3-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2002.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Article-factory.ru (Источник). 
2. Yaklass.ru (Источник). 
3. Beaplanet.ru (Источник). 

 

Домашнее задание

1. Какие особенности отличают живую клетку и на какие группы делятся химические вещества, входящие в ее состав?
2. Какова роль неорганических веществ в жизни клетки?
3. Какие функции выполняют углеводы и липиды?