Элементный состав клетки. Неорганические вещества. Вода

Всё, из чего состоит клетка с точки зрения таблицы Менделеева, делится на макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.

Макроэлементы

• То, чего в клетке относительно много (больше 0,01 %).
• Углерод (C), водород (H), кислород (O), азот (N) — выделяются в отдельную группу – органогены, потому что клетки на 97 % состоят из этих четырёх элементов. Углерод способен образовать 4 связи, благодаря чему образует каркасы – углеродные скелеты огромного количества разнообразных органических молекул. Белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты состоят преимущественно из органогенов.
• Железо — важная составляющая гемоглобина (который переносит кислород в крови) и миоглобина (который запасает кислород в мышцах).
• Магний — важная часть хлорофилла, который нужен для питания растений (фотосинтеза).
• Кальций — основа зубов и костей, способствует сокращениям сердца и иных мышц и сворачиванию крови.
• Фосфор — ещё один основной элемент костей и зубов вместе с кальцием, а также одна из составляющих клеточных мембран (они образованы фосфолипидами) и нуклеиновых кислот.
• Сера — важная составляющая аминокислоты цистеин (то есть во все белки) и витамина В1.
• Хлор — образует соляную кислоту в желудочном соке.
• Натрий и калий — создают разницу потенциалов на мембранах клеток, за счёт чего проводится нервный импульс и функционирует нервная система животных.

Микроэлементы

• То, чего в клетках относительно мало (меньше 0,01 %)
• Йод — нужен для работы щитовидной железы и всего организма (входит в состав тироксина, гормона щитовидки), а также накапливается в бурых водорослях (ламинарии).
• Фтор – содержится в костях и зубной эмали.
• Кобальт – содержится в витамине В12, необходимом для развития эритроцитов.
• Цинк, молибден, марганец, бор и бром – кирпичики для гормонов и разных ферментов, необходимых для правильного обмена веществ.

Ультрамикроэлементы

• То, чего в клетках практически нет (следовое количество около 0,000001 %)
• Практически вся остальная таблица Менделеева — золото, серебро, мышьяк, селен, свинец, стронций, ртуть, цезий, бериллий и т. д. Хотя многие из этих элементов токсичны для организмов, в сверхнизких концентрациях они необходимы: селен и мышьяк улучшают проницаемость мембран, стронций увеличивает плотность костной ткани. Функции большинства ультрамикроэлементов всё ещё неизвестны.

Вещества, которые образуют клетки, делятся на органические (нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры и белки) и неорганические (вода и соли минералов).

Молекулы органических веществ чаще всего небольшие и, как правило, складываются из макро- и микроэлементов, а органические вещества состоят в основном из ортаногенов и образуют углеродные каркасы, способные объединяться в огромные молекулы — полимеры из отдельных молекул-мономеров.

Подробнее об органических веществах клетки можешь прочитать в статьях Органические вещества клетки: углеводы и липиды и Органические вещества клетки: белки и нуклеиновые кислоты.

Вода

Вода — ключевой компонент клеток. Типичная клетка состоит из воды на 70 %, а клетка зародышей организмов – на все 90 %.

Вода имеет формулу Н₂О, но в обычном состоянии распадается на ионы Н⁺ и ОН⁻. Соотношение этих ионов определяет кислотность среды, которая выражается через водородный показатель рН:

• pH = 7 — нейтральная среда, число ионов Н⁺ и ОН⁻ примерно равно;
• pH < 7 — кислая среда, ионов Н⁺ больше, чем ионов ОН⁻;
• pH > 7 — щелочная среда, ионов ОН⁻ больше, чем ионов Н⁺.

Функции воды в клетке и организме:

• Универсальный растворитель: молекулы воды отделяют и окружают молекулы вещества, благодаря чему они могут перемещаться и вступать в реакции.
• Транспортная: вода переносит растворившиеся в ней вещества как в пределах клетки, так и по всему организму.
• Терморегуляционная: вода имеет высокую теплоёмкость и теплопроводность и поэтому помогает поддерживать температуру в клетках и организмах относительно постоянной.
• Метаболическая: вода в клетках вступает в химические реакции окисления, восстановления и гидролиза.
• Структурная: вода — главный компонент цитоплазмы клеток, она поддерживает их форму, объём и упругость.

Минеральные соли

Минеральные вещества могут встречаться в организмах как нерастворимые твёрдые соли, образующие скелеты, зубы, раковины и панцири, или как ионы растворимых минеральных солей в цитоплазме клеток. К основным катионам относятся калий К⁺, натрий Na⁺, кальций Са2⁺ и магний Mg2⁺, а к основным анионам хлориды Cl⁻, гидрофосфаты НРО4^2- и гидрокарбонаты НСО3⁻.

Функции минеральных солей в клетке и организме:

• Передача нервного импульса: при участии ионов К⁺ и Na⁺ создаётся разница потенциалов на мембранах клеток, что необходимо для передачи импульса по нервным клеткам и для работы нервной системы животных в целом.
  Подробнее о передаче нервного импульса можно почитать в статье Нервная система.
• Поддержание кислотности среды: гидрофосфаты и гидрокарбонаты образуют специализированные буферные системы, которые поддерживают на определённом уровне кислотность цитоплазмы и плазмы крови, не давая рН среды существенно изменяться под воздействием внешней среды.
• Структура: фосфаты кальция нужны для образования зубов и костей, а карбонаты кальция придают прочность и твёрдость раковинам моллюсков.
• Составляющие ферментов и гормонов: железо — гемоглобина и миоглобина, цинк — инсулина, йод — тироксина, магний — хлорофилла.
• Обеспечивание сокращений мышц и свертываемости крови: ион кальция Са²⁺ участвует в реакциях в мышечных волокнах и плазме крови, способствуя остановке кровотечения при ранении.
• Баланс воды в организме: минеральные соли регулируют осмотическое давление клеток и транспортируют воду в клетку и из неё.

Все клеточные мембраны являются полупроницаемыми, поэтому молекулы воды могут двигаться сквозь них и в клетку, и из неё в зависимости от концентрации окружающего раствора.

Если в окружающем растворе концентрация веществ меньше, чем внутри клетки, вода поступает в клетку, увеличивая её объём и массу. Животная клетка даже может лопнуть из-за отсутствия клеточной стенки, растительная же находится в тургоре – упругом состоянии.

Если в растворе концентрация веществ больше, чем внутри клетки, вода выходит из клетки, уменьшая её объем и массу, клетка может погибнуть.

Если концентрация веществ в растворе такая же, как в клетке, то движение воды не направлено, масса её не меняется.

Именно из-за явления осмоса и чтобы предотвратить гибель эритроцитов в медицине для инъекций используют не воду, а физиологический раствор (физраствор) — раствор с концентрацией 0,9 % NaCl, равной концентрации солей в плазме крови человека.