Значение химических элементов и соединений для клетки и организма

Значение химических элементов и соединений для клетки и организма

Какие элементы входят в состав организма

Химический состав клеток различных организмов различается. При этом, в этот состав входят одинаковые элементы. Из периодической таблицы Д. И. Менделеева в клетках можно обнаружить около 70 элементов. Из них всего 24 являются наиболее важными и постоянно присутствуют в живых организмах.

Макроэлементы, такие как кислород, водород, азот и углеводород, входят в состав органических веществ. Также к макроэлементам причисляют калий, серу, фосфор, магний, натрий, кальций, хлор, железо. Но содержание этих элементов в клетке не превышает десятые, а то и сотые доли процента.

В состав хлорофилла входит магний, гемоглобина — железо, костной ткани и нуклеиновых кислот — фосфор, костей черепах и моллюсков — кальций, а в состав белков — сера. Кроме того, в смене потенциала клеточной мембраны принимают участие калий, натрий и хлор-ионы.

К ультрамикроэлементам относят те элементы, которые содержатся в клетке в крайне незначительном количестве: от 0,000001%. Среди них — уран, золото, цезий, ртуть и др.

Биологическую роль химических элементов в клетке и организме сложно переоценить.

Биологическое значение воды

Какие элементы преобладают в составе живых организмов?

Больше других химических элементов в клетке содержится воды. Конкретное ее количество зависит от некоторых факторов:

• типа клеток;
• функционального состояния клеток;
• вида организма;
• среда обитания организма.

К примеру, в клетках костной ткани содержание воды не превышает 20%. В жировой ткани процент увеличивается до 40, а в мышечных тканях и клетках зародыша — до 76 и 90% соответственно.

В организме и в клетках с более высоким уровнем функциональной активности содержится больше воды и наоборот.

Наличие воды — обязательное условие жизненной активности клеток. Вода — основная часть цитоплазмы, поддерживающая ее структуру и стойкость коллоидов, которые входят в состав цитоплазмы.

Какова биологическая роль воды в клетке?

То, какую роль вода выполняет в клетке, зависит от ее химических и структурных свойств. В первую очередь это связано с небольшими размерами молекул, свойственной им полярностью и способностью соединяться при помощи водородных связей.

Образование водородных связей происходит при помощи атомов водорода, которые соединяются с электронегативным атомом — чаще всего это азот или кислород. В результате атом гидрогена получает очень большой позитивный заряд, позволяющий ему сформировать новую связь с другим электронегативным атомом.

Наиболее электронегативный атом кислорода одной молекулы воды притягивается к позитивно заряженному атому водорода другой молекулы — так образуется водородная связь.

Полярность воды и способность образовывать водородные связи позволили воде быть растворителем для полярных веществ — это гидрофильные вещества. К таким веществам относят соединения ионного характера. В них заряженные частички (ионы) диссоциируют, то есть, разделяются в воде в ходе растворения вещества (соли).

Отдельным неионным соединениям тоже это свойственно. Речь идет о соединениях, в молекулах которых есть заряженные (полярные) группы. К примеру, -OH группа в сахарах, аминокислотах, простых спиртах.

Состоящие из неполярных молекул вещества (липиды) почти не растворяются в воде и являются гидрофобами.

Когда вещество переходит в раствор, структурные его частички (молекулы или ионы) получает возможность более свободно двигаться, что приводит к возрастанию реакционной способности вещества. Все это делает воду основной средой, в которой происходят почти все химические реакции. При непосредственном участии воды протекают все окислительно-восстановительные реакции и реакции гидролиза.

Среди всех известных веществ именно вода характеризуется наибольшей удельной теплоемкостью. С увеличением тепловой энергии практически не происходит повышение температуры воды. Такой эффект объясняется тем, что существенное количество этой энергии используется для разрыва водородных связей, ограничивающих подвижность молекул воды.

Большая теплоемкость воды позволяет ей быть определенной защитой для тканей растений и животных в случае сильного и быстрого повышения температуры. При этом, высокая теплота парообразования обеспечивает надежную стабилизацию температуры тела организма.

В силу того, что между молекулами есть водородные связи, требуется достаточно много энергии для испарения воды. Такая энергия поступает из окружающей среды, что объясняет охлаждение в процессе испарения.

Также это важно в случае охлаждения транспирирующих органов растений. В частности, в пустынных условиях и в условиях сухих степей, засушливых периодов.

Воде свойственная высокая теплопроводность, что гарантирует равномерное распределение тепла по организму. Так не возникают локальные «горячие токи», приводящие в некоторых случаях к повреждению клеточных элементов.

Вода — идеальная среда для поддержания оптимального теплового режима организма за счет высокой удельной теплоемкости и высокой для жидкости теплопроводности.

Еще одно важное свойство воды — высокое поверхностное натяжение, что важно для адсорбционных процессов, движения раствора по тканям в процессе кровообращения, восходящего и нисходящего движения по растению и др.

Также вода — источник кислорода и водорода, выделяющиеся в ходе световой фазы фотосинтеза.

Не менее важное свойство воды — способность растворять газы, такие как O₂, CO₂ и другие. Как растворитель, вода участвует в процессе осмоса, что важно для жизнедеятельности клеток и всего организма.

Свойства и значение углеводорода

После воды наиболее заметная составляющая молекул клетки — углеводородные органические соединения.

Небольшие размеры и наличие на внешней оболочке 4-х электронов позволяет углеводороду образовывать 4 крепкие ковалентные связи с другими атомами.

Наиболее важная особенность углеводорода заключается в том, что его атомы могут соединяться друг с другом и образовывать кольца, цепи и скелет больших и сложных органических молекул.

Также для углеводорода свойственно образование ковалентных связей с другими биогенными элементами, такими как H, Mg, O, S, P. Как результат — существование огромного количества различных органических соединений, обеспечивающих существование живых организмов. Все эти органические соединения различаются размерами и формой молекул, химическими свойствами, степенью насыщенности карбонового скелета.

Биополимеры

Среди биополимеров можно называть белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и производные от них вроде гликогена, крахмала, целлюлозы, пектиновых веществ, гемицеллюлозы, хитина и др.

Аминокислоты, нуклеотиды и моносахариды выступают для них в качестве мономеров.

Клетка бактерий содержит примерно 3 тысячи белков 1 тысячу нуклеиновых кислот. У человека насчитывается до 5 млн. белков.

Биополимеры являются структурной основой живых организмов и выполняют проводящую функцию в процессах жизнедеятельности.

Структурная основа биополимеров — это линейные цепи вроде белков, целлюлозы и нуклеиновых кислот, и разветвленные цепи, такие как гликоген.

Эта структура определяет определенные свойства:

• Взаимодействие биополимеров сопровождается кооперативностью — тесной взаимосвязью всех функциональных групп. В результате одни группы биополимеров при взаимодействии способны менять характер взаимодействия других их групп;

• Способность биополимеров к образованию интерполимерных комплексов, которые возникают между отдельными частями молекулы или между различными молекулами.

Биосинтез белков и нуклеиновых кислот, иммунные реакции, реакции обмена веществ и другие важные биологические процессы организма осуществляются за счет образования биополимерных комплексов, а также благодаря другим свойствам биополимеров.