Краткое содержание: Параграф § 6 / Биология 10 класс

Состав клетки: Неорганические и Органические Соединения

Основой химической организации клетки являются как неорганические (вода и минеральные соли), так и органические соединения (белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты, АТФ и витамины). Все клетки имеют схожий химический состав, поскольку построены из тех же химических элементов, что и разнообразные объекты неживой природы. Свыше 70 химических элементов входят в состав живых организмов, из которых около 20 наиболее распространены и называются биоэлементами (или биогенами). Клетки живых организмов состоят на 95% из всего лишь четырех элементов: кислорода (\( \mathrm{O} \)), углерода (\( \mathrm{C} \)), водорода (\( \mathrm{H} \)) и азота (\( \mathrm{N} \)).

Классификация Биоэлементов

По их процентному содержанию в клетке, биоэлементы делятся на три группы:

• Макроэлементы: Составляют основную массу клетки (более 99%). К ним относятся \( \mathrm{O} \), \( \mathrm{C} \), \( \mathrm{H} \), \( \mathrm{N} \), \( \mathrm{P} \), \( \mathrm{S} \), \( \mathrm{Ca} \), \( \mathrm{K} \), \( \mathrm{Na} \), \( \mathrm{Mg} \), \( \mathrm{Fe} \), \( \mathrm{Cl} \).
• Микроэлементы: Их содержание в клетке составляет от 0,1 до 0,001 %. Примеры: \( \mathrm{Si} \), \( \mathrm{Al} \), \( \mathrm{Mn} \), \( \mathrm{Cu} \), \( \mathrm{Zn} \), \( \mathrm{F} \), \( \mathrm{I} \).
• Ультрамикроэлементы: Содержатся в ничтожно малых количествах (менее 0,0001 %). К ним относятся, например, \( \mathrm{Au} \), \( \mathrm{Ag} \), \( \mathrm{Hg} \), \( \mathrm{Se} \).

Значение Воды

Вода является наиболее важным неорганическим соединением в клетке, составляя до 98 % массы. Ее исключительные свойства обусловлены строением молекулы: молекула воды представляет собой диполь (угловая структура с атомом кислорода в вершине и двумя атомами водорода). Высокая электроотрицательность кислорода приводит к образованию водородных связей между соседними молекулами воды, что придает ей уникальные свойства:

• Высокая полярность.
• Высокая поверхностное натяжение, важное для образования «пленки» на поверхности.
• В твердом состоянии (лед) имеет меньшую плотность, чем в жидком, что объясняет плавание льда.
• Высокая теплоемкость и теплота парообразования, важные для терморегуляции.
• Универсальный растворитель, благодаря чему вещества делятся на гидрофильные (хорошо растворимые, как соли и сахара) и гидрофобные (нерастворимые, как жиры).
• Капиллярные свойства (способность подниматься по тонким трубкам и волокнам), важные для транспорта веществ.

В клетке вода находится в двух формах: свободная (около 90%) и связанная (около 10%, образует гидратированные оболочки вокруг макромолекул и ионов).

Роль Минеральных Веществ

Минеральные вещества присутствуют в клетке в виде нерастворимых солей (например, фосфаты, карбонаты в костях) и растворимых ионов. Растворимые ионы создают определенную кислотно-щелочную среду, активизируют ферменты и синтез белков, а также выполняют ряд специфических функций:

• Ионы \( \mathrm{K}^{+} \) и \( \mathrm{Na}^{+} \): Обеспечивают трансмембранный потенциал и проведение нервного импульса.
• Ионы \( \mathrm{Ca}^{2+} \): Входят в состав клеточной оболочки растений, компонентов зубов и костей, влияют на свертывание крови и мышечное сокращение.
• Ионы \( \mathrm{Cl}^{-} \): Входят в состав соляной кислоты (\( \mathrm{HCl} \)) желудочного сока, активизируя пищеварительные ферменты.
• Ионы \( \mathrm{Mg}^{2+} \): Компонент молекулы хлорофилла, активизирует синтез ДНК и энергетический обмен.
• Ионы \( \mathrm{I}^{-} \): Входят в состав гормона щитовидной железы — тироксина, регулируя обмен веществ и потребление кислорода.
• Ионы \( \mathrm{Fe}^{2+} \): Входят в состав гемоглобина и миоглобина, обеспечивая транспорт кислорода и депонируя его в мышцах.

Буферные Системы

Растворимые ионы поддерживают постоянство внутренней среды клетки, выступая в роли буферных систем, которые нейтрализуют избыточные ионы \( \mathrm{H}^{+} \) или \( \mathrm{OH}^{-} \). В клетке действуют три основные буферные системы:

• Фосфатная: \( \mathrm{HPO}_{4}^{2-} / \mathrm{H}_{2} \mathrm{PO}_{4}^{-} \) (поддерживает pH в пределах 6,9–7,4).
• Карбонатная: \( \mathrm{HCO}_{3}^{-} / \mathrm{H}_{2} \mathrm{CO}_{3} \) (поддерживает pH крови в пределах 7,4).
• Белковая.

Например, в фосфатной системе при избытке \( \mathrm{H}^{+} \):
\( \mathrm{H}^{+} + \mathrm{HPO}_{4}^{2-} \mathrm{H}_{2} \mathrm{PO}_{4}^{-} \)
при избытке \( \mathrm{OH}^{-} \):
\( \mathrm{OH}^{-} + \mathrm{H}_{2} \mathrm{PO}_{4}^{-} \mathrm{HPO}_{4}^{2-} + \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \)