Хімічні елементи у складі клітини. Як вам відомо з курсу хімії, молекули будь-яких речовин побудовані з атомів хімічних елементів (див. Періодичну систему хімічних елементів Д. Менделєєва).

Макроелементи й мікроелементи. Хімічні елементи, які містяться в живих організмах, відповідно до їх кількості поділяють на дві групи: макроелементи та мікроелементи.

Групу макроелементів становлять 12 найпоширеніших у живих організмах хімічних елементів. Частка кожного з них у клітині становить не менш ніж 0,01 %, а їх наявність є однією з умов її життєдіяльності. Особливо значний уміст у клітині Оксигену (О), Карбону (С), Гідрогену (Н), Нітрогену (N). На них припадає 98 % маси клітини. Гідроген та Оксиген утворюють воду, Карбон є неодмінним компонентом усіх органічних сполук, а Нітроген — обов'язковий складник білків і нуклеїнових кислот (іл. 2.1).

Уміст решти восьми макроелементів: Калію (К), Сульфуру (S), Фосфору (Р), Хлору (СІ), Магнію (Mg), Кальцію (Са), Натрію (Na), Феруму (Fe) — вимірюється десятими й сотими частками відсотка. їх загальна питома маса становить 1,9 %. На відміну від чотирьох найпоширеніших універсальних макроелементів, вони виконують лише окремі функції. Фосфор входить до складу нуклеїнових кислот, Сульфур є складником білків, Ферум — гемоглобіну,

Магній — хлорофілу, а Кальцій — основний елемент неорганічних речовин, що утворюють кісткову тканину.

Мікроелементи — це хімічні елементи, що потрібні організму в незначній кількості та зазвичай становлять тисячні частки відсотка. На них припадає лише 0,1 % маси клітини. Без мікроелементів неможлива нормальна робота клітини, адже вони виконують певні функції: це складники білків, вітамінів, гормонів, пігментів; їх наявність у розчиненому вигляді в цитоплазмі клітини впливає на швидкість процесів обміну речовин, ріст і розвиток.

Налічують понад 30 мікроелементів, серед яких метали: Алюміній (Аl), Купрум (Cu), Манган (Mn), Цинк (Zn), Молібден (Mo), Кобальт (Co), Нікол (Ni), Стронцій (Sr) — і неметали: Йод (І), Селен (Se), Бром (Br), Флуор (F), Арсен (As), Бор (В).

Іл. 2.1. Найпоширеніші макроелементи, що входять до складу живих організмів

Нестача будь-якого мікроелемента неминуче призводить до розладів у роботі організму і як наслідок — хвороби. Наприклад, якщо до організму людини надходить недостатньо Йоду, то виникає хвороба ендемічний зоб (іл. 2.2). Це порушення функції щитоподібної залози, що виробляє гормон тироксин, до складу якого входить цей хімічний елемент. Поширену хворобу рослин хлороз (іл. 2.3), яка виявляється в ранньому пожовтінні та опаданні листя, спричиняє дефіцит у ґрунті йонів Магнію та Феруму, що призводить до нестачі пігменту хлорофілу й зменшення фотосинтезу.

Вода — найбільша за абсолютною масою сполука клітини. Молекула води Н2O складається з одного атома Оксигену та двох атомів Гідрогену. Це найпоширеніша та найважливіша неорганічна сполука на Землі. Підраховано, що вода становить 85 % загальної маси середньостатистичної клітини всіх живих істот, хоча в клітинах людини на воду припадає лише близько 64 %. Однак уміст води в різних клітинах людини може суттєво коливатися: від 10 % у клітинах емалі зубів до 90 % у клітинах зародка.

Молоді клітини завжди містять води більше, ніж старі. Так, у клітинах немовляти вода становить 86 %, а у клітинах людини похилого віку — лише 50 %.

Вода має унікальні властивості, обумовлені структурою її поляризованої молекули, яка має форму рівнобедреного трикутника, у вершинах основи якого розташовані позитивно заряджені атоми Гідрогену, а в третій вершині міститься негативний атом Оксигену (іл. 2.4). Коли електропозитивний атом Гідрогену однієї молекули води опиняється поряд з електронегативним атомом Оксигену іншої молекули, то між ними виникають водневі зв'язки, які мають певну довжину й спрямованість, а тому сполучені між собою молекули води утворюють упорядковану ґратку (іл. 2.5). Кристалічна структура льоду зумовлена чотирма водневими зв'язками на одну молекулу води (два утворені двома атомами Н і два — одним атомом О).

Основні функції води в організмі.

• Полярна будова молекули води пояснює її властивості як розчинника. Молекули води вступають у взаємодію з хімічними речовинами, атоми яких мають електростатичні зв'язки, і розкладають їх на аніони й катіони, що зумовлює перебіг хімічних реакцій. Саме тому багато хімічних реакцій відбувається лише у водному розчині.

Іл. 2.2. Людина, хвора на ендемічний зоб

Іл. 2.3. Хлороз рослини

Іл. 2.4. Схема будови молекули води

Іл. 2.5. Схема утворення водневих зв'язків

• Вода — це хімічно активна речовина, яка вступає в реакцію гідролізу (від грец. гідро — вода і лізіс — розпад). Ця реакція є основою багатьох процесів, що відбуваються в живих організмах, і насамперед за її участю відбувається розкладання величезних біологічних молекул. Молекули води є також безпосередніми складовими реакцій біологічного синтезу, зокрема завдяки реакції 6СO2 + 6Н2O = С6Н12O6 + 6O2 у клітинах рослин утворюються органічні речовини (С6Н12O6 — глюкоза) і виділяється кисень (O2), тобто відбувається фотосинтез.

• Вода — найважливіша терморегулювальна речовина організму, що зумовлено її надзвичайно високою теплоємністю. Це пояснюють тим, що частина теплової енергії витрачається на руйнування водневих зв’язків — подолання сил зчеплення між молекулами води, що запобігає перегріванню організму. Завдяки високій теплоємності води біохімічні реакції в клітинах відбуваються в сталому діапазоні температур.

Висока теплота випаровування води дає змогу регулювати температуру тіла у ссавців під час потовиділення (іл. 2.6) та охолоджувати поверхню листків у рослин. Висока теплота плавлення води перешкоджає утворенню кристалів льоду в клітинах за зниження температури тіла нижче 0 °С взимку.

• Вода входить до складу крові, лімфи й тканинної рідини, яка утворюється з плазми крові, що містить 90 % води. Тканинна рідина заповнює міжклітинні та навколоклітинні простори тканин та органів тварин і людини.

Кров транспортує кисень, поживні речовини, продукти розпаду, вуглекислий газ, гормони, ферменти, вітаміни тощо. Суглобова рідина, до складу якої теж входить вода, зменшує тертя між кістками та полегшує ковзання головки однієї кістки в суглобовій западині іншої (іл. 2.7).

• Вода слугує середовищем для транспортування розчинених речовин усередині рослинного організму. Завдяки силам поверхневого натягу вода тонкими провідними судинами деревини (іл. 2.8) піднімається на десятки метрів заввишки.

• Завдяки явищам осмосу й тургору вода забезпечує пружний стан рослиних клітин та є опорою організму не лише в рослин, а й у деяких тварин. Зокрема, у круглих і кільчастих червів форма тіла підтримується завдяки такому пристосуванню, як гідроскелет.

Іл. 2.6. Випаровування поту є одним з важливих механізмів терморегуляції у людини

Іл. 2.7. Будова суглоба: 1 — кістка; 2 — суглобова сумка; 3 — гіаліновий хрящ; 4 — суглобова рідина; 5 — суглобова западина кістки

Іл. 2.8. Судини деревини, якими вода підіймається від коренів до листків

Іл. 2.9. Клоп-водомірка на поверхні води

• Воді властивий поверхневий натяг, а тому крапля води намагається набути форми, максимально близької до сферичної. Саме завдяки силі зв'язків між молекулами по поверхні води можуть бігати, наприклад, майже невагомі клопи-водомірки (іл. 2.9).

Інші неорганічні речовини у складі клітин. Неодмінними компонентами клітини є солі неорганічних (мінеральних) кислот. На них припадає не більше 1,5 % маси клітини. Однак, незважаючи на такий «скромний внесок», життя без мінеральних речовин так само неможливе, як і без води. У живому організмі солі містяться у водному розчині як у розчиненому, так і в твердому станах.

Розчинні мінеральні солі містяться у вигляді катіонів — позитивно заряджених іонів металічних елементів (К+, Na+, Са2+, Mg2+, Fe2+, Zn2+ та інших) і Гідрогену (Н+), а також аніонів, основними серед яких є гідроксильна група (ОH-) і залишки різноманітних кислот (Cl-, SO42+, H2PO4-, NO3-, НСО3-).

Між аніонами та катіонами існує відповідна рівновага (баланс), порушення якої призводить до функціональних розладів у клітині. Значення має також концентрація мінеральних речовин — від цього залежать фізичні та хімічні властивості цитоплазми (рідкого вмісту клітини).

Іл. 2.10. Нервові сигнали рухаються по відростках нейронів

Катіони К+, Na+, Са2+ забезпечують універсальну властивість живої матерії — подразливість, підтримують осмотичний тиск у клітині; у людини вони забезпечують проведення нервових сигналів (іл. 2.10), стимулюють синтез певних гормонів. До того ж йони К+ і Na+ беруть участь в універсальному механізмі транспортування різноманітних сполук у клітину та їх виведення за її межі. Йони Са2+ входять до складу міжклітинної речовини, що забезпечує скріплення клітин і впорядкованість їх розташування.

Наявність йону Са2+ зумовлює скорочення м'язів.

Катіон Mg2+ входить до складу молекули хлорофілу. Він активізує хімічні реакції, адже є складовою багатьох ферментів, міститься в кістках і зубах. Fe2+ входить до складу гемоглобіну, кришталика й рогівки ока.

Важливу роль в організмах різних видів живих істот відіграють аніони ортофосфатної кислоти Н2РО4- і НРО42-. які зумовлюють здатність клітини підтримувати нейтральний стан свого середовища, за якого цитоплазма не має ані кислотних, ані лужних властивостей.

Нерозчинні мінеральні солі також є невід'ємним компонентом усіх опорних структур тварин. При цьому ключовою речовиною є кальцій ортофосфат Са3(РO4)2 — складова міжклітинного «цементу», що забезпечує з'єднання клітин у тканини. Крім того, він неодмінно міститься в скелеті, зокрема в кістках хребетних тварин і в черепашках молюсків.

Неорганічні речовини становлять більшу частину маси клітини, причому на воду припадає 85 %, а на мінеральні солі — лише 1,5 %. Особливе значення має вода. Основні функції води в організмі: важливий розчинник і середовище для біохімічних реакцій; хімічно активна речовина; терморегулювальна речовина; компонент транспортної системи організму; входить до складу внутрішніх рідин організму; компонент опорної системи організму.