Тема № 2 молекулярні основи будови та функції клітини

Мета: ознайомитися з основами структурно-хімічного рівня організації живої клітини, відмітити особливості хімічного складу рослинної та тваринної клітин, а також проаналізувати зв’язок між хімічною будовою важливих органічних і неорганічних сполук клітини і функціями, які вони виконують.

Ключові слова: макроелементи, мікроелементи, ультрамікроелементи, органічні сполуки клітини (білки, ліпіди, вуглеводи, нуклеїнові кислоти), неорганічні речовини клітини, продукти вторинного походження.

Інформаційний матеріал

З усіх елементів періодичної системи Д.І. Менделєєва в організмі виявлено 86 постійно присутніх, з них 25 ‑ необхідні для нормальної життєдіяльності, які професор Д.Р. Вільямс назвав елементами життя.

До складу речовин, що приймають участь у реакціях метаболізму і пов’язані з життєдіяльністю клітини, належать майже всі відомі хімічні елементи, причому на долю чотирьох з них приходиться біля 98% маси клітини. Це Оксиген (65-75%), Карбон (15-18%), Гідроген (8-10%) та Нітроген (1,5-3,0%), які разом з Кальцієм, Калієм, Магнієм, Натрієм, Ферумом, Сульфуром, Фосфором та Хлором утворюють групу макроелементів. Доля макроелементів в клітині складає понад 99% маси клітини.

До другої групи – мікроелементів, які сумарно складають біля 0,1%, належать Цинк, Купрум, Йод, Флуор, Бром, Силіций, Кобальт, Хром, Манган та ін., а концентрація кожного з них не перебільшує 0,001%. Незважаючи на невеликий їх вміст в клітині, мікроелементи відіграють важливу роль, наприклад, багато з них є металами, що входять до складу біологічно активних речовин (гормонів, ферментів та ін.).

Крім макро- та мікроелементів виділяють також групу ультрамікроелементів (Уран, Аурум, Берилій, Меркурій, Кадмій та ін.), концентрація яких не перебільшує 0,000001%, причому фізіологічна роль багатьох з них поки не встановлена.

Виявлено, що в клітинах деяких організмів підвищений вміст окремих хімічних елементів. Наприклад, бактерії здатні накопичувати Манган, морські водорості – Йод, ряска – Радій, молюски та ракоподібні – Купрум, хордові – Ферум.

Хімічні елементи, які приймають участь у процесах обміну речовин та володіють виразною біологічною активністю, називають біогенними. Хімічні елементи в клітині входять до складу неорганічних та органічних сполук, кількісний вміст яких представлений в таблиці 1.

Таблиця 1

Вміст в клітині хімічних сполук (в % на сиру масу)

Речовини
Неорганічні	Органічні
Вода 70-80 Інші неорганічні речовини 1,0-1,5	Білки 10-20 Ліпіди 1-5 Нуклеїнові кислоти 1-2 Вуглеводи 0,2-2,0 Низькомолекулярні органічні речовини 0,1-0,5

Неорганічні речовини

Серед неорганічних речовин переважає вода, що є універсальним розчинником, в якому здійснюються всі біохімічні реакції в клітині. Крім того вода підтримує теплову рівновагу клітини і організму в цілому завдяки високій теплоємності та теплопровідності. У зв’язку з цим всі живі організми на 2/3 складаються з води.

В основі фізіологічної ролі води лежать її особливі фізичні та хімічні властивості – текучість, розчинна здатність, висока діелектрична стала, велика питома теплоємність та теплопровідність, значний дипольний момент молекули. Випаровуючись, вода сприяє охолодженню тіла, що відбувається при потовиділенні у тварин і транспірації води листями рослин. Вона бере участь у метаболічних реакціях, осморегуляції, забезпечує підтримку структури клітини, здійснює транспорт речовин. Вода також служить середовищем, в якому відбувається запліднення і розвиток зародка.

Речовини, що розчиняються у воді (солі, основи, кислоти, деякі білки, вуглеводи, спирти та ін.) називаються гідрофільними, а ті, що не розчиняються, – гідрофобними. Є органічні речовини з витягнутими молекулами, у яких один кінець гідрофільний, інший гідрофобний, їх називають амфіпатичними. Прикладом амфіпатичних речовин можуть бути фосфоліпіди, які приймають участь в утворенні біологічних мембран.

Мінеральні речовини клітини знаходяться у вигляді іонів, причому найбільш важливі катіони – це К⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, а аніони – Cl^-, HCO3^-, H₂PO₄^-. Концентрація іонів в клітині та навколишньому середовищі неоднакова. Наприклад, вміст калію в клітинах у десять разів вище, ніж у міжклітинному просторі, а натрію, навпаки, у 10 разів менш у клітинах, ніж поза неї. Аніони слабких кислот в середині клітини забезпечують збереження певної концентрації іонів гідрогену (рН). В клітині підтримується слабколужне середовище (рН=7,2).

Нерозчинні мінеральні солі, наприклад, фосфорнокислий кальцій, забезпечує міцність кісткової тканини хребетних тварин.