Химические элементы в клетках живых организмов, структурные компоненты клетки

Химические элементы в клетке

Клетки всех организмов отличаются схожестью элементарного химического состава, что является свидетельством единства живой природы. Однако стоит отметить, что любой химический элемент, присутствующий в живых организмах, встречается и в неживых организмах. Это, в свою очередь, говорит о единстве живой и неживой природы.

Какие химические элементы входят в состав клетки?

Есть 4 химических элемента в клетках живых организмов, присутствующих в них в наибольшем объеме:

• кислород — от 65 до 70%;
• углерод — от 15 до 18%;
• водород — от 8 до 10%;
• азот — от 2 до 3%.

Все эти основные химические элементы являются органогенными элементами и составляют от 95 до 98% общей массы организма.

Прочие химические вещества в клетке — элементы вроде кальция, фосфора, калия, серы, натрия, хлора, железа, силиция, магния — присутствуют в организме в небольшом количестве — это всего лишь десятые доли процента. Такие химические элементы клетки относятся к макроэлементам.

В клетке также есть микроэлементы: цинк, медь, кобальт, бром, хром, радий, марганец, йод, литий. Их меньше всего: около 0,01%.

Тем не менее, то, насколько важен для организма тот или иной элемент не зависит от того, в каком количестве он содержится в клетке. К примеру, определенные микроэлементы являются составляющими различных ферментов, гормонов и прочих важных для жизни соединений, влияющих на процессы размножения, кровообращения и др.

Пример 1

В состав молекулы инсулина входит цинк, а в состав цианокобаламина (это витамин В12) — кобальт.

От окружающей неорганической природы живые организмы отличаются количественным составом химических веществ в клетке.

Пример 2

К примеру, растения содержат примерно 18% углерода, а в почве — всего 1%. Если говорить о кремнии, то в почве его 33%, а в растениях — всего 0,15%.

В составе живых организмов имеются углеродосодержащие соединения (органические). Этим и объясняется большое количество углерода.

Отдельные организмы способны накапливать определенные химические вещества клетки.

Пример 3

Водоросли накапливают йод, лютиковые — литий, болотная ряска — радий.

Биогенные

К макроэлементам относятся:

• углерод;
• кислород;
• азот;
• водород.

Их называют биогенными, так как они являются основными составляющими живого организма и входят в состав почти всех органических веществ.

Полный список и основные характеристики свойств

Полный список и основные характеристики свойств макроэлементов представлен в таблице ниже.

Название макронутриентаБуквенное обозначение (латиница)Свойства и характеристики

Многие характеристики макроэлементов по сей день остаются неизученными. Новые данные исследователи получают каждый день, благодаря чему удается выяснить работу веществ в клетках живых организмов более детально.

Какие функции выполняют макро- и микроэлементы в организме?

Существенное влияние на усвоение витаминов в организме человека оказывают минеральные вещества – макроэлементы и микроэлементы.

Макроэлементы — это элементы, количества которых имеются в клетке в значительных концентрациях (целые и десятые доли процентов). К макроэлементам относят: водород, кислород, азот и углерод, кальций, серу, фосфор, натрий, калий, хлор, магний.

Микроэлементы содержатся в клетке в низких концентрациях (сотые и тысячные доли процента и ниже). Всего в клетке насчитывается более 30 микроэлементов. В их числе — алюминий, железо, медь, марганец, цинк, кобальт, стронций, йод, селен, бром, фтор, бор, мышьяк и др.

Функции макро- и микроэлементов очень многообразны. Они влияют на стабильность коллоидных соединений, активность ферментов, осмотическое давление жидкостей организма и на ряд других физиологических процессов.

Ниже перечислены главные функции макро- и микроэлементов в человеческом организме.

Водород, кислород, азот и углерод — это основные химические элементы, из которых построены белки, жиры, углеводы.

Ионы водорода определяют кислотность среды биологических растворов.

Кальций, фосфор и магний являются важным строительным материалом для костной ткани.

Кальций также необходим для мышечного сокращения, передачи нервного импульса через синапсы. Он является одним из факторов свертывающей системы крови.

Сера входит в состав аминокислот и ряда биологически активных веществ.

Йод играет важную роль в гуморальной регуляции функций организма, так как входит в состав гормонов щитовидной железы.

Железо входит в состав гемоглобина (обеспечивает реализацию его транспортной функции).

Железо, цинк и кобальт содержатся в некоторых ферментах и витаминах.

С ионами натрия, калия, хлора связано возникновение и проведение нервных импульсов в нервной системе.

Калий особенно необходим для нормальной работы сердечной мышцы.

Хлор также входит в состав соляной кислоты желудочного сока.

Фтор входит в состав эмали зубов.

Зная о функциях макро- и микроэлементов в организме человека, помните, что в любой пище имеется тесная взаимосвязь между витаминами и минеральными веществами. В натуральных продуктах баланс между витаминами и минералами соблюдается самой природой. А вот вопрос о том, как взаимосвязаны свойства витаминов, макро- и микроэлементов в синтетических витаминных комплексах, наукой еще недостаточно изучен. Некоторые специалисты, например, настаивают на том, что витаминные комплексы не должны содержать минеральные вещества и микроэлементы, поскольку они ухудшают усвоение и всасывание витаминов. Но, с другой стороны, недостаток или избыток макро- и микроэлементов приводит к серьезным нарушениям обменных процессов в организме, в том числе обмена витаминов. В общем, учитывая функции в организме микро- и макроэлементов, дебаты на тему «Витамины и минералы — враги или друзья?» продолжаются.

Значение макроэлемента натрий для организма

Суточная потребность в натрии хлориде (поваренной соли) составляет 10-15 г. Каково значение макроэлемента натрий для человека? Ионы натрия играют важную роль в поддержании постоянства объема жидкости в организме. Задержка или потеря натрия вызывает пропорциональную задержку или потерю воды. Кроме того, ионы натрия принимают участие в транспортировке аминокислот, сахаров и калия в клетки. Ионы натрия и хлора участвуют в образовании соляной кислоты в желудке.

Суточная потребность удовлетворяется за счет содержания в продуктах питания, потребность возрастает до 20-25 г при сильных рвотах и поносах, обширных ожогах. Первые признаки дефицита натрия: потеря вкусовых ощущений и аппетита, вялость, мышечная слабость.

При избыточном поступлении калия (растительная пища) увеличивается и потребность в натрии.

Ограничение натрия хлорида и даже исключение бывает необходимо при болезнях почек (острые и хронические нефриты) и сердечно-сосудистой системы, особенно при развитии сердечной недостаточности, гипертонической болезни, воспалительных процессах, ревматизме, ожирении, лечении гормонами коры надпочечников. Для замены натрия хлорида в диетическом питании используют хлорид калия.

Роль химических веществ в клетке и организме человека

Внутри живых организмов каждое химическое вещество играет определенную роль, благодаря чему весь организм способен полноценно жить. Так, присутствие в клетке магния способствует выработке некоторых ферментов и формированию хлорофилла у растений. Кальций формирует прочность зубов и костей человека, а также активирует работу волокон мышц.

Без серы в организме не смогут образовываться белки, а без ионов натрия и калия в клетку не смогут поступать некоторые соединения.

Какой элемент относят к группе макроэлементов?

Ниже перечислены другие макроэлементы и их содержание в теле человека.

• Кальций — 1,7 %
• Фосфор — 1,25 %
• Калий — 0,25 %
• Сера — 0,3 %
• Натрий — 0,2 %
• Хлор — 0,2 %
• Магний — 0,05 %

Неорганические вещества в клетке

Вода

Вода — основное неорганическое вещество в клетке. При этом количество воды зависит от интенсивности обмена веществ в определенной ткани: чем она выше, тем больше воды.

Пример 4

Человеческий эмбрион в возрасте 1,5 месяца на 97,5% состоит из воды, в возрасте 8 месяцев — на 83%. Новорожденные состоят из воды на 74%, а что касается взрослых, то этот показатель составляет 66%.

При этом, в различных органах и тканях количество воды разное.

В мозгу взрослого человека содержится до 86% воды. Для сравнения, в печени всего 70, а в кости и того меньше — около 20%.

Чем старше становится человек, тем меньше в его тканях воды.

Почему вода так важна для организма? Она выполняет ряд функций:

• сохраняет объем клеток;
• обеспечивает клетке упругость;
• способствует растворению различных химических веществ.

Но самое главное заключается в том, что именно в воде как среде происходят все химические процессы. Вода принимает участие во всех химических реакциях: в результате химического взаимодействия с водой происходит расщепление таких элементов как жиры, углеводы и прочие органические соединения.

Вода обладает высокой теплоемкостью, что позволяет ей оберегать цитоплазму от резких температурных колебаний и участвовать в терморегуляции клеток и организма в целом.

Определенная часть молекул воды — примерно 15% — присутствует в связанном состоянии с белковыми молекулами. Они отвечают за изоляцию молекул белка друг от друга в коллоидных растворах.

Низкой растворимостью в воде характеризуется большое количество органических веществ в клетке (липиды). Молекулы воды слабо притягиваются к таким веществам. По этой причине, будучи основой клеточной мембраны, эти вещества сокращают переход воды из клетки во внешнюю среду и в обратном направлении (в том числе из одного участка клетки в другой).

Минеральные соли

Клетки опорных органов содержат достаточно большое количество минеральных солей. К таким органам относятся хитиновые панцири черепашек и моллюсков, кости. Цитоплазма других клеток почти все соли содержит в диссоциированном состоянии — как катионы и анионы калия, натрия, хлора, кальция и др.

Для нормального функционирования клетки важно, чтобы в ней содержались катионы. Концентрация солей определяет объем поступающей в клетку воды. Это объясняется тем, что для молекул воды клеточная мембрана является проницаемой, а для большинства крупных молекул и ионов — непроницаемой.

В случае, если окружающая среда содержит меньшее количество ионов, чем клеточная цитоплазма, то поступление воды в клетку осуществляется до того момента, пока концентрация солей не выровняется (осмос).

Соли в цитоплазме задают ей определенные буферные свойства. В частности, способность поддерживать постоянный уровень pH (около нейтральной реакции) даже в условиях непрерывного образования в процессе обмена веществ кислых и щелочных продуктов.

НОРМЫ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПОТРЕБНОСТЕЙ В МИНЕРАЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВАХ, МИКРОЭЛЕМЕНТЫ ДЛЯ ВЗРОСЛЫХ

Органические вещества в клетке

Содержание органических веществ — то, чем довольно сильно могут различаться между собой различные клетки.

В пересчете на сухую массу, клетки содержат от 5 до 15% липидов, от 10 до 12% белков, от 0,2 до 2% углеводов и 1-2% нуклеиновых кислот.

Почти у всех органических соединений — длинные молекулы (полимеры): они состоят из цепи более простых молекул, то есть, однородных или разнородных мономеров.

Углеводы

Растительные клетки содержат огромное количество углеводов: некоторые плоды, семена и клубни — до 90%.

Замечание 1

Животные клетки включают на порядок меньше углеводов — всего 5%.

Есть два варианта углеводов:

1. Простые или моносахариды.
2. Сложные или полисахариды.

В организмах встречаются такие моносахариды как пентозы (включают 5 атомов углерода) и гексозы (включают 6 атомов углерода). Наиболее важными для организма пентозами являются рибоза (входит в состав РНК) и дезоксирибоза (входит в состав ДНК). Глюкоза и фруктоза — самые важные гексозы. Их много в плодах растений и меде, поэтому они отличаются сладким вкусом.

Замечание 2

Кровь человека тоже включает глюкозу — это около 0,12%. Глюкоза является основным энергетическим материалом обмена веществ для всех клеток.

Образование полисахаридов связано с полимеризацией двух или нескольких моносахаридов.

Если говорить о дисахаридах, то наиболее известными и распространенными являются сахароза (в ее составе — молекулы глюкозы и фруктозы) и лактоза, которую также называют молочным сахаром (она включает в состав молекулы глюкозы и галактозы).

Нужна помощь преподавателя?Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!Описать задание

Наиболее часто встречающиеся полимеры — крахмал, целлюлоза (клетчатка в растениях) и гликоген (у животных). Общая формула выглядит следующим образом: (C6H10O5)n. Глюкоза выступает мономером этих полисахаридов.

Цепь из 150-200 молекул глюкозы образуют каждую клетку клетчатки (целлюлозы).

Углеводы для живых клеток выступают в качестве топлива. При их окислении происходит освобождение химической энергии (1 грамм — 17,6 кДж). Клетка использует эту энергию для обеспечения всех процессов жизнедеятельности. В растительных клетках углеводам отводится и функция «строителей»: они образуют оболочки клеток.

Липиды

Липиды представляют собой низкомолекулярные вещества, обладающие гидрофобными свойствами.

Липиды — основной элемент всех видов клеток, наравне с белками и углеводами. Содержание липидов в различных органах и тканях неодинаковое. В сердце, печени, почках, нервной ткани, крови, плодах и семенах отдельных растений их более чем достаточно.

У липидов встречается разнообразное химическое строение. Они могут включать в свой состав высшие жирные кислоты, азотистые основания, спирты, альдегиды, аминокислоты, аминоспирты, углеводы, фосфорную кислоту и др. Между этими соединениями образуются эфирные, гликозидные, фосфоэфирные, сложноэфирные, амидные и прочие связи.

Поскольку эти молекулы отличаются сложностью строения и разнообразием, классификация липидов довольно сложная.

Липиды сегодня делят на нейтральные или жиры и фосфолипиды.

Под нейтральными липидами понимают производные высших жирных кислот и 3-атомного спирта глицерина. Жиры, также, как и углеводы, выступают в качестве источников энергии. В процессе расщепления 1 грамма жира происходит выделение 38,9 кДж энергии.

Для многих животных подкожный жир — важная составляющая теплоизоляции. Жиры обеспечивают нужной энергией организм животного, впадающего в спячку, поскольку из вне он не может ее получать.

Замечание 3

Жиры — основной запас питательных веществ и в семенах определенных растений.

Большая часть липидов, входящих в состав мембран — фосфолипиды. В сухой массе мембран содержится до 40% липидов — из них около 80% являются фосфолипидами. При участии фосфолипидов реализуются основные функции мембран:

• регулирование проницательности различных веществ и клеточного содержимого;
• работа ионные насосов;
• восприятие;
• обработка и передача информации с поверхности клетки внутрь;
• иммунный ответ;
• синтез белков и др.

Определение 1

Липиды — растворители отдельных жирорастворимых витаминов. Это объясняется тем, что они не растворяются в воде, а в органических растворителях растворяются.

Белки

От 50 до 80% органических веществ в клетке — это белки или протеины. Из них состоит межклеточная жидкость, лимфа, плазма крови. Белки являются полимерами, а их мономеры — это аминокислоты.

Замечание 4

Белки состоят примерно из 20 различных аминокислот.

Жизнь как явление неразрывно связана с белками, поэтому их значение сложно переоценить. Белки можно обнаружить в составе всех органоидов и мембран клетки — они выступают главным структурным веществом клетки.

Отдельно стоит выделить двигательную функцию белков. Способность к сокращению есть у комплексов из молекул некоторых белков. К примеру, актина и миозина. Эта способность обеспечивает сокращение мышц, движение ресничек и жгутиков, перемещение хромосом в клетке и др.

Свойственны белкам и сигнальные функции, в результате чего клетки и организмы приобретают раздражительность.

Белки также выполняют защитную функцию. За нее отвечают особенные белки — антитела: они обезвреживают и нейтрализуют посторонние организму вещества.

Кроме того, белки — источник энергии. Часть аминокислот, полученных в результате расщепления белковой молекулы, используются в процессе биосинтеза новых молекул белка. Другая часть расщепляется окончательно и освобождает энергию. Полное расщепление 1 грамма белка высвобождает 17,6 кДж энергии.

Ферменты

Большая роль белков как биокатализаторов или ферментов.

Есть молекулы ферментов, состоящие исключительно из белков. Также есть ферменты, функционирование которых зависит только от наличия в молекуле двух компонентов: белкового и небелкового (апофермента и кофермента соответственно).

Замечание 5

В качестве коферментов могут выступать разнообразные органические вещества включая витамины.

Нормальная скорость реакций в клетке обеспечивается участием ферментов как биологических катализаторов.

Классификация ферментов имеет в виду особенности их действия на субстрат, а также химические реакции.

Выделяют следующие ферменты:

• липазы, отвечающие за расщепление липидов;
• амилазы, расщепляющие углеводы;
• пептитазы, расщепляющие белки;
• ферменты окислительно-восстановительных реакций;
• ферменты реакций гидролиза и синтеза;
• ферменты реакций перенесения, присоединения или отщепления определенных органических соединений.

В каталоге ферментов за каждым из них закреплены номер и систематическое название.

К примеру, в номенклатуре ферментов обозначение пепсина выглядит так: 3.4.4.1 (пептид-пептидогидролаза). Липаза (гидролаза эфиров глицерина) — 3.1.1.3.

Конкретное действие ферментов на различные химические вещества зависит от строения первых. В молекуле всех ферментов есть активный центр — один или несколько. С помощью этих центров молекулы прикрепляются к веществам, на которые и воздействуют. По этой причине действие ферментов является специфичным.

Пепсин и трипсин, которые являются пищеварительными ферментами, принимают участие в процессе расщепления молекул белков до небольших фрагментов. Их воздействие различается: пепсин разрушает связи аминокислоты тирозина, а трипсин — аминокислот аргинина и лизина. Первый фермент оказывает воздействие на аминогруппы, а второй — на карбоксильные группы аминокислот.

Ферменты принимают участие в катализации множества последовательных реакций. Возникшие при участии первого фермента вещества являются субстратом для другого и т. д.

Ферменты действуют в клетке не хаотично: здесь соблюдается определенная последовательность и согласованность. Это возможно в силу локализации ферментов в разных участках клеточной мембраны. Последовательное расположение ферментов характерно и для органоидов клетки, где ферменты образуют упорядоченные системы.

У различных видов организмов и в различных органах обмен веществ осуществляется по-разному. Он зависит он конкретного комплекса ферментов. Ферменты способны нормально функционировать, если соблюдается оптимальная температура и реакция среды. Что касается среды, то для одних ферментов оптимальной средой является нейтральная (для ферментов слюны), для других кислая (для ферментов желудочного сока) или щелочная (для ферментов поджелудочной железы). Когда температура превышает 60 градусов, у большинства ферментов происходит инактивация — этот процесс называется денатурация белка.

Классификация

Классифицировать все макронутриенты можно по такому признаку, как биогенность (органогенность). Этот научный термин на простом и понятном языке отождествляется со словом «содержание».

Читать еще:  Как навсегда избавиться от молочницы у женщин

Наиболее значимыми веществами (имеющими наибольший удельный вес) в клетках живого организма являются 4 газа:

Если совокупность всех вышеперечисленных веществ принять за единицу, то примерные концентрации их в организме человека составят пропорцию 64:18:10:8 соответственно.

К прочим макроэлементам, входящим в состав абсолютно всех живых клеток, относятся:

Из перечисленных выше больше всего ученым удалось выявить в клетках ионов кальция и фосфора, а меньше всего обнаружено магния. Вес абсолютно всех макроэлементов в организме человека выражается в граммах, тогда как вес микро- и ультрамикроэлементов считается в миллиграммах и микрограммах.

Следует сказать о том, что некоторое время к макроэлементам относили и железо, но в настоящее время вещество причисляют к микроэлементам. В некоторых источниках в перечень наиболее значимых по критерию биогенности входят не 4, а 6 веществ. К уже описанной группе причисляют серу и фосфор. Данное разделение актуально по причине того, что фосфор является составной частью скелета, а сера чрезвычайно важна для воспроизводства аминокислот.

Все макро- и микроэлементы в организме здорового человека находятся в сбалансированном количестве, а любое отклонение от нормальных значений в большую или меньшую сторону оказывает неблагоприятное влияние на здоровье человека.

Таблица макроэлементов, их основная характеристика, содержание в продуктах питания

Рассмотрим макроэлементов список подробнее:

Калий K

ЭлементПользаДефицитИсточникимакроэлементов

Кальций

ЭлементПользаДефицитГде содержится

читайте также:  Взаимодействие и совместимость витаминов и микроэлементов между собой

Магний

ЭлементДля чего нуженНедостатокИсточники

Натрий

Название элементаХарактеристикаДефицитПродукты

Сера

Название элементаФункцииНедостатокСодержание в продуктах

Фосфор

ЭлементФункции фосфораСимптомы недостаткаГде содержится

Хлор

ЭлементХарактеристикаДефицитГде содержится

Человек есть то, что он ест. Микро- и макроэлементы.

Эффект от применения минеральных удобрений

Минеральные удобрения повышают урожай сельскохозяйственных культур. Установлено, что каждый четвертый житель Земли питается продуктами, полученными при применении удобрений.

За счет применения удобрений урожай на дерново-подзолистых почвах повышается на 55 %, на серых лесных – на 28 %, а на черноземах – на 25 %.

Значение минеральных удобрений состоит также в том, что при их применении не только повышается урожайность, но и улучшается качество возделываемых культур.

Азотная подкормка озимой пшеницы в период колошения

ведет к повышению белка в зерне от 1 до 3 %.

Фосфорные и калийные удобрения

увеличивают крахмалистость клубней картофеля, сахаристость корней корнеплодов, выход волокна у льна-долгунца.

Огромное влияние оказывают минеральные удобрения и на плодородие почвы. Они улучшают агрохимические, физические и биологические свойства почв.

Известкование кислых почв устраняет вредное влияние кислотности, создает благоприятные условия для растений, повышает урожайность. Кроме того, известкование кислых почв снижает подвижность радиоактивных элементов, тяжелых металлов и пестицидов в почве, чем препятствует их поступлению в конечный растительный продукт.

В какой еде есть нужные организму элементы?

Рассмотрим в таблице, в каких продуктах содержатся макро- и микроэлементы.

Дрожжи, говядина, помидоры, сыр, кукуруза, яйца, яблоки, телячья печень

Абрикосы, персики, черника, яблоки, бобы, шпинат, кукуруза, гречка, овсянка, печень, пшеница, орехи

Морская капуста, рыба

Курага, миндаль, фундук, изюм, фасоль, арахис, чернослив, горох, морская капуста, картошка, горчица, кедровые орешки, грецкие орехи

Рыба (камбала, тунец, карась, мойва, скумбрия, хек и др.), яйца, рис, горох, гречка, соль

Молокопродукты, горчица, орехи, овсянка, горох

Теперь вы знаете практически все о макро- и микроэлементах.