Все живые системы содержат в различных соотношениях химические элементы и построенные из них химические соединения, как органические, так и неорганические.
По количественному содержанию в клетке все химические элементы делят на 3 группы: макро-, микро– и ультрамикроэлементы.
Макроэлементы составляют до 99 % массы клетки, из которых до 98 % приходится на 4 элемента: кислород, азот, водород и углерод. В меньших количествах клетки содержат калий, натрий, магний, кальций, серу, фосфор, железо.
Микроэлементы – преимущественно ионы металлов (кобальта, меди, цинка и др.) и галогенов (йода, брома и др.). Они содержатся в количествах от 0,001 % до 0,000001 %.
Ультрамикроэлементы. Их концентрация ниже 0,000001 %. К ним относят золото, ртуть, селен и др.
Химическое соединение – это вещество, в котором атомы одного или нескольких химических элементов соединены друг с другом посредством химических связей. Химические соединения бывают:
- неорганическими,
- органическими.
К неорганическим относят воду и минеральные соли.
Органические соединения – это соединения углерода с другими элементами. Основными органическими соединениями клетки являются белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты.
Белки - полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. В основном они состоят из углерода, водорода, кислорода и азота. Молекула белка может иметь 4 уровня структурной организации (первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры).
Функции белков:
- защитная (интерферон усиленно синтезируется в организме при вирусной инфекции);
- структурная (коллаген входит в состав тканей, участвует в образовании рубца);
- двигательная (миозин участвует в сокращении мышц);
- запасная (альбумины яйца);
- транспортная (гемоглобин эритроцитов переносит питательные вещества и продукты обмена);
- рецепторная (белки-рецепторы обеспечивают узнавание клеткой веществ и других клеток);
- регуляторная (регуляторные белки определяют активность генов);
- белки-гормоны участвуют в гуморальной регуляции (инсулин регулирует уровень сахара в крови);
- белки-ферменты катализируют все химические реакции в организме;
- энергетическая (при распаде 1 г белка выделяется 17 кдж энергии).
Углеводы - моно– и полимеры, в состав которых входит углерод, водород и кислород в соотношении 1: 2: 1.
Функции углеводов:
- энергетическая (при распаде 1 г углеводов выделяется 17,6 кдж энергии);
- структурная (целлюлоза, входящая в состав клеточной стенки у растений);
- запасающая (запас питательных веществ в виде крахмала у растений и гликогена у животных).
Жиры (липиды) могут быть простыми и сложными. Молекулы простых липидов состоят из трехатомного спирта глицерина и трех остатков жирных кислот. Сложные липиды являются соединениями простых липидов с белками и углеводами.
Функции липидов:
- энергетическая (при распаде 1 г липидов образуется 38,9 кдж энергии);
- структурная (фосфолипиды клеточных мембран, образующие липидный бислой);
- запасающая (запас питательных веществ в подкожной клетчатке и других органах);
- защитная (подкожная клетчатка и слой жира вокруг внутренних органов предохраняют их от механических повреждений);
- регуляторная (гормоны и витамины, содержащие липиды, регулируют обмен веществ);
- теплоизолирующая (подкожная клетчатка сохраняет тепло).
Молекула АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты) состоит из азотистого основания аденина, пятиуглеродного сахара рибозы и трех остатков фосфорной кислоты, соединенных между собой макроэргической связью. АТФ образуется в митохондриях в процессе фосфорилирования. При ее гидролизе высвобождается большое количество энергии. АТФ является основным макроэргом клетки – аккумулятором энергии в виде энергии высокоэнергетических химических связей.
Минеральные соли. Неорганические вещества в клетке, кроме воды, представлены минеральными солями. Молекулы солей в водном растворе распадаются на катионы и анионы. Наибольшее значение имеют катионы (К+, Na+, Са2+, Mg2+, NH4+) и анионы (С1-, Н2Р04-, НР042-, НС03-, NO32--, SO42-) Существенным является не только содержание, но и соотношение ионов в клетке.
Разность между количеством катионов и анионов на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникновение потенциала действия, что лежит в основе возникновения нервного и мышечного возбуждения. Разностью концентрации ионов по разные стороны мембраны обусловлен активный перенос веществ через мембрану, а также преобразование энергии.
Анионы фосфорной кислоты создают фосфатную буферную систему, поддерживающую рН внутриклеточной среды организма на уровне 6,9.
Угольная кислота и ее анионы формируют бикарбонатную буферную систему, поддерживающую рН внеклеточной среды (плазма крови) на уровне 7,4.
Некоторые ионы участвуют в активации ферментов, создании осмотического давления в клетке, в процессах мышечного сокращения, свертывании крови и др.
Ряд катионов и анионов необходим для синтеза важных органических веществ, например, фосфолипидов, АТФ, нуклеотидов, гемоглобина, гемоцианина, хлорофилла и др.), а также аминокислот, являясь источниками атомов азота и серы.