Химический состав живой клетки

---

Содержание в клетке химических соединений

(в % на сырую массу)  Ю.И. Полянский

Сейчас известны более ста химических элементов. В состав клетки входят около 70 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева, встречающихся в неживой природе. Это одно из доказательств общности живой и неживой природы. Однако соотношение химических элементов, их вклад в образование веществ, составляющих живой организм, и в какой – либо объект неживой природы резко отличается.

Основу живых систем составляют шесть элементов, получивших название органогенов. Это углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера, общая весовая доля которых в организмах составляет 97,4 %. За ними следует 12 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем. Это натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, йод, кобальт. Их весовая доля в организмах примерно 1,6 %. Можно назвать еще 20 элементов, участвующих в построении и функционировании отдельных узко специализированных биосистем.  Ряд морских водорослей накапливают йод, лютики накапливают литий, ряска – радий, диатомные водоросли и злаки – кремний, моллюски и ракообразные – медь, позвоночные – железо, некоторые бактерии – марганец и т.д. Их доля в организмах составляет около 1 %. Участие всех остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксировано. Это говорит о том, что в процессе биогенеза (развития жизни) на Земле, шел отбор химических элементов в результате самоорганизации. Понятие самоорганизации отражает законы такого существования динамических систем, которое сопровождается их восхождением на все более высокие уровни сложности и системной упорядоченности, или материальной организации.

Картина собственно химического мира тоже весьма отчетливо свидетельствует об отборе элементов. Теперь известно всего около восьми миллионов химических соединений. Из них подавляющее большинство (около 96 %) – это органические соединения, основной строительный материал которых – все те же 6 – 18 элементов. И как это ни парадоксально, из всех остальных 95 – 99 химических элементов природа (по крайней мере, на Земле) создала лишь около 300 тыс. неорганических соединений.

Столь резкая диспропорция между едва обозримым множеством органических соединений и каким – то минимумом составляющих их органогенов, так же как и исключительно дифференцированный отбор того же минимума элементов для построения живых систем, нельзя всецело объяснить факторами различной распространенности элементов в Космосе и на Земле. В Космосе вообще безраздельно господствуют лишь два элемента – водород и гелий, тогда как все остальные элементы можно рассматривать только как примесь к ним.

На Земле наиболее распространены железо, кислород, кремний, магний, алюминий, кальций, натрий, никель, тогда как углерод занимает 16 – е место. В атмосфере Земли углерода не более 0,01 весового процента, в океанах – около 0,002, в литосфере – 0,1. Углерод в литосфере Земли распространен в 276 раз меньше, чем кремний, в 88 раз меньше, чем алюминий, и даже в 6 раз меньше, чем относительно редкий титан. Из органогенов наиболее распространены лишь кислород и водород. Распространенность же углерода, азота, фосфора и серы в поверхностных слоях Земли примерно одинакова и в общем невелика – всего около 0,24 весовых процента.

Следовательно, геохимические условия не играют сколько – нибудь существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических систем, а тем более биосистем. Определяющими факторами здесь выступают требования соответствия между строительным материалом и теми сооружениями, о которых выше говорилось как о структурах высокоорганизованных.

С химической точки зрения эти требования сводятся к отбору элементов, способных к образованию, во – первых, достаточно прочных и, следовательно, энергоемких химических связей и, во – вторых, связей лабильных, т.е. легко подвергающихся гомолизу, гетеролизу или циклическому перераспределению. Вот почему углерод избран, или отобран, из многих других элементов как органоген № 1. Этот элемент действительно отвечает всем требованиям лабильности. Он, как никакой другой элемент, способен вмещать и удерживать внутри себя самые редкие химические противоположности, реализовать их единство, выступать в качестве носителя внутреннего противоречия.

Атомы углерода:

1. 1.                           в одном и том же соединении способны выполнять роль акцептора, и донора электронов;
2. 2.                           они образуют почти все типы связей, какие знает химия: а)менее чем одноэлектронные и одноэлектронные (например, при хемосорбции углеводородов на графите); б) двухэлектронные (например, в этане);в)  трехэлектронные (в бензоле); г) четырехэлектронные (С=С); д)шестиэлектронные (С= С) со всевозможными промежуточными значениями зарядов связей. Это одна из причин их активности.
3. 3.                           среди углерод – углеродных связей можно встретить чисто ковалентные, почти чисто ионные и ионоидные с самыми различными значениями энергии связей.
4. 4.                           обладает способностью связываться друг с другом с образованием разнообразных структур, являющихся несущей основой органических молекул;
5. 5.                           обладает способностью связываться с другими атомами близких радиусов (кислородом, азотом, серой) с образованием менее прочных связей (возникновение функциональных групп), которые обеспечивают химическую активность органических соединений;
6. 6.                           функциональные группы атомов углерода (если их не менее двух в молекуле) и кратные связи обусловливают способность к образованию высокомолекулярных соединений;
7. 7.                           обладают возможностью существования в виде ассиметричного (хирального) центра – одна из причин хиральности молекул живого.

Кислород и водород нельзя считать, столь же лабильными элементами, их скорее следует рассматривать в качестве носителей крайних и односторонних свойств – окислительных и восстановительных. Такие элементы, как азот, сера и фосфор, и некоторых элементов составляющих активные центры ферментов, например, железа, магния, то они подобно углероду отличаются также особой лабильностью. Рассматривая вопрос об отборе элементов, Дж. Бернал отмечает что, лабильные атомы серы, фосфора и железа, которые претерпевают большие изменения в неорганическом мире, имеют основное значение в биохимии, в то время как стабильные атомы, такие как алюминий, кремний, натрий, составляющие большую часть земной коры играют второстепенную роль в биохимии.

Следует подчеркнуть то обстоятельство, что внутримолекулярное или внутрикомплексное взаимодействие атомов, таких элементов, как C, N, S, P, H, O, Fe, Mg создает исключительное богатство химических связей. Сюда относятся и сопряжённые связи, обуславливающие еще более высокой p электронной проводимостью. Сюда относятся относительно слабые, так называемые макроэргические связи в соединениях типа аденозинтрифосфата и одновременно очень слабые водородные связи.

О том, как происходил отбор структур, каков его механизм, сказать довольно трудно. Но этот процесс оставил нам своего рода музей. Подобно тому, как из всех химических элементов только 6 органогенов да 10 – 15 других элементов отобраны природой, чтобы составит основу биосистем, так  и в результате эволюции шел тщательный отбор и химических соединений.

Из миллиона органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен; из 100 известных аминокислот в состав белков входит только 20; лишь по четыре нуклеотида ДНК и РНК лежат в основе всех сложных полимерных нуклеиновых кислот, ответственных за наследственность и регуляцию белкового синтеза в любых живых организмах.

Исследователи – как химики, так и биологи – называют поразительным тот факт, что из такого узкого круга отобранных природой органических веществ составлен трудно обозримый мир живой материи.

В зависимости от того, в каком количестве входят химические элементы в состав веществ, образующих живой организм, принято выделять несколько групп атомов. Первую группу (около 98 % массы клетки) образуют четыре элемента: водород, кислород, углерод и азот. Их называют макроэлементами.

К макроэлементам относят также элементы, содержание которых в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента: фосфор и сера, калий и натрий, кальций и магний, железо и хлор. Например, Na, К и Cl обеспечивают проницаемость клеточных мембран для различных веществ и проведение импульса по нервному волокну. Са и Р участвуют в формировании межклеточного вещества костной ткани, определяя прочность кости. Кроме того, Са – один из факторов, от которых зависит нормальная свертываемость крови. Железо входит в состав гемоглобина – белка эритроцитов, участвующего в переносе кислорода от легких к тканям. Наконец, Мg в клетках растений включен в хлорофилл – пигмент, обусловливающий фотосинтез, а у животных входит в состав биологических катализаторов – ферментов, участвующих в биохимических превращениях.

Все остальные элементы содержатся в клетке в очень малых количествах. К ним относятся преимущественно ионы тяжелых металлов, входящих в состав ферментов, гормонов и других жизненно важных веществ. В организме эти элементы содержатся в очень небольших количествах: от 0,001 до 0,000001 %; в числе таких элементов бор, кобальт, медь, молибден, цинк, ванадий, йод, бром и др. Общий их вклад в массу клетки составляет всего 0,02 %. Поэтому их называют микроэлементами. Однако это не означает, что они меньше нужны организму, чем другие элементы. Цинк, например, входит в молекулу гормона поджелудочной железы – инсулина, который участвует в регуляции обмена углеводов, а йод – необходимый компонент тироксина – гормона щитовидной железы, регулирующего интенсивность обмена веществ всего организма в целом и его рост в процессе развития, кобальт находится в составе витамина В_12, медь обнаружена в некоторых окислительных ферментах.

Все перечисленные химические элементы участвуют в построении организма в виде ионов либо в составе тех или иных соединений – молекул неорганических и органических веществ. Например, углерод, водород, кислород входят в состав углеводов и жиров. В состав белков к ним добавляются азот и сера, нуклеиновых кислот – азот и фосфор. Эти элементы получили название биогенных. Большая часть неорганических веществ клетки находится в виде солей – либо диссоциированных на ионы, либо в твердом состоянии. От концентрации солей внутри клетки зависят буферные свойства клетки. Буферностью называется способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию своего содержимого на постоянном уровне.