Для того, чтобы получить полное представление о химическом составе клетки и свойствах живого вещества, следует рассматривать не только легко наблюдаемые макроскопические проявления жизни, не только структуры видимые в обычный световой или даже электронный микроскоп, но и молекулярную организацию цитоплазмы, лежащую далеко за пределами разрешающей способности микроскопа.
Значительную часть вещества каждой клетки составляет вода. У человека содержание воды в различных тканях варьирует от 20 % (в кости), до 85 % (в тканях головного мозга). Около ⅔ общей массы организма человека составляет вода. Вода в клетке находится в двух состояниях: связанной и свободной.
В связанном состоянии находятся около 4-5 % ее массы. Связанная вода водородными связями связана с молекулами белка и обеспечивает поддержание структуры. Молекулы воды, являясь диполем, могут образовывать связи с отрицательно и положительно заряженными участками белковой молекулы. В каждой белковой молекуле аминная группа способна связать 2, 6 молекул Н2О. Сольватная связанная вода прочно удерживается коллоидными частицами, не растворяет солей, замерзает только при температуре близкой к 40 °С.
Вода у всех организмов служит и средой для диффузии. Диффузию можно определить как распространение молекул из области высокой концентрации в область низкой концентрации. Молекулы продолжают двигаться и после того, как они равномерно распределились по всему пространству. Перемещение молекул в каком-нибудь одном направлении происходит очень медленно. Этот факт имеет большое биологическое значение: так, например, число молекул О2 или питательных веществ, которые могут достигнуть организма только за счет одной диффузии весьма ограничено.
Лишь очень небольшой организм, которому ежесекундно необходимо относительно небольшое число молекул питательных веществ может выжить сидя на одном месте и дожидаясь, когда они дойдут до него путем диффузии.
Могут ли молекулы данного вещества проходить через ту или иную мембрану зависит от его структуры и величины имеющихся в ней пор. Мембрана называется проницаемой, если через нее проходит любое вещество. Непроницаемой - если она не пропускает ни одно вещество. Избирательно проницаемой, если через нее могут диффундировать некоторые вещества. Все клеточные мембраны обладают дифференциальной проводимостью.
Диффузия растворенного вещества через полупроницаемую мембрану называется диализом. Диффузия растворителя через полупроницаемую мембрану называется осмосом.
Давление, которое нужно приложить к полупроницаемой мембране, чтобы осмос прекратился - называется осмотическим давлением.
Осмотическое давление во всякой живой клетке создают растворенные соли, сахара и др. вещества. Растворы, в котором осмотическое давление равно осмотическому давлению плазмы крови называется изотоническим (Р=7,6атм.). Если раствор имеет осмотическое давление выше осмотического давления плазмы крови, то он называется гипертоническим. Эритроциты, помещенные в такой раствор, сморщиваются и разрушаются. Раствор, осмотическое давление которого ниже осмотического давления плазмы крови называется гипотоническим. Эритроцит в таком растворе набухает и лопается. Но клетка может приспосабливаться к среде изменяя содержание воды в своей цитоплазме.
Многие клетка способны активно насасывать воду или некоторые растворенные вещества через плазматическую мембрану, или откачивать ее и поддерживать осмотическое давление, отличное от осмотического давления окружающей среды.
У простейших, живущих в сильно гипотонической пресной воде, выработались сократительные вакуоли, которые вбирают в себя воду из протоплазмы и выводят ее наружу.
Многие организмы, обитающие в море, обладают феноменальной избирательной способностью накапливать йод в таком количестве, что его концентрация становиться в 2 млн. раз выше, чем в окружающей среде. Примитивные хордовые оболочники способны накапливать ванадий и концентрация этого элемента в их клетках может превышать его концентрацию в морской воде примерно в 20 млн. раз.
Перенос воды против градиента концентрации представляет собой физическую работу и требует затраты энергии. Клетка способна совершать эту работу пока в ней происходят метаболические процессы, доставляющие энергию. Если на клетку подействовать метаболическим ядом, например НСN она утрачивает способность создавать и поддерживать разность концентраций по обе стороны от плазматической мембраны.
Вода - превосходный растворитель для полярных веществ. К ним относятся ионные соединения (соли). Минеральные соли играют важную роль в развитии живых организмов. Они могут находится либо в диссоциированном состоянии, либо в соединении с белками, углеводами и липидами.
Существуют различные классификации химических элементов содержащихся в организме. В.И. Вернадский делит их на три группы. Макроэлементы - элементы, содержание которых в организме выше 10-2%. К ним относятся кислород, углерод, водород, азот, фосфор, сера, кальций, магний и хлор.
Микроэлементы - элементы, содержание которых в организме находится в пределах от 10-3 до 10-5%. К ним относятся: йод, медь, фтор, бром, мышьяк, стронций, барий, кобальт.
Ультрамикроэлементы - элементы, содержание которых в организме ниже 10-5%. К ним относятся: ртуть, золото, уран, радий и др.
Нормальное протекание процессов в цитоплазме возможно лишь при пропорциональном соотношении элементов.
Органы человека по-разному концентрируют различные химические элементы, т.е. микро- и макроэлементы по-разному накапливаются в печени, костной и мышечной ткани. Эти ткани являются основным депо (запасником для многих микроэлементов).
Элементы проявляют специфическое сродство по отношению к некоторым органам и содержатся в них в высоких концентрациях. Цинк концентрируется в поджелудочной и предстательной железе, йод в щитовидной, фтор в эмали зубов, алюминий, мышьяк, ванадий накапливаются в волосах и ногтях. Кадмий, ртуть, молибден - в почках, олово в тканях кишечника, стронций в костной ткани, барий - в пигментной сетчатке глаза, бром, марганец, хром в гипофизе и т.д.
В организмах микроэлементы могут находится как в связанном состоянии, так и в виде свободных ионных форм. Установлено, что кремний, алюминий, медь и титан в тканях головного мозга находятся, в виде комплексов с белками, тогда как марганец в ионном виде.
Макроэлементы - углерод, водород, кислород, азот, сера, фосфор, входят в состав белков, нуклеиновых кислот и других биологически активных соединений организма. Содержание углерода в белках, составляет от 5 до 55%. кислорода от 22 до 24%, азота от - 15 до 18%, водорода от 6,5 до 7%, сера от 0,3 до 2,5%, фосфора около 0,5%.
Углерод, водород и кислород входят в состав углеводов, содержание которых в тканях животных невелико, примерно 2%. Эти элементы входят в состав липидов.
Фосфор концентрируется в твердых тканях зубов, 600 грамм его содержится в костной ткани. Это составляет 85% от массы всего фосфора, находящегося в организме человека.
Кальций преимущественно концентрируется в костной ткани, а также зубной ткани. Натрий и хлор в основном содержатся во внеклеточных жидкостях, а калий и магний во внутриклеточных. В виде фторидов натрий и калий входят в состав костной и зубной ткани.
Десять металлов жизненно необходимых для живого организма получили название «металлов жизни». В организме человека массой 70 кг содержание «металлов жизни» составляет в гр. - кальций 1700, калий 250, натрий 70, магний 42, железо 5, цинк 3, медь 0,2, марганец, молибден и кобальт, вместе взятых – 0,1. В теле взрослого человека содержится около 3 кг минеральных солей, причем 5/6 этого количества (2,5 кг) приходится на долю костной ткани. Некоторые макроэлементы (Мg и Са) и большинство микроэлементов содержатся в организме в виде комплексов с биолигандами - аминокислотами, белками, нуклеиновыми кислотами, гормонами, витаминами. Так ион Fе2+ в качестве комплексообразователя входит в состав гемоглобина. Со2+ - в витамин В12, Мg2+ - в хлорофилл. На изменение содержания химических элементов в организме влияют различные заболевания. При рахите происходит нарушение фосфорно-кальциевого обмена, что приводит к снижению содержания кальция. При нефрите из-за нарушения электролитного обмена уменьшается содержание Са,Nа, Сl и повышается содержание-Мg, К в организме.
В поддержании определенного содержания макро и микроэлементов в организме участвуют гормоны. Биологическая роль химических элементов в организме человека чрезвычайно разнообразна.
Главная функция макроэлементов состоит в построении тканей, подержания постоянства осмотического давления, ионного и кислотно-основного состава. Микроэлементы- входя в состав ферментов, гормонов, витаминов, биологически активных веществ в качестве комплексообразователей и активаторов, участвуют в обмене веществ, процессах размножения, тканевом дыхании, обезвреживании токсических веществ. Микроэлементы активно влияют на процесс кроветворения, окисления - восстановления, проницаемости сосудов и тканей.
Макро- и микроэлементы: Са, Р, F, J, Аl - определяют формирование костной и зубной ткани. Содержание некоторых элементов в организме человека меняется с возрастом. Так, содержание кадмия в почках и молибдена в печени при старении повышается. Максимальное содержание цинка наблюдается в период полового созревания, затем оно снижается и в старости доходит до минимума. С возрастом уменьшается содержание ванадия и хрома. Выявлено не мало заболеваний, связанных с недостатком или избытком накопления различных микроэлементов. Дефицит фтора вызывает кариес зубов, дефицит йода - эндемический зоб. Избыток молибдена – эндемическую подагру. В организме человека поддерживается баланс оптимальных концентраций биогенных элементов - химический гомеостаз. Нарушение этого баланса следствие недостатка или избытка элемента может привести к различным заболеваниям.
Кроме шести основных макроэлементов - органогенов: углерода, водорода, азота, кислорода, серы и фосфора, из которых состоят углеводы, жиры, белки и нуклеиновые кислоты, для нормального питания человека и животных необходимы неорганические макроэлементы - кальций, хлор, магний, калий, натрий - и микроэлементы - медь, фтор, йод, железо, молибден, цинк, а также селен, мышьяк, хром, никель, кремний, олово, ванадий.
Анализ содержания и соотношения микроэлементов в организме человека находят применение и в судебно - медицинской экспертизе. В случае алкогольного отравления под влиянием - этилового спирта в печени повышается содержание кальция, а натрия и калия становится меньше. При этом в сердце и почках содержание кальция снижается.
Недостаток в пищевом рационе таких элементов как железо, медь, фтор, цинк, йод, кальций, фосфор, магний приводит к серьезным последствиям для здоровья человека. Однако надо помнить, что для организма вреден не только недостаток, но к избыток биогенных элементов, т.к. при этом нарушается химический гомеостаз. При поступлении избытка марганца с пищей в плазме повышается уровень меди. повышение содержания молибдена в продуктах питания приводит к увеличению количества меди в печени. Избыток цинка в пище вызывает угнетение активности железосодержащих ферментов.
Все процессы, связанные с усвоением вышеназванных элементов и их соединений в организме могут происходить в растворах. На клеточном уровне большая часть химических реакций протекает в водных растворах.
Присущее воде свойство растворителя означает также, что вола служит средой для транспорта различных веществ. Эту роль она выполняет в крови, лимфогенной и экскреторной системах, в пищеварительном тракте. Биологическое значение воды определяется и тем, что она представляет собой один из необходимых метаболитов.
Во всех организмах вола обеспечивает поддержание структуры, служит растворителем и средой для диффузии. Участвует в реакциях гидролиза, служит средой, в которой происходит оплодотворение. У животных обеспечивает транспорт веществ, обуславливает осморегуляцию, способствует охлаждению тела (потоотделение, тепловая одышка). Служит основным из компонентов смазки, например, в суставах, несет опорные функции (гидростатический скелет). Выполняет защитную функцию, например, в слезной жидкости и в слизи.
Белки являются одним из наиболее распространенных веществ клетки и в организме в целом, что обусловлено многогранностью их функций: пластическая, каталитическая, транспортная, гормональная, защитная, двигательная, опорная и формообразующая, энергетическая, запасающая, рецепторная, антибиотическая, токсическая.
Углеводы выполняют ряд важных функций: строительная, энергетическая, запасающая, защитная.
Жиры в живом организме выполняют следующие функции: структурную, энергетическую, запасающую, терморегуляторную.
