Клеточное вещество — сложный полифазный коллоид, т.е. представляет собой систему из двух несмешивающихся фаз. Одна из этих фаз структурно является цитоплазматическим матриксом и выполняет роль водной фазы с переходами от жидкого до твердого состояния, тогда как другая является мембранной системой и выполняет
роль относительно жидкой фазы. Цитоплазма практически бесцветна, имеет характер раствора.
В элементном составе клетки насчитывают более 70 элементов, среди которых наиболее частыми являются кислород, углерод, водо- род, азот. На долю кислорода приходится 65\% общей массы, на долю углерода — 18\%, водорода — 10\%, азота — 3\%. После этих элементов идут кальций, фосфор, калий, сера, натрий, хлор. Поскольку все эти элементы встречаются в клетках в большом количестве, часто их называют макроэлементами. Марганец, медь, йод, кобальт и другие, обнаруживаемые в микроколичествах, называют микроэлемен- тами.
Химические элементы, входящие в состав клеток и обладающие биологическими функциями, называют биогенными.
Как правило, содержание катионов и анионов отличается от содержания их в той среде, в которой находятся клетки. Например, концентрация К+ в мышечных клетках в несколько десятков раз выше, чем в крови. Концентрация солей в клетках определяет буферность ее содержимого, под которой понимают уровень концентрации водородных ионов в клетках (рН).
Соединяясь химическими связями, группы атомов образуют молекулы химических соединений.
В клетках человека химические элементы имеют следующие значения (в \% к сухой массе):
Кислород — 65 Марганец — 0,0003
Углерод — 18 Медь — 0,0002
Водород — 10 Йод — 0,0004
Азот — 3 Кобальт — следы
Фосфор — 1 Цинк — следы
Кальций — 1,5 Молибден — следы
Калий — 0,35 Никель — следы
Сера — 0,25 Алюминий — следы
Натрий — 0,15 Барий — следы
Хлор — 0,15 Стронций — следы
Магний — 0,05 Титан — следы
Железо — 0,004 Литий и др. — следы
Клетки построены из неорганических и органических соединений. Важнейшим неорганическим соединением клетки является вода, которая составляет около 70\% ее массы. У отдельных организмов, например медуз, содержание воды превышает 95\%. Вода имеет
исключительно важное значение для жизнедеятельности клеток, представляя собой среду, в которой осуществляются важнейшие реакции, лежащие в основе синтеза и распада веществ.
Кроме того, она является растворителем различных химических веществ, принимает участие в выведении из клеток продуктов обмена. Наконец, она поддерживает тепловой режим клетки.
Другие неорганические соединения, встречающиеся в клетках, представлены минеральными солями. Вместе с белками минеральные соли входят в состав протоплазмы. Встречаются калиевые, натриевые, магниевые соли, соли серной, соляной, фосфорной и других кислот. Важнейшая роль минеральных солей заключается в определении ими кислотно-щелочного состояния протоплазмы. Они необходимы также для размножения клеток.
Органические (углеродсодержащие) соединения клетки — углеводы, липиды, белки, нуклеиновые кислоты, АТФ и стероиды. Как было отмечено, молекулы этих соединений часто называют биологическими молекулами.
Углеводы являются соединениями углерода, водорода и кислорода. Различают полисахариды (СбН10О5), дисахариды (С12Н22О11) и простые сахара — моносахариды (СбН12Об). Две молекулы моносахарида продуцируют одну молекулу дисахарида и одну молекулу воды, тогда как из п молекул моносахарида продуцируют одну молекулу полисахарида и п-1 молекул воды. Следовательно,
2С6Н12О6 С12Н22О11 + Н2О
тогда как
^(C6H12U6) -> (С6Н10О5) + (п — 1) Н2О.
Основные углеводы протоплазмы — глюкоза, гликоген (в клетках животных) и крахмал (в клетках растений). Углеводы входят в состав мембранной системы клеток. Они являются также важнейшим источником энергии в организме, которая освобождается в результате окислительно-восстановительных реакций. Установлено, что окисление 1 г углевода сопровождается образованием энергии в количестве 4,2 ккал.
Липиды — соединения, состоящие из жирных кислот и спиртов. В частности, одна молекула глицерина (трехатомного спирта) и три молекулы жирной кислоты образуют одну молекулу липида и три молекулы воды. Например, стеарин образуется в результате реакции
между одной молекулой глицерола и тремя молекулами стеариновой кислоты:
С3Н5(ОН)3 + 3С17Н35СООН -> (С17Н35СОО)3С3Н5 + 3Н2О.
Глицерол Стеариновая кислота Стеарин Вода
Липиды в соединении с белками входят в состав мембранной системы клеток, обнаруживаются в нервной ткани, мужских половых клетках, в семенах растений. Поскольку углеводы могут переводиться в липиды, то последние выполняют роль накопителей энергии. Окисление липидов сопровождается выделением энергии. Например, окисление 1 г жира сопровождается выделением энергии в количестве 9,5 ккал. При окислении образуются также углекислый газ и вода.
Белки — наиболее сложные химические соединения, характеризующиеся большой молекулярной массой. Белки построены из аминокислот, которые содержат аминогруппу (-NH2) и карбоксильную группу (-СООН). Молекула белка представляет собой, по существу, L-аминокислоты, соединенные пептидными связями в неопределенно длинные цепи:
где R является радикалом, состоящим из гидроксильной (ОН), сульфгидрильной (SH) и других групп, и частью молекулы.
Известно 20 различных L-аминокислот. Они различаются между собой боковыми группами, прикрепленными к альфа-углероду.
На долю белков в протоплазме приходится 50-70\% от общего количества органических соединений. Белки являются прежде всего строительным материалом. Они входят в состав практически всех клеточных структур. Белки являются также катализаторами
(ферментами) всех реакций и регуляторами экспрессии генов. Они являются гормонами, токсинами, антителами. Теряя аминогруппы (дезаминируясь), белки могут стать также источником энергии.
Нуклеиновые кислоты — органические соединения, содержащие углерод, кислород, водород, азот и фосфор. Различают дезоксирибонуклеиновую и рибонуклеиновую кислоты (ДНК и РНК). Важнейшая биологическая роль нуклеиновых кислот заключается в том, что они служат хранителями генетической информации.
Стероиды представляют собой органические соединения, содержащие углерод, водород и кислород. Их биологическая роль состоит в том, что они являются гормонами.