Химический состав организма человека

В организме человека содержится более 40 эле­ментов периодической системы Менделеева. В наибольшем количестве в тканях находятся углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Эти вещества называются органогенами,, поскольку они входят в состав органических компонентов клеток. Меньше в клетках натрия, калия, кальция, магния, марганца, кобальта, железа, меди, селена. Все перечислен­ные элементы должны поступать в организм из внешней среды. Органогены соединяются между собой и с другими элементами, образуя белки, нуклеиновые кислоты, липи-ды, углеводы и другие сложные вещества.

Углерод является центром органических соединений. Он образует стабильные молекулы разнообразной конфигурации с большим числом функциональных групп.

Азот часто ошибочно называют безжизненным, потому что он не поддерживает горения, однако без этого элемента жизнь невозможна, поскольку он входит в состав белков, нук­леиновых кислот и многих других соединений, составляю­щих основу жизнедеятельности организма. Азот легко меняет валентность; в организме он находится в трех- или пятива­лентном состоянии. При изменении валентности азот присо­единяет или теряет электрон, что обусловливает его роль в обмене веществ.

Кислород участвует в образовании кислотных, спирто­вых и других групп в органических соединениях. Без него не­возможны биохимические процессы. Благодаря реакции с кислородом осуществляется дыхание в клетках, протекают энергетические процессы, необходимые для жизнедеятель­ности.

Водород — не только пластический компонент органи­ческих соединений, но и «горючее» для растительного и жи­вотного мира: при его соединении с кислородом выделяется большое количество энергии.

Сера принимает участие в образовании легкоокисляю­щихся тиоловых групп, дисульфидных мостиков, которые стабилизируют структуру определенных участков молекул белков. Она — один из компонентов процессов обезврежива­ния токсических веществ.

Фосфор широко представлен в организме как в свобод­ном виде, так и в соединении с различными веществами (бел­ками, жирами, углеводами). Он входит в состав фосфолипинок, фосфопротеинов, мононуклеотидов АТФ, ГТФ, является частью буферной системы крови. Находящийся в организме фосфор участвует в активации различных соединений, в фор­мировании костной системы и зубов.

Живая материя состоит из веществ, имеющих молекулы огромных размеров (макромолекулы), благодаря чему они приобретают одновременно и стабильность, и высокую реакционную способность. Такими соединениями являются белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы. С ними связаны мсс жизненно важные процессы.

Не менее ответственную роль в живой материи играют вода и минеральные вещества. Соли и вода составляют около 2/3 человеческого тела. Большая часть минеральных веществ приходится на долю костей, в состав которых входит не раствори-млн и коде соль — фосфорнокислый кальций. Жидкости в теле человека и животных представляют собой растворы электролитов. Они обеспечивают постоянство осмотического давле­нии и жидких фазах организма, кислотно-щелочное равновесие в тканях. В этих процессах преобладают катионы натрия и калия, анионы хлора, карбонаты, фосфаты.

Минеральные вещества, входящие в состав живых организмов, условно делят на три группы: макро-, микро- и ультрамикроэлементы. К макроэлементам относят те химические элементы, содержание которых превышает 0,001 % ( О, С, Н, Са, К, N, Р, S, Мg, Na, Сl, Fе и др.). Если содержание химического элемента в организме составляет от 0,001 до 0.000001 %, то его причисляют к микроэлементам (Сu, Мn, Co и др.). Вещества, находящиеся в еще меньших количествах, называют ультрамикроэлементами (Рb, V, Аu, Нg и др.).

Вода. За небольшим исключением (кости, эмаль зубов) они ниляется преобладающим компонентом в структуре клетки. Вода служит естественным растворителем для многих веществ, а мкже дисперсионной средой, играющей важную роль в коллоидной системе цитоплазмы. Все химические процессы в организме происходят в водной среде, вода принимает не­посредственное участие и во многих реакциях. Кроме того, она выводит из организма различные вещества.

О значении воды для жизнедеятельности организма крас­норечиво говорит тот факт, что потеря даже пятой части ее неминуемо приводит к гибели.

СТРУКТУРА КЛЕТКИ

Клетка — одна из форм организации живой материи, лежащей в основе строения и развития растений и животных.

Размеры, форма и строение клеток, входящих в состав органов и тканей, различны. Они зависят от стадии развития и функции клетки, их видовой принадлежности и т. д, В основ­ном диаметр клеток составляет от 1 микрона до нескольких сантиметров. Однако некоторые из них имеют большую вели­чину, например, нервные клетки с длинными отростками, достигающими 1 м. Наиболее типичны для клеток шаровид­ная, овальная, цилиндрическая, кубическая формы. Количе­ство клеток в организме и даже в отдельных его органах может быть огромно, например, в коре больших полушарий голов­ного мозга человека содержится 14—15 миллиардов нервных клеток, а в крови — до 25 биллионов красных кровяных телец.

По своему строению клетки растений, животных и чело­века, подобно атомам, сходны между собой. Каждая из них содержит в середине плотное образование — ядро, которое плавает в «полужидкой» цитоплазме. Клетка окружена кле­точной мембраной.

Клетка состоит из многих элементов, совокупность кото­рых имеет определенное значение не только для нее самой, но и для всего организма в целом. Если каким-то образом нару­шится структура клетки, то изменятся ее функции, она поте­ряет свои свойства как организованная единица и погибнет.

Содержимое клетки представляет собой очень сложную систему разнообразных компонентов. Схема строения клет­ки, полученная с помощью электронного микроскопа, пред­ставлена на рисунке 1.

Цитоплазматическая мембрана.Внутренняя среда клетки отличается от наружной. Естественным барьером между ними служит клеточная мембрана, основная функция которой зак­лючается в регуляции обмена веществ между клеткой и окру­жающей средой (рис. 2).

Цитоплазматическая мембрана обеспечивает постоянство состава внутриклеточного содержимого. По своей структуре мембрана представляет вязкую липидную фазу (липидный слой) с погруженными в нее белками. Липидный слой состо­ит в основном из фосфолипидов, холестерина, гликолипи-дов и является двойным слоем молекул. При этом длинные остатки жирных кислот одного и другого слоя липидных мо­лекул обращены друг к другу и образуют жидкую гидрофоб­ную фазу, а гидрофильные группы этих липидов (холин, фосфорная кислота, этаноламин и др.) расположены снару­жи. Строение мембраны обусловливает ее основное свойство — избирательную проницаемость, т. е. регулирование поступле­ния в клетку необходимых питательных веществ и выведение из нее продуктов обмена. Такая избирательность обеспечива­ет постоянство внутренней среды клетки, поддерживает нуж­ное осмотическое давление, значение рН и т. д.

Белки, входящие в состав мембраны, располагаются на периферии (периферические) или пронизывают всю ее тол­щу (интегральные).

Функции мембранных белков разнообразны. Одни из них являются ферментами, выступающими катализаторами мно­гих важных реакций, другие транспортируют различные ве­щества (жирные кислоты, холестерин) через мембрану. Осо­бая группа белков образует в мембране «поры» для переноса ионов (водорода, натрия, калия и др.). Поверхностно распо­ложенные белки и гидрофильные группы липидов связаны с углеводами и образуют участки, способные «узнавать» дру­гие клетки или вещества. Такие участки называются рецепто­рами. Соединяясь со специфическими рецепторами, вещества (например, гормоны) передают свои сигналы внутрь клетки. Мембраны эластичны и обладают способностью самопроиз­вольно восстанавливать свою целостность при повреждении.

Цитоплазма. Внутреннее пространство клетки заполнено цитоплазмой, в которой расположены органоиды клетки. Цитоплазма пронизана многочисленными каналами, кото­рые называют эндоплазматической сетью (ретикулумом).

Эндоплазматический ретикулум является продолжением ядерной мембраны. Он представляет собой сеть мембран, об­разующих трубочки и пузырьки; по эндоплазматической сети осуществляется транспорт различных веществ из клетки во внешнюю среду и обратно, здесь же протекают процессы синтеза и распада химических веществ.

Различают два типа ретикулума — гладкий и шерохова­тый. «Шероховатость» последнего обусловлена расположен­ными на его поверхности многочисленными мелкими части­цами сферической формы — рибосомами.

Рибосомы — мелкие плотные гранулы небольших разме­ров. Они состоят из двух частей (субъединиц) округлой фор­мы, соединение которых можно образно представить в виде гриба или восьмерки. Они рассеяны по всей клетке. Часть их связана с зндоплазматической сетью, другие находятся в сво­бодном состоянии в цитоплазматическом матриксе. Рибосо­мы выполняют важнейшую функцию — участвуют в процес­се синтеза белка.

Аппарат Гольджи представлен тонкими плоскими мешоч­ками. Он играет двоякую роль: участвует в синтезе углеводных компонентов гликопротеидов и осуществляет вынос готовых молекул из клетки.

Митохондрии (от греч. mitos — нить, сhondrion — зерныш­ко, крупинка) являются крупными органоидами клетки, по форме напоминающими зерно фасоли.

Митохондрии окружены двумя мембранами, образован­ными белками и липидами различной природы. Внутрен­няя мембрана имеет множество направленных внутрь вы­пячиваний — крист, которые тем многочисленнее, чем

к дыхательная активность клетки. Внутреннее простран­ство митохондрий заполняет мелкозернистое вязкое веще­ство. Митохондрии — в высшей степени специализирован­ные частицы: именно в них протекают процессы дыхания и окисления различных веществ. Их главная функция екать заключен­ную з органических веществах энергию и накапливать ее в фосфатных связях аденозинтрифосфата (АТФ), который не­обходим для осуще­ствления различных процессов жизнедеятельности. Митохондрии называют «силовыми подстанциями»

Следует отметить и еще одну особенность митохондрий. В их матриксе обнаружены ДНК. Кроме тото, здесь находятся рибосомы и ряд других веществ, необходимых для синтеза мембранных белков, основная масса которых является фер­ментами, принимающими участие в образовании АТФ,

Еще одни важные органоиды клетки — лизосомы (от греч. 1у515 — растворение, зота — тело). Эти структуры представля­ют собой ограниченные мембраной тельца, содержащие про-теолитические ферменты. Неповрежденная лизосомная мем­брана очень прочна и устойчива к действию ферментов. Они опасны для клетки и заключены как бы в мешочек, образо­ванный мембраной. Назначение лизосом многообразно: они способны расщеплять уже использованные белки, жиры, уг­леводы и их промежуточные продукты. Мембрана лизосом полупроницаема и препятствует выходу ферментов в цито­плазму, если для этого нет необходимости. Когда в результате какого-либо воздействия нарушается целостность мембраны лизосом, то лизосомные ферменты разрушают клетку.

В растительных клетках содержатся пластиды — неболь­шие гранулы с двойной мембраной, в которых происходит синтез и накопление органических веществ. К ним относятся хлоропласты, лейкопласты и хромопласты. Хлоропласты со­держат зеленый пигмент хлорофилл, который способен син­тезировать энергию солнечного света. В хлоропластах солнеч­ная энергия превращается в химическую, которая запасается в виде химических связей различных пищевых веществ, об­разующихся в процессе фотосинтеза. Лейкопласты — бес­цветные пластиды, в них накапливаются крахмал и другие вещества. Хромопласты содержат различные пигменты, обус­ловливающие окраску плодов, овощей и цветков.

Ядро— главная внутриклеточная органелла клетки, име­ющая сферическую форму диаметром около 5 микрон. Оно содержит не менее 95 % всей дезоксирибонуклеиновой кис­лоты (ДНК).

ДНК вместе с основными и кислыми белками и неболь­шим количеством рибонуклеиновой кислоты (РНК) состав­ляют сложный комплекс, называемый хроматином. Перед на­чалом клеточного деления хроматин собирается в хромосомы, их форма и внутренняя организация строго регламентирова­ны для каждого вида организма. Молекулярные элементы хро­мосом уникальны, в них записана видовая и индивидуальная информация. Внутри ядра можно различить еще одну или несколько сферических структур малых размеров.

Рис. 4. Иерархия молекулярной организации клетки

Это — яд­рышки. Они содержат много РНК (в основном предшествен­ник рибосомной РНК). Остальная масса ядра жидкая, она называется нуклеозолом (ядерным соком). В ядре находятся все ферменты, необходимые для биосинтеза ДНК и РНК. Оно является носителем генетической информации (наследственных признаков) и контролирует все виды метаболической активности клетки. Ядро окружено плотной двойной мембра­ной, имеющей «поры», через которые могут проходить мак­ромолекулы и даже малые частицы.

Иерархия молекулярной организации клетки показана на рисунке 4.

Изучение сложной структуры клетки помогает понять, как в условиях микроскопически малого пространства созда­ются наиболее благоприятные условия для биохимических реакций, протекающих в конкретный момент в определен­ном участке клетки. Строение клетки позволяет разграничить ферментативные процессы, происходящие в разных ее час­тях, и дает возможность одновременно протекать огромному количеству реакций.

РОЛЬ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ В