By Світлана Князєва 
Хімічний склад клітини визначає її структуру, метаболізм і здатність підтримувати життя. У типової тваринної клітини близько 70 % маси припадає на воду, 10–20 % — на білки, 1–5 % — на ліпіди, 1–2 % — на нуклеїнові кислоти, а решту становлять вуглеводи, мінеральні солі та низькомолекулярні метаболіти.
Чотири органогени — оксиген, карбон, гідроген і нітроген — формують приблизно 98 % маси клітини. Інші елементи присутні в значно менших кількостях, проте без них неможливі ферментативні реакції, проведення імпульсів і мінералізація тканин.
Склад варіює залежно від типу клітини, виду організму та фізіологічного стану: у рослинних клітинах більше вуглеводів і води, у бактеріальних — відносно більше РНК і білків на одиницю сухої маси.
Елементний склад клітини
У живих клітинах виявлено понад 70 хімічних елементів періодичної системи, проте фізіологічно необхідними вважають близько 25–27. За концентрацією їх поділяють на органогени (біоелементи), макроелементи, мікроелементи та ультрамікроелементи.
Органогени — карбон, оксиген, гідроген і нітроген — входять до складу всіх основних біомолекул. Оксиген становить 65–75 % маси клітини, карбон — 15–18 %, гідроген — 8–10 %, нітроген — 1,5–3 %. Карбон утворює стабільні ланцюги та кільця, що є основою органічних сполук. Оксиген і гідроген формують воду та беруть участь в окисно-відновних реакціях. Нітроген входить до амінокислот, нуклеотидів, деяких вітамінів і хлорофілу.
Макроелементи (фосфор, сірка, калій, кальцій, натрій, магній, хлор, залізо) сумарно дають близько 1,5–2 % маси. Фосфор присутній у ДНК, РНК, АТФ і фосфоліпідах мембран. Калій і натрій підтримують мембранний потенціал і осмотичний баланс. Кальцій бере участь у скороченні м’язів, зсіданні крові та сигнальних каскадах. Магній є кофактором багатьох ферментів і входить до складу хлорофілу.
Мікроелементи (цинк, мідь, йод, марганець, кобальт, фтор, селен, молібден) містяться в концентраціях від 0,001 % до 0,000001 %. Вони входять до активних центрів ферментів, гормонів і вітамінів. Йод необхідний для синтезу тироксину, кобальт — для вітаміну B12, цинк — для карбоангідрази та факторів транскрипції.
| Група | Елементи (приблизний вміст) | Основні функції |
|---|---|---|
| Органогени | O (65–75 %), C (15–18 %), H (8–10 %), N (1,5–3 %) | Каркас органічних молекул, вода, амінокислоти, нуклеїнові кислоти |
| Макроелементи | P, S, K, Ca, Na, Mg, Cl, Fe | АТФ і мембрани, осморегуляція, скорочення, кістки, гемоглобін |
| Мікроелементи | Zn, Cu, I, Mn, Co, F, Se, Mo | Кофактори ферментів, гормони щитоподібної залози, антиоксидантний захист |
Дані про відсотковий вміст елементів узагальнені за матеріалами українських підручників біології та оглядових статей з цитології. Концентрації залежать від типу тканини: у кістковій тканині значно більше кальцію і фосфору, у еритроцитах — заліза.
Неорганічні речовини клітини
Неорганічні сполуки становлять 60–80 % маси більшості клітин. Головна з них — вода.
Вода та її біологічна роль
Вміст води коливається від 40 % у клітинах жирової тканини та кісток до 90–95 % у ембріональних клітинах і медузах. У цитоплазмі більшості соматичних клітин людини вона становить близько 70–80 %.
Молекула води полярна, утворює водневі зв’язки і є універсальним розчинником для гідрофільних речовин. У водному середовищі відбуваються майже всі біохімічні реакції. Вода бере участь у гідролізі полімерів, підтримує тургор рослинних клітин, забезпечує терморегуляцію завдяки високій теплоємності та бере участь у транспорті речовин.
Частина води в клітині є зв’язаною з білками та нуклеїновими кислотами гідратною оболонкою; вільна вода слугує середовищем для дифузії метаболітів.
При зневодненні сповільнюється метаболізм, порушується структура макромолекул і може настати загибель клітини. Навпаки, надлишок води змінює осмотичний тиск і може призвести до лізису.
Мінеральні солі та іони
Мінеральні солі становлять 1–1,5 % маси клітини. Вони існують у вигляді іонів (Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl−, HPO42−, HCO3−) або входять до нерозчинних сполук (фосфати кальцію в кістках).
Катіони калію переважають усередині клітини, натрію — у позаклітинному середовищі. Цей градієнт підтримується натрій-калієвою АТФазою і є основою потенціалу спокою та потенціалу дії. Буферні системи (фосфатна, гідрокарбонатна) стабілізують pH цитоплазми близько 7,0–7,4.
Органічні речовини клітини
Органічні сполуки дають 20–40 % маси клітини (залежно від вмісту води). Основні класи — білки, ліпіди, вуглеводи та нуклеїнові кислоти.
| Клас сполук | Типовий вміст (тваринна клітина) | Головні функції |
|---|---|---|
| Білки | 10–20 % | Каталіз, структура, транспорт, сигналінг, захист |
| Ліпіди | 1–5 % (у жирових клітинах значно більше) | Мембрани, енергетичний запас, сигнальні молекули |
| Вуглеводи | 0,2–2 % | Швидке джерело енергії, запас, структурні полімери |
| Нуклеїнові кислоти | 1–2 % (ДНК менше за РНК у більшості клітин) | Зберігання та реалізація спадкової інформації |
Узагальнені значення відповідають типовим даним для клітин ссавців; у бактерій частка РНК вища, у рослинних клітинах більше полісахаридів клітинної стінки.
Білки
Білки — найчисленніший за функціями клас макромолекул. Мономерами є 20 стандартних амінокислот, з’єднаних пептидними зв’язками. Первинна структура визначає всі вищі рівні організації: α-спіраль і β-шар (вторинна), глобулу (третинна) та комплекси субодиниць (четвертинна).
Ферменти прискорюють реакції в тисячі й мільйони разів. Структурні білки (колаген, кератин, актин, тубулін) формують цитоскелет і міжклітинний матрикс. Транспортні білки (гемоглобін, альбумін, мембранні переносники) переносять кисень, ліпіди та іони. Антитіла забезпечують специфічний імунний захист. Рецептори сприймають гормони та фактори росту.
При повному окисненні 1 г білка виділяється близько 17,6 кДж енергії, проте клітина рідко використовує білки як паливо — лише за тривалого голодування.
Ліпіди
Ліпіди гідрофобні або амфіфільні. Тригліцериди слугують компактним енергетичним депо: при окисненні 1 г жиру виділяється приблизно 38–39 кДж. Фосфоліпіди й холестерол утворюють бішари клітинних мембран. Стероїдні гормони (естрогени, тестостерон, кортизол) регулюють розвиток і метаболізм. Воски захищають поверхні рослин і комах.
У адипоцитах ліпіди можуть становити понад 80–90 % маси клітини. У нервовій тканині високий вміст складних ліпідів (мієлін).
Вуглеводи
Моносахариди (глюкоза, фруктоза, рибоза, дезоксирибоза) швидко включаються в гліколіз і цикл трикарбонових кислот. Дисахариди (сахароза, лактоза) розщеплюються до мономерів. Полісахариди виконують запасну (крохмаль у рослин, глікоген у тварин і грибів) і структурну функції (целюлоза, хітин, пептидоглікан).
Глікопротеїни та гліколіпіди клітинної поверхні беруть участь у розпізнаванні клітин і міжклітинній адгезії. Енергетичний вихід при окисненні 1 г вуглеводів становить близько 17,6 кДж.
Нуклеїнові кислоти
ДНК зберігає генетичну інформацію у вигляді послідовності нуклеотидів. У еукаріотів вона локалізована переважно в ядрі (і частково в мітохондріях і пластидах). РНК виконує кілька ролей: матрична (мРНК), транспортна (тРНК), рибосомна (рРНК), а також регуляторна (мікроРНК, довгі некодуючі РНК).
У типової клітини ссавця маса РНК перевищує масу ДНК, оскільки рибосоми містять велику кількість рРНК. У бактерій частка нуклеїнових кислот у сухій масі вища, ніж у більшості еукаріотичних клітин.
Відмінності хімічного складу різних клітин
Бактеріальна клітина (на прикладі E. coli) містить близько 70 % води, 15 % білків, 6 % РНК, 1 % ДНК, 2 % ліпідів і 3 % полісахаридів за вологою масою. У клітинах ссавців частка РНК нижча (близько 1 %), а ліпідів — вища через розвинену систему внутрішніх мембран.
Рослинні клітини накопичують більше води у вакуолях і мають потужну целюлозну стінку. Клітини насіння багаті на запасні білки та ліпіди. М’язові клітини містять багато скоротливих білків і глікогену. Еритроцити людини майже не мають ядра і мітохондрій, тому їхній склад спрощений: переважно гемоглобін і мембрана.
Склад змінюється також у онтогенезі та за патології. У пухлинних клітинах часто змінюється співвідношення ліпідів мембран і активність ферментів енергетичного обміну. При дефіциті мікроелементів страждають конкретні метаболічні шляхи: нестача йоду порушує синтез тиреоїдних гормонів, нестача заліза — транспорт кисню.
Цікаві факти
- На одну молекулу ДНК у бактеріальній клітині припадає сотні тисяч молекул білків і мільйони молекул води.
- Більшість води в клітині не є «вільною» у класичному сенсі: значна її частина утворює гідратні оболонки макромолекул і бере участь у реакціях як реагент.
- Емпірична формула сухої речовини багатьох клітин близька до C4H7O2N — наслідок переваги білків і нуклеїнових кислот.
- Концентрація білків у цитоплазмі ссавців оцінюється в діапазоні 50–250 г/л, що створює значне молекулярне «тісняву» і впливає на швидкість дифузії та згортання білків.
- У клітинах печінки щура білки становлять близько 21 % маси, тоді як у E. coli — близько 15 % за вологою масою, але понад половину сухої маси.
Розуміння хімічного складу клітини має пряме прикладне значення. У медицині воно лежить в основі аналізу електролітного балансу, діагностики анемій і ендокринних порушень. У біотехнології знання співвідношення макромолекул допомагає оптимізувати середовища для культивування клітин і мікроорганізмів. У харчуванні дефіцит окремих елементів і сполук одразу відображається на роботі конкретних клітинних систем — від щитоподібної залози до еритроцитів.
Хімічний склад клітини не є статичним переліком речовин. Він постійно оновлюється через синтез і розпад макромолекул, обмін іонами з зовнішнім середовищем і зміну водного балансу. Саме ця динамічна рівновага дозволяє клітині залишатися живою системою.