Автор Світлана Князєва 
Химический состав клетки определяет её структуру, метаболизм и способность поддерживать жизнь. В типичной животной клетке около 70 % массы приходится на воду, 10–20 % — на белки, 1–5 % — на липиды, 1–2 % — на нуклеиновые кислоты, а остальное составляют углеводы, минеральные соли и низкомолекулярные метаболиты.
Четыре органогена — кислород, углерод, водород и азот — формируют примерно 98 % массы клетки. Другие элементы присутствуют в значительно меньших количествах, однако без них невозможны ферментативные реакции, проведение импульсов и минерализация тканей.
Состав варьирует в зависимости от типа клетки, вида организма и физиологического состояния: в растительных клетках больше углеводов и воды, в бактериальных — относительно больше РНК и белков на единицу сухой массы.
Элементный состав клетки
В живых клетках обнаружено более 70 химических элементов периодической системы, однако физиологически необходимыми считают около 25–27. По концентрации их разделяют на органогены (биоэлементы), макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.
Органогены — углерод, кислород, водород и азот — входят в состав всех основных биомолекул. Кислород составляет 65–75 % массы клетки, углерод — 15–18 %, водород — 8–10 %, азот — 1,5–3 %. Углерод образует стабильные цепи и кольца, являющиеся основой органических соединений. Кислород и водород формируют воду и участвуют в окислительно-восстановительных реакциях. Азот входит в аминокислоты, нуклеотиды, некоторые витамины и хлорофилл.
Макроэлементы (фосфор, сера, калий, кальций, натрий, магний, хлор, железо) суммарно дают около 1,5–2 % массы. Фосфор присутствует в ДНК, РНК, АТФ и фосфолипидах мембран. Калий и натрий поддерживают мембранный потенциал и осмотический баланс. Кальций участвует в сокращении мышц, свёртывании крови и сигнальных каскадах. Магний является кофактором многих ферментов и входит в состав хлорофилла.
Микроэлементы (цинк, медь, йод, марганец, кобальт, фтор, селен, молибден) содержатся в концентрациях от 0,001 % до 0,000001 %. Они входят в активные центры ферментов, гормонов и витаминов. Йод необходим для синтеза тироксина, кобальт — для витамина B12, цинк — для карбоангидразы и факторов транскрипции.
| Группа | Элементы (примерное содержание) | Основные функции |
|---|---|---|
| Органогены | O (65–75 %), C (15–18 %), H (8–10 %), N (1,5–3 %) | Каркас органических молекул, вода, аминокислоты, нуклеиновые кислоты |
| Макроэлементы | P, S, K, Ca, Na, Mg, Cl, Fe | АТФ и мембраны, осморегуляция, сокращение, кости, гемоглобин |
| Микроэлементы | Zn, Cu, I, Mn, Co, F, Se, Mo | Кофакторы ферментов, гормоны щитовидной железы, антиоксидантная защита |
Данные о процентном содержании элементов обобщены по материалам украинских учебников биологии и обзорных статей по цитологии. Концентрации зависят от типа ткани: в костной ткани значительно больше кальция и фосфора, в эритроцитах — железа.
Неорганические вещества клетки
Неорганические соединения составляют 60–80 % массы большинства клеток. Главное из них — вода.
Вода и её биологическая роль
Содержание воды колеблется от 40 % в клетках жировой ткани и костей до 90–95 % в эмбриональных клетках и медузах. В цитоплазме большинства соматических клеток человека она составляет около 70–80 %.
Молекула воды полярна, образует водородные связи и является универсальным растворителем для гидрофильных веществ. В водной среде происходят почти все биохимические реакции. Вода участвует в гидролизе полимеров, поддерживает тургор растительных клеток, обеспечивает терморегуляцию благодаря высокой теплоёмкости и участвует в транспорте веществ.
Часть воды в клетке связана с белками и нуклеиновыми кислотами гидратной оболочкой; свободная вода служит средой для диффузии метаболитов.
При обезвоживании замедляется метаболизм, нарушается структура макромолекул и может наступить гибель клетки. Наоборот, избыток воды изменяет осмотическое давление и может привести к лизису.
Минеральные соли и ионы
Минеральные соли составляют 1–1,5 % массы клетки. Они существуют в виде ионов (Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl−, HPO42−, HCO3−) или входят в нерастворимые соединения (фосфаты кальция в костях).
Катионы калия преобладают внутри клетки, натрия — во внеклеточной среде. Этот градиент поддерживается натрий-калиевой АТФазой и является основой потенциала покоя и потенциала действия. Буферные системы (фосфатная, гидрокарбонатная) стабилизируют pH цитоплазмы около 7,0–7,4.
Органические вещества клетки
Органические соединения дают 20–40 % массы клетки (в зависимости от содержания воды). Основные классы — белки, липиды, углеводы и нуклеиновые кислоты.
| Класс соединений | Типичное содержание (животная клетка) | Главные функции |
|---|---|---|
| Белки | 10–20 % | Катализ, структура, транспорт, сигналинг, защита |
| Липиды | 1–5 % (в жировых клетках значительно больше) | Мембраны, энергетический запас, сигнальные молекулы |
| Углеводы | 0,2–2 % | Быстрый источник энергии, запас, структурные полимеры |
| Нуклеиновые кислоты | 1–2 % (ДНК меньше, чем РНК в большинстве клеток) | Хранение и реализация наследственной информации |
Обобщённые значения соответствуют типичным данным для клеток млекопитающих; у бактерий доля РНК выше, в растительных клетках больше полисахаридов клеточной стенки.
Белки
Белки — самый многочисленный по функциям класс макромолекул. Мономерами являются 20 стандартных аминокислот, соединённых пептидными связями. Первичная структура определяет все высшие уровни организации: α-спираль и β-слой (вторичная), глобулу (третичная) и комплексы субъединиц (четвертичная).
Ферменты ускоряют реакции в тысячи и миллионы раз. Структурные белки (коллаген, кератин, актин, тубулин) формируют цитоскелет и межклеточный матрикс. Транспортные белки (гемоглобин, альбумин, мембранные переносчики) переносят кислород, липиды и ионы. Антитела обеспечивают специфическую иммунную защиту. Рецепторы воспринимают гормоны и факторы роста.
При полном окислении 1 г белка выделяется около 17,6 кДж энергии, однако клетка редко использует белки как топливо — только при длительном голодании.
Липиды
Липиды гидрофобны или амфифильны. Триглицериды служат компактным энергетическим депо: при окислении 1 г жира выделяется примерно 38–39 кДж. Фосфолипиды и холестерол образуют бислои клеточных мембран. Стероидные гормоны (эстрогены, тестостерон, кортизол) регулируют развитие и метаболизм. Воски защищают поверхности растений и насекомых.
В адипоцитах липиды могут составлять более 80–90 % массы клетки. В нервной ткани высокое содержание сложных липидов (миелин).
Углеводы
Моносахариды (глюкоза, фруктоза, рибоза, дезоксирибоза) быстро включаются в гликолиз и цикл трикарбоновых кислот. Дисахариды (сахароза, лактоза) расщепляются до мономеров. Полисахариды выполняют запасную (крахмал в растениях, гликоген в животных и грибах) и структурную функции (целлюлоза, хитин, пептидогликан).
Гликопротеины и гликолипиды клеточной поверхности участвуют в распознавании клеток и межклеточной адгезии. Энергетический выход при окислении 1 г углеводов составляет около 17,6 кДж.
Нуклеиновые кислоты
ДНК хранит генетическую информацию в виде последовательности нуклеотидов. В эукариотах она локализована преимущественно в ядре (и частично в митохондриях и пластидах). РНК выполняет несколько ролей: матричная (мРНК), транспортная (тРНК), рибосомная (рРНК), а также регуляторная (микроРНК, длинные некодирующие РНК).
В типичной клетке млекопитающего масса РНК превышает массу ДНК, поскольку рибосомы содержат большое количество рРНК. У бактерий доля нуклеиновых кислот в сухой массе выше, чем в большинстве эукариотических клеток.
Отличия химического состава разных клеток
Бактериальная клетка (на примере E. coli) содержит около 70 % воды, 15 % белков, 6 % РНК, 1 % ДНК, 2 % липидов и 3 % полисахаридов по влажной массе. В клетках млекопитающих доля РНК ниже (около 1 %), а липидов — выше из-за развитой системы внутренних мембран.
Растительные клетки накапливают больше воды в вакуолях и имеют мощную целлюлозную стенку. Клетки семян богаты запасными белками и липидами. Мышечные клетки содержат много сократительных белков и гликогена. Эритроциты человека почти не имеют ядра и митохондрий, поэтому их состав упрощён: преимущественно гемоглобин и мембрана.
Состав изменяется также в онтогенезе и при патологии. В опухолевых клетках часто меняется соотношение липидов мембран и активность ферментов энергетического обмена. При дефиците микроэлементов страдают конкретные метаболические пути: недостаток йода нарушает синтез тиреоидных гормонов, недостаток железа — транспорт кислорода.
Интересные факты
- На одну молекулу ДНК в бактериальной клетке приходится сотни тысяч молекул белков и миллионы молекул воды.
- Большая часть воды в клетке не является «свободной» в классическом смысле: значительная её часть образует гидратные оболочки макромолекул и участвует в реакциях как реагент.
- Эмпирическая формула сухого вещества многих клеток близка к C4H7O2N — следствие преобладания белков и нуклеиновых кислот.
- Концентрация белков в цитоплазме млекопитающих оценивается в диапазоне 50–250 г/л, что создаёт значительную молекулярную «тесноту» и влияет на скорость диффузии и свёртывания белков.
- В клетках печени крысы белки составляют около 21 % массы, тогда как в E. coli — около 15 % по влажной массе, но более половины сухой массы.
Понимание химического состава клетки имеет прямое прикладное значение. В медицине оно лежит в основе анализа электролитного баланса, диагностики анемий и эндокринных нарушений. В биотехнологии знание соотношения макромолекул помогает оптимизировать среды для культивирования клеток и микроорганизмов. В питании дефицит отдельных элементов и соединений сразу отражается на работе конкретных клеточных систем — от щитовидной железы до эритроцитов.
Химический состав клетки не является статичным перечнем веществ. Он постоянно обновляется через синтез и распад макромолекул, обмен ионами с внешней средой и изменение водного баланса. Именно это динамическое равновесие позволяет клетке оставаться живой системой.