Химия клетки

Клетка химически состоит из воды, органических молекул и неорганических ионов.

Вода

Полярность молекулы воды и вытекающее из нее водородное соединение делают воду уникальным веществом с особыми свойствами, тесно связанными с процессами жизни. Жизнь изначально эволюционировала в водной среде, и большая часть клеточной химии и метаболизма организма происходит внутри водного содержимого цитоплазмы клетки. Особыми свойствами воды являются ее высокая теплоемкость и тепло испарения, ее способность растворять полярные молекулы, ее связные и клеевые свойства, а также ее диссоциация на ионы, что приводит к основой рН. Понимание этих характеристик воды помогает прояснить ее важность в поддержании жизни.

Одним из важных свойств воды является то, что она является полярной молекулой: Водород и кислород в молекулах воды (H2O) образуют полярные ковалентные связи. Хотя в молекуле воды нет чистого заряда, полярность воды создает немного положительный заряд на водороде и слегка отрицательный заряд на кислород, способствуя свойствам притяжения воды. Вода генерирует заряды, потому что кислород является более электроотрицательным, чем водород, что делает более вероятным то, что общий электрон будет рядом с кислородным ядром, чем водородное ядро, тем самым порождая частичный отрицательный заряд вблизи кислорода.

В результате полярности воды каждая молекула воды притягивает другие молекулы воды из-за противоположных зарядов между молекулами воды, образуя водородные связи. Вода также притягивает или притягивает другие полярные молекулы и ионы. Полярное вещество, легко взаимодействующее с водой или растворяющееся в воде, является гидрофильным. В отличие от этого, неполярные молекулы, такие как масла и жиры, плохо взаимодействуют с водой. Эти неполярные соединения являются гидрофобными.

Органические молекулы

Белки, углеводы, нуклеиновые кислоты и липиды — это четыре основных класса биологических макромолекул – большие молекулы, необходимые для жизни, которые строятся из небольших органических молекул. Макромолекулы состоят из единичных единиц, которые ученые называют момерами, которые соединяются ковалентными связями, образуя более крупные полимеры. Полимер больше, чем сумма его частей: Он приобретает новые характеристики и приводит к осмотическому давлению, которое значительно ниже, чем образованное его компонентами. Это важное преимущество в поддержании сотовых осмотических условий. Мономер соединяется с другим мономером с высвобождением молекулы воды, что приводит к формированию ковалентной связи. Ученые называют эти реакции обезвоживания или конденсации. Когда полимеры разбиваются на более мелкие единицы (мономеры), они используют молекулу воды для каждой связи, нарушенной этими реакциями. Такие реакции — реакции гидролиза. Реакции обезвоживания и гидролиза схожи для всех макромолекул, но каждая реакция мономера и полимера специфика для своего класса. Реакции обезвоживания обычно требуют инвестиций энергии для формирования новых связей, в то время как реакции гидролиза обычно высвобождение энергии путем разрыва связей.

Углеводы углеводы — это группа макромолекул, которые являются жизненно важным источником энергии для клетки и обеспечивают структурную поддержку клеткам растений, грибкам и всем артроподам, включая лобстеров, крабов, креветок, насекомых и пауков. Углеводы можно разделить на моносахариды, дисахариды и полисахариды. Хранение глюкозы в виде полимеров, таких как крахмал или гликоген, делает его немного менее доступным для обмена веществ; однако это предотвращает его утечку из клетки или создает высокое осмотическое давление, которое может привести к поглощению клетки избыточной водой.

Белки протеины — это класс макромолекул, которые выполняют разнообразные функции клетки. Они помогают в метаболизме, выступая в роли фермента, носителей или гормонов и обеспечивают структурную поддержку. Строительные блоки белков — аминокислоты.

Липиды — это класс макромолекул, которые являются неполярными и гидрофобными по своей природе. К основным типам относятся жиры и масла, воски, фосфолипиды и стероиды. Жиры являются сохраненной формой энергии и также известны как триацилглицерин или триглицериды. Холестерин является разновидностью стероидов и является важным компонентом плазменной мембраны, где он способствует поддержанию текучей примоль мембраны.

Нуклеиновые кислоты нуклеиновые кислоты — это молекулы, состоящие из нуклеотидов, которые направляют клеточную деятельность, например клеточное деление и синтез белка. Существуют два типа нуклеиновых кислот: ДНК и РНК. ДНК несет генетический образец клетки и передает его от родителей к потомству. РНК участвует в синтезе белков и его регуляции.

Неорганические ионы

Неорганические ионы составляют менее 1% массы клеток, но имеют решающее значение для функционирования клеток. В клетке обнаружены натрий, калий, магний, кальций, фосфат, и хлорид.

Этот текст был адаптирован к Openstax, Biology 2e, Unit 1: The Chemistry of Life.