Неорганические вещества клетки. Неорганические вещества и их роль в клетке Неорганические вещества клетки примеры
Клетка как биологическая система
Основы цитологии
Основные понятия:
клеточная теория, цитология, клетка – единица строения, жизнедеятельности, роста и развития организма, классификация живого, прокариоты и эукариоты, химическая организация клетки, строение про- и эукариотной клеток, взаимосвязь строения и функций органоидов клетки, сравнительная характеристика клеток растений, животных, грибов и бактерий
Началом изучения клетки считают 1665 г.: английский натуралист Роберт Гук, рассматривая в микроскоп срез пробкового дерева, увидел ячейки, которые назвал «клетками». Формирование представлений о клетке происходило в процессе развития биологической науки.
Из истории развития представлений о клетке:
| Зарождение и развитие понятия о клетке | 1665 г. – Р. Гук ввел понятие «клетка»; 1680 г. – А. Левенгук открыл одноклеточные организмы; 1833 г. – Р. Броун обнаружил внутри клеток растений плотные образования, которые назвал «ядрами»; 1838 г. – М. Шлейден пришел к выводу, что все растительные клетки имеют ядро, Т. Шванн обнаружил ядра в животных клетках. |
| Возникновение клеточной теории | 1838 г. - Т. Шванн и М. Шлейден обобщили знания о клетке, сформулировали основные положения клеточной теории: все растительные и животные организмы состоят из клеток, сходных по строению. |
| Развитие клеточной теории | 1858 г. – Р. Вирхов утверждал, что каждая новая клетка происходит только из клетки в результате ее деления; 1858 г. – К. Бэр установил, что все организмы начинают свое развитие с одной клетки (эмбрион млекопитающего развивается из одной клетки – оплодотворенной яйцеклетки). |
Цитология (от греч. kytos) – наука о клетке. Успехи науки цитологии неразрывно связаны с развитием методов исследования: совершенствование светового микроскопа и появлением электронного, применение специальных красителей, позволяющих избирательно выявить клеточные структуры
Основные положения клеточной теории на современном этапе можно сформулировать следующим образом:
| Основные положения | Характеристика |
| 1. Клетка – основная структурная единица строения, развития и жизнедеятельности | Все организмы состоят из клеток. Многоклеточные организмы развиваются из одной оплодотворенной яйцеклетки. Процессы жизнедеятельности организма складываются из жизнедеятельности отдельных клеток |
| 2. Клетки всех организмов сходны по химическому составу, строению, функциям | Все клетки содержат органические соединения: углеводы, липиды, белки, нуклеиновые кислоты и неорганические вещества: воду и соли. Все клетки имеют оболочку, цитоплазму, ядро и другие клеточные структуры – органоиды Все клетки имеют способность к росту, размножению, дыханию, выделению, обмену веществ и энергии, обладают раздражимостью |
| 3. Все новые клетки образуются при делении исходных клеток | Рост организма происходит в результате деления клеток, новые клетки образуются только при делении исходных, материнских клеток. В многоклеточных организмах клетки специализируются по функциям и образуют ткани |
Вывод: все организмы, кроме вирусов, имеют клеточное строение, сходный химический состав клеток, образование клеток происходит сходным образом, что говорит об единстве происхождения всего живого.
Создание клеточной теории стало важнейшим событием в биологии, одним из решающих доказательств единства живой природы. Клеточная теория оказала значительное влияние на развитие биологии как науки, послужила фундаментом для развития таких дисциплин, как эмбриология, гистология и физиология. Она позволила создать основы для понимания жизни, индивидуального развития организмов, для объяснения эволюционной связи между ними. Основные положения клеточной теории сохранили свое значение и сегодня, хотя более чем за сто пятьдесят лет были получены новые сведения о структуре, жизнедеятельности и развитии клетки. Клетки бывают прокариотические и эукариотические . Организмы, образованные прокариотическими клетками, называются прокариоты , а организмы, образованные эукариотическими клетками, - эукариоты.
Классификация живого
Основанием для такого разделения организмов на царства являются способы питания этих организмов и строение клеток.
Химический состав клетки. В состав организмов входит большая часть химических элементов Периодической системы Д.И. Менделеева.
Макроэлементы – водород, кислород, углерод, азот. К этой группе относят также калий, натрий, кальций, сера, фосфор, магний, железо, хлор (содержание этих элементов в клетке составляет десятые и сотые доли процента). В сумме макроэлементы составляют около 98%.
Микроэлементы – цинк, медь, йод, фтор, молибден, бор, марганец, кобальт (содержание этих элементов в клетке составляет сотые и тысячные доли процента).
Ультрамикроэлементы – золото, платина, ртуть, цезий (содержание этих элементов в клетке не превышает тысячных долей процента).
Микроэлементы и ультрамикроэлементы играют важную роль в организме: железо входит в состав гемоглобина, йод – компонент гормона щитовидной железы, недостаток селена приводит к возникновению раковых заболеваний.
ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Химические элементы образуют органические и неорганические вещества:
Органические вещества Неорганические вещества
 |
|||||
Углеводы Белки Жиры АТФ Нуклеиновые Минеральные Вода
кислоты вещества
Неорганические вещества клетки
Вода – один из самых основных компонентов живой клетки, составляет в среднем 70-80% массы клетки. В клетке вода находится в свободной (95%) и связанной (5%) формах. Помимо того, что она входит в их состав, для многих организмов это еще и среда обитания.
Роль воды в клетке определяется ее уникальными химическими и физическими свойствами, связанными главным образом с малыми размерами молекул, с полярностью ее молекул и с их способностью образовывать друг с другом водородные связи. Вода как компонент биологических систем выполняет следующие важнейшие функции:
1. Вода - универсальный растворитель для полярных веществ, например солей, сахаров, спиртов, кислот и др. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными.
2. Молекулы воды участвуют во многих химических реакциях, например при гидролизе полимеров.
3. В процессе фотосинтеза вода является донором электронов, источником ионов водорода и свободного кислорода.
4. Неполярные вещества вода не растворяет и не смешивается с ними, поскольку не может образовывать с ними водородные связи. Нерастворимые в воде вещества называются гидрофобными.
5. Вода обладает высокой удельной теплоемкостью. Для разрыва водородных связей, удерживающих молекулы воды, требуется поглотить большое количество энергии. Это свойство обеспечивает поддержание теплового баланса организма при значительных перепадах температуры в окружающей среде.
6. Вода отличается высокой теплопроводностью, что позволяет организму поддерживать одинаковую температуру во всем его объеме.
7. Вода характеризуется высокой теплотой парообразования, т. е. способностью молекул уносить с собой значительное количество тепла при одновременном охлаждении организма. Благодаря этому свойству воды, проявляющемуся при потоотделении у млекопитающих, тепловой одышке у крокодилов и других животных, транспирации у растений, предотвращается их перегрев.
8. Для воды характерно исключительно высокое поверхностное натяжение. Это свойство имеет большое значение для передвижения растворов по тканям (кровообращение, восходящий и нисходящий токи в растениях). Многим мелким организмам поверхностное натяжение позволяет удерживаться на воде или скользить по ее поверхности.
9. Вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма.
10. У растений вода определяет тургор клеток, а у некоторых животных выполняет опорные функции, являясь гидростатическим скелетом (круглые и кольчатые черви, иглокожие).
11. Вода - составная часть смазывающих жидкостей (синовиальной - в суставах позвоночных, плевральной - в плевральной полости, перикардиальной - в околосердечной сумке) и слизей (облегчают передвижение веществ по кишечнику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей). Она входит в состав слюны, желчи, слез и др.
Свойства, функции и значение воды
Минеральные соли . Молекулы солей в водном растворе распадаются на катионы и анионы. Наибольшее значение имеют катионы (К+, Na+, Са2+, Mg2+, NH4+) и анионы (Сl- , Н2Р04 -, НР042- , НС03 -, NO3 2-, SO4 2-) .Некоторые ионы участвуют в активации ферментов, создании осмотического давления в клетке, в процессах мышечного сокращения, свертывании крови и др. Ряд катионов и анионов необходим для синтеза важных органических веществ (например, фосфолипидов, АТФ, нуклеотидов, гемоглобина, хлорофилла и др.), а также аминокислот, являясь источниками атомов азота и серы. Соляная кислота входит в состав желудочного сока. Соли кальция и фосфора присутствуют в костной ткани животных и человека.
Органические вещества. Основой всех органических соединений является углерод (С), который образует связи с другими атомами и их группами. В результате образуются сложные химические соединения, разные по строению и функциям, - макромолекулы (от греч. macros – большой).
Макромолекулы состоят из повторяющихся низкомолекулярных соединений, - мономеров (от греч. monos – один).
Полимер (от греч. poly – много) – макромолекула, образованная мономерами.
В молекулах полимеров мономеры могут быть одинаковые или разные. В зависимости от того, какие мономеры входят в состав полимеров, полимеры делятся на следующие группы:
Полимеры
Регулярные Нерегулярные
А-А-А-А-A-A- - А-В-А-С- В-А-А-D- C- A-
A-S-D-A-S-D-A-S-D-
Полимеры, входящие в состав живых организмов, называются биополимеры, свойства которых зависят от строения их молекул, числа и разнообразия мономеров. Биополимеры универсальны, так как построены по единому плану у всех живых организмов. Разнообразие свойств биополимеров обусловлено различным сочетанием мономеров, образующих различные варианты. Свойства биополимеров проявляются только в живой клетке.
Углеводы, или сахариды , - органические соединения, в состав которых входят углерод, водород и кислород. Название «углеводы» они получили из-за своего химического состава: общая формула большинства из них Сn(H2O)n.
Состав и строение углеводов
Моносахариды – простые сахара, имеющие общую формулу (СН2О)n , где n=3-9. Среди моносахаридов различают триозы (3С), тетраозы (4С), пентозы (5С) – рибоза, дезоксирибоза, гексозы (6С) – глюкоза, галактоза. Моносахариды хорошо растворяются в воде, они сладкие на вкус. Фруктоза входит в состав меда, находится в плодах, зеленых частях растений. Глюкоза находится в плодах, крови, лимфе, является основным источником энергии, входит в состав дисахаридов и полисахаридов.
Дисахариды – вещества, образованные в результате конденсации двух молекул моносахаридов с потерей одной молекулы воды. У растений - это сахароза (С12Н22О11) и мальтоза, у животных – лактоза. Сахароза – основная транспортная форма углеводов в растениях. Лактоза образуется в молочной железе и присутствует в молоке.
глюкоза + глюкоза = мальтоза;
глюкоза + галактоза = лактоза;
глюкоза + фруктоза = саxароза.
По своим свойствам дисахариды близки к моносахаридам. Они хорошо растворяются в воде и имеют сладкий вкус.
Полисахариды – это высокомолекулярные углеводы, образованные путем соединения большого числа молекул моносахаридов, У растений – крахмал, целлюлоза (клетчатка), формула (С6Н10О5)n ; у животных – гликоген, хитин. Целлюлоза – основной опорный компонент клеточной стенки у растений. Крахмал – основной резервный углевод растений. Гликоген – резервный полисахарид животных (накапливается в печени и мышцах. Хитин входит в состав покровов членистоногих, обеспечивает прочность покровных структур грибов.
Локализация в клетке и организме: клеточная стенка, клеточные включения, клеточный сок растений, покровы членистоногих.
Функции углеводов :
1) Энергетическая. Углеводы – это основной источник энергии для организмов. В процессе окисления 1 г углеводов освобождается 17,6 кДж.
2) Структурная. Клеточные стенки растений построены из целлюлозы. Покровы тела членистоногих, клеточные стенки грибов состоят из хитина. Углеводы входят в состав органоидов, молекул ДНК и РНК.
3) Запасающая. Эту функцию выполняют у растений крахмал, у животных гликоген. Они обладают способностью накапливаться в клетках и расходоваться по мере возникновения потребности в энергии.
4) Защитная. Железы выделяют секреты, которые содержат углеводы. Секреты защищают стенки полых органов (желудок, кишечник) от механических повреждений, проникновения болезнетворных бактерий.
Липиды - это жироподобные вещества, большинство из которых состоит из жирных кислот и трехатомного спирта; это сложные эфиры высших жирных кислот и трехатомного спирта глицерина.
Жиры – наиболее простые и широко распространенные липиды. Жидкие жиры называются маслами. У животных масла встречаются в молоке, но чаще встречаются у растений в семенах, плодах.
Состав и строение липидов
Место синтеза в клетке: на мембранах гладкой эндоплазматической сети.
Локализация в клетке и организме: клеточная мембрана, клеточные включения, подкожная жировая клетчатка и сальники.
Функции липидов :
1) Энергетическая. Липиды – «энергетическое депо». При окислении 1 г липидов до СО2 и Н2О освобождается 38,9 кДж, что в два раза больше по сравнению с углеводами и белками.
2) Структурная. Липиды принимают участие в построении мембран клеток и образовании важных биологических соединений, например, гормонов, витаминов.
3) Запасающая. В растениях чаще накапливаются масла, а не жиры. Семена сои и подсолнечника богаты маслами.
4) Защитная и теплоизоляционная. Жиры плохо проводят тепло. Они откладываются под кожей животных, у некоторых достигают такие скопления толщины до 1 м, например, у китов. Жировой слой защищает животных от переохлаждения. Жировая ткань выполняет функцию терморегулятора. У китов, кроме того, он играет еще и другую роль - способствует плавучести. Благодаря низкой теплопроводности слой подкожного жира помогает сохранить тепло, что позволяет, например, многим животным обитать в условиях холодного климата.
5) Смазывающая и водоотталкивающая. Воск покрывает кожу, шерсть, перья, делает их более эластичными и предохраняет от влаги. Восковой налет имеют листья и плоды многих растений. Такой слой защищает листья во время сильных дождей от намокания.
6) Регуляторная. Многие биологически активные вещества (половые гормоны - тестостерон у
мужчин и прогестерон у женщин), витамины (A, D, E) являются соединениями липидной
7) Источник метаболической воды. Одним из продуктов окисления жира является вода, которая
очень важна для некоторых обитателей животного мира пустынь, например, для верблюдов.
Жир, который запасают эти животные в горбах, является источником воды. Окисление 100 г
жира дает примерно 105 г воды. Необходимую для жизнедеятельности воду медведи, сурки и
другие животные, впадающие в спячку, получают в результате окисления жира.
8) В миелиновых оболочках аксонов нервных клеток липиды являются изоляторами при проведении нервных импульсов.
9) Воск используется пчелами в строительстве сот.
Липиды могут образовывать комплексы с другими биологическими молекулами - белками и сахарами.
Белки, или протеины (от греч. protos – первый) – самые многочисленные, разнообразные и имеющие первостепенное значение органические соединения. Белки – макромолекулы, так как имеют большие размеры.
Химический состав молекул белка: углерод, кислород, водород, азот, сера, также могут быть фосфор, железо, цинк, медь.
Белки - это полимеры, состоящие из повторяющихся низкомолекулярных мономеров. Аминокислоты – мономеры белковых молекул. Известно около 200 аминокислот, встречающихся в живых организмах, но только 20 из них входят в состав белков. Это так называемые основные, или белокобразующие аминокислоты. 20 аминокислот обеспечивают многообразие белков. У растений все необходимые аминокислоты синтезируются из первичных продуктов фотосинтеза. Человек и животные не способны синтезировать ряд аминокислот и должны получать их в готовом виде вместе с пищей. Такие аминокислоты называются незаменимыми. К ним относятся лизин, валин, лейцин, изолейцин, треонин, фенилаланин, триптофан, метионин, аргинин и гистидин (всего 10).
Строение аминокислоты:
Между аминогруппой одной аминокислоты и карбоксильной группой другой аминокислоты образуется ковалентная связь, которая называется пептидная связь, а молекула белка – полипептид .
В растворе аминокислоты могут выступать в роли как кислот, так и оснований, т. е. они являются амфотерными соединениями. Карбоксильная группа -СООН способна отдавать протон, функционируя как кислота, а аминная - NH2 - принимать протон, проявляя таким образом свойства основания.
Структура белков. Каждому белку в определенной среде свойственна особая пространственная структура. При характеристике пространственной (трехмерной) структуры выделяют четыре уровня организации молекул белков.
Уровни структурной организации белка: а - первичная структура - аминокислотная последовательность белка; б - вторичная структура - полипептидная цепь закручена в виде спирали; в - третичная структура белка; г - четвертичная структура гемоглобина.
Место синтеза белков в клетке: на рибосомах.
Локализация белков в клетке и организме: присутствуют во всех органоидах и цитоплазматическом матриксе.
Пространственная структура белка:
Первичная структура белка – последовательность аминокислот, соединенных друг с другом пептидными связями в полипептидную цепь. От первичной структуры зависят все свойства и функции белков. Замена одной-единственной аминокислоты в составе молекул белка или нарушение порядка в их расположении обычно влечет за собой изменение функции белка.
Вторичная структура белковой молекулы достигается ее спирализацией: полипептидная цепь, состоящая из последовательно соединенных аминокислот, закручивается в спираль, образуются непрочные водородные связи между – СО- и – NН- группами.
При образовании третичной структуры спирализованная белковая молекула еще многократно сворачивается, образуя шарик – глобулу. Прочность третичной структуры определяется различными связями, например, дисульфидными связями (-S-S-), ионные, водородные, гидрофобное взаимодействие.
Четвертичная структура - это соединение, состоящее из нескольких молекул белка, имеющих третичную структуру. Химические связи - ионные, водородные, гидрофобное взаимодействие.
И так, первичная структура – это линейная структура, в виде полипептидной цепи; вторичная – спиральная, за счет водородных связей; третичная – глобулярная; четвертичная – объединение нескольких молекул белка с третичной структурой.
Свойство белка – денатурация - нарушение природной структуры белка, которая бывает обратимая, если не разрушена первичная структура, и необратимая, если первичная структура разрушена.
Воздействие факторов среды
(температура, химические вещества, излучение и др.)
Денатурация белка (разрушение структур)
Ренатурация – полное восстановление структуры белка.
Под влиянием различных химических и физических факторов (обработка спиртом, ацетоном, кислотами, щелочами, высокой температурой, облучением, высоким давлением и т. д.) происходит изменение вторичной, третичной и четвертичной структур белка вследствие разрыва водородных и ионных связей. Процесс нарушения естественной структуры белка называется денатурацией. При этом наблюдается уменьшение растворимости белка, изменение формы и размеров молекул, потеря ферментативной активности и т. д. Процесс денатурации может быть полным или частичным. В некоторых случаях переход к нормальным условиям среды сопровождается самопроизвольным восстановлением естественной структуры белка. Такой процесс называется ренатурацией.
Простые и сложные белки. По химическому составу выделяют белки простые и сложные. К простым относятся белки, состоящие только из аминокислот, а к сложный - белки, содержащие белковую часть и небелковую - ионы металлов, остаток фосфорной кислоты, углеводы, липиды и др.
Функции белков :
1) Ферментативная , или каталитическая. Катализаторы – это вещества, ускоряющие химические реакции. Ферменты – это катализаторы биохимических реакций. Ферменты ускоряют реакции в организме в десятки и сотни тысяч раз. Они высокоспецифичны, так как каждый фермент катализирует только определенную реакцию.
Ферменты = Биокатализаторы (ускорители химических реакций, протекающих в клетках)
2) Структурная. Белки входят в состав всех мембран и органоидов клетки (например, в соединении с РНК белок образует рибосомы).
3) Энергетическая . При распаде 1 г белков до конечных продуктов (СО2, Н2О и азотсодержащие вещества) выделяется 17,6 кДж.
4) Запасающая. Эту функцию выполняют белки – источники питания (белок яйца – альбумин,
белок молока – казеин, клетки эндосперма и яйцеклетки).
5) Защитная. Все живые клетки и организмы имеют защитные системы. У человека и животных - это иммунная защита. В лимфоцитах образуются антитела – защитные белки, которые обезвреживают чужеродные тела. Другой пример защитной функции – свертывание белка фибриногена в крови, что приводит к образованию сгустка крови – тромба, который закупоривает сосуд, кровотечение прекращается. Механическую защиту обеспечивают роговые образования – волосы, рога, копыта. В состав этих образований входят белки. Растения тоже образуют защитные белки, например, алкалоиды, благодаря которым покровы растений становятся более прочными и устойчивыми.
6) Регуляторная. Многие белки – гормоны , регулирующие физиологические процессы (белковую природу имеют инсулин и глюкагон). Клетки поджелудочной железы вырабатывают гормон инсулин, регулирующий содержание глюкозы в крови.
Поджелудочная железа
Гормон инсулин
Глюкоза (в крови) à Гликоген (в клетках печени)
7) Транспортная. Функция транспортных белков заключается в присоединении химических элементов или биологически активных веществ и переносе их к тканям и органам.
Гемоглобин (находится в эритроцитах)
Гемоглобин + кислород Гемоглобин + углекислый газ
8) Двигательная. Сократительные белки участвуют во всех видах движения, к которым способны клетки и организмы. Примеры: движение жгутиков и ресничек у простейших одноклеточных животных, сокращение мышц у многоклеточных животных (белки миозин и актин обеспечивают сокращение мышечных клеток), движение листьев у растений.
9) Сигнальная. Белки, встроенные в мембрану клетки, осуществляют прием сигналов из
внешней среды и передачу информации в клетку. Такие белковые молекулы способны
изменять свою третичную структуру в ответ на действия факторов внешней среды.
10) Токсическая (токсины, обеспечивающие защиту от врагов и умерщвление добычи).
| Функции белка | Характеристика |
| 1. Структурная | Белки входят в состав клеточных мембран и органоидов |
| 2. Энергетическая | При окислении 1 г белков выделяется 17,6 кДж |
| 3. Запасающая | Белки – запасной питательный и энергетический материал |
| 4. Каталитическая, ферментативная | Белки – ферменты, ускоряющие химические реакции |
| 5. Регуляторная | Многие белки – гормоны, регулирующие физиологические процессы |
| 6. Транспортная | Перенос различных веществ (гемоглобин + кислород) |
| 7. Двигательная | Сократительные белки обеспечивают движение (хромосомы к полюсам клетки) |
| 8. Защитная | Защищают организм от чужеродных тел |
| 9. Сигнальная | Осуществляют прием сигналов из внешней среды и передачу информации в клетку |
| 10. Токсическая | Токсины обеспечивают защиту от врагов и умерщвление добычи |
Белки используются как источник энергии редко, поскольку они выполняют ряд других важных функций. Белки обычно используются, когда истощаются такие источники, как углеводы и жиры. Углеводы и жиры откладываются в запас; когда в пище не хватает какого-либо органического соединения, возможно превращение в организме одних органических соединений в другие: белков в жиры и углеводы, углеводы и жиры друг в друга. Но углеводы и жиры не могут превращаться в белки.
Впервые химические вещества классифицировал в конце IX столетия арабский ученый Абу Бакр ар-Рази. Он, опираясь на происхождение веществ, распределили их по трем группам. В первой группе он отвел место минеральным, во второй - растительным и в третьей - животным веществам.
Этой классификации было суждено просуществовать почти целое тысячелетие. Лишь в XIX веке из тех групп сформировали две - органические и неорганические вещества. Химические вещества обоих типов строятся благодаря девяноста элементам, внесенным в таблицу Д. И. Менделеева.
Группа неорганических веществ
Среди неорганических соединений различают простые и сложные вещества. Группа простых веществ объединяет металлы, неметаллы и благородные газы. Сложные вещества представлены оксидами, гидроксидами, кислотами и солями. Все могут строиться из любых химических элементов.
Группа органических веществ
В состав всех органических соединений в обязательном порядке входит углерод и водород (в этом их принципиальное отличие от минеральных веществ). Вещества, образованные C и H называются углеводородами - простейшими органическими соединениями. В составе производных углеводородов находится азот и кислород. Они, в свою очередь, классифицированы на кислород- и азотсодержащие соединения.
Группа кислородсодержащих веществ представлена спиртами и эфирами, альдегидами и кетонами, карбоновыми кислотами, жирами, восками и углеводами. К азотсодержащим соединениям причислены амины, аминокислоты, нитросоединения и белки. У гетероциклических веществ положение двояко - они, в зависимости от строения, могут относиться и к тому и к другому виду углеводородов.
Химические вещества клетки
Существование клеток возможно, если в их состав входят органические и неорганические вещества. Они погибают, когда в них отсутствует вода, минеральные соли. Клетки умирают, если сильно обеднены нуклеиновыми кислотами, жирами, углеводами и белками.
Они способны к нормальной жизнедеятельности, если в них находится несколько тысяч соединений органической и неорганической природы, способных вступать во множество различных химических реакций. Биохимические процессы, текущие в клетке - основа ее жизнедеятельности, нормального развития и функционирования.
Химические элементы, насыщающие клетку
Клетки живых систем содержат группы химических элементов. Они обогащены макро-, микро- и ультрамикроэлементами.
- Макроэлементы, прежде всего, представлены углеродом, водородом, кислородом и азотом. Эти неорганические вещества клетки образуют практически все ее органические соединения. А еще к ним причислены жизненно необходимые элементы. Клетка не способна жить и развиваться без кальция, фосфора, серы, калия, хлора, натрия, магния и железа.
- Группа микроэлементов образована цинком, хромом, кобальтом и медью.
- Ультрамикроэлементы - еще одна группа, представляющая важнейшие неорганические вещества клетки. Группа сформирована золотом и серебром, оказывающим бактерицидное действие, ртутью, препятствующей обратному всасыванию воды, заполняющей почечные канальцы, оказывающей влияние на ферменты. В нее же включена платина и цезий. Определенную роль в ней отводят селену, дефицит которого ведет к различным видам рака.
Вода в составе клетки
Важность воды, распространенного на земле вещества для жизни клетки, неоспорима. В ней растворяются многие органические и неорганические вещества. Вода - та благодатная среда, где протекает невероятное количество химических реакций. Она способна растворять продукты распада и обмена. Благодаря ей клетку покидают шлаки и токсины.
Эта жидкость наделена высокой теплопроводностью. Это позволяет теплу равномерно распространяться по тканям тела. У нее существенная теплоемкость (способность поглощать теплоту, когда собственная температура изменяется минимально). Такая способность не позволяет возникать в клетке резким перепадам температур.
Вода обладает исключительно высоким поверхностным натяжением. Благодаря ему растворенные неорганические вещества, как и органические, без труда передвигаются по тканям. Множество небольших организмов, используя особенность поверхностного натяжения, держатся на водной поверхности и свободно по ней скользят.
Тургор растительных клеток зависит от воды. С опорной функцией у определенных видов животных справляется именно вода, а не какие-нибудь другие неорганические вещества. Биология выявила и изучила животных с гидростатическими скелетами. К ним относятся представители иглокожих, круглых и кольчатых червей, медуз и актиний.
Насыщенность клеток водой
Работающие клетки заполнены водой на 80 % от их общего объема. Жидкость пребывает в них в свободной и связанной форме. Белковые молекулы прочно соединяются со связанной водой. Они, окруженные водной оболочкой, изолируются друг от дружки.
Молекулы воды полярны. Они образуют водородные связи. Благодаря водородным мостикам вода обладает высокой теплопроводностью. Связанная вода позволяет клеткам выдерживать пониженные температуры. На долю свободной воды приходится 95 %. Она способствует растворению веществ, вовлекаемых в клеточный обмен.
Высокоактивные клетки в тканях мозга содержат до 85 % воды. Мышечные клетки насыщены водой на 70 %. Менее активным клеткам, образующим жировую ткань, достаточно 40 % воды. Она в живых клетках не только растворяет неорганические химические вещества, она ключевой участник гидролиза органических соединений. Под ее воздействием органические вещества, расщепляясь, превращаются в промежуточные и конечные вещества.
Важность минеральных солей для клетки
Минеральные соли представлены в клетках катионами калия, натрия, кальция, магния и анионами HPO 4 2- , H 2 PO 4 - , Cl - , HCO 3 - . Правильные пропорции анионов и катионов создают необходимую для жизни клетки кислотность. Во многих клетках поддерживается слабощелочная среда, которая практически не меняется и обеспечивает их стабильное функционирование.
Концентрация катионов и анионов в клетках отлична от их соотношения в межклеточном пространстве. Причина тому - активная регуляция, направленная на транспортировку химических соединений. Такое течение процессов обуславливает постоянство химических составов в живых клетках. После гибели клеток концентрация химических соединений в межклеточном пространстве и цитоплазме обретает равновесие.
Неорганические вещества в химической организации клетки
В химическом составе живых клеток нет каких-либо особых элементов, характерных только для них. Это определяет единство химических составов живых и неживых объектов. Неорганические вещества в составе клетки играют огромную роль.
Сера и азот помогают формироваться белкам. Фосфор участвует в синтезе ДНК и РНК. Магний - важная составляющая ферментов и молекул хлорофилла. Медь необходима окислительным ферментам. Железо - центр молекулы гемоглобина, цинк входит в состав гормонов, вырабатываемых поджелудочной железой.
Важность неорганических соединений для клеток
Соединения азота преобразуют белки, аминокислоты, ДНК, РНК и АТФ. В растительных клетках ионы аммония и нитраты в процессе окислительно-восстановительных реакций превращаются в NH 2 , становятся участниками синтеза аминокислот. Живые организмы используют аминокислоты для формирования собственных белков, необходимых для строительства тел. После гибели организмов белки вливаются в круговорот веществ, при их распаде азот выделяется в свободной форме.
Неорганические вещества, в составе которых есть калий, играют роль «насоса». Благодаря «калиевому насосу» в клетки сквозь мембрану проникают вещества, в которых они остро нуждаются. Калиевые соединения приводят к активизации жизнедеятельности клеток, благодаря им проводятся возбуждения и импульсы. Концентрация ионов калия в клетках весьма высока в отличие от окружающей среды. Ионы калия после гибели живых организмов легко переходят в природное окружение.
Вещества, содержащие фосфор, способствуют формированию мембранных структур и тканей. В их присутствии образуются ферменты и нуклеиновые кислоты. Солями фосфора в той или иной степени насыщены различные слои почвы. Корневые выделения растений, растворяя фосфаты, усваивают их. Вслед за отмиранием организмов остатки фосфатов, подвергаются минерализации, превращаясь в соли.
Неорганические вещества, содержащие кальций, способствуют формированию межклеточного вещества и кристаллов в растительных клетках. Кальций из них проникает в кровь, регулируя процесс ее свертывания. Благодаря ему формируются кости, раковины, известковые скелеты, коралловые полипы у живых организмов. Клетки содержат ионы кальция и кристаллы его солей.
К ним относятся вода и минеральные соли.
Вода необходима для осуществления жизненных процессов в клетке. Ее содержание составляет 70-80% от массы клетки. Основные функции воды:
представляет собой универсальный растворитель;
является средой, в которой протекают биохимические реакции;
определяет физиологические свойства клетки (упругость, объем);
участвует в химических реакциях;
поддерживает тепловое равновесие организма благодаря высокой теплоемкости и теплопроводности;
является основным средством для транспорта веществ.
Минеральные соли присутствуют в клетке в виде ионов: катионы К + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+ ; анионы – Cl - , HCO 3 - , H 2 РО 4 - .
3. Органические вещества клетки.
Органические соединения клетки состоят из многих повторяющихся элементов (мономеров) и представляют собой крупные молекулы - полимеры. К ним относят белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. Их содержание в клетке: белки -10-20%; жиры - 1-5%; углеводы - 0,2-2,0%; нуклеиновые кислоты - 1-2%; низкомолекулярные органические вещества – 0,1-0,5%.
Белки – высокомолекулярные (с большой молекулярной массой) органические вещества. Структурной единицей их молекулы является аминокислота. В образовании белков принимают участие 20 аминокислот. В состав молекулы каждого белка входят только определенные аминокислоты в свойственном этому белку порядке расположения. Аминокислота имеет следующую формулу:
H 2 N – CH – COOH
В состав аминокислот входят NH 2 – аминогруппа, обладающая основными свойствами; СООН – карбоксильная группа с кислотными свойствами; радикалы, отличающие аминокислоты друг от друга.
Существуют первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белка. Аминокислоты, соединенные между собой пептидными связями, определяют его первичную структуру. Белки первичной структуры с помощью водородных связей соединяются в спираль и образуют вторичную структуру. Полипептидные цепи, скручиваясь определенным образом в компактную структуру, образуют глобулу (шар) - третичная структура белка. Большинство белков имеет третичную структуру. Следует отметить, что аминокислоты активны только на поверхности глобулы. Белки с глобулярной структурой объединяются и формируют четвертичную структуру (например, гемоглобин). При воздействии высокой температуры, кислот и других факторов сложные белковые молекулы разрушаются – денатурация белка . При улучшении условий денатурированный белок способен восстанавливать свою структуру, если не разрушается его первичная структура. Этот процесс называется ренатурацией.
Белки отличаются видовой специфичностью: для каждого вида животных характерен набор определенных белков.
Различают белки простые и сложные. Простые состоят только из аминокислот (например, альбумины, глобулины, фибриноген, миозин и др.). В состав сложных белков, кроме аминокислот, входят и другие органические соединения, например, жиры и углеводы (липопротеиды, гликопротеиды и др.).
Белки выполняют следующие функции:
ферментативную (например, фермент амилаза расщепляет углеводы);
структурную (например, входят в состав мембран и др. органоидов клетки);
рецепторную (например, белок родопсин способствует лучшему зрению);
транспортную (например, гемоглобин переносит кислород или углекислый газ);
защитную (например, белки иммуноглобулины участвуют в формировании иммунитета);
двигательную (например, актин и миозин участвуют в сокращении мышечных волокон);
гормональную (например, инсулин превращает глюкозу в гликоген);
энергетическую (при расщеплении 1 г белка выделяется 4,2 ккал энергии).
Жиры (липиды) - соединения трёхатомного спирта глицерина и высокомолекулярных жирных кислот. Химическая формула жиров:
CH 2 -O-C(O)-R¹
CH 2 -O-C(O)-R³, где радикалы могут быть разными.
Функции липидов в клетке:
структурная (принимают участие в построении клеточной мембраны);
энергетическая (при распаде в организме 1 г жира выделяется 9,2 ккал энергии);
защитная (сохраняют от потери тепла, механических повреждений);
жир – источник эндогенной воды (при окислении 10 г жира выделяется 11 г воды);
регуляция обмена веществ.
Углеводы – их молекулу можно представить общей формулой С n (Н 2 О) n – углерод и вода.
Углеводы делят на три группы: моносахариды (включают одну молекулу сахара - глюкоза, фруктоза и др.), олигосахариды (включают от 2 до 10 остатков моносахаридов: сахароза, лактоза) и полисахариды (высокомолекулярные соединения – гликоген, крахмал и др.).
Функции углеводов:
служат исходными элементами для построения разнообразных органических веществ, например, при фотосинтезе - глюкоза;
основной источник энергии для организма, при их разложении с использованием кислорода выделяется больше энергии, чем при окислении жира;
защитная (например, слизь, выделяемая различными железами, содержит много углеводов; она предохраняет стенки полых органов (бронхи, желудок, кишечник) от механических повреждений; обладая антисептическими свойствами);
структурная и опорная функции: входят в состав плазматической мембраны.
Нуклеиновые кислоты – это фосфорсодержащие биополимеры. К ним относятся дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК) кислоты .
ДНК - самые крупные биополимеры, их мономером является нуклеотид . Он состоит из остатков трех веществ: азотистого основания, углевода дезоксирибозы и фосфорной кислоты. Известны 4 нуклеотида, участвующие в образовании молекулы ДНК. Два азотистых основания являются производными пиримидина – тимин и цитозин. Аденин и гуанин относят к производным пурина.
Согласно модели ДНК, предложенной Дж. Уотсоном и Ф. Криком (1953), молекула ДНК представляет собой две спирально обвивающие друг друга нити.
Две нити молекулы удерживаются вместе водородными связями, которые возникают между их комплементарными азотистыми основаниями. Аденин комплементарен тимину, а гуанин – цитозину. ДНК в клетках находится в ядре, где она вместе с белками образует хромосомы . ДНК имеется также в митохондриях и пластидах, где их молекулы располагаются в виде кольца. Основная функция ДНК – хранение наследственной информации, заключенной в последовательности нуклеотидов, образующих ее молекулу, и передача этой информации дочерним клеткам.
Рибонуклеиновая кислота одноцепочечная. Нуклеотид РНК состоит из одного из азотистых оснований (аденина, гуанина, цитозина или урацила), углевода рибозы и остатка фосфорной кислоты.
Различают несколько видов РНК.
Рибосомальная РНК (р-РНК) в соединении с белком входит в состав рибосом. На рибосомах осуществляется синтез белка. Информационная РНК (и-РНК) переносит информацию о синтезе белка из ядра в цитоплазму. Транспортная РНК (т-РНК) находится в цитоплазме; присоединяет к себе определенные аминокислоты и доставляет их к рибосомам – месту синтеза белка.
РНК находится в ядрышке, цитоплазме, рибосомах, митохондриях и пластидах. В природе есть еще один вид РНК – вирусная. У одних вирусов она выполняет функцию хранения и передачи наследственной информации. У других вирусов данную функцию выполняет вирусная ДНК.
Аденозинтрифосфорная
кислота
(АТФ)
- является особым нуклеотидом, образованным
азотистым основанием аденином, углеводом
рибозой и тремя остатками фосфорной
кислоты. 
АТФ – универсальный источник энергии, необходимой для биологических процессов, протекающих в клетке. Молекула АТФ очень неустойчива и способна отщеплять одну или две молекулы фосфата с выделением большого количества энергии. Эта энергия расходуется на обеспечение всех жизненных функций клетки – биосинтеза, движения, генерации электрического импульса и др. Связи в молекуле АТФ называются макроэргическими. Отщепление фосфата от молекулы АТФ сопровождается выделением 40 кДж энергии. Синтез АТФ происходит в митохондриях.
Биология [Полный справочник для подготовки к ЕГЭ] Лернер Георгий Исаакович
2.3.1. Неорганические вещества клетки
В состав клетки входит около 70 элементов периодической системы элементов Менделеева, а 24 из них присутствуют во всех типах клеток. Все присутствующие в клетке элементы делятся, в зависимости от их содержания в клетке, на группы:
макроэлементы – H, O, N, C,. Mg, Na, Ca, Fe, K, P, Cl, S;
микроэлементы – В, Ni, Cu, Co, Zn, Mb и др.;
ультрамикроэлементы – U, Ra, Au, Pb, Hg, Se и др.
В состав клетки входят молекулы неорганических и органических соединений.
Неорганические соединения клетки – вода и неорганические ионы.
Вода – важнейшее неорганическое вещество клетки. Все биохимические реакции происходят в водных растворах. Молекула воды имеет нелинейную пространственную структуру и обладает полярностью. Между отдельными молекулами воды образуются водородные связи, определяющие физические и химические свойства воды.
Физические свойства воды : так как молекулы воды полярны, то вода обладает свойством растворять полярные молекулы других веществ. Вещества, растворимые в воде, называются гидрофильными . Вещества, нерастворимые в воде называются гидрофобными .
Вода обладает высокой удельной теплоемкостью. Чтобы разорвать многочисленные водородные связи, имеющиеся между молекулами воды, требуется поглотить большое количество энергии. Вспомните, как долго нагревается до кипения чайник. Это свойство воды обеспечивает поддержание теплового баланса в организме.
Для испарения воды необходима достаточно большая энергия. Температура кипения воды выше, чем у многих других веществ. Это свойство воды предохраняет организм от перегрева.
Вода может находиться в трех агрегатных состояниях – жидком, твердом и газообразном.
Водородные связи обуславливают вязкость воды и сцепление ее молекул с молекулами других веществ. Благодаря силам сцепления молекул на поверхности воды создается пленка, обладающая такой характеристикой, как поверхностное натяжение .
При охлаждении движение молекул воды замедляется. Количество водородных связей между молекулами становится максимальным. Наибольшей плотности вода достигает при 4 С?. При замерзании вода расширяется (необходимо место для образования водородных связей) и ее плотность уменьшается. Поэтому лед плавает.
Биологические функции воды . Вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма. В природе вода переносит продукты жизнедеятельности в почвы и к водоемам.
Вода – активный участник реакций обмена веществ.
Вода участвует в образовании смазывающих жидкостей и слизей, секретов и соков в организме. Эти жидкости находятся в суставах позвоночных животных, в плевральной полости, в околосердечной сумке.
Вода входит в состав слизей, которые облегчают передвижение веществ по кишечнику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей. Водную основу имеют и секреты, выделяемые некоторыми железами и органами: слюна, слезы, желчь, сперма и т.д.
Неорганические ионы . К неорганическим ионам клетки относятся: катионы K + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+ , NH 3 + и анионы Cl – , NO 3 - , Н 2 PO 4 - , NCO 3 - , НPO 4 2- .
Разность между количеством катионов и анионов (Nа + , Ка + , Сl -) на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникновение потенциала действия, что лежит в основе нервного и мышечного возбуждения.
Анионы фосфорной кислоты создают фосфатную буферную систему , поддерживающую рН внутриклеточной среды организма на уровне 6-9.
Угольная кислота и ее анионы создают бикарбонатную буферную систему и поддерживают рН внеклеточной среды (плазмы крови) на уровне 7-4.
Соединения азота служат источником минерального питания, синтеза белков, нуклеиновых кислот. Атомы фосфора входят в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов, а также костей позвоночных, хитинового покрова членистоногих. Ионы кальция входят в состав вещества костей; они также необходимы для осуществления мышечного сокращения, свертывания крови.
ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ
А1. Полярностью воды обусловлена ее способность
1) проводить тепло 3) растворять хлорид натрия
2) поглощать тепло 4) растворять глицерин
А2. Больным рахитом детям необходимо давать препараты, содержащие
1) железо 2) калий 3) кальций 4) цинк
А3. Проведение нервного импульса обеспечивается ионами:
1) калия и натрия 3) железа и меди
2) фосфора и азота 4) кислорода и хлора
А4. Слабые связи между молекулами воды в ее жидкой фазе называются:
1) ковалентными 3) водородными
2) гидрофобными 4) гидрофильными
А5. В состав гемоглобина входит
1) фосфор 2) железо 3) сера 4) магний
А6. Выберите группу химических элементов, обязательно входящую в состав белков
А7. Пациентам с гипофункцией щитовидной железы дают препараты, содержащие
Часть В
В1. Выберите функции воды в клетке
1) энергетическая 4) строительная
2) ферментативная 5) смазывающая
3) транспортная 6) терморегуляционная
В2. Выберите только физические свойства воды
1) способность к диссоциации
2) гидролиз солей
3) плотность
4) теплопроводность
5) электропроводность
6) донорство электронов
Часть С
С1. Какие физические свойства воды определяют ее биологическое значение?
Из книги Большая Советская Энциклопедия (ВК) автора БСЭ Из книги Большая Советская Энциклопедия (ИН) автора БСЭ Из книги Большая Советская Энциклопедия (КА) автора БСЭ Из книги Большая Советская Энциклопедия (НЕ) автора БСЭ Из книги Большая Советская Энциклопедия (ПЛ) автора БСЭ Из книги Большая Советская Энциклопедия (ПО) автора БСЭ Из книги Большая Советская Энциклопедия (СТ) автора БСЭ Из книги Краткая история почти всего на свете автора Брайсон Билл Из книги Биология [Полный справочник для подготовки к ЕГЭ] автора Лернер Георгий Исаакович Из книги Карманный справочник медицинских анализов автора Рудницкий Леонид Витальевич24 КЛЕТКИ Это начинается с одной клетки. Первая клетка делится, чтобы стать двумя, а две становятся четырьмя и так далее. После всего 47 удвоений у вас будет около 10 тысяч триллионов (10 000 000 000 000 000) клеток, готовых ожить в виде человека*.322 И каждая из этих клеток точно знает, что
Из книги Полный справочник анализов и исследований в медицине автора Ингерлейб Михаил Борисович2.3. Химическая организация клетки. Взаимосвязь строения и функций неорганических и органических веществ (белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, АТФ), входящих в состав клетки. Обоснование родства организмов на основе анализа химического состава их
Из книги Как заботиться о себе, если тебе за 40. Здоровье, красота, стройность, энергичность автора Карпухина Виктория Владимировна2.3.2. Органические вещества клетки. Углеводы, липиды Углеводы. Общая формула Сn (H2O)n. Следовательно, углеводы содержат в своем составе только три химических элемента.Растворимые в воде углеводы.Функции растворимых углеводов: транспортная, защитная, сигнальная,
Из книги Энциклопедия доктора Мясникова о самом главном автора Мясников Александр Леонидович4.6. Неорганические вещества Неорганические вещества в плазме и сыворотке крови (калий, натрий, кальций, фосфор, магний, железо, хлор и др.), определяют физикохимические свойства крови.Количество неорганических веществ в плазме – около 1 %. В тканях организма они находятся в
Из книги автора Из книги автора Из книги автора6.9. Стволовые клетки Сейчас модно рассуждать на тему стволовых клеток. Когда меня спрашивают, что я об этом думаю, то я отвечаю вопросом на вопрос: «Где? В России или в мире?».В России и в мире ситуации в этой области совершенно разные. В мире идут интенсивные исследования и
Организмы состоят из клеток. Клетки разных организмов обладают сходным химическим составом. В таблице 1 представлены основные химические элементы, обнаруженные в клетках живых организмов.
Таблица 1. Содержание химических элементов в клетке
По содержанию в клетке можно выделить три группы элементов. В первую группу входят кислород, углерод, водород и азот. На их долю приходится почти 98% всего состава клетки. Во вторую группу входят калий, натрий, кальций, сера, фосфор, магний, железо, хлор. Их содержание в клетке составляет десятые и сотые доли процента. Элементы этих двух групп относят к макроэлементам (от греч. макрос - большой).
Остальные элементы, представ ленные в клетке сотыми и тысячными долями процента, входят в третью группу. Это микроэлементы (от греч. микро - малый).
Каких-либо элементов, присущих только живой природе, в клетке не обнаружено. Все перечисленные химические элементы входят и в состав неживой природы. Это указывает на единство живой и неживой природы.
Недостаток какого-либо элемента может привести к заболеванию, и даже гибели организма, так как каждый элемент играет определенную роль. Макроэлементы первой группы составляют основу биополимеров - белков, углеводов, нуклеиновых кислот, а также липидов, без которых жизнь невозможна. Сера входит в состав некоторых белков, фосфор - в состав нуклеиновых кислот, железо - в состав гемоглобина, а магний - в состав хлорофилла. Кальций играет важную роль в обмене веществ.
Часть химических элементов, содержащихся в клетке, входит в со став неорганических веществ - минеральных солей и воды.
Минеральные соли находятся в клетке, как правило, в виде катионов (К + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+) и анионов (HPO 2-/4 , H 2 PO -/4 , СI - , НСО 3), соотношение которых определяет важную для жизнедеятельности клеток кислотность среды.
(У многих клеток среда слабощелочная и ее рН почти не изменяется, так как в ней постоянно поддерживается определенное соотношение катионов и анионов.)
Из неорганических веществ в живой природе огромную роль играет вода .
Без воды жизнь невозможна. Она составляет значительную массу большинства клеток. Много воды содержится в клетках мозга и эмбрионов человека: воды более 80%; в клетках жировой ткани - всего 40.% К старости содержание воды в клетках снижается. Человек, потерявший 20% воды, погибает.
Уникальные свойства воды определяют ее роль в организме. Она участвует в теплорегуляции, которая обусловлена высокой теплоемкостью воды - потреблением большого количества энергии при нагревании. Чем же определяется высокая теплоемкость воды?
В молекуле воды атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода. Молекула воды полярна, так как атом кислорода имеет частично отрицательный заряд, а каждый из двух атомов водорода имеет
Частично положительный заряд. Между атомом кислорода одной молекулы воды и атомом водорода другой молекулы образуется водородная связь. Водородные связи обеспечивают соединение большого числа молекул воды. При нагревании воды значительная часть энергии расходуется на разрыв водородных связей, что и определяет ее высокую теплоемкость.
Вода - хороший растворитель . Благодаря полярности ее молекулы взаимодействуют с положительно и отрицательно заряженными ионами, способствуя тем самым растворению вещества. По отношению к воде все вещества клетки делятся на гидрофильные и гидрофобные.
Гидрофильными (от греч. гидро - вода и филео - люблю) называют вещества, которые растворяются в воде. К ним относят ионные соединения (например, соли) и некоторые неионные соединения (например, сахара).
Гидрофобными (от греч. гидро - вода и фобос - страх) называют вещества, нерастворимые в воде. К ним относят, например, липиды.
Вода играет большую роль в химических реакциях, протекающих в клетке в водных растворах. Она растворяет ненужные организму продукты обмена веществ и тем самым способствует выводу их из организма. Большое содержание воды в клетке придает ей упругость . Вода способствует перемещению различных веществ внутри клетки или из клетки в клетку.
Тела живой и неживой природы состоят из одинаковых химических элементов. В состав живых организмов входят неорганические вещества - вода и минеральные соли. Жизненно важные многочисленные функции воды в клетке обусловлены особенностями ее молекул: их полярностью, способностью образовывать водородные связи.
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ
В клетках живых организмов встречается около 90 элементов, причем примерно 25 из обнаружены практически во всех клетках. По содержанию в клетке химические элементы подразделяются на три большие группы: макроэлементы(99%), микроэлементы(1%), ультрамикроэлементы(менее 0,001%).
К макроэлементам относятся кислород, углерод, водород, фосфор, калий, сера, хлор, кальций, магний, натрий, железо.
К микроэлеметам относятся марганец, медь, цинк, йод, фтор.
К ультрамикроэлементам относятся серебро, золото, бром, селен.
| ЭЛЕМЕНТЫ | СОДЕРЖАНИЕ В ОРГАНИЗМЕ (%) | БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ |
| Макроэлементы: | ||
| O.C.H.N | 62-3 | Входят в состав всех органических веществ клетки, воды |
| Фосфор Р | 1,0 | Входят в состав нуклеиновых кислот, АТФ (образует макроэргические связи), ферментов, костной ткани и эмали зубов |
| Кальций Са +2 | 2,5 | У растений входит в состав оболочки клетки, у животных - в состав костей и зубов, активизирует свертываемость крови |
| Микроэлементы: | 1-0,01 | |
| Сера S | 0,25 | Входит в состав белков, витаминов и ферментов |
| Калий К + | 0,25 | Обуславливает проведение нервных импульсов; активатор ферментов белкового синтеза, процессов фотосинтеза, роста растений |
| Хлор CI - | 0,2 | Является компонентом желудочного сока в виде соляной кислоты, активизирует ферменты |
| Натрий Na + | 0,1 | Обеспечивает проведение нервных импульсов, поддерживает осмотическое давление в клетке, стимулирует синтез гормонов |
| Магний Мg +2 | 0,07 | Входит в состав молекулы хлорофилла, содержится в костях и зубах, активизирует синтез ДНК, энергетический обмен |
| Йод I - | 0,1 | Входит в состав гормона щитовидной железы - тироксина, влияет на обмен веществ |
| Железо Fе+3 | 0,01 | Входит в состав гемоглобина, миоглобина, хрусталика и роговицы глаза, активатор ферментов, участвует в синтезе хлорофилла. Обеспечивает транспорт кислорода к тканям и органам |
| Ультрамикроэлементы: | менее 0,01, следовые количества | |
| Медь Си +2 | Участвует в процессах кроветворения, фотосинтеза, катализирует внутриклеточные окислительные процессы | |
| Марганец Мn | Повышает урожайность растений, активизирует процесс фотосинтеза, влияет на процессы кроветворения | |
| Бор В | Влияет на ростовые процессы растений | |
| Фтор F | Входит в состав эмали зубов, при недостатке развивается кариес, при избытке - флюороз | |
| Вещества: | ||
| Н 2 0 | 60-98 | Составляет внутреннюю среду организма, участвует в процессах гидролиза, структурирует клетку. Универсальный растворитель, катализатор, участник химических реакций |
ОРГАНИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ
| ВЕЩЕСТВА | СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА | ФУНКЦИИ |
| Липиды | ||
| Сложные эфиры высших жирных кислот и глицерина. В состав фосфолипидов входит дополнительно остаток Н 3 РО4.Обладают гидрофобными или гидрофильно-гидрофобными свойствами, высокой энергоемкостью | Строительная
- образует билипидный слой всех мембранных. Энергетическая . Терморегуляторная . Защитная . Гормональная (кортикостероиды, половые гормоны). Компоненты витаминов D,E. Источник воды в организме.Запасное питательное вещество |
|
| Углеводы | ||
| Моносахариды: глюкоза, фруктоза, рибоза, дезоксирибоза |
Хорошо растворимы в воде | Энергетическая |
| Дисахариды: сахароза, мальтоза (солодовый сахар) |
Растворимы в воде | Компоненты ДНК, РНК, АТФ |
| Полисахариды: крахмал, гликоген, целлюлоза |
Плохо растворимы или нерастворимы в воде | Запасное питательное вещество. Строительная - оболочка растительной клетки |
| Белки | Полимеры. Мономеры - 20 аминокислот. | Ферменты - биокатализаторы. |
| I структура - последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Связь - пептидная - СО- NH- | Строительная - входят в состав мембранных структур, рибосом. | |
| II структура - a -спираль, связь - водородная | Двигательная (сократительные белки мышц). | |
| III структура - пространственная конфигурация a -спирали (глобула). Связи - ионные, ковалентные, гидрофобные, водородные | Транспортная (гемоглобин). Защитная (антитела).Регуляторная (гормоны, инсулин) | |
| IV структура характерна не для всех белков. Соединение нескольких полипептидных цепей в единую суперструктуруВ воде плохо растворимы. Действие высоких температур, концентрированных кислот и щелочей, солей тяжелых металлов вызывает денатурацию | ||
| Нуклеиновые кислоты: | Биополимеры. Состоят из нуклеотидов | |
| ДНК - дезокси-рибонуклеино-вая кислота. | Состав нуклеотида: дезоксирибоза, азотистые основания - аденин, гуанин, цитозин, тимин, остаток Н 3 РО 4 . Комплементарность азотистых оснований А = Т, Г = Ц. Двойная спираль. Способна к самоудвоению | Образуют хромосомы. Хранение и передача наследственной информации, генетического кода. Биосинтез РНК, белков. Кодирует первичную структуру белка. Содержится в ядре, митохондриях, пластидах |
| РНК - рибонуклеиновая кислота. | Состав нуклеотида: рибоза, азотистые основания - аденин, гуанин, цитозин, урацил, остаток Н 3 РО 4 Комплементарность азотистых оснований А = У, Г = Ц. Одна цепь | |
| Информационная РНК | Передача информации о первичной структуре белка, участвует в биосинтезе белка | |
| Рибосомальная РНК | Строит тело рибосомы | |
| Транспортная РНК | Кодирует и переносит аминокислоты к месту синтеза белка - рибосомам | |
| Вирусная РНК и ДНК | Генетический аппарат вирусов | |
Ферменты.
Важнейшая функция белков - каталитическая. Белковые молекулы, увеличивающие на несколько порядков скорость химических реакции в клетке, называют ферментами . Ни один биохимический процесс в организме не происходит без участия ферментов.
В настоящее время обнаружено свыше 2000 ферментов. Их эффективность во много раз выше, чем эффективность неорганических катализаторов, используемых в производстве. Так, 1 мг железа в составе фермента каталазы заменяет 10 т неорганического железа. Каталаза увеличивает скорость разложения пероксида водорода (Н 2 О 2) в 10 11 раз. Фермент, катализирующий реакцию образования угольной кислоты (СО 2 +Н 2 О = Н 2 СО 3), ускоряет реакцию в 10 7 раз.
Важным свойством ферментов является специфичность их действия, каждый фермент катализирует только одну или небольшую группу сходных реакций.
Вещество, на которое воздействует фермент, называют субстратом . Структуры молекулы фермента и субстрата должны точно соответствовать друг другу. Этим объясняется специфичность действия ферментов. При соединении субстрата с ферментом пространственная структура фермента изменяется.
Последовательность взаимодействия фермента и субстрата можно изобразить схематично:
Субстрат+Фермент - Фермент-субстратный комплекс - Фермент+Продукт.
Из схемы видно, что субстрат соединяется с ферментом с образованием фермент-субстратного комплекса. При этом субстрат превращается в новое вещество - продукт. На конечном этапе фермент освобождается от продукта и вновь вступает во взаимодействие с очередной молекулой субстрата.
Ферменты функционируют лишь при определенной температуре, концентрации веществ, кислотности среды. Изменение условий приводит к изменению третичной и четвертичной структуры белковой молекулы, а, следовательно, и к подавлению активности фермента. Как это происходит? Каталитической активностью обладает лишь определенный участок молекулы фермента, называемый активным центром . Активный центр содержит от 3 до 12 аминокислотных остатков и формируется в результате изгиба полипептидной цепи.
Под влиянием разных факторов изменяется структура молекулы фермента. При этом нарушается пространственная конфигурация активного центра, и фермент теряет свою активность.
Ферменты - это белки, играющие роль биологических катализаторов. Благодаря ферментам на несколько порядков возрастает скорость химических реакций в клетках. Важное свойство ферментов - специфичность действия в определенных условиях.
Нуклеиновые кислоты.
Нуклеиновые кислоты были от крыты во второй половине XIX в. швейцарским биохимиком Ф. Мишером, который выделил из ядер клеток вещество с высоким содержанием азота и фосфора и назвал его "нуклеином" (от лат. нуклеус - ядро).
В нуклеиновых кислотах хранится наследственная информация о строении и функционировании каждой клетки и всех живых существ на Земле. Существует два типа нуклеиновых кислот - ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Нуклеиновые кислоты, как и белки, обладают видовой специфичностью, то есть организмам каждого вида присущ свой тип ДНК. Чтобы выяснить причины видовой специфичности, рассмотрим строение нуклеиновых кислот.
Молекулы нуклеиновых кислот представляют собой очень длинные цепи, состоящие из многих сотен и даже миллионов нуклеотидов. Любая нуклеиновая кислота содержит всего четыре типа нуклеотидов. Функции молекул нуклеиновых кислот зависят от их строения, входящих в их состав нуклеотидов, их числа в цепи и последовательности соединения в молекуле.
Каждый нуклеотид состоит из трех компонентов: азотистого основания, углевода и фосфорной кислоты. В состав каждого нуклеотида ДНК входит один из четырех типов азотистых оснований (аденин - А, тимин - Т, гуанин - Г или цитозин - Ц), а также угле вод дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты.
Таким образом, нуклеотиды ДНК различаются лишь типом азотистого основания.
Молекула ДНК состоит из огромного множества нуклеотидов, соединенных в цепочку в определенной последовательности. Каждый вид молекулы ДНК имеет свойственное ей число и последовательность нуклеотидов.
Молекулы ДНК очень длинные. Например, для буквенной записи последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК из одной клетки человека (46 хромосом) потребовалась бы книга объемом около 820000 страниц. Чередование четырех типов нуклеотидов может образовать бесконечное множество вариантов молекул ДНК. Указанные особенности строения молекул ДНК позволяют им хранить огромный объем информации обо всех признаках организмов.
В 1953 г. американским биологом Дж. Уотсоном и английским физиком Ф. Криком была создана модель строения молекулы ДНК. Ученые установили, что каждая молекула ДНК состоит из двух цепей, связанных между собой и спирально закрученных. Она имеет вид двойной спирали. В каждой цепи четыре типа нуклеотидов чередуются в определенной последовательности.
Нуклеотидный состав ДНК различается у разных видов бактерий, грибов, растений, животных. Но он не меняется с возрастом, мало зависит от изменений окружающей среды. Нуклеотиды парные, то есть число адениновых нуклеотидов в любой молекуле ДНК равно числу тимидиновых нуклеотидов (А-Т), а число цитозиновых нуклеотидов равно числу гуаниновых нуклеотидов (Ц-Г). Это связано с тем, что соединение двух цепей между собой в молекуле ДНК подчиняется определенному правилу, а именно: аденин одной цепи всегда связан двумя водородными связями только с Тимином другой цепи, а гуанин - тремя водородными связями с цитозином, то есть нуклеотидные цепи одной молекулы ДНК комплементарны, дополняют друг друга.
Молекулы нуклеиновых кислот - ДНК и РНК состоят из нуклеотидов. В состав нуклеотидов ДНК входит азотистое основание (А, Т, Г, Ц), углевод дезоксирибоза и остаток молекулы фосфорной кислоты. Молекула ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух цепей, соединенных водородными связями по принципу комплементарности. Функция ДНК - хранение наследственной информации.
В клетках всех организмов имеются молекулы АТФ - аденозинтрифосфорной кислоты. АТФ - универсальное вещество клетки, молекула которого имеет богатые энергией связи. Молекула АТФ - это один своеобразный нуклеотид, который, как и другие нуклеотиды, состоит из трех компонентов: азотистого основания - аденина, углевода - рибозы, но вместо одного содержит три остатка молекул фосфорной кислоты (рис. 12). Связи, обозначенные на рисунке значком, - богаты энергией и называются макроэргическими . Каждая молекула АТФ содержит две макроэргические связи.
При разрыве макроэргической связи и отщеплении с помощью ферментов одной молекулы фосфорной кислоты освобождается 40 кДж/моль энергии, а АТФ при этом превращается в АДФ - аденозиндифосфорную кислоту. При отщеплении еще одной молекулы фосфорной кислоты освобождается еще 40 кДж/моль; образуется АМФ - аденозинмонофосфорная кислота. Эти реакции обратимы, то есть АМФ может пре вращаться в АДФ, АДФ - в АТФ.
Молекулы АТФ не только расщепляются, но и синтезируются, по этому их содержание в клетке относительно постоянно. Значение АТФ в жизни клетки огромно. Эти молекулы играют ведущую роль в энергетическом обмене, необходимом для обеспечения жизнедеятельности клетки и организма в целом.
Рис. 12. Схема строения АТФ.| аденин - |
Молекула РНК, как правило, одиночная цепь, состоящая из четырех типов нуклеотидов - А, У, Г, Ц. Известны три основных вида РНК: иРНК, рРНК, тРНК. Содержание молекул РНК в клетке непостоянно, они участвуют в биосинтезе белка. АТФ - универсальное энергетическое вещество клетки, в котором имеются богатые энергией связи. АТФ играет центральную роль в обмене энергии в клетке. РНК и АТФ содержатся как в ядре, так и в цитоплазме клетки.
Задачи и тесты по теме "Тема 4. "Химический состав клетки"."
- полимер, мономер;
- углевод, моносахарид, дисахарид, полисахарид;
- липид, жирная кислота, глицерин;
- аминокислота, пептидная связь, белок;
- катализатор, фермент, активный центр;
- нуклеиновая кислота, нуклеотид.
Алгоритм решения задач.
Тип 1. Самокопирование ДНК.
Одна из цепочек ДНК имеет такую последовательность нуклеотидов:
АГТАЦЦГАТАЦТЦГАТТТАЦГ...
Какую последовательность нуклеотидов имеет вторая цепочка той же молекулы?
Чтобы написать последовательность нуклеотидов второй цепочки молекулы ДНК, когда известна последовательность первой цепочки, достаточно заменить тимин на аденин, аденин на тимин, гуанин- на цитозин и цитозин на гуанин. Произведя такую замену, получаем последовательность:
ТАЦТГГЦТАТГАГЦТАААТГ...
Тип 2. Кодирование белков.
Цепочка аминокислот белка рибонуклеазы имеет следующее начало: лизин-глутамин-треонин-аланин-аланин-аланин-лизин...
С какой последовательности нуклеотидов начинается ген, соответствующий этому белку?
Для этого следует воспользоваться таблицей генетического кода. Для каждой аминокислоты находим ее кодовое обозначение в виде соответствующей тройки нуклеотидов и выписываем его. Располагая эти тройки друг за другом в таком же порядке, в каком идут соответствующие им аминокислоты, получаем формулу строения участка информационной РНК. Как правило таких троек несколько, выбор делается по Вашему решению (но, берется только одна из троек). Решений соответственно может быть несколько.
АААЦАААЦУГЦГГЦУГЦГААГ
С какой последовательности аминокислот начинается белок, если он закодирован такой последовательностью нуклеотидов:
АЦГЦЦЦАТГГЦЦГГТ...
По принципу комплементарности находим строение участка информационной РНК, образующейся на данном отрезке молекулы ДНК:
УГЦГГГУАЦЦГГЦЦА...
Затем обращаемся к таблице генетического кода и для каждой тройки нуклеотидов, начиная с первой, находим и выписываем соответствующую ей аминокислоту:
Цистеин-глицин-тирозин-аргинин-пролин-...
Иванова Т.В., Калинова Г.С., Мягкова А.Н. "Общая биология". Москва, "Просвещение", 2000
- Тема 4. "Химический состав клетки." §2-§7 стр. 7-21
- Тема 5. "Фотосинтез." §16-17 стр. 44-48
- Тема 6. "Клеточное дыхание." §12-13 стр. 34-38
- Тема 7. "Генетическая информация." §14-15 стр. 39-44
