В клетках разных организмов обнаружено около 70 элементов периодической системы элементов Д. И. Менделеева, но лишь 24 из них имеют вполне установленное значение и встречаются постоянно во всех типах клеток.
Наибольший удельный вес в элементном составе клетки приходится на кислород, углерод, водород и азот. Это так называемые основные или биогенные элементы . На долю этих элементов приходится более 95 % массы клеток, причем их относительное содержание в живом веществе гораздо выше, чем в земной коре. Жизненно важными являются также кальций, фосфор, сера, калий, хлор, натрий, магний, йод и железо. Их содержание в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента. Перечисленные элементы составляют группу макроэлементов .
Другие химические элементы: медь, марганец, молибден, кобальт, цинк, бор, фтор, хром, селен, алюминий, йод, железо, кремний - содержатся в исключительно малых количествах (менее 0,01 % массы клеток). Они относятся к группе микроэлементов .
Процентное содержание в организме того или иного элемента никоим образом не характеризует степень его важности и необходимости в организме. Так, например, многие микроэлементы входят в состав различных биологически активных веществ - ферментов, витаминов (кобальт входит в состав витамина B 12), гормонов (йод входит в состав тироксина);оказывают влияние на рост и развитие организмов (цинк, марганец, медь), кроветворение (железо, медь), процессы клеточного дыхания (медь, цинк) и т. д. Содержание и значение для жизнедеятельности клеток и организма в целом различных химических элементов приведено в таблице:
| Элемент | Символ | Примерное содержание, % | Значение для клетки и организма |
|---|---|---|---|
| Кислород | O | 62 | Входит в состав воды и органических веществ; участвует в клеточном дыхании |
| Углерод | C | 20 | Входит в состав всех органических веществ |
| Водород | H | 10 | Входит в состав воды и органических веществ; участвует в процессах преобразования энергии |
| Азот | N | 3 | Входит в состав аминокислот, белков, нуклеиновых кислот, АТФ, хлорофилла, витаминов |
| Кальций | Ca | 2,5 | Входит в состав клеточной стенки у растений, костей и зубов, повышает свертывание крови и сократимость мышечных волокон |
| Фосфор | P | 1,0 | Входит в состав костной ткани и зубной эмали, нуклеиновых кислот, АТФ, некоторых ферментов |
| Сера | S | 0,25 | Входит в состав аминокислот (цистеин, цистин и метионин), некоторых витаминов, участвует в образовании дисульфидных связей при образовании третичной структуры белков |
| Калий | K | 0,25 | Содержится в клетке только в виде ионов, активирует ферменты белкового синтеза, обуславливает нормальный ритм сердечной деятельности, участвует в процессах фотосинтеза, генерации биоэлектрических потенциалов |
| Хлор | Cl | 0,2 | Преобладает отрицательный ион в организме животных. Компонент соляной кислоты в желудочном соке |
| Натрий | Na | 0,10 | Содержится в клетке только в виде ионов, обуславливает нормальный рит сердечной деятельности, влияет на синтез гормонов |
| Магний | Mg | 0,07 | Входит в состав молекул хлорофилла, а также костей и зубов, активирует энергетический обмен и синтез ДНК |
| Йод | I | 0,01 | Входит в состав гормонов щитовидной железы |
| Железо | Fe | 0,01 | Входит в состав многих ферментов, гемоглобина и миоглобина, участвует в биосинтезе хлорофилла, в транспорте электронов, в процессах дыхания и фотосинтеза |
| Медь | Cu | Следы | Входит в состав гемоцианинов у беспозвоночных, в состав некоторых ферментов, участвует в процессах кроветворения, фотосинтеза, синтеза гемоглобина |
| Марганец | Mn | Следы | Входит в состав или повышает активность некоторых ферментов, участвует в развитии костей, ассимиляции азота и процессе фотосинтеза |
| Молибден | Mo | Следы | Входит в состав некоторых ферментов (нитратредуктаза), участвует в процессах связывания атмосферного азота клубеньковыми бактериями |
| Кобальт | Co | Следы | Входит в состав витамина B 12 , участвует в фиксации атмосферного азота клубеньковыми бактериями |
| Бор | B | Следы | Влияет на ростовые процессы растений, активирует восстановительные ферменты дыхания |
| Цинк | Zn | Следы | Входит в состав некоторых ферментов, расщепляющих полипептиды, участвует в синтезе растительных гормонов (ауксинов) и гликолизе |
| Фтор | F | Следы | Входит в состав эмали зубов и костей |
Клетка: химический состав, строение, функции органоидов.
Химический состав клетки. Макро- и микроэлементы. Взаимосвязь строения и функций неорганических и органических веществ (белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, АТФ), входящих в состав клетки. Роль химических веществ в клетке и организме человека.
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
| Элемент | Количество, % | Элемент | Количество, % |
| Кислород | 65-75 | Кальций | 0,04-2,00 |
| Углерод | 15-18 | Магний | 0,02-0,03 |
| Водород | 8-10 | Натрий | 0,02-0,03 |
| Азот | 1,5-3,0 | Железо | 0,01-0,015 |
| Фосфор | 0,2-1,0 | Цинк | 0,0003 |
| Калий | 0,15-0,4 | Медь | 0,0002 |
| Сера | 0,15-0,2 | Иод | 0,0001 |
| Хлор | 0,05-0,10 | Фтор | 0,0001 |
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 состав 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
Другой тип классификации элементов в клетке:
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 | O - 62%, C - 20%, H - 10%, N - 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 фосфорной кислоты - 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 | |
Структура белков
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 открыты 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 углевод 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 называютсямакроэргическими . 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. 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.
Основные свойства и уровни организации живой природы
Уровни организации живых систем отражают соподчиненность, иерархичность структурной организации жизни:
Молекулярно-генетический - отдельные биополимеры (ДНК, РНК, белки);
Клеточный - элементарная самовоспроизводящаяся единица жизни (прокариоты, одноклеточные эукариоты), ткани, органы;
Организменный - самостоятельное существование отдельной особи;
Популяционно-видовой - элементарная эволюционирующая единица - популяция;
Биогеоценотический - экосистемы, состоящие из разных популяций и среды их обитания;
Биосферный - все живое население Земли, обеспечивающее круговорот веществ в природе.
Природа - это весь существующий материальный мир во всем многообразии его форм. Единство природы проявляется в объективности ее существования, общности элементного состава, подчиненности одним и тем же физическим законам, в системности организации. Различные природные системы, как живые, так и неживые, взаимосвязаны и взаимодействуют между собой. Примером системного взаимодействия является биосфера.
Биология - это комплекс наук, изучающих закономерности развития и жизнедеятельности живых систем, причины их многообразия и приспособленности к окружающей среде, взаимосвязь с другими живыми системами и объектами неживой природы.
Объектом исследования биологии является живая природа.
Предметом исследования биологии являются:
Общие и частные закономерности организации, развития, обмена веществ, передачи наследственной информации;
Разнообразие форм жизни и самих организмов, а также их связи с окружающей средой.
Все многообразие жизни на Земле объясняется эволюционным процессом и действием окружающей среды на организмы.
Сущность жизни определяется М.В. Волькенштейном как существование на Земле «живых тел, представляющих собой открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров - белков и нуклеиновых кислот».
Основные свойства живых систем:
Обмен веществ;
Саморегуляция;
Раздражимость;
Изменчивость;
Наследственность;
Размножение;
Химический состав клетки. Неорганические вещества клетки
Цитология - наука, изучающая строение и функции клеток. Клетка является элементарной структурной и функциональной единицей живых организмов. Клеткам одноклеточных организмов присущи все свойства и функции живых систем. Клетки многоклеточных организмов дифференцированы по строению и функциям.
Атомный состав: в состав клетки входит около 70 элементов Периодической системы элементов Менделеева, причем 24 из них присутствуют во всех типах клеток.
Макроэлементы - Н, О, N, С, микроэлементы - Mg, Na, Са, Fe, К, Р, CI, S, ультрамикроэлементы - Zn, Сu, I, F, Мn, Со, Si и др.
Молекулярный состав: в состав клетки входят молекулы неорганических и органических соединений.
Неорганические вещества клетки
Вода. Молекула воды имеет нелинейную пространственную структуру и обладает полярностью. Между отдельными молекулами образуются водородные связи, определяющие физические и химические свойства воды.
Рис. 1. Молекула воды Рис. 2. Водородные связи между молекулами воды
Физические свойства воды:
Вода может находиться в трех состояниях - жидком, твердом и газообразном;
Вода - растворитель. Полярные молекулы воды растворяют полярные молекулы других веществ. Вещества, растворимые в воде, называют гидрофильными. Вещества, не растворимые в воде, - гидрофобными;
Высокая удельная теплоемкость. Для разрыва водородных связей, удерживающих молекулы воды, требуется поглотить большое количество энергии. Это свойство воды обеспечивает поддержание теплового баланса в организме;
Высокая теплота парообразования. Для испарения воды необходима достаточно большая энергия. Температура кипения воды выше, чем у многих других веществ. Это свойство воды предохраняет организм от перегрева;
Молекулы воды находятся в постоянном движении, они сталкиваются друг с другом в жидкой фазе, что немаловажно для процессов обмена веществ;
Сцепление и поверхностное натяжение. Водородные связи обусловливают вязкость воды и сцепление ее молекул с молекулами других веществ (когезия). Благодаря силам сцепления молекул на поверхности воды создается пленка, которую характеризует поверхностное натяжение;
Плотность. При охлаждении движение молекул воды замедляется. Количество водородных связей между молекулами становится максимальным. Наибольшую плотность вода имеет при 4°С. Замерзая, вода расширяется (необходимо место для образования водородных связей), и ее плотность уменьшается, поэтому лед плавает на поверхности воды, что защищает водоем от промерзания;
Способность к образованию коллоидных структур. Молекулы воды образуют вокруг нерастворимых молекул некоторых веществ оболочку, препятствующую образованию крупных частиц. Такое состояние этих молекул называется дисперсным (рассеянным). Мельчайшие частицы веществ, окруженные молекулами воды, образуют коллоидные растворы (цитоплазма, межклеточные жидкости).
Биологические функции воды:
Транспортная - 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;
Метаболическая - вода является средой для всех биохимических реакций и донором электронов при фотосинтезе, она необходима для гидролиза макромолекул до их мономеров;
Участвует в образовании:
1) смазывающих жидкостей, которые уменьшают трение (синовиальная - в суставах позвоночных животных, плевральная, в плевральной полости, перикардиальная - в околосердечной сумке);
2) слизей, которые облегчают передвижение веществ по кишечнику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей;
3) секретов (слюна, слезы, желчь, сперма и т.д.) и соков в организме.
Неорганические ионы. Неорганические ионы клетки представлены: катионами К+, Na+, Са2+, Mg2+, NH3 и анионами Сl-, NOi2-, H2PO4-, HCO3-, HPO42-.
Разность между количеством катионов и анионов 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 4-7.
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.
Основные термины и понятия, проверяемые в экзаменационной работе
:
азотистые основания, активный центр фермента, гидрофильность, гидрофобность, аминокислоты, АТФ, белки, биополимеры, денатурация, ДНК, дезоксирибоза, комплементарность, липиды, мономер, нуклеотид, пептидная связь, полимер, углеводы, рибоза, РНК, ферменты, фосфолипиды.
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 клетк и – вода и неорганические ионы .
Неорганические вещества клетки
Вода
составляет 70–80% массы клетки
- Придаёт клетке упругость и объём
- Универсальный растворитель
- Водные растворы образуют внутреннюю среду клетки
- Средство транспорта для растворённых веществ в клетку и из неё
- Служит средой, в которой протекают химические реакции
- Является ускорителем многих химических процессов
- Обеспечивает теплоёмкость
- Обладает высокой теплопроводностью
- Участвует в терморегуляции живых организмов
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 Сº. 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- .
Минеральные соли
составляют 1–1,5% общей массы клетки
Присутствуют в виде ионов или твёрдых нерастворимых солей
Создают кислую или щелочную реакцию среды
Ca 2+
входит в состав костей и зубов, участвует в свёртывании крови
K +
и
Na +
обеспечивают раздражимость клеток
Cl –
входит в состав желудочного сока
Mg 2+
содержится в хлорофилле
I –
компонент тироксина (гормона щитовидной железы)
Fe 2+
входит в состав гемоглобина
Cu
,
Mn
,
B
участвуют в кроветворении, фотосинтезе, влияют на рост растений
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
Часть А
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?
Ответы Неорганические вещества клетки . Часть А. А1 – 3. А2 – 3. А3 – 1. А4 – 3. А5 – 2. А6 – 4. А7 – 1.
Часть В. В1 – 3, 5, 6. В2 – 3, 4, 5.
Часть С. С1 Высокая температура кипения предохраняет организм от перегрева. Способность к образованию льда, плотность которого меньше плотности воды в жидком состоянии. Поэтому лед плавает. Слой льда в глубоких, не промерзающих до дна водоемах, предохраняет организмы от замерзания. Электропроводность воды обеспечивает передачу нервного импульса в организме. Переход воды в газообразное состояние позволяет организму испарять тепло. Если бы этого не было, температура футболиста или хоккеиста повысилась бы более чем на 11 Сº. (Элементы ответа можно расширить, приводя дополнительные примеры.)
Органические вещества клетки. Углеводы, липиды
Углеводы . Общая формула Сn (H 2 O)n. Следовательно, углеводы содержат в своем составе только три химических элемента.
Растворимые в воде углеводы.
Функции растворимых углеводов : транспортная, защитная, сигнальная, энергетическая.
Моносахариды : глюкоза – основной источник энергии для клеточного дыхания. Фруктоза – составная часть нектара цветов и фруктовых соков. Рибоза и дезоксирибоза – структурные элементы нуклеотидов, являющихся мономерами РНК и ДНК.
Дисахариды : сахароза (глюкоза + фруктоза) – основной продукт фотосинтеза, транспортируемый в растениях. Лактоза (глюкоза + галактоза) – входит в состав молока млекопитающих. Мальтоза (глюкоза + глюкоза) – источник энергии в прорастающих семенах.
Полимерные углеводы : крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин. Они не растворимы в воде.
Функции полимерных углеводов : структурная, запасающая, энергетическая, защитная.
Крахмал состоит из разветвленных спирализованных молекул, образующих запасные вещества в тканях растений.
Целлюлоза – полимер, образованный остатками глюкозы, состоящими из нескольких прямых параллельных цепей, соединенных водородными связями. Такая структура препятствует проникновению воды и обеспечивает устойчивость целлюлозных оболочек растительных клеток.
Хитин состоит из аминопроизводных глюкозы. Основной структурный элемент покровов членистоногих и клеточных стенок грибов.
Гликоген – запасное вещество животной клетки. Гликоген еще более ветвистый, чем крахмал и хорошо растворимы в воде.
Липиды – сложные эфиры жирных кислот и глицерина. Нерастворимы в воде, но растворимы в неполярных растворителях. Присутствуют во всех клетках. Липиды состоят из атомов водорода, кислорода и углерода. Виды липидов: жиры, воска, фосфолипиды. Функции липидов: запасающая – жиры, откладываются в запас в тканях позвоночных животных.Энергетическая – половина энергии, потребляемой клетками позвоночных животных в состоянии покоя, образуется в результате окисления жиров. Жиры используются и как источник воды. Энергетический эффект от расщепления 1 г жира – 39 кДж, что в два раза больше энергетического эффекта от расщепления 1 г глюкозы или белка. Защитная – подкожный жировой слой защищает организм от механических повреждений. Структурная – фосфолипиды входят в состав клеточных мембран. Теплоизоляционная – подкожный жир помогает сохранить тепло. Электроизоляционная – миелин, выделяемый клетками Шванна (образуют оболочки нервных волокон), изолирует некоторые нейроны, что во много раз ускоряет передачу нервных импульсов. Питательная – некоторые липидоподобные вещества способствуют наращиванию мышечной массы, поддержанию тонуса организма. Смазывающая – воски покрывают кожу, шерсть, перья и предохраняют их от воды. Восковым налетом покрыты листья многих растений, воск используется в строительстве пчелиных сот. Гормональная – гормон надпочечников – кортизон и половые гормоны имеют липидную природу.
ПРИМЕРЫ ЗАДАНИИ
Часть А
А1. Мономером полисахаридов может быть:
1) аминокислота 3) нуклеотид
2) глюкоза 4) целлюлоза
А2. В клетках животных запасным углеводом является:
1) целлюлоза 3) хитин
2) крахмал 4) гликоген
А3. Больше всего энергии выделится при расщеплении:
1) 10 г белка 3) 10 г жира
2) 10 г глюкозы 4) 10 г аминокислоты
А4. Какую из функций липиды не выполняют?
энергетическую 3) изоляционную
каталитическую 4) запасающую
А5. Липиды можно растворить в:
1) воде 3) соляной кислоте
2) растворе поваренной соли 4) ацетоне
Часть В
В1. Выберите особенности строения углеводов
1) состоят из остатков аминокислот
2) состоят из остатков глюкозы
3) состоят из атомов водорода, углерода и кислорода
4) некоторые молекулы имеют разветвленную структуру
5) состоят из остатков жирных кислот и глицерина
6) состоят из нуклеотидов
В2. Выберите функции, которые углеводы выполняют в организме
1) каталитическая 4)строительная
2) транспортная 5) защитная
3) сигнальная 6) энергетическая
ВЗ. Выберите функции, которые липиды выполняют в клетке
1) структурная 4) ферментативная
2) энергетическая 5) сигнальная
3) запасающая 6) транспортная
Часть С
С1. Почему в организме не накапливается глюкоза, а накапливается крахмал и гликоген?
С2. Почему именно мыло смывает жир с рук?
Ответы Органические вещества клетки. Углеводы, липиды. Часть А. А1 – 2. А2 – 4. А3 – 3. А4 – 2. А5 – 4.
Часть В. В1 – 2, 3, 4. В2 – 3, 4, 6. ВЗ – 1, 2, 3. В4 . А – 1; Б – 1; В – 2; Г – 2; Д – 2; Е – 1.
Часть С. С1 Молекулы глюкозы слишком малы и легко диффундируют через клеточные мембраны. Крупные же молекулы не проходят через мембраны и откладываются в запас.
С2 Мыло содержит жирные кислоты. Один конец у молекулы жира гидрофобный, а другой гидрофильный. Молекулы мыла растворяют капельки жира (гидрофобными концами), а вода удаляет эти растворы с кожи рук, соприкосаясь гидрофильными концами молекул жира.
Белки, их строение и функции
Белки – это биологические гетерополимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Белки синтезируются в живых организмах и выполняют в них определенные функции.
В состав белков входят атомы углерода, кислорода, водорода, азота и иногда серы. Мономерами белков являются аминокислоты – вещества, имеющие в своем составе неизменяемые части аминогруппу NH 2 и карбоксильную группу СООН и изменяемую часть – радикал. Именно радикалами аминокислоты отличаются друг от друга. Аминокислоты обладают свойствами кислоты и основания (они амфотерны), поэтому могут соединяться друг с другом. Их количество в одной молекуле может достигать нескольких сотен. Чередование разных аминокислот в разной последовательности позволяет получать огромное количество различных по структуре и функциям белков.
В белках встречается 20 видов различных аминокислот, некоторые из которых животные синтезировать не могут. Они получают их от растений, которые могут синтезировать все аминокислоты. Именно до аминокислот расщепляются белки в пищеварительных трактах животных. Из этих аминокислот, поступающих в клетки организма, строятся его новые белки.
Структура белковой молекулы . Под структурой белковой молекулы понимают ее аминокислотный состав, последовательность мономеров и степень скрученности молекулы, которая должна умещаться в различных отделах и органоидах клетки, причем не одна, а вместе с огромным количеством других молекул.
Последовательность аминокислот в молекуле белка образует его первичную структуру. Она зависит от последовательности нуклеотидов в участке молекулы ДНК (гене), кодирующем данный белок. Соседние аминокислоты связаны пептидными связями, возникающими между углеродом карбоксильной группы одной аминокислоты и азотом аминогруппы другой аминокислоты.
Длинная молекула белка сворачивается и приобретает сначала вид спирали. Так возникает вторичная структура белковой молекулы. Между СО и NH – группами аминокислотных остатков, соседних витков спирали, возникают водородные связи, удерживающие цепь.
Молекула белка сложной конфигурации в виде глобулы (шарика), приобретает третичную структуру. Прочность этой структуры обеспечивается гидрофобными, водородными, ионными и дисульфидными S-S связями.
Некоторые белки имеют четвертичную структуру, образованную несколькими полипептидными цепями (третичными структурами). Четвертичная структура так же удерживается слабыми нековалентными связями – ионными, водородными, гидрофобными. Однако прочность этих связей невелика и структура может быть легко нарушена. При нагревании или обработке некоторыми химическими веществами белок подвергается денатурации и теряет свою биологическую активность. Нарушение четвертичной, третичной и вторичной структур обратимо. Разрушение первичной структуры необратимо.
В любой клетке есть сотни белковых молекул, выполняющих различные функции. Кроме того, белки имеют видовую специфичность. Это означает, что каждый вид организмов обладает белками, не встречающимися у других видов. Это создает серьезные трудности при пересадке органов и тканей от одного человека к другому, при прививках одного вида растений на другой и т.д.
Функции белков . Каталитическая (ферментативная ) – белки ускоряют все биохимические процессы, идущие в клетке: расщепление питательных веществ в пищеварительном тракте, участвуют в реакциях матричного синтеза. Каждый фермент ускоряет одну и только одну реакцию (как в прямом, так и в обратном направлении). Скорость ферментативных реакций зависит от температуры среды, уровня ее рН, а также от концентраций реагирующих веществ и концентрации фермента.
Транспортная – белки обеспечивают активный транспорт ионов через клеточные мембраны, транспорт кислорода и углекислого газа, транспорт жирных кислот.
Защитная – антитела обеспечивают иммунную защиту организма; фибриноген и фибрин защищают организм от кровопотерь.
Структурная – одна из основных функций белков. Белки входят в состав клеточных мембран; белок кератин образует волосы и ногти; белки коллаген и эластин – хрящи и сухожилия.
Сократительная – обеспечивается сократительными белками – актином и миозином.
Сигнальная – белковые молекулы могут принимать сигналы и служить их переносчиками в организме (гормонами). Следует помнить, что не все гормоны являются белками.
Энергетическая – при длительном голодании белки могут использоваться в качестве дополнительного источника энергии после того, как израсходованы углеводы и жиры.
ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ
Часть А
А1. Последовательность аминокислот в молекуле белка зависит от:
1) структуры гена 3) их случайного сочетания
2) внешней среды 4) их строения
А2. Человек получает незаменимые аминокислоты путем
1) их синтеза в клетках 3) приема лекарств
2) поступления с пищей 4) приема витаминов
А3. При понижении температуры активность ферментов
1) заметно повышается
2) заметно понижается
3) остается стабильной
4) периодически изменяется
А4. В защите организма от кровопотерь участвует
1) гемоглобин 3) фибрин
2) коллаген 4) миозин
А5. В каком из указанных процессов белки не участвуют?
- обмен веществ
- кодирование наследственной информации
- ферментативный катализ
- транспорт веществ
Часть В
В1. Выберите функции, характерные для белков
1) каталитическая 4) транспортная
2) кроветворная 5) рефлекторная
3) защитная 6) фотосинтетическая
Часть С
С1. Почему продукты хранят в холодильнике?
С2. Почему продукты, подвергшиеся тепловой обработке, хранятся дольше?
СЗ. Объясните понятие «специфичность» белка, и какое биологическое значение имеет специфичность?
С4. Прочитайте текст, укажите номера предложений, в которых допущены ошибки и объясните их 1) Большая часть химических реакций в организме катализируется ферментами. 2) Каждый фермент может катализировать множество типов реакций. 3) У фермента есть активный центр, геометрическая форма которого изменяется в зависимости от вещества, с которым фермент взаимодействует. 4) Примером действия фермента может быть разложение мочевины уреазой. 5) Мочевина разлагается на двуокись углерода и аммиак, которым пахнет кошачий лоток с песком. 6) За одну секунду уреаза расщепляет до 30 ООО молекул мочевины, в обычных условиях на это потребовалось бы около 3 млн лет.
Ответы Белки, их строение и функции. Часть А. А1 – 1. А2 – 2. А3 – 2. А4 – 3. А5 – 2.
Часть В. В1 – 1, 3, 4. В2 . А – 2; Б – 1; В – 2; Г – 1; Д – 2; Е – 1.
Часть С. С1 В Элементы ответа : низкие температуры замедляют активность бактериальных ферментов, вызывающих порчу продуктов.
С2 При тепловой обработке белок денатурируется, и активность бактериальных ферментов подавляется.
СЗ Специфичность или индивидуальность означает, что белки одного организма отличаются от белков другого организма по последовательности аминокислот. Например, гемоглобин человека немного отличается от гемоглобина шимпанзе, но это не влияет на его функции.
С4 Ошибки допущены в предложениях 2, 3. 1) (2) Каждый фермент катализирует один тип реакций. 2) (3) Геометрическая форма активного центра постоянна, т.к. фермент взаимодействует с конкретным веществом (субстратом).
Нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые кислоты были открыты в 1868 г. швейцарским ученым Ф. Мишером . В организмах существует несколько видов нуклеиновых кислот, которые встречаются в различных органоидах клетки – ядре, митохондриях, пластидах. К нуклеиновым кислотам относятся ДНК, и-РНК, т-РНк, р-РНК.
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) – линейный полимер, имеющий вид двойной спирали, образованной парой антипараллельных комплементарных (соответствующих друг другу по конфигурации) цепей. Пространственная структура молекулы ДНК была смоделирована американскими учеными Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком в 1953 г.
Основные понятия и ключевые термины: ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КЛЕТКИ.
Вспомните! Что такое уровни организации жизни?
Подумайте!
«Птицы и звери, камни и звёзды - все мы одно... - шипел Змей, раскачиваясь между детьми. - Дети и змеи, звезды и камни - все мы одно...» - писала английская писательница Памела Линдон Трэверс (1899 - 1996) в своей детской книге «Мэри Поппинс» (Глава 10. Полнолуние), которая вышла ещё в 1934 г. Как вы думаете, о чём говорится в этом отрывке?
Каков химический состав клетки?
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КЛЕТКИ - совокупность химических элементов и химических веществ, содержащихся в клетке и обеспечивающих её жизнедеятельность или организма в целом. Условно химический состав клетки можно изучать на элементном и молекулярном уровнях. Наука, изучающая химический состав живого, значение и превращение его компонентов, называется биохимией.
Элементный состав определяется химическими элементами, участвующими в жизнедеятельности клетки. Их называют биоэлементами. Эти элементы есть и в неживой природе, но в клетках их соотношение весьма устойчиво. Биоэлементы в зависимости от количественного состава делят на органогены, макро- и микроэлементы.
Наибольшее содержание приходится на углерод, кислород, водород и азот, которые являются органогенами. Они отличаются от других малыми размерами и незначительной относительной атомной массой. Именно эти особенности и обусловливают их участие в образовании
многих соединений живого, то есть структурную функцию. Так, углерод входит в состав всех органических соединений, азот является частью аминокислот, белков, нуклеиновых кислот, витаминов. К макроэлементам относят калий, кальций, натрий, магний, железо, являющихся металлами, и фосфор, хлор, серу, являющихся неметаллами. Эти элементы кроме структурной функции осуществляют ещё и регуляторную. Например, кальций обеспечивает свёртываемость крови, а натрий и калий регулируют транспортирование веществ в клетку и из клетки. Микроэлементами являются цинк, йод, фтор, медь, марганец, кобальт и др. Эти элементы входят в состав биологически активных веществ (гормонов, ферментов) и выполняют регуляторную функцию. Так, йод входит в состав гормонов щитовидной железы, цинк - в состав инсулина.
Молекулярный состав живого зависит от наличия в клетках неорганических и органических соединений. Из неорганических веществ в клетке наибольшее содержание приходится на воду и минеральные соли. Органическими веществами клеток являются белки, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты. Подробнее о строении, свойствах и функциях веществ клетки мы узнаем позже.
Итак, основные компоненты химического состава клеток - это биоэлементы, неорганические и органические вещества, выполняющие определённые функции и обеспечивающие жизнедеятельность клеток.
Следствием каких процессов является изменение химического состава клетки?
Каждая клетка - это открытая биологическая система, способная к саморегуляции, самообновлению и самовосстановлению. И все эти её фундаментальные процессы осуществляются при помощи химических элементов и молекул, участвующих в превращениях веществ, энергии и информации.
Среди этих процессов значительное место занимают физические процессы (растворение, кристаллизация, диффузия, излучение и т. д.) и химические реакции (реакции соединения, разложения, обмена, замещения). Клеточные процессы происходят при участии энергии, поэтому выделяют экзотермические (энергия выделяется в ходе преобразований) и эндотермические (энергия поглощается в ходе преобразований) реакции. Подавляющее большинство реакций в клетках происходит при участии ферментов, являющихся биокатализаторами. Ферменты обеспечивают очень быстрый ход реакций, сами при этом не расходуются и, что очень важно для клетки, регулируют процессы в зависимости от потребностей клетки в веществах и энергии. Основными типами ферментативных реакций являются реакции синтеза и разложения, реакции окисления и восстановления. Большинство ферментативных реакций являются специфическими для живой природы и не могут происходить в неживой, что свидетельствует о единстве всего живого на Земле.
Итак, функциональными компонентами химического состава клетки являются физические и химические процессы, обеспечивающие преобразование веществ, энергии и информации.
Каково биологическое значение неорганических веществ?
Как вы знаете из курса химии, среди неорганических веществ есть простые (состоят из атомов одного элемента) и сложные (состоят из атомов различных элементов). Среди сложных соединений выделяют четыре класса - оксиды, кислоты, основания и соли.
Оксиды - это сложные соединения элементов с кислородом. Оксиды неметаллов и металлов выполняют в организме определённые жизненно важные функции. Например, оксид водорода Н 2 О является универсальным растворителем, оксид углерода(1У) СО 2 - регулятором дыхания, пероксид водорода Н 2 О 2 и угарный газ СО - токсичными веществами.
Кислотами называются соединения, содержащие в молекулах атомы водорода и кислотные остатки. Особенностями, определяющими биологическое значение кислот, является их способность образовывать при диссоциации анионы NOg", Cl - , SO4 - , COg - (участвуют в регуляции процессов) и катионы Н+, от концентрации которых зависит кислотность жидкостей организмов. Кислоты входят в состав желудочного сока (HCl), нуклеиновых кислот, фосфолипидов клеточных мембран (Н 3 РО 4), растворяют нерастворимые продукты выделения (H 2 SO 4) и др.
Основаниями называют соединения, в состав которых входят, как правило, атом металла и гидроксильные группы. Щёлочи обладают способностью связывать ионы Н+ и участвовать в регуляции кислотно-щелочного баланса жидкостей внутренней среды. Свойства оснований имеет и водный раствор аммиака, образующегося как конечный продукт обмена белков и оказывающего отравляющее действие на организм.
Соли являются продуктами замещения атомов водорода в кислотах на атомы металлов. Нерастворимые в воде соли участвуют в построении защитных и опорных образований (например, кальций карбонат и кальций фосфат образуют ракушки, скелеты кораллов, зубы позвоночных). Из растворимых солей для организмов наибольшее значение имеют соли, которые образуют катионы натрия, калия, кальция, магния, железа и остатки соляной, серной, азотной кислот. Эти ионы, обеспечивают транспортирование веществ через мембраны клеток, регуляцию работы сердца, проведение возбуждения, активацию ферментов и др.
Итак, в состав организмов входят простые и сложные соединения, выполняющие строительную, регуляторную и другие функции.
ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ
Задание на применение знаний
Для конкурса предлагаются задания, в которых фигурируют 12 химических элементов: N, Zn, Cu, Ca, F, Ra, Cl, Fe, Se, I, Mg, Si. Укажите название элемента как ответ на задание, выберите из этого названия указанную букву и получите название науки, изучающей лекарственные вещества и их действие на организм.
Мини-конкурс «ХИМИЯ ЖИВОГО»
I. Какой химический элемент в составе эмали придаёт ей прочности? 1 ...
II. Какой элемент является частью костей, раковин моллюсков? 2 ...
III. Какой элемент обусловливает красный цвет крови у позвоночных? 3 ...
IV. От какого элемента зависит зелёный цвет растений? 1 ...
V. Элемент, который накапливается в болотной ряске и применяется
для лечения опухолей. 2 ...
VI. Элемент, обусловливающий голубую окраску крови кальмаров. 1 ...
VII. Этот элемент является компонентом желудочного сока. 3 ...
VIII. Элемент назван в честь богини Луны и его много в сетчатке орлов. 3 ... XIX. Элемент бурых водорослей в составе гормонов щитовидной железы. 2 ...
X. Элемент в составе аминокислот, белков, нуклеиновых кислот, NH 3 . 6 ...
XI. Какого химического элемента содержится много в клетках хвощей? 4 ...
XII. Плоды рябины, положительно влияющие на кроветворение. 1 ...
Биология + Химия
Укажите названия и химические формулы неорганических соединений, указанных в таблице. Объясните связь биологии с неорганической химией.
НЕКОТОРЫЕ НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА ЖИВЫХ СУЩЕСТВ, ИХ ЗНАЧЕНИЕ
ОТНОШЕНИЕ
Парацельс (настоящее имя - Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм) - известный немецкий алхимик, врач эпохи Возрождения. Он считал, что живые организмы состоят из тех же элементов, что и все другие тела природы. Выскажите и обоснуйте суждения о подобии состава и различии в содержании химических элементов в живой и неживой природе.
|
Задания для самоконтроля |
|
|
1. Что такое химический состав клетки? 2. Что является компонентами элементного состава клеток? 3. Что является компонентами молекулярного состава клеток? 4. Назовите неорганические соединения в составе живого. 5. Приведите примеры функций неорганических соединений живого. 6. Назовите органические вещества, входящие в состав живого. |
|
|
7. Каков химический состав клетки? 8. Следствием каких процессов является изменение химического состава клетки? 9. Каков состав и биологическое значение неорганических соединений живого? |
|
|
10. О чём свидетельствуют сходство состава и различное содержание химических элементов в живой и неживой природе? |
Это материал учебника
