Клетка – элементарная единица жизни на Земле. Она обладает всеми признаками живого организма: растет, размножается, обменивается с окружающей средой веществами и энергией, реагирует на внешние раздражители. Начало биологической эволюции связано с появлением на Земле клеточных форм жизни. Одноклеточные организмы представляют собой существующие отдельно друг от друга клетки. Тело всех многоклеточных – животных и растений – построено из большего или меньшего числа клеток, которые являются своего рода блоками, составляющими сложный организм. Независимо от того, представляет ли собой клетка целостную живую систему – отдельный организм или составляет лишь его часть, она наделена набором признаков и свойств, общим для всех клеток.
Химический состав клетки
В клетках обнаружено около 60 элементов периодической системы Менделеева, встречающихся и в неживой природе. Это одно из доказательств общности живой и неживой природы. В живых организмах наиболее распространены водород , кислород , углерод и азот , которые составляют около 98% массы клеток. Такое обусловлено особенностями химических свойств водорода, кислорода, углерода и азота, вследствие чего они оказались наиболее подходящими для образования молекул, выполняющих биологические функции. Эти четыре элемента способны образовывать очень прочные ковалентные связи посредством спаривания электронов, принадлежащих двум атомам. Ковалентно связанные атомы углерода могут формировать каркасы бесчисленного множества различных органических молекул. Поскольку атомы углерода легко образуют ковалентные связи с кислородом, водородом, азотом, а также с серой, органические молекулы достигают исключительной сложности и разнообразия строения.
Кроме четырех основных элементов в клетке в заметных количествах (10 ые и 100 ые доли процента) содержатся железо , калий , натрий , кальций , магний , хлор , фосфор и сера . Все остальные элементы (цинк , медь , йод , фтор , кобальт , марганец и др.) находятся в клетке в очень малых количествах и поэтому называются микроэлементами.
Химические элементы входят в состав неорганических и органических соединений. К неорганическим соединениям относятся вода, минеральные соли, диоксид углерода, кислоты и основания. Органические соединения – это белки , нуклеиновые кислоты , углеводы , жиры (липиды) и липоиды .
Некоторые белки содержат серу . Составной частью нуклеиновых кислот является фосфор . Молекула гемоглобина включает железо , магний участвует в построении молекулы хлорофилла . Микроэлементы, несмотря на крайне низкое содержание в живых организмах, играют важную роль в процессах жизнедеятельности. Йод входит в состав гормона щитовидной железы – тироксина, кобальт – в состав витамина В 12 гормон островковой части поджелудочной железы – инсулин – содержит цинк . У некоторых рыб место железа в молекулах пигментов, переносящих кислород, занимает медь.
Неорганические вещества
Вода
Н 2 О – самое распространенное соединение в живых организмах. Содержание ее в разных клетках колеблется в довольно широких пределах: от 10% в эмали зубов до 98% в теле медузы, но среднем она составляет около 80% массы тела. Исключительно важная роль воды в обеспечении процессов жизнедеятельности обусловлена ее физико-химическими свойствами. Полярность молекул и способность образовывать водородные связи делают воду хорошим растворителем для огромного количества веществ. Большинство химических реакций, протекающих в клетке, может происходить только в водном растворе. Вода участвует и во многих химических превращениях.
Общее число водородных связей между молекулами воды изменяется в зависимости от t°. При t° таяния льда разрушается примерно 15% водородных связей, при t° 40°С – половина. При переходе в газообразное состояние разрушаются все водородные связи. Этим объясняется высокая удельная теплоемкость воды. При изменении t° внешней среды вода поглощает или выделяет теплоту вследствие разрыва или новообразования водородных связей. Таким путем колебания t° внутри клетки оказываются меньшими, чем в окружающей среде. Высокая теплота испарения лежит в основе эффективного механизма теплоотдачи у растений и животных.
Вода как растворитель принимает участие в явлениях осмоса, играющего важную роль в жизнедеятельности клетки организма. Осмосом называют проникновение молекул растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор какого-либо вещества. Полупроницаемыми называются мембраны, которые пропускают молекулы растворителя, но не пропускают молекулы (или ионы) растворенного вещества. Следовательно, осмос – односторонняя диффузия молекул воды в направлении раствора.
Минеральные соли
Большая часть неорганических в-в клетки находится в виде солей в диссоциированном, либо в твердом состоянии. Концентрация катионов и анионов в клетке и в окружающей ее среде неодинакова. В клетке содержится довольно много К и очень много Nа. Во внеклеточной среде, например в плазме крови, в морской воде, наоборот, много натрия и мало калия. Раздражимость клетки зависит от соотношения концентраций ионов Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ . В тканях многоклеточных животных К входит в состав многоклеточного вещества, обеспечивающего сцепленность клеток и упорядоченное их расположение. От концентрации солей в большой мере зависят осмотическое давление в клетке и ее буферные свойства. Буферностью называется способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию ее содержимого на постоянном уровне. Буферность внутри клетки обеспечивается главным образом ионами Н 2 РО 4 и НРО 4 2- . Во внеклеточных жидкостях и в крови роль буфера играют Н 2 СО 3 и НСО 3 — . Анионы связывают ионы Н и гидроксид-ионы (ОН —), благодаря чему реакция внутри клетки внеклеточных жидкостей практически не меняется. Нерастворимые минеральные соли (например, фосфорнокислый Са) обеспечивает прочность костной ткани позвоночных и раковин моллюсков.
Органические вещества клетки
Белки
Среди органических веществ клетки белки стоят на первом месте как по количеству (10 – 12% от общей массы клетки), так и по значению. Белки представляют собой высокомолекулярные полимеры (с молекулярной массой от 6000 до 1 млн. и выше), мономерами которых являются аминокислоты. Живыми организмами используется 20 аминокислот, хотя их существует значительно больше. В состав любой аминокислоты входит аминогруппа (-NH 2), обладающая основными свойствами, и карбоксильная группа (-СООН), имеющая кислотные свойства. Две аминокислоты соединяются в одну молекулу путем установления связи HN-CO с выделением молекулы воды. Связь между аминогруппой одной аминокислоты и карбоксилом другой называется пептидной. Белки представляют собой полипептиды, содержащие десятки и сотни аминокислот. Молекулы различных белков отличаются друг от друга молекулярной массой, числом, составом аминокислот и последовательностью расположения их в полипептидной цепи. Понятно поэтому, что белки отличаются огромным разнообразием, их количество у всех видов живых организмов оценивается числом 10 10 – 10 12 .
Цепь аминокислотных звеньев, соединенных ковалентное пептидными связями в определенной последовательности, называется первичной структурой белка. В клетках белки имеют вид спирально закрученных волокон или шариков (глобул). Это объясняется тем, что в природном белке полипептидная цепочка уложена строго определенным образом в зависимости от химического строения входящих в ее состав аминокислот.
Вначале полипептидная цепь сворачивается в спираль. Между атомами соседних витков возникает притяжение и образуются водородные связи, в частности, между NH- и СО- группами, расположенными на соседних витках. Цепочка аминокислот, закрученная в виде спирали, образует вторичную структуру белка. В результате дальнейшей укладки спирали возникает специфичная для каждого белка конфигурация, называемая третичной структурой. Третичная структура обусловлена действием сил сцепления между гидрофобными радикалами, имеющимися у некоторых аминокислот, и ковалентными связями между SH- группами аминокислоты цистеина (S-S- связи). Количество аминокислот гидрофобными радикалами и цистеина, а также порядок их расположения в полипептидной цепочке специфичны для каждого белка. Следовательно, особенности третичной структуры белка определяются его первичной структурой. Биологическую активность белок проявляет только в виде третичной структуры. Поэтому замена даже одной аминокислоты в полипептидной цепочке может привести к изменению конфигурации белка и к снижению или утрате его биологической активности.
В некоторых случаях белковые молекулы объединяются друг с другом и могут выполнять свою функцию только в виде комплексов. Так, гемоглобин – это комплекс из четырех молекул и только в такой форме способен присоединять и транспортировать О. подобные агрегаты представляют собой четвертичную структуру белка. По своему составу белки делятся на два основных класса – простые и сложные. Простые белки состоят только из аминокислот нуклеиновые кислоты (нуклеотиды), липиды (липопротеиды), Ме (металлопротеиды), Р (фосфопротеиды).
Функции белков в клетке чрезвычайно многообразны. Одна из важнейших – строительная функция: белки участвуют в образовании всех клеточных мембран и органоидов клетки, а также внутриклеточных структур. Исключительно важное значение имеет ферментативная (каталитическая) роль белков. Ферменты ускоряют химические реакции, протекающие в клетке, в 10 ки и 100 ни миллионов раз. Двигательная функция обеспечивается специальными сократительными белками. Эти белки участвуют во всех видах движений, к которым способны клетки и организмы: мерцание ресничек и биение жгутиков у простейших, сокращение мышц у животных, движение листьев у растений и др. Транспортная функция белков заключается в присоединении химических элементов (например, гемоглобин присоединяет О) или биологически активных веществ (гормонов) и переносе их к тканям и органам тела. Защитная функция выражается в форме выработки особых белков, называемых антителами, в ответ на проникновение в организм чужеродных белков или клеток. Антитела связывают и обезвреживают чужеродные вещества. Белки играют немаловажную роль как источники энергии. При полном расщеплении 1г. белков выделяется 17,6 кДж (~4,2 ккал).
Углеводы
Углеводы, или сахариды – органические вещества с общей формулой (СН 2 О) n . У большинства углеводов число атомов Н вдвое больше числа атомов О, как в молекулах воды. Поэтому эти вещества и были названы углеводами. В живой клетке углеводы находятся в количествах, не превышающих 1-2, иногда 5% (в печени, в мышцах). Наиболее богаты углеводами растительные клетки, где их содержание достигает в некоторых случаях 90% от массы сухого вещества (семена, клубни картофеля и т.д.).
Углеводы бывают простые и сложные. Простые углеводы называются моносахаридами. В зависимости от числа атомов углевода в молекуле моносахариды называются триозами, тетрозами, пентозами или гексозами. Из шести углеродных моносахаридов – гексоз – наиболее важное значение имеют глюкоза, фруктоза и галактоза. Глюкоза содержится в крови (0,1-0,12%). Пентозы рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот и АТФ. Если в одной молекуле объединяются два моносахарида, такое соединение называется дисахаридом. Пищевой сахар, получаемый из тростника или сахарной свеклы, состоит из одной молекулы глюкозы и одной молекулы фруктозы, молочный сахар – из глюкозы и галактозы.
Сложные углеводы, образованные многими моносахаридами, называются полисахаридами. Мономером таких полисахаридов, как крахмал, гликоген, целлюлоза, является глюкоза. Углеводы выполняют две основные функции: строительную и энергетическую. Целлюлоза образует стенки растительных клеток. Сложный полисахарид хитин служит главным структурным компонентом наружного скелета членистоногих. Строительную функцию хитин выполняет и у грибов. Углеводы играют роль основного источника энергии в клетке. В процессе окисления 1 г. углеводов освобождается 17,6 кДж (~4,2 ккал). Крахмал у растений и гликоген у животных откладываются в клетках и служат энергетическим резервом.
Нуклеиновые кислоты
Значение нуклеиновых кислот в клетке очень велико. Особенности их химического строения обеспечивают возможность хранения, переноса и передачи по наследству дочерним клеткам информации о структуре белковых молекул, которые синтезируются в каждой ткани на определенном этапе индивидуального развития. Поскольку большинство свойств и признаков клеток обусловлено белками, то понятно, что стабильность нуклеиновых кислот – важнейшее условие нормальной жизнедеятельности клеток и целых организмов. Любые изменения структуры клеток или активности физиологических процессов в них, влияя, таким образом, на жизнедеятельность. Изучение структуры нуклеиновых кислот имеет исключительно важное значение для понимания наследования признаков у организмов и закономерностей функционирования, как отдельных клеток, так и клеточных систем – тканей и органов.
Существуют 2 типа нуклеиновых кислот – ДНК и РНК. ДНК – полимер, состоящий из двух нуклеотидных спиралей, заключенных так, что образуется двойная спираль. Мономеры молекул ДНК представляют собой нуклеотиды, состоящие из азотистого основания (аденина, тимина, гуанина или цитозина), углевода (дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты. Азотистые основания в молекуле ДНК соединены между собой неодинаковым количеством Н-связей и располагаются попарно: аденин (А) всегда против тимина (Т), гуанин (Г) против цитозина (Ц).
Нуклеотиды соединены друг с другом не случайно, а избирательно. Способность к избирательному взаимодействию аденина с тимином и гуанина с цитозином называется комплементарностью. Комплементарное взаимодействие определенных нуклеотидов объясняется особенностями пространственного расположения атомов в их молекулах, которые позволяют им сближаться и образовывать Н-связи. В полинуклеотидной цепочке соседние нуклеотиды связаны между собой через сахар (дезоксирибозу) и остаток фосфорной кислоты. РНК так же, как и ДНК, представляет собой полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Азотистые основания трех нуклеотидов те же самые, что входят в состав ДНК (А, Г, Ц); четвертое – урацил (У) – присутствует в молекуле РНК вместо тимина. Нуклеотиды РНК отличаются от нуклеотидов ДНК и по строению входящего в их состав углевода (рибоза вместо дизоксирибозы).
В цепочке РНК нуклеотиды соединяются путем образования ковалентных связей между рибозой одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого. По структуре различаются двух цепочечные РНК. Двух цепочечные РНК являются хранителями генетической информации у ряда вирусов, т.е. выполняют у них функции хромосом. Одно цепочечные РНК осуществляют перенос информации о структуре белков от хромосомы к месту их синтеза и участвуют в синтезе белков.
Существует несколько видов одно цепочечной РНК. Их названия обусловлены выполняемой функцией или местом нахождения в клетке. Большую часть РНК цитоплазмы (до 80-90%) составляет рибосомальная РНК (рРНК), содержащаяся в рибосомах. Молекулы рРНК относительно невелики и состоят в среднем из 10 нуклеотидов. Другой вид РНК (иРНК), переносящие к рибосомам информацию о последовательности аминокислот в белках, которые должны синтезироваться. Размер этих РНК зависит от длины участка ДНК, на котором они были синтезированы. Транспортные РНК выполняют несколько функций. Они доставляют аминокислоты к месту синтеза белка, «узнают» (по принципу комплементарности) триплет и РНК, соответствующий переносимой аминокислоте, осуществляют точную ориентацию аминокислоты на рибосоме.
Жиры и липиды
Жиры представляют собой соединения жирных высокомолекулярных кислот и трехатомного спирта глицерина. Жиры не растворяются в воде – они гидрофобны. В клетке всегда есть и другие сложные гидрофобные жироподобные вещества, называемые липоидами. Одна из основных функций жиров – энергетическая. В ходе расщепления 1 г. жиров до СО 2 и Н 2 О освобождается большое количество энергии – 38,9 кДж (~9,3 ккал). Содержание жира в клетке колеблется в пределах 5-15% от массы сухого вещества. В клетках живой ткани количество жира возрастает до 90%. Главная функция жиров в животном (и отчасти - растительном) мире - запасающая.
При полном окислении 1 г жира (до углекислого газа и воды) выделяется около 9 ккал энергии. (1 ккал = 1000 кал; калория (кал, cal) - внесистемная единица количества работы и энергии, равная количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 мл воды на 1 °C при стандартном атмосферном давлении 101,325 кПа; 1 ккал = 4,19 кДж). При окислении (в организме) 1 г белков или углеводов выделяется только около 4 ккал/г. У самых разных водных организмов - от одноклеточных диатомовых водорослей до гигантских акул - жир случит «поплавком», уменьшая среднюю плотность тела. Плотность животных жиров составляет около 0,91-0,95 г/см³. Плотность костной ткани позвоночных близка к 1,7-1.8 г/см³, а средняя плотность большинства других тканей близка к 1 г/см³. Понятно, что жира нужно довольно много, чтобы «уравновесить» тяжелый скелет.
Жиры и липиды выполняют и строительную функцию: они входят в состав клеточных мембран. Благодаря плохой теплопроводности жир способен к защитной функции. У некоторых животных (тюлени, киты) он откладывается в подкожной жировой ткани, образуя слой толщиной до 1 м. Образование некоторых липоидов предшествует синтезу ряда гормонов. Следовательно, этим веществам присуща и функция регуляции обменных процессов.
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.
- органогены (кислород, водород, углерод, азот),
- макроэлементы,
- микроэлементы.
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 |
Значение для биологических процессов |
|
Высокая теплоемкость (из-за водородных связей между молекулами) и теплопроводность (из-за небольших размеров молекул) |
Транспирация |
|
Прозрачность в видимом участке спектра |
Высокопродуктивные биоценозы прудов, озер, рек (из-за возможности фотосинтеза на небольшой глубине) |
|
Практически полная несжимаемость (из-за сил межмолекулярного сцепления) |
Поддержание формы организмов: форма сочных органов растений, положение трав в пространстве, гидростатический скелет круглых червей, медуз, амниотическая жидкость поддерживает и защищает плод млекопитающих |
|
Подвижность молекул (из-за слабости водородных связей) |
Осмос: поступление воды из почвы; плазмолиз |
|
Вязкость (водородные связи) |
Смазывающие свойства: синовиальная жидкость в суставах, плевральная жидкость |
|
Растворитель (полярность молекул) |
Кровь, тканевая жидкость, лимфа, желудочный сок, слюна, у животных; клеточный сок у растений; водные организмы используют растворенный в воде кислород |
|
Способность образовывать гидратационную оболочку вокруг макромолекул (из-за полярности молекул) |
Дисперсионная среда в коллоидной системе цитоплазмы |
|
Оптимальное для биологических систем значение сил поверхностного натяжения (из-за сил межмолекулярного сцепления) |
Водные растворы – средство передвижения веществ в организме |
|
Расширение при замерзании (из-за образования каждой молекулой максимального числа – 4 – водородных связей_ |
Лед легче воды, выполняет в водоемах функцию теплоизолятора |
Неорганические ионы
:
катионы K+, Na+, Ca2+ , Mg2+ и анионы Cl–, NO3- , PO4 2-, CO32-, НPO42-.
Разность между количеством катионов и анионов (Nа+
, К+
, 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.
Таблица. Роль макроэлементов на клеточном и организменном уровне организации.
Таблица.
Тематические задания
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
2) фосфора и азота
3) железа и меди
4) кислорода и хлора
А4
. Слабые связи между молекулами воды в ее жидкой фазе называются:
1) ковалентными
2) гидрофобными
3) водородными
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
1) Na, K, O, S
2) N, P, C, Cl
3) C, S, Fe, O
4) C, H, O, N
А7
. Пациентам с гипофункцией щитовидной железы дают препараты, содержащие
1) йод
2) железо
3) фосфор
4) натрий
Часть В
В1
. Выберите функции воды в клетке
1) энергетическая
2) ферментативная
3) транспортная
4) строительная
5) смазывающая
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?
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 B12), 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 | 0,1 | 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 | Следы | 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 B12, 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 |
В живых организмах обнаружено более 70 химических элементов. Они являются составной частью определенных веществ, образующих структуры организма и участвующих в химических реакциях. Одних химических элементов в организмах содержится больше, других меньше, третьи присутствуют в ничтожных количествах.
Макроэлементы. Химические элементы, содержание которых в живых организмах составляет от десятков до сотых долей процента, называются макроэлементами. Живые организмы более чем на 98 % состоят из четырех химических элементов: кислорода (О), углерода (С), водорода (Н) и азота (N). Водород и кислород — составные элементы воды. Наряду с углеродом и азотом эти элементы являются основными составляющими органических соединений живых организмов.
В состав молекул многих органических веществ также входят сера (S) и фосфор (Р). Кроме того, к макроэлементам относятся натрий (Na), калий (К), магний (Mg), кальций (Са), хлор (С1) и др.
Важнейшим макроэлементом для организма человека является кальций. Его соединения, в частности ортофосфат, составляют минеральную основу костей и зубов. Другие соединения кальция участвуют в нервной и мышечной деятельности, входят в состав клеток и тканевой жидкости организма. Суточная потребность взрослого человека в кальции составляет от 0,8 до 2 г. Основные источники этого элемента — молоко, кефир, творог, сыр, рыба, фасоль, петрушка, зеленый лук, а также яйца, гречка, овсянка, морковь и горох.
Однако в пище могут также содержаться вещества, препятствующие усвоению кальция, например щавелевая кислота и фитин. Со щавелевой кислотой кальций образует малорастворимую соль, фитин тоже довольно прочно удерживает кальций. Поэтому важно не злоупотреблять блюдами из щавеля и шпината, в листьях которых содержится 0,1 —0,5 % щавелевой кислоты. Фитин, присутствующий в овощах и злаках, разрушается при нагревании, поэтому менее вреден. Ржаной хлеб полезнее пшеничного — в нем меньше фитина.
Микроэлементы. Жизненно важные элементы, которые содержатся в живых организмах в исключительно малых количествах (менее 0,01 %) составляют группу микроэлементов. К этой группе относятся некоторые металлы, например железо (Fe), цинк (Zn), медь (Си), марганец (Мп), кобальт (Со), молибден (Мо), а также неметаллы фтор (F), йод (I) и др.
Процентное содержание того или иного элемента не характеризует степень его важности в организме. Например, йод, содержание которого в норме в организме человека не превышает 0,0001 %, входит в состав гормонов щитовидной железы тироксина и т р и й о д т и р о н и н а. Эти гормоны регулируют обмен веществ, влияют на рост, развитие и дифференцировку тканей, на деятельность нервной системы.
Железо и медь входят в состав ферментов, участвующих в клеточном дыхании. Вместе с кобальтом они играют важную роль в процессах кроветворения. Цинк и марганец оказывают влияние на рост и развитие организмов. Фтор входит в состав костной ткани и эмали зубов. Более подробная информация о содержании и биологической роли химических элементов в живых организмах приведена в таблице 1.
Таблица 1. Биологически важные химические элементы
|
Биологическая роль |
||
|
Макроэлементы |
||
|
Кислород(О) |
Входит в состав молекул воды и органических веществ, обеспечивает реакции окисления, в ходе которых выделяется необходимая организму энергия |
|
|
Углерод(С) |
Входит в состав молекул всех органических веществ |
|
|
Водород (Н) |
Входит в состав молекул воды и всех органических веществ |
|
|
Входит в состав молекул органических веществ, в том числе белков, нуклеиновых кислот, АТФ |
||
|
Кальций(Са) |
Входит в состав костной ткани, зубной эмали, участвует в процессах свертывания крови и обеспечивает сократимость мышечных волокон. У растений входит в состав клеточной стенки |
|
|
Фосфор (Р) |
Входит в состав органических веществ (ДНК, РНК, АТФ и др.), костной ткани и зубной эмали |
|
|
Один из основных катионов в организме животных: участвует в генерации биоэлектрических потенциалов, регуляции ритма сердечной деятельности. Также участвует в процессе фотосинтеза |
||
|
Входит в состав органических веществ (белков, некоторых аминокислот) |
||
|
Основной анион в организме животных. Входит в состав соляной кислоты желудочного сока |
||
|
Натрий (Na) |
Один из основных катионов: участвует в генерации биоэлектрических потенциалов, поддерживает нормальный ритм сердечной деятельности, влияет на синтез гормонов |
|
|
Магний (Mg) |
Входит в состав хлорофилла, некоторых ферментов, а также в состав костной ткани и зубной эмали |
|
|
Биологическая роль |
||
|
Микроэлементы |
||
|
Железо (Fe) |
Входит в состав многих ферментов, гемоглобина и миоглобина. Участвует в процессах клеточного дыхания и фотосинтеза |
|
|
Кремний (Si)* |
Участвует в формировании костей и коллагена — основного белка соединительной ткани животных. Входит в состав клеточной оболочки растений |
|
|
Входит в состав инсулина, некоторых ферментов, принимает участие в процессах синтеза растительных гормонов |
||
|
Участвует в процессах фотосинтеза, клеточного дыхания, синтеза гемоглобина. Входит в состав гемоцианинов — дыхательных пигментов крови и гемолимфы некоторых видов беспозвоночных животных |
||
|
Входит в состав зубной эмали и костной ткани |
||
|
Входит в состав гормонов щитовидной железы |
||
|
Марганец (Мп) |
менее 0,0001 |
Входит в состав или повышает активность некоторых ферментов. Участвует в формировании костей, в процессе фотосинтеза |
|
Кобальт (Со) |
менее 0,0001 |
Входит в состав витамина В 12 , участвует в процессах кроветворения |
|
Молибден (Мо) |
менее 0,0001 |
Участвует в процессах связывания атмосферного азота клубеньковыми бактериями |
* Для растений — макроэлемент
Для человека источниками макро- и микроэлементов являются продукты питания и вода. Поэтому для полного удовлетворения потребностей в макро- и микроэлементах необходимо полноценное и разнообразное питание, включающее продукты животного и растительного происхождения. Для Беларуси и некоторых других регионов Земли характерен недостаток йода и фтора в природной воде. Поэтому очень важно чаще употреблять в пищу морепродукты, а также восполнять этот недостаток употреблением фторированной и йодированной поваренной соли, производство и продажа которой налажены в нашей стране.
1. В какой группе все элементы относятся к макроэлементам? К микроэлементам?
а) Железо, сера, кобальт; в) натрий, кислород, йод;
б) фосфор, магний, азот; г) фтор, медь, марганец.
2. Какие химические элементы называются макроэлементами? Перечислите их. Каково значение макроэлементов в живых организмах?
3. Какие элементы называются микроэлементами? Приведите примеры. В чем заключается роль микроэлементов для жизнедеятельности организмов?
4. Установите соответствие между химическим элементом и его биологической функцией:
1) кальций
3) кобальт
4) йод 5) цинк 6) медь
а) участвует в синтезе гормонов растений, входит в состав инсулина, б) входит в состав гормонов щитовидной железы.
в) является компонентом хлорофилла.
г) входит в состав гемоцианинов некоторых беспозвоночных животных.
д) необходим для мышечного сокращения и свертывания крови, е) входит в состав витамина В 12 .
5. На основании материала о биологической роли макро- и микроэлементов и знаний, полученных при изучении организма человека в 9-м классе, объясните, к каким последствиям может привести недостаток тех или иных химических элементов в организме человека.
6. В таблице указано содержание основных химических элементов в земной коре (по массе, в %). Сравните состав земной коры и живых организмов. В чем заключаются особенности элементарного состава живых организмов? Какие факты позволяют сделать вывод о единстве живой и неживой природы?
- § 1. Содержание химических элементов в организме. Макро- и микроэлементы
- § 2. Химические соединения в живых организмах. Неорганические вещества
- § 10. История открытия клетки. Создание клеточной теории
- § 15. Эндоплазматическая сеть. Комплекс Гольджи. Лизосомы
Глава 1. Химические компоненты живых организмов
Глава 2. Клетка - структурная и функциональная единица живых организмов
Глава 3. Обмен веществ и преобразование энергии в организме
В клетке встречается около 70 химических элементов Периодической системы Д. И. Менделеева, однако содержание этих элементов существенно отличается от их концентраций в окружающей среде, что доказывает единство органического мира.
Химические элементы, имеющиеся в клетке, делят на три большие группы: макроэлементы, мезоэлементы (олигоэлементы) и микроэлементы.
Содержание макроэлементов составляет около 98 % массы клетки. К ним относятся углерод, кислород, водород и азот, входящие в состав основных органических веществ. Мезоэлементы - это сера, фосфор, калий, кальций, натрий, железо, магний, хлор, составляющие в сумме около 1, 9 % массы клетки. Сера и фосфор являются компонентами важнейших органических соединений. Химические элементы, концентрация которых в клетке около 0, 1 %, относятся к микроэлементам. Это цинк, йод, медь, марганец, фтор, кобальт и др.
Вещества клетки делят на неорганические и органические. К неорганическим веществам относятся вода и минеральные соли.
Благодаря своим физико-химическим свойствам вода в клетке является растворителем, средой для протекания реакций, исходным веществом и продуктом химических реакций, выполняет транспортную и терморегуляторные функции, придает клетке упругость, обеспечивает ту prop растительной клетки.
Минеральные соли в клетке могут находиться в растворенном или не растворенном состояниях. Растворимые соли диссоциируют на ионы. Наиболее важными катионами являются калий и натрий, облегчающие перенос веществ через мембрану и участвующие в возникновении и проведении нервного импульса; кальций, который принимает участие в процессах сокращения мышечных волокон и свертывании крови, магний, входящий в состав хлорофилла, и железо, входящее в состав ряда белков, в том числе гемоглобина. Цинк входит в состав молекулы гормона поджелудочной железы - инсулина, медь требуется для процессов фотосинтеза и дыхания. Важнейшими анионами являются фосфат-анион, входящий в состав АТФ и нуклеиновых кислот, и остаток угольной кислоты, смягчающий колебания рН среды. Недостаток кальция и фосфора приводит к рахиту, нехватка железа - к анемии.
Органические вещества клетки представлены углеводами, липидами, белками, нуклеиновыми кислотами, АТФ, витаминами и гормонами.
В состав углеводов входят в основном три химических элемента: углерод, кислород и водород. Их общая формула Cm(H20)n. Различают простые и сложные углеводы. Простые углеводы {моносахариды) содержат единственную молекулу сахара. Их классифицируют по количеству углеродных атомов, например, пентозы (С5) и гексозы (С6). К пентозам относятся рибоза и дезоксирибоза. Рибоза входит в состав РНК и АТФ. Дезоксирибоза является компонентом ДНК. Гексозы - это глюкоза, фруктоза, галактоза и др. Они принимают активное участие в обмене веществ в клетке и входят в состав сложных углеводов - олигосахаридов и полисахаридов. К олигосахаридам (дисахаридам) относятся сахароза (глюкоза + фруктоза), лактоза или молочный сахар (глюкоза+галактоза) и др.
Примерами полисахаридов являются крахмал, гликоген, целлюлоза и хитин. Углеводы выполняют в клетке пластическую (строительную), энергетическую (энергетическая ценность расщепления 1 г углеводов - 17, 6 кДж), запасающую и опорную функции. Углеводы могут также входить в состав сложных липидов и белков.
Липиды - это группа гидрофобных веществ. К ним относят жиры, стероиды воска, фосфолипиды и т. д.
Строение молекулы жира
Жир - это сложный эфир трехатомного спирта глицерина и высших органических (жирных) кислот. В молекуле жира можно выделить гидрофильную часть - «головку» (остаток глицерина) и гидрофобную часть - «хвосты» (остатки жирных кислот), поэтому в воде молекула жира ориентируется строго определенным образом: гидрофильная часть направлена к воде, а гидрофобная - от нее.
Липиды выполняют в клетке пластическую (строительную), энергетическую (энергетическая ценность расщепления 1 г жира - 38, 9 кДж), запасающую, защитную (амортизационную) и регуляторную (стероидные гормоны) функции.
Белки - это биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Аминокислоты содержат аминогруппу, карбоксильную группу и радикал. Отличаются аминокислоты только радикалами. В состав белков входит 20 основных аминокислот. Соединяются аминокислоты между собой с образованием пептидной связи. Цепочка из более чем 20 аминокислот называется полипептидом или белком. Белки образуют четыре основные структуры: первичную, вторичную, третичную и четвертичную.
Первичная структура - это последовательность аминокислот, соединенных пептидной связью.
Вторичная структура - это спираль, или складчатая структура, удерживаемая водородными связями между атомами кислорода и водорода пептидных группировок разных витков спирали или складок. Третичная структура (глобула) удерживается гидрофобными, водородными, дисульфидными и другими связями.
Третичная структура белка
Третичная структура характерна для большинства белков организма, например, миоглобина мышц.
Четвертичная структура белка.
Четвертичная структура наиболее сложная, образованная несколькими полипептидными цепями, соединенными в основном теми же связями, что и в третичной. Четвертичная структура характерна для гемоглобина, хлорофилла и др.
Белки могут быть простыми и сложными. Простые белки состоят только из аминокислот, тогда как сложные белки (липопротеины, хромопротеины, гликопротеины, нуклеопротеины и др.) содержат белковую и небелковую части. Например, в состав гемоглобина помимо четырех полипептидных цепей белка глобина входит небелковая часть - гем, в центре которой находится ион железа, придающий гемоглобину красную окраску.
Функциональная активность белков зависит от условий окружающей среды. Утрата белковой молекулой своей структуры вплоть до первичной называется денатурацией. Обратный процесс восстановления вторичной и более высоких структур - это ренатурация. Полное разрушение белковой молекулы называется деструкцией.
Белки выполняют в клетке ряд функций: пластическую (строительную), каталитическую (ферментативную), энергетическую (энергетическая ценность расщепления 1 г белка - 17, 6 кДж), сигнальную (рецепторную), сократительную (двигательную), транспортную, защитную, регуляторную, запасающую.
Нуклеиновые кислоты - это биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. В состав нуклеотида входят азотистое основание, остаток сахара-пентозы и остаток ортофосфорной кислоты. Выделяют два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновую (РНК) и дезоксири-бонуклеиновую (ДНК).
ДНК включает четыре типа нуклеотидов: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). В состав этих нуклеотидов входит сахар де-зоксирибоза. Для ДНК установлены правила Чаргаффа:
1) количество адениловых нуклеотидов в ДНК равно количеству тимидиловых (А = Т);
2) количество гуаниловых нуклеотидов в ДНК равно количеству цитидиловых (Г = Ц);
3) сумма адениловых и гуаниловых нуклеотидов равна сумме тимидиловых и цитидиловых (А + Г = Т + Ц).
Структура ДНК была открыта Ф. Криком и Д. Уотсоном (Нобелевская премия по физиологии и медицине 1962 г.). Молекула ДНК представляет собой двуцепочечную спираль. Нуклеотиды соединяются между собой через остатки фосфорной кислоты, образуя фосфодиэфирную связь, при этом азотистые основания направлены вовнутрь. Расстояние между нуклеотидами в цепи равно 0, 34 нм.
Нуклеотиды разных цепей соединяются между собой водородными связями по принципу комплементарности: аденин соединяется с тими-ном двумя водородными связями (А = Т), а гуанин с цитозином - тремя (Г = Ц).
Строение нуклеотида
Важнейшим свойством ДНК является способность к репликации (самоудвоению). Основной функцией ДНК является хранение и передача наследственной информации.
Она сосредоточена в ядре, митохондриях и пластидах.
В состав РНК входят также четыре нуклеотида: аденин (А), ура-цил (У), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Остаток сахара-пентозы в ней представлен рибозой. РНК - в основном одноцепочечные молекулы. Выделяют три вида РНК: информационную (и-РНК), транспортную (т-РНК) и рибосомальную (р-РНК).
Строение тРНК
Все они принимают активное участие в процессе реализации наследственной информации, которая с ДНК переписывается на и-РНК, а на последней осуществляется уже синтез белка, т-РНК в процессе синтеза белка приносит аминокислоты к рибосомам, р-РНК входит в состав самих рибосом.
