Клетка в химията. Химическа организация на клетката. Неорганични вещества. Органични вещества. Органични и неорганични вещества

клетка- елементарната единица на живота на Земята. Има всички характеристики на живия организъм: расте, възпроизвежда се, обменя вещества и енергия с околната среда и реагира на външни стимули. Началото на биологичната еволюция се свързва с появата на клетъчни форми на живот на Земята. Едноклетъчните организми са клетки, които съществуват отделно една от друга. Тялото на всички многоклетъчни организми - животни и растения - е изградено от по-голям или по-малък брой клетки, които са своеобразни блокове, изграждащи един сложен организъм. Независимо дали клетката е интегрална жива система - отделен организъм или представлява само част от него, тя е надарена с набор от характеристики и свойства, общи за всички клетки.

Химичен състав на клетката

В клетки са открити около 60 елемента от периодичната таблица на Менделеев, които се срещат и в неживата природа. Това е едно от доказателствата за общността на живата и неживата природа. Най-често се среща в живите организми водород, кислород, въглеродИ азот, които съставляват около 98% от клетъчната маса. Това се дължи на особените химични свойства на водорода, кислорода, въглерода и азота, в резултат на което те се оказаха най-подходящи за образуването на молекули, изпълняващи биологични функции. Тези четири елемента са способни да образуват много силни ковалентни връзки чрез сдвояване на електрони, принадлежащи на два атома. Ковалентно свързаните въглеродни атоми могат да образуват рамката на безброй различни органични молекули. Тъй като въглеродните атоми лесно образуват ковалентни връзки с кислород, водород, азот и сяра, органичните молекули постигат изключителна сложност и структурно разнообразие.

В допълнение към четирите основни елемента клетката съдържа в забележими количества (10-та и 100-та част от процента) желязо, калий, натрий, калций, магнезий, хлор, фосфорИ сяра. Всички други елементи ( цинк, мед, йод, флуор, кобалт, мангани др.) присъстват в клетката в много малки количества и затова се наричат микроелементи.

Химичните елементи са част от неорганични и органични съединения. Неорганичните съединения включват вода, минерални соли, въглероден диоксид, киселини и основи. Органичните съединения са катерици, нуклеинова киселина, въглехидрати, мазнини(липиди) и липоиди.

Някои протеини съдържат сяра. Компонент на нуклеиновите киселини е фосфор. Молекулата на хемоглобина съдържа желязо, магнезийучаства в изграждането на молекулата хлорофил. Микроелементите, въпреки изключително ниското си съдържание в живите организми, играят важна роля в жизнените процеси. йоде част от хормона на щитовидната жлеза - тироксин, кобалт– витамин B 12 съдържа хормона на островната част на панкреаса – инсулин – цинк. При някои риби медта заема мястото на желязото в пигментните молекули, пренасящи кислород.

Неорганични вещества

вода

H 2 O е най-често срещаното съединение в живите организми. Съдържанието му в различните клетки варира в широки граници: от 10% в зъбния емайл до 98% в тялото на медуза, но средно съставлява около 80% от телесното тегло. Изключително важната роля на водата за поддържане на жизнените процеси се дължи на нейните физикохимични свойства. Полярността на молекулите и способността за образуване на водородни връзки правят водата добър разтворител за огромен брой вещества. Повечето химични реакции, протичащи в клетка, могат да се случат само във воден разтвор. Водата също участва в много химични трансформации.

Общият брой на водородните връзки между водните молекули варира в зависимост от t °. При t ° Когато ледът се топи, приблизително 15% от водородните връзки се разрушават, при t° 40°C - половината. При преминаване в газообразно състояние всички водородни връзки се разрушават. Това обяснява високия специфичен топлинен капацитет на водата. Когато температурата на външната среда се промени, водата абсорбира или отделя топлина поради разкъсване или ново образуване на водородни връзки. По този начин колебанията в температурата вътре в клетката се оказват по-малки, отколкото в околната среда. Високата топлина на изпарение е в основата на ефективния механизъм на пренос на топлина при растенията и животните.

Водата като разтворител участва в явленията осмоза, която играе важна роля в живота на клетките на тялото. Осмозата е проникването на молекули на разтворителя през полупропусклива мембрана в разтвор на вещество. Полупропускливите мембрани са тези, които позволяват преминаването на молекулите на разтворителя, но не позволяват преминаването на молекулите на разтвореното вещество (или йони). Следователно осмозата е еднопосочна дифузия на водните молекули по посока на разтвора.

Минерални соли

Повечето от неорганичните вещества в клетките са под формата на соли в дисоциирано или твърдо състояние. Концентрацията на катиони и аниони в клетката и в нейната среда не е еднаква. Клетката съдържа доста много K и много Na. В извънклетъчната среда, например в кръвната плазма и морската вода, напротив, има много натрий и малко калий. Раздразнителността на клетките зависи от съотношението на концентрациите на Na +, K +, Ca 2+, Mg 2+ йони. В тъканите на многоклетъчните животни К е част от многоклетъчното вещество, което осигурява сцеплението на клетките и тяхното подредено разположение. Осмотичното налягане в клетката и нейните буферни свойства до голяма степен зависят от концентрацията на соли. Буферирането е способността на клетката да поддържа леко алкалната реакция на съдържанието си на постоянно ниво. Буферирането вътре в клетката се осигурява главно от H 2 PO 4 и HPO 4 2- йони. В извънклетъчните течности и в кръвта ролята на буфер се играе от H 2 CO 3 и HCO 3 -. Анионите свързват H йони и хидроксидни йони (OH -), поради което реакцията вътре в клетката на извънклетъчните течности остава практически непроменена. Неразтворимите минерални соли (например Ca фосфат) осигуряват здравина на костната тъкан на гръбначни животни и черупки на мекотели.

Органична клетъчна материя

катерици

Сред органичните вещества на клетката протеините са на първо място както по количество (10–12% от общата маса на клетката), така и по значение. Протеините са високомолекулни полимери (с молекулно тегло от 6000 до 1 милион и повече), мономерите на които са аминокиселини. Живите организми използват 20 аминокиселини, въпреки че има много повече. Всяка аминокиселина съдържа аминогрупа (-NH2), която има основни свойства, и карбоксилна група (-COOH), която има киселинни свойства. Две аминокиселини се комбинират в една молекула чрез установяване на HN-CO връзка, освобождавайки водна молекула. Връзката между аминогрупата на една аминокиселина и карбоксилната група на друга се нарича пептидна връзка. Протеините са полипептиди, съдържащи десетки и стотици аминокиселини. Молекулите на различни протеини се различават една от друга по молекулно тегло, брой, състав на аминокиселините и последователността на тяхното местоположение в полипептидната верига. Следователно е ясно, че протеините са изключително разнообразни; техният брой във всички видове живи организми се оценява на 10 10 - 10 12.

Верига от аминокиселинни единици, свързани ковалентно чрез пептидни връзки в специфична последователност, се нарича първична структура на протеина. В клетките протеините изглеждат като спирално усукани влакна или топки (глобули). Това се обяснява с факта, че в естествения протеин полипептидната верига е изградена по строго определен начин, в зависимост от химическата структура на съставните му аминокиселини.

Първо, полипептидната верига се сгъва в спирала. Възниква привличане между атоми на съседни завои и се образуват водородни връзки, по-специално между NH и CO групи, разположени на съседни завои. Верига от аминокиселини, усукана под формата на спирала, образува вторичната структура на протеина. В резултат на по-нататъшното нагъване на спиралата възниква специфична за всеки протеин конфигурация, наречена третична структура. Третичната структура се дължи на действието на кохезионните сили между хидрофобните радикали, присъстващи в някои аминокиселини и ковалентните връзки между SH групите на аминокиселината цистеин (S-S връзки). Броят на аминокиселините с хидрофобни радикали и цистеин, както и редът на тяхното подреждане в полипептидната верига са специфични за всеки протеин. Следователно характеристиките на третичната структура на протеина се определят от неговата първична структура. Протеинът проявява биологична активност само под формата на третична структура. Следователно замяната дори на една аминокиселина в полипептидна верига може да доведе до промяна в конфигурацията на протеина и до намаляване или загуба на неговата биологична активност.

В някои случаи протеиновите молекули се комбинират помежду си и могат да изпълняват функцията си само под формата на комплекси. По този начин хемоглобинът е комплекс от четири молекули и само в тази форма той е способен да прикрепя и транспортира кислород. Такива агрегати представляват кватернерната структура на протеина. Според състава си протеините се разделят на два основни класа - прости и сложни. Простите протеини се състоят само от аминокиселини, нуклеинови киселини (нуклеотиди), липиди (липопротеини), Me (металопротеини), P (фосфопротеини).

Функциите на протеините в клетката са изключително разнообразни. Една от най-важните е строителната функция: протеините участват в образуването на всички клетъчни мембрани и клетъчни органели, както и вътреклетъчни структури. Ензимната (каталитична) роля на протеините е изключително важна. Ензимите ускоряват протичащите в клетката химични реакции от 10 до 100 милиона пъти. Двигателната функция се осигурява от специални контрактилни протеини. Тези протеини участват във всички видове движения, на които са способни клетките и организмите: трептенето на ресничките и биенето на камшичетата при протозоите, мускулната контракция при животните, движението на листата при растенията и др. Транспортната функция на протеините е да свързват химически елементи (например хемоглобинът добавя О) или биологично активни вещества (хормони) и ги пренасят в тъканите и органите на тялото. Защитната функция се изразява под формата на производство на специални протеини, наречени антитела, в отговор на проникването на чужди протеини или клетки в тялото. Антителата свързват и неутрализират чужди вещества. Протеините играят важна роля като източници на енергия. С пълно разделяне 1гр. Отделят се 17,6 kJ (~4,2 kcal) протеини.

Въглехидрати

Въглехидратите или захаридите са органични вещества с обща формула (CH 2 O) n. Повечето въглехидрати имат два пъти повече Н атоми от броя на О атомите, както във водните молекули. Ето защо тези вещества бяха наречени въглехидрати. В живата клетка въглехидратите се намират в количества не повече от 1-2, понякога 5% (в черния дроб, в мускулите). Най-богати на въглехидрати са растителните клетки, където съдържанието им в някои случаи достига 90% от масата на сухото вещество (семена, картофени клубени и др.).

Въглехидратите са прости и сложни. Простите въглехидрати се наричат монозахариди. В зависимост от броя на въглехидратните атоми в молекулата, монозахаридите се наричат триози, тетрози, пентози или хексози. От шестте въглеродни монозахариди - хексози - най-важни са глюкозата, фруктозата и галактозата. Глюкозата се съдържа в кръвта (0,1-0,12%). Пентозите рибоза и дезоксирибоза се намират в нуклеиновите киселини и АТФ. Ако два монозахарида са комбинирани в една молекула, съединението се нарича дизахарид. Трапезната захар, получена от тръстика или захарно цвекло, се състои от една молекула глюкоза и една молекула фруктоза, млечната захар - от глюкоза и галактоза.

Сложните въглехидрати, образувани от много монозахариди, се наричат полизахариди. Мономерът на полизахаридите като нишесте, гликоген, целулоза е глюкозата. Въглехидратите изпълняват две основни функции: строителна и енергийна. Целулозата образува стените на растителните клетки. Сложният полизахарид хитин служи като основен структурен компонент на екзоскелета на членестоногите. Хитинът изпълнява и строителна функция при гъбите. Въглехидратите играят ролята на основен източник на енергия в клетката. При окисляването на 1 g въглехидрати се отделят 17,6 kJ (~4,2 kcal). Нишестето в растенията и гликогенът в животните се отлагат в клетките и служат като енергиен резерв.

Нуклеинова киселина

Значението на нуклеиновите киселини в клетката е много голямо. Особеностите на тяхната химическа структура осигуряват възможност за съхраняване, прехвърляне и наследяване на дъщерните клетки на информация за структурата на протеиновите молекули, които се синтезират във всяка тъкан на определен етап от индивидуалното развитие. Тъй като повечето от свойствата и характеристиките на клетките се определят от протеините, ясно е, че стабилността на нуклеиновите киселини е най-важното условие за нормалното функциониране на клетките и целите организми. Всякакви промени в структурата на клетките или активността на физиологичните процеси в тях, като по този начин засягат жизнената дейност. Изследването на структурата на нуклеиновите киселини е изключително важно за разбирането на унаследяването на признаците в организмите и закономерностите на функциониране както на отделните клетки, така и на клетъчните системи – тъкани и органи.

Има 2 вида нуклеинови киселини – ДНК и РНК. ДНК е полимер, състоящ се от две нуклеотидни спирали, подредени така, че да образуват двойна спирала. Мономерите на ДНК молекулите са нуклеотиди, състоящи се от азотна основа (аденин, тимин, гуанин или цитозин), въглехидрат (дезоксирибоза) и остатък от фосфорна киселина. Азотните бази в молекулата на ДНК са свързани помежду си чрез неравен брой Н-връзки и са подредени по двойки: аденин (А) винаги е срещу тимин (Т), гуанин (G) срещу цитозин (С).

Нуклеотидите са свързани помежду си не произволно, а селективно. Способността за избирателно взаимодействие на аденин с тимин и гуанин с цитозин се нарича комплементарност. Допълнителното взаимодействие на определени нуклеотиди се обяснява с особеностите на пространственото разположение на атомите в техните молекули, което им позволява да се сближат и да образуват Н-връзки. В полинуклеотидната верига съседните нуклеотиди са свързани един с друг чрез захар (дезоксирибоза) и остатък от фосфорна киселина. РНК, подобно на ДНК, е полимер, чиито мономери са нуклеотиди. Азотните бази на три нуклеотида са същите като тези, които изграждат ДНК (A, G, C); четвъртият - урацил (U) - присъства в молекулата на РНК вместо тимин. РНК нуклеотидите се различават от ДНК нуклеотидите по структурата на въглехидратите, които съдържат (рибоза вместо дезоксирибоза).

Във верига от РНК нуклеотидите се свързват чрез образуване на ковалентни връзки между рибозата на един нуклеотид и остатъка от фосфорна киселина на друг. Структурата се различава между двуверижната РНК. Двуверижните РНК са пазители на генетичната информация в редица вируси, т.е. Те изпълняват функциите на хромозоми. Едноверижната РНК пренася информация за структурата на протеините от хромозомата до мястото на техния синтез и участва в синтеза на протеини.

Има няколко вида едноверижна РНК. Техните имена се определят от тяхната функция или местоположение в клетката. По-голямата част от РНК в цитоплазмата (до 80-90%) е рибозомна РНК (рРНК), съдържаща се в рибозомите. Молекулите на рРНК са относително малки и се състоят средно от 10 нуклеотида. Друг тип РНК (иРНК), която носи информация за последователността на аминокиселините в протеините, които трябва да бъдат синтезирани до рибозоми. Размерът на тези РНК зависи от дължината на ДНК региона, от който са синтезирани. Трансферните РНК изпълняват няколко функции. Те доставят аминокиселини до мястото на протеиновия синтез, "разпознават" (по принципа на комплементарността) триплета и РНК, съответстващи на прехвърлената аминокиселина, и извършват точната ориентация на аминокиселината върху рибозомата.

Мазнини и липиди

Мазнините са съединения на високомолекулни мастни киселини и тривалентен алкохол глицерол. Мазнините не се разтварят във вода – те са хидрофобни. В клетката винаги има други сложни хидрофобни вещества, подобни на мазнини, наречени липоиди. Една от основните функции на мазнините е енергията. При разграждането на 1 g мазнини на CO 2 и H 2 O се отделя голямо количество енергия - 38,9 kJ (~ 9,3 kcal). Съдържанието на мазнини в клетката варира от 5-15% от теглото на сухото вещество. В клетките на живите тъкани количеството на мазнините нараства до 90%. Основната функция на мазнините в животинския (и отчасти растителния) свят е складирането.

Когато 1 g мазнини се окисли напълно (до въглероден диоксид и вода), се освобождават около 9 kcal енергия. (1 kcal = 1000 cal; калорията (cal) е извънсистемна единица за количеството работа и енергия, равно на количеството топлина, необходимо за загряване на 1 ml вода с 1 °C при стандартно атмосферно налягане 101,325 kPa; 1 kcal = 4,19 kJ). Когато 1 g протеини или въглехидрати се окислява (в тялото), се освобождават само около 4 kcal/g. В различни водни организми - от едноклетъчни диатомеи до гигантски акули - мазнините ще "плуват", намалявайки средната телесна плътност. Плътността на животинските мазнини е около 0,91-0,95 g/cm³. Плътността на костната тъкан на гръбначните животни е близо до 1,7-1,8 g/cm³, а средната плътност на повечето други тъкани е близо до 1 g/cm³. Ясно е, че имате нужда от доста мазнини, за да „балансирате“ тежък скелет.

Мазнините и липидите също изпълняват строителна функция: те са част от клетъчните мембрани. Поради лошата топлопроводимост, мазнините могат да изпълняват защитна функция. При някои животни (тюлени, китове) се отлага в подкожната мастна тъкан, образувайки слой с дебелина до 1 m Образуването на някои липоиди предшества синтеза на редица хормони. Следователно тези вещества също имат функцията да регулират метаболитните процеси.

Клетката съдържа около 70 елемента от периодичната таблица на елементите на Менделеев, като 24 от тях присъстват във всички видове клетки. Всички елементи, присъстващи в клетката, се разделят в зависимост от съдържанието им в клетката на групи:

макроелементи– H, O, N, C,. Mg, Na, Ca, Fe, K, P, Cl, S;
микроелементи– B, Ni, Cu, Co, Zn, Mb и др.;
ултрамикроелементи– U, Ra, Au, Pb, Hg, Se и др.

органогени(кислород, водород, въглерод, азот),
макроелементи,
микроелементи.

Молекули, които изграждат клетка неорганичен И органични връзки.

Неорганични съединения на клетката – водаИ неорганиченйони.
вода- най-важното неорганично вещество на клетката. Всички биохимични реакции протичат във водни разтвори. Молекулата на водата има нелинейна пространствена структура и има полярност. Между отделните водни молекули се образуват водородни връзки, които определят физичните и химичните свойства на водата.

*Физични свойства на водата*	*Последици за биологичните процеси*
Висок топлинен капацитет (поради водородни връзки между молекулите) и топлопроводимост (поради малки размери на молекулите)	Транспирация изпотяване Периодични валежи
Прозрачност във видимия спектър	Високопродуктивни биоценози на езера, езера, реки (поради възможността за фотосинтеза на плитки дълбочини)
Почти пълна несвиваемост (поради междумолекулни кохезионни сили)	Поддържане на формата на организмите: формата на сочните органи на растенията, позицията на тревите в пространството, хидростатичният скелет на кръглите червеи, медузите, околоплодната течност поддържа и защитава плода на бозайниците
Молекулна подвижност (поради слаби водородни връзки)	Осмоза: потокът на вода от почвата; плазмолиза
Вискозитет (водородни връзки)	Смазващи свойства: синовиална течност в ставите, плеврална течност
Разтворител (молекулярна полярност)	Кръв, тъканна течност, лимфа, стомашен сок, слюнка, при животни; клетъчен сок в растенията; водните организми използват разтворен във вода кислород
Способността да се образува хидратираща обвивка около макромолекулите (поради полярността на молекулите)	Дисперсионна среда в колоидната система на цитоплазмата
Оптималната стойност на силите на повърхностно напрежение за биологични системи (поради междумолекулни кохезионни сили)	Водните разтвори са средство за транспортиране на вещества в тялото
Разширяване при замръзване (поради образуването на максимален брой от 4 водородни връзки от всяка молекула)	Ледът е по-лек от водата и действа като топлоизолатор в резервоарите.

Неорганични йони:
катиони K+, Na+, Ca2+, Mg2+ и аниони Cl–, NO3-, PO4 2-, CO32-, HPO42-.

Разликата между броя на катионите и анионите (Nа + , ДА СЕ + , Cl-) на повърхността и вътре в клетката осигурява възникването на акционен потенциал, който е в основата нервна и мускулна стимулация.
Анионите на фосфорната киселина създават фосфатна буферна система, поддържайки pH на вътреклетъчната среда на тялото на ниво 6-9.
Въглеродната киселина и нейните аниони създават бикарбонатна буферна системаи поддържат pH на извънклетъчната среда (кръвна плазма) на ниво 7-4.
Азотните съединения служат източникминерално хранене, протеинов синтез, нуклеинови киселини.
Фосфорните атоми са част от нуклеиновите киселини, фосфолипидите, както и костите на гръбначните животни и хитиновата обвивка на членестоногите.
Калциевите йони са част от веществото на костите; те също са необходими за мускулната контракция и съсирването на кръвта.

Таблица. Ролята на макроелементите на клетъчно и организмово ниво на организация.

Таблица.

Тематични задачи

Част А

A1.Полярността на водата определя нейната способност
1) провеждат топлина
3) разтваряне на натриев хлорид
2) абсорбират топлина
4) разтваряне на глицерин

A2. На децата с рахит трябва да се дават лекарства, съдържащи
1) желязо
2) калий
3) калций
4) цинк

A3. Провеждането на нервен импулс се осигурява от йони:
1) калий и натрий
2) фосфор и азот
3) желязо и мед
4) кислород и хлор

A4. Слабите връзки между водните молекули в нейната течна фаза се наричат:
1) ковалентен
2) хидрофобен
3) водород
4) хидрофилен

A5. Хемоглобинът съдържа
1) фосфор
2) желязо
3) сяра
4) магнезий

A6. Изберете група химични елементи, които задължително са включени в протеините
1) Na, K, O, S
2) N, P, C, Cl
3) C, S, Fe, O
4) C, H, O, N

A7. На пациенти с хипотиреоидизъм се дават лекарства, съдържащи
1) йод
2) желязо
3) фосфор
4) натрий

Част Б

В 1. Изберете функциите на водата в клетката
1) енергия
2) ензимен
3) транспорт
4) строителство
5) смазване
6) терморегулаторни

НА 2. Изберете само физичните свойства на водата
1) способност за дисоциация
2) хидролиза на соли
3) плътност
4) топлопроводимост
5) електропроводимост
6) донорство на електрони

Част В

C1. Какви физични свойства на водата определят нейното биологично значение?

Около 70 елемента от периодичната система от елементи на Д. И. Менделеев са открити в клетките на различни организми, но само 24 от тях имат добре установено значение и се намират постоянно във всички видове клетки.

Най-голям дял в елементния състав на клетката заемат кислородът, въглеродът, водородът и азотът. Това са т.нар основенили биогененелементи. Тези елементи представляват повече от 95% от масата на клетките, а относителното им съдържание в живата материя е много по-високо, отколкото в земната кора. Калций, фосфор, сяра, калий, хлор, натрий, магнезий, йод и желязо също са жизненоважни. Съдържанието им в клетката се изчислява в десети и стотни от процента. Изброените елементи образуват група макроелементи.

Други химични елементи: мед, манган, молибден, кобалт, цинк, бор, флуор, хром, селен, алуминий, йод, желязо, силиций - се съдържат в изключително малки количества (по-малко от 0,01% от клетъчната маса). Те принадлежат към групата микроелементи.

Процентното съдържание на даден елемент в тялото по никакъв начин не характеризира степента на неговата важност и необходимост в организма. Например, много микроелементи са част от различни биологично активни вещества - ензими, витамини (кобалтът е част от витамин В12), хормони (йодът е част от тироксина, те влияят върху растежа и развитието на организмите (цинк, манган, мед); хематопоеза (желязо, мед), процеси на клетъчно дишане (мед, цинк) и др. Съдържанието и значението на различни химични елементи за живота на клетките и организма като цяло са дадени в таблицата:

Най-важните химични елементи на клетката

елемент	Символ	Приблизително съдържание, %	Значение за клетките и организмите
Кислород	О	62	Част от вода и органични вещества; участва в клетъчното дишане
въглерод	° С	20	Съдържа всички органични вещества
Водород	з	10	Част от вода и органични вещества; участва в процесите на преобразуване на енергия
Азот	н	3	Съдържа аминокиселини, протеини, нуклеинови киселини, АТФ, хлорофил, витамини
калций	ок	2,5	Част от клетъчната стена на растенията, костите и зъбите, повишава съсирването на кръвта и контрактилитета на мускулните влакна
Фосфор	П	1,0	Част от костната тъкан и зъбния емайл, нуклеинови киселини, АТФ и някои ензими
Сяра	С	0,25	Част от аминокиселините (цистеин, цистин и метионин), някои витамини, участва в образуването на дисулфидни връзки при формирането на третичната структура на протеините
калий	К	0,25	Съдържа се в клетката само под формата на йони, активира ензимите на протеиновия синтез, определя нормалния ритъм на сърдечната дейност, участва в процесите на фотосинтеза и генерирането на биоелектрични потенциали.
хлор	кл	0,2	В тялото на животните преобладава отрицателният йон. Солно-кисел компонент на стомашния сок
Натрий	Na	0,1	Съдържащ се в клетката само под формата на йони, той определя нормалния ритъм на сърдечната дейност и влияе върху синтеза на хормони
Магнезий	Mg	0,07	Част от молекулите на хлорофила, както и костите и зъбите, активира енергийния метаболизъм и синтеза на ДНК
йод	аз	0,01	Съдържа хормони на щитовидната жлеза
Желязо	Fe	Стъпки	Влиза в състава на много ензими, хемоглобин и миоглобин, участва в биосинтезата на хлорофил, в транспорта на електрони, в процесите на дишане и фотосинтеза
Мед	Cu	Стъпки	Той е част от хемоцианините при безгръбначните, част от някои ензими и участва в процесите на хематопоеза, фотосинтеза и синтез на хемоглобин.
Манган	Мн	Стъпки	Част от или повишава активността на определени ензими, участва в развитието на костите, усвояването на азота и процеса на фотосинтеза
Молибден	мо	Стъпки	Част от някои ензими (нитратредуктаза), участва в процесите на фиксиране на атмосферен азот от нодулни бактерии
Кобалт	Co	Стъпки	Част от витамин B12, участва във фиксирането на атмосферния азот от нодулните бактерии
Бор	б	Стъпки	Повлиява процесите на растеж на растенията, активира редуктивните дихателни ензими
Цинк	Zn	Стъпки	Част от някои ензими, които разграждат полипептидите, участва в синтеза на растителни хормони (ауксини) и гликолиза
Флуор	Е	Стъпки	Съдържа емайла на зъбите и костите

Повече от 70 химични елемента са открити в живите организми. Те са неразделна част от определени вещества, които образуват структурите на тялото и участват в химични реакции. Организмите съдържат повече от някои химични елементи, по-малко от други, а трети присъстват в незначителни количества.

Макроелементи.Химичните елементи, чието съдържание в живите организми варира от десетки до стотни от процента, се наричат макроелементи.Живите организми са съставени повече от 98% от четири химични елемента: кислород (O), въглерод (C), водород (H) и азот (N). Водородът и кислородът са съставните елементи на водата. Заедно с въглерода и азота, тези елементи са основните компоненти на органичните съединения на живите организми.

Молекулите на много органични вещества включват също сяра (S) и фосфор (P). Освен това макроелементите включват натрий (Na), калий (ДА СЕ),магнезий (Mg), калций (Ca), хлор (C1) и др.

Най-важният макроелемент за човешкото тяло е калцият. Неговите съединения, по-специално ортофосфат, образуват минералната основа на костите и зъбите. Други калциеви съединения участват в нервната и мускулната дейност и са част от клетките и тъканната течност на тялото. Дневната нужда на възрастен от калций е от 0,8 до 2 g. Основните източници на този елемент са мляко, кефир, извара, сирене, риба, боб, магданоз, зелен лук, както и яйца, елда, овесени ядки, моркови. и грах.

Храната обаче може да съдържа и вещества, които пречат на усвояването на калций, като оксалова киселина и фитин. С оксаловата киселина калцият образува слабо разтворима сол; Ето защо е важно да не се прекалява с ястия, приготвени от киселец и спанак, чиито листа съдържат 0,1-0,5% оксалова киселина. Фитинът, присъстващ в зеленчуците и зърнените храни, се разрушава от топлината и следователно е по-малко вреден. Ръженият хляб е по-здравословен от пшеничния – съдържа по-малко фитин.

Микроелементи.Жизненоважни елементи, които се намират в живите организми в изключително малки количества (по-малко от 0,01%), образуват групата микроелементи. ДА СЕТази група включва някои метали, като желязо (Fe), цинк (Zn), мед (Cu), манган (Mn), кобалт (Co), молибден (Mo), както и неметали флуор (F), йод (I) и др.

Процентното съдържание на даден елемент не характеризира степента на неговото значение в организма. Например йодът, чието съдържание в човешкото тяло обикновено не надвишава 0,0001%, е част от хормоните на щитовидната жлеза тироксин и трийодтиронин. Тези хормони регулират метаболизма, влияят върху растежа, развитието и диференциацията на тъканите и дейността на нервната система.

Желязото и медта са част от ензимите, участващи в клетъчното дишане. Заедно с кобалта те играят важна роля в хемопоетичните процеси. Цинкът и манганът влияят върху растежа и развитието на организмите. Флуоридът е част от костната тъкан и зъбния емайл. По-подробна информация за съдържанието и биологичната роля на химичните елементи в живите организми е дадена в таблица 1.

Таблица 1. Биологично важни химични елементи

		Биологична роля
Макронутриенти
Кислород (O)		Той е част от молекулите на водата и органичните вещества, осигурява окислителни реакции, по време на които се освобождава необходимата за тялото енергия
Въглерод (C)		Част от молекулите на всички органични вещества
Водород (H)		Част от водните молекули и всички органични вещества
		Част от молекулите на органични вещества, включително протеини, нуклеинови киселини, АТФ
Калций (Ca)		Той е част от костната тъкан, зъбния емайл, участва в процесите на кръвосъсирване и осигурява контрактилитета на мускулните влакна. При растенията е част от клетъчната стена
Фосфор (P)		Част от органични вещества (ДНК, РНК, АТФ и др.), костна тъкан и зъбен емайл
		Един от основните катиони в животинския организъм: участва в генерирането на биоелектрични потенциали и регулирането на ритъма на сърдечната дейност. Също така участва в процеса на фотосинтеза
		Част от органични вещества (протеини, някои аминокиселини)
		Основният анион в животинското тяло. Съдържа солна киселина в стомашния сок
Натрий (Na)		Един от основните катиони: участва в генерирането на биоелектрични потенциали, поддържа нормалния ритъм на сърдечната дейност, влияе върху синтеза на хормони
магнезий (Mg)		Част от хлорофила, някои ензими, както и костната тъкан и зъбния емайл

		Биологична роля
Микроелементи
желязо (Fe)		Част от много ензими, хемоглобин и миоглобин. Участва в процесите на клетъчно дишане и фотосинтеза
Силиций (Si)*		Участва в образуването на костите и колагена - основният протеин на съединителната тъкан при животните. Част от клетъчната стена на растенията
		Част от инсулина, някои ензими, участват в синтеза на растителни хормони
		Участва в процесите на фотосинтеза, клетъчно дишане, синтез на хемоглобин. Част от хемоцианините - дихателни пигменти в кръвта и хемолимфата на някои видове безгръбначни животни
		Част от зъбния емайл и костната тъкан
		Съдържа хормони на щитовидната жлеза
Манган (Mn)	по-малко от 0,0001	Той е част от или повишава активността на определени ензими. Участва в образуването на костите и в процеса на фотосинтеза
Кобалт (Co)	по-малко от 0,0001	Част от витамин B 12, участва в хемопоетичните процеси
Молибден (Mo)	по-малко от 0,0001	Участва в процесите на фиксация на атмосферния азот от нодулни бактерии

* За растенията - макроелемент

За човека източници на макро- и микроелементи са храната и водата. Ето защо за пълно задоволяване на нуждите от макро- и микроелементи е необходимо пълноценно и разнообразно хранене, включващо продукти от животински и растителен произход. Беларус и някои други региони на Земята се характеризират с липса на йод и флуор в естествената вода. Ето защо е много важно по-често да се ядат морски дарове, както и да се компенсира този дефицит чрез консумация на флуорирана и йодирана готварска сол, чието производство и продажба е установено у нас.

1. В коя група всички елементи се класифицират като макроелементи? Към микроелементите?

а) желязо, сяра, кобалт; в) натрий, кислород, йод;

б) фосфор, магнезий, азот; г) флуор, мед, манган.

2. Кои химични елементи се наричат макроелементи? Избройте ги. Какво е значението на макронутриентите в живите организми?

3. Кои елементи се наричат микроелементи? Дай примери. Каква е ролята на микроелементите за живота на организмите?

4. Установете съответствие между химичен елемент и неговата биологична функция:

1) калций

3) кобалт

4) йод 5) цинк 6) мед

а) участва в синтеза на растителни хормони, влиза в състава на инсулина, б) влиза в състава на хормоните на щитовидната жлеза.

в) е съставна част на хлорофила.

г) влиза в състава на хемоцианините на някои безгръбначни животни.

д) е необходим за мускулната контракция и съсирването на кръвта, е) е част от витамин B 12.

5. Въз основа на материала за биологичната роля на макро- и микроелементите и знанията, получени от изучаването на човешкото тяло в 9. клас, обяснете до какви последствия може да доведе липсата на определени химични елементи в човешкото тяло.

6. Таблицата показва съдържанието на основните химични елементи в земната кора (по маса, в %). Сравнете състава на земната кора и живите организми. Какви са характеристиките на елементния състав на живите организми? Какви факти ни позволяват да направим заключение за единството на живата и неживата природа?

Глава 1. Химични компоненти на живите организми

§ 1. Съдържание на химични елементи в тялото. Макро- и микроелементи
§ 2. Химични съединения в живите организми. Неорганични вещества

Глава 2. Клетка - структурна и функционална единица на живите организми

§ 10. История на откриването на клетката. Създаване на клетъчната теория
§ 15. Ендоплазмен ретикулум. Комплекс Голджи. Лизозоми

Глава 3. Метаболизъм и преобразуване на енергията в организма

Около 70 химични елемента от периодичната таблица на Д. И. Менделеев се намират в една клетка, но съдържанието на тези елементи се различава значително от концентрацията им в околната среда, което доказва единството на органичния свят.

Химичните елементи, присъстващи в клетката, се разделят на три големи групи: макроелементи, мезоелементи (олигоелементи) и микроелементи.

Съдържанието на макроелементи съставлява около 98% от клетъчната маса. Те включват въглерод, кислород, водород и азот, които са част от основните органични вещества. Мезоелементите са сяра, фосфор, калий, калций, натрий, желязо, магнезий, хлор, които съставляват около 1,9% от клетъчната маса. Сярата и фосфорът са компоненти на най-важните органични съединения. Химичните елементи, чиято концентрация в една клетка е около 0,1%, се класифицират като микроелементи. Това са цинк, йод, мед, манган, флуор, кобалт и др.

Клетъчните вещества се делят на неорганични и органични. Неорганичните вещества включват вода и минерални соли.

Поради своите физикохимични свойства водата в клетката е разтворител, реакционна среда, изходно вещество и продукт на химични реакции, изпълнява транспортни и терморегулаторни функции, придава еластичност на клетката и осигурява задвижването на растителната клетка.

Минералните соли в клетката могат да бъдат в разтворено или неразтворено състояние. Разтворимите соли се дисоциират на йони. Най-важните катиони са калий и натрий, които улесняват преноса на вещества през мембраната и участват в възникването и провеждането на нервните импулси; калций, който участва в процесите на свиване на мускулните влакна и кръвосъсирването, магнезий, който е част от хлорофила и желязо, който е част от редица протеини, включително хемоглобина. Цинкът е част от молекулата на хормона на панкреаса - инсулин, медта е необходима за процесите на фотосинтеза и дишане. Най-важните аниони са фосфатният анион, който е част от АТФ и нуклеиновите киселини, и остатъкът от въглеродна киселина, който смекчава колебанията в pH на околната среда. Липсата на калций и фосфор води до рахит, липсата на желязо води до анемия.

Органичните вещества на клетката са представени от въглехидрати, липиди, протеини, нуклеинови киселини, АТФ, витамини и хормони.

Въглехидратите са съставени предимно от три химични елемента: въглерод, кислород и водород. Общата им формула е Cm(H20)n. Има прости и сложни въглехидрати. Простите въглехидрати (монозахариди) съдържат една молекула захар. Те се класифицират по броя на въглеродните атоми, като пентоза (C5) и хексоза (C6). Пентозите включват рибоза и дезоксирибоза. Рибозата е част от РНК и АТФ. Дезоксирибозата е компонент на ДНК. Хексозите са глюкоза, фруктоза, галактоза и др. Те участват активно в клетъчния метаболизъм и влизат в състава на сложни въглехидрати - олигозахариди и полизахариди. Олигозахаридите (дизахаридите) включват захароза (глюкоза + фруктоза), лактоза или млечна захар (глюкоза + галактоза) и др.

Примери за полизахариди са нишесте, гликоген, целулоза и хитин. Въглехидратите изпълняват пластични (строителни), енергийни (енергийната стойност на разграждането на 1 g въглехидрати е 17,6 kJ), складови и поддържащи функции в клетката. Въглехидратите също могат да бъдат част от сложни липиди и протеини.

Липидите са група хидрофобни вещества. Те включват мазнини, восъчни стероиди, фосфолипиди и др.

Структурата на молекулата на мазнините

Мазнината е естер на тривалентен алкохол глицерол и висши органични (мастни) киселини. В една мастна молекула може да се разграничи хидрофилна част - "главата" (глицеролов остатък) и хидрофобна част - "опашки" (мастни киселинни остатъци), следователно във водата мастната молекула е ориентирана по строго определен начин: хидрофилната част е насочена към водата, а хидрофобната - встрани от нея.

Липидите изпълняват пластични (строителни), енергийни (енергийната стойност на разграждането на 1 g мазнина е 38,9 kJ), складови, защитни (амортизационни) и регулаторни (стероидни хормони) функции в клетката.

Протеините са биополимери, чиито мономери са аминокиселини. Аминокиселините съдържат аминогрупа, карбоксилна група и радикал. Аминокиселините се различават само по своите радикали. Протеините съдържат 20 основни аминокиселини. Аминокиселините са свързани една с друга, за да образуват пептидна връзка. Верига от повече от 20 аминокиселини се нарича полипептид или протеин. Протеините образуват четири основни структури: първична, вторична, третична и четвъртична.

Първичната структура е последователност от аминокиселини, свързани с пептидна връзка.

Вторичната структура е спирала или нагъната структура, държана заедно от водородни връзки между кислородните и водородните атоми на пептидни групи от различни навивки на спиралата или гънките. Третичната структура (глобула) се държи заедно чрез хидрофобни, водородни, дисулфидни и други връзки.

Третична структура на протеина

Третичната структура е характерна за повечето протеини в тялото, например мускулния миоглобин.

Кватернерна структура на протеина.

Кватернерната структура е най-сложна, образувана от няколко полипептидни вериги, свързани главно със същите връзки като в третичната. Кватернерната структура е характерна за хемоглобина, хлорофила и др.

Протеините могат да бъдат прости или сложни. Простите протеини се състоят само от аминокиселини, докато сложните протеини (липопротеини, хромопротеини, гликопротеини, нуклеопротеини и др.) съдържат протеинови и непротеинови части. Например, освен четирите полипептидни вериги на глобиновия протеин, хемоглобинът съдържа небелтъчна част - хем, в центъра на който има железен йон, който придава на хемоглобина червен цвят.

Функционалната активност на протеините зависи от условията на околната среда. Загубата на структурата на протеиновата молекула до нейната първична структура се нарича денатурация. Обратният процес на възстановяване на вторични и висши структури е ренатурация. Пълното разрушаване на белтъчната молекула се нарича разрушаване.

Протеините изпълняват редица функции в клетката: пластична (строителна), каталитична (ензимна), енергийна (енергийната стойност на разграждането на 1 g протеин е 17,6 kJ), сигнална (рецепторна), съкратителна (моторна), транспортна, защитни, регулаторни, складови.

Нуклеиновите киселини са биополимери, чиито мономери са нуклеотиди. Нуклеотидът съдържа азотна основа, остатък от пентозна захар и остатък от ортофосфорна киселина. Има два вида нуклеинови киселини: рибонуклеинова киселина (РНК) и дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК).

ДНК съдържа четири вида нуклеотиди: аденин (А), тимин (Т), гуанин (G) и цитозин (С). Тези нуклеотиди съдържат захарта дезоксирибоза. Правилата на Чаргаф за ДНК са:

1) броят на адениловите нуклеотиди в ДНК е равен на броя на тимидиловите нуклеотиди (A = T);

2) броят на гуанил нуклеотидите в ДНК е равен на броя на цитидил нуклеотидите (G = C);

3) сумата от аденил и гуанил нуклеотиди е равна на сумата от тимидил и цитидил нуклеотиди (A + G = T + C).

Структурата на ДНК е открита от Ф. Крик и Д. Уотсън (Нобелова награда за физиология или медицина 1962 г.). Молекулата на ДНК е двуверижна спирала. Нуклеотидите са свързани помежду си чрез остатъци от фосфорна киселина, образувайки фосфодиестерна връзка, докато азотните бази са насочени навътре. Разстоянието между нуклеотидите във веригата е 0,34 nm.

Нуклеотидите от различни вериги са свързани помежду си чрез водородни връзки съгласно принципа на комплементарност: аденинът е свързан с тимин чрез две водородни връзки (A = T), а гуанинът е свързан с цитозин с три (G = C).

Нуклеотидна структура

Най-важното свойство на ДНК е способността за репликация (самоудвояване). Основната функция на ДНК е съхранението и предаването на наследствена информация.

Той е концентриран в ядрото, митохондриите и пластидите.

РНК също така съдържа четири нуклеотида: аденин (A), урацил (U), гуанин (G) и цитозин (C). Пентозният захарен остатък в него е представен от рибоза. РНК е предимно едноверижни молекули. Има три вида РНК: информационна РНК (i-RNA), трансферна РНК (t-RNA) и рибозомна РНК (r-RNA).

Структура на тРНК

Всички те участват активно в процеса на внедряване на наследствена информация, която се пренаписва от ДНК на i-RNA, а върху последната вече се извършва протеинов синтез, t-RNA в процеса на протеинов синтез носи аминокиселини в рибозоми, r-RNA е част от самите рибозоми.