Buňka v chemii. Chemická organizace buňky. Anorganické látky. Organické látky. Organické a anorganické látky

Buňka- základní jednotka života na Zemi. Má všechny vlastnosti živého organismu: roste, rozmnožuje se, vyměňuje si látky a energii s okolím a reaguje na vnější podněty. Počátek biologické evoluce je spojen s výskytem buněčných forem života na Zemi. Jednobuněčné organismy jsou buňky, které existují odděleně jedna od druhé. Tělo všech mnohobuněčných organismů – živočichů i rostlin – je postaveno z většího či menšího počtu buněk, což jsou jakési bloky tvořící komplexní organismus. Bez ohledu na to, zda je buňka integrálním živým systémem - samostatným organismem nebo tvoří pouze jeho část, je vybavena souborem charakteristik a vlastností společných všem buňkám.

Chemické složení buňky

V buňkách bylo nalezeno asi 60 prvků Mendělejevovy periodické tabulky, které se nacházejí i v neživé přírodě. To je jeden z důkazů pospolitosti živé a neživé přírody. Nejčastěji se vyskytuje v živých organismech vodík, kyslík, uhlík A dusík, které tvoří asi 98 % buněčné hmoty. To je způsobeno zvláštními chemickými vlastnostmi vodíku, kyslíku, uhlíku a dusíku, v důsledku čehož se ukázaly jako nejvhodnější pro tvorbu molekul, které plní biologické funkce. Tyto čtyři prvky jsou schopny tvořit velmi silné kovalentní vazby párováním elektronů patřících dvěma atomům. Kovalentně vázané atomy uhlíku mohou tvořit kostru bezpočtu různých organických molekul. Protože atomy uhlíku snadno tvoří kovalentní vazby s kyslíkem, vodíkem, dusíkem a sírou, organické molekuly dosahují výjimečné složitosti a strukturní rozmanitosti.

Kromě čtyř hlavních prvků obsahuje buňka ve znatelném množství (10. a 100. zlomek procenta) žehlička, draslík, sodík, vápník, hořčík, chlór, fosfor A síra. Všechny ostatní prvky ( zinek, měď, jód, fluor, kobalt, mangan atd.) jsou v buňce přítomny ve velmi malých množstvích, a proto se nazývají mikroelementy.

Chemické prvky jsou součástí anorganických a organických sloučenin. Anorganické sloučeniny zahrnují vodu, minerální soli, oxid uhličitý, kyseliny a zásady. Organické sloučeniny jsou veverky, nukleové kyseliny, sacharidy, tuky(lipidy) a lipoidy.

Některé bílkoviny obsahují síra. Složkou nukleových kyselin je fosfor. Molekula hemoglobinu obsahuje žehlička, hořčík podílí se na konstrukci molekuly chlorofyl. Mikroprvky, i přes svůj extrémně nízký obsah v živých organismech, hrají důležitou roli v životních procesech. Jód je součástí hormonu štítné žlázy - tyroxinu, kobalt– vitamin B 12 obsahuje hormon ostrůvkové části slinivky břišní – inzulin – zinek. U některých ryb zaujímá měď místo železa v molekulách pigmentu přenášejících kyslík.

Anorganické látky

Voda

H 2 O je nejběžnější sloučeninou v živých organismech. Jeho obsah v různých buňkách se značně liší: od 10 % v zubní sklovině po 98 % v těle medúzy, ale v průměru tvoří asi 80 % tělesné hmotnosti. Mimořádně důležitá role vody při podpoře životních procesů je dána jejími fyzikálně-chemickými vlastnostmi. Polarita molekul a schopnost tvořit vodíkové vazby činí vodu dobrým rozpouštědlem pro obrovské množství látek. Většina chemických reakcí probíhajících v buňce může probíhat pouze ve vodném roztoku. Voda se také účastní mnoha chemických přeměn.

Celkový počet vodíkových vazeb mezi molekulami vody se mění v závislosti na t °. Na t ° Při tání ledu je zničeno přibližně 15 % vodíkových vazeb, při t° 40°C - polovina. Při přechodu do plynného skupenství jsou všechny vodíkové vazby zničeny. To vysvětluje vysokou měrnou tepelnou kapacitu vody. Při změně teploty vnějšího prostředí voda pohlcuje nebo uvolňuje teplo v důsledku prasknutí nebo nové tvorby vodíkových vazeb. Tímto způsobem se ukazuje, že kolísání teploty uvnitř buňky je menší než v prostředí. Vysoké výparné teplo je základem účinného mechanismu přenosu tepla u rostlin a živočichů.

Voda jako rozpouštědlo se účastní jevů osmózy, která hraje důležitou roli v životě tělesných buněk. Osmóza je průnik molekul rozpouštědla přes polopropustnou membránu do roztoku látky. Semipermeabilní membrány jsou takové, které umožňují průchod molekulám rozpouštědla, ale neumožňují průchod molekul rozpuštěné látky (nebo iontů). Osmóza je tedy jednosměrná difúze molekul vody ve směru roztoku.

Minerální soli

Většina anorganických látek v buňkách je ve formě solí v disociovaném nebo pevném stavu. Koncentrace kationtů a aniontů v buňce a v jejím prostředí není stejná. Buňka obsahuje poměrně hodně K a hodně Na. V extracelulárním prostředí, například v krevní plazmě, v mořské vodě je naopak hodně sodíku a málo draslíku. Dráždivost buněk závisí na poměru koncentrací iontů Na +, K +, Ca 2+, Mg 2+. V tkáních mnohobuněčných živočichů je K součástí mnohobuněčné látky, která zajišťuje soudržnost buněk a jejich uspořádané uspořádání. Osmotický tlak v buňce a její pufrovací vlastnosti do značné míry závisí na koncentraci solí. Pufrování je schopnost buňky udržovat mírně alkalickou reakci svého obsahu na konstantní úrovni. Bufferování uvnitř článku zajišťují především ionty H 2 PO 4 a HPO 4 2-. V extracelulárních tekutinách a v krvi plní roli pufru H 2 CO 3 a HCO 3 -. Anionty váží H ionty a hydroxidové ionty (OH -), díky čemuž zůstává reakce extracelulárních tekutin uvnitř buňky prakticky nezměněna. Nerozpustné minerální soli (například fosforečnan vápenatý) poskytují pevnost kostní tkáni obratlovců a schránkám měkkýšů.

Organická buněčná hmota

Veverky

Mezi organickými látkami buňky jsou bílkoviny na prvním místě jak co do množství (10–12 % celkové hmoty buňky), tak co do významu. Proteiny jsou vysokomolekulární polymery (s molekulovou hmotností od 6000 do 1 milionu a výše), jejichž monomery jsou aminokyseliny. Živé organismy využívají 20 aminokyselin, i když je jich mnohem více. Jakákoli aminokyselina obsahuje aminoskupinu (-NH 2), která má zásadité vlastnosti, a karboxylovou skupinu (-COOH), která má kyselé vlastnosti. Dvě aminokyseliny se spojí do jedné molekuly vytvořením vazby HN-CO, čímž se uvolní molekula vody. Vazba mezi aminoskupinou jedné aminokyseliny a karboxylem jiné se nazývá peptidová vazba. Proteiny jsou polypeptidy obsahující desítky a stovky aminokyselin. Molekuly různých proteinů se od sebe liší molekulovou hmotností, počtem, složením aminokyselin a sekvencí jejich umístění v polypeptidovém řetězci. Je tedy zřejmé, že proteiny jsou extrémně rozmanité, jejich počet ve všech typech živých organismů se odhaduje na 10 10 - 10 12.

Řetězec aminokyselinových jednotek spojených kovalentně peptidovými vazbami ve specifické sekvenci se nazývá primární struktura proteinu. V buňkách vypadají proteiny jako spirálovitě stočená vlákna nebo kuličky (globule). To je vysvětleno skutečností, že v přírodním proteinu je polypeptidový řetězec uspořádán přesně definovaným způsobem v závislosti na chemické struktuře jeho aminokyselin.

Nejprve se polypeptidový řetězec složí do spirály. K přitažlivosti dochází mezi atomy sousedních závitů a vznikají vodíkové vazby, zejména mezi skupinami NH a CO umístěnými na sousedních závitech. Řetězec aminokyselin, stočený do tvaru spirály, tvoří sekundární strukturu proteinu. V důsledku dalšího skládání šroubovice vzniká konfigurace specifická pro každý protein, nazývaná terciární struktura. Terciární struktura je způsobena působením kohezních sil mezi hydrofobními radikály přítomnými v některých aminokyselinách a kovalentními vazbami mezi SH skupinami aminokyseliny cysteinu (vazby S-S). Počet aminokyselin s hydrofobními radikály a cystein, stejně jako pořadí jejich uspořádání v polypeptidovém řetězci, jsou specifické pro každý protein. V důsledku toho jsou znaky terciární struktury proteinu určeny jeho primární strukturou. Protein vykazuje biologickou aktivitu pouze ve formě terciární struktury. Proto nahrazení byť jedné aminokyseliny v polypeptidovém řetězci může vést ke změně konfigurace proteinu a ke snížení nebo ztrátě jeho biologické aktivity.

V některých případech se molekuly bílkovin navzájem spojují a mohou plnit svou funkci pouze ve formě komplexů. Hemoglobin je tedy komplex čtyř molekul a pouze v této formě je schopen vázat a transportovat kyslík. Takové agregáty představují kvartérní strukturu proteinu. Na základě svého složení se proteiny dělí do dvou hlavních tříd – jednoduché a složité. Jednoduché proteiny se skládají pouze z aminokyselin, nukleových kyselin (nukleotidů), lipidů (lipoproteinů), Me (metaloproteiny), P (fosfoproteiny).

Funkce proteinů v buňce jsou extrémně rozmanité. Jednou z nejdůležitějších je konstrukční funkce: proteiny se podílejí na tvorbě všech buněčných membrán a buněčných organel a také intracelulárních struktur. Enzymatická (katalytická) role proteinů je nesmírně důležitá. Enzymy urychlují chemické reakce probíhající v buňce 10 až 100 milionkrát. Motorickou funkci zajišťují speciální kontraktilní proteiny. Tyto proteiny se podílejí na všech typech pohybů, kterých jsou buňky a organismy schopny: blikání řasinek a mlácení bičíků u prvoků, svalová kontrakce u zvířat, pohyb listů u rostlin atd. Transportní funkcí proteinů je připojit chemické prvky (například hemoglobin přidává O) nebo biologicky aktivní látky (hormony) a přenést je do tkání a orgánů těla. Ochranná funkce je vyjádřena ve formě produkce speciálních proteinů, nazývaných protilátky, v reakci na pronikání cizích proteinů nebo buněk do těla. Protilátky vážou a neutralizují cizorodé látky. Proteiny hrají důležitou roli jako zdroje energie. S úplným štípáním 1g. Uvolní se 17,6 kJ (~4,2 kcal) bílkovin.

Sacharidy

Sacharidy neboli sacharidy jsou organické látky obecného vzorce (CH 2 O) n. Většina sacharidů má dvojnásobný počet atomů H oproti počtu atomů O, jako v molekulách vody. Proto se těmto látkám říkalo sacharidy. V živé buňce se sacharidy nacházejí v množství nepřesahujícím 1-2, někdy 5% (v játrech, ve svalech). Na sacharidy jsou nejbohatší rostlinné buňky, kde jejich obsah v některých případech dosahuje 90 % hmoty sušiny (semena, hlízy brambor apod.).

Sacharidy jsou jednoduché a složité. Jednoduché sacharidy se nazývají monosacharidy. V závislosti na počtu atomů sacharidů v molekule se monosacharidy nazývají triózy, tetrózy, pentózy nebo hexózy. Ze šesti uhlíkatých monosacharidů – hexóz – jsou nejdůležitější glukóza, fruktóza a galaktóza. Glukóza je obsažena v krvi (0,1-0,12 %). Pentózy ribóza a deoxyribóza se nacházejí v nukleových kyselinách a ATP. Pokud jsou dva monosacharidy spojeny v jedné molekule, sloučenina se nazývá disacharid. Stolní cukr, získaný z třtiny nebo cukrové řepy, se skládá z jedné molekuly glukózy a jedné molekuly fruktózy, mléčného cukru – glukózy a galaktózy.

Komplexní sacharidy tvořené z mnoha monosacharidů se nazývají polysacharidy. Monomerem polysacharidů, jako je škrob, glykogen, celulóza, je glukóza. Sacharidy plní dvě hlavní funkce: stavební a energetickou. Celulóza tvoří stěny rostlinných buněk. Komplexní polysacharid chitin slouží jako hlavní strukturální složka exoskeletu členovců. Chitin také plní konstrukční funkci v houbách. Sacharidy hrají v buňce roli hlavního zdroje energie. Při oxidaci 1 g sacharidů se uvolní 17,6 kJ (~4,2 kcal). Škrob v rostlinách a glykogen u zvířat se ukládají v buňkách a slouží jako energetická rezerva.

Nukleové kyseliny

Význam nukleových kyselin v buňce je velmi velký. Zvláštnosti jejich chemické struktury poskytují možnost ukládat, přenášet a dědit dceřiným buňkám informace o struktuře proteinových molekul, které jsou syntetizovány v každé tkáni v určité fázi individuálního vývoje. Protože většinu vlastností a charakteristik buněk určují proteiny, je zřejmé, že stabilita nukleových kyselin je nejdůležitější podmínkou pro normální fungování buněk i celých organismů. Jakékoli změny ve struktuře buněk nebo v činnosti fyziologických procesů v nich, čímž ovlivňují životně důležitou činnost. Studium struktury nukleových kyselin je nesmírně důležité pro pochopení dědičnosti znaků v organismech a zákonitostí fungování jak jednotlivých buněk, tak buněčných systémů – tkání a orgánů.

Existují 2 typy nukleových kyselin – DNA a RNA. DNA je polymer sestávající ze dvou nukleotidových šroubovic uspořádaných tak, aby tvořily dvojitou šroubovici. Monomery molekul DNA jsou nukleotidy skládající se z dusíkaté báze (adenin, thymin, guanin nebo cytosin), sacharidu (deoxyribózy) a zbytku kyseliny fosforečné. Dusíkaté báze v molekule DNA jsou navzájem spojeny nestejným počtem H-vazeb a jsou uspořádány do dvojic: adenin (A) je vždy proti thyminu (T), guanin (G) proti cytosinu (C).

Nukleotidy nejsou navzájem spojeny náhodně, ale selektivně. Schopnost selektivní interakce adeninu s thyminem a guaninu s cytosinem se nazývá komplementarita. Komplementární interakce určitých nukleotidů se vysvětluje zvláštnostmi prostorového uspořádání atomů v jejich molekulách, které jim umožňují přiblížit se a vytvořit H-vazby. V polynukleotidovém řetězci jsou sousední nukleotidy navzájem spojeny prostřednictvím cukru (deoxyribózy) a zbytku kyseliny fosforečné. RNA, stejně jako DNA, je polymer, jehož monomery jsou nukleotidy. Dusíkaté báze tří nukleotidů jsou stejné jako ty, které tvoří DNA (A, G, C); čtvrtý - uracil (U) - je přítomen v molekule RNA místo thyminu. Nukleotidy RNA se od nukleotidů DNA liší strukturou sacharidu, který obsahují (ribóza místo deoxyribózy).

V řetězci RNA jsou nukleotidy spojeny vytvořením kovalentních vazeb mezi ribózou jednoho nukleotidu a zbytkem kyseliny fosforečné druhého. Struktura dvouvláknové RNA se liší. Dvouvláknové RNA jsou strážci genetické informace u řady virů, tzn. Plní funkce chromozomů. Jednovláknová RNA přenáší informace o struktuře proteinů z chromozomu do místa jejich syntézy a účastní se syntézy proteinů.

Existuje několik typů jednořetězcové RNA. Jejich názvy jsou určeny jejich funkcí nebo umístěním v buňce. Většina RNA v cytoplazmě (až 80-90 %) je ribozomální RNA (rRNA), obsažená v ribozomech. Molekuly rRNA jsou relativně malé a skládají se v průměru z 10 nukleotidů. Další typ RNA (mRNA), který nese informace o sekvenci aminokyselin v proteinech, které musí být syntetizovány na ribozomy. Velikost těchto RNA závisí na délce oblasti DNA, ze které byly syntetizovány. Transferové RNA plní několik funkcí. Dodávají aminokyseliny do místa syntézy bílkovin, „rozpoznají“ (na principu komplementarity) triplet a RNA odpovídající přenesené aminokyselině a provedou přesnou orientaci aminokyseliny na ribozomu.

Tuky a lipidy

Tuky jsou sloučeniny vysokomolekulárních mastných kyselin a trojmocného alkoholu glycerolu. Tuky se ve vodě nerozpouštějí – jsou hydrofobní. V buňce jsou vždy další komplexní hydrofobní látky podobné tuku zvané lipoidy. Jednou z hlavních funkcí tuků je energie. Při rozkladu 1 g tuků na CO 2 a H 2 O se uvolní velké množství energie - 38,9 kJ (~ 9,3 kcal). Obsah tuku v buňce se pohybuje od 5-15 % hmotnosti sušiny. V živých tkáňových buňkách se množství tuku zvyšuje na 90 %. Hlavní funkcí tuků v živočišném (a částečně i rostlinném) světě je ukládání.

Při úplné oxidaci 1 g tuku (na oxid uhličitý a vodu) se uvolní asi 9 kcal energie. (1 kcal = 1000 cal; kalorie (cal) je mimosystémová jednotka množství práce a energie, která se rovná množství tepla potřebného k ohřátí 1 ml vody o 1 °C při standardním atmosférickém tlaku 101,325 kPa; 1 kcal = 4,19 kJ). Při oxidaci 1 g bílkovin nebo sacharidů (v těle) se uvolní jen asi 4 kcal/g. V různých vodních organismech – od jednobuněčných rozsivek po žraloky dlouhé – bude tuk „plavat“, čímž se sníží průměrná tělesná hustota. Hustota živočišných tuků je asi 0,91-0,95 g/cm³. Hustota kostní tkáně obratlovců se blíží 1,7-1,8 g/cm³ a průměrná hustota většiny ostatních tkání se blíží 1 g/cm³. Je jasné, že na „vyrovnání“ těžké kostry potřebujete poměrně hodně tuku.

Tuky a lipidy plní také konstrukční funkci: jsou součástí buněčných membrán. Kvůli špatné tepelné vodivosti je tuk schopen ochranné funkce. U některých živočichů (tuleň, velryby) se ukládá v podkožní tukové tkáni, tvoří vrstvu o tloušťce až 1 m. Vznik některých lipoidů předchází syntéze řady hormonů. V důsledku toho mají tyto látky také funkci regulace metabolických procesů.

Buňka obsahuje asi 70 prvků Mendělejevovy periodické tabulky prvků a 24 z nich je přítomno ve všech typech buněk. Všechny prvky přítomné v buňce jsou rozděleny v závislosti na jejich obsahu v buňce na skupiny:

makroživiny– H, O, N, C,. Mg, Na, Ca, Fe, K, P, Cl, S;
mikroelementy– B, Ni, Cu, Co, Zn, Mb atd.;
ultramikroelementy– U, Ra, Au, Pb, Hg, Se atd.

organogeny(kyslík, vodík, uhlík, dusík),
makroprvky,
mikroelementy.

Molekuly, které tvoří buňku anorganické A organické spojení.

Anorganické sloučeniny buňky – voda A anorganické ionty.
Voda- nejdůležitější anorganická látka buňky. Všechny biochemické reakce probíhají ve vodných roztocích. Molekula vody má nelineární prostorovou strukturu a má polaritu. Mezi jednotlivými molekulami vody vznikají vodíkové vazby, které určují fyzikální a chemické vlastnosti vody.

*Fyzikální vlastnosti vody*	*Důsledky pro biologické procesy*
Vysoká tepelná kapacita (díky vodíkovým můstkům mezi molekulami) a tepelná vodivost (díky malým velikostem molekul)	Transpirace Pocení Periodické srážky
Průhlednost ve viditelném spektru	Vysoce produktivní biocenózy rybníků, jezer, řek (kvůli možnosti fotosyntézy v malých hloubkách)
Téměř úplná nestlačitelnost (v důsledku intermolekulárních kohezních sil)	Udržování tvaru organismů: tvar sukulentních orgánů rostlin, postavení trav v prostoru, hydrostatická kostra škrkavek, medúz, plodová voda podporuje a chrání plod savců
Molekulární mobilita (v důsledku slabých vodíkových vazeb)	Osmóza: proudění vody z půdy; plazmolýza
Viskozita (vodíkové vazby)	Mazací vlastnosti: synoviální tekutina v kloubech, pleurální tekutina
Rozpouštědlo (molekulární polarita)	Krev, tkáňový mok, lymfa, žaludeční šťáva, sliny u zvířat; buněčná míza v rostlinách; vodní organismy využívají kyslík rozpuštěný ve vodě
Schopnost vytvářet hydratační obal kolem makromolekul (díky polaritě molekul)	Disperzní médium v koloidním systému cytoplazmy
Optimální hodnota sil povrchového napětí pro biologické systémy (v důsledku intermolekulárních kohezních sil)	Vodné roztoky jsou prostředkem pro transport látek v těle
Expanze po zmrazení (vzhledem k vytvoření maximálního počtu 4 vodíkových vazeb každou molekulou)	Led je lehčí než voda a v nádržích funguje jako tepelný izolant.

Anorganické ionty:
kationty K+, Na+, Ca2+, Mg2+ a anionty Cl–, NO3-, PO4 2-, CO32-, HPO42-.

Rozdíl mezi počtem kationtů a aniontů (Na + , TO + , Cl-) na povrchu i uvnitř buňky zajišťuje vznik akčního potenciálu, který je podkladem nervová a svalová stimulace.
Anionty kyseliny fosforečné vytvářejí fosfátový pufrovací systém, udržování pH intracelulárního prostředí těla na úrovni 6-9.
Vzniká kyselina uhličitá a její anionty bikarbonátový pufrovací systém a udržovat pH extracelulárního prostředí (krevní plazma) na úrovni 7-4.
Sloučeniny dusíku slouží zdroj minerální výživa, syntéza bílkovin, nukleové kyseliny.
Atomy fosforu jsou součástí nukleových kyselin, fosfolipidů, ale i kostí obratlovců a chitinózního obalu členovců.
Ionty vápníku jsou součástí hmoty kostí; jsou také nezbytné pro svalovou kontrakci a srážení krve.

Stůl. Role makroprvků na buněčné a organizační úrovni.

Stůl.

Tématické úkoly

Část A

A1. Polarita vody určuje její schopnost
1) vést teplo
3) rozpusťte chlorid sodný
2) absorbovat teplo
4) rozpusťte glycerin

A2. Dětem s křivicí by měly být podávány léky obsahující
1) železo
2) draslík
3) vápník
4) zinek

A3. Vedení nervového vzruchu zajišťují ionty:
1) draslík a sodík
2) fosfor a dusík
3) železo a měď
4) kyslík a chlór

A4. Slabé vazby mezi molekulami vody v její kapalné fázi se nazývají:
1) kovalentní
2) hydrofobní
3) vodík
4) hydrofilní

A5. Hemoglobin obsahuje
1) fosfor
2) železo
3) síra
4) hořčík

A6. Vyberte skupinu chemických prvků, které jsou nutně zahrnuty v proteinech
1) Na, K, O, S
2) N, P, C, Cl
3) C, S, Fe, O
4) C, H, O, N

A7. Pacientům s hypotyreózou jsou podávány léky obsahující
1) jód
2) železo
3) fosfor
4) sodík

Část B

V 1. Vyberte funkce vody v kleci
1) energie
2) enzymatické
3) doprava
4) konstrukce
5) mazání
6) termoregulační

AT 2. Vyberte pouze fyzikální vlastnosti vody
1) schopnost disociovat
2) hydrolýza solí
3) hustota
4) tepelná vodivost
5) elektrická vodivost
6) darování elektronů

Část C

C1. Jaké fyzikální vlastnosti vody určují její biologický význam?

Asi 70 prvků periodického systému prvků D. I. Mendělejeva bylo nalezeno v buňkách různých organismů, ale pouze 24 z nich má dobře zavedený význam a neustále se nacházejí ve všech typech buněk.

Největší podíl na elementárním složení buňky tvoří kyslík, uhlík, vodík a dusík. Jedná se o tzv základní nebo biogenní Prvky. Tyto prvky tvoří více než 95 % hmoty buněk a jejich relativní obsah v živé hmotě je mnohem vyšší než v zemské kůře. Životně důležité jsou také vápník, fosfor, síra, draslík, chlor, sodík, hořčík, jód a železo. Jejich obsah v buňce se počítá na desetiny a setiny procenta. Uvedené prvky tvoří skupinu makroživiny.

Další chemické prvky: měď, mangan, molybden, kobalt, zinek, bór, fluor, chrom, selen, hliník, jód, železo, křemík - jsou obsaženy v extrémně malých množstvích (méně než 0,01 % buněčné hmoty). Patří do skupiny mikroelementy.

Procentuální obsah konkrétního prvku v těle nikterak necharakterizuje míru jeho důležitosti a nezbytnosti v organismu. Řada mikroprvků je např. součástí různých biologicky aktivních látek - enzymů, vitamínů (kobalt je součástí vitamínu B12), hormonů (jód je součástí tyroxinu, ovlivňují růst a vývoj organismů (zinek, mangan, měď); krvetvorba (železo, měď), procesy buněčného dýchání (měď, zinek) atd. Obsah a význam různých chemických prvků pro život buněk a organismu jako celku jsou uvedeny v tabulce:

Nejdůležitější chemické prvky buňky

Živel	Symbol	Přibližný obsah, %	Význam pro buňky a organismy
Kyslík	Ó	62	Část vody a organické hmoty; podílí se na buněčném dýchání
Uhlík	C	20	Obsahuje všechny organické látky
Vodík	H	10	Část vody a organické hmoty; podílí se na procesech přeměny energie
Dusík	N	3	Obsahuje aminokyseliny, proteiny, nukleové kyseliny, ATP, chlorofyl, vitamíny
Vápník	Ca	2,5	Část buněčné stěny rostlin, kostí a zubů, zvyšuje srážlivost krve a kontraktilitu svalových vláken
Fosfor	P	1,0	Část kostní tkáně a zubní skloviny, nukleové kyseliny, ATP a některé enzymy
Síra	S	0,25	Část aminokyselin (cystein, cystin a methionin), některé vitamíny, podílí se na tvorbě disulfidových vazeb při tvorbě terciární struktury bílkovin
Draslík	K	0,25	Obsažen v buňce pouze ve formě iontů, aktivuje enzymy syntézy bílkovin, určuje normální rytmus srdeční činnosti, účastní se procesů fotosyntézy a tvorby bioelektrických potenciálů
Chlór	Cl	0,2	V těle zvířat převládá záporný iont. Kyselina chlorovodíková složka žaludeční šťávy
Sodík	Na	0,1	Je obsažen v buňce pouze ve formě iontů, určuje normální rytmus srdeční činnosti a ovlivňuje syntézu hormonů
Hořčík	Mg	0,07	Část molekul chlorofylu, stejně jako kosti a zuby, aktivuje energetický metabolismus a syntézu DNA
Jód	já	0,01	Obsahuje hormony štítné žlázy
Žehlička	Fe	Stopy	Je součástí mnoha enzymů, hemoglobinu a myoglobinu, podílí se na biosyntéze chlorofylu, na transportu elektronů, na procesech dýchání a fotosyntézy
Měď	Cu	Stopy	Je součástí hemokyaninů u bezobratlých, součástí některých enzymů a podílí se na procesech krvetvorby, fotosyntézy a syntézy hemoglobinu.
Mangan	Mn	Stopy	Část nebo zvyšuje aktivitu některých enzymů, podílí se na vývoji kostí, asimilaci dusíku a procesu fotosyntézy
Molybden	Mo	Stopy	Část některých enzymů (nitrátreduktáza), podílí se na procesech fixace atmosférického dusíku nodulovými bakteriemi
Kobalt	spol	Stopy	Část vitaminu B12, podílí se na fixaci atmosférického dusíku nodulickými bakteriemi
Bor	B	Stopy	Ovlivňuje růstové procesy rostlin, aktivuje reduktivní dýchací enzymy
Zinek	Zn	Stopy	Část některých enzymů, které štěpí polypeptidy, podílí se na syntéze rostlinných hormonů (auxinů) a glykolýze
Fluor	F	Stopy	Obsahuje sklovinu zubů a kostí

V živých organismech bylo objeveno více než 70 chemických prvků. Jsou nedílnou součástí určitých látek, které tvoří struktury těla a účastní se chemických reakcí. Organismy obsahují některých chemických prvků více, jiných méně a další jsou přítomny v zanedbatelném množství.

Makroprvky. Chemické prvky, jejichž obsah se v živých organismech pohybuje v řádu desítek až setin procenta, se nazývají makroprvky.Živé organismy jsou z více než 98 % složeny ze čtyř chemických prvků: kyslíku (O), uhlíku (C), vodíku (H) a dusíku (N). Vodík a kyslík jsou základními prvky vody. Spolu s uhlíkem a dusíkem jsou tyto prvky hlavními složkami organických sloučenin živých organismů.

Mezi molekuly mnoha organických látek patří také síra (S) a fosfor (P). Kromě toho mezi makroprvky patří sodík (Na), draslík (NA), hořčík (Mg), vápník (Ca), chlor (C1) atd.

Nejdůležitější makroživinou pro lidské tělo je vápník. Jeho sloučeniny, zejména ortofosfát, tvoří minerální základ kostí a zubů. Další sloučeniny vápníku se podílejí na nervové a svalové činnosti a jsou součástí buněk a tkáňového moku těla. Denní potřeba vápníku u dospělého člověka je od 0,8 do 2 g Hlavními zdroji tohoto prvku jsou mléko, kefír, tvaroh, sýr, ryby, fazole, petržel, zelená cibule, ale i vejce, pohanka, ovesné vločky, mrkev. a hrášek.

Potraviny však mohou obsahovat i látky, které narušují vstřebávání vápníku, jako je kyselina šťavelová a fytin. S kyselinou šťavelovou tvoří vápník slabě rozpustnou sůl i fytin docela pevně zadržuje vápník. Proto je důležité nadměrně nepoužívat pokrmy ze šťovíku a špenátu, jejichž listy obsahují 0,1-0,5 % kyseliny šťavelové. Fytin, přítomný v zelenině a obilovinách, se teplem ničí, a proto je méně škodlivý. Žitný chléb je zdravější než pšeničný – obsahuje méně fytinu.

Mikroelementy. Skupinu tvoří životně důležité prvky, které se nacházejí v živých organismech v extrémně malých množstvích (méně než 0,01 %) mikroelementy. NA Tato skupina zahrnuje některé kovy, jako je železo (Fe), zinek (Zn), měď (Cu), mangan (Mn), kobalt (Co), molybden (Mo), stejně jako nekovy fluor (F), jód (já) atd.

Procentuální obsah určitého prvku neurčuje stupeň jeho důležitosti v organismu. Například jód, jehož obsah běžně v lidském těle nepřesahuje 0,0001 %, je součástí hormonů štítné žlázy tyroxinu a trijodtyroninu. Tyto hormony regulují metabolismus, ovlivňují růst, vývoj a diferenciaci tkání a činnost nervové soustavy.

Železo a měď jsou součástí enzymů zapojených do buněčného dýchání. Spolu s kobaltem hrají důležitou roli v krvetvorných procesech. Zinek a mangan ovlivňují růst a vývoj organismů. Fluorid je součástí kostní tkáně a zubní skloviny. Podrobnější informace o obsahu a biologické roli chemických prvků v živých organismech jsou uvedeny v tabulce 1.

Tabulka 1. Biologicky významné chemické prvky

		Biologická role
Makronutrienty
kyslík (O)		Je součástí molekul vody a organických látek, zajišťuje oxidační reakce, při kterých se uvolňuje energie nezbytná pro tělo
uhlík (C)		Část molekul všech organických látek
vodík (H)		Část molekul vody a všech organických látek
		Část molekul organických látek, včetně proteinů, nukleových kyselin, ATP
vápník (Ca)		Je součástí kostní tkáně, zubní skloviny, podílí se na procesech srážení krve a zajišťuje kontraktilitu svalových vláken. U rostlin je součástí buněčné stěny
fosfor (P)		Část organických látek (DNA, RNA, ATP aj.), kostní tkáně a zubní skloviny
		Jeden z hlavních kationtů v těle zvířat: podílí se na tvorbě bioelektrických potenciálů a regulaci rytmu srdeční činnosti. Také se podílí na procesu fotosyntézy
		Část organických látek (bílkoviny, některé aminokyseliny)
		Hlavní anion v těle zvířat. Obsahuje kyselinu chlorovodíkovou v žaludeční šťávě
sodík (Na)		Jeden z hlavních kationtů: podílí se na tvorbě bioelektrických potenciálů, udržuje normální rytmus srdeční činnosti, ovlivňuje syntézu hormonů
Hořčík (Mg)		Část chlorofylu, některé enzymy, ale i kostní tkáň a zubní sklovina

		Biologická role
Mikroelementy
železo (Fe)		Součást mnoha enzymů, hemoglobinu a myoglobinu. Podílí se na procesech buněčného dýchání a fotosyntézy
Křemík (Si)*		Podílí se na tvorbě kostí a kolagenu - hlavní bílkoviny pojivové tkáně u zvířat. Část buněčné stěny rostlin
		Část inzulinu, některé enzymy, se účastní syntézy rostlinných hormonů
		Podílí se na procesech fotosyntézy, buněčného dýchání, syntézy hemoglobinu. Část hemocyaninů - respirační barviva v krvi a hemolymfě některých druhů bezobratlých živočichů
		Část zubní skloviny a kostní tkáně
		Obsahuje hormony štítné žlázy
mangan (Mn)	méně než 0,0001	Je součástí nebo zvyšuje aktivitu některých enzymů. Podílí se na tvorbě kostí a na procesu fotosyntézy
kobalt (Co)	méně než 0,0001	Část vitaminu B 12, účastní se krvetvorných procesů
molybden (Mo)	méně než 0,0001	Podílí se na procesech fixace atmosférického dusíku nodulovými bakteriemi

* Pro rostliny - makronutrient

Pro člověka jsou zdroji makro- a mikroprvků jídlo a voda. Pro plné uspokojení potřeb makro- a mikroprvků je proto nezbytná kompletní a pestrá strava, včetně produktů živočišného a rostlinného původu. Bělorusko a některé další oblasti Země se vyznačují nedostatkem jódu a fluoru v přírodní vodě. Proto je velmi důležité jíst častěji mořské plody a také kompenzovat tento nedostatek konzumací fluoridované a jodizované kuchyňské soli, jejíž výroba a prodej je u nás zaveden.

1. Do které skupiny se řadí všechny prvky jako makroprvky? Na mikroelementy?

a) Železo, síra, kobalt; c) sodík, kyslík, jód;

b) fosfor, hořčík, dusík; d) fluor, měď, mangan.

2. Které chemické prvky se nazývají makroprvky? Vyjmenujte je. Jaký je význam makroživin v živých organismech?

3. Jaké prvky se nazývají mikroelementy? Dát příklad. Jaká je role mikroprvků pro život organismů?

4. Stanovte vztah mezi chemickým prvkem a jeho biologickou funkcí:

1) vápník

3) kobalt

4) jód 5) zinek 6) měď

a) podílí se na syntéze rostlinných hormonů, je součástí inzulinu, b) je součástí hormonů štítné žlázy.

c) je součástí chlorofylu.

d) je součástí hemokyaninů některých bezobratlých živočichů.

e) je nezbytný pro svalovou kontrakci a srážlivost krve, f) je součástí vitaminu B 12.

5. Na základě materiálu o biologické úloze makro- a mikroprvků a poznatků získaných studiem lidského těla v 9. ročníku vysvětlit, k jakým důsledkům může vést nedostatek některých chemických prvků v lidském těle.

6. Tabulka ukazuje obsah hlavních chemických prvků v zemské kůře (hmotnostně, v %). Porovnejte složení zemské kůry a živých organismů. Jaké jsou vlastnosti elementárního složení živých organismů? Jaká fakta nám umožňují učinit závěr o jednotě živé a neživé přírody?

Kapitola 1. Chemické složky živých organismů

§ 1. Obsah chemických prvků v těle. Makro- a mikroprvky
§ 2. Chemické sloučeniny v živých organismech. Anorganické látky

Kapitola 2. Buňka - stavební a funkční jednotka živých organismů

§ 10. Historie objevu buňky. Tvorba buněčné teorie
§ 15. Endoplazmatické retikulum. Golgiho komplex. Lysozomy

Kapitola 3. Metabolismus a přeměna energie v těle

V buňce se nachází asi 70 chemických prvků D.I. Mendělejevovy periodické tabulky, ale obsah těchto prvků se výrazně liší od jejich koncentrací v prostředí, což dokazuje jednotu organického světa.

Chemické prvky přítomné v buňce se dělí do tří velkých skupin: makroelementy, mezoelementy (oligoelementy) a mikroelementy.

Obsah makroprvků tvoří asi 98 % buněčné hmoty. Patří mezi ně uhlík, kyslík, vodík a dusík, které jsou součástí hlavních organických látek. Mezoprvky jsou síra, fosfor, draslík, vápník, sodík, železo, hořčík, chlór, celkem asi 1,9 % buněčné hmoty. Síra a fosfor jsou součástí nejdůležitějších organických sloučenin. Chemické prvky, jejichž koncentrace v buňce je asi 0,1 %, se řadí mezi mikroprvky. Jedná se o zinek, jód, měď, mangan, fluor, kobalt atd.

Buněčné látky se dělí na anorganické a organické. Mezi anorganické látky patří voda a minerální soli.

Voda v buňce je pro své fyzikálně-chemické vlastnosti rozpouštědlem, reakčním prostředím, výchozí látkou a produktem chemických reakcí, plní transportní a termoregulační funkce, dodává buňce pružnost a zajišťuje pohon rostlinné buňky.

Minerální soli v buňce mohou být v rozpuštěném nebo nerozpuštěném stavu. Rozpustné soli disociují na ionty. Nejdůležitějšími kationty jsou draslík a sodík, které usnadňují přenos látek přes membránu a podílejí se na vzniku a vedení nervových vzruchů; vápník, který se podílí na procesech stahování svalových vláken a srážení krve, hořčík, který je součástí chlorofylu, a železo, které je součástí řady bílkovin včetně hemoglobinu. Zinek je součástí molekuly hormonu slinivky břišní – inzulínu, měď je nutná pro procesy fotosyntézy a dýchání. Nejdůležitější anionty jsou fosfátový anion, který je součástí ATP a nukleových kyselin, a zbytek kyseliny uhličité, který změkčuje výkyvy pH prostředí. Nedostatek vápníku a fosforu vede ke křivici, nedostatek železa vede k chudokrevnosti.

Organické látky buňky jsou zastoupeny sacharidy, lipidy, bílkovinami, nukleovými kyselinami, ATP, vitamíny a hormony.

Sacharidy se skládají především ze tří chemických prvků: uhlíku, kyslíku a vodíku. Jejich obecný vzorec je Cm(H20)n. Existují jednoduché a složité sacharidy. Jednoduché sacharidy (monosacharidy) obsahují jedinou molekulu cukru. Jsou klasifikovány podle počtu atomů uhlíku, jako je pentóza (C5) a hexóza (C6). Pentózy zahrnují ribózu a deoxyribózu. Ribóza je součástí RNA a ATP. Deoxyribóza je součástí DNA. Hexózy jsou glukóza, fruktóza, galaktóza atd. Aktivně se podílejí na buněčném metabolismu a jsou součástí komplexních sacharidů - oligosacharidů a polysacharidů. Mezi oligosacharidy (disacharidy) patří sacharóza (glukóza + fruktóza), laktóza nebo mléčný cukr (glukóza + galaktóza) atd.

Příklady polysacharidů jsou škrob, glykogen, celulóza a chitin. Sacharidy plní v buňce funkce plastické (stavební), energetické (energetická hodnota rozkladu 1 g sacharidů je 17,6 kJ), zásobní a podpůrné funkce. Sacharidy mohou být také součástí komplexních lipidů a bílkovin.

Lipidy jsou skupinou hydrofobních látek. Patří sem tuky, voskové steroidy, fosfolipidy atd.

Struktura molekuly tuku

Tuk je ester trojmocného alkoholu glycerolu a vyšších organických (mastných) kyselin. V molekule tuku lze rozlišit hydrofilní část - „hlavu“ (zbytek glycerolu) a hydrofobní část – „ocasy“ (zbytky mastných kyselin), proto je molekula tuku ve vodě orientována přesně definovaným způsobem: hydrofilní část směřuje k vodě a hydrofobní část - pryč od ní.

Lipidy plní v buňce funkci plastickou (stavební), energetickou (energetická hodnota rozkladu 1 g tuku je 38,9 kJ), zásobní, ochrannou (tlumící) a regulační (steroidní hormony).

Proteiny jsou biopolymery, jejichž monomery jsou aminokyseliny. Aminokyseliny obsahují aminoskupinu, karboxylovou skupinu a radikál. Aminokyseliny se liší pouze svými radikály. Bílkoviny obsahují 20 základních aminokyselin. Aminokyseliny jsou navzájem spojeny a tvoří peptidovou vazbu. Řetězec o více než 20 aminokyselinách se nazývá polypeptid nebo protein. Proteiny tvoří čtyři hlavní struktury: primární, sekundární, terciární a kvartérní.

Primární struktura je sekvence aminokyselin spojených peptidovou vazbou.

Sekundární struktura je šroubovice nebo složená struktura, držená pohromadě vodíkovými vazbami mezi atomy kyslíku a vodíku peptidových skupin různých závitů šroubovice nebo záhybů. Terciární struktura (globule) je držena pohromadě hydrofobními, vodíkovými, disulfidovými a dalšími vazbami.

Terciární struktura proteinu

Terciární struktura je charakteristická pro většinu bílkovin v těle, například pro svalový myoglobin.

Kvartérní struktura bílkovin.

Kvartérní struktura je nejsložitější, tvoří ji několik polypeptidových řetězců spojených převážně stejnými vazbami jako v terciární. Kvartérní struktura je charakteristická pro hemoglobin, chlorofyl atd.

Proteiny mohou být jednoduché nebo složité. Jednoduché bílkoviny se skládají pouze z aminokyselin, zatímco komplexní bílkoviny (lipoproteiny, chromoproteiny, glykoproteiny, nukleoproteiny atd.) obsahují bílkovinné a nebílkovinné části. Například hemoglobin kromě čtyř polypeptidových řetězců proteinu globinu obsahuje nebílkovinnou část - hem, v jejímž středu je iont železa, který dává hemoglobinu červenou barvu.

Funkční aktivita proteinů závisí na podmínkách prostředí. Ztráta struktury molekuly proteinu až na její primární strukturu se nazývá denaturace. Opačným procesem obnovy sekundárních a vyšších struktur je renaturace. Úplná destrukce molekuly proteinu se nazývá destrukce.

Bílkoviny plní v buňce řadu funkcí: plastické (stavební), katalytické (enzymatické), energetické (energetická hodnota rozkladu 1 g bílkoviny je 17,6 kJ), signalizační (receptorové), kontraktilní (motorické), transportní, ochranné, regulační, skladovací.

Nukleové kyseliny jsou biopolymery, jejichž monomery jsou nukleotidy. Nukleotid obsahuje dusíkatou bázi, zbytek pentózového cukru a zbytek kyseliny ortofosforečné. Existují dva typy nukleových kyselin: ribonukleová kyselina (RNA) a deoxyribonukleová kyselina (DNA).

DNA obsahuje čtyři typy nukleotidů: adenin (A), thymin (T), guanin (G) a cytosin (C). Tyto nukleotidy obsahují cukr deoxyribózu. Chargaffova pravidla pro DNA jsou:

1) počet adenylových nukleotidů v DNA je roven počtu thymidylových nukleotidů (A = T);

2) počet guanylových nukleotidů v DNA je roven počtu cytidylových nukleotidů (G = C);

3) součet adenylových a guanylových nukleotidů je roven součtu thymidylových a cytidylových nukleotidů (A + G = T + C).

Strukturu DNA objevili F. Crick a D. Watson (Nobelova cena za fyziologii a medicínu 1962). Molekula DNA je dvouvláknová šroubovice. Nukleotidy jsou navzájem spojeny prostřednictvím zbytků kyseliny fosforečné, čímž se vytvoří fosfodiesterová vazba, zatímco dusíkaté báze směřují dovnitř. Vzdálenost mezi nukleotidy v řetězci je 0,34 nm.

Nukleotidy různých řetězců jsou navzájem spojeny vodíkovými můstky podle principu komplementarity: adenin je spojen s thyminem dvěma vodíkovými můstky (A = T) a guanin je spojen s cytosinem třemi (G = C).

Struktura nukleotidů

Nejdůležitější vlastností DNA je schopnost replikace (samoduplikace). Hlavní funkcí DNA je uchovávání a přenos dědičných informací.

Je koncentrován v jádře, mitochondriích a plastidech.

RNA také obsahuje čtyři nukleotidy: adenin (A), uracil (U), guanin (G) a cytosin (C). Zbytek pentózového cukru v něm představuje ribóza. RNA jsou většinou jednovláknové molekuly. Existují tři typy RNA: messenger RNA (i-RNA), transferová RNA (t-RNA) a ribozomální RNA (r-RNA).

Struktura tRNA

Všechny se aktivně podílejí na procesu implementace dědičné informace, která se přepisuje z DNA na i-RNA a na posledně jmenované již probíhá syntéza proteinů, t-RNA v procesu syntézy proteinů přivádí aminokyseliny do ribozomy, r-RNA je součástí samotných ribozomů.