Bunka v chémii. Chemická organizácia bunky. Anorganické látky. Organické látky. Organické a anorganické látky

Bunka- základná jednotka života na Zemi. Má všetky vlastnosti živého organizmu: rastie, rozmnožuje sa, vymieňa si látky a energiu s okolím a reaguje na vonkajšie podnety. Začiatok biologickej evolúcie je spojený s objavením sa bunkových foriem života na Zemi. Jednobunkové organizmy sú bunky, ktoré existujú oddelene od seba. Telo všetkých mnohobunkových organizmov – živočíchov a rastlín – je postavené z väčšieho či menšieho počtu buniek, ktoré sú akýmisi blokmi, ktoré tvoria zložitý organizmus. Bez ohľadu na to, či je bunka integrálnym živým systémom – samostatným organizmom alebo tvorí len jeho časť, je vybavená súborom charakteristík a vlastností spoločných pre všetky bunky.

Chemické zloženie bunky

V bunkách sa našlo asi 60 prvkov Mendelejevovej periodickej tabuľky, ktoré sa nachádzajú aj v neživej prírode. To je jeden z dôkazov o zhode živej a neživej prírody. Najčastejšie v živých organizmoch vodík, kyslík, uhlíka A dusíka, ktoré tvoria asi 98 % bunkovej hmoty. Je to spôsobené zvláštnymi chemickými vlastnosťami vodíka, kyslíka, uhlíka a dusíka, v dôsledku čoho sa ukázali ako najvhodnejšie na tvorbu molekúl, ktoré vykonávajú biologické funkcie. Tieto štyri prvky sú schopné vytvárať veľmi silné kovalentné väzby párovaním elektrónov patriacich dvom atómom. Kovalentne viazané atómy uhlíka môžu tvoriť kostry nespočetných rôznych organických molekúl. Keďže atómy uhlíka ľahko vytvárajú kovalentné väzby s kyslíkom, vodíkom, dusíkom a sírou, organické molekuly dosahujú výnimočnú zložitosť a štrukturálnu rozmanitosť.

Okrem štyroch hlavných prvkov obsahuje bunka značné množstvá (10. a 100. zlomok percenta) železo, draslík, sodík, vápnik, horčík, chlór, fosfor A síra. Všetky ostatné prvky ( zinok, meď, jód, fluór, kobalt, mangán atď.) sa nachádzajú v bunke vo veľmi malých množstvách, a preto sa nazývajú mikroelementy.

Chemické prvky sú súčasťou anorganických a organických zlúčenín. Anorganické zlúčeniny zahŕňajú vodu, minerálne soli, oxid uhličitý, kyseliny a zásady. Organické zlúčeniny sú veveričky, nukleových kyselín, sacharidy, tukov(lipidy) a lipoidy.

Niektoré bielkoviny obsahujú síra. Zložkou nukleových kyselín je fosfor. Molekula hemoglobínu obsahuje železo, horčík podieľa sa na konštrukcii molekuly chlorofyl. Mikroelementy, napriek ich extrémne nízkemu obsahu v živých organizmoch, zohrávajú dôležitú úlohu v životných procesoch. jód je súčasťou hormónu štítnej žľazy - tyroxínu, kobalt– vitamín B 12 obsahuje hormón ostrovčekovej časti pankreasu – inzulín – zinok. U niektorých rýb zaberá meď miesto železa v molekulách pigmentu prenášajúceho kyslík.

Anorganické látky

Voda

H 2 O je najbežnejšou zlúčeninou v živých organizmoch. Jeho obsah v rôznych bunkách sa značne líši: od 10 % v zubnej sklovine po 98 % v tele medúzy, ale v priemere tvorí asi 80 % telesnej hmotnosti. Mimoriadne dôležitá úloha vody pri podpore životných procesov je spôsobená jej fyzikálno-chemickými vlastnosťami. Polarita molekúl a schopnosť vytvárať vodíkové väzby robia z vody dobré rozpúšťadlo pre obrovské množstvo látok. Väčšina chemických reakcií prebiehajúcich v bunke môže prebiehať iba vo vodnom roztoku. Voda sa tiež podieľa na mnohých chemických premenách.

Celkový počet vodíkových väzieb medzi molekulami vody sa mení v závislosti od t °. Na t ° Keď sa ľad roztopí, približne 15 % vodíkových väzieb sa zničí, pri t° 40 °C - polovica. Pri prechode do plynného skupenstva sa zničia všetky vodíkové väzby. To vysvetľuje vysokú mernú tepelnú kapacitu vody. Pri zmene teploty vonkajšieho prostredia voda pohlcuje alebo uvoľňuje teplo v dôsledku prasknutia alebo novotvorby vodíkových väzieb. Takto sa ukáže, že kolísanie teploty vo vnútri bunky je menšie ako v prostredí. Vysoké výparné teplo je základom účinného mechanizmu prenosu tepla v rastlinách a živočíchoch.

Voda ako rozpúšťadlo sa podieľa na javoch osmózy, ktorá hrá dôležitú úlohu v živote buniek tela. Osmóza je prienik molekúl rozpúšťadla cez polopriepustnú membránu do roztoku látky. Polopriepustné membrány sú tie, ktoré umožňujú prechod molekulám rozpúšťadla, ale neumožňujú prechod molekúl rozpustenej látky (alebo iónov). Preto je osmóza jednosmerná difúzia molekúl vody v smere roztoku.

Minerálne soli

Väčšina anorganických látok v bunkách je vo forme solí v disociovanom alebo pevnom stave. Koncentrácia katiónov a aniónov v bunke a v jej prostredí nie je rovnaká. Bunka obsahuje pomerne veľa K a veľa Na. V mimobunkovom prostredí, napríklad v krvnej plazme, v morskej vode je naopak veľa sodíka a málo draslíka. Dráždivosť buniek závisí od pomeru koncentrácií iónov Na +, K +, Ca 2+, Mg 2+. V tkanivách mnohobunkových živočíchov je K súčasťou mnohobunkovej látky, ktorá zabezpečuje súdržnosť buniek a ich usporiadané usporiadanie. Osmotický tlak v bunke a jej pufrovacie vlastnosti do značnej miery závisia od koncentrácie solí. Pufrovanie je schopnosť bunky udržiavať mierne zásaditú reakciu svojho obsahu na konštantnej úrovni. Pufrovanie vo vnútri článku zabezpečujú hlavne ióny H 2 PO 4 a HPO 4 2-. V extracelulárnych tekutinách a v krvi zohrávajú úlohu pufra H 2 CO 3 a HCO 3 -. Anióny viažu H ióny a hydroxidové ióny (OH -), vďaka čomu zostáva reakcia extracelulárnych tekutín vo vnútri bunky prakticky nezmenená. Nerozpustné minerálne soli (napríklad fosforečnan vápenatý) poskytujú pevnosť kostnému tkanivu stavovcov a schránkam mäkkýšov.

Organická bunková hmota


Veveričky

Medzi organickými látkami bunky sú bielkoviny na prvom mieste v množstve (10–12 % z celkovej hmoty bunky), ako aj v dôležitosti. Proteíny sú vysokomolekulárne polyméry (s molekulovou hmotnosťou od 6000 do 1 milióna a viac), ktorých monoméry sú aminokyseliny. Živé organizmy využívajú 20 aminokyselín, hoci ich je oveľa viac. Zloženie akejkoľvek aminokyseliny zahŕňa aminoskupinu (-NH 2), ktorá má zásadité vlastnosti, a karboxylovú skupinu (-COOH), ktorá má kyslé vlastnosti. Dve aminokyseliny sa spoja do jednej molekuly vytvorením väzby HN-CO, čím sa uvoľní molekula vody. Väzba medzi aminoskupinou jednej aminokyseliny a karboxylovou skupinou druhej sa nazýva peptidová väzba. Proteíny sú polypeptidy obsahujúce desiatky a stovky aminokyselín. Molekuly rôznych proteínov sa navzájom líšia molekulovou hmotnosťou, počtom, zložením aminokyselín a sekvenciou ich umiestnenia v polypeptidovom reťazci. Je teda zrejmé, že proteíny sú mimoriadne rôznorodé; ich počet vo všetkých typoch živých organizmov sa odhaduje na 10 10 - 10 12.

Reťazec aminokyselín spojených kovalentne peptidovými väzbami v špecifickej sekvencii sa nazýva primárna štruktúra proteínu. V bunkách vyzerajú proteíny ako špirálovito stočené vlákna alebo guľôčky (guličky). Vysvetľuje to skutočnosť, že v prírodnom proteíne je polypeptidový reťazec usporiadaný presne definovaným spôsobom v závislosti od chemickej štruktúry jeho základných aminokyselín.

Najprv sa polypeptidový reťazec zloží do špirály. K príťažlivosti dochádza medzi atómami susedných závitov a vznikajú vodíkové väzby najmä medzi skupinami NH a CO umiestnenými na susedných závitoch. Reťazec aminokyselín, skrútený vo forme špirály, tvorí sekundárnu štruktúru proteínu. V dôsledku ďalšieho skladania špirály vzniká konfigurácia špecifická pre každý proteín, nazývaná terciárna štruktúra. Terciárna štruktúra je spôsobená pôsobením kohéznych síl medzi hydrofóbnymi radikálmi prítomnými v niektorých aminokyselinách a kovalentnými väzbami medzi skupinami SH cysteínu aminokyseliny (väzby S-S). Počet aminokyselín s hydrofóbnymi radikálmi a cysteínom, ako aj poradie ich usporiadania v polypeptidovom reťazci sú špecifické pre každý proteín. V dôsledku toho sú znaky terciárnej štruktúry proteínu určené jeho primárnou štruktúrou. Proteín vykazuje biologickú aktivitu iba vo forme terciárnej štruktúry. Preto nahradenie čo i len jednej aminokyseliny v polypeptidovom reťazci môže viesť k zmene konfigurácie proteínu a k zníženiu alebo strate jeho biologickej aktivity.

V niektorých prípadoch sa molekuly proteínov navzájom spájajú a môžu vykonávať svoju funkciu iba vo forme komplexov. Hemoglobín je teda komplexom štyroch molekúl a iba v tejto forme je schopný viazať a transportovať kyslík. Takéto agregáty predstavujú kvartérnu štruktúru proteínu. Na základe zloženia sa bielkoviny delia do dvoch hlavných tried – jednoduché a zložité. Jednoduché proteíny pozostávajú iba z aminokyselín, nukleových kyselín (nukleotidov), lipidov (lipoproteíny), Me (metaloproteíny), P (fosfoproteíny).

Funkcie proteínov v bunke sú mimoriadne rôznorodé. Jednou z najdôležitejších je konštrukčná funkcia: proteíny sa podieľajú na tvorbe všetkých bunkových membrán a bunkových organel, ako aj vnútrobunkových štruktúr. Enzymatická (katalytická) úloha bielkovín je mimoriadne dôležitá. Enzýmy urýchľujú chemické reakcie prebiehajúce v bunke 10 až 100 miliónov krát. Funkciu motora zabezpečujú špeciálne kontraktilné proteíny. Tieto proteíny sa podieľajú na všetkých typoch pohybov, ktorých sú bunky a organizmy schopné: blikanie mihalníc a bitie bičíkov u prvokov, svalová kontrakcia u zvierat, pohyb listov u rastlín atď. Transportná funkcia proteínov je pripojiť chemické prvky (napríklad hemoglobín pridáva O) alebo biologicky aktívne látky (hormóny) a preniesť ich do tkanív a orgánov tela. Ochranná funkcia je vyjadrená vo forme produkcie špeciálnych proteínov, nazývaných protilátky, v reakcii na prenikanie cudzích proteínov alebo buniek do tela. Protilátky viažu a neutralizujú cudzie látky. Bielkoviny zohrávajú dôležitú úlohu ako zdroj energie. S úplným štiepaním 1g. Uvoľní sa 17,6 kJ (~4,2 kcal) bielkovín.

Sacharidy

Sacharidy alebo sacharidy sú organické látky so všeobecným vzorcom (CH 2 O) n. Väčšina uhľohydrátov má dvojnásobný počet atómov H ako počet atómov O, ako v molekulách vody. Preto sa tieto látky nazývali sacharidy. V živej bunke sa sacharidy nachádzajú v množstvách nepresahujúcich 1-2, niekedy 5% (v pečeni, vo svaloch). Rastlinné bunky sú najbohatšie na sacharidy, kde ich obsah v niektorých prípadoch dosahuje 90 % hmotnosti sušiny (semená, hľuzy zemiakov a pod.).

Sacharidy sú jednoduché a zložité. Jednoduché sacharidy sa nazývajú monosacharidy. V závislosti od počtu uhľohydrátových atómov v molekule sa monosacharidy nazývajú triózy, tetrózy, pentózy alebo hexózy. Zo šiestich uhlíkových monosacharidov – hexóz – sú najdôležitejšie glukóza, fruktóza a galaktóza. Glukóza je obsiahnutá v krvi (0,1-0,12%). Pentózy ribóza a deoxyribóza sa nachádzajú v nukleových kyselinách a ATP. Ak sú dva monosacharidy spojené v jednej molekule, zlúčenina sa nazýva disacharid. Stolový cukor, získaný z trstiny alebo cukrovej repy, pozostáva z jednej molekuly glukózy a jednej molekuly fruktózy, mliečneho cukru – glukózy a galaktózy.

Komplexné sacharidy vytvorené z mnohých monosacharidov sa nazývajú polysacharidy. Monomérom polysacharidov, ako je škrob, glykogén, celulóza, je glukóza. Sacharidy plnia dve hlavné funkcie: stavebnú a energetickú. Celulóza tvorí steny rastlinných buniek. Komplexný polysacharid chitín slúži ako hlavná štruktúrna zložka exoskeletu článkonožcov. Chitín plní v hubách aj konštrukčnú funkciu. Sacharidy zohrávajú v bunke úlohu hlavného zdroja energie. Pri oxidácii 1 g sacharidov sa uvoľní 17,6 kJ (~4,2 kcal). Škrob v rastlinách a glykogén u zvierat sa ukladajú v bunkách a slúžia ako energetická rezerva.

Nukleové kyseliny

Význam nukleových kyselín v bunke je veľmi veľký. Zvláštnosti ich chemickej štruktúry poskytujú možnosť ukladať, prenášať a dediť dcérskym bunkám informácie o štruktúre proteínových molekúl, ktoré sa syntetizujú v každom tkanive v určitom štádiu individuálneho vývoja. Keďže väčšinu vlastností a charakteristík buniek určujú proteíny, je zrejmé, že stabilita nukleových kyselín je najdôležitejšou podmienkou normálneho fungovania buniek a celých organizmov. Akékoľvek zmeny v štruktúre buniek alebo v činnosti fyziologických procesov v nich, čím sa ovplyvňuje životná činnosť. Štúdium štruktúry nukleových kyselín je mimoriadne dôležité pre pochopenie dedičnosti znakov v organizmoch a zákonitostí fungovania ako jednotlivých buniek, tak aj bunkových systémov – tkanív a orgánov.

Existujú 2 typy nukleových kyselín – DNA a RNA. DNA je polymér pozostávajúci z dvoch nukleotidových helixov usporiadaných do dvojitej špirály. Monoméry molekúl DNA sú nukleotidy pozostávajúce z dusíkatej bázy (adenín, tymín, guanín alebo cytozín), sacharidu (deoxyribózy) a zvyšku kyseliny fosforečnej. Dusíkaté bázy v molekule DNA sú navzájom spojené nerovnakým počtom H-väzieb a sú usporiadané do párov: adenín (A) je vždy proti tymínu (T), guanín (G) proti cytozínu (C).

Nukleotidy sú navzájom spojené nie náhodne, ale selektívne. Schopnosť selektívnej interakcie adenínu s tymínom a guanínu s cytozínom sa nazýva komplementarita. Komplementárna interakcia určitých nukleotidov sa vysvetľuje zvláštnosťami priestorového usporiadania atómov v ich molekulách, ktoré im umožňujú priblížiť sa a vytvárať H-väzby. V polynukleotidovom reťazci sú susedné nukleotidy navzájom spojené cez cukor (deoxyribóza) a zvyšok kyseliny fosforečnej. RNA, podobne ako DNA, je polymér, ktorého monoméry sú nukleotidy. Dusíkaté bázy troch nukleotidov sú rovnaké ako tie, ktoré tvoria DNA (A, G, C); štvrtý - uracil (U) - je prítomný v molekule RNA namiesto tymínu. Nukleotidy RNA sa líšia od nukleotidov DNA v štruktúre sacharidov, ktoré obsahujú (ribóza namiesto deoxyribózy).

V reťazci RNA sú nukleotidy spojené vytvorením kovalentných väzieb medzi ribózou jedného nukleotidu a zvyškom kyseliny fosforečnej iného. Štruktúra sa medzi dvojvláknovou RNA líši. Dvojvláknové RNA sú strážcami genetickej informácie v rade vírusov, t.j. Vykonávajú funkcie chromozómov. Jednovláknová RNA prenáša informácie o štruktúre proteínov z chromozómu do miesta ich syntézy a podieľa sa na syntéze proteínov.

Existuje niekoľko typov jednovláknovej RNA. Ich mená sú určené ich funkciou alebo umiestnením v bunke. Väčšina RNA v cytoplazme (až 80-90%) je ribozomálna RNA (rRNA), obsiahnutá v ribozómoch. Molekuly rRNA sú relatívne malé a pozostávajú v priemere z 10 nukleotidov. Ďalší typ RNA (mRNA), ktorý nesie informácie o sekvencii aminokyselín v proteínoch, ktoré sa musia syntetizovať na ribozómy. Veľkosť týchto RNA závisí od dĺžky oblasti DNA, z ktorej boli syntetizované. Transferové RNA vykonávajú niekoľko funkcií. Dodávajú aminokyseliny na miesto syntézy proteínov, „rozpoznávajú“ (princípom komplementarity) triplet a RNA zodpovedajúcu prenesenej aminokyseline a uskutočňujú presnú orientáciu aminokyseliny na ribozóme.

Tuky a lipidy

Tuky sú zlúčeniny vysokomolekulárnych mastných kyselín a trojsýtneho alkoholu glycerolu. Tuky sa vo vode nerozpúšťajú – sú hydrofóbne. V bunke sú vždy ďalšie komplexné hydrofóbne tukom podobné látky nazývané lipoidy. Jednou z hlavných funkcií tukov je energia. Pri rozklade 1 g tukov na CO 2 a H 2 O sa uvoľní veľké množstvo energie – 38,9 kJ (~ 9,3 kcal). Obsah tuku v bunke sa pohybuje od 5-15% hmotnosti sušiny. V živých tkanivových bunkách sa množstvo tuku zvyšuje na 90%. Hlavnou funkciou tukov v živočíšnom (a čiastočne aj rastlinnom) svete je ukladanie.

Keď sa 1 g tuku úplne zoxiduje (na oxid uhličitý a vodu), uvoľní sa asi 9 kcal energie. (1 kcal = 1000 cal; kalória (cal) je mimosystémová jednotka množstva práce a energie, ktorá sa rovná množstvu tepla potrebného na zohriatie 1 ml vody o 1 °C pri štandardnom atmosférickom tlaku 101,325 kPa; 1 kcal = 4,19 kJ). Pri oxidácii 1 g bielkovín alebo sacharidov (v tele) sa uvoľnia len asi 4 kcal/g. V rôznych vodných organizmoch – od jednobunkových rozsievok až po žraloky veľké – bude tuk „plávať“, čím sa zníži priemerná telesná hustota. Hustota živočíšnych tukov je asi 0,91-0,95 g/cm³. Hustota kostného tkaniva stavovcov je blízka 1,7-1,8 g/cm³ a ​​priemerná hustota väčšiny ostatných tkanív je blízka 1 g/cm³. Je jasné, že na „vyrovnanie“ ťažkej kostry potrebujete pomerne veľa tuku.

Tuky a lipidy plnia aj konštrukčnú funkciu: sú súčasťou bunkových membrán. Kvôli zlej tepelnej vodivosti má tuk ochrannú funkciu. U niektorých živočíchov (tulene, veľryby) sa ukladá v podkožnom tukovom tkanive, pričom vytvára vrstvu hrubú až 1 m. Vznik niektorých lipoidov predchádza syntéze množstva hormónov. Následne majú tieto látky aj funkciu regulácie metabolických procesov.

Bunka obsahuje asi 70 prvkov Mendelejevovej periodickej tabuľky prvkov a 24 z nich je prítomných vo všetkých typoch buniek. Všetky prvky prítomné v bunke sú rozdelené v závislosti od ich obsahu v bunke na skupiny:

    • makronutrientov– H, O, N, C,. Mg, Na, Ca, Fe, K, P, Cl, S;
    • mikroelementy– B, Ni, Cu, Co, Zn, Mb atď.;
    • ultramikroelementy– U, Ra, Au, Pb, Hg, Se atď.
  • organogény(kyslík, vodík, uhlík, dusík),
  • makroprvky,
  • mikroelementy.

Molekuly, ktoré tvoria bunku anorganické A organické spojenia.

Anorganické zlúčeniny bunky voda A anorganické ióny.
Voda- najdôležitejšia anorganická látka bunky. Všetky biochemické reakcie prebiehajú vo vodných roztokoch. Molekula vody má nelineárnu priestorovú štruktúru a má polaritu. Medzi jednotlivými molekulami vody vznikajú vodíkové väzby, ktoré určujú fyzikálne a chemické vlastnosti vody.

Fyzikálne vlastnosti vody

Dôsledky pre biologické procesy

Vysoká tepelná kapacita (kvôli vodíkovým väzbám medzi molekulami) a tepelná vodivosť (kvôli malej veľkosti molekúl)

Transpirácia
Potenie
Periodické zrážky

Transparentnosť vo viditeľnom spektre

Vysoko produktívne biocenózy rybníkov, jazier, riek (kvôli možnosti fotosyntézy v malých hĺbkach)

Takmer úplná nestlačiteľnosť (v dôsledku medzimolekulárnych kohéznych síl)

Udržiavanie tvaru organizmov: tvar sukulentných orgánov rastlín, postavenie tráv v priestore, hydrostatická kostra škrkaviek, medúz, plodová voda podporuje a chráni plod cicavcov

Molekulárna mobilita (v dôsledku slabých vodíkových väzieb)

Osmóza: prúdenie vody z pôdy; plazmolýza

Viskozita (vodíkové väzby)

Mazacie vlastnosti: synoviálna tekutina v kĺboch, pleurálna tekutina

Rozpúšťadlo (molekulárna polarita)

Krv, tkanivový mok, lymfa, žalúdočná šťava, sliny u zvierat; bunková šťava v rastlinách; vodné organizmy využívajú kyslík rozpustený vo vode

Schopnosť vytvárať hydratačný obal okolo makromolekúl (v dôsledku polarity molekúl)

Disperzné médium v ​​koloidnom systéme cytoplazmy

Optimálna hodnota síl povrchového napätia pre biologické systémy (v dôsledku medzimolekulových kohéznych síl)

Vodné roztoky sú prostriedkom na transport látok v tele

Expanzia po zmrazení (v dôsledku vytvorenia maximálneho počtu 4 vodíkových väzieb každou molekulou)

Ľad je ľahší ako voda a v nádržiach pôsobí ako tepelný izolátor.

Anorganické ióny:
katióny K+, Na+, Ca2+, Mg2+ a anióny Cl–, NO3-, PO4 2-, CO32-, HPO42-.

Rozdiel medzi počtom katiónov a aniónov (Nа + , TO + , Cl-) na povrchu a vo vnútri bunky zabezpečuje vznik akčného potenciálu, ktorý je základom nervová a svalová stimulácia.
Vytvárajú sa anióny kyseliny fosforečnej fosfátový tlmivý systém, udržiavanie pH vnútrobunkového prostredia tela na úrovni 6-9.
Vzniká kyselina uhličitá a jej anióny bikarbonátový nárazníkový systém a udržiavať pH extracelulárneho prostredia (krvnej plazmy) na úrovni 7-4.
Slúžia zlúčeniny dusíka zdroj minerálna výživa, syntéza bielkovín, nukleové kyseliny.
Atómy fosforu sú súčasťou nukleových kyselín, fosfolipidov, ako aj kostí stavovcov a chitínového obalu článkonožcov.
Ióny vápnika sú súčasťou hmoty kostí; sú tiež nevyhnutné pre svalovú kontrakciu a zrážanie krvi.

Tabuľka. Úloha makroprvkov na bunkovej a organizačnej úrovni.

Tabuľka.

Tematické zadania

Časť A

A1. Polarita vody určuje jej schopnosť
1) viesť teplo
3) rozpustite chlorid sodný
2) absorbovať teplo
4) rozpustite glycerín

A2. Deťom s krivicou by sa mali podávať lieky obsahujúce
1) železo
2) draslík
3) vápnik
4) zinok

A3. Vedenie nervového vzruchu zabezpečujú ióny:
1) draslík a sodík
2) fosfor a dusík
3) železo a meď
4) kyslík a chlór

A4. Slabé väzby medzi molekulami vody v jej kvapalnej fáze sa nazývajú:
1) kovalentná
2) hydrofóbne
3) vodík
4) hydrofilné

A5. Hemoglobín obsahuje
1) fosfor
2) železo
3) síra
4) horčík

A6. Vyberte skupinu chemických prvkov, ktoré sú nevyhnutne zahrnuté v proteínoch
1) Na, K, O, S
2) N, P, C, Cl
3) C, S, Fe, O
4) C, H, O, N

A7. Pacientom s hypotyreózou sa podávajú lieky obsahujúce
1) jód
2) železo
3) fosfor
4) sodík

Časť B

V 1. Vyberte funkcie vody v klietke
1) energia
2) enzymatické
3) doprava
4) konštrukcia
5) mazanie
6) termoregulačné

AT 2. Vyberte iba fyzikálne vlastnosti vody
1) schopnosť disociovať
2) hydrolýza solí
3) hustota
4) tepelná vodivosť
5) elektrická vodivosť
6) darovanie elektrónov

Časť C

C1. Aké fyzikálne vlastnosti vody určujú jej biologický význam?

Asi 70 prvkov periodického systému prvkov D.I.

Najväčší podiel na elementárnom zložení bunky tvorí kyslík, uhlík, vodík a dusík. Ide o tzv základné alebo biogénne prvkov. Tieto prvky tvoria viac ako 95 % hmoty buniek a ich relatívny obsah v živej hmote je oveľa vyšší ako v zemskej kôre. Životne dôležité sú aj vápnik, fosfor, síra, draslík, chlór, sodík, horčík, jód a železo. Ich obsah v bunke sa počíta v desatinách a stotinách percenta. Uvedené prvky tvoria skupinu makronutrientov.

Ostatné chemické prvky: meď, mangán, molybdén, kobalt, zinok, bór, fluór, chróm, selén, hliník, jód, železo, kremík - sú obsiahnuté v extrémne malých množstvách (menej ako 0,01 % bunkovej hmoty). Patria do skupiny mikroelementy.

Percentuálny obsah konkrétneho prvku v tele nijako necharakterizuje mieru jeho dôležitosti a nevyhnutnosti v organizme. Mnohé mikroelementy sú napríklad súčasťou rôznych biologicky aktívnych látok – enzýmov, vitamínov (kobalt je súčasťou vitamínu B12), hormónov (jód je súčasťou tyroxínu), ovplyvňujú rast a vývoj organizmov (zinok, mangán, meď), krvotvorba (železo, meď), bunkové dýchacie procesy (meď, zinok) atď. Obsah a význam rôznych chemických prvkov pre život buniek a organizmu ako celku sú uvedené v tabuľke:

Najdôležitejšie chemické prvky bunky
Element Symbol Približný obsah, % Význam pre bunky a organizmy
Kyslík O 62 Časť vody a organických látok; podieľa sa na bunkovom dýchaní
Uhlík C 20 Obsahuje všetky organické látky
Vodík H 10 Časť vody a organických látok; podieľa sa na procesoch premeny energie
Dusík N 3 Obsahuje aminokyseliny, bielkoviny, nukleové kyseliny, ATP, chlorofyl, vitamíny
Vápnik Ca 2,5 Časť bunkovej steny rastlín, kostí a zubov, zvyšuje zrážanlivosť krvi a kontraktilitu svalových vlákien
Fosfor P 1,0 Časť kostného tkaniva a zubnej skloviny, nukleové kyseliny, ATP a niektoré enzýmy
Síra S 0,25 Časť aminokyselín (cysteín, cystín a metionín), niektoré vitamíny, sa podieľa na tvorbe disulfidových väzieb pri tvorbe terciárnej štruktúry bielkovín
Draslík K 0,25 Obsiahnutý v bunke iba vo forme iónov, aktivuje enzýmy syntézy bielkovín, určuje normálny rytmus srdcovej činnosti, zúčastňuje sa procesov fotosyntézy a tvorby bioelektrických potenciálov
Chlór Cl 0,2 V tele zvierat prevláda negatívny ión. Kyselina chlorovodíková zložka žalúdočnej šťavy
Sodík Na 0,1 Obsiahnutý v bunke iba vo forme iónov, určuje normálny rytmus srdcovej činnosti a ovplyvňuje syntézu hormónov
magnézium Mg 0,07 Časť molekúl chlorofylu, rovnako ako kosti a zuby, aktivuje energetický metabolizmus a syntézu DNA
jód ja 0,01 Obsahuje hormóny štítnej žľazy
Železo Fe Stopy Je súčasťou mnohých enzýmov, hemoglobínu a myoglobínu, podieľa sa na biosyntéze chlorofylu, na transporte elektrónov, na procesoch dýchania a fotosyntézy
Meď Cu Stopy Je súčasťou hemokyanínov u bezstavovcov, súčasťou niektorých enzýmov a podieľa sa na procesoch krvotvorby, fotosyntézy a syntézy hemoglobínu.
mangán Mn Stopy Je súčasťou alebo zvyšuje aktivitu niektorých enzýmov, podieľa sa na vývoji kostí, asimilácii dusíka a procese fotosyntézy
molybdén Mo Stopy Časť niektorých enzýmov (nitrátreduktáza) sa podieľa na procesoch fixácie atmosférického dusíka nodulovými baktériami
kobalt Co Stopy Časť vitamínu B12, podieľa sa na fixácii atmosférického dusíka uzlovými baktériami
Bor B Stopy Ovplyvňuje rastové procesy rastlín, aktivuje redukčné dýchacie enzýmy
Zinok Zn Stopy Časť niektorých enzýmov, ktoré štiepia polypeptidy, podieľa sa na syntéze rastlinných hormónov (auxínov) a glykolýze
Fluór F Stopy Obsahuje sklovinu zubov a kostí

V živých organizmoch bolo objavených viac ako 70 chemických prvkov. Sú neoddeliteľnou súčasťou určitých látok, ktoré tvoria štruktúry tela a podieľajú sa na chemických reakciách. Organizmy obsahujú niektorých chemických prvkov viac, iných menej a ďalšie sú prítomné v zanedbateľných množstvách.

Makroelementy. Chemické prvky, ktorých obsah sa v živých organizmoch pohybuje od desiatok do stotín percent, sa nazývajú makroprvky.Živé organizmy sú z viac ako 98 % zložené zo štyroch chemických prvkov: kyslík (O), uhlík (C), vodík (H) a dusík (N). Vodík a kyslík sú základnými prvkami vody. Spolu s uhlíkom a dusíkom sú tieto prvky hlavnými zložkami organických zlúčenín živých organizmov.

Medzi molekuly mnohých organických látok patrí aj síra (S) a fosfor (P). Okrem toho makroelementy zahŕňajú sodík (Na), draslík (TO), horčík (Mg), vápnik (Ca), chlór (C1) atď.

Najdôležitejšou makroživinou pre ľudské telo je vápnik. Jeho zlúčeniny, najmä ortofosfát, tvoria minerálny základ kostí a zubov. Ďalšie zlúčeniny vápnika sa podieľajú na nervovej a svalovej činnosti a sú súčasťou buniek a tkanivového moku tela. Denná potreba vápnika u dospelého človeka je od 0,8 do 2 g Hlavnými zdrojmi tohto prvku sú mlieko, kefír, tvaroh, syr, ryby, fazuľa, petržlen, zelená cibuľa, ako aj vajcia, pohánka, ovsené vločky, mrkva. a hrášok.

Jedlo však môže obsahovať aj látky, ktoré narúšajú vstrebávanie vápnika, ako je kyselina šťaveľová a fytín. S kyselinou šťaveľovou tvorí vápnik slabo rozpustnú soľ aj fytín celkom pevne zadržiava vápnik. Preto je dôležité nepreháňať jedlá zo šťaveľu a špenátu, ktorých listy obsahujú 0,1 – 0,5 % kyseliny šťaveľovej. Fytín prítomný v zelenine a obilninách sa teplom ničí, a preto je menej škodlivý. Ražný chlieb je zdravší ako pšeničný – obsahuje menej fytínu.

Mikroelementy. Skupinu tvoria životne dôležité prvky, ktoré sa nachádzajú v živých organizmoch v extrémne malých množstvách (menej ako 0,01 %) mikroelementy. TO Do tejto skupiny patria niektoré kovy, ako je železo (Fe), zinok (Zn), meď (Cu), mangán (Mn), kobalt (Co), molybdén (Mo), ako aj nekovy fluór (F), jód (ja) atď.

Percentuálny obsah konkrétneho prvku necharakterizuje stupeň jeho dôležitosti v organizme. Napríklad jód, ktorého obsah bežne v ľudskom tele nepresahuje 0,0001 %, je súčasťou hormónov štítnej žľazy tyroxínu a trijódtyronínu. Tieto hormóny regulujú metabolizmus, ovplyvňujú rast, vývoj a diferenciáciu tkanív a činnosť nervovej sústavy.

Železo a meď sú súčasťou enzýmov zapojených do bunkového dýchania. Spolu s kobaltom zohrávajú dôležitú úlohu pri hematopoetických procesoch. Zinok a mangán ovplyvňujú rast a vývoj organizmov. Fluorid je súčasťou kostného tkaniva a zubnej skloviny. Podrobnejšie informácie o obsahu a biologickej úlohe chemických prvkov v živých organizmoch sú uvedené v tabuľke 1.

Tabuľka 1. Biologicky dôležité chemické prvky

Biologická úloha

Makronutrienty

Kyslík (O)

Je súčasťou molekúl vody a organických látok, zabezpečuje oxidačné reakcie, pri ktorých sa uvoľňuje energia potrebná pre organizmus

Uhlík (C)

Časť molekúl všetkých organických látok

vodík (H)

Časť molekúl vody a všetkých organických látok

Časť molekúl organických látok, vrátane bielkovín, nukleových kyselín, ATP

vápnik (Ca)

Je súčasťou kostného tkaniva, zubnej skloviny, podieľa sa na procesoch zrážania krvi a zabezpečuje kontraktilitu svalových vlákien. V rastlinách je súčasťou bunkovej steny

fosfor (P)

Časť organických látok (DNA, RNA, ATP atď.), kostného tkaniva a zubnej skloviny

Jeden z hlavných katiónov v tele zvierat: podieľa sa na tvorbe bioelektrických potenciálov a regulácii rytmu srdcovej činnosti. Tiež sa podieľa na procese fotosyntézy

Časť organických látok (bielkoviny, niektoré aminokyseliny)

Hlavný anión v tele zvierat. Obsahuje kyselinu chlorovodíkovú v žalúdočnej šťave

sodík (Na)

Jeden z hlavných katiónov: podieľa sa na tvorbe bioelektrických potenciálov, udržiava normálny rytmus srdcovej činnosti, ovplyvňuje syntézu hormónov

horčík (Mg)

Časť chlorofylu, niektoré enzýmy, ale aj kostné tkanivo a zubná sklovina

Biologická úloha

Mikroelementy

Železo (Fe)

Súčasť mnohých enzýmov, hemoglobínu a myoglobínu. Podieľa sa na procesoch bunkového dýchania a fotosyntézy

Kremík (Si)*

Podieľa sa na tvorbe kostí a kolagénu - hlavnej bielkoviny spojivového tkaniva u zvierat. Časť bunkovej steny rastlín

Časť inzulínu, niektoré enzýmy, sa podieľajú na syntéze rastlinných hormónov

Podieľa sa na procesoch fotosyntézy, bunkového dýchania, syntézy hemoglobínu. Časť hemokyanínov - respiračných pigmentov v krvi a hemolymfe niektorých druhov bezstavovcov

Časť zubnej skloviny a kostného tkaniva

Obsahuje hormóny štítnej žľazy

mangán (Mn)

menej ako 0,0001

Je súčasťou alebo zvyšuje aktivitu niektorých enzýmov. Podieľa sa na tvorbe kostí a na procese fotosyntézy

kobalt (Co)

menej ako 0,0001

Časť vitamínu B 12, podieľa sa na hematopoetických procesoch

molybdén (Mo)

menej ako 0,0001

Podieľa sa na procesoch fixácie atmosférického dusíka uzlovými baktériami

* Pre rastliny - makronutrient

Pre človeka sú zdrojom makro- a mikroprvkov jedlo a voda. Na úplné uspokojenie potrieb makro- a mikroprvkov je preto potrebná kompletná a pestrá strava vrátane produktov živočíšneho a rastlinného pôvodu. Bielorusko a niektoré ďalšie oblasti Zeme sa vyznačujú nedostatkom jódu a fluóru v prírodnej vode. Preto je veľmi dôležité častejšie jesť morské plody a tiež kompenzovať tento nedostatok konzumáciou fluoridovanej a jodizovanej kuchynskej soli, ktorej výroba a predaj je u nás etablovaný.

1. V ktorej skupine patria všetky prvky medzi makroprvky? Na mikroelementy?

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

b) fosfor, horčík, dusík; d) fluór, meď, mangán.

2. Ktoré chemické prvky sa nazývajú makroprvky? Uveďte ich. Aký je význam makroživín v živých organizmoch?

3. Aké prvky sa nazývajú mikroelementy? Uveďte príklady. Aká je úloha mikroelementov pre život organizmov?

4. Stanovte súlad medzi chemickým prvkom a jeho biologickou funkciou:

1) vápnik

3) kobalt

4) jód 5) zinok 6) meď

a) podieľa sa na syntéze rastlinných hormónov, je súčasťou inzulínu, b) je súčasťou hormónov štítnej žľazy.

c) je súčasťou chlorofylu.

d) je súčasťou hemokyanínov niektorých bezstavovcov.

e) je nevyhnutný pre svalovú kontrakciu a zrážanlivosť krvi, f) je súčasťou vitamínu B 12.

5. Na základe materiálu o biologickej úlohe makro- a mikroprvkov a poznatkov získaných štúdiom ľudského tela v 9. ročníku vysvetlite, k akým dôsledkom môže viesť nedostatok niektorých chemických prvkov v ľudskom organizme.

6. V tabuľke je uvedený obsah hlavných chemických prvkov v zemskej kôre (hmotnosť, v %). Porovnajte zloženie zemskej kôry a živých organizmov. Aké sú vlastnosti elementárneho zloženia živých organizmov? Aké skutočnosti nám umožňujú vyvodiť záver o jednote živej a neživej prírody?

    Kapitola 1. Chemické zložky živých organizmov

  • § 1. Obsah chemických prvkov v tele. Makro- a mikroprvky
  • § 2. Chemické zlúčeniny v živých organizmoch. Anorganické látky
  • Kapitola 2. Bunka - stavebná a funkčná jednotka živých organizmov

  • § 10. História objavenia bunky. Tvorba bunkovej teórie
  • § 15. Endoplazmatické retikulum. Golgiho komplex. lyzozómy
  • Kapitola 3. Metabolizmus a premena energie v tele

V bunke sa nachádza asi 70 chemických prvkov D.I. Mendelejevovej periodickej tabuľky, ale obsah týchto prvkov sa výrazne líši od ich koncentrácií v prostredí, čo dokazuje jednotu organického sveta.

Chemické prvky prítomné v bunke sú rozdelené do troch veľkých skupín: makroelementy, mezoelementy (oligoelementy) a mikroelementy.

Obsah makroprvkov tvorí asi 98 % bunkovej hmoty. Patria sem uhlík, kyslík, vodík a dusík, ktoré sú súčasťou hlavných organických látok. Mezoprvky sú síra, fosfor, draslík, vápnik, sodík, železo, horčík, chlór, spolu asi 1,9 % bunkovej hmoty. Síra a fosfor sú zložkami najdôležitejších organických zlúčenín. Chemické prvky, ktorých koncentrácia v bunke je asi 0,1%, sú klasifikované ako mikroelementy. Ide o zinok, jód, meď, mangán, fluór, kobalt atď.

Bunkové látky sa delia na anorganické a organické. Anorganické látky zahŕňajú vodu a minerálne soli.

Voda v bunke je vďaka svojim fyzikálno-chemickým vlastnostiam rozpúšťadlom, reakčným prostredím, východiskovou látkou a produktom chemických reakcií, plní transportné a termoregulačné funkcie, dodáva bunke elasticitu a zabezpečuje pohon rastlinnej bunky.

Minerálne soli v bunke môžu byť v rozpustenom alebo nerozpustenom stave. Rozpustné soli disociujú na ióny. Najdôležitejšie katióny sú draslík a sodík, ktoré uľahčujú prenos látok cez membránu a podieľajú sa na vzniku a vedení nervových vzruchov; vápnik, ktorý sa podieľa na procesoch sťahovania svalových vlákien a zrážania krvi, horčík, ktorý je súčasťou chlorofylu, a železo, ktoré je súčasťou množstva bielkovín vrátane hemoglobínu. Zinok je súčasťou molekuly hormónu pankreasu – inzulínu, meď je potrebná pre procesy fotosyntézy a dýchania. Najdôležitejšími aniónmi sú fosfátový anión, ktorý je súčasťou ATP a nukleových kyselín, a zvyšok kyseliny uhličitej, ktorý zjemňuje výkyvy pH prostredia. Nedostatok vápnika a fosforu vedie k krivici, nedostatok železa vedie k anémii.

Organické látky bunky predstavujú sacharidy, lipidy, bielkoviny, nukleové kyseliny, ATP, vitamíny a hormóny.

Sacharidy sa skladajú predovšetkým z troch chemických prvkov: uhlíka, kyslíka a vodíka. Ich všeobecný vzorec je Cm(H20)n. Existujú jednoduché a zložité sacharidy. Jednoduché sacharidy (monosacharidy) obsahujú jedinú molekulu cukru. Sú klasifikované podľa počtu atómov uhlíka, ako je pentóza (C5) a hexóza (C6). Pentózy zahŕňajú ribózu a deoxyribózu. Ribóza je súčasťou RNA a ATP. Deoxyribóza je súčasťou DNA. Hexózy sú glukóza, fruktóza, galaktóza atď. Aktívne sa podieľajú na bunkovom metabolizme a sú súčasťou komplexných sacharidov - oligosacharidov a polysacharidov. Medzi oligosacharidy (disacharidy) patrí sacharóza (glukóza + fruktóza), laktóza alebo mliečny cukor (glukóza + galaktóza) atď.

Príklady polysacharidov sú škrob, glykogén, celulóza a chitín. Sacharidy plnia v bunke plastickú (stavebnú), energetickú (energetická hodnota rozkladu 1 g sacharidov je 17,6 kJ), zásobnú a podpornú funkciu. Sacharidy môžu byť tiež súčasťou komplexných lipidov a bielkovín.

Lipidy sú skupinou hydrofóbnych látok. Patria sem tuky, voskové steroidy, fosfolipidy atď.

Štruktúra molekuly tuku

Tuk je ester trojsýtneho alkoholu glycerolu a vyšších organických (mastných) kyselín. V molekule tuku je možné rozlíšiť hydrofilnú časť - „hlavu“ (zvyšok glycerolu) a hydrofóbnu časť – „chvosty“ (zvyšky mastných kyselín), preto je molekula tuku vo vode orientovaná presne definovaným spôsobom: hydrofilná časť smeruje k vode a hydrofóbna časť je od nej.

Lipidy plnia v bunke funkciu plastickú (stavebnú), energetickú (energetická hodnota rozkladu 1 g tuku je 38,9 kJ), zásobnú, ochrannú (odpruženie) a regulačnú (steroidné hormóny).

Proteíny sú biopolyméry, ktorých monoméry sú aminokyseliny. Aminokyseliny obsahujú aminoskupinu, karboxylovú skupinu a radikál. Aminokyseliny sa líšia iba svojimi radikálmi. Proteíny obsahujú 20 základných aminokyselín. Aminokyseliny sú navzájom spojené a vytvárajú peptidovú väzbu. Reťazec s viac ako 20 aminokyselinami sa nazýva polypeptid alebo proteín. Proteíny tvoria štyri hlavné štruktúry: primárnu, sekundárnu, terciárnu a kvartérnu.

Primárna štruktúra je sekvencia aminokyselín spojených peptidovou väzbou.

Sekundárna štruktúra je špirála alebo zložená štruktúra, ktorá je držaná pohromade vodíkovými väzbami medzi atómami kyslíka a vodíka peptidových skupín rôznych závitov špirály alebo záhybov. Terciárna štruktúra (globula) je držaná pohromade hydrofóbnymi, vodíkovými, disulfidovými a inými väzbami.

Terciárna štruktúra proteínu

Terciárna štruktúra je charakteristická pre väčšinu bielkovín v tele, napríklad pre svalový myoglobín.

Kvartérna štruktúra bielkovín.

Kvartérna štruktúra je najzložitejšia, tvorí ju niekoľko polypeptidových reťazcov spojených prevažne rovnakými väzbami ako v terciárnej. Kvartérna štruktúra je charakteristická pre hemoglobín, chlorofyl atď.

Proteíny môžu byť jednoduché alebo zložité. Jednoduché bielkoviny pozostávajú len z aminokyselín, zatiaľ čo komplexné bielkoviny (lipoproteíny, chromoproteíny, glykoproteíny, nukleoproteíny atď.) obsahujú bielkovinové a nebielkovinové časti. Napríklad hemoglobín okrem štyroch polypeptidových reťazcov globínového proteínu obsahuje neproteínovú časť – hém, v strede ktorého je železitý ión, ktorý dáva hemoglobínu červenú farbu.

Funkčná aktivita proteínov závisí od podmienok prostredia. Strata štruktúry molekuly proteínu až po jej primárnu štruktúru sa nazýva denaturácia. Opačným procesom obnovy sekundárnych a vyšších štruktúr je renaturácia. Úplná deštrukcia molekuly proteínu sa nazýva deštrukcia.

Bielkoviny plnia v bunke množstvo funkcií: plastickú (stavebnú), katalytickú (enzymatickú), energetickú (energetická hodnota rozkladu 1 g bielkovín je 17,6 kJ), signalizačnú (receptorovú), kontraktilnú (motorickú), transportnú, ochranné, regulačné, skladovacie.

Nukleové kyseliny sú biopolyméry, ktorých monoméry sú nukleotidy. Nukleotid obsahuje dusíkatú bázu, zvyšok pentózového cukru a zvyšok kyseliny ortofosforečnej. Existujú dva typy nukleových kyselín: kyselina ribonukleová (RNA) a kyselina deoxyribonukleová (DNA).

DNA obsahuje štyri typy nukleotidov: adenín (A), tymín (T), guanín (G) a cytozín (C). Tieto nukleotidy obsahujú cukor deoxyribózu. Chargaffove pravidlá pre DNA sú:

1) počet adenylových nukleotidov v DNA sa rovná počtu tymidylových nukleotidov (A = T);

2) počet guanylových nukleotidov v DNA sa rovná počtu cytidylových nukleotidov (G = C);

3) súčet adenylových a guanylových nukleotidov sa rovná súčtu tymidylových a cytidylových nukleotidov (A + G = T + C).

Štruktúru DNA objavili F. Crick a D. Watson (Nobelova cena za fyziológiu alebo medicínu 1962). Molekula DNA je dvojvláknová špirála. Nukleotidy sú navzájom spojené prostredníctvom zvyškov kyseliny fosforečnej, pričom vytvárajú fosfodiesterovú väzbu, zatiaľ čo dusíkaté bázy sú nasmerované dovnútra. Vzdialenosť medzi nukleotidmi v reťazci je 0,34 nm.

Nukleotidy rôznych reťazcov sú navzájom spojené vodíkovými väzbami podľa princípu komplementarity: adenín je spojený s tymínom dvoma vodíkovými väzbami (A = T) a guanín je spojený s cytozínom tromi (G = C).

Štruktúra nukleotidov

Najdôležitejšou vlastnosťou DNA je schopnosť replikácie (samoduplikácie). Hlavnou funkciou DNA je uchovávanie a prenos dedičných informácií.

Koncentruje sa v jadre, mitochondriách a plastidoch.

RNA tiež obsahuje štyri nukleotidy: adenín (A), uracil (U), guanín (G) a cytozín (C). Pentózový cukorný zvyšok v ňom predstavuje ribóza. RNA sú väčšinou jednovláknové molekuly. Existujú tri typy RNA: messenger RNA (i-RNA), transferová RNA (t-RNA) a ribozomálna RNA (r-RNA).

Štruktúra tRNA

Všetky sa aktívne podieľajú na procese implementácie dedičnej informácie, ktorá sa prepisuje z DNA na i-RNA a na druhej už prebieha syntéza bielkovín, t-RNA v procese syntézy bielkovín prináša aminokyseliny do ribozómy, r-RNA je súčasťou samotných ribozómov.