Клетка – элементарная единица жизни на Земле. Она обладает всеми признаками живого организма: растет, размножается, обменивается с окружающей средой веществами и энергией, реагирует на внешние раздражители. Начало биологической эволюции связано с появлением на Земле клеточных форм жизни. Одноклеточные организмы представляют собой существующие отдельно друг от друга клетки. Тело всех многоклеточных – животных и растений – построено из большего или меньшего числа клеток, которые являются своего рода блоками, составляющими сложный организм. Независимо от того, представляет ли собой клетка целостную живую систему – отдельный организм или составляет лишь его часть, она наделена набором признаков и свойств, общим для всех клеток.
В клетках обнаружено около 60 элементов периодической системы Менделеева, встречающихся и в неживой природе. Это одно из доказательств общности живой и неживой природы. В живых организмах наиболее распространены водород, кислород, углерод и азот, которые составляют около 98% массы клеток. Такое обусловлено особенностями химических свойств водорода, кислорода, углерода и азота, вследствие чего они оказались наиболее подходящими для образования молекул, выполняющих биологические функции. Эти четыре элемента способны образовывать очень прочные ковалентные связи посредством спаривания электронов, принадлежащих двум атомам. Ковалентно связанные атомы углерода могут формировать каркасы бесчисленного множества различных органических молекул. Поскольку атомы углерода легко образуют ковалентные связи с кислородом, водородом, азотом, а также с серой, органические молекулы достигают исключительной сложности и разнообразия строения.
Кроме четырех основных элементов в клетке в заметных количествах (10 ые и 100 ые доли процента) содержатся железо, калий, натрий, кальций, магний, хлор, фосфор и сера. Все остальные элементы (цинк, медь, йод, фтор, кобальт, марганец и др.) находятся в клетке в очень малых количествах и поэтому называются микроэлементами.
Химические элементы входят в состав неорганических и органических соединений. К неорганическим соединениям относятся вода, минеральные соли, диоксид углерода, кислоты и основания. Органические соединения – это белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры (липиды) и липоиды.
Некоторые белки содержат серу. Составной частью нуклеиновых кислот является фосфор. Молекула гемоглобина включает железо, магний участвует в построении молекулы хлорофилла. Микроэлементы, несмотря на крайне низкое содержание в живых организмах, играют важную роль в процессах жизнедеятельности. Йод входит в состав гормона щитовидной железы – тироксина, кобальт – в состав витамина В12 гормон островковой части поджелудочной железы – инсулин – содержит цинк. У некоторых рыб место железа в молекулах пигментов, переносящих кислород, занимает медь.
Н2О – самое распространенное соединение в живых организмах. Содержание ее в разных клетках колеблется в довольно широких пределах: от 10% в эмали зубов до 98% в теле медузы, но среднем она составляет около 80% массы тела. Исключительно важная роль воды в обеспечении процессов жизнедеятельности обусловлена ее физико-химическими свойствами. Полярность молекул и способность образовывать водородные связи делают воду хорошим растворителем для огромного количества веществ. Большинство химических реакций, протекающих в клетке, может происходить только в водном растворе. Вода участвует и во многих химических превращениях.
Общее число водородных связей между молекулами воды изменяется в зависимости от t°. При t° таяния льда разрушается примерно 15% водородных связей, при t° 40°С – половина. При переходе в газообразное состояние разрушаются все водородные связи. Этим объясняется высокая удельная теплоемкость воды. При изменении t° внешней среды вода поглощает или выделяет теплоту вследствие разрыва или новообразования водородных связей. Таким путем колебания t° внутри клетки оказываются меньшими, чем в окружающей среде. Высокая теплота испарения лежит в основе эффективного механизма теплоотдачи у растений и животных.
Вода как растворитель принимает участие в явлениях осмоса, играющего важную роль в жизнедеятельности клетки организма. Осмосом называют проникновение молекул растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор какого-либо вещества. Полупроницаемыми называются мембраны, которые пропускают молекулы растворителя, но не пропускают молекулы (или ионы) растворенного вещества. Следовательно, осмос – односторонняя диффузия молекул воды в направлении раствора.
Большая часть неорганических в-в клетки находится в виде солей в диссоциированном, либо в твердом состоянии. Концентрация катионов и анионов в клетке и в окружающей ее среде неодинакова. В клетке содержится довольно много К и очень много Nа. Во внеклеточной среде, например в плазме крови, в морской воде, наоборот, много натрия и мало калия. Раздражимость клетки зависит от соотношения концентраций ионов Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ . В тканях многоклеточных животных К входит в состав многоклеточного вещества, обеспечивающего сцепленность клеток и упорядоченное их расположение. От концентрации солей в большой мере зависят осмотическое давление в клетке и ее буферные свойства. Буферностью называется способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию ее содержимого на постоянном уровне. Буферность внутри клетки обеспечивается главным образом ионами Н2РО4 и НРО4 2- . Во внеклеточных жидкостях и в крови роль буфера играют Н2СО3 и НСО3 — . Анионы связывают ионы Н и гидроксид-ионы (ОН — ), благодаря чему реакция внутри клетки внеклеточных жидкостей практически не меняется. Нерастворимые минеральные соли (например, фосфорнокислый Са) обеспечивает прочность костной ткани позвоночных и раковин моллюсков.
Среди органических веществ клетки белки стоят на первом месте как по количеству (10 – 12% от общей массы клетки), так и по значению. Белки представляют собой высокомолекулярные полимеры (с молекулярной массой от 6000 до 1 млн. и выше), мономерами которых являются аминокислоты. Живыми организмами используется 20 аминокислот, хотя их существует значительно больше. В состав любой аминокислоты входит аминогруппа (-NH2), обладающая основными свойствами, и карбоксильная группа (-СООН), имеющая кислотные свойства. Две аминокислоты соединяются в одну молекулу путем установления связи HN-CO с выделением молекулы воды. Связь между аминогруппой одной аминокислоты и карбоксилом другой называется пептидной. Белки представляют собой полипептиды, содержащие десятки и сотни аминокислот. Молекулы различных белков отличаются друг от друга молекулярной массой, числом, составом аминокислот и последовательностью расположения их в полипептидной цепи. Понятно поэтому, что белки отличаются огромным разнообразием, их количество у всех видов живых организмов оценивается числом 10 10 – 10 12 .
Цепь аминокислотных звеньев, соединенных ковалентное пептидными связями в определенной последовательности, называется первичной структурой белка. В клетках белки имеют вид спирально закрученных волокон или шариков (глобул). Это объясняется тем, что в природном белке полипептидная цепочка уложена строго определенным образом в зависимости от химического строения входящих в ее состав аминокислот.
Вначале полипептидная цепь сворачивается в спираль. Между атомами соседних витков возникает притяжение и образуются водородные связи, в частности, между NH- и СО- группами, расположенными на соседних витках. Цепочка аминокислот, закрученная в виде спирали, образует вторичную структуру белка. В результате дальнейшей укладки спирали возникает специфичная для каждого белка конфигурация, называемая третичной структурой. Третичная структура обусловлена действием сил сцепления между гидрофобными радикалами, имеющимися у некоторых аминокислот, и ковалентными связями между SH- группами аминокислоты цистеина (S-S- связи). Количество аминокислот гидрофобными радикалами и цистеина, а также порядок их расположения в полипептидной цепочке специфичны для каждого белка. Следовательно, особенности третичной структуры белка определяются его первичной структурой. Биологическую активность белок проявляет только в виде третичной структуры. Поэтому замена даже одной аминокислоты в полипептидной цепочке может привести к изменению конфигурации белка и к снижению или утрате его биологической активности.
В некоторых случаях белковые молекулы объединяются друг с другом и могут выполнять свою функцию только в виде комплексов. Так, гемоглобин – это комплекс из четырех молекул и только в такой форме способен присоединять и транспортировать О. подобные агрегаты представляют собой четвертичную структуру белка. По своему составу белки делятся на два основных класса – простые и сложные. Простые белки состоят только из аминокислот нуклеиновые кислоты (нуклеотиды), липиды (липопротеиды), Ме (металлопротеиды), Р (фосфопротеиды).
Функции белков в клетке чрезвычайно многообразны. Одна из важнейших – строительная функция: белки участвуют в образовании всех клеточных мембран и органоидов клетки, а также внутриклеточных структур. Исключительно важное значение имеет ферментативная (каталитическая) роль белков. Ферменты ускоряют химические реакции, протекающие в клетке, в 10 ки и 100 ни миллионов раз. Двигательная функция обеспечивается специальными сократительными белками. Эти белки участвуют во всех видах движений, к которым способны клетки и организмы: мерцание ресничек и биение жгутиков у простейших, сокращение мышц у животных, движение листьев у растений и др. Транспортная функция белков заключается в присоединении химических элементов (например, гемоглобин присоединяет О) или биологически активных веществ (гормонов) и переносе их к тканям и органам тела. Защитная функция выражается в форме выработки особых белков, называемых антителами, в ответ на проникновение в организм чужеродных белков или клеток. Антитела связывают и обезвреживают чужеродные вещества. Белки играют немаловажную роль как источники энергии. При полном расщеплении 1г. белков выделяется 17,6 кДж (
Углеводы, или сахариды – органические вещества с общей формулой (СН2О)n. У большинства углеводов число атомов Н вдвое больше числа атомов О, как в молекулах воды. Поэтому эти вещества и были названы углеводами. В живой клетке углеводы находятся в количествах, не превышающих 1-2, иногда 5% (в печени, в мышцах). Наиболее богаты углеводами растительные клетки, где их содержание достигает в некоторых случаях 90% от массы сухого вещества (семена, клубни картофеля и т.д.).
Углеводы бывают простые и сложные. Простые углеводы называются моносахаридами. В зависимости от числа атомов углевода в молекуле моносахариды называются триозами, тетрозами, пентозами или гексозами. Из шести углеродных моносахаридов – гексоз – наиболее важное значение имеют глюкоза, фруктоза и галактоза. Глюкоза содержится в крови (0,1-0,12%). Пентозы рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот и АТФ. Если в одной молекуле объединяются два моносахарида, такое соединение называется дисахаридом. Пищевой сахар, получаемый из тростника или сахарной свеклы, состоит из одной молекулы глюкозы и одной молекулы фруктозы, молочный сахар – из глюкозы и галактозы.
Сложные углеводы, образованные многими моносахаридами, называются полисахаридами. Мономером таких полисахаридов, как крахмал, гликоген, целлюлоза, является глюкоза. Углеводы выполняют две основные функции: строительную и энергетическую. Целлюлоза образует стенки растительных клеток. Сложный полисахарид хитин служит главным структурным компонентом наружного скелета членистоногих. Строительную функцию хитин выполняет и у грибов. Углеводы играют роль основного источника энергии в клетке. В процессе окисления 1 г. углеводов освобождается 17,6 кДж (
4,2 ккал). Крахмал у растений и гликоген у животных откладываются в клетках и служат энергетическим резервом.
Значение нуклеиновых кислот в клетке очень велико. Особенности их химического строения обеспечивают возможность хранения, переноса и передачи по наследству дочерним клеткам информации о структуре белковых молекул, которые синтезируются в каждой ткани на определенном этапе индивидуального развития. Поскольку большинство свойств и признаков клеток обусловлено белками, то понятно, что стабильность нуклеиновых кислот – важнейшее условие нормальной жизнедеятельности клеток и целых организмов. Любые изменения структуры клеток или активности физиологических процессов в них, влияя, таким образом, на жизнедеятельность. Изучение структуры нуклеиновых кислот имеет исключительно важное значение для понимания наследования признаков у организмов и закономерностей функционирования, как отдельных клеток, так и клеточных систем – тканей и органов.
Существуют 2 типа нуклеиновых кислот – ДНК и РНК. ДНК – полимер, состоящий из двух нуклеотидных спиралей, заключенных так, что образуется двойная спираль. Мономеры молекул ДНК представляют собой нуклеотиды, состоящие из азотистого основания (аденина, тимина, гуанина или цитозина), углевода (дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты. Азотистые основания в молекуле ДНК соединены между собой неодинаковым количеством Н-связей и располагаются попарно: аденин (А) всегда против тимина (Т), гуанин (Г) против цитозина (Ц).
Нуклеотиды соединены друг с другом не случайно, а избирательно. Способность к избирательному взаимодействию аденина с тимином и гуанина с цитозином называется комплементарностью. Комплементарное взаимодействие определенных нуклеотидов объясняется особенностями пространственного расположения атомов в их молекулах, которые позволяют им сближаться и образовывать Н-связи. В полинуклеотидной цепочке соседние нуклеотиды связаны между собой через сахар (дезоксирибозу) и остаток фосфорной кислоты. РНК так же, как и ДНК, представляет собой полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Азотистые основания трех нуклеотидов те же самые, что входят в состав ДНК (А, Г, Ц); четвертое – урацил (У) – присутствует в молекуле РНК вместо тимина. Нуклеотиды РНК отличаются от нуклеотидов ДНК и по строению входящего в их состав углевода (рибоза вместо дизоксирибозы).
В цепочке РНК нуклеотиды соединяются путем образования ковалентных связей между рибозой одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого. По структуре различаются двух цепочечные РНК. Двух цепочечные РНК являются хранителями генетической информации у ряда вирусов, т.е. выполняют у них функции хромосом. Одно цепочечные РНК осуществляют перенос информации о структуре белков от хромосомы к месту их синтеза и участвуют в синтезе белков.
Существует несколько видов одно цепочечной РНК. Их названия обусловлены выполняемой функцией или местом нахождения в клетке. Большую часть РНК цитоплазмы (до 80-90%) составляет рибосомальная РНК (рРНК), содержащаяся в рибосомах. Молекулы рРНК относительно невелики и состоят в среднем из 10 нуклеотидов. Другой вид РНК (иРНК), переносящие к рибосомам информацию о последовательности аминокислот в белках, которые должны синтезироваться. Размер этих РНК зависит от длины участка ДНК, на котором они были синтезированы. Транспортные РНК выполняют несколько функций. Они доставляют аминокислоты к месту синтеза белка, «узнают» (по принципу комплементарности) триплет и РНК, соответствующий переносимой аминокислоте, осуществляют точную ориентацию аминокислоты на рибосоме.
Жиры представляют собой соединения жирных высокомолекулярных кислот и трехатомного спирта глицерина. Жиры не растворяются в воде – они гидрофобны. В клетке всегда есть и другие сложные гидрофобные жироподобные вещества, называемые липоидами. Одна из основных функций жиров – энергетическая. В ходе расщепления 1 г. жиров до СО2 и Н2О освобождается большое количество энергии – 38,9 кДж (
9,3 ккал). Содержание жира в клетке колеблется в пределах 5-15% от массы сухого вещества. В клетках живой ткани количество жира возрастает до 90%. Главная функция жиров в животном (и отчасти — растительном) мире — запасающая.
При полном окислении 1 г жира (до углекислого газа и воды) выделяется около 9 ккал энергии. (1 ккал = 1000 кал; калория (кал, cal) — внесистемная единица количества работы и энергии, равная количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 мл воды на 1 °C при стандартном атмосферном давлении 101,325 кПа; 1 ккал = 4,19 кДж). При окислении (в организме) 1 г белков или углеводов выделяется только около 4 ккал/г. У самых разных водных организмов — от одноклеточных диатомовых водорослей до гигантских акул — жир случит «поплавком», уменьшая среднюю плотность тела. Плотность животных жиров составляет около 0,91-0,95 г/см³. Плотность костной ткани позвоночных близка к 1,7-1.8 г/см³, а средняя плотность большинства других тканей близка к 1 г/см³. Понятно, что жира нужно довольно много, чтобы «уравновесить» тяжелый скелет.
Жиры и липиды выполняют и строительную функцию: они входят в состав клеточных мембран. Благодаря плохой теплопроводности жир способен к защитной функции. У некоторых животных (тюлени, киты) он откладывается в подкожной жировой ткани, образуя слой толщиной до 1 м. Образование некоторых липоидов предшествует синтезу ряда гормонов. Следовательно, этим веществам присуща и функция регуляции обменных процессов.
источник
Наука, которая изучает составные части и строение живой клетки, называется цитологией.
Все элементы, входящие в химическую структуру организма, можно условно поделить на три группы:
- макроэлементы;
- микроэлементы;
- ультрамикроэлементы.
К макроэлементам относятся водород, углерод, кислород и азот. На их долю припадает почти 98% всех составных элементов.
Микроэлементы имеются в количестве десятых и сотых долей процента. И совсем малое содержание ультрамикроэлементов – сотые и тысячные доли процента.
В переводе с греческого «макрос» – большой, а «микро» – маленький.
Рис. 1 Содержание химических элементов в клетке
Учёные установили, что каких-либо особенных элементов, которые присущи только лишь живым организмам, нет. Поэтому, что живая, что неживая природа состоит из одних и тех же элементов. Этим доказывается их взаимосвязь.
Несмотря на количественное содержание химического элемента, отсутствие или уменьшение хотя бы одного из них ведёт к гибели всего организма. Ведь у каждого из них есть своё значение.
Макроэлементы являются основой биополимеров, а именно белков, углеводов, нуклеиновых кислот и липидов.
Микроэлементы входят в состав жизненно важных органических веществ, участвуют в обменных процессах. Они являются составными компонентами минеральных солей, которые находятся в виде катионов и анионов, их соотношение определяет щелочную среду. Чаще всего она слабощелочная, ведь соотношение минеральных солей не изменяется.
Гемоглобин содержит железо, хлорофилл – магний, белки – серу, нуклеиновые кислоты – фосфор, обмен веществ происходит при достаточном количестве кальция.
Некоторые химические элементы являются компонентами неорганических веществ, например, воды. Она играет большую роль в жизнедеятельности как растительной, так и животной клетки. Вода является хорошим растворителем, из-за этого все вещества внутри организма делятся на:
- Гидрофильные– растворяются в воде;
- Гидрофобные– не растворяются в воде.
Благодаря наличию воды клетка становится упругой, она способствует перемещению органических веществ в цитоплазме.
Чтобы наглядно понять, какие химические элементы входят в состав клетки, мы внесли их в следующую таблицу:
Макроэлементы
Кислород, углерод, водород, азот
Содержатся во всех органических веществах и воде.
Составной компонент оболочки у растений, в животном организме находится в составе костей и зубов, принимает активное участие в свёртываемости крови.
Содержится в нуклеиновых кислотах, ферментах, костной ткани и зубной эмали.
Микроэлементы
Является основой белков, ферментов и витаминов.
Обеспечивает передачу нервных импульсов, активирует синтез белка, процессы фотосинтеза и роста.
Один из компонентов желудочного сока, провокатор ферментов.
Принимает активное участие в обменных процессах, компонент гормона щитовидной железы.
Обеспечивает передачу импульсов в нервной системе, поддерживает постоянное давление внутри клетки, провоцирует синтез гормонов.
Составной элемент хлорофилла, костной ткани и зубов, провоцирует синтез ДНК и процессы теплоотдачи.
Составная часть гемоглобина, хрусталика, роговицы, синтезирует хлорофилл. Транспортирует кислород по организму.
Ультрамикроэлементы
источник
Какие химические элементы входят в состав клетки? Роль и функции химических элементов, входящих в состав клетки
Сегодня обнаружено и выделено в чистом виде много химических элементов таблицы Менделеева, а пятая их часть встречается в каждом живом организме. Они, подобно кирпичикам, являются главными составляющими органических и неорганических веществ.
Какие химические элементы входят в состав клетки, по биологии каких веществ можно судить об их наличии в организме — все это мы рассмотрим далее в статье.
Для соблюдения стабильности в организме каждая клетка должна поддерживать концентрацию каждой своей составляющей на постоянном уровне. Этот уровень определяется видовой принадлежностью, средой обитания, экологическими факторами.
Чтобы ответить на вопрос, какие химические элементы входят в состав клетки, необходимо четко понимать, что в составе любого вещества находятся какие-либо из составляющих таблицы Менделеева.
Порой идет речь о сотых и тысячных долях процента содержания определенного элемента в клетке, но при этом изменение названного числа хотя бы на тысячную часть уже может нести серьезные последствия для организма.
Из 118 химических элементов периодической системы в клетке человека должно быть как минимум 24. Нет таких составляющих, которые встречались бы в живом организме, но не входили в состав неживых объектов природы. Этот факт подтверждает тесную связь между живым и неживым в экосистеме.
Так какие химические элементы входят в состав клетки? Их роль в жизнедеятельности организма, следует заметить, напрямую зависит от частоты встречаемости и концентрации их в цитоплазме. Однако, несмотря на разное содержание элементов в клетке, значимость каждого из них в равной степени высока. Дефицит любого из них может привести к пагубному воздействию на организм, отключив из метаболизма важнейшие биохимические реакции.
Перечисляя, какие химические элементы входят в состав клетки человека, нужно упомянуть три основных вида, которые мы рассмотрим далее:
- Основные биогенные.
- Макроэлементы.
- Микроэлементы.
Неудивительно, что элементы О, С, Н, N относятся к биогенным, ведь именно они образуют все органические и многие неорганические вещества. Невозможно представить белки, жиры, углеводы или нукленовые кислоты без этих важнейших для организма составляющих.
Функция этих элементов определила их высокое содержание в организме. На их долю в совокупности приходится 98% от всей сухой массы тела. В чем еще может проявляться активность этих ферментов?
- Кислород. Его содержание в клетке около 62% от общей сухой массы. Функции: построение органических и неорганических веществ, участие в цепи дыхания;
- Углерод. Его содержание достигает 20%. Основная функция: входит в состав всех органических соединений;
- Водород. Его концентрация принимает значение в 10%. Кроме того, что этот элемент является составляющей органических веществ и воды, он также учавствует в преобразованиях энергии;
- Азот. Количество не превышает 3-5%. Его основная роль – это образование аминокислот, нуклеиновых кислот, АТФ, многих витаминов, гемоглобина, гемоцианина, хлорофилла.
Вот какие химические элементы входят в состав клетки и образуют большинство необходимых для нормальной жизнедеятельности веществ.
Макроэлементы также помогут подсказать, какие химические элементы входят в состав клетки. Из курса биологии становится понятно, что, кроме основных, 2% сухой массы составляют другие составляющие периодической таблицы. И к макроэлементам относятся те из них, содержание которых не ниже 0,01%. Их основные функции представлены в виде таблицы.
Отвечает за сокращение мышечных волокон, входит в состав пектина, костей и зубов. Усиливает свертываемость крови.
Входит в состав важнейшего источника энергии – АТФ.
Участвует в образовании дисульфидных мостиков при сворачивании белка в третичную структуру. Входит в состав цистеина и метионина, некоторых витаминов.
Ионы калия участвуют в активном транспорте клетки, а также влияют на потенциал мембраны.
Аналог калия, участвующий в тех же процессах.
Ионы магния – это регуляторы процесса репликации ДНК. В центре молекулы хлорофилла также распологается атом магния.
Участвует в транспорте электронов по ЭТЦ дыхания и фотосинтеза, является структурным звеном миоглобина, гемоглобина и многих ферментов.
Надеемся, из перечисленного несложно определить, какие химические элементы входят в состав клетки и относятся к макроэлементам.
Есть и такие составляющие клетки, без которых организм не может нормально функционировать, однако их содержание всегда меньше 0,01%. Давайте определим, какие химические элементы входят в состав клетки и относятся к группе микроэлементов.
Входит в состав ферментов ДНК- и РНК-полимераз, а также многих гормонов (например, инсулин).
Участвует в процессах фотосинтеза, синтеза гемоглобина, входит в состав гемоцианина и некоторых ферментов.
Является структурной составляющей гормонов Т3 и Т4 щитовидной железы
Входит в состав ферментов, костей. Участвует в азотфиксации у бактерий
Влияет на процесс роста растений.
Входит в состав костей и эмали зубов.
Кроме перечисленных, еще какие химические элементы входят в состав клетки? Ответы можно найти, просто изучив строение большинства веществ организма. Среди них выделяют молекулы органического и неорганического происхождения, и каждая из этих групп имеет в составе фиксированный набор элементов.
Неорганические вещества – это все минеральные соли и, конечно же, вода. Среди всей неорганики в клетке больше всего Н2О, в которой растворены остальные вещества.
Все сказанное выше поможет вам определить, какие химические элементы входят в состав клетки, и их функции в организме больше не будут для вас загадкой.
источник
Таблица№2. «Роль химических элементов в жизни клеток».
| Макроэлементы: N, O, C, H- органогенные элементы, входящие в состав всех веществ в организме. Также к макроэлементам относят: | |
| Ca, CaCO3, Ca3(PO4)2 | Образует ткани зубов и скелета |
| K, Na, Cl, P | Находятся в составе солей, участвуют в поддержании осмотического давления в клетке. |
| S | 1.содержится в составе некоторых аминокислот (метионина, цистеина). 2. также важна для нормального функционирования кожи и роста волос. 3. дисульфидные связи (S-S) поддерживают третичную форму белка. 4.входит в состав витаминов (В1) 5. в составе эфирных масел лука, редьки играет защитную функцию. |
| P | 1. Входит в состав нуклеиновых кислот, ДНК, РНК, АТФ. 2. Фосфолипиды входят в состав мембран клетки ткани. |
| Mg | Входит в состав хлорофилла и некоторых других ферментов. |
| Fe | Входит в состав ферментов, участвующих в синтезе АТФ. Содержится в транспортных белках гемоглобине и миоглобине. |
| Cl | Содержится в соляной кислоте, которая входит в состав желудочного сока. |
| Микроэлементы: | |
| Cu | В составе фермента гемоцианина, придающего голубой цвет гемолимфе членистоногих и моллюсков. Является составной частью ферментов, участвующих в клеточном дыхании. |
| Zn | Входит в состав инсулина и более 100 ферментов. |
| Co | Содержится в витамине В12, регулирующем кроветворную функцию. |
| I | Содержится в гормоне тироксине, вырабатывающимся щитовидной железой. В организме повышает интенсивность окислительных реакций в клетках и выделение тепла, участвует в процессах роста и развития, поддерживает гормональную возбудимость нервных центров и сердечной мышцы. |
| F | Содержится в костной ткани и в дентине и эмали зубов. |
Молекулярный состав клеток
Химические элементы входят в состав клеток в виде ионов или компонентов молекул неорганических и органических веществ.
Неорганические вещества – относительно простые вещества, в состав которых необязательно входит углерод.
Такие вещества встречаются как в живой, так и в неживой природе.
Неорганическими веществами в клетке являются:
Б) Минеральные вещества (1 — 2%)
Органические вещества – сложные химические высокомолекулярные соединения углерода, синтезирующиеся живыми организмами.
К органическим веществам относят:
Г) Нуклеиновые кислоты (1 – 2%)
Вода как часть живой клетки.
Вода – одно из самых распространенных веществ и преобладающий компонент в клетке.
Основной частью клетки является вода(70 – 80%).
В человеческом теле содержание воды в разных клетках неодинаково и зависит от уровня обмена веществ.
Вода в клетках находится в 3 формах:
· Свободная (95% от всей воды организма)
· Обменная (ее количество зависти от состояния клетки).
Физические свойства воды
Уникальные физико-химические свойства воды определяются:
1. Малыми размерами молекул воды.
2. Полярностью каждой молекулы воды.
3. Способностью молекул соединяться друг с другом посредством водородных связей.
Образование водородных связей
В молекуле воды кислород связан с двумя атомами водорода. Кислород, как более сильный элемент, притягивает электронное облако атома водорода, и молекула становится диполем, т.е. молекулой, один конец которой имеет частично положительный заряд, а другой конец — частично отрицательный. По законам физики, разноименные заряды притягиваются, поэтому молекулы как бы «склеиваются». Возникают водородные связи.
Но молекула способна образовывать 4 связи, и эта возможность влияет на физико-химические свойства воды: большая теплоемкость, парообразование (объясняется тем, что большая часть тепла уходит на разрыв водородных связей).
Биологическая роль воды
1. Универсальный растворитель (в клетке множество реакций могут происходить только в водной среде). По отношению к воде вещества делятся на гидрофильные (хорошо растворимые — соли, кислоты, простые сахара, спирты, щелочи) и гидрофобные (плохорастворимые или нерастворимые – жиры, нуклеиновые кислоты, белки).
2. Вода – среда для многих физиологических и биохимических процессов, все реакции гидролиза (расщепления) происходят с участием ферментов в водной среде.
3. Вода определяет физические свойства клеток (упругость, пластичность) благодаря тургорному давлению.
4. Вода – терморегулятор, благодаря большой теплоемкости и большой теплоте испарения.
5. Адгезия – процесс сцепления молекул различных тел друг с другом под действием сил притяжения.
Когезия – процесс сцепления молекул одного вещества между собой под действием сил притяжения.
6. Вода является источником кислорода в процессе фотосинтеза.
Неорганические ионы, их роль.
Минеральные вещества в клетке представлены солями, которые диссоциируют на ионы. Для процессов жизнедеятельности наиболее важны:
Катионы Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ , Mn 2+ ; анионы Сl — , HCO3 — , HPO4 2- ,H2PO4 — .
Концентрация катионов и анионов в клетке и окружающей среде различно и поддерживается на постоянном уровне (внутри клетки преобладают катионы K + , а вне клетки Na + и Сl — ).
Благодаря разной концентрации ионов, образуются разные потенциалы на наружной и внутренней мембране клетки, обеспечивая возбуждение по нервному и мышечному волокну.
Биологическое значение:
1. Na + , K + , и Cl — участвуют в проведении импульсов и обеспечении раздражимости.
2. Ca 2+ , Mg 2+ , Mn 2+ необходимы для функционирования многих ферментов и витаминов.
3. Mg 2+ входит в состав хлорофилла и необходим для синтеза углеводов.
4. Являются компонентами буферных систем – систем, регулирующих слабо-щелочную реакцию содержания клетки на постоянном уровне.
Роль неорганических веществ в жизнедеятельности организма
1. HCl входит в состав желудочного сока и участвует в переваривании белков.
2. Остатки H2SO4 выводят нерастворимые вещества из организма.
3. Соли Ca 2+ и P входят в состав костной ткани.
4. Соли Na + , Ca 2+ , Mg 2+ являются важными компонентами питания растений.
Органические вещества клетки.
Они составляют 20-30% от массы клетки. К ним относятся:
1. Биополимеры (белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты)
2. Жиры и ряд низкомолекулярных веществ (аминокислоты и т.п.).
В состав обязательно входят атомы углерода, способные вступать в прочные связи и образовывать различные соединения.
Большинство органических веществ обладает огромной массой и их молекулы называют макромолекулами. В зависимости от массы молекулы различают высокомолекулярные (биополимеры) и низкомолекулярные (мономеры).
Биополимеры – высокомолекулярные вещества, служащие структурными компонентами и играющие важную роль (белки, полисахариды, ДНК, РНК).
Структурными частями являются мономеры (аминокислоты, моносахариды, нуклеотиды).
В зависимости от строения различают:
| Регулярные | Нерегулярные |
| Одинаковые по строению мономеры | Различные по строению звенья |
| -А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А- | -А-В-С-А-В-С-В-А-С-В-А-А-В-С-С-А-В-С-А-В- |
| Полисахариды | Белки, нуклеиновые кислоты |
Пептиды – органические вещества, состоящие из остатков аминокислот, соединенных пептидной связью.
Пептидная связь – ковалентная химическая связь, возникающая между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой аминокислоты.
| До 10 остатков — аминопептиды | Более 10 остатков — полипептиды |
Белки – высокомолекулярные органические вещества, состоящие из мономеров аминокислот.
Химический состав: C, H, O, N и S, Fe, P.
Имеют огромную молекулярную массу. Альбумин – 36000; гемоглобин – 152000.
Мономерами белков являются аминокислоты (АК).
АК – класс органических соединений, содержащих карбоксильную группу (СООН) и амино-группу (NH2), имеющий свойства, как кислот, так и оснований.
| Простые (протеины) – только из АК. | Сложные (протеиды) – кроме АК имеется небелковая часть. |
| Липопротеиды – в составе мембран | |
| Гликопротеиды – ферменты | |
| Фосфопротеиды — казеин | |
| Гемопротеиды – гемоглобин | |
| Нуклеопротеиды – ДНК, РНК, вирусы, рибосомы, хромосомы. |
Таблица№3. Основные группы аминокислот.
| Группа | Структура |
| Углеводородная |     Изолейцин (иле) Глицин (гли) Аланин (ала) Валин (вал) Лейцин (лей) |
| Окси — группа |   Серин (сер) Треонин (тре) |
| Сера |   Цистеин (цис) Метионин (мет) |
| Кислые |   Аспарагиновая кислота (асп) Глутаминовая кислота (глу) |
| Амидоаминокислота |   Аспарагин (асн) Глутамин (глн) |
| Амидные |   Лизин (лиз) Аргинин (арг) |
| Циклические кислоты |    Тирозин (тир) Фенилаланин (фен) Триптофан (трп) |
| Гетероциклические кислоты |   Гистидин (гис) Пролин (про) |
По структуре белки бывают:
1. Глобурярные (полипептидные цепи в виде клубков). Гемоглобин, неоглобин, инсулин.
2. Фибриллярные (цепи в виде длинных нитей, нерастворимы). Коллаген, казеин.
Последнее изменение этой страницы: 2016-08-25; Нарушение авторского права страницы
источник
Видеоурок 2: Строение, свойства и функции органических соединений Понятие о биополимерах
Лекция: Химический состав клетки. Макро- и микроэлементы. Взаимосвязь строения и функций неорганических и органических веществ
макроэлементы, содержание которых не ниже 0,01%;
микроэлементы – концентрация, которых составляет меньше 0,01%.
В любой клетке содержание микроэлементов составляет менее 1%, макроэлементов соответственно — больше 99%.
Натрий, калий и хлор – обеспечивают многие биологические процессы – тургор (внутреннее клеточное давление), появление нервных электрических импульсов.
Азот, кислород, водород, углерод. Это основные компоненты клетки.
Фосфор и сера – важные компоненты пептидов (белков) и нуклеиновых кислот.
Кальций – основа любых скелетных образований – зубов, костей, раковин, клеточных стенок. Также, участвует в сокращении мышц и свертывании крови.
Магний – компонент хлорофилла. Участвует в синтезе белков.
Железо – компонент гемоглобина, участвует в фотосинтезе, определяет работоспособность ферментов.
Микроэлементы содержатся в очень низких концентрациях, важны для физиологических процессов:
Медь – участвует в фотосинтезе и дыхании;
Кобальт – компонент витамина В12;
Йод – участвует в регуляции обмена веществ. Он является важным компонентом гормонов щитовидной железы;
Фтор – компонент зубной эмали.
Нарушение баланса концентрации микро и макроэлементов приводит к нарушениям метаболизма, развитию хронических болезней. Недостаток кальция – причина рахита, железа – анемия, азота – дефицит протеинов, йода – снижение интенсивности метаболитических процессов.
Расмотрим связь органических и неорганических веществ в клетке, их строение и функции.
В клетках содержится огромное количество микро и макромолекул, относящихся к разным химическим классам.
Неорганические вещества клетки
Вода . От общей массы живого организма она составляет наибольший процент – 50-90% и принимает участие практически во всех процессах жизнедеятельности:
капиллярных процессах, так как является универсальным полярным растворителем, влияет на свойства межтканевой жидкости, интенсивности обмена веществ. По отношению к воде все химические соединения делятся на гидрофильные (растворимые) и липофильные (растворимые в жирах).
От концентрации ее в клетке зависит интенсивность обмена веществ – чем больше воды, тем быстрее происходят процессы. Потеря 12% воды человеческим организмом – требует восстановления под наблюдением врача, при потере 20% – наступает смерть.
Минеральные соли. Содержатся в живых системах в растворенном виде (диссоциировав на ионы) и нерастворенном. Растворенные соли участвуют в:
переносе веществ сквозь мембрану. Катионы металлов обеспечивают «калиево-натриевый насос», изменяя осмотическое давление клетки. Из-за этого вода с растворенными в ней веществами устремляется в клетку либо покидает ее, унося ненужные;
формировании нервных импульсов, имеющих электрохимическую природу;
фосфат-ион – компонент нуклеиновых кислот и АТФ;
карбонат-ион – поддерживает Ph в цитоплазме.
Нерастворимые соли в виде цельных молекул образуют структуры панцирей, раковин, костей, зубов.
Органические вещества клетки
Общая черта органических веществ – наличие углеродной скелетной цепи. Это биополимеры и небольшие молекулы простой структуры.
Основные классы, имеющиеся в живых организмах:
Углеводы . В клетках присутствуют различные их виды — простые сахара и нерастворимые полимеры (целлюлоза). В процентном отношении доля их в сухом веществе растений — до 80%, животных – 20%. Они играют важную роль в жизнеобеспечении клеток:
Фруктоза и глюкоза (моносахара) – быстро усваиваются организмом, включаются в метаболизм, являются источником энергии.
Рибоза и дезоксирибоза (моносахара) – один из трех основных компонентов состава ДНК и РНК.
Лактоза (относится к дисахарам) – синтезируется животным организмом, входит в состав молока млекопитающих.
Сахароза (дисахарид) – источник энергии, образуется в растениях.
Мальтоза (дисахарид) – обеспечивает прорастание семян.
Также, простые сахара выполняют и другие функции: сигнальную, защитную, транспортную.
Полимерные углеводы – это растворимый в воде гликоген, а также нерастворимые целлюлоза, хитин, крахмал. Они играют важную роль в метаболизме, осуществляют структурную, запасающую, защитную функции.
Липиды или жиры. Они нерастворимы в воде, но хорошо смешиваются между собой и растворяются в неполярных жидкостях (не имеющих в составе кислород, например – керосин или циклические углеводороды относятся к неполярным растворителям). Липиды необходимы в организме для обеспечения его энергией – при их окислении образуется энергия и вода. Жиры очень энергоэффективны – с помощью выделяющихся при окислении 39 кДж на грамм можно поднять груз весом в 4 тонны на высоту в 1 м. Также, жир обеспечивает защитную и теплоизоляционную функцию – у животных толстый его слой способствует сохранению тепла в холодный сезон. Жироподобные вещества предохраняют от намокания перья водоплавающих птиц, обеспечивают здоровый лоснящийся вид и упругость шерсти животных, выполняют покровную функцию у листьев растений. Некоторые гормоны имеют липидную структуру. Жиры входят в основу структуры мембран.
Белки или протеины являются гетерополимерами биогенной структуры. Они состоят из аминокислот, структурными единицами которых являются: аминогруппа, радикал, и карбоксильная группа. Свойства аминокислот и их отличия друг от друга определяют радикалы. За счет амфотерных свойств – могут образовывать между собой связи. Белок может состоять из нескольких или сотен аминокислот. Всего в структуру белков входят 20 аминокислот, их комбинации определяют разнообразие форм и свойств протеинов. Около десятка аминокислот относятся к незаменимым – они не синтезируются в животном организме и их поступление обеспечивается за счет растительной пищи. В ЖКТ белки расщепляются на отдельные мономеры, используемые для синтеза собственных белков.
Структурные особенности белков:
первичная структура – аминокислотная цепочка;
вторичная – скрученная в спираль цепочка, где образуются между витками водородные связи;
третичная – спираль или несколько их, свернутые в глобулу и соединенные слабыми связями;
четвертичная существует не у всех белков. Это несколько глобул, соединенных нековалентными связями.
Прочность структур может нарушаться, а затем восстанавливаться, при этом белок временно теряет свои характерные свойства и биологическую активность. Необратимым является только разрушение первичной структуры.
Белки выполняют в клетке множество функций:
ускорение химических реакций (ферментативная или каталитическая функция, причем каждый из них отвечает за конкретную единственную реакцию);
транспортная – перенос ионов, кислорода, жирных кислот сквозь клеточные мембраны;
защитная – такие белки крови как фибрин и фибриноген, присутствуют в плазме крови в неактивном виде,в месте ранений под действием кислорода образуют тромбы. Антитела — обеспечивают иммунитет.
структурная – пептиды входят частично или являются основой клеточных мембран, сухожилий и других соединительных тканей, волос, шерсти, копыт и ногтей, крыльев и внешних покровов. Актин и миозин обеспечивают сократительную активность мышц;
регуляторная – белки-гормоны обеспечивают гуморальную регуляцию;
энергетическая – во время отсутствия питательных веществ организм начинает расщеплять собственные белки, нарушая процесс собственной жизнедеятельности. Именно поэтому после длительного голода организм не всегда может восстановиться без врачебной помощи.
Нуклеиновые кислоты. Их существует 2 – ДНК и РНК. РНК бывает нескольких видов – информационная, транспортная, рибосомная. Открыты щвейцарцем Ф. Фишером в конце 19-го века.
ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота. Содержится в ядре, пластидах и митохондриях. Структурно является линейным полимером, образующим двойную спираль из комплементарных цепочек нуклеотидов. Представление о ее пространственной структуре было создано в в 1953 г американцами Д. Уотсоном и Ф. Криком.
Мономерные ее единицы —нуклеотиды, имеющие принципиально общую структуру из:
азотистого основания (принадлежащие к группе пуриновых – аденин, гуанин, пиримидиновых – тимин и цитозин.)
В структуре полимерной молекулы нуклеотиды объединены попарно и комплементарно, что обусловлено разным количеством водородных связей: аденин+тимин – две, гуанин+цитозин – водородных связей три.
Порядок расположения нуклеотидов кодирует структурные последовательности аминокислот белковых молекул. Мутацией называются изменения порядка нуклеотидов, так как будут кодироваться белковые молекулы другой структуры.
РНК – рибонуклеиновая кислота. Структурными особенностями ее отличия от ДНК являются:
вместо тиминового нуклеотида – урациловый;
рибоза вместо дезоксирибозы.
Транспортная РНК – это полимерная цепочка, которая в плоскости свернута в виде листочка клевера, основной ее функцией является доставка аминокислоты к рибосомам.
Матричная (информационная) РНК постоянно образуется в ядре, комплементарно какому-либо участку ДНК. Это — структурная матрица, на основе ее строения на рибосоме будет собираться белковая молекула. От всего содержания молекул РНК этот тип составляет 5%.
Рибосомная – отвечает за процесс составления молекулы белка. Синтезируется на ядрышке. Ее в клетке 85%.
АТФ – аденозинтрифосфорная кислота. Это нуклеотид, содержащий:
источник
В клетках разных организмов обнаружено около 70 элементов периодической системы элементов Д. И. Менделеева, но лишь 24 из них имеют вполне установленное значение и встречаются постоянно во всех типах клеток.
Наибольший удельный вес в элементном составе клетки приходится на кислород, углерод, водород и азот. Это так называемые основные или биогенные элементы. На долю этих элементов приходится более 95 % массы клеток, причем их относительное содержание в живом веществе гораздо выше, чем в земной коре. Жизненно важными являются также кальций, фосфор, сера, калий, хлор, натрий, магний, йод и железо. Их содержание в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента. Перечисленные элементы составляют группу макроэлементов.
Другие химические элементы: медь, марганец, молибден, кобальт, цинк, бор, фтор, хром, селен, алюминий, йод, железо, кремний — содержатся в исключительно малых количествах (менее 0,01 % массы клеток). Они относятся к группе микроэлементов.
Процентное содержание в организме того или иного элемента никоим образом не характеризует степень его важности и необходимости в организме. Так, например, многие микроэлементы входят в состав различных биологически активных веществ — ферментов, витаминов (кобальт входит в состав витамина B12), гормонов (йод входит в состав тироксина);оказывают влияние на рост и развитие организмов (цинк, марганец, медь), кроветворение (железо, медь), процессы клеточного дыхания (медь, цинк) и т. д. Содержание и значение для жизнедеятельности клеток и организма в целом различных химических элементов приведено в таблице:
источник