Химический состав живых организмов таблица. Химические элементы клетки
Клетки растений и животных содержат неорганические и органические вещества. К неорганическим относят воду и минеральные вещества. К органическим веществам относят белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты.
Неорганические вещества
Вода - это соединение, которое живая клетка содержит в наибольшем количестве. Вода составляет около 70% массы клетки. Большинство внутриклеточных реакций протекает в водной среде. Вода в клетке находится в свободном и связанном состоянии.
Значение воды для жизнедеятельности клетки определено ее строением и свойствами. Содержание воды в клетках может быть различным. 95% воды находится в клетке в свободном состоянии. Она необходима как растворитель для органических и неорганических веществ. Все биохимические реакции в клетке идут при участии воды. Вода используется для выведения различных веществ из клетки. Вода обладает высокой теплопроводностью и предотвращает резкие колебания температуры. 5% воды находится в связанном состоянии, образуя непрочные соединения с белками.
Минеральные вещества в клетке могут быть в диссоциированном состоянии или в соединении с органическими веществами.
Химические элементы, которые участвуют в процессах обмена веществ и обладают биологической активностью, называют биогенными.
Цитоплазма содержит около 70% кислорода, 18% углерода, 10% водорода, кальций, азот, калий, фосфор, магний, серу, хлор, натрий, алюминий, железо. Эти элементы составляют 99,99% от состава клетки и их называют макроэлементами. Например, кальций и фосфор входят в состав костей. Железо - составная часть гемоглобина.
Марганец, бор, медь, цинк, йод, кобальт - микроэлементы. Они составляют тысячные доли процента от массы клетки. Микроэлементы нужны для образования гормонов, ферментов, витаминов. Они влияют на обменные процессы в организме. Например, йод входит в состав гормона щитовидной железы, кобальт - в состав витамина В 12 .
Золото, ртуть, радий и др. - ультрамикроэлементы - составляют миллионные доли процента от состава клетки.
Недостаток или избыток минеральных солей нарушает жизнедеятельность организма.
Органические вещества
Кислород, водород, углерод, азот входят в состав органических веществ. Органические соединения представляют собой круп- ные молекулы, называемые полимерами. Полимеры состоят из многих повторяющихся единиц (мономеров). К органическим полимерным соединениям относят углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты, АТФ.
Углеводы
Углеводы состоят из углерода, водорода, кислорода.
Мономерами углеводов являются моносахариды. Углеводы раз- деляют на моносахариды, дисахариды и полисахариды.
Моносахариды - простые сахара с формулой (СН 2 О) n , где n - любое целое число от трех до семи. В зависимости от числа угле- родных атомов в молекуле различают триозы (3С), тетрозы (4С), пентозы (5С), гексозы (6С), гептозы (7С).
Триозы С 3 Н 6 О 3 - например глицеральдегид и дигидроксиацетон - играют роль промежуточных продуктов в процессе дыхания, уча- ствуют в фотосинтезе. Тетрозы С 4 Н 8 О 4 встречаются у бактерий. Пентозы С 5 Н 10 О 5 - например рибоза - входит в состав РНК, дезоксирибоза входит в состав ДНК. Гексозы - С 6 Н 12 О 6 - например глюкоза, фруктоза, галактоза. Глюкоза - источник энергии для клетки. Вместе с фруктозой и галактозой глюкоза может участвовать в образовании дисахаридов.
Дисахариды образуются в результате реакции конденсации между двумя моносахаридами (гексозами) с потерей молекулы воды.
Формула дисахаридов С 12 Н 22 О 11 Среди дисахаридов наиболее широко распространены мальтоза, лактоза и сахароза.
Сахароза, или тростниковый сахар, синтезируется у растений. Мальтоза образуется из крахмала в процессе его переваривания в организме животных. Лактоза, или молочный сахар содержится только в молоке.
Полисахариды (простые) образуются в результате реакции конденсации большого числа моносахаридов. К простым полисахаридам относят крахмал (синтезируется у растений), гликоген (содержится в клетках печени и мышцах животных и человека), целлюлозу (образует клеточную стенку у растений).
Сложные полисахариды образуются в результате взаимодействия углеводов с липидами. Например, гликолипиды входят в состав мембран. К сложным полисахаридам относят также соединения углеводов с белками (гликопротеиды). Например, гликопротеиды входят в состав слизи, выделяемой железами желудоч- но-кишечного тракта.
Функции углеводов:
1. Энергетическая: 60% энергии организм получает при распаде углеводов. При расщеплении 1 г углеводов выделяется 17,6 кДж энергии.
2. Структурная и опорная: углеводы входят в состав плазматической мембраны, оболочки растительных и бактериальных клеток.
3. Запасающая: питательные вещества (гликоген, крахмал) откладываются в запас в клетках.
4. Защитная: секреты (слизь), выделяемые различными железами, предохраняют стенки полых органов, бронхов, желудка, кишечника от механических повреждений, вредных бактерий и вирусов.
5. Участвуют в фотосинтезе.
Жиры и жироподобные вещества
Жиры состоят из углерода, водорода, кислорода. Мономерами жиров являются жирные кислоты и глицерин. Свойства жиров определяются качественным составом жирных кислот и их количественным соотношением. Растительные жиры жидкие (масла), животные - твердые (например сало). Жиры нерастворимы в воде - это гидрофобные соединения. Жиры, соединяясь с белками, образуют липопротеиды, соединяясь с углеводами - гликолипиды. Гликолипиды и липопротеиды - это жироподобные вещества.
Жироподобные вещества входят в состав мембран клеток, мембранных органелл, нервной ткани. Жиры могут соединяться с глюко- зой и образовывать гликозиды. Например, гликозид дигитоксина - вещество, используемое при лечении болезней сердца.
Функции жиров:
1. Энергетическая: при полном распаде 1 г жира до углекислого газа и воды выделяется 38,9 кДж энергии.
2. Структурная: входят в состав клеточной мембраны.
3. Защитная: слой жира защищает организм от переохлаждения, механических ударов и сотрясений.
4. Регуляторная: стероидные гормоны регулируют процессы обмена веществ и размножение.
5. Жир - источник эндогенной воды. При окислении 100 г жира выделяется 107 мл воды.
Белки
В состав белков входят углерод, кислород, водород, азот. Мономерами белка являются аминокислоты. Белки построены из двадцати различных аминокислот. Формула аминокислоты:
В состав аминокислот входят: NH 2 - аминогруппа, обладающая основными свойствами; СООН - карбоксильная группа, имеет кислотные свойства. Аминокислоты отличаются друг от друга своими радикалами - R. Аминокислоты - амфотерные соединения. Они соединяются друг с другом в молекуле белка с помощью пептидных связей.
Схема конденсации аминокислот (образование пептидной связи)
Есть первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белка. Порядок, количество и качество аминокислот, входящих в состав молекулы белка, определяют его первичную структуру. Белки первичной структуры могут с помощью водородных связей соединяться в спираль и образовывать вторичную структуру. Полипептидные цепи скручиваются определенным образом в компактную структуру, образуя глобулу (шар) - это тре- тичная структура белка. Большинство белков имеют третичную структуру. Аминокислоты активны только на поверхности глобулы. Белки, имеющие глобулярную структуру, объединяются вместе и образуют четвертичную структуру. Замена одной аминокислоты приводит к изменению свойств белка (рис. 30).
При воздействии высокой температуры, кислот и других факторов может происходить разрушение белковой молекулы. Это явление называется денатурацией (рис. 31). Иногда денатуриро-
Рис. 30. Различные структуры молекул белка.
1 - первичная; 2 - вторичная; 3 - третичная; 4 - четвертичная (на примере гемоглобина крови).
Рис. 31. Денатурация белка.
1 - молекула белка до денатурации;
2 - денатурированный белок;
3 - восстановление исходной молекулы белка.
ванный белок при изменении условий вновь может восстановить свою структуру. Этот процесс называется ренатурацией и возможен лишь тогда, когда не разрушена первичная структура белка.
Белки бывают простые и сложные. Простые белки состоят только из аминокислот: например, альбумины, глобулины, фибриноген, миозин.
Сложные белки состоят из аминокислот и других органических соединений: например, липопротеины, гликопротеины, нук- леопротеины.
Функции белков:
1. Энергетическая. При распаде 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии.
2. Каталитическая. Служат катализаторами биохимических реакций. Катализаторы - ферменты. Ферменты ускоряют биохимические реакции, но не входят в состав конечных продуктов. Ферменты строго специфичны. Каждому субстрату соответствует свой фермент. Название фермента включает название субстрата и окончание «аза»: мальтаза, рибонуклеаза. Ферменты активны при определенной температуре (35 - 45 О С).
3. Структурная. Белки входят в состав мембран.
4. Транспортная. Например, гемоглобин переносит кислород и СО 2 в крови позвоночных.
5. Защитная. Защита организма от вредных воздействий: выработка антител.
6. Сократительная. Благодаря наличию белков актина и миозина в мышечных волокнах происходит сокращение мышц.
Нуклеиновые кислоты
Существует два типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Мономе- рами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды.
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). В состав нуклеотида ДНК входит одно из азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) или цитозин (Ц) (рис. 32), углевод дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты. Молекула ДНК представляет собой двойную спираль, построенную по принципу комплементарности. В молекуле ДНК комплементарны следующие азотистые основания: А = Т; Г = Ц. Две спирали ДНК соединены водородными связями (рис. 33).
Рис. 32. Строение нуклеотида.
Рис. 33. Участок молекулы ДНК. Комплементарное соединение нуклеотидов разных цепей.
ДНК способна к самоудвоению (репликации) (рис. 34). Репликация начинается с разделения двух комплементарных цепей. Каждая цепь используется в качестве матрицы для образования новой молекулы ДНК. В процессе синтеза ДНК участвуют ферменты. Каждая из двух дочерних молекул обязательно включает одну старую спираль и одну новую. Новая молекула ДНК абсо- лютно идентична старой по последовательности нуклеотидов. Такой способ репликации обеспечивает точное воспроизведение в дочерних молекулах той информации, которая была записана в материнской молекуле ДНК.
Рис. 34. Удвоение молекулы ДНК.
1 - матричная ДНК;
2 - образование двух новых цепей на основе матрицы;
3 - дочерние молекулы ДНК.
Функции ДНК:
1. Хранение наследственной информации.
2. Обеспечение передачи генетической информации.
3. Присутствие в хромосоме в качестве структурного компонента.
ДНК находится в ядре клетки, а также в таких органеллах клетки, как митохондрии, хлоропласты.
РНК (рибонуклеиновая кислота). Рибонуклеиновые кислоты бывают 3 видов: рибосомная, транспортная и информационная РНК. Нуклеотид РНК состоит из одного из азотистых оснований: аденина (А), гуанина (Г), цитозина (Ц), урацила (У), углевода - рибозы и остатка фосфорной кислоты.
Рибосомная РНК (рРНК) в соединении с белком входит в состав рибосом. рРНК составляет 80% от всей РНК в клетке. На рибосомах идет синтез белка.
Информационная РНК (иРНК) составляет от 1 до 10% от всей РНК в клетке. По строению иРНК комплементарна участку молекулы ДНК, несущему информацию о синтезе определенного белка. Длина иРНК зависит от длины участка ДНК, с которого считывали информацию. иРНК переносит информацию о синтезе белка из ядра в цитоплазму к рибосоме.
Транспортная РНК (тРНК) составляет около 10% всей РНК. Она имеет короткую цепь нуклеотидов в форме трилистника и находится в цитоплазме. На одном конце трилистника находится триплет нуклеотидов (антикодон), кодирующий определенную аминокислоту. На другом конце триплет нуклеотидов, к которому при- соединяется аминокислота. Для каждой аминокислоты имеется своя тРНК. тРНК переносит аминокислоты к месту синтеза белка, т.е. к рибосомам (рис. 35).
РНК находится в ядрышке, цитоплазме, рибосомах, митохондриях и пластидах.
АТФ - Аденазинтрифосфорная кислота. Аденазинтрифосфорная кислота (АТФ) состоит из азотистого основания - аденина, сахара - рибозы, и трех остатков фосфорной кислоты (рис. 36). В молекуле АТФ накапливается большое количество энергии, необходимой для биохимических процессов, идущих в клетке. Синтез АТФ происходит в митохондриях. Молекула АТФ очень неустой-
чива и способна отщеплять одну или две молекулы фосфата с выделением большого количества энергии. Связи в молекуле АТФ называют макроэргическими.
АТФ → АДФ + Ф + 40 кДж АДФ→ АМФ + Ф + 40 кДж
Рис. 35. Строение тРНК.
А, Б, В и Г - участки комплементарного соединения внутри одной цепочки РНК; Д - участок (активный центр) соединения с аминокислотой; Е - участок комплементарного соединения с молекулой.
Рис. 36. Строение АТФ и ее превращение в АДФ.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие вещества в клетке относят к неорганическим?
2. Какие вещества в клетке относят к органическим?
3. Что является мономером углеводов?
4. Какое строение имеют углеводы?
5. Какие функции выполняют углеводы?
6. Что является мономером жиров?
7. Какое строение имеют жиры?
8. Какие функции выполняют жиры?
9. Что является мономером белка? 10.Какое строение имеют белки? 11.Какие структуры имеют белки?
12.Что происходит при денатурации белковой молекулы?
13.Какие функции выполняют белки?
14.Какие нуклеиновые кислоты известны?
15.Что является мономером нуклеиновых кислот?
16.Что входит в состав нуклеотида ДНК?
17.Какое строение имеет нуклеотид РНК?
18.Какое строение имеет молекула ДНК?
19.Какие функции выполняет молекула ДНК?
20. Какое строение имеет рРНК?
21.Какое строение имеет иРНК?
22.Какое строение имеет тРНК?
23.Какие функции выполняют рибонуклеиновые кислоты?
24.Какое строение имеет АТФ?
25.Какие функции выполняет АТФ в клетке?
Ключевые слова темы «Химический состав клеток»
азотистое основание альбумины
аминокислотная группа аминокислоты
амфотерные соединения
антикодон
бактерии
белки
биологическая активность биологический катализатор
биохимические реакции
болезнь
вещества
видовая специфичность
витамины
вода
водородные связи вторичная структура выработка антител высокая температура галактоза гексозы гемоглобин гепарин
гидрофобные соединения
гликоген
гликозиды
гликопротеиды
глицерин
глобула
глобулины
глюкоза
гормоны
гуанин
двойная спираль дезоксирибоза денатурация дисахарид
диссоциированное состояние
ДНК
единица информации живой организм животное жизнедеятельность жирные кислоты жировая ткань жироподобные вещества жиры
запас питательных веществ избыток
индивидуальная специфичность
источник энергии
капли
карбоксильная группа
качество кислота
клеточная стенка кодон
колебание температуры
количество
комплементарность
конечные продукты
кости
крахмал
лактоза
лечение
липопротеиды
макроэлементы
макроэргические связи
мальтоза
масса
мембрана клетки
микроэлементы
минеральные соли
миозин
митохондрии
молекула
молочный сахар
мономер
моносахарид
мукополисахариды
мукопротеиды
наследственная информация недостаток
неорганические вещества нервная ткань нуклеиновые кислоты нуклеопротеиды нуклеотид обмен веществ обменные процессы органические вещества пентозы
пептидные связи первичная структура перенос кислорода плоды
подкожная клетчатка
полимер полисахарид
полупроницаемая мембрана
порядок
потеря
проникновение воды
процент
радикал
разрушение
распад
растворитель
растение
расщепление
реакция конденсации
ренатурация
рибоза
рибонуклеаза
рибосома
РНК
сахар
свертывание крови
свободное состояние
связанное состояние
семена
сердце
синтез белка
слой
слюна
сократимые белки
строение
субстрат
теплопроводность
тетрозы тимин
тканевая специфичность
третичная структура
трилистник
триозы
триплет
тростниковый сахар углеводы
ультрамикроэлементы
урацил
участок
ферменты
фибриноген
формула
фосфорная кислота фотосинтез фруктоза функция
химические элементы
хлоропласты
хромосома
целлюлоза
цепь
цитозин
цитоплазма
четвертичная структура шар
щитовидная железа
элементы
ядро
Элементный состав организма
По химическому составу клетки разных организмов могут заметно отличаться, однако состоят они из одинаковых элементов. В клетках обнаружено около 70 элементов периодической таблицы Д.И. Менделеева, но только 24 из них имеют важное значение и встречаются в живых организмах постоянно.
Макроэлементы – кислород, углеводород, водород, азот – входят в состав молекул органических веществ. К макроэлементам в последнее время относят калий, натрий, кальций, сера, фосфор, магний, железо, хлор. Их содержание в клетке составляет десятые и сотые доли процента.
Магний входит в состав хлорофилла; железо – гемоглобина; фосфор – костной ткани, нуклеиновых кислот; кальций – костей, черепашек моллюсков, сера – в состав белков; калий, натрий и хлор-ионы берут участие в смене потенциала клеточной мембраны.
Микроэлементы представлены в клетке сотыми и тысячными долями процента. Это цинк, медь, йод, фтор, молибден, бор и др.
Микроэлементы входят в состав ферментов, гормонов, пигментов.
Ультрамикроэлементы – элементы, содержание которых в клетке не превышает 0,000001%. Это уран, золото, ртуть, цезий и др.
Вода и её биологическое значение
Вода количественно занимает среди химических соединений первое место во всех клетках. В зависимости от типа клеток, их функционального состояния, вида организма и условий его нахождения её содержание в клетках существенно колеблется.
Клетки костной ткани содержат не больше 20% воды, жировой ткани – около 40%, мышечные клетки – 76%, а клетки зародыша – более 90%.
Замечание 1
В клетках любого организма с возрастом количество воды заметно уменьшается.
Отсюда – вывод, что чем выше функциональная активность организма в целом и каждой клетки отдельно тем большим в них есть содержание воды, и наоборот.
Замечание 2
Обязательным условием жизненной активности клеток является наличие воды. Она является основной частью цитоплазмы, поддерживает её структуру и стойкость коллоидов, входящих в состав цитоплазмы.
Роль воды в клетке определяется её химическими и структурными свойствами. Прежде всего это связано с небольшим размером молекул, их полярностью и способностью соединяться с помощью водородных связей.
Водородные связи образуются при участии атомов водорода, соединённых с электронегативным атомом (обычно кислородом или азотом). При этом атом Гидрогена приобретает настолько большой позитивный заряд, что может образовать новую связь с другим электронегативным атомом (кислорода или азота). Так же связываются друг с другом молекулы воды, у которых один конец имеет позитивный заряд, а другой – негативный. Такую молекулу называют диполем . Более электронегативный атом кислорода одной молекулы воды притягивается к позитивно заряженному атому водорода другой молекулы с образованием водородной связи.
Благодаря тому, что молекулы воды полярные и способны образовывать водородные связи, вода является совершенным растворителем для полярных веществ, которые называются гидрофильными . Такими являются соединения ионного характера, в которых заряженные частички (ионы) диссоциируют (разделяются) в воде при растворении вещества (соли). Такую же способность имеют и некоторые неионные соединения, в молекуле которых находятся заряженные (полярные) группы (в сахарах, аминокислотах, простых спиртах это ОН-группы). Вещества, состоящие из неполярных молекул (липиды), в воде практически нерастворимы, то есть они гидрофобы .
При переходе вещества в раствор, его структурные частички (молекулы или ионы) приобретают возможность двигаться свободнее, а, соответственно, возрастает реакционная способность вещества. Благодаря этому вода является основной средой, где происходит большинство химических реакций. Кроме того, все окислительно-восстановительные реакции и реакции гидролиза проходят при непосредственном участии воды.
Вода имеет наибольшую удельную теплоёмкость среди всех известных веществ. Это означает, что при существенном увеличении тепловой энергии температура воды повышается сравнительно немного. Это обусловлено использованием значительного количества этой энергии на разрыв водородных связей, которые ограничивают подвижность молекул воды.
Благодаря большой теплоёмкости вода служит защитой для тканей растений и животных от сильного и быстрого повышения температуры, а высокая теплота парообразования является основой для надёжной стабилизации температуры тела организма. Необходимость значительного количества энергии для испарения воды вызвана тем, что между её молекулами существуют водородные связи. Эта энергия поступает из окружающей среды, потому испарение сопровождается охлаждением. Этот процесс можно наблюдать во время потоотделения, в случае тепловой задышки у собак, важна она и в процессе охлаждения транспирирующих органов растений, особенно в пустынных условиях и в условиях сухих степей и периодов засухи в других регионах.
Вода имеет так же высокую теплопроводность, чем обеспечивается равномерное распределение тепла по организму. Таким образом нет риска возникновения локальных «горячих точек», которые могут стать причиной повреждения элементов клеток. Значит, высокая удельная теплоёмкость и высокая для жидкости теплопроводность делают воду идеальной средой для поддержания оптимального теплового режима организма.
Для воды характерно высокое поверхностное натяжение. Это её свойство очень важно для адсорбционных процессов, движения растворов по тканях (кровообращение, восходящее и нисходящее движение по растению и т.п.).
Вода используется как источник кислорода и водорода, которые выделяются во время световой фазы фотосинтеза.
К важным физиологическим свойствам воды относится её способность растворять газы ($O_2$, $CO_2$ и др.). Кроме того, вода как растворитель участвует в процессе осмоса, что играет важную роль в жизнедеятельности клеток и организма.
Свойства углеводорода и его биологическая роль
Если не брать во внимание воду, можно сказать, что большая часть молекул клетки принадлежит к углеводородным, так называемым органическим, соединениям.
Замечание 3
Углеводород, имея уникальные химические способности, фундаментальные для жизни, составляет её химическую основу.
Благодаря небольшому размеру и наличию на внешней оболочке четырёх электронов атом углеводорода может образовывать четыре крепких ковалентных связи с другими атомами.
Самое важное значение имеет способность атомов углеводорода соединяться друг с другом, образуя цепи, кольца и, в конце концов, скелет больших и сложных органических молекул.
К тому же углеводород легко образует ковалентные связи с другими биогенными элементами (обычно с $H, Mg, P, O, S$). Именно этим объясняется существование астрономического количества разнообразных органических соединений, которые обеспечивают существование живых организмов во всех его проявлениях. Разнообразие их проявляется в структуре и размерах молекул, их химических свойствах, степени насыщенности карбонового скелета и различной форме молекул, что определяется углами внутримолекулярных связей.
Биополимеры
Это высокомолекулярные (молекулярная масса 103 – 109) органические соединения, макромолекулы которых состоят из большого количества звеньев, которые повторяются, - мономеров.
К биополимерам относятся белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и их производные (крахмал, гликоген, целлюлоза, гемицеллюлоза, пектиновые вещества, хитин и пр.). Мономерами для них являются соответственно аминокислоты, нуклеотиды и моносахариды.
Замечание 4
Около 90% сухой массы клетки составляют биополимеры: у растений преобладают полисахариды, а у животных – белки.
Пример 1
В клетке бактерий находится около 3 тыс. видов белков и 1 тыс. нуклеиновых кислот, а у человека количество белков оценивают в 5 млн.
Биополимеры не только образуют структурную основу живых организмов, но и в процессах жизнедеятельности играют проводящую роль.
Структурной основой биополимеров являются линейные (белки, нуклеиновые кислоты, целлюлоза) или разветвлённые (гликоген) цепи.
И нуклеиновых кислот, имунные реакции, реакции обмена веществ - и осуществляются благодаря образованию биополимерных комплексов и другим свойствам биополимеров.
Атлас: анатомия и физиология человека. Полное практическое пособие Елена Юрьевна Зигалова
Химический состав клетки
Химический состав клетки
В состав клетки входит более 100 химических элементов, на долю четырех из них приходится около 98 % массы, это органогены : кислород (65–75 %), углерод (15–18 %), водород (8–10 %) и азот (1,5–3,0 %). Остальные элементы подразделяются на три группы: макроэлементы – их содержание в организме превышает 0,01 %); микроэлементы (0,00001–0,01 %) и ультрамикроэлементы (менее 0,00001). К макроэлементам относятся сера, фосфор, хлор, калий, натрий, магний, кальций. К микроэлементам – железо, цинк, медь, йод, фтор, алюминий, медь, марганец, кобальт и др. К ультрамикроэлементам – селен, ванадий, кремний, никель, литий, серебро и до. Несмотря на очень малое содержание, микроэлементы и ультрамикроэлементы играют очень важную роль. Они влияют, главным образом, на обмен веществ. Без них невозможна нормальная жизнедеятельность каждой клетки и организма как целого.
Рис. 1. Ультрамикроскопическое строение клетки. 1 – цитолемма (плазматическая мембрана); 2 – пиноцитозные пузырьки; 3 – центросома клеточный центр (цитоцентр); 4 – гиалоплазма; 5 – эндоплазматическая сеть: а – мембрана зернистой сети; б – рибосомы; 6 – связь перинуклеарного пространства с полостями эндоплазматической сети; 7 – ядро; 8 – ядерные поры; 9 – незернистая (гладкая) эндоплазматическая сеть; 10 – ядрышко; 11 – внутренний сетчатый аппарат (комплекс Гольджи); 12 – секреторные вакуоли; 13 – митохондрия; 14 – липосомы; 15 – три последовательные стадии фагоцитоза; 16 – связь клеточной оболочки (цитолеммы) с мембранами эндоплазматической сети
Клетка состоит из неорганических и органических веществ. Среди неорганических наибольшее количество воды. Относительное количество воды в клетке составляет от 70 до 80 %. Вода – универсальный растворитель, в ней происходит все биохимические реакции в клетке. При участии воды осуществляется теплорегуляция. Вещества, растворяющиеся в воде (соли, основания, кислоты, белки, углеводы, спирты и др.), называются гидрофильными. Гидрофобные вещества (жиры и жироподобные) не растворяются в воде. Другие неорганические вещества (соли, кислоты, основания, положительные и отрицательные ионы) составляют от 1,0 до 1,5 %.
Среди органических веществ преобладают белки (10–20 %), жиры, или липиды (1–5 %), углеводы (0,2–2,0 %), нуклеиновые кислоты (1–2 %). Содержание низкомолекулярных веществ не превышает 0,5 %.
Молекула белка является полимером, который состоит из большого количества повторяющихся единиц мономеров. Мономеры белка аминокислоты (их 20) соединены между собой пептидными связями, образуя полипептидную цепь (первичную структуру белка). Она закручивается в спираль, образуя, в свою очередь, вторичную структуру белка. Благодаря определенной пространственной ориентации полипептидной цепи возникает третичная структура белка, которая определяет специфичность и биологическую активность молекулы белка. Несколько третичных структур, объединяясь между собой, образуют четвертичную структуру.
Белки выполняют важнейшие функции. Ферменты – биологические катализаторы, увеличивающие скорость химических реакций в клетке в сотни тысяч миллионы раз, являются белками. Белки, входя в состав всех клеточных структур, выполняют пластическую (строительную) функцию. Движения клеток также осуществляют белки. Они обеспечивают транспорт веществ в клетку, из клетки и внутри клетки. Важной является защитная функция белков (антитела). Белки являются одним из источников энергии.
Углеводы подразделяются на моносахариды и полисахариды. Последние построены из моносахаридов, являющихся, подобно аминокислотам, мономерами. Среди моносахаридов в клетке наиболее важны глюкоза, фруктоза (содержит шесть атомов углерода) и пентоза (пять атомов углерода). Пентозы входят в состав нуклеиновых кислот. Моносахариды хорошо растворяются в воде. Полисахариды плохо растворяются в воде (в животных клетках гликоген, в растительных – крахмал и целлюлоза. Углеводы являются источником энергии, сложные углеводы, соединенные с белками (гликопротеиды), жирами (гликолипиды), участвуют в образовании клеточных поверхностей и взаимодействиях клеток.
К липидам относятся жиры и жироподобные вещества. Молекулы жиров построены из глицерина и жирных кислот. К жироподобным веществам относятся холестерин, некоторые гормоны, лецитин. Липиды, являющиеся основным компонентом клеточных мембран (они описаны ниже), выполняют тем самым строительную функцию. Липиды – важнейшие источники энергии. Так, если при полном окислении 1 г белка или углеводов освобождается 17,6 кДж энергии, то при полном окислении 1 г жира – 38,9 кДж. Липиды осуществляют терморегуляцию, защищают органы (жировые капсулы).
Нуклеиновые кислоты являются полимерными молекулами, образованными мономерами нуклеотидами. Нуклеотид состоит из пуринового или пиримидинового основания, сахара (пентозы) и остатка фосфорной кислоты. Во всех клетках существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонулеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК), которые отличаются по составу оснований и сахаров (табл. 1, рис. 2 ).
Рис. 2. Пространственная структура нуклеиновых кислот (по Б. Албертсу и соавт., с изм.). I – РНК; II – ДНК; ленты – сахарофосфатные остовы; A, C, G, T, U – азотистые основания, решетки между ними – водородные связи
Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в виде двойной спирали. Азотистые основания обеих цепей соединены между собой комплементарно водородными связями. Аденин соединяется только с тимином, а цитозин – с гуанином (А – Т, Г – Ц). В ДНК записана генетическая информация, которая определяет специфичность синтезируемых клеткой белков, т. е. последовательность аминокислот в полипептидной цепи. ДНК передает по наследству все свойства клетки. ДНК содержится в ядре и митохондриях.
Молекула РНК образована одной полинуклеотидной цепью. В клетках существует три типа РНК. Информационная, или мессенджер РНК тРНК (от англ. messenger – «посредник»), которая переносит информацию о нуклеотидной последовательности ДНК в рибосомы (см. ниже).
Транспортная РНК (тРНК), которая переносит аминокислоты в рибосомы. Рибосомальная РНК (рРНК), которая участвует в образовании рибосом. РНК содержится в ядре, рибосомах, цитоплазме, митохондриях, хлоропластах.
Таблица 1
Состав нуклеиновых кислот
Химический состав Химический состав лимона стал известен сравнительно недавно. И это открытие было связано прежде всего с исследованием его лечебных свойств.Моряки, совершавшие длительные морские экспедиции, заметили, что употребление в пищу лимона - лучшее средство
Из книги Лечение травами (зверобой, чистотел, шалфей) автора Сания Салихова1.3. Химический состав Трава содержит красящие вещества: гиперицин, псевдогиперицин, протопсевдогиперицин, франгулаэмодинатранол, кверцитрин и кверцетин, рутин, никотиновую кислоту, периловый спирт, дубильные вещества, каротин, витамины С и РР, следы алколоидов и
Из книги Лечение водкой и вином автора Е. Говорова1.1. Химический состав Химический состав растения весьма разнообразен. Трава содержит флавоноиды, органические кислоты (янтарную, яблочную, хелидоновую, лимонную), дубильные вещества, витамин С (до 17 %), провитамин А (до 15 %) и фитонциды. Очень богат состав содержанием
Из книги Лечебные злаки и заболевания опорно-двигательного аппарата автора Е. Короткова1.3. Химический состав В листьях шалфея содержится 2,5 % эфирных масел, также растение содержит дубильные вещества, алкалоиды, урсуловую и олеановую кислоты, уваол, парадифенол. В состав масла входят камфора и цедрен.Данные компоненты хорошо влияют на ткани с
Из книги Золотой ус и баня автора Юрий 1. КорнеевХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ Особый биохимический состав водки, тонкая энергетика и жизненная сущность определяют степень ее влияния на человеческий организм, которое может быть вовсе противоположным, в зависимости от количества выпитого. Особенности климата России и черты
Из книги Лечение подорожником автора Екатерина Алексеевна Андреева1.3. Химический состав Зерновые, злаковые культуры считаются диетологами отличной пищей, необходимой для любого заботящегося о своем здоровье человека. Такие продукты имеют особую ценность для рациона детского питания и беременных женщин, так как доказано, что злаки
Из книги Чистотел. Лучшее средство от 250 болезней автора Юрий Михайлович КонстантиновХимический состав Первые в России научные исследования химического состава золотого уса были произведены в Иркутском медицинском институте на факультете фармакологии. Результаты показали, что в структуре каллизии присутствуют биологически активные вещества из
Из книги Целебное алоэ автора Николай Илларионович ДаниковХимический состав В состав различных частей растения входят полезные вещества, на основе которых современная фармакология разрабатывает разнообразные лекарственные
Из книги Крапива и одуванчик от 100 болезней автора Виктор Борисович ЗайцевХимический состав Растение ядовито, содержит алкалоиды: гомо-хелидонин, хелеритрин, сангвинарин, протопин и др. (свыше 20 алкалоидов).Сегодня чистотел все шире применяется и в научной медицине. Имеется в виду не только сведение бородавок сырым соком, но и другие кожные
Из книги Мать-и-мачеха от ста болезней автора Юрий КонстантиновХимический состав Используют листья алоэ, содержащие производные антрацена – эмодин, алоин, барбалоин, алоэзин, 8-ферулоилалоэзин; смолистые вещества; следы эфирных масел; полисахариды; янтарную кислоту.В листьях содержатся: зола – 17,68 %, макроэлементы (мг/г): калий – 28,5,
Из книги Одуванчик, подорожник. Природные лекарства автора Юрий КонстантиновХимический состав В одуванчике присутствует примерно 5 % белка, что делает его продуктом, пригодным в пищу.Соцветия и листья одуванчика содержат тараксантин, флавоксантин, витамины С, А, В2, Е, РР, холин, сапонины, смолы, соли марганца, железа, кальция, фосфора.Млечный сок
Из книги Крапива, лопух, подорожник, зверобой. Лекарства от 100 болезней автора Юлия Николаевна НиколаеваХимический состав Листья растения содержат до 2,63 % горького гликозида туссилягина и других гликозидов, до 160 мг% флавоноидов, в том числе рутина и гиперозида, эфирное масло, дубильные, слизистые вещества, ситостерин, галловую, яблочную, винную и аскорбиновую кислоты,
Из книги Тыква – лекарство от 100 болезней. Доступный чудо-доктор организма автора Ирина Александровна ЗайцеваХимический состав Корень одуванчика содержит до 10 % горького вещества тараксацина; стерины: р-ситостерин и стигмастерин; флавоноиды: космозиин, лютеолин-7-глюкозид; сахароза (до 20 %), белки (15 %), каротин, дубильные вещества, следы эфирного масла, органические кислоты,
Из книги автораХимический состав Ученые не прошли мимо этого растения и определили его состав. Подорожник обладает очень многими лечебными и целебными свойствами для организма. В состав различных частей растения входят полезные вещества, на основе которых современная фармакология
Из книги автораХимический состав Подорожник большой. В листьях, так же как и во всех остальных частях подорожника большого, содержатся следующие химические вещества:- гликозид аукубин, при гидролизе расщепляющийся на глюкозу и аукубигенин. Вещества, относящиеся к группе гликозидов,
Из книги автораХимический состав Тыкву без преувеличения можно назвать кладезем полезных веществ. Она богата провитамином А (каротином), количество которого зависит от холодостойкости сорта. Каротин способствует продлению молодости, оказывает благотворное влияние на зрение, сердце и
В клетках разных организмов обнаружено около 70 элементов периодической системы элементов Д. И. Менделеева, но лишь 24 из них имеют вполне установленное значение и встречаются постоянно во всех типах клеток.
Наибольший удельный вес в элементном составе клетки приходится на кислород, углерод, водород и азот. Это так называемые основные или биогенные элементы. На долю этих элементов приходится более 95 % массы клеток, причем их относительное содержание в живом веществе гораздо выше, чем в земной коре. Жизненно важными являются также кальций, фосфор, сера, калий, хлор, натрий, магний, йод и железо. Их содержание в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента. Перечисленные элементы составляют группу макроэлементов .
Другие химические элементы: медь, марганец, молибден, кобальт, цинк, бор, фтор, хром, селен, алюминий, йод, железо, кремний - содержатся в исключительно малых количествах (менее 0,01 % массы клеток). Они относятся к группе микроэлементов .
Процентное содержание в организме того или иного элемента никоим образом не характеризует степень его важности и необходимости в организме. Так, например, многие микроэлементы входят в состав различных биологически активных веществ - ферментов, витаминов (кобальт входит в состав витамина B12), гормонов (йод входит в состав тироксина);оказывают влияние на рост и развитие организмов (цинк, марганец, медь), кроветворение (железо, медь), процессы клеточного дыхания (медь, цинк) и т. д. Содержание и значение для жизнедеятельности клеток и организма в целом различных химических элементов приведено в таблице:
| Элемент | Символ | Примерное содержание, % | Значение для клетки и организма |
|---|---|---|---|
| Кислород | O | 62 | Входит в состав воды и органических веществ; участвует в клеточном дыхании |
| Углерод | C | 20 | Входит в состав всех органических веществ |
| Водород | H | 10 | Входит в состав воды и органических веществ; участвует в процессах преобразования энергии |
| Азот | N | 3 | Входит в состав аминокислот, белков, нуклеиновых кислот, АТФ, хлорофилла, витаминов |
| Кальций | Ca | 2,5 | Входит в состав клеточной стенки у растений, костей и зубов, повышает свертывание крови и сократимость мышечных волокон |
| Фосфор | P | 1,0 | Входит в состав костной ткани и зубной эмали, нуклеиновых кислот, АТФ, некоторых ферментов |
| Сера | S | 0,25 | Входит в состав аминокислот (цистеин, цистин и метионин), некоторых витаминов, участвует в образовании дисульфидных связей при образовании третичной структуры белков |
| Калий | K | 0,25 | Содержится в клетке только в виде ионов, активирует ферменты белкового синтеза, обуславливает нормальный ритм сердечной деятельности, участвует в процессах фотосинтеза, генерации биоэлектрических потенциалов |
| Хлор | Cl | 0,2 | Преобладает отрицательный ион в организме животных. Компонент соляной кислоты в желудочном соке |
| Натрий | Na | 0,1 | Содержится в клетке только в виде ионов, обуславливает нормальный рит сердечной деятельности, влияет на синтез гормонов |
| Магний | Mg | 0,07 | Входит в состав молекул хлорофилла, а также костей и зубов, активирует энергетический обмен и синтез ДНК |
| Йод | I | 0,01 | Входит в состав гормонов щитовидной железы |
| Железо | Fe | Следы | Входит в состав многих ферментов, гемоглобина и миоглобина, участвует в биосинтезе хлорофилла, в транспорте электронов, в процессах дыхания и фотосинтеза |
| Медь | Cu | Следы | Входит в состав гемоцианинов у беспозвоночных, в состав некоторых ферментов, участвует в процессах кроветворения, фотосинтеза, синтеза гемоглобина |
| Марганец | Mn | Следы | Входит в состав или повышает активность некоторых ферментов, участвует в развитии костей, ассимиляции азота и процессе фотосинтеза |
| Молибден | Mo | Следы | Входит в состав некоторых ферментов (нитратредуктаза), участвует в процессах связывания атмосферного азота клубеньковыми бактериями |
| Кобальт | Co | Следы | Входит в состав витамина B12, участвует в фиксации атмосферного азота клубеньковыми бактериями |
| Бор | B | Следы | Влияет на ростовые процессы растений, активирует восстановительные ферменты дыхания |
| Цинк | Zn | Следы | Входит в состав некоторых ферментов, расщепляющих полипептиды, участвует в синтезе растительных гормонов (ауксинов) и гликолизе |
| Фтор | F | Следы | Входит в состав эмали зубов и костей |
>> Химия: Химические элементы в клетках живых организмов
В составе веществ, образующих клетки всех живых организмов (человека, животных, растений), обнаружено более 70 элементов. Эти элементы принято делить на две группы: макроэлементы и микроэлементы.
Макроэлементы содержатся в клетках в больших количествах. В первую очередь, это углерод, кислород, азот и водород. В сумме они составляют почти 98% всего содержимого клетки. Кроме названных элементов к макроэлементам относят также магний, калий, кальций, натрий, фосфор , серу и хлор. Суммарное их содержание 1,9%. Таким образом, на долю остальных химических элементов приходится около 0,1%. Это микроэлементы. К ним относят железо, цинк, марганец, бор, медь, иод, кобальт, бром, фтор, алюминий и др.
В молоке млекопитающих обнаружено 23 микроэлемента: литий, рубидий, медь, серебро, барий, стронций, титан, мышьяк, ванадий, хром, молибден, иод, фтор, марганец, железо, кобальт, никель и др.
В состав крови млекопитающих входит 24 микроэлемента, а в состав головного мозга человека - 18 микроэлементов.
Как можно заметить, в клетке нет каких-либо особенных элементов, характерных только для живой природы, т. е. на атомном уровне различий между живой и неживой природой нет. Эти различия обнаруживаются лишь на уровне сложных веществ - на молекулярном уровне. Так, наряду с неорганическими веществами (водой и минеральными солями) клетки живых организмов содержат вещества, характерные только для них, - органические вещества (белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты, витамины , гормоны и др.). Эти вещества построены в основном из углерода, водорода, кислорода и азота, т. е. из макроэлементов. Микроэлементы содержатся в этих веществах в незначительных количествах, тем не менее их роль в нормальной жизнедеятельности организмов огромна. Например, соединения бора, марганца, цинка, кобальта резко увеличивают урожайность отдельных сельскохозяйственных растений и повышают их сопротивляемость к различного рода заболеваниям.
Человек и животные получают нужные им для нормальной жизнедеятельности микроэлементы через растения, которыми питаются. Если в пище не хватает марганца, то возможна задержка роста, замедление наступления половой зрелости, нарушение обмена веществ при формировании скелета . Добавка долей миллиграмма солей марганца к суточному рациону животных устраняет эти заболевания.
Кобальт входит в состав витамина В12, отвечающего за работу кроветворных органов. Недостаток кобальта в пище часто вызывает серьезное заболевание, которое приводит к истощению организма и даже к гибели.
Значение микроэлементов для человека впервые было выявлено при изучении такого заболевания, как эндемический зоб, которое вызывалось недостатком иода в пище и воде. Прием соли, содержащей иод, приводит к выздоровлению, а добавка его к пище в малых количествах предупреждает заболевание. С этой целью проводят иодирование пищевой поваренной соли , в которую добавляют 0,001-0,01% иодида калия.
В состав большинства биологических катализаторов-ферментов входят цинк, молибден и некоторые другие металлы. Эти элементы, содержащиеся в клетках живых организмов в очень малых количествах, обеспечивают нормальную работу тончайших биохимических механизмов, являются подлинными регуляторами процессов жизнедеятельности.
Многие микроэлементы содержатся в витаминах - органических веществах различной химической природы, поступающих в организм с пищей в малых дозах и оказывающих большое влияние на обмен веществ и общую жизнедеятельность организма. По своему биологическому действию они близки к ферментам, но ферменты образуются клетками организма, а витамины обычно поступают с пищей. Источниками витаминов служат растения: цитрусовые, шиповник, петрушка, лук, чеснок и многие другие. Некоторые витамины - А, В1, В2, К - получают синтетическим путем. Свое название витамины получили от двух слов: вита - жизнь и амин - содержащий азот.
Микроэлементы входят также в состав гормонов - биологически активных веществ, регулирующих работу органов и систем органов человека и животных. Название свое они берут от греческого слова хармао - побеждаю. Гормоны вырабатываются железами внутренней секреции и поступают в кровь, которая разносит их по всему организму. Некоторые гормоны получают синтетическим путем.
1. Макроэлементы и микроэлементы.
2. Роль микроэлементов в жизнедеятельности растений, животных и человека.
3. Органические вещества: белки, жиры, углеводы.
4. Ферменты.
5. Витамины.
6. Гормоны.
На каком уровне форм существования химического элемента начинается различие между живой и неживой природой?
Почему отдельные макроэлементы называют также биогенными? Перечислите их.
Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки