Учебник для 10-11 классов

Раздел I. Клетка - единица живого
Глава I. Химический состав клетки

В живых организмах содержится большое количество химических элементов. Они образуют два класса соединений - органические и неорганические. Химические соединения, основой строения которых являются атомы углерода, составляют отличительный признак живого. Эти соединения называют органическими. Органические соединения чрезвычайно многообразны, но только четыре класса их имеют всеобщее биологическое значение: белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды.

§ 1. Неорганические соединения

Биологически важные химические элементы. Из известных нам более 100 химических элементов в состав живых организмов входят около 80, причем только в отношении 24 известно, какие функции в клетке они выполняют. Набор этих элементов не случаен. Жизнь зародилась в водах Мирового океана, и живые организмы состоят преимущественно из тех элементов, которые образуют легко растворимые в воде соединения. Большинство таких элементов принадлежит к числу легких, их особенностью является способность вступать в прочные (ковалентные) связи и образовывать множество различных сложных молекул.

В составе клеток человеческого тела преобладают кислород (более 60%), углерод (около 20%) и водород (около 10%). На азот, кальций, фосфор, хлор, калий, серу, натрий, магний, вместе взятые, приходится около 5%. Остальные 13 элементов составляют не более 0,1%. Сходный элементный состав имеют клетки большинства животных; отличаются лишь клетки растений и микроорганизмов. Даже те элементы, которые в клетках содержатся в ничтожно малых количествах, ничем не могут быть заменены и совершенно необходимы для жизни. Так, содержание иода в клетках не превышает 0,01%. Однако при недостатке его в почве (из-за этого и в пищевых продуктах) задерживается рост и развитие детей. Содержание меди в клетках животных не превышает 0,0002%. Но при недостатке меди в почве (отсюда и в растениях) возникают массовые заболевания сельскохозяйственных животных.

Значение для клетки основных элементов приведено в конце этого параграфа.

Неорганические (минеральные) соединения. В состав живых клеток входит ряд относительно простых соединений, которые встречаются и в неживой природе - в минералах, природных водах. Это неорганические соединения.

Вода - одно из самых распространенных веществ на Земле. Она покрывает большую часть земной поверхности. Почти все живые существа состоят в основном из воды. У человека содержание воды в органах и тканях варьирует от 20% (в костной ткани) до 85% (в головном мозге). Около 2/3 массы человека составляет вода, в организме медузы до 95% воды, даже в сухих семенах растений вода составляет 10-12%.

Вода обладает некоторыми уникальными свойствами. Свойства эти настолько важны для живых организмов, что нельзя представить жизнь без этого соединения водорода и кислорода.

Уникальные свойства воды определяются структурой ее молекул. В молекуле воды один атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода (рис. 1). Молекула воды полярна (диполь). Положительные заряды сосредоточены у атомов водорода, так как кислород электроотрицательнее водорода.

Рис. 1. Образование водородных связей в воде

Отрицательно заряженный атом кислорода одной молекулы воды притягивается к положительно заряженному атому водорода другой молекулы с образованием водородной связи (рис. 1).

По прочности водородная связь примерно в 15-20 раз слабее ковалентной связи. Поэтому водородная связь легко разрывается, что наблюдается, например, при испарении воды. Вследствие теплового движения молекул в воде одни водородные связи разрываются, другие образуются.

Таким образом, в жидкой воде молекулы подвижны, что немаловажно для процессов обмена веществ. Молекулы воды легко проникают через клеточные мембраны.

Из-за высокой полярности молекул вода является растворителем других полярных соединений. В воде растворяется больше веществ, чем в любой другой жидкости. Именно поэтому в водной среде клетки осуществляется множество химических реакций. Вода растворяет продукты обмена веществ и выводит их из клетки и организма в целом.

Вода обладает большой теплоемкостью, т. е. способностью поглощать теплоту при минимальном изменении собственной температуры. Благодаря этому она предохраняет клетку от резких изменений температуры. Поскольку на испарение воды расходуется много теплоты, то, испаряя воду, организмы могут защищать себя от перегрева (например, при потоотделении).

Вода обладает высокой теплопроводностью. Такое свойство создает возможность равномерного распределения теплоты между тканями тела.

Вода служит растворителем для «смазочных» материалов, необходимых везде, где есть трущиеся поверхности (например, в суставах).

Вода имеет максимальную плотность при 4°С. Поэтому лед, обладающий меньшей плотностью, легче воды и плавает на ее поверхности, что защищает водоем от промерзания.

По отношению к воде все вещества клетки разделяются на две группы: гидрофильные - «любящие воду» и гидрофобные - «боящиеся воды» (от греч. «гидро» - вода, «филео» - любить и «фобос» - боязнь).

К гидрофильным относятся вещества, хорошо растворимые в воде. Это соли, сахара, аминокислоты. Гидрофобные вещества, напротив, в воде практически нерастворимы. К ним относятся, например, жиры.

Клеточные поверхности, отделяющие клетку от внешней среды, и некоторые другие структуры состоят из водонерастворимых (гидрофобных) соединений. Благодаря этому сохраняется структурная целостность клетки. Образно клетку можно представить в виде сосуда с водой, где протекают биохимические реакции, обеспечивающие жизнь. Стенки этого сосуда нерастворимы в воде. Однако они способны избирательно пропускать водорастворимые соединения.

Помимо воды, в числе неорганических веществ клетки нужно назвать соли, представляющие собой ионные соединения. Они образованы катионами калия, натрия, магния и иных металлов и анионами соляной, угольной, серной, фосфорной кислот. При диссоциации таких солей в растворах появляются катионы (К + , Na + , Са 2+ , Mg 2+ и др.) и анионы (СI - , НСО 3 - , HS0 4 - и др.). Концентрация ионов на внешней поверхности клетки отличается от их концентрации на внутренней поверхности. Разное число ионов калия и натрия на внутренней и внешней поверхности клетки создает разность зарядов на мембране. На внешней поверхности клеточной мембраны очень высокая концентрация ионов натрия, а на внутренней поверхности очень высокая концентрация ионов калия и низкая - натрия. Вследствие этого образуется разность потенциалов между внутренней и внешней поверхностью клеточной мембраны, что обусловливает передачу возбуждения по нерву или мышце.

Ионы кальция и магния являются активаторами многих ферментов, и при недостатке их нарушаются жизненно важные процессы в клетках. Ряд важных функций выполняют в живых организмах неорганические кислоты и их соли. Соляная кислота создает кислую среду в желудке животных и человека и в специальных органах насекомоядных растений, ускоряя переваривание белков пищи. Остатки фосфорной кислоты (Н 3 Р0 4), присоединяясь к ряду ферментных и иных белков клетки, изменяют их физиологическую активность. Остатки серной кислоты, присоединяясь к нерастворимым в воде чужеродным веществам, придают им растворимость и способствуют таким образом выведению их из клеток и организмов. Натриевые и калиевые соли азотистой и фосфорной кислот, кальциевая соль серной кислоты служат важными составными частями минерального питания растений, их вносят в почву как удобрения для подкормки растений. Более подробно значение для клетки химических элементов приведено ниже.

Биологически важные химические элементы клетки

Какова биологическая роль воды в клетке?
Какие ионы содержатся в клетке? Какова их биологическая роль?
Какую роль играют содержащиеся в клетке катионы?

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.

Что такое постоянство химического состава

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 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.

Роль различных элементов, входящих в состав клетки

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 элементы клетки

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 ;
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.

Значение макроэлементов

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.


Кальций (Са)		Отвечает за сокращение мышечных волокон, входит в состав пектина, костей и зубов. Усиливает свертываемость крови.
Фосфор (Р)		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 клетки, а также влияют на потенциал мембраны.
		Главный анион организма
Натрий (Na)		Аналог калия, участвующий в тех же процессах.
Магний (Mg)		Ионы магния - это регуляторы процесса 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.

Микроэлементы

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 гемоцианина и некоторых ферментов.
		Является структурной составляющей гормонов Т3 и Т4 щитовидной железы
Марганец (Mn)	менее 0,001	Входит в состав ферментов, костей. Участвует в азотфиксации у бактерий
	менее 0,001	Влияет на процесс роста растений.
		Входит в состав костей и эмали зубов.

Органические и неорганические вещества

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.

Основные классы органических веществ - это белки, нуклеиновые кислоты, жиры и углеводы. Они построены полностью из основных биогенных элементов: скелет молекулы всегда образован углеродом, а водород, кислород и азот входят в состав радикалов. У животных доминирующим классом являются белки, а у растений - полисахариды.

Неорганические вещества - это все минеральные соли и, конечно же, вода. Среди всей неорганики в клетке больше всего Н 2 О, 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.

Вода . Из неорганических веществ, входящих в состав клетки , важнейшим является вода. Количество ее составляет от 60 до 95% общей массы клетки . Вода играет важнейшую роль в жизни клеток и живых организмов в целом . Помимо того что она входит в их состав, для многих организмов это еще и среда обитания.

Роль воды в клетке определяется ее уникальными химическими и физическими свойствами, связанными главным образом с малыми размерами молекул, с полярностью ее молекул и с их способностью образовывать друг с другом водородные связи.

Вода как компонент биологических систем выполняет следующие важнейшие функции:

Вода-универсальный растворитель для полярных веществ, например солей, Сахаров , спиртов, кислот и др. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными. Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы получают возможность двигаться более свободно; соответственно возрастает реакционная способность вещества. Именно по этой причине большая часть химических реакций в клетке протекает в водных растворах. Ее молекулы участвуют во многих химических реакциях, например при образовании или гидролизе полимеров. В процессе фотосинтеза вода является донором электронов, источником ионов водорода и свободного кислорода.
Неполярные вещества вода не растворяет и не смешивается с ними, поскольку не может образовывать с ними водородные связи. Нерастворимые в воде вещества называются гидрофобными. Гидрофобные молекулы или их части отталкиваются водой, а в ее присутствии притягиваются друг к другу. Такие взаимодействия играют важную роль в обеспечении стабильности мембран , а также многих белковых молекул, нуклеинов вых кислот и ряда субклеточных структур.
Вода обладает высокой удельной теплоемкостью. Для разрыва водородных связей, удерживающих молекулы воды, требуется поглотить большое количество энергии. Это свойство обеспечивает поддержание теплового баланса организма при значительных перепадах температуры в окружающей среде. Кроме того, вода отличается высокой теплопроводностью, что позволяет организму поддерживать одинаковую температуру во всем его объеме.
Вода характеризуется высокой теплотой парообразования, т. е. способностью молекул уносить с собой значительное количество тепла при одновременном охлаждении организма. Благодаря этому свойству воды, проявляющемуся при потоотделении у млекопитающих , тепловой одышке у крокодилов и других животных , транспирации у растений , предотвращается их перегрев.
Для воды характерно исключительно высокое поверхностное натяжение. Это свойство имеет очень важное значение для адсорбционных процессов, для передвижения растворов по тканям (кровообращение , восходящий и нисходящий токи в растениях). Многим мелким организмам поверхностное натяжение позволяет удерживаться на воде или скользить по ее поверхности.
Вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма .
У растений вода определяет тургор клеток, а у некоторых животных выполняет опорные функции, являясь гидростатическим скелетом (круглые и кольчатые черви , иглокожие).
Вода - составная часть смазывающих жидкостей (синовиальной - в суставах позвоночных , плевральной - в плевральной полости, перикардиальной - в околосердечной сумке) и слизей (облегчают передвижение веществ по кишечнику , создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей). Она входит в состав слюны, желчи, слез, спермы и др.

Минеральные соли. Неорганические вещества в клетке, кроме воды, прецспавлевы минеральными солями. Молекулы солей в водном растворе распадаются на катионы и анионы. Наибольшее значение имеют катионы (К + , Na + , Са 2+ , Mg:+ , NH 4 +) и анионы (С1 , Н 2 Р0 4 -, НР0 4 2- , НС0 3 -, NO3 2-- , SO 4 2-) Существенным является не только содержание, но и соотношение ионов в клетке.

Разность между количеством катионов и анионов на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникновение потенциала действия, что лежит в основе возникновения нервного и мышечного возбуждения. Разностью концентрации ионов по разные стороны мембраны обусловлен активный перенос веществ через мембрану, а также преобразование энергии.

В клетках содержатся неорганические и органические вещества (соединения).

Неорганические вещества клетки - это вода, различные минеральные соли, углекислый газ, кислоты и основания.

Неорганические вещества клетки

Вода

(составляет 70-80% массы клетки)

Минеральные соли
(составляют 1-1,5% общей массы клетки)

придаёт клетке упругость и объём;
универсальный растворитель;
водные растворы образуют внутреннюю среду клетки;
средство транспорта для растворённых веществ в клетку и из неё;
служит средой, в которой протекают химические реакции;
является ускорителем многих химических процессов;
обеспечивает теплоёмкость;
обладает высокой теплопроводностью;
участвует в терморегуляции живых организмов.

присутствуют в виде ионов или твёрдых нерастворимых солей;
создают кислую или щелочную реакцию среды;
Ca 2+ входит в состав костей и зубов, участвует в свёртывании крови;
K + и Na + обеспечивают раздражимость клеток;
Cl - входит в состав желудочного сока;
Mg 2+ содержится в хлорофилле;
I - компонент тироксина (гормона щитовидной железы);
Fe 2+ входит в состав гемоглобина;
Cu , Mn , B участвуют в кроветворении, фотосинтезе, влияют на рост растений.

Вода является важнейшим компонентом содержимого живой клетки. Вода придает клетке упругость и объем, обеспечивает постоянство состава, участвует в химических реакциях и в построении органических молекул, делает возможным протекание всех процессов жизнедеятельности клетки. Вода является растворителем химических веществ, которые поступают в клетку и выводятся из нее.

Вода (оксид водорода, Н 2 O) — прозрачная жидкость, не имеющая цвета (в малом объёме), запаха и вкуса. В природных условиях содержит растворённые вещества (соли, газы). Вода имеет ключевое значение в жизни клеток и живых организмов, в формировании климата и погоды.

Количество воды в клетке составляет от 60 до 95% общей массы. Роль воды в клетке определяется её уникальными химическими и физическими свойствами, связанными с малыми размерами молекул, их полярностью и способностью образовывать водородные связи.

Вода как компонент биологических систем

Вода — универсальный растворитель для полярных веществ — солей, сахаров, кислот и др. Она увеличивает их реакционную способность, поэтому большая часть химических реакций в клетке протекает в водных растворах.
Неполярные вещества в воде нерастворимы (не происходит образования водородных связей). Притягиваясь друг к другу, гидрофобные вещества в присутствии воды образуют различные комплексы (например, биологические мембраны).
Высокая удельная теплоёмкость воды (т. е. поглощение большого количества энергии для разрыва водородных связей) обеспечивает поддержание теплового баланса организма при перепадах температуры окружающей среды.
Высокая теплота парообразования (способность молекул уносить с собой значительное количество тепла при охлаждении организма) предотвращает перегрев организма.
Высокое поверхностное натяжение обеспечивает передвижение растворов по тканям.
Вода обеспечивает выведение продуктов метаболизма.
У растений вода поддерживает тургор клеток, у некоторых животных выполняет опорные функции (гидростатический скелет).
Вода входит в состав различных биологических жидкостей (крови, слюны, слизи, желчи, слёз, спермы, синовиальной и плевральной жидкостей и др.).

Молекула воды имеет угловую форму: атомы водорода по отношению к кислороду образуют угол, равный приблизительно 104,5°.

Из-за высокой электроотрицательности атома кислорода связь О—H полярна. Атомы водорода несут частичный положительный заряд, а атом кислорода — частичный отрицательный.

Диполь создаёт вокруг себя магнитное поле на больших по сравнению с его размерами расстояниях.

При испарении воды разрушение водородных связей требует больших затрат энергии.

Содержание воды в различных организмах и органах (в %)
Растения или части растений		Животные или органы животных
Водоросли	до 98	Медузы	до 95
Высшие растения	от 70 до 80	Виноградные улитки	80
Листья деревьев	от 50 до 97	Тело человека	60
Клубни картофеля	75	Кровь человека	79
Сочные плоды фруктов	до 95	Мышцы человека	от 77 до 83
Одревесневшие части растений	от 40 до 80	Сердце человека	70
Сухие семена	от 5 до 9

Неорганические вещества в клетке, кроме воды, представлены минеральными солями .

Минеральные соли составляют всего 1-1,5% общей массы клетки, но роль их значительна. В растворенном виде они являются необходимой средой для химических процессов, обусловливающих жизнь клетки.

В клетках находится много разных солей . Животные с помощью выделительной системы удаляют из организма избыточные соли, а у растений они накапливаются и кристаллизуются в различных органоидах или в вакуолях. Чаще это бывают соли кальция. Их форма в клетках растений может быть различной: иглы, ромбы, кристаллики - одиночные или сросшиеся вместе (друзы).

Молекулы солей в водном растворе распадаются на катионы и анионы. Наибольшее значение имеют катионы (К + , Na + , Са 2+ , Mg + , NH 4 +) и анионы (Сl - , Н 2 Р0 4 - , НР0 4 2- , НС0 3 - , NO 3 - , SO 4 2-).

Концентрация различных ионов неодинакова в различных частях клетки, а также в клетке и окружающей среде. Концентрация ионов натрия всегда выше вне клетки, а ионов калия и магния — внутри клетки. Разность между количеством катионов и анионов внутри клетки и на её поверхности обеспечивает активный перенос веществ через мембрану.

От концентрации солей внутри клетки зависят буферные свойства цитоплазмы — способность клетки сохранять определенную концентрацию водородных ионов в условиях постоянного образования кислых и щелочных веществ при метаболизме.

Анионы фосфорной кислоты создают фосфатную буферную систему, поддерживающую рН внутриклеточной среды организма на уровне 6,9.

Угольная кислота и её анионы формируют бикарбонатную буферную систему, поддерживающую рН внеклеточной среды (плазма крови) на уровне 7,4.

Некоторые ионы участвуют в активации ферментов, создании осмотического давления в клетке, в процессах мышечного сокращения, свертывании крови и др. Ряд катионов и анионов необходим для синтеза важных органических веществ.

Организмы состоят из клеток. Клетки разных организмов обладают сходным химическим составом. В таблице 1 представлены основные химические элементы, обнаруженные в клетках живых организмов.

Таблица 1. Содержание химических элементов в клетке

По содержанию в клетке можно выделить три группы элементов. В первую группу входят кислород, углерод, водород и азот. На их долю приходится почти 98% всего состава клетки. Во вторую группу входят калий, натрий, кальций, сера, фосфор, магний, железо, хлор. Их содержание в клетке составляет десятые и сотые доли процента. Элементы этих двух групп относят к макроэлементам (от греч. макрос - большой).

Остальные элементы, представ ленные в клетке сотыми и тысячными долями процента, входят в третью группу. Это микроэлементы (от греч. микро - малый).

Каких-либо элементов, присущих только живой природе, в клетке не обнаружено. Все перечисленные химические элементы входят и в состав неживой природы. Это указывает на единство живой и неживой природы.

Недостаток какого-либо элемента может привести к заболеванию, и даже гибели организма, так как каждый элемент играет определенную роль. Макроэлементы первой группы составляют основу биополимеров - белков, углеводов, нуклеиновых кислот, а также липидов, без которых жизнь невозможна. Сера входит в состав некоторых белков, фосфор - в состав нуклеиновых кислот, железо - в состав гемоглобина, а магний - в состав хлорофилла. Кальций играет важную роль в обмене веществ.

Часть химических элементов, содержащихся в клетке, входит в со став неорганических веществ - минеральных солей и воды.

Минеральные соли находятся в клетке, как правило, в виде катионов (К + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+) и анионов (HPO 2-/4 , H 2 PO -/4 , СI - , НСО 3), соотношение которых определяет важную для жизнедеятельности клеток кислотность среды.

(У многих клеток среда слабощелочная и ее рН почти не изменяется, так как в ней постоянно поддерживается определенное соотношение катионов и анионов.)

Из неорганических веществ в живой природе огромную роль играет вода .

Без воды жизнь невозможна. Она составляет значительную массу большинства клеток. Много воды содержится в клетках мозга и эмбрионов человека: воды более 80%; в клетках жировой ткани - всего 40.% К старости содержание воды в клетках снижается. Человек, потерявший 20% воды, погибает.

Уникальные свойства воды определяют ее роль в организме. Она участвует в теплорегуляции, которая обусловлена высокой теплоемкостью воды - потреблением большого количества энергии при нагревании. Чем же определяется высокая теплоемкость воды?

В молекуле воды атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода. Молекула воды полярна, так как атом кислорода имеет частично отрицательный заряд, а каждый из двух атомов водорода имеет

Частично положительный заряд. Между атомом кислорода одной молекулы воды и атомом водорода другой молекулы образуется водородная связь. Водородные связи обеспечивают соединение большого числа молекул воды. При нагревании воды значительная часть энергии расходуется на разрыв водородных связей, что и определяет ее высокую теплоемкость.

Вода - хороший растворитель . Благодаря полярности ее молекулы взаимодействуют с положительно и отрицательно заряженными ионами, способствуя тем самым растворению вещества. По отношению к воде все вещества клетки делятся на гидрофильные и гидрофобные.

Гидрофильными (от греч. гидро - вода и филео - люблю) называют вещества, которые растворяются в воде. К ним относят ионные соединения (например, соли) и некоторые неионные соединения (например, сахара).

Гидрофобными (от греч. гидро - вода и фобос - страх) называют вещества, нерастворимые в воде. К ним относят, например, липиды.

Вода играет большую роль в химических реакциях, протекающих в клетке в водных растворах. Она растворяет ненужные организму продукты обмена веществ и тем самым способствует выводу их из организма. Большое содержание воды в клетке придает ей упругость . Вода способствует перемещению различных веществ внутри клетки или из клетки в клетку.

Тела живой и неживой природы состоят из одинаковых химических элементов. В состав живых организмов входят неорганические вещества - вода и минеральные соли. Жизненно важные многочисленные функции воды в клетке обусловлены особенностями ее молекул: их полярностью, способностью образовывать водородные связи.

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ

В клетках живых организмов встречается около 90 элементов, причем примерно 25 из обнаружены практически во всех клетках. По содержанию в клетке химические элементы подразделяются на три большие группы: макроэлементы(99%), микроэлементы(1%), ультрамикроэлементы(менее 0,001%).

К макроэлементам относятся кислород, углерод, водород, фосфор, калий, сера, хлор, кальций, магний, натрий, железо.
К микроэлеметам относятся марганец, медь, цинк, йод, фтор.
К ультрамикроэлементам относятся серебро, золото, бром, селен.

ЭЛЕМЕНТЫ	СОДЕРЖАНИЕ В ОРГАНИЗМЕ (%)	БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ
Макроэлементы:
O.C.H.N	62-3	Входят в состав всех органических веществ клетки, воды
Фосфор Р	1,0	Входят в состав нуклеиновых кислот, АТФ (образует макроэргические связи), ферментов, костной ткани и эмали зубов
Кальций Са +2	2,5	У растений входит в состав оболочки клетки, у животных - в состав костей и зубов, активизирует свертываемость крови
Микроэлементы:	1-0,01
Сера S	0,25	Входит в состав белков, витаминов и ферментов
Калий К +	0,25	Обуславливает проведение нервных импульсов; активатор ферментов белкового синтеза, процессов фотосинтеза, роста растений
Хлор CI -	0,2	Является компонентом желудочного сока в виде соляной кислоты, активизирует ферменты
Натрий Na +	0,1	Обеспечивает проведение нервных импульсов, поддерживает осмотическое давление в клетке, стимулирует синтез гормонов
Магний Мg +2	0,07	Входит в состав молекулы хлорофилла, содержится в костях и зубах, активизирует синтез ДНК, энергетический обмен
Йод I -	0,1	Входит в состав гормона щитовидной железы - тироксина, влияет на обмен веществ
Железо Fе+3	0,01	Входит в состав гемоглобина, миоглобина, хрусталика и роговицы глаза, активатор ферментов, участвует в синтезе хлорофилла. Обеспечивает транспорт кислорода к тканям и органам
Ультрамикроэлементы:	менее 0,01, следовые количества
Медь Си +2		Участвует в процессах кроветворения, фотосинтеза, катализирует внутриклеточные окислительные процессы
Марганец Мn		Повышает урожайность растений, активизирует процесс фотосинтеза, влияет на процессы кроветворения
Бор В		Влияет на ростовые процессы растений
Фтор F		Входит в состав эмали зубов, при недостатке развивается кариес, при избытке - флюороз
Вещества:
Н 2 0	60-98	Составляет внутреннюю среду организма, участвует в процессах гидролиза, структурирует клетку. Универсальный растворитель, катализатор, участник химических реакций

ОРГАНИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ

ВЕЩЕСТВА	СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА	ФУНКЦИИ
Липиды
	Сложные эфиры высших жирных кислот и глицерина. В состав фосфолипидов входит дополнительно остаток Н 3 РО4.Обладают гидрофобными или гидрофильно-гидрофобными свойствами, высокой энергоемкостью	Строительная - образует билипидный слой всех мембранных. Энергетическая . Терморегуляторная . Защитная . Гормональная (кортикостероиды, половые гормоны). Компоненты витаминов D,E. Источник воды в организме.Запасное питательное вещество
Углеводы
Моносахариды: глюкоза, фруктоза, рибоза, дезоксирибоза	Хорошо растворимы в воде	Энергетическая
Дисахариды: сахароза, мальтоза (солодовый сахар)	Растворимы в воде	Компоненты ДНК, РНК, АТФ
Полисахариды: крахмал, гликоген, целлюлоза	Плохо растворимы или нерастворимы в воде	Запасное питательное вещество. Строительная - оболочка растительной клетки
Белки	Полимеры. Мономеры - 20 аминокислот.	Ферменты - биокатализаторы.
	I структура - последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Связь - пептидная - СО- NH-	Строительная - входят в состав мембранных структур, рибосом.
	II структура - a -спираль, связь - водородная	Двигательная (сократительные белки мышц).
	III структура - пространственная конфигурация a -спирали (глобула). Связи - ионные, ковалентные, гидрофобные, водородные	Транспортная (гемоглобин). Защитная (антитела).Регуляторная (гормоны, инсулин)
	IV структура характерна не для всех белков. Соединение нескольких полипептидных цепей в единую суперструктуруВ воде плохо растворимы. Действие высоких температур, концентрированных кислот и щелочей, солей тяжелых металлов вызывает денатурацию
Нуклеиновые кислоты:	Биополимеры. Состоят из нуклеотидов
ДНК - дезокси-рибонуклеино-вая кислота.	Состав нуклеотида: дезоксирибоза, азотистые основания - аденин, гуанин, цитозин, тимин, остаток Н 3 РО 4 . Комплементарность азотистых оснований А = Т, Г = Ц. Двойная спираль. Способна к самоудвоению	Образуют хромосомы. Хранение и передача наследственной информации, генетического кода. Биосинтез РНК, белков. Кодирует первичную структуру белка. Содержится в ядре, митохондриях, пластидах
РНК - рибонуклеиновая кислота.	Состав нуклеотида: рибоза, азотистые основания - аденин, гуанин, цитозин, урацил, остаток Н 3 РО 4 Комплементарность азотистых оснований А = У, Г = Ц. Одна цепь
Информационная РНК		Передача информации о первичной структуре белка, участвует в биосинтезе белка
Рибосомальная РНК		Строит тело рибосомы
Транспортная РНК		Кодирует и переносит аминокислоты к месту синтеза белка - рибосомам
Вирусная РНК и ДНК		Генетический аппарат вирусов

Ферменты.

Важнейшая функция белков - каталитическая. Белковые молекулы, увеличивающие на несколько порядков скорость химических реакции в клетке, называют ферментами . Ни один биохимический процесс в организме не происходит без участия ферментов.

В настоящее время обнаружено свыше 2000 ферментов. Их эффективность во много раз выше, чем эффективность неорганических катализаторов, используемых в производстве. Так, 1 мг железа в составе фермента каталазы заменяет 10 т неорганического железа. Каталаза увеличивает скорость разложения пероксида водорода (Н 2 О 2) в 10 11 раз. Фермент, катализирующий реакцию образования угольной кислоты (СО 2 +Н 2 О = Н 2 СО 3), ускоряет реакцию в 10 7 раз.

Важным свойством ферментов является специфичность их действия, каждый фермент катализирует только одну или небольшую группу сходных реакций.

Вещество, на которое воздействует фермент, называют субстратом . Структуры молекулы фермента и субстрата должны точно соответствовать друг другу. Этим объясняется специфичность действия ферментов. При соединении субстрата с ферментом пространственная структура фермента изменяется.

Последовательность взаимодействия фермента и субстрата можно изобразить схематично:

Субстрат+Фермент - Фермент-субстратный комплекс - Фермент+Продукт.

Из схемы видно, что субстрат соединяется с ферментом с образованием фермент-субстратного комплекса. При этом субстрат превращается в новое вещество - продукт. На конечном этапе фермент освобождается от продукта и вновь вступает во взаимодействие с очередной молекулой субстрата.

Ферменты функционируют лишь при определенной температуре, концентрации веществ, кислотности среды. Изменение условий приводит к изменению третичной и четвертичной структуры белковой молекулы, а, следовательно, и к подавлению активности фермента. Как это происходит? Каталитической активностью обладает лишь определенный участок молекулы фермента, называемый активным центром . Активный центр содержит от 3 до 12 аминокислотных остатков и формируется в результате изгиба полипептидной цепи.

Под влиянием разных факторов изменяется структура молекулы фермента. При этом нарушается пространственная конфигурация активного центра, и фермент теряет свою активность.

Ферменты - это белки, играющие роль биологических катализаторов. Благодаря ферментам на несколько порядков возрастает скорость химических реакций в клетках. Важное свойство ферментов - специфичность действия в определенных условиях.

Нуклеиновые кислоты.

Нуклеиновые кислоты были от крыты во второй половине XIX в. швейцарским биохимиком Ф. Мишером, который выделил из ядер клеток вещество с высоким содержанием азота и фосфора и назвал его "нуклеином" (от лат. нуклеус - ядро).

В нуклеиновых кислотах хранится наследственная информация о строении и функционировании каждой клетки и всех живых существ на Земле. Существует два типа нуклеиновых кислот - ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Нуклеиновые кислоты, как и белки, обладают видовой специфичностью, то есть организмам каждого вида присущ свой тип ДНК. Чтобы выяснить причины видовой специфичности, рассмотрим строение нуклеиновых кислот.

Молекулы нуклеиновых кислот представляют собой очень длинные цепи, состоящие из многих сотен и даже миллионов нуклеотидов. Любая нуклеиновая кислота содержит всего четыре типа нуклеотидов. Функции молекул нуклеиновых кислот зависят от их строения, входящих в их состав нуклеотидов, их числа в цепи и последовательности соединения в молекуле.

Каждый нуклеотид состоит из трех компонентов: азотистого основания, углевода и фосфорной кислоты. В состав каждого нуклеотида ДНК входит один из четырех типов азотистых оснований (аденин - А, тимин - Т, гуанин - Г или цитозин - Ц), а также угле вод дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты.

Таким образом, нуклеотиды ДНК различаются лишь типом азотистого основания.

Молекула ДНК состоит из огромного множества нуклеотидов, соединенных в цепочку в определенной последовательности. Каждый вид молекулы ДНК имеет свойственное ей число и последовательность нуклеотидов.

Молекулы ДНК очень длинные. Например, для буквенной записи последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК из одной клетки человека (46 хромосом) потребовалась бы книга объемом около 820000 страниц. Чередование четырех типов нуклеотидов может образовать бесконечное множество вариантов молекул ДНК. Указанные особенности строения молекул ДНК позволяют им хранить огромный объем информации обо всех признаках организмов.

В 1953 г. американским биологом Дж. Уотсоном и английским физиком Ф. Криком была создана модель строения молекулы ДНК. Ученые установили, что каждая молекула ДНК состоит из двух цепей, связанных между собой и спирально закрученных. Она имеет вид двойной спирали. В каждой цепи четыре типа нуклеотидов чередуются в определенной последовательности.

Нуклеотидный состав ДНК различается у разных видов бактерий, грибов, растений, животных. Но он не меняется с возрастом, мало зависит от изменений окружающей среды. Нуклеотиды парные, то есть число адениновых нуклеотидов в любой молекуле ДНК равно числу тимидиновых нуклеотидов (А-Т), а число цитозиновых нуклеотидов равно числу гуаниновых нуклеотидов (Ц-Г). Это связано с тем, что соединение двух цепей между собой в молекуле ДНК подчиняется определенному правилу, а именно: аденин одной цепи всегда связан двумя водородными связями только с Тимином другой цепи, а гуанин - тремя водородными связями с цитозином, то есть нуклеотидные цепи одной молекулы ДНК комплементарны, дополняют друг друга.

Молекулы нуклеиновых кислот - ДНК и РНК состоят из нуклеотидов. В состав нуклеотидов ДНК входит азотистое основание (А, Т, Г, Ц), углевод дезоксирибоза и остаток молекулы фосфорной кислоты. Молекула ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух цепей, соединенных водородными связями по принципу комплементарности. Функция ДНК - хранение наследственной информации.

В клетках всех организмов имеются молекулы АТФ - аденозинтрифосфорной кислоты. АТФ - универсальное вещество клетки, молекула которого имеет богатые энергией связи. Молекула АТФ - это один своеобразный нуклеотид, который, как и другие нуклеотиды, состоит из трех компонентов: азотистого основания - аденина, углевода - рибозы, но вместо одного содержит три остатка молекул фосфорной кислоты (рис. 12). Связи, обозначенные на рисунке значком, - богаты энергией и называются макроэргическими . Каждая молекула АТФ содержит две макроэргические связи.

При разрыве макроэргической связи и отщеплении с помощью ферментов одной молекулы фосфорной кислоты освобождается 40 кДж/моль энергии, а АТФ при этом превращается в АДФ - аденозиндифосфорную кислоту. При отщеплении еще одной молекулы фосфорной кислоты освобождается еще 40 кДж/моль; образуется АМФ - аденозинмонофосфорная кислота. Эти реакции обратимы, то есть АМФ может пре вращаться в АДФ, АДФ - в АТФ.

Молекулы АТФ не только расщепляются, но и синтезируются, по этому их содержание в клетке относительно постоянно. Значение АТФ в жизни клетки огромно. Эти молекулы играют ведущую роль в энергетическом обмене, необходимом для обеспечения жизнедеятельности клетки и организма в целом.

Рис. 12. Схема строения АТФ.

аденин -

Молекула РНК, как правило, одиночная цепь, состоящая из четырех типов нуклеотидов - А, У, Г, Ц. Известны три основных вида РНК: иРНК, рРНК, тРНК. Содержание молекул РНК в клетке непостоянно, они участвуют в биосинтезе белка. АТФ - универсальное энергетическое вещество клетки, в котором имеются богатые энергией связи. АТФ играет центральную роль в обмене энергии в клетке. РНК и АТФ содержатся как в ядре, так и в цитоплазме клетки.

Задачи и тесты по теме "Тема 4. "Химический состав клетки"."

полимер, мономер;
углевод, моносахарид, дисахарид, полисахарид;
липид, жирная кислота, глицерин;
аминокислота, пептидная связь, белок;
катализатор, фермент, активный центр;
нуклеиновая кислота, нуклеотид.

Перечислить 5-6 причин, которые делают воду столь важным компонентом живых систем.

Назвать четыре главных класса органических соединений содержащихся в живых организмах; охарактеризовать роль каждого из них.

Объяснить, почему контролируемые ферментами реакции зависят от температур, рН и присутствием коферментов.

Рассказать о роли АТФ в энергетическом хозяйстве клетки.

Назвать исходные вещества, основные этапы и конечные продукты реакций, вызываемых светом и реакции фиксации углерода.

Дать краткое описание общей схемы клеточного дыхания, из которого было бы ясно, какое место занимают реакции гликолиза, цикла Г.Кребса (цикла лимонной кислоты) и цепь переноса электронов.

Сравнить дыхание и брожение.

Описать строение молекулы ДНК и объяснить почему число остатков аденина равно числу остатков тимина, а число остатков гуанина равно числу остатков цитозина.

Составить краткую схему синтеза РНК на ДНК (транскрипция) у прокариот.

Описать свойства генетического кода и объяснить, почему он должен быть триплетным.

Исходя из данной цепи ДНК и таблицы кодонов определить комплементарную последовательность матричной РНК, указать кодоны транспортной РНК и аминокислотную последовательность, которая образуется в результате трансляции.

Перечислить этапы белкового синтеза на уровне рибосом.

Алгоритм решения задач.

Тип 1. Самокопирование ДНК.

Одна из цепочек ДНК имеет такую последовательность нуклеотидов:
АГТАЦЦГАТАЦТЦГАТТТАЦГ...
Какую последовательность нуклеотидов имеет вторая цепочка той же молекулы?

Чтобы написать последовательность нуклеотидов второй цепочки молекулы ДНК, когда известна последовательность первой цепочки, достаточно заменить тимин на аденин, аденин на тимин, гуанин- на цитозин и цитозин на гуанин. Произведя такую замену, получаем последовательность:
ТАЦТГГЦТАТГАГЦТАААТГ...

Тип 2. Кодирование белков.

Цепочка аминокислот белка рибонуклеазы имеет следующее начало: лизин-глутамин-треонин-аланин-аланин-аланин-лизин...
С какой последовательности нуклеотидов начинается ген, соответствующий этому белку?

Для этого следует воспользоваться таблицей генетического кода. Для каждой аминокислоты находим ее кодовое обозначение в виде соответствующей тройки нуклеотидов и выписываем его. Располагая эти тройки друг за другом в таком же порядке, в каком идут соответствующие им аминокислоты, получаем формулу строения участка информационной РНК. Как правило таких троек несколько, выбор делается по Вашему решению (но, берется только одна из троек). Решений соответственно может быть несколько.
АААЦАААЦУГЦГГЦУГЦГААГ

С какой последовательности аминокислот начинается белок, если он закодирован такой последовательностью нуклеотидов:
АЦГЦЦЦАТГГЦЦГГТ...

По принципу комплементарности находим строение участка информационной РНК, образующейся на данном отрезке молекулы ДНК:
УГЦГГГУАЦЦГГЦЦА...

Затем обращаемся к таблице генетического кода и для каждой тройки нуклеотидов, начиная с первой, находим и выписываем соответствующую ей аминокислоту:
Цистеин-глицин-тирозин-аргинин-пролин-...

Иванова Т.В., Калинова Г.С., Мягкова А.Н. "Общая биология". Москва, "Просвещение", 2000