Елементи складають близько 98 мас клітини. Органічні речовини клітини

У клітинах виявлено близько 60 елементів періодичної системи Менделєєва, що трапляються й у неживій природі. Це один із доказів спільності живої та неживої природи. У живих організмах найбільш поширені водень, кисень, вуглець та азот, що становлять близько 98% маси клітин. Таке зумовлено особливостями хімічних властивостей водню, кисню, вуглецю та азоту, внаслідок чого вони виявилися найбільш підходящими для утворення молекул, що виконують біологічні функції. Ці чотири елементи здатні утворювати дуже міцні ковалентні зв'язки за допомогою парування електронів, що належать двом атомам. Ковалентно пов'язані атоми вуглецю можуть формувати каркаси незліченної множини різних органічних молекул. Оскільки атоми вуглецю легко утворюють ковалентні зв'язки з киснем, воднем, азотом, а також із сіркою, органічні молекули досягають виняткової складності та різноманітності будови.

Крім чотирьох основних елементів у клітині у помітних кількостях (10 ї

та 100 ї

частки відсотка) містяться залізо, калій, натрій, кальцій, магній, хлор, фосфор та сірка. Решта елементів (цинк, мідь, йод, фтор, кобальт, марганець та інших.) перебувають у клітці у дуже малих кількостях і тому називаються мікроелементами.

Хімічні елементи входять до складу неорганічних та органічних сполук. До неорганічних сполук відносяться вода, мінеральні солі, діоксид вуглецю, кислоти та основи. Органічні сполуки – це білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи, жири (ліпіди) та ліпоїди. Крім кисню, водню, вуглецю та азоту до їх складу можуть входити інші елементи. Деякі білки містять сірку. Складовою частиною нуклеїнових кислот є фосфор. Молекула гемоглобіну включає залізо, магній бере участь у побудові молекули хлорофілу. Мікроелементи, незважаючи на вкрай низький вміст живих організмів, відіграють важливу роль у процесах життєдіяльності. Йод входить до складу гормону щитовидної залози - тироксину, кобальт - до складу вітаміну В 12

Гормон острівцевої частини підшлункової залози – інсулін – містить цинк. У деяких риб місце заліза в молекулах пігментів, що переносять кисень, займає мідь.

Інші статті:

Рибоводно-біологічна характеристика об'єкта досліджень. Опис району досліджень
Досліджений матеріал був зібраний у нар. Протоки. Протока – правий рукав річки Кубань від Федорівського гідровузла (хутір Тихівський) до Азовського моря (село Ачуєво). Протока поділяє Слов'янський район від Червоноармійського та Приморсько-Ахтарського. ...

Часник - Allium Sativum
Використання. Часник (Allium sativum L.) вживають у свіжому вигляді, як спеція при консервуванні овочів, у ковбасному виробництві і як приправу до багатьох страв. Квіткові стрілки солять та маринують. Останні особливо популярні.

Революція в природознавстві та зміна колишньої картини світу.
Ейнштейнівська революція (кордон XIX-XX століть). Її зумовила серія відкриттів (відкриття складної структури атома, явище радіоактивності, дискретного характеру електромагнітного випромінювання тощо). У результаті була підірвана, найважливіша передумова.

До складу клітини входить близько 70 хімічних елементів періодичної системи Д.І. Менделєєва. Залежно від цього, скільки хімічні елементи входять до складу речовин, що утворюють живий організм, прийнято виділяти кілька груп.

Одну групу (близько 98% маси клітини) утворюють чотири легкі елементи: водень, кисень, вуглець, азот. Їх називають макроелементами. Це основні компоненти всіх органічних сполук.

Іншу групу складають елементи, що входять у клітину у менших кількостях. З них сірка та фосфор поряд з макроелементами входять до складу життєво важливих органічних сполук – нуклеїнових кислот, білків, жирів, вуглеводів, гормонів, калій, натрій, магній, марганець, залізо, хлор також виконують важливі функції у клітині. Елементи, що містяться в клітині в дуже малих кількостях, звуться мікроелементів.

Зміст тих чи інших елементів залежить від їхньої функціональної ролі в клітині та організмі, типу клітин, а також від біохімічних особливостей різних груп організмів. В обміні речовин, які ці елементи відчують. Велике значення має здатність організмів регулювати свій іонний склад. Так, рослинні клітини містять більше калію, ніж тварини. У позаклітинному середовищі тварин переважає натрій.

Полярність молекул і здатність утворювати водневі зв'язки роблять воду гарним розчинником для величезної кількості неорганічних та органічних речовин. Такі речовини звуться гідрофільних. Крім того, вода забезпечує як приплив речовин у клітину, і видалення з неї продуктів життєдіяльності.

Вода має хорошу теплопровідність і велику теплоємність, що дозволяє температурі всередині клітини залишатися незмінною при температурі навколишнього середовища, що змінюється.

Більшість неорганічних речовин клітини у вигляді солей – чи дисоційованих на іони, чи твердому стані. Серед перших велике значення мають катіони K, Na, Ca, які забезпечують подразливість живих організмів. Від концентрації солей усередині клітини залежать буферні властивості клітини. Буферність - здатність клітини підтримувати слаболужну реакцію свого вмісту на постійному рівні в умовах середовища, що змінюються.

Органічні сполуки загалом становлять 20 – 30% маси клітини. До них відносяться біологічні полімери: білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи, а також ліпіди та ряд невеликих молекул – гормонів, пігментів, АТФ та ін.

Білки.Білки серед органічних речовин займають перше місце як за кількістю, так і за значенням.

Білки складаються з 20 видів різних амінокислот. Загальна їхня формула

H 2 N─HC─COOH,

де R - радикал різної будови. У лівій частині молекули розташована амінна група H 2 N, яка має властивості основи; справа – карбоксильна група COOH – кислотна, характерна всім органічних кислот. Отже, амінокислоти – амфотерні сполуки, що поєднують властивості і кислоти, та основи. З'єднуючись, молекули амінокислот утворюють зв'язки між вуглецем кислотної та азотом основної групи. Такі зв'язки називають ковалентними, у разі – пептидними зв'язками:

R 2 O H R 2 R 1 O H R 2

│ // \ │ │ ││ │ │

H 2 N─HC─C + N─HC─COOH → H 2 N─HC─C─N─HC─COOH + H 2 O

З'єднання, що складається з 20 і більше амінокислотних залишків, має назву поліпептиду. Послідовність амінокислот у поліпептидному ланцюзі прийнято називати первинною структурою білка.

Проте молекула білка як ланцюга амінокислот, послідовно з'єднаних між собою пептидними зв'язками, ще здатна виконувати специфічні функції. Для цього потрібна більш висока структурна організація. За допомогою утворення водневих зв'язків між залишками карбоксильної та амінної груп різних амінокислот білкова молекула набуває вигляду спіралі. Це вторинна структура білка. Але в більшості випадків тільки молекула, що має третинну структуру, може виконувати біологічну роль. Третинна структура утворюється завдяки взаємодії радикалів, зокрема радикалів амінокислоти цистеїну, що містять сірку. Атоми сірки двох амінокислот, що знаходяться на певній відстані один від одного з'єднуються, утворюючи так звані дисульфідні, або S-S-зв'язки. Укладання поліпептидних спіралей у глобули (кулі) і називається третинною структурою білка (рис.1).

Деякі функції організму виконуються за участю білків із ще вищим рівнем організації – четвертинною структурою. Наприклад, гемоглобін, інсулін.

Втрата білкової молекули структурної організації називається денатурацією (від латів. denaturare – позбавити природних якостей).

Ренатурація – це властивість білків повністю відновлювати втрачену структуру, якщо зміна середовища призвело до руйнації первинної структури.

Одна з найважливіших функцій білків у клітині – будівельна: білки відчувають освіту всіх клітинних мембран в органоїдах клітини, а також позаклітинних структур.

Винятково важливе значення має каталітична функціябілків. Усі біологічні каталізатори – ферменти- речовини білкової природи. Вони прискорюють хімічні реакції, що протікають у клітині, у десятки та сотні тисяч разів. Фермент каталізує лише одну реакцію, тобто. він вузькоспецифічний.

Двигуна функціяорганізму забезпечується скорочувальними білками. Ці білки відчувають у всіх видах руху, до яких здатні клітини та організми: мерехтіння вій і биття джгутиків у найпростіших, скорочення м'язів у тварин.

Транспортна функціябілків полягає в приєднанні хімічних елементів (наприклад, кисню) або біологічно активних речовин (гормонів) та перенесенні їх до різних тканин та органів тіла.

При вступі до організму чужорідних - білків чи мікроорганізмів у білих кров'яних тільцях – лейкоцитах – утворюються особливі білки – антитіла. Вони пов'язують та знешкоджують невластиві організму речовини. У цьому виражається захисна функціябілків.

Білки є одним із джерел енергії у клітині, тобто. виконують енергетичну функцію. При повному розщепленні 1г білка виділяється 17,6 кДж енергії.

Вуглеводи.Вуглеводи, або сахариди - органічні речовини із загальною формулою C n (H 2 O) m .

Вуглеводи поділяються на прості та складні. Прості вуглеводи є моносахаридами. Залежно від кількості атомів вуглецю в молекулі моносахариди називаються тріозами, тетрозами, пентозами (рибоза та дезоксирибоза), гексозами (глюкоза, галактоза).

Складні вуглеводи, утворені багатьма моносахаридами, називають полісахаридами.

Вуглеводи виконують дві основні функції: будівельну(хітін) та енергетичну(Крохмаль у рослин та глікоген у тварин – енергетичний резерв). Вуглеводи – основне джерело енергії у клітині. У процесі окиснення 1г вуглеводів звільняється 17,6 кДж енергії.

Ліпіди.Ліпіди, або жири, є сполукою високомолекулярних жирних кислот і триатомного спирту гліцерину. Жири не розчиняються у воді – вони гідрофобні. У клітинах завжди є й інші жироподібні речовини – ліпоїди.

Одна з основних функцій жирів – енергетична. У результаті розщеплення 1г жирів звільняється 38,9 кДж енергії. Вміст жиру у клітині становить 5-15% маси сухої речовини.

Ліпіди та ліпоїди виконують і будівельну функцію: вони входять до складу клітинних мембран. Внаслідок поганої теплопровідності жир здатний виконувати функцію. утеплювача. Утворення деяких ліпоїдів передує синтезу низки гормонів. Отже, цим речовинам властива і функція регуляції обмінних процесів.

Нуклеїнові кислоти.Нуклеїнові (від лат. Nucleus- ядро) кислоти – складні органічні сполуки. Вони складаються з вуглецю, водню, кисню, азоту та фосфору.

Існують два типи нуклеїнових кислот – ДНК та РНК. Вони можуть бути як в ядрі, так і в цитоплазмі та її органоїдах.

ДНК – дезоксирибонуклеїнова кислота. Це біологічний полімер, що складається із двох полінуклеотидних ланцюгів, з'єднаних один з одним. Мономери - нуклеотиди, що становлять кожну з ланцюгів ДНК, є складними органічними сполуками. ДНК складається з чотирьох азотистих основ: похідних пуринів- аденіну (А) та гуаніну (Г) та похідних піримідинів -цитозину (Ц) та тиміну (Т), п'ятиатомного цукру пентози - дезоксирибози,а також залишку фосфорної кислоти (рис.2).

У кожному ланцюзі нуклеотиди з'єднуються між собою ковалентними зв'язками: дезоксирибоза одного нуклеотиду з'єднується із залишком фосфорної кислоти наступного нуклеотиду. Два ланцюги об'єднуються в єдину молекулу водневими зв'язками, що виникають між азотистими основами, що входять до складу нуклеотидів, що утворюють різні ланцюги. Просторова конфігурація азотистих основ різна і кількість таких зв'язків між різними азотистими основами неоднакова. Внаслідок цього вони можуть з'єднуватися тільки попарно: азотна підстава аденін (А) одного ланцюжка підлога і нуклеотиду завжди пов'язана двома водневими зв'язками з тиміном (Т) іншого ланцюга, а гуанін (Г) - трьома водневими зв'язками з азотистою основою цитозином (Ц) протилежної поліну ланцюжки. Така здатність до вибіркового з'єднання нуклеотидів, у результаті якого формуються пари А-Т та Г-Ц, називається комплементарністю(Рис. 15). Якщо відома послідовність основ в одному ланцюгу (наприклад, Т-Ц-А-Т-Г), то завдяки принципу комплементарності (додатковості) стане відома і протилежна послідовність основ (А-Г-Т-А-Ц).

Рис.2 Ділянка молекули ДНК. Комплементарне поєднання нуклеотидів різних ланцюгів.

Ланцюги нуклеотидів утворюють правозакручені об'ємні спіралі по 10 підстав у кожному витку. Послідовність з'єднання нуклеотидів одного ланцюга протилежна такої в іншій, тобто. ланцюги, що становлять одну молекулу ДНК, різноспрямовані , або антипаралельні : послідовність міжнуклеотидних зв'язків у двох ланцюгах спрямована в протилежні сторони: 5"-3" та 3"-5". Цукрово-фосфатні угруповання нуклеотидів знаходяться зовні, а азотисті основи – усередині. Ланцюги, закручені один щодо одного, а також навколо загальної осі, утворюють подвійну спіраль. Така структура молекули підтримується переважно водневими зв'язками (рис. 3).

Вторинну структуру ДНК вперше встановили американський біолог Дж. Уотсон та англійський фізик Ф. Крик.

Рис.3 Схема будови подвійної спіралі ДНК: А- площинна модель, жирною рисою позначений сахаро-фосфатний кістяк; Б -об'ємна модель

При поєднанні ДНК з певними білками (гістонами) ступінь спіралізації молекули підвищується – виникає суперспіральДНК, товщина якої суттєво зростає, а довжина скорочується (рис. 4). Одиницею компактизації молекули ДНК є нуклеосома , основу якої становлять 8 молекул гістонів, по 2 кожного типу (Н2А, Н2В, НЗ та Н4). Поверхні цих білкових молекул несуть позитивні заряди і утворюють кістяк, навколо якого може закручуватися негативно заряджена молекула ДНК. Кожну нуклеосому входить від 146 до 200 пар нуклеотидів. Гістон п'ятого типу - Н1 - з'єднується з ділянками ДНК, що зв'язують одну нуклеосому з іншою. Така ДНК носить назву лінійної або сполучної - лінкерної . Нуклео

соми розташовані вздовж ДНК на певній відстані, неоднаковій залежно від типу клітин - від 20 до 50 нм. Так утворюється структура, схожа на намисто, де кожна намистина – нуклеосома.

Рис. 4 Схема утворення суперспіралі ДНК.

Лінійна ДНК

Нуклеосоми та лінкерна ДНК у свою чергу упаковані у фібрили, які у хромосомі утворюють петлі. Вищі рівні спіралізації дозволяють значно скоротити довжину молекули ДНК. Досить сказати, що загальна довжина молекул ДНК, що входять до складу хромосом людини, становить 1,74 м, вони розташовуються в клітинах, що мають діаметр 5 -7 мкм. Таку молекулу, ретельно «упаковану» білками, можна спостерігати у світловий мікроскоп під час поділу клітин у вигляді витягнутого тільця, що добре фарбується. ромосоми.

РНК- рибонуклеїнова кислота.РНК, так само як і ДНК , є полімером, мономерами якого є нуклеотиди, близькі до нуклеотидів ДНК. Азотисті основи трьох нуклеотидів ті самі, що входять до складу ДНК(аденін, гуанін, цитозин), четверта основа - урацил(У) присутній тільки в молекулі РНК (замість тиміну). Нуклеотиди РНК відрізняються від нуклеотидів ДНК і за будовою вуглеводу, що входить до їх складу: вони включають іншу пентозу - рибозу(Замість дезо-ксирибози). У ланцюжку РНКнуклеотиди з'єднуються завдяки утворенню ковалентних зв'язків між рибозою одного нуклео-гіду та залишком фосфорної кислоти іншого.

За структурою розрізняють дволанцюгові та одноланцюгові РНК. Дволанцюгові РНК- зберігачі генетичної інформації у низки вірусів, тобто. виконують вони функції хромосом. Одноланцюгові іРНК переносять інформацію про послідовність амінокислот у білках (тобто про структуру білків) від хромосом до місця їх синтезу та беруть участь у синтезі білків.

Рис.5 Схема будова тРНК: А, Б, В, Р- ділянки комплементарного з'єднання всередині однієї молекули РНК; Д- ділянку (активний центр) сполуки з амінокислотою; Е- ділянка (активний центр) комплементарного з'єднання з молекулою та РНК (антикодон)

Існує кілька видів одноланцюгових РНК. Їх назви обумовлені виконуваною функцією чи місцезнаходженням у клітині. Більшу частину РНК цитоплазми (до 80 - 90%) становить рибосомна РНК (рРНК), що міститься у рибосомах. Молекули рРНК відносно невеликі складаються з 3 - 5 тис. нуклеотидів. Інший вид РНК - інформаційна (іРНК), що переносить до рибосом інформацію про послідовність амінокислот в білках, які повинні синтезуватися. Розміри цих РНК залежать від довжини ділянки ДНК, де вони синтезовані. Молекули та РНК можуть складатися з 300 – 30 000 нуклеотидів. Транспортні РНК включають 76 - 85 нуклеотидів (рис.) і виконують кілька функцій. Вони доставляють амінокислоти до місця синтезу білка та здійснюють точну орієнтацію амінокислоти (за принципом комплементарності) на рибосомі. тРНК мають два активні центри, один з яких з'єднується з певною амінокислотою, а інший, що складається з трьох нуклеотидів, служить для комплементарної сполуки з молекулою іРНК. Ця ділянка називається антикодон.

Хімічні елементи клітини

У живих організмах немає жодного хімічного елемента, який був знайдено в тілах неживої природи (що свідчить про спільність живої і неживої природи).
Різні клітини включають практично одні й самі хімічні елементи (що доводить єдність живої природи); і в той же час, навіть клітини одного багатоклітинного організму, що виконують різні функції, можуть суттєво відрізнятися одна від одної за хімічним складом.
З відомих нині понад 115 елементів, близько 80 виявлено у складі клітини.

Всі елементи за вмістом їх у живих організмах поділяються на три групи:

1. макроелементи- Зміст яких перевищує 0,001% від маси тіла.
   98% від маси будь-якої клітини припадає на чотири елементи (їх іноді називають органогени): - кисень (O) – 75%, вуглець (C) – 15%, водень (H) – 8%, азот (N) – 3%. Ці елементи становлять основу органічних сполук (а кисень і водень, крім того, входять до складу води, що також міститься у клітині). Близько 2% від маси клітини припадає ще вісім макроелементів: магній (Mg), натрій (Na), кальцій (Ca), залізо (Fe), калій (K), фосфор (P), хлор (Cl), сірка (S);
2. Інші хімічні елементи містяться в клітині в дуже невеликих кількостях: мікроелементи- ті, частку яких припадає від 0,000001% до 0,001%, - бір (В), нікель (Ni), кобальт (Co), мідь (Cu), молібден (Mb), цинк (Zn) та ін;
3. ультрамікроелементи- вміст яких не перевищує 0,000001% - уран (U), радій (Ra), золото (Au), ртуть (Hg), свинець (Pb), цезій (Cs), селен (Se) та ін.

Живі організми здатні накопичувати певні хімічні елементи. Так, наприклад, деякі водорості накопичують йод, жовтці - літій, ряска - радій і т.д.

Хімічні речовини клітини

Елементи як атомів входять до складу молекул неорганічнихі органічнихз'єднань клітини.

До неорганічних сполуквідносяться вода та мінеральні солі.

Органічні сполукихарактерні лише живих організмів, тоді як неорганічні існують й у неживої природі.

До органічних сполуквідносяться сполуки вуглецю з молекулярною масою від 100 до кількох сотень тисяч.
Вуглець – хімічна основа життя. Він може вступати у зв'язок з багатьма атомами та їх групами, утворюючи ланцюжки, кільця, що становлять скелет різних за хімічним складом, будовою, довжиною та формою органічних молекул. З них утворюються складні хімічні сполуки, що розрізняються за будовою та функціями. Ці органічні сполуки, що входять до складу клітин живих організмів, отримали назву біологічні полімери, або біополімери. Вони становлять понад 97% сухої речовини клітини.

Організми складаються із клітин. Клітини різних організмів мають подібний хімічний склад. У таблиці 1 подано основні хімічні елементи, виявлені у клітинах живих організмів.

Таблиця 1. Зміст хімічних елементів у клітині

За вмістом у клітині можна виділити три групи елементів. У першу групу входять кисень, вуглець, водень та азот. На частку припадає майже 98% всього складу клітини. До другої групи входять калій, натрій, кальцій, сірка, фосфор, магній, залізо, хлор. Їх вміст у клітині становить десяті та соті частки відсотка. Елементи цих двох груп відносять до макроелементів(Від грец. макрос- Великий).

Інші елементи, представлені в клітині сотими і тисячними частками відсотка, входять до третьої групи. Це мікроелементи(Від грец. мікро- Мінімальний).

Будь-яких елементів, властивих тільки живої природи, у клітині не виявлено. Всі ці хімічні елементи входять і до складу неживої природи. Це вказує на єдність живої та неживої природи.

Нестача будь-якого елемента може призвести до захворювання, і навіть загибелі організму, оскільки кожен елемент відіграє певну роль. Макроелементи першої групи складають основу біополімерів – білків, вуглеводів, нуклеїнових кислот, а також ліпідів, без яких життя неможливе. Сірка входить до складу деяких білків, фосфор – до складу нуклеїнових кислот, залізо – до складу гемоглобіну, а магній – до складу хлорофілу. Кальцій відіграє у обміні речовин.

Частина хімічних елементів, що містяться в клітині, входить до складу неорганічних речовин - мінеральних солей та води.

Мінеральні солізнаходяться в клітині, як правило, у вигляді катіонів (К + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+) і аніонів (HPO 2-/4 , H 2 PO -/4 , СI - , НСО 3), співвідношення яких визначає важливу для життєдіяльності клітин кислотність середовища.

(У багатьох клітин середовище слаболужна та її рН майже не змінюється, тому що в ній постійно підтримується певне співвідношення катіонів та аніонів.)

З неорганічних речовин у живій природі величезну роль відіграє вода.

Без води життя неможливе. Вона становить значну масу більшості клітин. Багато води міститься у клітинах мозку та ембріонів людини: води понад 80%; в клітинах жирової тканини - всього 40.% До старості вміст води в клітинах знижується. Людина, яка втратила 20% води, гине.

Унікальні властивості води визначають її роль організмі. Вона бере участь у теплорегуляції, яка зумовлена ​​високою теплоємністю води – споживанням великої кількості енергії при нагріванні. Чим визначається висока теплоємність води?

У молекулі води атом кисню ковалентно пов'язані з двома атомами водню. Молекула води полярна, тому що атом кисню має частково негативний заряд, а кожен із двох атомів водню має

Частково позитивний заряд. Між атомом кисню однієї молекули води та атомом водню іншої молекули утворюється водневий зв'язок. Водневі зв'язки забезпечують з'єднання великої кількості молекул води. При нагріванні води значна частина енергії витрачається на розрив водневих зв'язків, що визначає її високу теплоємність.

Вода - хороший розчинник. Завдяки полярності її молекули взаємодіють з позитивно та негативно зарядженими іонами, сприяючи тим самим розчиненню речовини. По відношенню до води всі речовини клітини поділяються на гідрофільні та гідрофобні.

Гідрофільні(Від грец. гідро- вода та філео- люблю) називають речовини, що розчиняються у воді. До них відносять іонні сполуки (наприклад, солі) та деякі неіонні сполуки (наприклад, цукру).

Гідрофобними(Від грец. гідро- вода та фобос- страх) називають речовини, нерозчинні у воді. До них відносять, наприклад, ліпіди.

Вода відіграє велику роль у хімічних реакціях, що протікають у клітині у водних розчинах. Вона розчиняє непотрібні організму продукти обміну речовин і цим сприяє виведенню їх із організму. Великий вміст води у клітині надає їй пружність. Вода сприяє переміщенню різних речовин усередині клітини або з клітини до клітини.

Тіла живої та неживої природи складаються з однакових хімічних елементів. До складу живих організмів входять неорганічні речовини - вода та мінеральні солі. Життєво важливі численні функції води у клітині зумовлені особливостями її молекул: їхньою полярністю, здатністю утворювати водневі зв'язки.

НЕОРГАНІЧНІ КОМПОНЕНТИ КЛІТИНИ

У клітинах живих організмів зустрічається близько 90 елементів, причому приблизно 25 з них виявлені практично у всіх клітинах. За вмістом у клітині хімічні елементи поділяються на три великі групи: макроелементи (99%), мікроелементи (1%), ультрамікроелементи (менше 0,001%).

До макроелементів належать кисень, вуглець, водень, фосфор, калій, сірка, хлор, кальцій, магній, натрій, залізо.
До мікроелеметів належать марганець, мідь, цинк, йод, фтор.
До ультрамікроелементів відносяться срібло, золото, бром, селен.

ОРГАНІЧНІ КОМПОНЕНТИ КЛІТИНИ

Ферменти.

Найважливіша функція білків – каталітична. Білкові молекули, що збільшують на кілька порядків швидкість хімічних реакцій у клітині, називають ферментами. Жоден біохімічний процес у організмі немає без участі ферментів.

Нині виявлено понад 2000 ферментів. Їхня ефективність у багато разів вища, ніж ефективність неорганічних каталізаторів, що використовуються у виробництві. Так, 1 мг заліза у складі ферменту каталази замінює 10 т неорганічного заліза. Каталаза збільшує швидкість розкладання пероксиду водню (Н 2 Про 2) у 10 11 разів. Фермент, що каталізує реакцію утворення вугільної кислоти (СО2 + Н2О = Н2СО3), прискорює реакцію в 107 разів.

Важливою властивістю ферментів є специфічність їхньої дії, кожен фермент каталізує лише одну або невелику групу подібних реакцій.

Речовина, на яку впливає фермент, називають субстратом. Структури молекули ферменту та субстрату повинні точно відповідати один одному. Цим пояснюється специфічність впливу ферментів. При поєднанні субстрату з ферментом просторова структура ферменту змінюється.

Послідовність взаємодії ферменту та субстрату можна зобразити схематично:

Субстрат+Фермент – Фермент-субстратний комплекс – Фермент+Продукт.

Зі схеми видно, що субстрат з'єднується з ферментом з утворенням фермент-субстратного комплексу. При цьому субстрат перетворюється на нову речовину – продукт. На кінцевому етапі фермент звільняється від продукту і знову вступає у взаємодію з черговою молекулою субстрату.

Ферменти функціонують лише за певної температури, концентрації речовин, кислотності середовища. Зміна умов призводить до зміни третинної і четвертинної структури білкової молекули, отже, і придушення активності ферменту. Як це відбувається? Каталітична активність має лише певну ділянку молекули ферменту, звану активним центром. Активний центр містить від 3 до 12 амінокислотних залишків і формується внаслідок вигину поліпептидного ланцюга.

Під впливом різних чинників змінюється структура молекули ферменту. При цьому порушується просторова конфігурація активного центру і фермент втрачає свою активність.

Ферменти – це білки, які відіграють роль біологічних каталізаторів. Завдяки ферментам на кілька порядків зростає швидкість хімічних реакцій у клітинах. Важлива властивість ферментів – специфічність дії у певних умовах.

Нуклеїнові кислоти.

Нуклеїнові кислоти були відкриті у другій половині ХІХ ст. швейцарським біохіміком Ф. Мішером, який виділив із ядер клітин речовину з високим вмістом азоту та фосфору та назвав його "нуклеїном" (від лат. нуклеус- Ядро).

У нуклеїнових кислотах зберігається спадкова інформація про будову та функціонування кожної клітини та всіх живих істот на Землі. Існує два типи нуклеїнових кислот – ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота) та РНК (рибонуклеїнова кислота). Нуклеїнові кислоти, як і білки, мають видову специфічність, тобто організмам кожного виду властивий свій тип ДНК. Щоб з'ясувати причини видової специфічності, розглянемо будову нуклеїнових кислот.

Молекули нуклеїнових кислот є дуже довгими ланцюгами, що складаються з багатьох сотень і навіть мільйонів нуклеотидів. Будь-яка нуклеїнова кислота містить лише чотири типи нуклеотидів. Функції молекул нуклеїнових кислот залежать від їх будови, що входять до їх складу нуклеотидів, їх числа в ланцюзі та послідовності сполуки в молекулі.

Кожен нуклеотид складається з трьох компонентів: азотистої основи, вуглеводу та фосфорної кислоти. До складу кожного нуклеотиду ДНК входить один із чотирьох типів азотистих основ (аденін - А, тимін - Т, гуанін - Г або цитозин - Ц), а також вуглеводів дезоксирибозу та залишок фосфорної кислоти.

Таким чином, нуклеотиди ДНК розрізняються лише типом азотистої основи.

Молекула ДНК складається з величезної кількості нуклеотидів, з'єднаних у ланцюжок у певній послідовності. Кожен вид молекули ДНК має властиве їй число та послідовність нуклеотидів.

Молекули ДНК дуже довгі. Наприклад, для буквеного запису послідовності нуклеотидів у молекулах ДНК з однієї клітини людини (46 хромосом) знадобилася б книга обсягом близько 820 000 сторінок. Чергування чотирьох типів нуклеотидів може утворити безліч варіантів молекул ДНК. Зазначені особливості будови молекул ДНК дозволяють їм зберігати величезний обсяг інформації про всі ознаки організмів.

У 1953 р. американським біологом Дж. Вотсоном та англійським фізиком Ф. Криком було створено модель будови молекули ДНК. Вчені встановили, що кожна молекула ДНК складається з двох ланцюгів, пов'язаних між собою та спірально закручених. Вона має вигляд подвійної спіралі. У кожному ланцюгу чотири типи нуклеотидів чергуються у певній послідовності.

Нуклеотидний склад ДНК відрізняється у різних видів бактерій, грибів, рослин, тварин. Але він не змінюється із віком, мало залежить від змін навколишнього середовища. Нуклеотиди парні, тобто число аденінових нуклеотидів у будь-якій молекулі ДНК дорівнює числу тимідинових нуклеотидів (А-Т), а число цитозинових нуклеотидів дорівнює числу гуанінових нуклеотидів (Ц-Г). Це пов'язано з тим, що з'єднання двох ланцюгів між собою в молекулі ДНК підпорядковується певному правилу, а саме: аденін одного ланцюга завжди пов'язаний двома водневими зв'язками тільки з Тімін інший ланцюга, а гуанін - трьома водневими зв'язками з цитозином, тобто нуклеотидні ланцюги однієї молекули ДНК комплементарні, доповнюють одна одну.

Молекули нуклеїнових кислот – ДНК та РНК складаються з нуклеотидів. До складу нуклеотидів ДНК входить азотна основа (А, Т, Г, Ц), вуглевод дезоксирибозу та залишок молекули фосфорної кислоти. Молекула ДНК є подвійною спіралью, що складається з двох ланцюгів, з'єднаних водневими зв'язками за принципом комплементарності. Функція ДНК – зберігання спадкової інформації.

У клітинах всіх організмів є молекули АТФ – аденозинтрифосфорної кислоти. АТФ - універсальна речовина клітини, молекула якої має багаті на енергію зв'язку. Молекула АТФ – це один своєрідний нуклеотид, який, як і інші нуклеотиди, складається з трьох компонентів: азотистої основи – аденіну, вуглеводу – рибози, але замість одного містить три залишки молекул фосфорної кислоти (рис. 12). Зв'язки, позначені на малюнку значком, - багаті на енергію і називаються макроергічні. Кожна молекула АТФ містить два макроергічні зв'язки.

При розриві макроергічного зв'язку та відщепленні за допомогою ферментів однієї молекули фосфорної кислоти звільняється 40 кДж/моль енергії, а АТФ при цьому перетворюється на АДФ - аденозиндифосфорну кислоту. При відщепленні ще однієї молекули фосфорної кислоти звільняється ще 40 кДж/моль; утворюється АМФ – аденозинмонофосфорна кислота. Ці реакції оборотні, тобто АМФ може перетворюватися на АДФ, АДФ - на АТФ.

Молекули АТФ як розщеплюються, а й синтезуються, тому їх вміст у клітині щодо постійно. Значення АТФ у житті клітини величезне. Ці молекули відіграють провідну роль в енергетичному обміні, необхідному для забезпечення життєдіяльності клітини та організму загалом.

Молекула РНК, як правило, одиночний ланцюг, що складається з чотирьох типів нуклеотидів - А, У, Г, Ц. Відомі три основні види РНК: іРНК, рРНК, тРНК. Зміст молекул РНК у клітині непостійно, вони беруть участь у біосинтезі білка. АТФ - універсальна енергетична речовина клітини, в якій є багаті на енергію зв'язку. АТФ грає центральну роль обміні енергії у клітині. РНК та АТФ містяться як у ядрі, так і в цитоплазмі клітини.

Завдання та тести на тему "Тема 4. "Хімічний склад клітини"."

• полімер, мономер;
• вуглевод, моносахарид, дисахарид, полісахарид;
• ліпід, жирна кислота, гліцерин;
• амінокислота, пептидна зв'язок, білок;
• каталізатор, фермент, активний центр;
• нуклеїнова кислота, нуклеотид.

Алгоритм розв'язання задач.

Тип 1. Самокопіювання ДНК.

Один із ланцюжків ДНК має таку послідовність нуклеотидів:
АГТАЦЦГАТАЦТЦГАТТТАЦГ...
Яку послідовність нуклеотидів має другий ланцюжок тієї ж молекули?

Щоб написати послідовність нуклеотидів другого ланцюжка молекули ДНК, коли відома послідовність першого ланцюжка, достатньо замінити тимін на аденін, аденін на тимін, гуанін-цитозин і цитозин на гуанін. Зробивши таку заміну, отримуємо послідовність:
ТАЦТГГЦТАТГАГЦТАААТГ...

Тип 2. Кодування білків.

Ланцюжок амінокислот білка рибонуклеази має наступний початок: лізин-глутамін-треонін-аланін-аланін-аланін-лізин...
З якої послідовності нуклеотидів починається ген, який відповідає цьому білку?

І тому слід скористатися таблицею генетичного коду. Для кожної амінокислоти знаходимо кодове позначення у вигляді відповідної трійки нуклеотидів і виписуємо його. Маючи в своєму розпорядженні ці трійки один за одним у такому ж порядку, в якому йдуть відповідні їм амінокислоти, отримуємо формулу будови ділянки інформаційної РНК. Як правило таких трійок кілька, вибір робиться за Вашим рішенням (але береться тільки одна з трійок). Рішень відповідно може бути кілька.
АААЦАААЦУГЦГГЦУГЦГААГ

З якої послідовності амінокислот починається білок, якщо він закодований такою послідовністю нуклеотидів:
АЦГЦЦЦАТГГЦЦГГТ...

За принципом комплементарності знаходимо будову ділянки інформаційної РНК, що утворюється на даному відрізку молекули ДНК:
УГЦГГГУАЦЦГГЦЦА...

Потім звертаємося до таблиці генетичного коду і для кожної трійки нуклеотидів, починаючи з першої, знаходимо та виписуємо відповідну їй амінокислоту:
Цистеїн-гліцин-тирозин-аргінін-пролін-...

Іванова Т.В., Калінова Г.С., М'ягкова О.М. "Спільна біологія". Москва, "Освіта", 2000

• Тема 4. "Хімічний склад клітини." §2-§7 стор. 7-21
• Тема 5. "Фотосинтез." §16-17 стор. 44-48
• Тема 6. "Клітинне дихання." §12-13 стор. 34-38
• Тема 7. "Генетична інформація." §14-15 стор 39-44

Відповіді до шкільних підручників

Елементи, які у живої природі, поширені й у неживої природі - атмосфері, воді, земної корі. Немає таких елементів, які зустрічалися виключно в живих організмах. Але співвідношення хімічних елементів, їхній внесок у освіту речовин, що становлять живий організм і неживе тіло, різко різняться. У живому організмі більшість елементів перебуває у вигляді хімічних сполук - речовин, розчинених у воді. Винятково у живих організмах містяться органічні речовини: білки, жири, вуглеводи та нуклеїнові кислоти.

2. Чи подібний хімічний склад рослинної та тваринної клітин?

Хімічний склад рослинної та тваринної клітин подібний. Всі живі організми складаються з тих самих елементів, неорганічних і органічних сполук. Однак вміст різних елементів у різних клітинах відрізняється. У кожен тип клітин входить неоднакова кількість певних органічних молекул. У рослинних клітинах переважають складні вуглеводи (клітковина, крохмаль), у тварин – більше білків та жирів. Кожна з груп органічних речовин (білки, вуглеводи, жири, нуклеїнові кислоти) у будь-якому типі клітин виконує властиві їй функції (нуклеїнова кислота – зберігання та передачу спадкової інформації, вуглеводи – енергетичну тощо).

3. Перерахуйте елементи, найпоширеніші у живих організмах.

До складу клітки входить близько 80 хімічних елементів. Залежно від цього, у якому числі містяться хімічні елементи у складі речовин, що утворюють живий організм, прийнято виділяти кілька груп. Одну групу утворюють чотири елементи, що становлять близько 98% маси клітини: кисень, водень, вуглець та азот. Їх називають макроелементами. Це домінуючі складові всіх органічних сполук.

В іншу групу входять сірка та фосфор, калій та натрій, кальцій та магній, марганець, залізо та хлор. Вони знаходяться в клітинах у менших кількостях (десяті та соті частки відсотка). Кожен із них виконує у клітині важливу функцію. Наприклад, кальцій і фосфор беруть участь у освіті кісткової тканини, визначаючи міцність кістки. Залізо входить до складу гемоглобіну - білка червоних кров'яних тілець (еритроцитів), що бере участь у перенесенні кисню від легень до тканин.

4. Які речовини належать до органічних?

До органічних речовин належать білки, нуклеїнові кислоти, жири, вуглеводи, а також гормони, пігменти, АТФ та деякі ін. Вони становлять у середньому 20-30% маси клітини живого організму.

5. У чому полягає роль білків у клітині?

Серед органічних речовин клітини білки посідають перше місце як за кількістю, і за значенням. У тварин ними припадає близько 50% сухої маси клітини.

Роль білків у клітині надзвичайно велика і різноманітна. Одна з найважливіших функцій білків - будівельна: білки беруть участь у формуванні мембран та органоїдів не мембранної будови. Важливе значення має й інша функція - каталітична: певні білки прискорюють хімічні реакції, що протікають у клітині, у десятки та сотні тисяч разів.

Двигуна функція організму забезпечується скорочувальними білками. Ці білки беруть участь у всіх видах руху, яких здатні клітини і організми тварин.

Транспортна функція білків полягає у приєднанні хімічних елементів (наприклад, кисню) або біологічно активних речовин (гормонів) та перенесенні їх до різних тканин та органів тіла.

При вступі до організму чужорідних білків чи мікроорганізмів у білих кров'яних тільцях (лейкоцитах) утворюються особливі білки - антитіла. Вони пов'язують та знешкоджують невластиві організму речовини. У цьому полягає захисна функція білків.

Білки є одним із джерел енергії в клітині, тобто виконують енергетичну функцію.

6. Які речовини є основним джерелом енергії?

Основним джерелом енергії у клітинах тварин та рослин є вуглеводи. До них відносяться глюкоза, сахароза, клітковина, крохмаль та ін. «Спалюючи» глюкозу, організм отримує необхідну енергію для процесів обміну речовин, що проходять в ньому. Живі організми можуть запасати вуглеводи у вигляді крохмалю (у рослин) та глікогену (у тварин та грибів). У бульбах картоплі крохмаль може становити до 80% маси, а у тварин особливо багато вуглеводів у клітинах печінки та м'язах – до 5%.

Вуглеводи виконують інші функції, наприклад опорну і захисну. Клітковина входить до складу деревини, хітин утворює зовнішній скелет комах, ракоподібних та інших членистоногих.

7. Охарактеризуйте роль жирів у організмі.

Жири виконують в організмі ряд функцій, наприклад, служать запасним джерелом енергії. Вони дають організму до 30% всієї необхідної енергії. Виконують жири та будівельну функцію, входячи обов'язковими компонентами до складу клітинної та ядерної мембран. У деяких тварин жири накопичуються у великих кількостях і служать утеплювачем, тобто оберігають організм від втрати тепла (наприклад, у китів товщина жирового шару досягає 1 м).

Велике значення мають жири як внутрішній резерв води: в результаті розщеплення 1 кг жиру утворюється до 1,1 кг води. Це дуже важливо для тварин, що впадають у зимову сплячку, - ховрахів, бабаків: завдяки своїм підшкірним жировим запасам вони можуть не пити в цей час до двох місяців. Верблюди під час переходів пустелею обходяться без пиття до двох тижнів - необхідну організму воду вони витягають зі своїх горбів - вмістилищ жиру.

8. Яка роль води у клітці?

Найпоширеніша неорганічна сполука у живих організмах - вода. Її зміст коливається в широких межах: у клітинах емалі зубів - близько 10%, а в клітинах зародка, що розвивається, - більше 90%. У середньому, у багатоклітинному організмі вода становить близько 80% маси тіла. Насамперед, вода визначає фізичні властивості клітини, її об'єм, пружність. Численні хімічні реакції проходять саме у водному середовищі, оскільки вода – добрий розчинник. Та й сама вода бере участь у багатьох хімічних перетвореннях.

Вода допомагає видаленню з організму непотрібних та шкідливих речовин, що утворюються в результаті обміну (видільна функція), сприяє переміщенню кисню, вуглекислого газу та поживних речовин по організму (транспортна функція).

Вода має гарну теплопровідність і велику теплоємність. При зміні температури довкілля вода поглинає чи виділяє теплоту. Внаслідок цього температура всередині клітини залишається незмінною або її коливання виявляються значно меншими, ніж у навколишньому клітині середовищі (теплорегулююча функція).

9. Назвіть відомі вам вуглеводи.

До вуглеводів відносять такі природні органічні сполуки: глюкозу, фруктозу, сахарозу, мальтозу, лактозу, хітин, крохмаль, глікоген та целюлозу.

10. Яку роль виконують у клітині нуклеїнові кислоти?

Нуклеїнові кислоти відповідальні за зберігання та передачу спадкових ознак від батьків до потомства. Вони входять до складу хромосом - спеціальних структур, розташованих у клітинному ядрі. Нуклеїнові кислоти знаходяться також у цитоплазмі та її органоїдах.

11. Який хімічний склад живих організмів?

Найбільш поширені елементи в живих організмах – кисень, вуглець, водень та азот. До складу живих організмів входять органічні речовини (білки, жири, вуглеводи, нуклеїнові кислоти) та неорганічні речовини (вода, мінеральні солі).