Значення неорганічних сполук у живому організмі. Неорганічні речовини

Клітина

З погляду концепції живих систем за А. Ленінджером.

Жива клітина – це здатна до саморегуляції та самовідтворення ізотермічна система органічних молекул, що отримує енергію та ресурси з навколишнього середовища.

У клітині протікає багато послідовних реакцій, швидкість яких регулюється самої клітиною.

Клітина підтримує себе у стаціонарному динамічному стані, далекому від рівноваги з довкіллям.

Клітини функціонують за принципом мінімальної витрати компонентів та процесів.

Т.о. клітина – елементарна жива відкрита система, здатна до самостійного існування, відтворення та розвитку. Вона є елементарною структурно-функціональною одиницею всіх живих організмів.

Хімічний склад клітин.

Зі 110 елементів періодичної системи Менделєєва в організмі людини виявлено 86 постійно присутніх. 25 їх необхідні нормальної життєдіяльності, причому 18 їх необхідні абсолютно, а 7 - корисні. Відповідно до процентного вмісту в клітині хімічні елементи ділять на три групи:

Макроелементи Основні елементи (органогени) – водень, вуглець, кисень, азот. Їхня концентрація: 98 – 99,9 %. Вони є універсальними компонентами органічних сполук клітини.

Мікроелементи – натрій, магній, фосфор, сірка, хлор, калій, кальцій, залізо. Їхня концентрація 0,1%.

Ультрамікроелементи – бір, кремній, ванадій, марганець, кобальт, мідь, цинк, молібден, селен, йод, бром, фтор. Вони впливають обмін речовин. Їх відсутність є причиною захворювань (цинк – цукровий діабет, йод – ендемічний зоб, залізо – злоякісна анемія тощо).

Сучасній медицині відомі факти негативної взаємодії вітамінів та мінералів:

Цинк знижує засвоєння міді та конкурує за засвоєння із залізом та кальцієм; (А дефіцит цинку викликає ослаблення імунної системи, ряд патологічних станів із боку залоз внутрішньої секреції).

Кальцій та залізо знижують засвоєння марганцю;

Вітамін Е погано поєднується із залізом, а вітамін С – з вітамінами групи В.

Позитивний взаємовплив:

Вітамін Е та селен, а також кальцій та вітамін К діють синергічно;

Для засвоєння кальцію потрібен вітамін Д;

Мідь сприяє засвоєнню та підвищує ефективність використання заліза в організмі.

Неорганічні компоненти клітки.

Вода– найважливіша складова частина клітини, універсальне дисперсійне середовище живої матерії. Активні клітини наземних організмів складаються з 60 – 95% з води. У клітинах, що покояться, і тканинах (насіння, суперечки) води 10 - 20%. Вода в клітині знаходиться у двох формах – вільної та пов'язаної з клітинними колоїдами. Вільна вода є розчинником та дисперсійним середовищем колоїдної системи протоплазми. Її 95%. Пов'язана вода (4 – 5 %) усієї води клітини утворює неміцні водневі та гідроксильні зв'язки з білками.

Властивості води:

Вода – природний розчинник для мінеральних іонів та інших речовин.

Вода - дисперсійна фаза колоїдної системи протоплазми.

Вода є середовищем реакцій метаболізму клітини, т.к. Фізіологічні процеси відбуваються у виключно водному середовищі. Забезпечує реакції гідролізу, гідратації, набухання.

Бере участь у багатьох ферментативних реакціях клітини та утворюється у процесі обміну речовин.

Вода - джерело іонів водню при фотосинтезі рослин.

Біологічне значення води:

Більшість біохімічних реакцій йде лише у водному розчині, багато речовин надходять і виводяться з клітин у розчиненому вигляді. Це характеризує транспортну функцію води.

Вода забезпечує реакції гідролізу – розщеплення білків, жирів, вуглеводів під впливом води.

Завдяки великій теплоті випаровування відбувається охолодження організму. Наприклад, потовиділення у людини або транспірація у рослин.

Велика теплоємність та теплопровідність води сприяє рівномірному розподілу тепла у клітині.

Завдяки силам адгезії (вода – ґрунт) та когезії (вода – вода) вода має властивість капілярності.

Нестискання води визначає напружений стан клітинних стінок (тургор), гідростатичний скелет у круглих хробаків.

Підручник для 10-11 класів

Розділ I. Клітина – одиниця живого
Глава I. Хімічний склад клітини

У живих організмах міститься багато хімічних елементів. Вони утворюють два класи сполук – органічні та неорганічні. Хімічні сполуки, основою будови яких є атоми вуглецю, становлять відмітну ознаку живого. Ці сполуки називають органічними. Органічні сполуки надзвичайно різноманітні, але тільки чотири класи мають загальне біологічне значення: білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи і ліпіди.

§ 1. Неорганічні сполуки

p align="justify"> Біологічно важливі хімічні елементи.З відомих нам понад 100 хімічних елементів до складу живих організмів входять близько 80, причому лише щодо 24 відомо, які функції у клітині вони виконують. Набір цих елементів не випадковий. Життя зародилося у водах Світового океану, і живі організми складаються переважно з тих елементів, які утворюють легко розчинні у воді сполуки. Більшість таких елементів належить до легких, їх особливістю є здатність вступати в міцні (ковалентні) зв'язки та утворювати безліч різних складних молекул.

У складі клітин людського тіла переважають кисень (понад 60%), вуглець (близько 20%) та водень (близько 10%). На азот, кальцій, фосфор, хлор, калій, сірку, натрій, магній разом узяті припадає близько 5%. Інші 13 елементів становлять трохи більше 0,1%. Подібний елементний склад мають клітини більшості тварин; відрізняються лише клітини рослин та мікроорганізмів. Навіть ті елементи, які в клітинах містяться в мізерно малих кількостях, нічим не можуть бути замінені і необхідні для життя. Так, вміст йоду у клітинах не перевищує 0,01%. Проте за браку їх у грунті (через це й у харчових продуктах) затримується зростання та розвитку дітей. Вміст міді у клітинах тварин не перевищує 0,0002%. Але за браку міді у грунті (звідси й у рослинах) виникають масові захворювання сільськогосподарських тварин.

Значення для клітин основних елементів наведено в кінці цього параграфа.

Неорганічні (мінеральні) сполуки.До складу живих клітин входить ряд відносно простих сполук, які трапляються й у неживій природі – у мінералах, природних водах. Це неорганічні сполуки.

Вода - одне з найпоширеніших речовин Землі. Вона покриває більшу частину земної поверхні. Майже всі живі істоти складаються здебільшого з води. У людини вміст води в органах та тканинах варіює від 20% (у кістковій тканині) до 85% (у головному мозку). Близько 2/3 маси людини становить вода, в організмі медузи до 95% води, навіть у сухому насінні рослин вода становить 10-12%.

Вода має деякі унікальні властивості. Ці властивості настільки важливі для живих організмів, що не можна уявити життя без цієї сполуки водню і кисню.

Унікальні властивості води визначаються структурою молекул. У молекулі води один атом кисню ковалентно пов'язаний із двома атомами водню (рис. 1). Молекула полярна води (диполь). Позитивні заряди зосереджені в атомів водню, оскільки кисень електронегативніший за водень.

Мал. 1. Утворення водневих зв'язків у воді

Негативно заряджений атом кисню однієї молекули води притягується до позитивно зарядженого атома водню іншої молекули з утворенням водневого зв'язку (рис. 1).

За міцністю водневий зв'язок приблизно в 15-20 разів слабший за ковалентний зв'язок. Тому водневий зв'язок легко розривається, що спостерігається, наприклад, під час випаровування води. Внаслідок теплового руху молекул у воді одні водневі зв'язки розриваються, інші утворюються.

Таким чином, у рідкій воді молекули рухливі, що важливо для процесів обміну речовин. Молекули води легко проникають через клітинні мембрани.

Через високу полярність молекул вода є розчинником інших полярних сполук. У воді розчиняється більше речовин, ніж у будь-якій іншій рідині. Саме тому у водному середовищі клітини здійснюється безліч хімічних реакцій. Вода розчиняє продукти обміну речовин і виводить їх із клітини та організму в цілому.

Вода має велику теплоємність, тобто здатність поглинати теплоту при мінімальній зміні власної температури. Завдяки цьому вона оберігає клітину від різких змін температури. Оскільки на випаровування води витрачається багато теплоти, то випаровуючи воду, організми можуть захищати себе від перегріву (наприклад, при потовиділенні).

Вода має високу теплопровідність. Така властивість створює можливість рівномірного розподілу теплоти між тканинами тіла.

Вода служить розчинником для «мастильних» матеріалів, необхідних скрізь, де є поверхні, що труться (наприклад, у суглобах).

Вода має максимальну густину при 4°С. Тому лід, що має меншу щільність, легший за воду і плаває на її поверхні, що захищає водойму від промерзання.

По відношенню до води всі речовини клітини поділяються на дві групи: гідрофільні - "люблячі воду" і гідрофобні - "бояться води" (від грец. "гідро" - вода, "філео - любити і "фобос" - страх).

До гідрофільних відносяться речовини, що добре розчиняються у воді. Це солі, цукри, амінокислоти. Гідрофобні речовини, навпаки, у воді майже нерозчинні. До них належать, наприклад, жири.

Клітинні поверхні, що відокремлюють клітину від зовнішнього середовища, та деякі інші структури складаються з водонерозчинних (гідрофобних) сполук. Завдяки цьому зберігається структурна цілісність клітини. p align="justify"> Образно клітину можна представити у вигляді судини з водою, де протікають біохімічні реакції, що забезпечують життя. Стінки цієї судини нерозчинні у воді. Однак вони здатні вибірково пропускати водорозчинні сполуки.

Крім води, у числі неорганічних речовин клітини потрібно назвати солі, що є іонними сполуками. Вони утворені катіонами калію, натрію, магнію та інших металів та аніонами соляної, вугільної, сірчаної, фосфорної кислот. При дисоціації таких солей у розчинах з'являються катіони (К + , Na + , Са 2+ , Mg 2+ та ін) та аніони (СI - , НСО 3 - , HS0 4 - та ін). Концентрація іонів на зовнішній поверхні клітини відрізняється від їхньої концентрації на внутрішній поверхні. Різне число іонів калію та натрію на внутрішній та зовнішній поверхні клітини створює різницю зарядів на мембрані. На зовнішній поверхні клітинної мембрани дуже висока концентрація іонів натрію, але в внутрішній поверхні дуже висока концентрація іонів калію і низька - натрію. Внаслідок цього утворюється різниця потенціалів між внутрішньою та зовнішньою поверхнею клітинної мембрани, що зумовлює передачу збудження нервом або м'язом.

Іони кальцію і магнію є активаторами багатьох ферментів, і за браку їх порушуються життєво важливі процеси у клітинах. Ряд важливих функцій виконують у живих організмах неорганічні кислоти та його солі. Соляна кислота створює кисле середовище у шлунку тварин і людини та у спеціальних органах комахоїдних рослин, прискорюючи перетравлення білків їжі. Залишки фосфорної кислоти (Н 3 Р0 4), приєднуючись до ряду ферментних та інших білків клітини, змінюють їхню фізіологічну активність. Залишки сірчаної кислоти, приєднуючись до нерозчинних у воді чужорідних речовин, надають їм розчинності і таким чином сприяють виведенню їх з клітин і організмів. Натрієві та калієві солі азотистої та фосфорної кислот, кальцієва сіль сірчаної кислоти служать важливими складовими частинами мінерального живлення рослин, їх вносять у ґрунт як добрива для підживлення рослин. Докладніше значення для клітини хімічних елементів наведено нижче.

Біологічно важливі хімічні елементи клітини

1. Яка біологічна роль води у клітині?
2. Які іони містяться у клітці? Яка їхня біологічна роль?
3. Яку роль грають катіони, що містяться в клітині?

Клітина: хімічний склад, будова, функції органоїдів.

Хімічний склад клітини. Макро- та мікроелементи. Взаємозв'язок будови та функцій неорганічних та органічних речовин (білків, нуклеїнових кислот, вуглеводів, ліпідів, АТФ), що входять до складу клітини. Роль хімічних речовин у клітині та організмі людини.

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

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

Інший тип класифікації елементів у клітині:

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

Структура білків

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 з чотирьох типів азотистих основ (аденін – А, тимін – Т, гуанін – Г або цитозин – Ц), а також вуглевод 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.

Клітина це складна система, що саморегулюється, в якій одночасно і в певній послідовності відбуваються сотні хімічних реакцій, спрямованих на підтримку її життєдіяльності, росту і розвитку. Вивчення хімічного складу клітин показує, що у живих організмах немає жодних особливих хімічних елементів, властивих лише їм: саме цьому проявляється єдність хімічного складу живої і неживої природи.

Зі 115 існуючих у природі хімічних елементів активну участь у процесах життєдіяльності беруть щонайменше їх половини. Причому 24 є обов'язковими і виявляються майже у всіх типах клітин, а найбільше значення мають 10 елементів – азот (N), водень (H), вуглець (C), кисень (O), фосфор (P), сірка (S) , натрій (Na), калій (K), кальцій (Ca), магній (Mg) – з них побудовано основні компоненти клітини.

За відсотковим вмістом у клітині хімічні елементи поділяються на три групи:

· макроелементи,вміст у клітині - 10 -3; кисень, вуглець, водень, азот, фосфор, сірка, кальцій, калій, хлор, натрій та магній, що становлять понад 99% маси клітини;

· мікроелементи,вміст яких коливається в межах 10 -3 -10 -6; залізо, марганець, мідь, цинк, кобальт, нікель, йод, бром, фтор, бор; на їхній болю припадає 1,0% маси клітини;

· ультрамікроелементи, що становлять менше 10 -6 ; золото, срібло, уран, берилій, цезій, селен та ін; у сумі - менше 0,1% маси клітини.

Незважаючи на низький вміст у живих організмах мікро- та ультрамікроелементи відіграють важливу роль: вони входять до складу різних ферментів, вітамінів і зумовлюють тим самим нормальний розвиток та функціонування структур клітини та організму загалом.

Кожен із хімічних елементів, які у живих організмах, виконує важливу функцію (табл. 1).

Таблиця 1.

ФУНКЦІЇ ЕЛЕМЕНТІВ У ЖИВИХ ОРГАНІЗМАХ

Хімічні елементи у клітинах перебувають у вигляді іонів, у складі неорганічних чи органічних речовин.

Вода та неорганічні сполуки, їхня роль у клітині.

Неорганічні (мінеральні) речовини– це відносно прості хімічні сполуки, які зустрічаються як у живій, так і неживій природі (у мінералах, природних водах). З неорганічних сполук важливе значення мають вода, мінеральні солі, кислоти та основи.

Середній вміст води у клітинах більшості організмів становить близько 70% (у клітинах медузи – 96%). Кількість води в різних органах та тканинах варіює і залежить від рівня їх обмінних процесів. Так, у людини вміст води у клітинах зубної емалі – 10%, кісткової тканини – 20%, жирової тканини – 40%, нирок – 80%, головного мозку – до 85%, а у клітинах ембріона – до 97%.

Такий високий вміст води – свідчення її важливої ​​у клітинах живих організмів ролі, зумовленої її будовою. Молекули води мають малі розміри та нелінійну.

Мал. 1. Формула води.

просторову структуру Атоми в молекулі утримуються за допомогою полярних ковалентних зв'язків, які пов'язують один атом кисню з двома атомами водню Полярність ковалентних зв'язків, тобто. нерівномірний розподіл зарядів, пояснюється в даному випадку сильною електронегативністю атома кисню, який відтягує на себе електрони із загальних електронних пар, внаслідок чого на атомі кисню виникає частковий негативний заряд, а на атомах водню – частковий позитивний. Між атомами кисню та водню сусідніх молекул води виникають водневі зв'язки, завдяки чому за нормальних умов вода має вихідний рідкий стан. Однак, водневі зв'язки за міцністю слабші за ковалентні приблизно в 20 разів, тому легко розриваються при випаровуванні води.

Властивості води:

- Універсальний розчинник– у воді розчиняються полярні неорганічні та органічні сполуки; речовини, добре розчинні у воді (багато мінеральних солей, кислот, лугів, спиртів, цукру, вітамінів, деяких білків – альбумінів, гістонів), називають полісахариди, жири, нуклеїнові кислоти, деякі білки – глобуліни, фібрилярні), гідрофільними ; речовини погано або зовсім не розчиняються у воді (деякі солі, вітаміни, називають гідрофобними .

- висока питома теплоємність– здатність поглинати теплоту за мінімальної зміни власної температури; при випаровуванні води для розриву водневих зв'язків, що утримують молекули, потрібно поглинути велику кількість енергії, тому випаровуючи воду, організми можуть захистити себе від перегріву.

- висока теплопровідність– рівномірне розподілення теплоти між тканинами організму.

- Високий поверхневий натяг- має важливе значення для адсорбційних процесів, для пересування розчинів по тканинах (кровообіг у тварин, висхідний струм у рослин), утримання на поверхні або ковзання по поверхні води дрібних організмів.

- вода практично не стискається, Створюючи тургорний тиск, в основі якого лежать явища осмосу, і, визначаючи обсяг і пружність клітин і тканин.

Осмос - Проникнення молекул розчинника (води) через біологічну мембрану в розчин речовини. Осмотичний тиск - Тиск, з яким розчинник проникає через мембрану. Величина осмотичного тиску зростає із збільшенням концентрації розчину. Осмотичний тиск рідин людського організму дорівнює тиску 0,85% розчину хлориду натрію, тобто ізотонічного розчину. Більш концентровані розчини називають гіпертонічними, а менш концентровані – гіпотонічними.

Вода знаходиться в клітині у вільній та пов'язаній формах. Пов'язана вода - 4-5% - входить до складу фібрилярних структур і з'єднаються з деякими білками, утворюючи навколо них сольватну оболонку. Вільна вода - 95-96% - виконує низку біологічно важливих функцій.

Функції води:

1) транспортна – забезпечує пересування речовин у клітині та організмі, поглинання

2) метаболічна - є середовищем для всіх біохімічних реакцій у клітині;

3) структурна – цитоплазма клітини містить від 60% до 95% води; у рослин вода забезпечує тургор; у круглих та кільчастих черв'яків є гідростатичним скелетом.

Неорганічні речовини

Переважна частина неорганічних речовин знаходиться у вигляді солей – або дисоційованих на іони, або у твердому стані.

Неорганічні іони мають важливе значення задля забезпечення процесів життєдіяльності клітини – це катіони(K + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+ , NH 3+) та аніони(Cl - , HPO 4 2- , H 2 PO 4 - , HCO - , NO 3 -) мінеральних солей. Вміст катіонів та аніонів у клітині відрізняється від їх концентрації в середовищі, що оточує клітину, внаслідок активної регуляції перенесення речовин мембраною. Таким чином, забезпечується сталість хімічного складу живої клітини. З загибеллю клітини концентрація речовин у середовищі та у цитоплазмі вирівнюється.

Іони, що містяться в організмі, мають важливе значення для підтримки сталості реакції середовища (рН) в клітині і в оточуючих її розчинах, тобто. є компонентами буферних систем Буферність - Здатність клітини підтримувати слаболужну реакцію свого вмісту на постійному рівні. Аніони слабких кислот та слабкі луги пов'язують іони Н+ та гідроксил-іони (ОН-), завдяки чому реакція всередині клітини практично не змінюється. Буферні властивості клітини залежить від концентрації солей. Найбільш значущі буферні системи ссавців – фосфатна та бікарбонатна.

Фосфатна буферна система- Складається з H 2 PO 4 - і HPO 4 2 - і підтримує рН внутрішньоклітинної рідини в межах 6,9-7,4. Головною буферною системою позаклітинного середовища (плазми крові) служить бікарбонатна система, що складається з H 2 CO 3 і HCO 3 - і підтримує рН на рівні 7,4.

Неорганічні кислоти та їх солі мають важливе значення у життєдіяльності організмів:

Соляна кислота входить до складу шлункового соку;

Залишки сірчаної кислоти, приєднуючись до нерозчинних у воді чужорідних речовин, роблять їх розчинними, сприяючи виведенню з організму;

Неорганічні натрієві та калієві солі азотистої та фосфорної кислот, кальцієва сіль сірчаної кислоти служать компонентами мінерального живлення рослин (як добрива);

Солі кальцію та фосфору входять до складу кісткової тканини тварин.

Органічні речовини – численні сполуки вуглецю, які синтезуються переважно живими організмами.

Співвідношення хімічних елементів у живих тілах інше, ніж об'єктах неживої природи. У земній корі найбільш поширені Si, Al, O 2 Na - 90%. У живих організмах: H, O, C, N – 98%. Така відмінність зумовлена ​​особливостями хімічних властивостей водню, кисню, вуглецю та азоту, внаслідок чого вони виявилися найбільш підходящими для формування молекул, що виконують біологічні функції.

Водень, кисень, вуглець і азот здатні утворювати міцні ковалентні зв'язки за допомогою парування електронів, що належать двом атомам. Кисень, вуглець і азот утворюють і одинарні, і подвійні зв'язки, завдяки чому виходять різні хімічні сполуки. Особливо важливою є здатність атомів вуглецю взаємодіяти один з одним шляхом виникнення ковалентних вуглець-вуглецевих зв'язків. Кожен вуглецевий атом може встановити ковалентні зв'язки із чотирма атомами вуглецю. Ковалентно пов'язані атоми вуглецю можуть формувати каркаси незліченної множини органічних молекул. Оскільки атоми вуглецю легко вступають у ковалентні зв'язки з киснем, азотом та сіркою, органічні молекули досягають виняткової складності та різноманітності будови.

Органічні сполуки становлять загалом 20-30% маси клітини живого організму. Розрізняють: мономери – малі низькомолекулярні органічні молекули, які є будівельними блоками для полімерів; полімери - Більші, високомолекулярні макромолекули.

Полімери є лінійними або розгалуженими ланцюгами, що містять велику кількість мономерних ланок. Гомополімери– представлені одним видом мономерів (целюлоза), гетерополімери- Декількома різними мономерами (білок, ДНК, РНК). Якщо у молекулі група мономерів періодично повторюється, то полімер називають регулярним, у молекулах нерегулярнихполімерів видимої повторюваності немає.

До органічних речовин відносяться біополімери – білки, нуклеїнові кислоти та вуглеводи; а також жири.

У різні типи клітин входить неоднакова кількість тих чи інших органічних сполук (у рослинних клітинах переважають складні вуглеводи – полісахариди; у тварин – більше білків та жирів). Тим не менш, кожна група органічних речовин у будь-якому типі клітин виконує подібні функції.

Подібна інформація.

До них відносяться вода та мінеральні солі.

Воданеобхідна реалізації життєвих процесів у клітині. Її вміст становить 70-80% від маси клітини. Основні функції води:

є універсальним розчинником;

є середовищем, у якому протікають біохімічні реакції;

визначає фізіологічні властивості клітини (еластичність, об'єм);

бере участь у хімічних реакціях;

підтримує теплову рівновагу організму завдяки високій теплоємності та теплопровідності;

є основним засобом транспорту речовин.

Мінеральні соліприсутні в клітині у вигляді іонів: катіони К +, Na +, Ca 2+, Mg 2+; аніони – Cl-, HCO3-, H2РО4-.

3. Органічні речовини клітини.

Органічні сполуки клітини складаються з багатьох елементів (мономерів), що повторюються, і являють собою великі молекули - полімери. До них відносять білки, жири, вуглеводи та нуклеїнові кислоти. Їх вміст у клітині: білки –10-20%; жири – 1-5%; вуглеводи – 0,2-2,0%; нуклеїнові кислоти – 1-2%; низькомолекулярні органічні речовини - 01-05%.

Білки - Високомолекулярні (з великою молекулярною масою) органічні речовини. Структурною одиницею їхньої молекули є амінокислота. У освіті білків беруть участь 20 амінокислот. До складу молекули кожного білка входять лише певні амінокислоти у властивому цьому білку порядку розташування. Амінокислота має таку формулу:

H 2 N – CH – COOH

До складу амінокислот входять NH 2 – аміногрупа, що має основні властивості; СООН – карбоксильна група із кислотними властивостями; радикали, що відрізняють амінокислоти одна від одної.

Існують первинна, вторинна, третинна та четвертинна структури білка. Амінокислоти, з'єднані між собою пептидними зв'язками, визначають його первинну структуру. Білки первинної структури з допомогою водневих зв'язків з'єднуються у спіраль та утворюють вторинну структуру. Поліпептидні ланцюги, скручуючись певним чином компактну структуру, утворюють глобулу (куля) - третинна структура білка. Більшість білків має третинну структуру. Слід зазначити, що амінокислоти активні лише з поверхні глобули. Білки з глобулярною структурою поєднуються і формують четвертинну структуру (наприклад, гемоглобін). При дії високої температури, кислот та інших факторів складні білкові молекули руйнуються. денатурація білка. При поліпшенні умов денатурований білок здатний відновлювати свою структуру, а то й руйнується його первинна структура. Цей процес називається ренатурації.

Білки відрізняються видовою специфічністю: кожному за виду тварин характерний набір певних білків.

Розрізняють білки прості та складні. Прості складаються лише з амінокислот (наприклад, альбуміни, глобуліни, фібриноген, міозин та ін.). До складу складних білків, крім амінокислот, входять інші органічні сполуки, наприклад, жири і вуглеводи (ліпопротеїди, глікопротеїди та ін.).

Білки виконують такі функції:

ферментативну (наприклад, фермент амілаза розщеплює вуглеводи);

структурну (наприклад, входять до складу мембран та ін. органоїдів клітини);

рецепторну (наприклад, білок родопсин сприяє кращому зору);

транспортну (наприклад, гемоглобін переносить кисень або вуглекислий газ);

захисну (наприклад, білки імуноглобуліни беруть участь у формуванні імунітету);

рухову (наприклад, актин та міозин беруть участь у скороченні м'язових волокон);

гормональну (наприклад, інсулін перетворює глюкозу на глікоген);

енергетичну (при розщепленні 1 г білка виділяється 4,2 ккал енергії).

Жири (ліпіди) - сполуки трихатомного спирту гліцерину та високомолекулярних жирних кислот. Хімічна формула жирів:

CH 2 -O-C(O)-R¹

CH 2 -O-C(O)-R³, де радикали можуть бути різними.

Функції ліпідів у клітині:

структурна (беруть участь у побудові клітинної мембрани);

енергетична (при розпаді в організмі 1 г жиру виділяється 92 ккал енергії);

захисна (зберігають від втрати тепла, механічних пошкоджень);

жир - джерело ендогенної води (при окисненні 10 г жиру виділяється 11 г води);

регуляція обміну речовин.

Вуглеводи - Їх молекулу можна представити загальною формулою С n (Н 2 О) n - вуглець і вода.

Вуглеводи ділять на три групи: моносахариди (включають одну молекулу цукру – глюкоза, фруктоза та ін.), олігосахариди (включають від 2 до 10 залишків моносахаридів: сахароза, лактоза) та полісахариди (високомолекулярні сполуки – глікоген, крохмаль та ін.).

Функції вуглеводів:

служать вихідними елементами для побудови різноманітних органічних речовин, наприклад, при фотосинтезі – глюкоза;

основне джерело енергії для організму, при розкладанні з використанням кисню виділяється більше енергії, ніж при окисленні жиру;

захисна (наприклад, слиз, що виділяється різними залозами, містить багато вуглеводів; вона оберігає стінки порожнистих органів (бронхи, шлунок, кишечник) від механічних пошкоджень; володіючи антисептичними властивостями);

структурна та опорна функції: входять до складу плазматичної мембрани.

Нуклеїнові кислоти - Це біополімери, що містять фосфор. До них відносяться дезоксирибонуклеїнова (ДНК)і рибонуклеїнова (РНК) кислоти.

ДНК -найбільші біополімери, їх мономером є нуклеотид. Він складається із залишків трьох речовин: азотистої основи, вуглеводу дезоксирибози та фосфорної кислоти. Відомі 4 нуклеотиди, що беруть участь у освіті молекули ДНК. Дві азотисті основи є похідними піримідину - тимін і цитозин. Аденін і гуанін відносять до похідних пурину.

Відповідно до моделі ДНК, запропонованої Дж. Вотсоном і Ф. Криком (1953), молекула ДНК являє собою дві нитки, що спірально обвивають один одного.

Дві нитки молекули утримуються разом водневими зв'язками, які виникають між ними комплементарнимиазотистими основами. Аденін комплементарний тиміну, а гуанін – цитозину. ДНК у клітинах перебуває у ядрі, де вона разом із білками утворює хромосоми. ДНК є також у мітохондріях і пластидах, де їх молекули розташовуються у вигляді кільця. Основна функція ДНК- Зберігання спадкової інформації, укладеної в послідовності нуклеотидів, що утворюють її молекулу, і передача цієї інформації дочірнім клітинам.

Рибонуклеїнова кислотаодноланцюжкова. Нуклеотид РНК складається з однієї з азотистих основ (аденіну, гуаніну, цитозину або урацилу), вуглеводу рибози та залишку фосфорної кислоти.

Розрізняють кілька видів РНК.

Рибосомальна РНК(Р-РНК) у поєднанні з білком входить до складу рибосом. На рибосомах здійснюється синтез білка. Інформаційна РНК(РНК) переносить інформацію про синтез білка з ядра в цитоплазму. Транспортна РНК(Т-РНК) знаходиться в цитоплазмі; приєднує до себе певні амінокислоти та доставляє їх до рибосом – місця синтезу білка.

РНК знаходиться в ядерці, цитоплазмі, рибосомах, мітохондріях та пластидах. У природі є ще один вид РНК – вірусна. В одних вірусів вона виконує функцію зберігання та передачі спадкової інформації. В інших вірусів цю функцію виконує вірусна ДНК.

Аденозинтрифосфорна кислота (АТФ) - є особливим нуклеотидом, утвореним азотистою основою аденіном, вуглеводом рибозою та трьома залишками фосфорної кислоти.

АТФ - універсальне джерело енергії, необхідної для біологічних процесів, що протікають у клітині. Молекула АТФ дуже нестійка і здатна відщеплювати одну чи дві молекули фосфату із виділенням великої кількості енергії. Ця енергія витрачається забезпечення всіх життєвих функцій клітини – біосинтезу, руху, генерації електричного імпульсу та інших. Зв'язки у молекулі АТФ називаються макроергічними. Відщеплення фосфату від молекули АТФ супроводжується виділенням 40 кДж енергії. Синтез АТФ відбувається у мітохондріях.