Как мы уже знаем, клетка состоит из химических веществ органического и неорганического типа. Основными неорганическими веществами, входящими в состав клетки, являются соли и вода.
Вода как компонент живого
Вода – это доминирующий компонент всех организмов. Важные биологические функции воды осуществляются за счет уникальных свойств ее молекул, в частности наличии диполей, которые делают возможным возникновение водородных связей между клетками.
Благодаря молекулам воды в организме живых существ происходят процессы термостабилизации и терморегуляции. Процесс терморегуляции происходит за счет высокой теплоемкости молекул воды: внешние перепады температуры не влияют на температурные изменения внутри организма.
Благодаря воде органы человеческого организма сохраняют свою эластичность. Вода является одной из основных составляющих смазывающих жидкостей, необходимых для суставов позвоночных или околосердечной сумки.
Она входит в слизь, облегчающую передвижение веществ по кишечнику. Вода – составляющая желчи, слез и слюны.
Соли и другие неорганические вещества
Клетки живого организма помимо воды содержат такие неорганические вещества как кислоты, основания и соли. Наиболее важное значение в жизнедеятельности организма имеют Mg2+, H2PO4, K, CA2, Na, C1-. Слабые кислоты гарантируют стабильную внутреннюю среду клетки (слабощелочную).
Концентрация ионов в межклеточном веществе и внутри клетки может быть различной. Так к примеру ионы Na+ сконцентрированы только в межклеточной жидкости, в то время как К+ содержится исключительно в клетке.
Резкое сокращение либо повышения количества определенных ионов в составе клетке не только к ее дисфункции, но и к гибели. К примеру, снижение количества Са+ в клетке вызывает судороги внутри клетки и дальнейший ее отмирание.
Некоторые неорганические вещества часто вступают во взаимодействие с жирами, белками и углеводами. Так ярким примером являются органические соединения с фосфором и серой.
Сера, которая входит в состав молекул белка, отвечает за образование молекулярных связей организма. Благодаря синтезу фосфора и органических веществ происходит освобождение энергии с белковых молекул.
Соли кальция
Нормальному развитию костной ткани, а также функционированию головного и спинного мозга способствуют соли кальция. Обмен кальция в организме осуществляется за счет витамина D. Избыток или недостаток солей кальция влечет за собой дисфункцию организма.
В состав клетки входит около 70 элементов Периодической системы элементов Менделеева, а 24 из них присутствуют во всех типах клеток. Все присутствующие в клетке элементы делятся, в зависимости от их содержания в клетке, на группы :
- макроэлементы – H, O, N, C,. Mg, Na, Ca, Fe, K, P, Cl, S;
- микроэлементы – В, Ni, Cu, Co, Zn, Mb и др.;
- ультрамикроэлементы – U, Ra, Au, Pb, Hg, Se и др.
- органогены (кислород, водород, углерод, азот),
- макроэлементы,
- микроэлементы.
В состав клетки входят молекулы неорганических и органических соединений.
Неорганические соединения клетки
– вода
и неорганические
ионы.
Вода
– важнейшее неорганическое вещество клетки. Все биохимические реакции происходят в водных растворах. Молекула воды имеет нелинейную пространственную структуру и обладает полярностью. Между отдельными молекулами воды образуются водородные связи, определяющие физические и химические свойства воды.
|
Физические свойства воды |
Значение для биологических процессов |
|
Высокая теплоемкость (из-за водородных связей между молекулами) и теплопроводность (из-за небольших размеров молекул) |
Транспирация |
|
Прозрачность в видимом участке спектра |
Высокопродуктивные биоценозы прудов, озер, рек (из-за возможности фотосинтеза на небольшой глубине) |
|
Практически полная несжимаемость (из-за сил межмолекулярного сцепления) |
Поддержание формы организмов: форма сочных органов растений, положение трав в пространстве, гидростатический скелет круглых червей, медуз, амниотическая жидкость поддерживает и защищает плод млекопитающих |
|
Подвижность молекул (из-за слабости водородных связей) |
Осмос: поступление воды из почвы; плазмолиз |
|
Вязкость (водородные связи) |
Смазывающие свойства: синовиальная жидкость в суставах, плевральная жидкость |
|
Растворитель (полярность молекул) |
Кровь, тканевая жидкость, лимфа, желудочный сок, слюна, у животных; клеточный сок у растений; водные организмы используют растворенный в воде кислород |
|
Способность образовывать гидратационную оболочку вокруг макромолекул (из-за полярности молекул) |
Дисперсионная среда в коллоидной системе цитоплазмы |
|
Оптимальное для биологических систем значение сил поверхностного натяжения (из-за сил межмолекулярного сцепления) |
Водные растворы – средство передвижения веществ в организме |
|
Расширение при замерзании (из-за образования каждой молекулой максимального числа – 4 – водородных связей_ |
Лед легче воды, выполняет в водоемах функцию теплоизолятора |
Неорганические ионы
:
катионы K+, Na+, Ca2+ , Mg2+ и анионы Cl–, NO3- , PO4 2-, CO32-, НPO42-.
Разность между количеством катионов и анионов (Nа+
, К+
, Сl-) на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникновение потенциала действия, что лежит в основе нервного и мышечного возбуждения
.
Анионы фосфорной кислоты создают фосфатную буферную систему
, поддерживающую рН внутриклеточной среды организма на уровне 6-9.
Угольная кислота и ее анионы создают бикарбонатную буферную систему
и поддерживают рН внеклеточной среды (плазмы крови) на уровне 7-4.
Соединения азота служат источником
минерального питания, синтеза белков, нуклеиновых кислот.
Атомы фосфора входят в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов, а также костей позвоночных, хитинового покрова членистоногих.
Ионы кальция входят в состав вещества костей; они также необходимы для осуществления мышечного сокращения, свертывания крови.
Таблица. Роль макроэлементов на клеточном и организменном уровне организации.
Таблица.
Тематические задания
Часть А
А1.
Полярностью воды обусловлена ее способность
1) проводить тепло
3) растворять хлорид натрия
2) поглощать тепло
4) растворять глицерин
А2
. Больным рахитом детям необходимо давать препараты, содержащие
1) железо
2) калий
3) кальций
4) цинк
А3
. Проведение нервного импульса обеспечивается ионами:
1) калия и натрия
2) фосфора и азота
3) железа и меди
4) кислорода и хлора
А4
. Слабые связи между молекулами воды в ее жидкой фазе называются:
1) ковалентными
2) гидрофобными
3) водородными
4) гидрофильными
А5
. В состав гемоглобина входит
1) фосфор
2) железо
3) сера
4) магний
А6
. Выберите группу химических элементов, обязательно входящую в состав белков
1) Na, K, O, S
2) N, P, C, Cl
3) C, S, Fe, O
4) C, H, O, N
А7
. Пациентам с гипофункцией щитовидной железы дают препараты, содержащие
1) йод
2) железо
3) фосфор
4) натрий
Часть В
В1
. Выберите функции воды в клетке
1) энергетическая
2) ферментативная
3) транспортная
4) строительная
5) смазывающая
6) терморегуляционная
В2
. Выберите только физические свойства воды
1) способность к диссоциации
2) гидролиз солей
3) плотность
4) теплопроводность
5) электропроводность
6) донорство электронов
Часть С
С1 . Какие физические свойства воды определяют ее биологическое значение?
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) |
|
|
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.
Из неорганических веществ клетки вода составляет около 65% ее массы: в молодых быстрорастущих клетках до 95%, в старых - около 60%. Роль воды в клетках очень велика, она является средой и растворителем, участвует в большинстве химических реакций, перемещении веществ, терморегуляции, образовании клеточных структур, определяет объем и упругость клетки. Большинство веществ поступает в организм и выводится из него в водном растворе.
Органические вещества - составляют 20-30% состава клетки. Они могут быть простыми (аминокислоты, глюкоза, жирные кислоты) и сложными (белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, липиды). Наиболее важное значение имеют белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты.
Белки - это основные и наиболее сложные вещества любой клетки. По размерам белковая молекула в сотни и тысячи раз превосходит молекулы неорганических соединений. Белковые молекулы образуются из простых соединений — аминокислот (в естественных белках содержится 20 аминокислот). Объединяясь в различной последовательности и количестве, они образуют большое разнообразие (до 1000) белков. Их роль в жизни клетки огромна: строительный материал организма, катализаторы (белки-ферменты ускоряют химические реакции), транспорт (гемоглобин крови доставляет клеткам кислород и питательные вещества и уносит углекислый газ и продукты распада). Белки выполняют защитную функцию, энергетическую. Углеводы - органические вещества, состоящие из углерода, водорода и кислорода. Наиболее простые из них моносахариды - гексоза, фруктоза, глюкоза (содержатся в фруктах, меде), галактоза (в молоке) и полисахариды - состоящие из нескольких простых углеводов. Сюда относятся крахмал, гликоген. Углеводы - основной источник энергии для всех форм клеточной активности (движение, биосинтез, секреция и т. д.) и играют роль запасных веществ. Липиды - нерастворимые в воде жиры и жироподобные вещества. Они являются основным структурным компонентом биологических мембран. Липиды выполняют энергетическую функцию, в них содержатся жирорастворимые витамины. Нуклеиновые кислоты - (от латинского слова «нуклеус» - ядро) - образуются в ядре клетки. Они бывают двух типов: дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК). Биологическая роль их очень велика. Они определяют синтез белков и передачу наследственной информации.
Клетка – элементарная единица живого, обладающая всеми признаками организма: способностью к размножению, росту, обмену веществ и энергией с окружающей средой, раздражимостью, постоянством химического сотсава.
Макроэлементы – элементы, количество которых в клетке составляет до 0.001% от массы тела. Примеры – кислород, углерод, азот, фосфор, водород, сера, железо, натрий, кальций и др.
Микроэлементы – элементы, количество которых в клетке составляет от 0.001% до 0.000001% от массы тела. Примеры – бор, медь, кобальт, цинк, йод и др.
Ультрамикроэлементы – элементы, содержание которых в клетке не превышает 0.000001% от массы тела. Примеры – золото, ртуть, цезий, селен и др.
2. Составьте схему «Вещества клетки».
3. О чем говорит научный факт сходства элементарного химического состава живой и неживой природы?
Это указывает на общность живой и неживой природы.
Неорганические вещества. Роль воды и минеральных веществ в жизнедеятельности клетки.
1. Дайте определения понятий.
Неорганические вещества – это вода, минеральные соли, кислоты, анионы и катионы, присутствующие как в живых, так и в неживых организмах.
Вода – одно из самых распространенных неорганических веществ в природе, молекула которого состоит из двух атомов водорода и одного атом кислорода.
2. Нарисуйте схему «Строение воды».
3. Какие особенности строения молекул воды придают ей уникальные свойства, без которых невозможна жизнь?
Структура молекулы воды образована двумя атомами водорода и одним атомом кислорода, которые образуют диполь, то есть вода имеет две полярности "+"и"-".Это способствует ее проницаемости через стенки мембраны, способностью растворять химические вещества. Кроме того, диполи воды связываются водородными связями друг с другом, что обеспечивает ее способность быть в различных агрегатных состояниях, а также - растворять или не растворять различные вещества.
4. Заполните таблицу «Роль воды и минеральных веществ в клетке».
5. Каково значение относительного постоянства внутренней среды клетки в обеспечении процессов ее жизнедеятельности?
Постоянство внутренней среды клетки называется гомеостазом. Нарушение гомеостаза влечёт к повреждению клетки или к её смерти, в клетке постоянно происходит пластический обмен и энергетический обмен, это две составляющие метаболизма, и нарушение этого процесса ведёт к повреждению или к гибели всего организма.
6. В чем состоит назначение буферных систем живых организмов и каков принцип их функционирования?
Буферные системы поддерживают определенное значение рН (показатель кислотности) среды в биологических жидкостях. Принцип функционирования заключается в том, что рН среды зависит от концентрации протонов в этой среде (Н+). Буферная система способна поглощать или отдавать протоны в зависимости от их поступления в среду извне или, напротив, удаления из среды, при этом рН не будет изменяться. Наличие буферных систем необходимо в живом организме, так как из-за изменения условий окружающей среды рН может сильно меняться, а большинство ферментов работает только при определенном значении рН.
Примеры буферных систем:
карбонатно-гидрокарбонатная (смесь Na2СО3 и NaHCO3)
фосфатная (смесь K2HPO4 и KH2PO4).
Органические вещества. Роль углеводов, липидов и белков в жизнедеятельности клетки.
1. Дайте определения понятий.
Органические вещества – это вещества, в состав которых обязательно входит углерод; они входят в состав живых организмов и образуются только при их участии.
Белки – высокомолекулярные органические вещества, состоящие из альфа-аминокислот, соединённых в цепочку пептидной связью.
Липиды – обширная группа природных органических соединений, включающая жиры и жироподобные вещества. Молекулы простых липидов состоят из спирта и жирных кислот, сложных - из спирта, высокомолекулярных жирных кислот и других компонентов.
Углеводы – это органические вещества, в своем составе имеющие карбонильную и несколько гидроксильных групп и иначе называемые сахарами.
2. Впишите в таблицу недостающую информацию «Строение и функции органических веществ клетки».
3. Что понимают под денатурацией белка?
Денатурация белка – это утрата белком своей природной структуры.
Нуклеиновые кислоты, АТФ и другие органические соединения клетки.
1. Дайте определения понятий.
Нуклеиновые кислоты – это биополимеры, состоящие из мономеров – нуклеотидов.
АТФ – это соединение, состоящее из азотистого основания аденина, углевода рибозы и трех остатков фосфорной кислоты.
Нуклеотид – это мономер нуклеиновой кислоты, который состоит из фосфатной группы, пятиуглеродного сахара (пентозы) и азотистого основания.
Макроэргическая связь – это связь между остатками фосфорной кислоты в АТФ.
Комплементарность – это пространственное взаимное соответствие нуклеотидов.
2. Докажите, что нуклеиновые кислоты являются биополимерами.
Нуклеиновые кислоты состоят из большого количества повторяющихся нуклеотидов и имеют массу 10.000 до нескольких миллионов углеродных единиц.
3. Охарактеризуйте особенности строения молекулы нуклеотида.
Нуклеотид представляет собой соединение из трех компонентов: остатка фосфорной кислоты, пятиуглеродного сахара (рибозы), и одного из азотистых соединений (аденин, гуанин, цитозин, тимин или урацил).
4. Какое строение имеет молекула ДНК?
ДНК – двойная спираль, состоящая из множества нуклеотидов, которые последовательно соединяются между собой за счет ковалентных связей между дезоксирибозой одного и остатком фосфорной кислоты другого нуклеотида. Азотистые основания, которые располагаются по одну сторону от остова одной цепи, связаны Н-связями с азотистыми основаниями второй цепи по принципу комплементарности.
5. Применив принцип комплементарности, постройте вторую цепочку ДНК.
Т-А-Т-Ц-А-Г-А-Ц-Ц-Т-А-Ц
А-Т-А-Г-Т-Ц-Т-Г-Г-А-Т-Г.
6. Каковы основные функции ДНК в клетке?
При помощи четырех типов нуклеотидов в ДНК записана вся важная информация в клетке об организме, которая передается последующим поколениям.
7. Чем молекула РНК отличается от молекулы ДНК?
РНК представляет собой одинарную цепь меньшего, чем ДНК, размера. В нуклеотидах находится сахар рибоза, а не дезоксирибоза, как в ДНК. Азотистым основанием, вместо тимина, является урацил.
8. Что общего в строении молекул ДНК и РНК?
И РНК, и ДНК являются биополимерами, состоящими из нуклеотидов. В нуклеотидах общим в строении является наличие остатка фосфорной кислоты и оснований аденина, гуанина, цитозина.
9. Заполните таблицу «Типы РНК и их функции в клетке».
10. Что такое АТФ? Какова его роль в клетке?
АТФ – аденозинтрифосфат, макроэргическое соединение. Его функции – универсальный хранитель и переносчик энергии в клетке.
11. Каково строение молекулы АТФ?
АТФ состоит из трех остатков фосфорной кислоты, рибозы и аденина.
12. Что представляют собой витамины? На какие две большие группы их разделяют?
Витамины – биологически активные органические соединения, играющие важную роль в процессах обмена веществ. Их разделяют на водорастворимые (С, В1, В2 и др.) и жирорастворимые (А, Е и др.).
13. Заполните таблицу «Витамины и их роль в организме человека».