Какие хим элементы входят в состав клетки
Минеральные вещества входят в состав тканей организма человека, ферментов, гормонов. Они поступают в организм человека с пищевыми продуктами и водой. Химические элементы, встречающиеся в организме в очень малых концентрациях, называются микроэлементами.
К микроэлементам, необходимым для нормальной жизнедеятельности нашего организма, относятся железо, медь, селен, йод, хром, цинк, фтор, марганец, кобальт, молибден, кремний, бром, ванадий, бор.
Медь. Содержание меди в организма взрослого человек составляет70–120 мг, причем примерно треть меди равномерно распределяется между печенью и мозгом, треть находится в мышцах, а остальная часть распределяется в другие ткани. Количество меди в продуктах растительного происхождения варьируется в зависимости от почвы, на которой они выращены. Богаты медью зеленые листовые овощи, бобовые, цельное зерно и миндаль, изюм и другие сухофрукты, мясо (особенно печень), морепродукты (моллюски).
Цинк. В организме взрослого человека содержится около 2–2,5 г цинка, причем около 70% содержится в костях. У новорожденного содержание цинка достигает 140 мг. Высокое содержание цинка также в тканях глаза, семенных пузырьках, придатках, предстательной железе и сперме. Цинк содержится в белках и металлоферментах во всех фракциях крови. Хорошими источниками цинка являются мясо, птица, яйца и морепродукты (особенно устрицы), зерновые и бобовые (однако из-за присутствия фитиновой кислоты в этих продуктах цинк менее доступен, чем содержащийся в продуктах животного происхождения). Рекомендуемая норма суточного потребления цинка – 15 мг.
Кобальт в основном содержится в печени, почках и костях. В организме кобальт используется в качестве компонента витамина В12. Кобальтом чрезвычайно богаты морепродукты, гречка, овощи (капуста, салат, шпинат, зелень свеклы и кресс-салат). Среднее потребление кобальта у человека составляет около 0,3 мг/день. Он хорошо всасывается, но большая часть его (около 0,26 мг/день) выделяется с мочой.
Молибден встречается во всех тканях и жидкостях организма. Организм взрослого человека содержит около 9 мг молибдена, преимущественно в печени, почках, надпочечниках и костях. Молибден входит в состав различных ферментов, а также препятствует развитию кариеса. Богаты молибденом молочные продукты, бобовые, субпродукты (печень, почки), зерновые продукты и некоторые зеленые листовые овощи.
Селен встречается во всех клетках и тканях организма в концентрациях. Наиболее высокие концентрации селена в организме – в печени и почках. В среднем содержание селена у взрослого составляет около 15 мг. Селен влияет на метаболизм и токсичность некоторых лекарств и химикатов, токсичность некоторых соединений усиливается при дефиците селена. Уровень селена в продуктах растительного происхождения зависит от его концентрации в почве. Богаты селеном зерновые и злаковые, субпродукты (печень и почки), рыба (тунец), моллюски. Рекомендуемая норма суточного потребления селена – 0,07 мг.
Хром распределен по всему организму человека. Общее содержание этого минерала в организме взрослого человека в возрасте 30 лет оценивается в 6–10 мг. Основная роль хрома заключается в поддержании нормальной толерантности к глюкозе, а также он играет роль в метаболизме липопротеинов. Лучшие пищевые источники хрома – это пивные дрожжи, некоторые специи (например, черный перец), моллюски (особенно устрицы), яйца, мясные продукты, сыры, цельное зерно и нерафинированный коричневый сахар
Кремний присутствует во всех клетках организма, более высокие его концентрации обнаруживаются в аорте, трахее, сухожилиях, костях, коже и ее придатках. Кремний необходим для кальцификации, роста и образованиямукополисахаридов в качестве сшивающего агента. Кремнием богаты ячмень и овес.
Бор является составной частью тканей животных и людей, которые потребляют растения. В организме взрослого человека присутствует примерно 48 мг бора. Бор может предотвратить или замедлить остеопороз у женщин старше 40 лет, поддерживая относительно высокий уровень эстрогена в сыворотке.Бором богаты продукты растительного происхождения, особенно фрукты, листовые овощи, орехи и бобовые. Вино, сидр и пиво также имеют высокое содержание бора.
Бром. Бром необходим для нормализации состояния нервной системы человека. Наибольшие его концентрации определяются в щитовидной железе, почках и гипофизеНаиболее богаты бромом бобовые – фасоль, чечевица, горох.
Структурные и химические элементы клетки: неорганические и органические вещества
Химические элементы в клетке
Клетки всех организмов отличаются схожестью элементарного химического состава, что является свидетельством единства живой природы. Однако стоит отметить, что любой химический элемент, присутствующий в живых организмах, встречается и в неживых организмах. Это, в свою очередь, говорит о единстве живой и неживой природы.
Какие химические элементы входят в состав клетки?
Есть 4 химических элемента в клетках живых организмов, присутствующих в них в наибольшем объеме:
Все эти основные химические элементы являются органогенными элементами и составляют от 95 до 98% общей массы организма.
Прочие химические вещества в клетке — элементы вроде кальция, фосфора, калия, серы, натрия, хлора, железа, силиция, магния — присутствуют в организме в небольшом количестве — это всего лишь десятые доли процента. Такие химические элементы клетки относятся к макроэлементам.
В клетке также есть микроэлементы: цинк, медь, кобальт, бром, хром, радий, марганец, йод, литий. Их меньше всего: около 0,01%.
Тем не менее, то, насколько важен для организма тот или иной элемент не зависит от того, в каком количестве он содержится в клетке. К примеру, определенные микроэлементы являются составляющими различных ферментов, гормонов и прочих важных для жизни соединений, влияющих на процессы размножения, кровообращения и др.
В состав молекулы инсулина входит цинк, а в состав цианокобаламина (это витамин В12) — кобальт.
От окружающей неорганической природы живые организмы отличаются количественным составом химических веществ в клетке.
К примеру, растения содержат примерно 18% углерода, а в почве — всего 1%. Если говорить о кремнии, то в почве его 33%, а в растениях — всего 0,15%.
В составе живых организмов имеются углеродосодержащие соединения (органические). Этим и объясняется большое количество углерода.
Отдельные организмы способны накапливать определенные химические вещества клетки.
Водоросли накапливают йод, лютиковые — литий, болотная ряска — радий.
Неорганические вещества в клетке
Вода — основное неорганическое вещество в клетке. При этом количество воды зависит от интенсивности обмена веществ в определенной ткани: чем она выше, тем больше воды.
Человеческий эмбрион в возрасте 1,5 месяца на 97,5% состоит из воды, в возрасте 8 месяцев — на 83%. Новорожденные состоят из воды на 74%, а что касается взрослых, то этот показатель составляет 66%.
При этом, в различных органах и тканях количество воды разное.
В мозгу взрослого человека содержится до 86% воды. Для сравнения, в печени всего 70, а в кости и того меньше — около 20%.
Чем старше становится человек, тем меньше в его тканях воды.
Почему вода так важна для организма? Она выполняет ряд функций:
Но самое главное заключается в том, что именно в воде как среде происходят все химические процессы. Вода принимает участие во всех химических реакциях: в результате химического взаимодействия с водой происходит расщепление таких элементов как жиры, углеводы и прочие органические соединения.
Вода обладает высокой теплоемкостью, что позволяет ей оберегать цитоплазму от резких температурных колебаний и участвовать в терморегуляции клеток и организма в целом.
Определенная часть молекул воды — примерно 15% — присутствует в связанном состоянии с белковыми молекулами. Они отвечают за изоляцию молекул белка друг от друга в коллоидных растворах.
Низкой растворимостью в воде характеризуется большое количество органических веществ в клетке (липиды). Молекулы воды слабо притягиваются к таким веществам. По этой причине, будучи основой клеточной мембраны, эти вещества сокращают переход воды из клетки во внешнюю среду и в обратном направлении (в том числе из одного участка клетки в другой).
Минеральные соли
Клетки опорных органов содержат достаточно большое количество минеральных солей. К таким органам относятся хитиновые панцири черепашек и моллюсков, кости. Цитоплазма других клеток почти все соли содержит в диссоциированном состоянии — как катионы и анионы калия, натрия, хлора, кальция и др.
Для нормального функционирования клетки важно, чтобы в ней содержались катионы. Концентрация солей определяет объем поступающей в клетку воды. Это объясняется тем, что для молекул воды клеточная мембрана является проницаемой, а для большинства крупных молекул и ионов — непроницаемой.
В случае, если окружающая среда содержит меньшее количество ионов, чем клеточная цитоплазма, то поступление воды в клетку осуществляется до того момента, пока концентрация солей не выровняется (осмос).
Соли в цитоплазме задают ей определенные буферные свойства. В частности, способность поддерживать постоянный уровень pH (около нейтральной реакции) даже в условиях непрерывного образования в процессе обмена веществ кислых и щелочных продуктов.
Органические вещества в клетке
Содержание органических веществ — то, чем довольно сильно могут различаться между собой различные клетки.
В пересчете на сухую массу, клетки содержат от 5 до 15% липидов, от 10 до 12% белков, от 0,2 до 2% углеводов и 1-2% нуклеиновых кислот.
Почти у всех органических соединений — длинные молекулы (полимеры): они состоят из цепи более простых молекул, то есть, однородных или разнородных мономеров.
Углеводы
Растительные клетки содержат огромное количество углеводов: некоторые плоды, семена и клубни — до 90%.
Животные клетки включают на порядок меньше углеводов — всего 5%.
Есть два варианта углеводов:
В организмах встречаются такие моносахариды как пентозы (включают 5 атомов углерода) и гексозы (включают 6 атомов углерода). Наиболее важными для организма пентозами являются рибоза (входит в состав РНК) и дезоксирибоза (входит в состав ДНК). Глюкоза и фруктоза — самые важные гексозы. Их много в плодах растений и меде, поэтому они отличаются сладким вкусом.
Кровь человека тоже включает глюкозу — это около 0,12%. Глюкоза является основным энергетическим материалом обмена веществ для всех клеток.
Образование полисахаридов связано с полимеризацией двух или нескольких моносахаридов.
Если говорить о дисахаридах, то наиболее известными и распространенными являются сахароза (в ее составе — молекулы глюкозы и фруктозы) и лактоза, которую также называют молочным сахаром (она включает в состав молекулы глюкозы и галактозы).
Наиболее часто встречающиеся полимеры — крахмал, целлюлоза (клетчатка в растениях) и гликоген (у животных). Общая формула выглядит следующим образом: (C6H10O5)n. Глюкоза выступает мономером этих полисахаридов.
Цепь из 150-200 молекул глюкозы образуют каждую клетку клетчатки (целлюлозы).
Углеводы для живых клеток выступают в качестве топлива. При их окислении происходит освобождение химической энергии (1 грамм — 17,6 кДж). Клетка использует эту энергию для обеспечения всех процессов жизнедеятельности. В растительных клетках углеводам отводится и функция «строителей»: они образуют оболочки клеток.
Липиды
Липиды представляют собой низкомолекулярные вещества, обладающие гидрофобными свойствами.
Липиды — основной элемент всех видов клеток, наравне с белками и углеводами. Содержание липидов в различных органах и тканях неодинаковое. В сердце, печени, почках, нервной ткани, крови, плодах и семенах отдельных растений их более чем достаточно.
У липидов встречается разнообразное химическое строение. Они могут включать в свой состав высшие жирные кислоты, азотистые основания, спирты, альдегиды, аминокислоты, аминоспирты, углеводы, фосфорную кислоту и др. Между этими соединениями образуются эфирные, гликозидные, фосфоэфирные, сложноэфирные, амидные и прочие связи.
Поскольку эти молекулы отличаются сложностью строения и разнообразием, классификация липидов довольно сложная.
Липиды сегодня делят на нейтральные или жиры и фосфолипиды.
Под нейтральными липидами понимают производные высших жирных кислот и 3-атомного спирта глицерина. Жиры, также, как и углеводы, выступают в качестве источников энергии. В процессе расщепления 1 грамма жира происходит выделение 38,9 кДж энергии.
Для многих животных подкожный жир — важная составляющая теплоизоляции. Жиры обеспечивают нужной энергией организм животного, впадающего в спячку, поскольку из вне он не может ее получать.
Жиры — основной запас питательных веществ и в семенах определенных растений.
Большая часть липидов, входящих в состав мембран — фосфолипиды. В сухой массе мембран содержится до 40% липидов — из них около 80% являются фосфолипидами. При участии фосфолипидов реализуются основные функции мембран:
Липиды — растворители отдельных жирорастворимых витаминов. Это объясняется тем, что они не растворяются в воде, а в органических растворителях растворяются.
Белки
От 50 до 80% органических веществ в клетке — это белки или протеины. Из них состоит межклеточная жидкость, лимфа, плазма крови. Белки являются полимерами, а их мономеры — это аминокислоты.
Белки состоят примерно из 20 различных аминокислот.
Жизнь как явление неразрывно связана с белками, поэтому их значение сложно переоценить. Белки можно обнаружить в составе всех органоидов и мембран клетки — они выступают главным структурным веществом клетки.
Отдельно стоит выделить двигательную функцию белков. Способность к сокращению есть у комплексов из молекул некоторых белков. К примеру, актина и миозина. Эта способность обеспечивает сокращение мышц, движение ресничек и жгутиков, перемещение хромосом в клетке и др.
Свойственны белкам и сигнальные функции, в результате чего клетки и организмы приобретают раздражительность.
Белки также выполняют защитную функцию. За нее отвечают особенные белки — антитела: они обезвреживают и нейтрализуют посторонние организму вещества.
Кроме того, белки — источник энергии. Часть аминокислот, полученных в результате расщепления белковой молекулы, используются в процессе биосинтеза новых молекул белка. Другая часть расщепляется окончательно и освобождает энергию. Полное расщепление 1 грамма белка высвобождает 17,6 кДж энергии.
Ферменты
Большая роль белков как биокатализаторов или ферментов.
Есть молекулы ферментов, состоящие исключительно из белков. Также есть ферменты, функционирование которых зависит только от наличия в молекуле двух компонентов: белкового и небелкового (апофермента и кофермента соответственно).
В качестве коферментов могут выступать разнообразные органические вещества включая витамины.
Нормальная скорость реакций в клетке обеспечивается участием ферментов как биологических катализаторов.
Классификация ферментов имеет в виду особенности их действия на субстрат, а также химические реакции.
Выделяют следующие ферменты:
В каталоге ферментов за каждым из них закреплены номер и систематическое название.
К примеру, в номенклатуре ферментов обозначение пепсина выглядит так: 3.4.4.1 (пептид-пептидогидролаза). Липаза (гидролаза эфиров глицерина) — 3.1.1.3.
Конкретное действие ферментов на различные химические вещества зависит от строения первых. В молекуле всех ферментов есть активный центр — один или несколько. С помощью этих центров молекулы прикрепляются к веществам, на которые и воздействуют. По этой причине действие ферментов является специфичным.
Пепсин и трипсин, которые являются пищеварительными ферментами, принимают участие в процессе расщепления молекул белков до небольших фрагментов. Их воздействие различается: пепсин разрушает связи аминокислоты тирозина, а трипсин — аминокислот аргинина и лизина. Первый фермент оказывает воздействие на аминогруппы, а второй — на карбоксильные группы аминокислот.
Ферменты принимают участие в катализации множества последовательных реакций. Возникшие при участии первого фермента вещества являются субстратом для другого и т. д.
Ферменты действуют в клетке не хаотично: здесь соблюдается определенная последовательность и согласованность. Это возможно в силу локализации ферментов в разных участках клеточной мембраны. Последовательное расположение ферментов характерно и для органоидов клетки, где ферменты образуют упорядоченные системы.
У различных видов организмов и в различных органах обмен веществ осуществляется по-разному. Он зависит он конкретного комплекса ферментов. Ферменты способны нормально функционировать, если соблюдается оптимальная температура и реакция среды. Что касается среды, то для одних ферментов оптимальной средой является нейтральная (для ферментов слюны), для других кислая (для ферментов желудочного сока) или щелочная (для ферментов поджелудочной железы). Когда температура превышает 60 градусов, у большинства ферментов происходит инактивация — этот процесс называется денатурация белка.
Нуклеиновые кислоты
Впервые нуклеиновые кислоты обнаружили и выделили из клеточных ядер.
Есть 2 вида нуклеиновых кислот:
В хромосомах клетки находится основная часть ДНК. В митохондриях и пластидах ДНК представлена в небольших количествах. РНК содержат ядрышки и цитоплазма.
Биология. 5 класс
Конспект урока
Урок 5. Химический состав клетки
Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:
Клетка, химический состав, неорганические и органические вещества, вода, минеральные соли, белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты
Химический элемент – это атомы одного и того же вида.
Органические вещества – это вещества, которые входят в состав живых организмов и образуются только при их участии.
Неорганические вещества – это вещества, которые входят в состав неживой природы и могут образовываться без участия живых организмов.
Обязательная и дополнительная литература по теме
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Сейчас на Земле известно более ста химических элементов. Из их атомов состоят все вещества, встречающиеся на Земле. 80 химических элементов обнаружены в составе живых организмов. При этом четыре из них – углерод, водород, азот и кислород составляют около 98 % массы любого организма. Остальные химические элементы встречаются в живых организмах в малых количествах.
Клетки всех живых организмов состоят из одних и тех же химических элементов. Эти же элементы входят и в состав объектов неживой природы. Сходство состава указывает на общность живой и неживой природы.
На этом уроке вы узнаете, из каких химических элементов состоят клетки живых организмов, и какие изменения претерпевают эти химические соединения по мере роста и развития клеток.
В клетках живых организмов больше всего содержится таких химических элементов, как углерод, водород, кислород и азот. Вместе они составляют до 98 % массы клетки. Около 2 % массы клетки приходится на восемь элементов: калий, натрий, кальций, хлор, магний, железо, фосфор и серу. Остальные химические элементы содержатся в клетках в очень малых количествах.
Химические элементы, соединяясь между собой, образуют неорганические (вода и минеральные соли) и органические (белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты и др.) вещества.
Значение каждого из веществ, содержащегося в клетке уникально. Вода придаёт клетке упругость, определяет её форму, участвует в обмене веществ. Неорганические вещества используются для синтеза органических молекул. При недостатке минеральных веществ важнейшие процессы жизнедеятельности клеток нарушаются. Углеводы придают прочность клеточным оболочкам, а также служат запасающими веществами. Белки входят в состав разнообразных клеточных структур, регулируют процессы жизнедеятельности и тоже могут запасаться в клетках. Жиры откладываются в клетках. При расщеплении жиров освобождается необходимая живым организмам энергия. Нуклеиновые кислоты играют ведающую роль в сохранении наследственной информации.
Клетка – это миниатюрная природная лаборатория, в которой синтезируются и претерпевают изменения различные химические соединения. Сходство химического состава клеток разных организмов доказывает единство живой природы.
Разбор типового тренировочного задания:
Тип задания: Сортировка элементов по категориям
Текст вопроса: Расставьте названия веществ в таблицу:
Роль микроэлементов в организме
1 — кобальт в природе; 2 — структурная формула витамина В12; 3 — эритроциты здорового человека и эритроциты больного анемией
Молибден в составе ферментов участвует в фиксации азота у бактерий и обеспечивает работу устьичного аппарата у растений.
1 — молибденит (минерал, содержащий молибден); 2 — азотфиксирующие бактерии; 3 — устьичный аппарат
Медь является компонентом фермента, участвующего в синтезе меланина (пигмента кожи), влияет на рост и размножение растений, на процессы кроветворения у животных организмов.
1 — медь; 2 — частицы меланина в клетках кожи; 3 — рост и развитие растения
1 — йод; 2 — внешний вид щитовидной железы; 3 — клетки щитовидной железы, синтезирующие тироксин
Бор влияет на ростовые процессы у растений, его недостаток приводит к отмиранию верхушечных почек, цветков и завязей.
1 — бор в природе; 2 — пространственная структура бора; 3 — верхушечная почка
1 — пространственная структура инсулина; 2 — поджелудочная железа; 3 — рост и развитие животных
В организмы растений и микроорганизмов микроэлементы поступают из почвы и воды; в организмы животных и человека — с пищей, в составе природных вод и с воздухом.
Ультрамикроэлементы (лат. ultra — сверх, за пределами; греч. mikrós — малый и лат. elemėntum — первоначальное вещество) — химические элементы, содержащиеся в организмах в ничтожно малых концентрациях. К ним относят золото, бериллий, серебро и некоторые другие элементы.
Их физиологическая роль в живых организмах пока до конца не установлена.
Какие хим элементы входят в состав клетки
Раздел ЕГЭ: 2.3. Химический состав клетки. Макро- и микроэлементы. Взаимосвязь строения и функций неорганических и органических веществ (белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, АТФ), входящих в состав клетки. Роль химических веществ в клетке и организме человека.
Химические элементы клетки образуют неорганические и органические вещества. Несмотря на то что в живых организмах преобладают неорганические вещества, именно органические вещества определяют уникальность их химического состава и феномена жизни в целом, поскольку они синтезируются преимущественно организмами в процессе жизнедеятельности и играют в реакциях важнейшую роль.
Следует отметить, что содержание химических веществ в различных клетках и тканях может существенно различаться. Например, если в животных клетках среди органических соединений преобладают белки, то в клетках растений — углеводы.
Макро- и микроэлементы
В живых организмах встречается около 80 химических элементов, однако только для 27 из этих элементов установлены их функции в клетке и организме. Остальные элементы присутствуют в незначительных количествах, и, по-видимому, попадают в организм с пищей, водой и воздухом. В зависимости от концентрации их делят на макроэлементы и микроэлементы.
Без оставшихся макроэлементов невозможно нормальное функционирование организма.
Так, калий, натрий и хлор участвуют в процессах возбуждения клеток. Кальций входит в состав клеточных стенок растений, костей, зубов и раковин моллюсков, требуется для сокращения мышечных клеток и свертывания крови. Магний является компонентом хлорофилла — пигмента, обеспечивающего протекание фотосинтеза. Он также принимает участие в биосинтезе белка и нуклеиновых кислот. Железо входит в состав гемоглобина, и необходимо для функционирования многих ферментов.
Цинк входит в состав молекулы гормона поджелудочной железы — инсулина, медь требуется для процессов фотосинтеза и дыхания. Кобальт является компонентом витамина В12, отсутствие которого приводит к анемии. Йод необходим для синтеза гормонов щитовидной железы, обеспечивающих нормальное протекание обмена веществ, а фтор связан с формированием эмали зубов.
Как недостаток, так и избыток или нарушение обмена макро- и микроэлементов приводят к развитию различных заболеваний.
В частности, недостаток кальция и фосфора вызывают рахит, нехватка азота — тяжелую белковую недостаточность, дефицит железа — анемию, отсутствие йода — нарушение образования гормонов щитовидной железы и снижение интенсивности обмена веществ, уменьшение поступления фтора — кариес. Свинец токсичен почти для всех организмов.
Недостаток макро- и микроэлементов можно компенсировать путем увеличения их содержания в пище и питьевой воде, а также за счет приема лекарственных препаратов.
Химические элементы клетки образуют различные соединения — неорганические и органические.
Неорганические вещества
К неорганическим веществам клетки относятся вода, минеральные соли, кислоты и др.
Вода (Н2О) — наиболее распространенное неорганическое вещество клетки, обладающее уникальными физико-химическими свойствами. В теле взрослого человека ее в среднем 66 %, однако кости содержат около 20 % воды, печени — 70 %, а мозг — 86 %.
В клетке вода является растворителем, средой для протекания реакций, исходным веществом и продуктом химических реакций, выполняет транспортную и терморегуляторную функции, придает клетке упругость, обеспечивает тургор растительной клетки. Все вещества делятся на растворимые в воде (гидрофильные) и нерастворимые в ней (гидрофобные).
Минеральные соли могут находиться в растворенном или нерастворенном состояниях. Растворимые соли диссоциируют на ионы — катионы и анионы. Наиболее важными катионами являются ионы калия и натрия, облегчающие перенос веществ через мембрану и участвующие в возникновении и проведении нервного импульса, а также ионы кальция, которые принимают участие в процессах сокращения мышечных волокон и свертывании крови; магния, входящего в состав хлорофилла; железа, входящего в состав ряда белков, в том числе гемоглобина. Важнейшими анионами являются фосфат-анион, входящий в состав АТФ и нуклеиновых кислот, и остаток угольной кислоты, смягчающий колебания рН среды. Ионы минеральных солей обеспечивают проникновение самой воды в клетку и ее удержание в ней. Если в среде концентрация солей ниже, чем в клетке, то вода проникает в клетку. Также ионы определяют буферные свойства цитоплазмы, т. е. ее способность поддерживать постоянство слабощелочной рН цитоплазмы, несмотря на постоянное образование в клетке кислотных и щелочных продуктов.
Нерастворимые соли (CaCO3, Ca3(PO4)2 и др.) входят в состав костей, зубов, раковин и панцирей одноклеточных и многоклеточных животных.
Кроме того, в организмах могут вырабатываться и другие неорганические соединения, например кислоты и оксиды. Так, обкладочные клетки желудка человека вырабатывают соляную кислоту, которая активирует пищеварительный фермент пепсин, а оксид кремния пропитывает клеточные стенки хвощей и образует панцири диатомовых водорослей.
Органические вещества
К органическим веществам клетки относят углеводы, липиды, белки, нуклеиновые кислоты, АТФ, витамины и др. они могут быть представлены как относительно простыми молекулами, так и более сложными. В тех случаях, когда сложная молекула (макромолекула) образована значительным числом повторяющихся более простых молекул, ее называют полимером, а ее структурные единицы — мономерами. В зависимости от того, повторяются или нет звенья полимеров, их относят к регулярным или нерегулярным.
Углеводы
Углеводы — это органические соединения, в состав которых входят в основном три химических элемента — углерод, водород и кислород, хотя целый ряд углеводов содержит также азот или серу.
1) Моносахариды содержат единственную молекулу сахара, которую невозможно расщепить на более простые. Это кристаллические вещества, сладкие на вкус и хорошо растворимые в воде. Моносахариды принимают активное участие в обмене веществ в клетке и входят в состав сложных углеводов — олигосахаридов и полисахаридов.
Моносахариды классифицируют по количеству углеродных атомов (C3 — C9), например пентозы (C5) и гексозы (C6). К пентозам относятся рибоза и дезоксирибоза. Рибоза входит в состав РНК и АТФ. Дезоксирибоза является компонентом ДНК. Гексозы (С6Н12О6) — это глюкоза, фруктоза, галактоза и др. Глюкоза (виноградный сахар) встречается во всех организмах, в том числе в крови человека, поскольку является энергетическим резервом. Она входит в состав сахарозы, лактозы, мальтозы, крахмала, целлюлозы и др. Фруктоза (плодовый сахар) в наибольших концентрациях содержится в плодах, меде, корнеплодах сахарной свеклы. Она не только принимает активное участие в процессах обмена веществ, но и входит в состав сахарозы и некоторых полисахаридов, например инсулина.
2) К олигосахаридам относят углеводы, образованные несколькими остатками моносахаридов. Они в основном также хорошо растворимы в воде и сладки на вкус. В зависимости от количества этих остатков различают дисахариды (два остатка), трисахариды (три) и др.
К дисахаридам относятся сахароза, лактоза, мальтоза и др. Сахароза (свекловичный или тростниковый сахар) состоит из остатков глюкозы и фруктозы, она встречается в запасающих органах некоторых растений. Особенно много сахарозы в корнеплодах сахарной свеклы и сахарного тростника, откуда их получают промышленным способом. Она служит эталоном сладости углеводов. Лактоза (молочный сахар), образована остатками глюкозы и галактозы, содержится в материнском и коровьем молоке. Мальтоза (солодовый сахар) состоит из двух остатков глюкозы. Она образуется в процессе расщепления полисахаридов в семенах растений и в пищеварительной системе человека, используется при производстве пива.
3) Полисахариды — это биополимеры, мономерами которых являются остатки моно- или дисахаридов. Большинство полисахаридов нерастворимы в воде и несладкие на вкус. К ним относятся крахмал, гликоген, целлюлоза и хитин. Крахмал — это белое порошкообразное вещество, не смачиваемое водой, но образующее при заваривании горячей водой взвесь — клейстер. Мономером крахмала является глюкоза (рис. 3). Крахмал — основное запасное вещество растений, которое накапливается в запасающих органах растений. Качественной реакцией на крахмал является реакция с йодом, при которой он окрашивается в сине-фиолетовый цвет.
Гликоген (животный крахмал) — это запасной полисахарид животных и грибов, который у человека в наибольших количествах накапливается в мышцах и печени. Мономером гликогена является глюкоза. По сравнению с молекулами крахмала молекулы гликогена более разветвлены.
Целлюлоза, или клетчатка, — основной опорный полисахарид растений. Мономером целлюлозы является глюкоза. Целлюлоза входит в состав клеточных стенок растений. Целлюлоза является основой древесины, она используется в строительстве, при производстве тканей, бумаги, спирта и многих органических веществ.
Хитин — это полисахарид, мономером которого является азотсодержащий моносахарид на основе глюкозы. Он входит в состав клеточных стенок грибов и панцирей членистоногих.
Функции углеводов. Углеводы выполняют в клетке пластическую (строительную), энергетическую, запасающую и опорную функции. Энергетическая ценность расщепления 1 г углеводов составляет 17,2 кДж. Углеводы могут также входить в состав сложных липидов и белков, образуя гликолипиды и гликопротеины, в частности в клеточных мембранах.
Липиды
Липиды — это разнородная в химическом отношении группа низкомолекулярных веществ с гидрофобными свойствами. Данные вещества нерастворимы в воде, образуют в ней эмульсии, но при этом хорошо растворяются в органических растворителях. Липиды маслянисты на ощупь, многие из них оставляют на бумаге характерные невысыхающие следы.
В зависимости от строения молекулы липиды делят на простые и сложные. К простым липидам относятся нейтральные липиды (жиры), воски, стерины и стероиды. Сложные липиды содержат и другой, нелипидный компонент. Наиболее важными из них являются фосфолипиды и гликолипиды.
Жиры являются производными трехатомного спирта глицерина и высших жирных кислот. Среди жирных кислот есть как насыщенные, так и ненасыщенные, то есть содержащие двойные связи.
Из насыщенных жирных кислот чаще всего встречаются пальмитиновая и стеариновая, а из ненасыщенных — олеиновая. Некоторые ненасыщенные жирные кислоты не синтезируются в организме человека или синтезируются в недостаточном количестве, и поэтому являются незаменимыми. Остатки глицерина образуют гидрофильные «головки», а остатки жирных кислот — «хвосты». Жиры растений большей частью содержат ненасыщенные жирные кислоты, вследствие чего они являются жидкими и называются маслами. Масла содержатся в семенах многих растений, таких как подсолнечник, соя, рапс и др.
Воски — это сложные смеси жирных кислот и жирных спиртов. У растений они образуют пленку на поверхности листа, которая защищает от испарения, проникновения возбудителей заболеваний и т. п. У ряда животных они также покрывают тело или служат для построения сот.
К стеринам относятся такой липид, как витамин D, и холестерол — обязательный компонент клеточных мембран, а к стероидам — половые гормоны: эстрадиол, тестостерон и др.
Фосфолипиды, помимо остатков глицерина и жирных кислот, содержат остаток ортофосфорной кислоты. Они входят в состав клеточных мембран и обеспечивают их барьерные свойства.
Гликолипиды также являются компонентами мембран, но их содержание там невелико. Нелипидной частью гликолипидов являются углеводы.
Функции липидов. Липиды выполняют в клетке пластическую (строительную), энергетическую, запасающую, защитную и регуляторную функции. При расщеплении 1 г липидов выделяется 38,9 кДж энергии. Они откладываются в запас в различных органах растений и животных. Подкожная жировая клетчатка защищает внутренние органы животных от переохлаждения или перегревания, от ударов, а у водных животных — еще и повышает плавучесть. Регуляторная функция липидов связана с тем, что некоторые из них являются гормонами.
Белки
Белки — это высокомолекулярные соединения, биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты, связанные пептидными связями. Аминокислотой называют органическое соединение, имеющее аминогруппу, карбоксильную группу и радикал. В состав белка могут входить 20 аминокислот, которые различаются радикалами. Аминокислоты делят на заменимые и незаменимые.
Заменимые аминокислоты, образуются в организме человека в необходимом количестве, а незаменимые должны поступать с пищей, но могут частично синтезироваться микроорганизмами кишечника. Полностью незаменимых аминокислот насчитывается 8: валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин.
Последовательность из двух аминокислот, связанных пептидными связями, называется дипептидом, из трех — трипептидом и т. д. Среди пептидов встречаются такие важные соединения, как гормоны (окситоцин, вазопрессин), антибиотики и др. Цепочка из более чем двадцати аминокислот называется полипептидом, а полипептиды, содержащие более 60 аминокислотных остатков, — это белки.
Уровни структурной организации белка. Белки могут иметь первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры. Третичная структура характерна для большинства белков организма, например миоглобина мышц.
По форме молекулы различают фибриллярные и глобулярные белки. Первые из них вытянуты, как, например, коллаген соединительной ткани или кератины волос и ногтей. Глобулярные же белки имеют форму клубка (глобулы), как миоглобин мышц.
Простые и сложные белки. Простые белки состоят только из аминокислот, тогда как сложные белки (липопротеины, хромопротеины, гликопротеины, нуклеопротеины и др.) содержат белковую и небелковую части. Хромопротеины содержат окрашенную небелковую часть. К ним относятся гемоглобин, миоглобин, хлорофилл, цитохромы и др. Небелковой частью липопротеинов является липид, а гликопротеинов — углевод. Как липопротеины, так и гликопротеины входят в состав клеточных мембран. Нуклеопротеины представляют собой комплексы белков и нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). Они выполняют важнейшие функции в процессах хранения и передачи наследственной информации.
Свойства белков. Многие белки хорошо растворимы в воде, однако есть среди них и такие, которые растворяются только в растворах солей, щелочей, кислот или органических растворителях. Структура молекулы белка и его функциональная активность зависят от условий окружающей среды. Утрата белковой молекулой своей структуры, вплоть до первичной, называется денатурацией. Она происходит вследствие изменения температуры, рН, атмосферного давления, под действием кислот, щелочей, солей тяжелых металлов, органических растворителей и т. п. Обратный процесс восстановления вторичной и более высоких структур называется ренатурацией, однако он не всегда возможен. Полное разрушение белковой молекулы называется деструкцией.
Функции белков. Белки выполняют в клетке ряд функций: пластическую (строительную), каталитическую (ферментативную), энергетическую, сигнальную (рецепторную), сократительную (двигательную), транспортную, защитную, регуляторную и запасающую.
Энергетическая ценность 1 г белка составляет 17,2 кДж. Белки-рецепторы мембран принимают активное участие в восприятии сигналов окружающей среды и их передаче по клетке. Без белков невозможно движение клеток и организмов в целом, так как они составляют основу жгутиков и ресничек, а также обеспечивают сокращение мышц и перемещение внутриклеточных компонентов. В крови человека и многих животных белок гемоглобин переносит кислород и часть углекислого газа, другие белки транспортируют ионы и электроны. Защитная роль белков связана, в первую очередь, с иммунитетом, поскольку белок интерферон способен уничтожать многие вирусы, а белки-антитела подавляют развитие бактерий и иных чужеродных агентов. Среди белков и пептидов немало гормонов, например, гормон поджелудочной железы инсулин, регулирующий концентрацию глюкозы в крови. У некоторых организмов белки могут откладываться в запас, как в семенах бобовых, или белки куриного яйца.
Нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые кислоты — это биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. В настоящее время известно два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК).
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — двухцепочечный биополимер, мономерами которого являются дезоксирибонуклеотиды. В состав дезоксирибонуклеотидов входят только четыре азотистых основания из пяти возможных — аде-нин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц), а также остатки дезоксирибозы и ортофосфорной кислоты. Нуклеотиды в цепи ДНК соединяются между собой через остатки ортофосфорной кислоты, образуя фосфодиэфирную связь. При образовании двухцепочечной молекулы азотистые основания направлены вовнутрь молекулы. Однако соединение цепей ДНК происходит не случайным образом — азотистые основания разных цепей соединяются между собой водородными связями по принципу комплементарности: аденин соединяется с тимином двумя водородными связями (А=Т), а гуанин с цитозином — тремя (Г^Ц) (рис. 14). Для нее были установлены правила Чаргаффа.
Структура ДНК была расшифрована Ф. Криком и Д. Уотсоном. Согласно их модели третичная структура молекулы ДНК представляет собой правозакрученную двойную спираль. Расстояние между нуклеотидами в цепи ДНК равно 0,34 нм.
Основной функцией ДНК является хранение и передача наследственной информации, которая записана в виде последовательностей нуклеотидов.
Рибонуклеиновая кислота (РНК) — биополимер, мономерами которого являются рибонуклеотиды. Они содержат также четыре азотистых основания — аденин (А), урацил (У), гуанин (Г) и цитозин (Ц), отличаясь тем самым от ДНК по одному из оснований (вместо тимина в РНК встречается урацил). Остаток сахара-пентозы в рибонуклеотидах представлен рибозой. РНК — в основном одноцепочечные молекулы, за исключением некоторых вирусных. Выделяют три основных типа РНК: информационные, или матричные (иРНК, мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все они образуются в процессе транскрипции — переписывания с молекул ДНК.
иРНК составляют наименьшую фракцию РНК в клетке (2—4 %). Они являются матрицами для синтеза полипептидных цепей. Информация о структуре белка записана в них в виде последовательностей нуклеотидов, причем каждую аминокислоту кодирует триплет нуклеотидов — кодон.
рРНК представляют собой наиболее многочисленный тип РНК в клетке (до 80 °%). Они образуются в ядрышках и входят в состав клеточных органоидов — рибосом.
тРНК — наименьшие из молекул РНК, так как содержат всего 73—85 нуклеотидов. Их доля от общего количества РНК клетки составляет около 16 °%. Функция тРНК — транспорт аминокислот к месту синтеза белка (на рибосомы). Вторичная структура молекулы тРНК напоминает листок клевера. На одном из концов молекулы находится участок для прикрепления аминокислоты, а в одной из петель — триплет нуклеотидов, комплементарный кодону иРНК и определяющий, какую именно аминокислоту будет переносить тРНК — антикодон (рис. 16).
Все типы РНК принимают активное участие в процессе реализации наследственной информации, которая с ДНК переписывается на иРНК, а на последней осуществляется синтез белка. тРНК в процессе синтеза белка доставляет аминокислоты к рибосомам, а рРНК входит в состав непосредственно рибосом.
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) — это нуклеотид, содержащий, помимо азотистого основания аденина и остатка рибозы, три остатка фосфорной кислоты. Связи между остатками фосфорной кислоты — макроэргические (при расщеплении выделяется 42 кДж/ моль энергии, тогда как стандартная химическая связь при расщеплении дает 12 кДж/моль).
При необходимости макроэргическая связь АТФ расщепляется с образованием аденозиндифосфорной кислоты (АДФ), фосфорного остатка и выделением энергии:
АТФ + Н2О → АДФ + H3PO4 + 42 кДж.
АДФ также может расщепляться с образованием АМФ (аденозинмонофосфорной кислоты) и остатка фосфорной кислоты:
АДФ + Н2О → АМФ + H3PO4 + 42 кДж.
В процессе энергетического обмена (при дыхании, брожении), а также в процессе фотосинтеза АДФ присоединяет фосфорный остаток и превращается в АТФ. Реакция восстановления АТФ называется фосфорилированием. АТФ является универсальным источником энергии для всех процессов жизнедеятельности живых организмов.
Это конспект по теме «Химический состав клетки». Выберите дальнейшие действия: