Значение важнейших химических элементов и соединений для клетки и организма. Какие химические элементы входят в состав клетки? Роль и функции химических элементов, входящих в состав клетки

Абубекерова Альфия, Токарева Виктория, Матвеева Римма, ученицы 8 класса МКОУ "СОШ №1" г. Николаевска

В проекте представлен ход работы и полученные результаты по выяснению роли химических элементов для живых организмов. В альбоме красочно представлена биологическая роль наиболее важных химических элементов.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Муниципальное казенное образовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №1» города Николаевска Николаевского муниципального района Волгоградской области

Проект на тему:

Работу выполнили:

Токарева Виктория, 8 класс

Матвеева Римма, 8 класс

Абубекерова Альфия, 8 класс

Руководитель:

Евдокимова А.С., учитель химии и биологии

Николаевск, 2014 год

1.Введение ………………………………………………………………….. 3

2. Классификация химических элементов по функциональной роли и содержанию в организме…………………………………………………. 5

3. Поступление химических элементов в организм…………………….6

4. Биологическая роль химических элементов…………………………7

5. Взаимосвязь химических элементов………………………………… 7

6. Выводы…………………………………………………………………… 9

7. Результат работы…………………………………………………………9

9. Источники информации…………………………………………………9

Приложение. ………………………………………………………………..11

1. Введение.

Актуальность

В 8 классе мы начали изучать новый предмет – химию. Мы узнали, что на Земле существуют атомы различных химических элементов (их больше 100), у каждого есть свое название, есть свое место в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева. Оказывается, что с названиями многих из них мы часто встречаемся в повседневной жизни. Например, реклама с экранов телевизоров постоянно призывает нас употреблять витамины, содержащие кальций и препараты, содержащие йод . А еще говорят, что зубная паста с фтором полезна для зубов, а железо необходимо для нормальной работы нашего организма. Почему же эти элементы так необходимы? А важны ли для живых организмов другие химические элементы? Сколько их требуется для нормальной работы организма? Где они содержатся, в каких продуктах? Что произойдет, если в организм попадет очень много или очень мало каких либо элементов? Мы считаем эти вопросы очень важными для сохранения здоровья человека.

Проблема : слабая информированность учащихся о биологической роли химических элементов

Цель - Выяснить биологическую роль наиболее распространенных химических элементов и использовать эту информацию для формирования у учащихся ценностного отношения к своему здоровью.

Задачи:

1. Определить группу наиболее встречающихся на нашей планете химических элементов и выяснить их биологическое значение.

2. Выяснить важно ли сочетание и пропорциональное соотношение химических элементов при попадании в организм.

3. Оформить полученную информацию в виде брошюры, стенда в кабинете химии.

4. Выступить с данной информацией на уроке химии перед одноклассниками.

Тип проекта : информационный (биология, химия)

Направления проектной деятельности:

1. Аналитическое (сбор информации)
2. Творческое (создание брошюры и стенда)

3) Представительское (создание презентации, выступление на уроке)

Участники :

Учащиеся 8 класса

Ресурсное обеспечение проекта:

Координатор – учитель химии Евдокимова Анна Сергеевна.

Материальные ресурсы: ресурсы школьной мини-типографии, бумага формата А4, ватман, двусторонний скотч, компьютер, Интернет.

Сроки реализации, этапы работы над проектом :

1. Постановка проблемы, распределение заданий, «ролей» (январь)2014 года)
2. Сбор информации (январь – февраль 2014 года)
3. Обобщение результатов, создание альбома, оформление стенда, (февраль 2014 года)

Результат : повышение информированности учащихся о биологической роли химических элементов

Отсроченный результат : формирование более ответственного отношения к своему здоровью

Практическая значимость (продукт): собранная в ходе выполнения проекта информация будет оформлена в виде брошюры, которой можно воспользоваться при подготовке к экзаменам, конкурсам, олимпиадам, а также будет оформлен стенд в кабинете химии, где ярко, красно и интересно будет представлена информация о биологической роли химических элементов. Возможно, данная информация позволит не только побудить учащихся ответственнее относится к своему здоровью, но и повысит интерес к предмету химия, поможет определиться с выбором профессии.

2. Классификация химических элементов по функциональной роли и содержанию в организме.

Биосфера содержит 100 млрд тонн живого вещества. Около 50% массы земной коры приходится на кислород, более 25% на кремний. Восемнадцать элементов (О, Si, Al, Fe, Ca. Na, К, Mg, H, Ti, С, Р, N, S, Cl, F, Мn, Ва) составляют 99,8% массы земной коры. Живые организмы принимают активное участие в перераспределении химических элементов в земной коре. Минералы, природные химические вещества, образуются в биосфере в различных количествах, благодаря деятельности живых веществ (образование железных руд, горных пород, в основе которых соединения кальция). Кроме этого, оказывают влияние техногенные загрязнения окружающей среды. Изменения, происходящие в верхних слоях земной коры, влияют на химический состав живых организмов. В организме можно обнаружить почти все элементы, которые есть в земной коре и морской воде. Содержание некоторых элементов в организме по сравнению с окружающей средой повышенное – это называют биологическим концентрированием элемента. Например, углерода в земной коре 0,35%, а по содержанию в живых организмах занимает второе место (21%). Однако эта закономерность наблюдается не всегда. Так, кремния в земной коре 27,6%, а в живых организмах его мало, алюминия – 7,45%, а в живых организмах -1·10 -5 %.

В составе живого вещества найдено более 70 элементов.

Элементы необходимые организму для построения и жизнедеятельности клеток и органов, называют биогенными элементами .

Для 30 элементов биогенность установлена. Существует несколько классификаций биогенных элементов:

А) По их функциональной роли:

1) органогены, в организме их 97,4% (С, Н, О, N, Р, S),

2) элементы электролитного фона (Na, К, Ca, Mg, Сl). Данные ионы металлов составляют 99% общего содержания металлов в организме;

3) Микроэлементы – это биологически активные атомы центров ферментов, гормонов.

Б) По концентрации элементов в организме биогенные элементы делят:

1) макроэлементы (содержание их превышает 0,01% от массы тела)

К ним относят 12 элементов: С, Н, О, N, Р, S, Na, К, Ca, Mg, Сl, Fe.

2) микроэлементы (0,01%, от массы тела): Цинк , Йод , Фтор , Кремний , Хром , Медь , Марганец , Кобальт , Молибден , Никель , Бор , Бром , Мышьяк , Свинец , Олово , Литий , Кадмий , Ванадий , Селен

3) ультрамикроэлементы (содержание их меньше чем 10 -5 % от массы тела).

3. Поступление химических элементов в организм.

Все живые организмы имеют тесный контакт с окружающей средой. Жизнь требует постоянного обмена веществ в организме. Поступлению в организм химических элементов способствует питание и потребляемая вода. Организм состоит из воды на 60%, 34% приходится на органические вещества и 6% на неорганические. Основными компонентами органических веществ являются С, Н, О. В их состав входят также N, P, S. В составе неорганических веществ обязательно присутствуют 22 химических элемента. Например, если вес человека составляет 70 кг, то в нём содержится (в граммах): Са - 1700, К - 250, Na –70, Mg - 42, Fe - 5, Zn - 3. На долю металлов приходится 2,1 кг. В соответствии с рекомендацией диетологической комиссии Национальной академии США ежедневное поступление химических элементов с пищей должно находиться на определенном уровне (таблица № 1).

Таблица 1. Суточное поступление химических элементов в организм человека

Столько же химических элементов должно выводиться, поскольку их содержание в организме находится в относительном постоянстве.

Современное состояние знаний о биологической роли элементов можно характеризовать как поверхностное прикосновение к этой проблеме. Накоплено много фактических данных по содержанию элементов в различных компонентах биосферы, ответные реакции организма на их недостаток и избыток.
При недостаточном поступлении элемента в организм наносится существенный ущерб росту и развитию организма. Это объясняется снижением активности ферментов, в состав которых входит элемент. При повышении дозы этого элемента ответная реакция организма возрастает, достигает нормы (биотическая концентрация элемента). Дальнейшее увеличение дозы приводит к снижению функционирования вследствие токсического действия избытка элемента вплоть до летального исхода. Дефицит и избыток биогенного элемента наносит вред организму. Все живые организмы реагируют на недостаток и избыток или неблагоприятное соотношение элементов.

Обычные микроэлементы, когда их концентрация в организме превышает биотическую концентрацию, проявляют токсическое действие на организм. Токсичные элементы при очень малых концентрациях не оказывают вредного воздействия на растения и животных. Например, мышьяк при микроконцентрациях оказывает биостимулирующее действие. Следовательно, нет токсичных элементов, а есть токсичные дозы. Таким образом, малые дозы элемента - лекарство, большие дозы - яд. «Все есть яд, и ничто не лишено ядовитости, одна лишь доза делает яд незаметным» - Парацельс. Уместно вспомнить слова таджикского поэта Рудаки: «Что нынче снадобьем слывет, то завтра станет ядом».

4 . Биологическая роль химических элементов.

Информация о биологической роли химических элементов указана в брошюре «Биологическая роль химических элементов» (Приложение №1)

5. Взаимосвязь химических элементов,

Необходимо помнить об определенных предосторожностях при употреблении минеральных комплексов (как лекарственных препаратов, так и биологически активных добавок к пище).

Передозировка одного минерального вещества может привести к функциональным нарушениям и повышенному выделению другого минерального вещества. Возможно и развитие нежелательных побочных эффектов. Например, избыток цинка ведет к снижению уровня холестеринсодержащих липидов высокой плотности ("хорошего" холестерина).

Главная биологическая функция калия - формирование совместно с другими электролитами (натрий, хлор) разницы потенциалов на мембранах клеток и передача ее изменения по клеточной мембране, за счет обмена с ионами натрия, что особенно важно для нервных и мышечных клеток. Это обуславливает постоянное присутствие в клетках натрия, хлора и калия. В организме эти элементы содержатся в определенном соотношении, обеспечивая гомеостаз (постоянство внутренней среды). Нарушение равновесия между калием и натрием ведет к патологии водного обмена, обезвоживанию, мышечной слабости.

Избыток кальция может привести к недостатку фосфора, и наоборот. Обмен веществ так тонко устроен, что фосфор работает в тесной связке с кальцием (в норме эти вещества должны поступать в организм примерно в одинаковом количестве, в крайнем случае фосфора может быть в полтора раза больше). В реальности в современных продуктах его много больше, чем кальция. Учёные подсчитали, что, например, в питании среднего американца содержание фосфора в 2-4 раза выше, чем кальция. Избыточный фосфор стимулирует выработку гормона паращитовидными железами (это четыре горошины, расположенные рядом с щитовидкой). Тогда этот гормон начинает вымывать кальций из костей. Развивается остеопороз - кости становятся хрупкими и ломкими. Сегодня в мире эта болезнь приобрела характер эпидемии. Перелом шейки бедра у стариков и так называемый «вдовий горб» - типичные проявления остеопороза. Переломы из-за слабости кости возникают даже у подростков. В серьёзных исследованиях доказано, что у девочек, любящих пить колу и прочие газировки (в них добавляют фосфорную кислоту), в 3,14 раза чаще бывают такие переломы. А если они ещё и занимаются спортом, то риск переломов больше в 5 раз. Чем больше фосфатов в крови, тем выше риск инфарктов и смертность от сердечно-сосудистых заболеваний. Фосфор помогает развитию кальцификации. Это самое тяжёлое и необратимое поражение сосудов, при котором на их внутренней стенке откладывается кальций, образуя плотные, как кость, бляшки.

Избыток молибдена уменьшает содержание меди.

Избыток вольфрама уменьшает содержание молибдена.

На фоне дефицита железа, а также кальция, фосфора, магния и цинка способность организма усваивать свинец увеличивается и т.д.

При потреблении минеральных веществ, следует строго придерживаться медицинских рекомендаций!

6. Выводы:

Мы выяснили, что многие химические элементы (более 30) имеют определенное значение для живых организмов. Такие элементы как С, Н, О, N, Р, S, являясь макроэлементами играют большую роль, из них построены клетки живого организма. Другие, хоть и имеют малое содержание в организме (микроэлементы), так же необходимы. Но для большинства элементов как недостаток, так и избыток оказывает вредное воздействие на организм.

Мы разобрались так же, откуда поступают элементы в наш организм, как избежать избыточного и недостаточного их содержания.

Имеются элементы, малая доза которых является токсичной. Это такие элементы как мышьяк, свинец, ртуть, кадмий и др. Тяжелые металлы имеют способность накапливаться в организме.

Важно также взаимное влияние обмена одного элемента на обмен другого. Так, например фосфор и кальций должны попадать в организм в определенном соотношении. Если фосфора попадает больше, то это способствует вымыванию кальция из костей и др. последствиям.

7. Результат работы:

1) Нашли и обобщили информацию о биологической роли химических элементов.

2) Создали брошюру «Биологическая роль химических элементов» (приложение №1)

3) Создали презентацию о биологической роли химических элементов и выступили с ней на уроке химии в 8 и 9-ых классах (приложение №2).

4) Оформили стенд в кабинете химии (приложение №3).

8. Источники информации:

1) Конспект лекций по общей химии. Челябинская государственная медицинская академия. А. В. Жолнин.

2) Ливанов П.А.,Соболев М.Б., Ревич Б. А. Свинцовая опасность и здоровье населения. // Рос. Сем. Врач. 1999, No 2, с. 18–26.

3) Корбанова А.И., Сорокина Н.С., Молодкина Н.Н. Свинец и его действие на

Организм. // Мед. труда и пром. экология. 2001, No 5, с. 29–34.

4) Химия. Учебник для 9 кл. Габриелян О.С.

5) Ресурсы сети Интернет:

wikipedia.org и др.

Предварительный просмотр:

Чтобы пользоваться предварительным просмотром создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него:

Минеральные вещества (минералы) - природные вещества, приблизительно однородные по химическому составу и физическим свойствам, входящие в состав горных пород, руд, метеоритов (от латинского minera - руда).

Минеральные вещества наряду с белками, жирами, углеводами и витаминами являются жизненно важными компонентами пищи человека, необходимыми для построения структур живых тканей и осуществления биохимических и физиологических процессов, лежащих в основе жизнедеятельности организма. Минеральные вещества участвуют в важнейших обменных процессах организма: водно-солевом и кислотно-щелочном. Многие ферментативные процессы в организме невозможны без участия тех или иных минеральных веществ.

Организм человека получает эти элементы из окружающей среды, пищи и воды.

Количественное содержание того или иного химического элемента в организме определяется его содержанием во внешней среде, а также свойствами самого элемента, с учетом растворимости его соединений.

Впервые научные основы учения о микроэлементах в нашей стране обосновал В. И. Вернадский (1960). Фундаментальные исследования были проведены А.П. Виноградовым (1957) - основоположником учения о биогеохимических провинциях и их роли в возникновении эндемических заболеваний человека и животных и В.В. Ковальским (1974) - основоположником геохимической экологии и биогеографии химических элементов.

В настоящее время из 92 встречающихся в природе элементов 81 химический элемент обнаружен в организме человека.

Минеральные вещества составляют значительную часть человеческого тела по массе (в среднем, в организме около 3 кг золы). В костях минеральные вещества представлены в виде кристаллов, в мягких тканях - в виде истинного либо коллоидного раствора в соединении главным образом с белками. Для наглядности можно привести такой пример: в организме взрослого человека содержится около 1 кг кальция, 0,5 кг фосфора, по 150 г калия, натрия и хлора, 25 г магния, 4 г железа.

• Классификация химических элементов
  • Классификация химических элементов по их биологической значимости. Все химические элементы можно разбить на группы:
    • 12 структурных элементов, это углерод, кислород, водород, азот, кальций, магний, натрий, калий, сера, фосфор, фтор и хлор.
    • 15 эссенциальных (жизненно необходимых) элементов - железо, йод, медь, цинк, кобальт, хром, молибден, никель, ванадий, селен, марганец, мышьяк, фтор, кремний, литий.
    • 2 условно-необходимых элемента - бор и бром.
    • 4 элемента являются серьезными "кандидатами на необходимость" - кадмий, свинец, алюминий и рубидий.
    • Остальные 48 элементов менее значимы для организма.
  • Классификация химических элементов, основанная на количественной оценке их содержания в организме человека Традиционно все минеральные вещества делят на две группы по содержанию их в организме человека.
    • Макроэлементы.
    • Микроэлементы.

      Концентрация микроэлементов в организме невелика. В организме их содержатся количества измеряемые миллиграммами или микрограммами. Микроэлементы - это те минералы, оцениваемая диетическая потребность которых обычно менее чем 1 мкг/г и часто менее чем 50 нг/г рациона для лабораторных животных и человека.

      Несмотря на малую потребность, эти элементы входят в состав ферментных систем как коферменты (активаторы и катализаторы биохимических процессов). В группу микроэлементов входят: цинк, йод, фтор, кремний, хром, медь, марганец, кобальт, молибден, никель, бор, бром, мышьяк, свинец, олово, литий, кадмий, ванадий и другие вещества.

• Влияние минеральных веществ на организм человека.

  Минеральные вещества не обладают энергетической ценностью, как белки, жиры и углеводы. Однако без них жизнь человека невозможна. Так же, как и при недостатке основных пищевых веществ или витаминов, при дефиците минеральных веществ в организме человека возникают специфические нарушения, приводящие к характерным заболеваниям.

  Микроэлементы и витамины в некотором смысле даже более важны, чем питательные вещества, ибо без них последние не будут правильно усваиваться организмом.

  Особенно важны минеральные вещества детям, в период интенсивного роста костей, мышц, внутренних органов. Естественно, беременные женщины и кормящие матери нуждаются в повышенном потреблении минеральных веществ. С возрастом потребность в минеральных веществах снижается.

  • Дефицит и избыток потребления минеральных веществ

    Влияние микро- и макроэлементов на жизнедеятельность животных и человека активно изучается и в медицинских целях. Любая патология, любое отклонение в здоровье биологического организма сопровождается либо дефицитом жизненно необходимых (эссенциальных) элементов, либо избытком как эссенциальных, так и токсичных микроэлементов. Такой дисбаланс макро- и микроэлементов получил объединяющее название "микроэлементозы".

    Начиная с 1970-х годов было много спекулятивных заявлений относительно того, что недостаток микроэлементов вносит значительный вклад в возникновение ряда хронических заболеваний. Во многих случаях это утверждение было экспериментально подтверждено, однако некоторые ученные и сегодня считают, что недостаточное потребление определенного микроэлемента является значимым только тогда, когда организм подвергается стрессу, который увеличивает потребность в данном микроэлементе.

    Химические вещества при всей своей важности и необходимости для организма человека способны оказывать и отрицательное влияние на растения, животных и человека, если концентрация их доступных форм превышает определенные пределы. Кадмий, олово, свинец и рубидий считаются условно необходимыми, т.к. они, по всей видимости, не очень важны для растений и животных и опасны для здоровья человека даже при относительно низких концентрациях. Биологическая роль некоторых микроэлементов в настоящее время не достаточно изучена.

    Необходимо помнить об определенных предосторожностях при употреблении минеральных комплексов (как лекарственных препаратов, так и биологически активных добавок к пище).

    Передозировка одного минерального вещества может привести к функциональным нарушениям и повышенному выделению другого минерального вещества. Возможно и развитие нежелательных побочных эффектов. Например, избыток цинка ведет к снижению уровня холестеринсодержащих липидов высокой плотности ("хорошего" холестерина).

    Избыток кальция может привести к недостатку фосфора, и наоборот.

    Избыток молибдена уменьшает содержание меди.

    Некоторые микроэлементы (селен, хром, медь) в избыточных дозах токсичны. Особенно это относится к солям многих металлов.

    При потреблении минеральных веществ, следует строго придерживаться медицинских рекомендаций.

  • Действие на организм человека тяжелых металлов

    В последние годы выделяют отдельно действие на организм человека тяжелых металлов. Тяжелые металлы - это группа химических элементов с относительной атомной массой более 40.

    Появление в литературе термина "тяжелые металлы" было связано с проявлением токсичности некоторых металлов и опасности их для живых организмов.

    Однако в группу "тяжелых" вошли и некоторые микроэлементы, жизненная необходимость и широкий спектр биологического действия которых неопровержимо доказаны.

    "Тяжелые" металлы - это свинец, кадмий, цинк, медь, никель, хром.

    В последние годы все сильнее подтверждается важная биологическая роль большинства "тяжелых" металлов. Многочисленными исследованиями установлено, что влияние металлов весьма разнообразно и зависит от содержания их в окружающей среде и степени нуждаемости в них микроорганизмов, растений, животных и человека.

    Влияние "тяжелых" металлов на живые организмы весьма разнообразно. Это обусловлено, во-первых, химическими особенностями металлов, во-вторых, отношением к ним организмов и, в-третьих, условиями окружающей среды.

    Уже сейчас во многих регионах мира окружающая среда становится все более "агрессивной" с химической точки зрения. В последние десятилетия основными объектами биогеохимических исследований стали территории промышленных городов и прилегающих к ним земель, особенно если на них выращиваются, а затем используются в пищу сельскохозяйственные растения.

Современные научные данные о биологической роли изученных химических элементах, их метаболизме в организме человека, суточных нормах потребления, содержании химических веществ в продуктах питания представлены в отдельных статьях, описывающих каждый химический элемент. В статьях представлены также данные о дефицитных состояниях, развивающихся при недостаточном потреблении данных химических веществ, а также реакция организма на избыточное потребление нутриентов.

• Макроэлементы
  • Поваренная соль

• Микроэлементы

В клетках разных организмов обнаружено около 70 элементов периодической системы элементов Д. И. Менделеева, но лишь 24 из них имеют вполне установленное значение и встречаются постоянно во всех типах клеток.

Наибольший удельный вес в элементном составе клетки приходится на кислород, углерод, водород и азот. Это так называемые основные или биогенные элементы . На долю этих элементов приходится более 95 % массы клеток, причем их относительное содержание в живом веществе гораздо выше, чем в земной коре. Жизненно важными являются также кальций, фосфор, сера, калий, хлор, натрий, магний, йод и железо. Их содержание в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента. Перечисленные элементы составляют группу макроэлементов .

Другие химические элементы: медь, марганец, молибден, кобальт, цинк, бор, фтор, хром, селен, алюминий, йод, железо, кремний - содержатся в исключительно малых количествах (менее 0,01 % массы клеток). Они относятся к группе микроэлементов .

Процентное содержание в организме того или иного элемента никоим образом не характеризует степень его важности и необходимости в организме. Так, например, многие микроэлементы входят в состав различных биологически активных веществ - ферментов, витаминов (кобальт входит в состав витамина B 12), гормонов (йод входит в состав тироксина);оказывают влияние на рост и развитие организмов (цинк, марганец, медь), кроветворение (железо, медь), процессы клеточного дыхания (медь, цинк) и т. д. Содержание и значение для жизнедеятельности клеток и организма в целом различных химических элементов приведено в таблице:

Элементный состав организма

По химическому составу клетки разных организмов могут заметно отличаться, однако состоят они из одинаковых элементов. В клетках обнаружено около 70 элементов периодической таблицы Д.И. Менделеева, но только 24 из них имеют важное значение и встречаются в живых организмах постоянно.

Макроэлементы – кислород, углеводород, водород, азот – входят в состав молекул органических веществ. К макроэлементам в последнее время относят калий, натрий, кальций, сера, фосфор, магний, железо, хлор. Их содержание в клетке составляет десятые и сотые доли процента.

Магний входит в состав хлорофилла; железо – гемоглобина; фосфор – костной ткани, нуклеиновых кислот; кальций – костей, черепашек моллюсков, сера – в состав белков; калий, натрий и хлор-ионы берут участие в смене потенциала клеточной мембраны.

Микроэлементы представлены в клетке сотыми и тысячными долями процента. Это цинк, медь, йод, фтор, молибден, бор и др.

Микроэлементы входят в состав ферментов, гормонов, пигментов.

Ультрамикроэлементы – элементы, содержание которых в клетке не превышает 0,000001%. Это уран, золото, ртуть, цезий и др.

Вода и её биологическое значение

Вода количественно занимает среди химических соединений первое место во всех клетках. В зависимости от типа клеток, их функционального состояния, вида организма и условий его нахождения её содержание в клетках существенно колеблется.

Клетки костной ткани содержат не больше 20% воды, жировой ткани – около 40%, мышечные клетки – 76%, а клетки зародыша – более 90%.

Замечание 1

В клетках любого организма с возрастом количество воды заметно уменьшается.

Отсюда – вывод, что чем выше функциональная активность организма в целом и каждой клетки отдельно тем большим в них есть содержание воды, и наоборот.

Замечание 2

Обязательным условием жизненной активности клеток является наличие воды. Она является основной частью цитоплазмы, поддерживает её структуру и стойкость коллоидов, входящих в состав цитоплазмы.

Роль воды в клетке определяется её химическими и структурными свойствами. Прежде всего это связано с небольшим размером молекул, их полярностью и способностью соединяться с помощью водородных связей.

Водородные связи образуются при участии атомов водорода, соединённых с электронегативным атомом (обычно кислородом или азотом). При этом атом Гидрогена приобретает настолько большой позитивный заряд, что может образовать новую связь с другим электронегативным атомом (кислорода или азота). Так же связываются друг с другом молекулы воды, у которых один конец имеет позитивный заряд, а другой – негативный. Такую молекулу называют диполем . Более электронегативный атом кислорода одной молекулы воды притягивается к позитивно заряженному атому водорода другой молекулы с образованием водородной связи.

Благодаря тому, что молекулы воды полярные и способны образовывать водородные связи, вода является совершенным растворителем для полярных веществ, которые называются гидрофильными . Такими являются соединения ионного характера, в которых заряженные частички (ионы) диссоциируют (разделяются) в воде при растворении вещества (соли). Такую же способность имеют и некоторые неионные соединения, в молекуле которых находятся заряженные (полярные) группы (в сахарах, аминокислотах, простых спиртах это ОН-группы). Вещества, состоящие из неполярных молекул (липиды), в воде практически нерастворимы, то есть они гидрофобы .

При переходе вещества в раствор, его структурные частички (молекулы или ионы) приобретают возможность двигаться свободнее, а, соответственно, возрастает реакционная способность вещества. Благодаря этому вода является основной средой, где происходит большинство химических реакций. Кроме того, все окислительно-восстановительные реакции и реакции гидролиза проходят при непосредственном участии воды.

Вода имеет наибольшую удельную теплоёмкость среди всех известных веществ. Это означает, что при существенном увеличении тепловой энергии температура воды повышается сравнительно немного. Это обусловлено использованием значительного количества этой энергии на разрыв водородных связей, которые ограничивают подвижность молекул воды.

Благодаря большой теплоёмкости вода служит защитой для тканей растений и животных от сильного и быстрого повышения температуры, а высокая теплота парообразования является основой для надёжной стабилизации температуры тела организма. Необходимость значительного количества энергии для испарения воды вызвана тем, что между её молекулами существуют водородные связи. Эта энергия поступает из окружающей среды, потому испарение сопровождается охлаждением. Этот процесс можно наблюдать во время потоотделения, в случае тепловой задышки у собак, важна она и в процессе охлаждения транспирирующих органов растений, особенно в пустынных условиях и в условиях сухих степей и периодов засухи в других регионах.

Вода имеет так же высокую теплопроводность, чем обеспечивается равномерное распределение тепла по организму. Таким образом нет риска возникновения локальных «горячих точек», которые могут стать причиной повреждения элементов клеток. Значит, высокая удельная теплоёмкость и высокая для жидкости теплопроводность делают воду идеальной средой для поддержания оптимального теплового режима организма.

Для воды характерно высокое поверхностное натяжение. Это её свойство очень важно для адсорбционных процессов, движения растворов по тканях (кровообращение, восходящее и нисходящее движение по растению и т.п.).

Вода используется как источник кислорода и водорода, которые выделяются во время световой фазы фотосинтеза.

К важным физиологическим свойствам воды относится её способность растворять газы ($O_2$, $CO_2$ и др.). Кроме того, вода как растворитель участвует в процессе осмоса, что играет важную роль в жизнедеятельности клеток и организма.

Свойства углеводорода и его биологическая роль

Если не брать во внимание воду, можно сказать, что большая часть молекул клетки принадлежит к углеводородным, так называемым органическим, соединениям.

Замечание 3

Углеводород, имея уникальные химические способности, фундаментальные для жизни, составляет её химическую основу.

Благодаря небольшому размеру и наличию на внешней оболочке четырёх электронов атом углеводорода может образовывать четыре крепких ковалентных связи с другими атомами.

Самое важное значение имеет способность атомов углеводорода соединяться друг с другом, образуя цепи, кольца и, в конце концов, скелет больших и сложных органических молекул.

К тому же углеводород легко образует ковалентные связи с другими биогенными элементами (обычно с $H, Mg, P, O, S$). Именно этим объясняется существование астрономического количества разнообразных органических соединений, которые обеспечивают существование живых организмов во всех его проявлениях. Разнообразие их проявляется в структуре и размерах молекул, их химических свойствах, степени насыщенности карбонового скелета и различной форме молекул, что определяется углами внутримолекулярных связей.

Биополимеры

Это высокомолекулярные (молекулярная масса 103 – 109) органические соединения, макромолекулы которых состоят из большого количества звеньев, которые повторяются, - мономеров.

К биополимерам относятся белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и их производные (крахмал, гликоген, целлюлоза, гемицеллюлоза, пектиновые вещества, хитин и пр.). Мономерами для них являются соответственно аминокислоты, нуклеотиды и моносахариды.

Замечание 4

Около 90% сухой массы клетки составляют биополимеры: у растений преобладают полисахариды, а у животных – белки.

Пример 1

В клетке бактерий находится около 3 тыс. видов белков и 1 тыс. нуклеиновых кислот, а у человека количество белков оценивают в 5 млн.

Биополимеры не только образуют структурную основу живых организмов, но и в процессах жизнедеятельности играют проводящую роль.

Структурной основой биополимеров являются линейные (белки, нуклеиновые кислоты, целлюлоза) или разветвлённые (гликоген) цепи.

И нуклеиновых кислот, имунные реакции, реакции обмена веществ - и осуществляются благодаря образованию биополимерных комплексов и другим свойствам биополимеров.

Клетка – элементарная единица жизни на Земле. Она обладает всеми признаками живого организма: растет, размножается, обменивается с окружающей средой веществами и энергией, реагирует на внешние раздражители. Начало биологической эволюции связано с появлением на Земле клеточных форм жизни. Одноклеточные организмы представляют собой существующие отдельно друг от друга клетки. Тело всех многоклеточных – животных и растений – построено из большего или меньшего числа клеток, которые являются своего рода блоками, составляющими сложный организм. Независимо от того, представляет ли собой клетка целостную живую систему – отдельный организм или составляет лишь его часть, она наделена набором признаков и свойств, общим для всех клеток.

Химический состав клетки

В клетках обнаружено около 60 элементов периодической системы Менделеева, встречающихся и в неживой природе. Это одно из доказательств общности живой и неживой природы. В живых организмах наиболее распространены водород, кислород, углерод и азот, которые составляют около 98% массы клеток. Такое обусловлено особенностями химических свойств водорода, кислорода, углерода и азота, вследствие чего они оказались наиболее подходящими для образования молекул, выполняющих биологические функции. Эти четыре элемента способны образовывать очень прочные ковалентные связи посредством спаривания электронов, принадлежащих двум атомам. Ковалентно связанные атомы углерода могут формировать каркасы бесчисленного множества различных органических молекул. Поскольку атомы углерода легко образуют ковалентные связи с кислородом, водородом, азотом, а также с серой, органические молекулы достигают исключительной сложности и разнообразия строения.

Кроме четырех основных элементов в клетке в заметных количествах (10 ые и 100 ые доли процента) содержатся железо, калий, натрий, кальций, магний, хлор, фосфор и сера. Все остальные элементы (цинк, медь, йод, фтор, кобальт, марганец и др.) находятся в клетке в очень малых количествах и поэтому называются микроэлементами.

Химические элементы входят в состав неорганических и органических соединений. К неорганическим соединениям относятся вода, минеральные соли, диоксид углерода, кислоты и основания. Органические соединения – это белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры (липиды) и липоиды. Кроме кислорода, водорода, углерода и азота в их состав могут входить другие элементы. Некоторые белки содержат серу. Составной частью нуклеиновых кислот является фосфор. Молекула гемоглобина включает железо, магний участвует в построении молекулы хлорофилла. Микроэлементы, несмотря на крайне низкое содержание в живых организмах, играют важную роль в процессах жизнедеятельности. Йод входит в состав гормона щитовидной железы – тироксина, кобальт – в состав витамина В 12 гормон островковой части поджелудочной железы – инсулин – содержит цинк. У некоторых рыб место железа в молекулах пигментов, переносящих кислород, занимает медь.

Неорганические вещества

Вода. Н 2 О – самое распространенное соединение в живых организмах. Содержание ее в разных клетках колеблется в довольно широких пределах: от 10% в эмали зубов до 98% в теле медузы, но среднем она составляет около 80% массы тела. Исключительно важная роль воды в обеспечении процессов жизнедеятельности обусловлена ее физико-химическими свойствами. Полярность молекул и способность образовывать водородные связи делают воду хорошим растворителем для огромного количества веществ. Большинство химических реакций, протекающих в клетке, может происходить только в водном растворе. Вода участвует и во многих химических превращениях.

Общее число водородных связей между молекулами воды изменяется в зависимости от t°. При t° таяния льда разрушается примерно 15% водородных связей, при t° 40°С – половина. При переходе в газообразное состояние разрушаются все водородные связи. Этим объясняется высокая удельная теплоемкость воды. При изменении t° внешней среды вода поглощает или выделяет теплоту вследствие разрыва или новообразования водородных связей. Таким путем колебания t° внутри клетки оказываются меньшими, чем в окружающей среде. Высокая теплота испарения лежит в основе эффективного механизма теплоотдачи у растений и животных.

Вода как растворитель принимает участие в явлениях осмоса, играющего важную роль в жизнедеятельности клетки организма. Осмосом называют проникновение молекул растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор какого-либо вещества. Полупроницаемыми называются мембраны, которые пропускают молекулы растворителя, но не пропускают молекулы (или ионы) растворенного вещества. Следовательно, осмос – односторонняя диффузия молекул воды в направлении раствора.

Минеральные соли. Большая часть неорганических в-в клетки находится в виде солей в диссоциированном, либо в твердом состоянии. Концентрация катионов и анионов в клетке и в окружающей ее среде неодинакова. В клетке содержится довольно много К и очень много Nа. Во внеклеточной среде, например в плазме крови, в морской воде, наоборот, много натрия и мало калия. Раздражимость клетки зависит от соотношения концентраций ионов Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ . В тканях многоклеточных животных К входит в состав многоклеточного вещества, обеспечивающего сцепленность клеток и упорядоченное их расположение. От концентрации солей в большой мере зависят осмотическое давление в клетке и ее буферные свойства. Буферностью называется способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию ее содержимого на постоянном уровне. Буферность внутри клетки обеспечивается главным образом ионами Н 2 РО 4 и НРО 4 2- . Во внеклеточных жидкостях и в крови роль буфера играют Н 2 СО 3 и НСО 3 - . Анионы связывают ионы Н и гидроксид-ионы (ОН -), благодаря чему реакция внутри клетки внеклеточных жидкостей практически не меняется. Нерастворимые минеральные соли (например, фосфорнокислый Са) обеспечивает прочность костной ткани позвоночных и раковин моллюсков.

Органические вещества клетки

Белки. Среди органических веществ клетки белки стоят на первом месте как по количеству (10 – 12% от общей массы клетки), так и по значению. Белки представляют собой высокомолекулярные полимеры (с молекулярной массой от 6000 до 1 млн. и выше), мономерами которых являются аминокислоты. Живыми организмами используется 20 аминокислот, хотя их существует значительно больше. В состав любой аминокислоты входит аминогруппа (-NH 2), обладающая основными свойствами, и карбоксильная группа (-СООН), имеющая кислотные свойства. Две аминокислоты соединяются в одну молекулу путем установления связи HN-CO с выделением молекулы воды. Связь между аминогруппой одной аминокислоты и карбоксилом другой называется пептидной. Белки представляют собой полипептиды, содержащие десятки и сотни аминокислот. Молекулы различных белков отличаются друг от друга молекулярной массой, числом, составом аминокислот и последовательностью расположения их в полипептидной цепи. Понятно поэтому, что белки отличаются огромным разнообразием, их количество у всех видов живых организмов оценивается числом 10 10 – 10 12 .

Цепь аминокислотных звеньев, соединенных ковалентное пептидными связями в определенной последовательности, называется первичной структурой белка. В клетках белки имеют вид спирально закрученных волокон или шариков (глобул). Это объясняется тем, что в природном белке полипептидная цепочка уложена строго определенным образом в зависимости от химического строения входящих в ее состав аминокислот.

Вначале полипептидная цепь сворачивается в спираль. Между атомами соседних витков возникает притяжение и образуются водородные связи, в частности, между NH- и СО- группами, расположенными на соседних витках. Цепочка аминокислот, закрученная в виде спирали, образует вторичную структуру белка. В результате дальнейшей укладки спирали возникает специфичная для каждого белка конфигурация, называемая третичной структурой. Третичная структура обусловлена действием сил сцепления между гидрофобными радикалами, имеющимися у некоторых аминокислот, и ковалентными связями между SH- группами аминокислоты цистеина (S-S- связи). Количество аминокислот гидрофобными радикалами и цистеина, а также порядок их расположения в полипептидной цепочке специфичны для каждого белка. Следовательно, особенности третичной структуры белка определяются его первичной структурой. Биологическую активность белок проявляет только в виде третичной структуры. Поэтому замена даже одной аминокислоты в полипептидной цепочке может привести к изменению конфигурации белка и к снижению или утрате его биологической активности.

В некоторых случаях белковые молекулы объединяются друг с другом и могут выполнять свою функцию только в виде комплексов. Так, гемоглобин – это комплекс из четырех молекул и только в такой форме способен присоединять и транспортировать О. подобные агрегаты представляют собой четвертичную структуру белка. По своему составу белки делятся на два основных класса – простые и сложные. Простые белки состоят только из аминокислот нуклеиновые кислоты (нуклеотиды), липиды (липопротеиды), Ме (металлопротеиды), Р (фосфопротеиды).

Функции белков в клетке чрезвычайно многообразны. Одна из важнейших – строительная функция: белки участвуют в образовании всех клеточных мембран и органоидов клетки, а также внутриклеточных структур. Исключительно важное значение имеет ферментативная (каталитическая) роль белков. Ферменты ускоряют химические реакции, протекающие в клетке, в 10 ки и 100 ни миллионов раз. Двигательная функция обеспечивается специальными сократительными белками. Эти белки участвуют во всех видах движений, к которым способны клетки и организмы: мерцание ресничек и биение жгутиков у простейших, сокращение мышц у животных, движение листьев у растений и др. Транспортная функция белков заключается в присоединении химических элементов (например, гемоглобин присоединяет О) или биологически активных веществ (гормонов) и переносе их к тканям и органам тела. Защитная функция выражается в форме выработки особых белков, называемых антителами, в ответ на проникновение в организм чужеродных белков или клеток. Антитела связывают и обезвреживают чужеродные вещества. Белки играют немаловажную роль как источники энергии. При полном расщеплении 1г. белков выделяется 17,6 кДж (~4,2 ккал).

Углеводы. Углеводы, или сахариды – органические вещества с общей формулой (СН 2 О) n . У большинства углеводов число атомов Н вдвое больше числа атомов О, как в молекулах воды. Поэтому эти вещества и были названы углеводами. В живой клетке углеводы находятся в количествах, не превышающих 1-2, иногда 5% (в печени, в мышцах). Наиболее богаты углеводами растительные клетки, где их содержание достигает в некоторых случаях 90% от массы сухого вещества (семена, клубни картофеля и т.д.).

Углеводы бывают простые и сложные. Простые углеводы называются моносахаридами. В зависимости от числа атомов углевода в молекуле моносахариды называются триозами, тетрозами, пентозами или гексозами. Из шести углеродных моносахаридов – гексоз – наиболее важное значение имеют глюкоза, фруктоза и галактоза. Глюкоза содержится в крови (0,1-0,12%). Пентозы рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот и АТФ. Если в одной молекуле объединяются два моносахарида, такое соединение называется дисахаридом. Пищевой сахар, получаемый из тростника или сахарной свеклы, состоит из одной молекулы глюкозы и одной молекулы фруктозы, молочный сахар – из глюкозы и галактозы.

Сложные углеводы, образованные многими моносахаридами, называются полисахаридами. Мономером таких полисахаридов, как крахмал, гликоген, целлюлоза, является глюкоза. Углеводы выполняют две основные функции: строительную и энергетическую. Целлюлоза образует стенки растительных клеток. Сложный полисахарид хитин служит главным структурным компонентом наружного скелета членистоногих. Строительную функцию хитин выполняет и у грибов. Углеводы играют роль основного источника энергии в клетке. В процессе окисления 1 г. углеводов освобождается 17,6 кДж (~4,2 ккал). Крахмал у растений и гликоген у животных откладываются в клетках и служат энергетическим резервом.

Нуклеиновые кислоты. Значение нуклеиновых кислот в клетке очень велико. Особенности их химического строения обеспечивают возможность хранения, переноса и передачи по наследству дочерним клеткам информации о структуре белковых молекул, которые синтезируются в каждой ткани на определенном этапе индивидуального развития. Поскольку большинство свойств и признаков клеток обусловлено белками, то понятно, что стабильность нуклеиновых кислот – важнейшее условие нормальной жизнедеятельности клеток и целых организмов. Любые изменения структуры клеток или активности физиологических процессов в них, влияя, таким образом, на жизнедеятельность. Изучение структуры нуклеиновых кислот имеет исключительно важное значение для понимания наследования признаков у организмов и закономерностей функционирования, как отдельных клеток, так и клеточных систем – тканей и органов.

Существуют 2 типа нуклеиновых кислот – ДНК и РНК. ДНК – полимер, состоящий из двух нуклеотидных спиралей, заключенных так, что образуется двойная спираль. Мономеры молекул ДНК представляют собой нуклеотиды, состоящие из азотистого основания (аденина, тимина, гуанина или цитозина), углевода (дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты. Азотистые основания в молекуле ДНК соединены между собой неодинаковым количеством Н-связей и располагаются попарно: аденин (А) всегда против тимина (Т), гуанин (Г) против цитозина (Ц). Схематически расположение нуклеотидов в молекуле ДНК можно изобразить так:

Рис.1.Расположение нуклеотидов в молекуле ДНК

Из рис.1. видно, что нуклеотиды соединены друг с другом не случайно, а избирательно. Способность к избирательному взаимодействию аденина с тимином и гуанина с цитозином называется комплементарностью. Комплементарное взаимодействие определенных нуклеотидов объясняется особенностями пространственного расположения атомов в их молекулах, которые позволяют им сближаться и образовывать Н-связи. В полинуклеотидной цепочке соседние нуклеотиды связаны между собой через сахар (дезоксирибозу) и остаток фосфорной кислоты. РНК так же, как и ДНК, представляет собой полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Азотистые основания трех нуклеотидов те же самые, что входят в состав ДНК (А, Г, Ц); четвертое – урацил (У) – присутствует в молекуле РНК вместо тимина. Нуклеотиды РНК отличаются от нуклеотидов ДНК и по строению входящего в их состав углевода (рибоза вместо дизоксирибозы).

В цепочке РНК нуклеотиды соединяются путем образования ковалентных связей между рибозой одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого. По структуре различаются двух цепочечные РНК. Двух цепочечные РНК являются хранителями генетической информации у ряда вирусов, т.е. выполняют у них функции хромосом. Одно цепочечные РНК осуществляют перенос информации о структуре белков от хромосомы к месту их синтеза и участвуют в синтезе белков.

Существует несколько видов одно цепочечной РНК. Их названия обусловлены выполняемой функцией или местом нахождения в клетке. Большую часть РНК цитоплазмы (до 80-90%) составляет рибосомальная РНК (рРНК), содержащаяся в рибосомах. Молекулы рРНК относительно невелики и состоят в среднем из 10 нуклеотидов. Другой вид РНК (иРНК), переносящие к рибосомам информацию о последовательности аминокислот в белках, которые должны синтезироваться. Размер этих РНК зависит от длины участка ДНК, на котором они были синтезированы. Транспортные РНК выполняют несколько функций. Они доставляют аминокислоты к месту синтеза белка, "узнают" (по принципу комплементарности) триплет и РНК, соответствующий переносимой аминокислоте, осуществляют точную ориентацию аминокислоты на рибосоме.

Жиры и липоиды. Жиры представляют собой соединения жирных высокомолекулярных кислот и трехатомного спирта глицерина. Жиры не растворяются в воде – они гидрофобны. В клетке всегда есть и другие сложные гидрофобные жироподобные вещества, называемые липоидами. Одна из основных функций жиров – энергетическая. В ходе расщепления 1 г. жиров до СО 2 и Н 2 О освобождается большое количество энергии – 38,9 кДж (~9,3 ккал). Содержание жира в клетке колеблется в пределах 5-15% от массы сухого вещества. В клетках живой ткани количество жира возрастает до 90%. Главная функция жиров в животном (и отчасти - растительном) мире - запасающая.

При полном окислении 1 г жира (до углекислого газа и воды) выделяется около 9 ккал энергии. (1 ккал = 1000 кал; калория (кал, cal) - внесистемная единица количества работы и энергии, равная количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 мл воды на 1 °C при стандартном атмосферном давлении 101,325 кПа; 1 ккал = 4,19 кДж). При окислении (в организме) 1 г белков или углеводов выделяется только около 4 ккал/г. У самых разных водных организмов - от одноклеточных диатомовых водорослей до гигантских акул - жир случит «поплавком», уменьшая среднюю плотность тела. Плотность животных жиров составляет около 0,91-0,95 г/см³. Плотность костной ткани позвоночных близка к 1,7-1.8 г/см³, а средняя плотность большинства других тканей близка к 1 г/см³. Понятно, что жира нужно довольно много, чтобы «уравновесить» тяжелый скелет.

Жиры и липоиды выполняют и строительную функцию: они входят в состав клеточных мембран. Благодаря плохой теплопроводности жир способен к защитной функции. У некоторых животных (тюлени, киты) он откладывается в подкожной жировой ткани, образуя слой толщиной до 1 м. Образование некоторых липоидов предшествует синтезу ряда гормонов. Следовательно, этим веществам присуща и функция регуляции обменных процессов.