Из этого урока вы узнаете о роли минеральных соединений микро - и макроэлементов в жизнедеятельности живых организмов. Вы познакомитесь с водородным показателем среды - рН, узнаете, как этот показатель связан с физиологией организма, каким образом в организме поддерживается постоянный рН среды. Выясните роль неорганических анионов и катионов в процессах обмена веществ, узнаете подробности о функциях катионов Na, K и Са в организме, а также какие другие металлы входят в состав нашего тела и каковы их функции.
Введение
Тема: Основы цитологии
Урок: Минеральные вещества и их роль в жизнедеятельности клетки
1. Введение. Минеральные вещества в клетке
Минеральные вещества составляют от 1 до 1,5% от сырой массы клетки, и находятся в клетки в виде солей дислоцированных на ионы, либо в твердом состоянии (рис. 1).
Рис. 1. Химический состав клеток живых организмов
В цитоплазме любой клетки находятся кристаллические включения, которые представлены слаборастворимыми солями кальция и фосфора; кроме них могут находиться оксид кремния и другие неорганические соединения, которые участвуют в образовании опорных структур клетки - в случае минерального скелета радиолярий - и организма, то есть образуют минеральное вещество костной ткани.
2. Неорганические ионы: катионы и анионы
Неорганические ионы, имеют значение для жизнедеятельности клетки (рис. 2).
Рис. 2. Формулы основных ионов клетки
Катионы - калий, натрий, магний и кальций.
Анионы - хлорид анион, гидрокарбонат анион, гидрофосфат анион, дигидрофосфат анион, карбонат анион, фосфат анион и нитрат анион.
Рассмотрим значение ионов.
Ионы, располагаясь по разные стороны клеточных мембран, образуют так называемый трансмембранный потенциал. Многие ионы неравномерно распределены между клеткой и окружающей средой. Так, концентрация ионов калия (К+) в клетке в 20-30 раз выше, чем в окружающей среде; а концентрация ионов натрия (Na+) в десять раз ниже в клетке, чем в окружающей среде.
Благодаря существованию градиентов концентрации , осуществляются многие жизненно важные процессы, такие как сокращение мышечных волокон, возбуждение нервных клеток, перенос веществ через мембрану.
Катионы влияют на вязкость и текучесть цитоплазмы. Ионы калия уменьшают вязкость и увеличивают текучесть, ионы кальция (Са2+) обладают противоположным действием на цитоплазму клетки.
Анионы слабых кислот - гидрокарбонат анион (НСО3-), гидрофосфат анион (НРО42-) - участвуют в поддержании кислотно-щелочного баланса клетки, то есть pH среды . По своей реакции растворы могут быть кислыми , нейтральными и основными .
Кислотность или основность раствора определяется концентрацией в нем ионов водорода (рис. 3).
Рис. 3. Определение кислотности раствора при помощи универсального индикатора
Эту концентрацию выражают с помощью водородного показателя pH, протяженность шкалы от 0 до 14. Нейтральная среда pH - около 7. Кислая - меньше 7. Основная - больше 7. Быстро определить pH среды можно с помощью индикаторных бумажек, или полосок (см. видео).
Мы опускаем индикаторную бумажку в раствор, затем полоску вынимаем и сразу же сравниваем окрашивание индикаторной зоны полоски с цветами стандартной шкалы сравнения, которая входит в комплект, оценивая схожесть окрашивания и определяя значение pH (см. видео).
3. рН среды и роль ионов в его поддержании
Значение pH в клетке примерно равняется 7.
Изменение pH в ту или иную сторону губительно действует на клетку, поскольку сразу же изменяются биохимические процессы, проходящие в клетке.
Постоянство pH клетки поддерживается благодаря буферным свойствам её содержимого. Буферным называют раствор, который поддерживает постоянное значение pH среды. Обычно буферная система состоит из сильного и слабого электролита: соли и слабого основания или слабой кислоты, которые её образуют.
Действие буферного раствора заключается в том, что он противостоит изменениям pH среды. Изменение pH среды может возникнуть вследствие концентрирования раствора или разбавления его водой, кислотой или щелочью. Когда кислотность, то есть концентрация ионов водорода возрастает, свободные анионы, источником которых служит соль, взаимодействуют с протонами и удаляют их из раствора. Когда кислотность снижается, то усиливается тенденция к освобождению протонов. Таким образом поддерживается pH на определенном уровне, то есть поддерживается концентрация протонов на определенном постоянном уровне.
Некоторые органические соединения, в частности белки, также обладают буферными свойствами.
Катионы магния, кальция, железа, цинка, кобальта, марганца входят в состав ферментов и витаминов (см. видео).
Катионы металлов входят в состав гормонов.
Цинк входит в состав инсулина. Инсулин - это гормон поджелудочной железы, который регулирует уровень глюкозы в крови.
Магний входит в состав хлорофилла.
Железо входит в состав гемоглобина.
При недостатке этих катионов нарушается процессы жизнедеятельности клетки.
4. Ионы металлов как кофакторы
Значение ионов натрия и калия
Ионы натрия и калия распределены по всему объему организма, при этом ионы натрия входят, в основном, в состав межклеточной жидкости, а ионы калия содержатся внутри клеток: 95% ионов калия содержатся внутри клеток , а 95% ионов натрия содержатся в межклеточных жидкостях (рис. 4).
С ионами натрия связано осмотическое давление жидкостей, удержание воды тканями, а также перенос, или транспорт таких веществ как аминокислот и сахара через мембранну.
Значение кальция в организме человека
Кальций является одним из самых распространенных элементов в организме человека. Основная масса кальция входит в состав костей и зубов. Фракция вне костного кальция составляет 1% от общего количества кальция в организме. Внекостный кальций влияет на свертываемость крови, а также нервно-мышечную возбудимость и сокращение мышечных волокон.
Фосфатная буферная система
Фосфатная буферная система играет роль в поддержании кислотно-щелочного баланса организма, кроме этого она поддерживает баланс в просвете канальцев почек, а также внутриклеточной жидкости.
Фосфатная буферная система состоит из дигидрофосфата и гидрофосфата. Гидрофосфат связывает, то есть нейтрализует протон. Дигидрофосфат высвобождает протон и взаимодействует с поступившими в кровь щелочными продуктами.
Фосфатная буферная система входит в буферную систему крови (Рис. 5).
Буферная система крови
В организме человека всегда имеются определенные условия для сдвига нормальной реакции среды ткани, например, крови, в сторону ацидоза (закисления) или алкалоза (раскисления - смещения рН в большую сторону).
В кровь поступают различные продукты, например, молочная кислота, фосфорная кислота, сернистая кислота, образующиеся в результате окисления фосфорорганических соединений либо серосодержащих белков. При этом реакция крови, может сдвигаться в сторону кислых продуктов.
При употреблении мясных продуктов, в кровь поступают кислые соединения. При употреблении растительной пищи, в кровь поступают основания.
Тем не менее, pH крови остается на определенном постоянном уровне.
В крови имеются буферные системы , которые поддерживают pH на определенном уровне.
К буферным системам крови относятся:
Карбонатная буферная система,
Фосфатная буферная система,
Буферная система гемоглобина,
Буферная система белков плазмы (Рис. 6).
Взаимодействие этих буферных систем создает определенное постоянное pH крови.
Таким образом, сегодня мы с вами рассмотрели минеральные вещества и их роль в жизнедеятельности клетки.
Домашнее задание
Какие химические вещества называют минеральными? Каково значение минеральных веществ для живых организмов? Из каких веществ в основном состоят живые организмы? Какие катионы входят в состав живых организмов? Каковы их функции? Какие анионы входят в состав живых организмов? Какова их роль? Что такое буферная система? Какие буферные системы крови вам известны? С чем связано содержание минеральных веществ в организме?
1. Химический состав живых организмов.
2. Википедия.
3. Биология и медицина.
4. Образовательный центр.
Список литературы
1. Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Общая биология 10-11 класс Дрофа, 2005.
2. Биология. 10 класс. Общая биология. Базовый уровень / П. В. Ижевский, О. А. Корнилова, Т. Е. Лощилина и др. - 2-е изд., переработанное. - Вентана-Граф, 2010. - 224 стр.
3. Беляев Д. К. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. - 11-е изд., стереотип. - М.: Просвещение, 2012. - 304 с.
4. Агафонова И. Б., Захарова Е. Т., Сивоглазов В. И. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. - 6-е изд., доп. - Дрофа, 2010. - 384 с.
Минеральные вещества в клетке находятся в виде солей в твердом состоянии, либо диссоциированны на ионы.
Неорганические ионы
представлены катионами
и анионами
минеральных солей.
Пример:
Катионы: K + , Na + , Ca 2 + , Mg 2 + , NH 4 +
Анионы: Cl − , H 2 PO 4 − , HPO 4 2 − , HCO 3 − , NO 3 − , SO 4 − , PO 4 3 − , CO 3 2 −
Вместе с растворимыми органическими соединениями неорганические ионы обеспечивают стабильные показатели осмотического давления .
Концентрация катионов и анионов в клетке и в окружающей ее среде - различна. Внутри клетки преобладают катионы K + и крупные отрицательные органические ионы, в околоклеточных жидкостях всегда больше ионов Na + и Cl − . В результате образуется разность потенциалов
между содержимым клетки и окружающей ее средой, обеспечивающая такие важные процессы как раздражимость и передача возбуждения по нерву или мышце.
Являясь компонентами буферных систем организма, ионы определяют их свойства - способность поддерживать рН на постоянном уровне (близко к нейтральной реакции), несмотря на то, что в процессе обмена веществ непрерывно образуются кислые и щелочные продукты.
Пример:
Анионы фосфорной кислоты
(HPO 4 2 − и H 2 PO 4 −) создают фосфатную буферную систему млекопитающих, поддерживающую рН внутриклеточной жидкости в пределах 6,9 - 7,4.
Угольная кислота и ее анионы
(H 2 CO 3 и CO 3 2 −) создают бикарбонатную буферную систему и поддерживают рН внеклеточной среды (плазмы крови) на уровне 7,4.
Соединения азота, фосфора, кальция и другие неорганические вещества используются для синтеза органических молекул (аминокислот, белков, нуклеиновых кислот и др.).
Пример:
Ионы некоторых металлов (Mg, Ca, Fe, Zn, Cu, Mn, Mo, Br, Co) являются компонентами многих ферментов, гормонов и витаминов или активируют их.
Калий - обеспечивает функционирование клеточных мембран, поддерживает кислотно-щелочное равновесие, влияет на активность и концентрацию магния.
Ионы Na + и K + способствуют проведению нервных импульсов и возбудимости клетки. Эти ионы входит также в состав натрий-калиевого насоса (активный транспорт) и создают трансмембранный потенциал клеток (обеспечивает избирательную проницаемость клеточной мембраны, что достигается за счет разности концентраций ионов Na + и K + : внутри клетки больше K + , снаружи больше Na +).
Ключевая роль в регуляции мышечного сокращения принадлежит ионам кальция (Ca 2 +). Миофибриллы обладают способностью взаимодействовать с АТФ и сокращаться лишь при наличии в среде определенных концентраций ионов кальция. Ионы кальция также необходимы для процесса свертывания крови.
Железо входит в состав гемоглобина крови.
Организм человека устроен очень сложно. Он состоит из огромного количества различных веществ, клеток, витаминов. Минеральные вещества должны постоянно находиться в организме человека, так как их роль в различных процессах велика. Они принимают участие в образовании гормонов, ферментов, помогают человеку активно жить и функционировать. Ни один орган не может обойтись без этих веществ, так как они в определенном количестве должны присутствовать почти в каждой клеточке.
Что такое минеральные вещества?
Многим из тех, кто следит за своим здоровьем, знакомо утверждение, что витамины и минеральные вещества служат основой правильного питания. Витамины практически никогда не синтезируются организмом самостоятельно, поэтому должны поступать вместе с пищей. В то же время они являются важным биологическим регулятором многих жизненно важных процессов организма. Витамины и минеральные вещества очень тесно связаны между собой, так как по своему химическому составу они могут дополнять друг друга, иногда заменять, обеспечивая полноценную жизнь человеку.
Для чего они нужны организму?
Важную роль выполняют минеральные вещества: тканестроительную функцию, принимают участие в пластических биопроцессах, а также обеспечивают и поддерживают многие ферментативные реакции человеческого организма. Но наиболее важной их функцией является проведение электрохимических импульсов в нервных волокнах и мышечных тканях.
Все минеральные вещества разделяют на макроэлементы и микроэлементы. К микроэлементам причисляют цинк, йод, фтор, марганец, а к макроэлементам - кальций, магний, фосфор, калий, железо, хлор. Не всегда человек может пополнить запас минеральных веществ в организме только с помощью питания, иногда целесообразным является применение различных добавок к питанию и лекарственных препаратов. Это происходит при интенсивных физических нагрузках, периоде авитаминоза весной, а также, когда жизненные условия не соответствуют общепринятым нормам. В таких случаях минеральные вещества клетки уменьшаются в своем количестве, что приводит иногда к необратимым последствиям.
Значение кальция, где он содержится?
Кальций является необычайно важным макроэлементом. Он обеспечивает нормальную проводимость нервной и мышечной тканей, кислотно-щелочной баланс, а также выполняет строительную функцию для костной и хрящевой тканей, в которых находится до 98% всех запасов кальция в организме человека. Среднедневная его норма для организма взрослого составляет 800-1000 мг. Для обеспечения потребности в кальции необходимо употреблять творог, молоко, яйца, сыр, цветную капусту, орехи, семена кунжута и мака, пшеничные отруби, овощи и зелень.
Вопреки всеобщему мнению, в продуктах с высоким содержанием молочного жира (сливочное масло, сметана, сливки), содержание этого вещества низкое. Правильное усвоение кальция организмом происходит в сочетании с витамином D. Самым оптимальным условием для поступления этого элемента в организм является вода и минеральные вещества, а именно сочетание кальция, магния, фосфора, витамина C и витамина D. Особое внимание специалисты уделяют содержанию Са в организме детей. Ведь этот элемент обеспечивает рост и развитие практически всех органов подрастающего организма. Если содержание кальция у детей ниже нормы, могут возникнуть серьезные проблемы с опорно-двигательным аппаратом (рахит), нарушаются рост и здоровье зубов, появляются тенденции к патологическим процессам в желудочно-кишечном тракте. Но высокий показатель наличия в организме этого микроэлемента также чреват проблемами со здоровьем, особенно он вреден для почек и печени. Поэтому важен баланс этого вещества в клетках и системах.
Фосфор в организме и пище
На примере фосфора также легко оценить значение минеральных веществ для здоровья человека. Как мы отметили выше, баланс фосфора тесно зависит от баланса кальция. В биологических процессах фосфор отвечает за образование ферментов, благодаря которым высвобождается и усваивается энергия из пищи. Кроме этого, фосфор поддерживает правильный липидный и энергетический обмен, а также стабилизирует уровень холестерина в крови. Дневная норма фосфора составляет 1000-1500 мг. Лучше данный макроэлемент усваивается из продуктов животного происхождения. Для получения суточной потребности желательно включить в рацион рыбу, кисломолочные продукты, пивные дрожжи, тыквенные семечки, овсяные хлопья, орехи, говяжью печень, яйца, мясо кролика, свеклу, картофель, капусту, морковь, яблоки, клубнику, смородину, арбуз, груши. Дневная норма фосфора содержится, к примеру, в 150 граммах твердого сыра, 350 граммах овсяных хлопьев или 125 граммах тыквенных семечек.
Важная роль магния, содержание в продуктах
Магний, в отличие от фосфора, усваивается лучше как раз из продуктов растительного происхождения. Он способствует правильному усвоению фосфора, кальция, балансирует остальные минеральные и органические вещества. Магний важен для работы сердечно-сосудистой системы, поскольку помогает укреплять стенки кровеносных сосудов и обладает мочегонным эффектом, что способствует стабилизации артериального давления.
Особенно важен этот микроэлемент для работы нервной системы. Все минеральные вещества в организме так или иначе влияют на ее работу. Но от количества магния в нервных клетках зависят такие процессы, как возбудимость, торможение, скорость нервных импульсов, восприятие их мозгом и реакция на них. Магний передает информацию от периферии к отделам центральной нервной системы. Многим беременным рекомендуют принимать лекарственные препараты с содержанием этого вещества для улучшения работы нервной и сердечно-сосудистой систем. Для тех, кто испытывает постоянные стрессы на работе или дома, истощен физически и морально, также полезен этот элемент.
Как показывает таблица минеральных веществ, представленная ниже, суточная норма магния колеблется в пределах 300-500 мг. Алкоголь, никотин, жирная пища и кофеин существенно ухудшают усвоение магния. Наиболее богаты на его содержание гречневая каша (одна ее порция обеспечит для организма суточную потребность), бананы, тыквенные семечки. Помимо этого, магний содержится в пшеничных отрубях, овсянке, кальмарах и креветках, сухих бобах, камбале, шпинате, картофеле белокочанной капусте.
Значение натрия и калия для работы организма, из каких продуктов их можно получить?
Важным является тот факт, что в поваренной соли минеральные вещества тоже содержатся. За сутки нужно употребить 10-15 грамм поваренной соли, чтобы обеспечить организму дневной запас натрия (3-6 грамм). В организме этот макроэлемент транспортирует минеральные вещества клетки и участвует в регулировании водно-солевого обмена. Но важно не переборщить с употреблением этого продукта, так как его чрезмерное количество пагубно влияет на работу некоторых органов и может спровоцировать накопление песка и образование камней в почках, желчном пузыре и так далее.
Калий является важным элементом для поддержания здоровой работы сердца и сосудов. Правильное соотношения калия и кальция позволяет наладить полноценное функционирование сердечной мышцы. Калий и натрий содержится в хлебе, бобовых, кураге, яблоках.
Содержится ли в нас железо?
Железо - еще один жизненно важный микроэлемент. Благодаря ему в организме образуется белок гемоглобин, который соединяется с кислородом и доставляет его в клетки, а затем выводит углекислый газ. Таким образом, роль минеральных веществ, в частности железа, состоит в кислородном питании организма. Железо также способствует правильной кроветворной функции. В организме взрослого человека находится 10-30 мкмоль/литр железа. Очень богат железом такой фрукт, как айва, большое его содержание в яблоках, красном мясе и субпродуктах.
Женщинам железо нужнее, чем мужчинам, так как представительницы слабого пола живут циклично и приблизительно раз в месяц теряют этот микроэлемент в большом количестве. Для восполнения его запасов нужно употреблять вышеуказанные продукты. Нехватка железа в организме приводит к анемии.
Важность хлора для человека
Важность хлора для организма состоит в том, что он является составляющим желудочного сока и плазмы крови. Вместе с натрием и калием этот макроэлемент поддерживает водно-солевой и кислотно-щелочной обмен. До 90% дневной нормы хлора поступает в организм вместе с обычной поваренной солью. При нарушении обмена хлора, натрия и калия нарушается работа сердца, появляются отеки, и человек страдает от перепадов артериального давления.
Йод - лекарственный препарат или важный микроэлемент для организма?
Йод с детства знаком каждому благодаря своим антисептическим свойствам. Но еще он является полезным микроэлементом. Пищу, богатую йодом, необходимо употреблять для правильной работы щитовидной железы. Йод входит в состав гормонов, продуцируемых щитовидной железой, поэтому напрямую влияет на правильную работу эндокринной системы. Дневная норма употребления йода составляет 100-200 мг. Наиболее богаты йодом морская капуста и рыба, но в современных условиях жизни достаточно тяжело обеспечить баланс йода в организме. Поэтому рекомендуется принимать специальные препараты, повышающие его содержание.
Содержание и получение организмом фтора
Это микроэлемент, который входит в состав эмали поверхности зубов, а значит, отвечает за их здоровье и красоту. Организму необходимо 2-3 миллиграмма фтора в сутки, эта потребность обеспечивается благодаря употреблению различных сортов чая, морепродуктов и орехов.
Какие еще микроэлементы важны для нас?
Составленная нами таблица минеральных веществ содержит основные элементы и поможет лучше разобраться в потребности организма в микро- и макроэлементах.
Кроме названных выше, к списку жизненно необходимых элементов относится цинк и марганец. Цинк является составляющим ферментов, поддерживающих окислительно-восстановительные реакции организма, а марганец участвует в энергетических реакциях и влияет на усвоение многих витаминов.
Можно отметить, что минеральные вещества в питании очень важны для вашего здоровья, поскольку обеспечивают все процессы жизнедеятельности. Употребление правильной суточной нормы минералов - это залог здоровья.
Клетка состоит из органических и минеральных веществ.
Минеральный состав клеток
Из неорганических веществ в состав клетки входят 86 элементов Периодической таблицы, около 16-18 элементов жизненно необходимы для нормального существования живой клетки.
Среди элементов выделяют: органогены, макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.
Органогены
Это вещества, из которых состоят органические вещества: кислород, углерод, водород и азот.
Кислород (65-75%) - содержится в огромном количестве органических молекул - белках, жирах, углеводах, нуклеиновых кислотах. В виде простого вещества (О2) образуется в процессе оксигенного фотосинтеза (цианобактерии, водоросли, растения).
Функции: 1. Кислород - сильный окислитель (окисляет глюкозу в процессе клеточного дыхания, в процессе выделяется энергия)
2. Входит в состав органических веществ клетки
3. Входит в состав молекулы воды
Углерод (15-18%) - является основой строения всех органических веществ. В виде углекислого газа выделяется в процессе дыхания, а поглощается в процессе фотосинтеза. Может быть в виде СО - угарного газа. В виде карбоната кальция (СаСО3) входит в состав костей.
Водород (8 - 10%) - как и углерод входит в состав любого органического соединения. А еще входит в состав воды.
Азот (2 - 3%) - входит в состав аминокислот, а значит и белков, нуклеиновых кислот, некоторых витаминов и пигментов. Фиксируется бактериями из атмосферы.
Макроэлементы
Магний (0,02 - 0,03%)
1. В клетке - входит в состав ферментов, участвует в синтезе ДНК и энергетическом обмене
2. У растений - входит в состав хлорофилла
3. У животных - входит в состав ферментов, участвующих в функционировании мышечной, нервной и костной тканей.
Натрий (0,02 - 0,03%)
1. В клетке - входит в состав калиево-натриевых каналов и насосов
2. У растений - участвует в осмосе, что обеспечивает поглощение воды из почвы
3. У животных - участвует в работе почек, поддержании сердечного ритма, входит в состав крови (NaCl), помогает поддерживать кислотно-щелочной баланс
Кальций (0,04 - 2,0%)
1. В клетке - участвует в избирательной проницаемости мембраны, в процессе соединения ДНК с белками
2. У растений - образует соли пектиновых веществ, придает твердость межклеточному веществу, соединяющему растительные клетки, а также участвует в формировании межклеточных контактов
3. У животных - входит в состав костей позвоночных, раковин моллюсков и коралловых полипов, участвует в образовании желчи, повышает рефлекторную возбудимость спинного мозга и центра слюноотделения, участвует в синаптической передаче нервного импульса, в процессах свертывания крови, является необходимым фактором сокращения поперечно-полосатой мускулатуры
Железо (0,02%)
1. В клетке - входит в состав цитохромов
2. У растений - участвует в синтезе хлорофилла, входит в состав ферментов, участвующих в дыхании, входят в состав цитохромов
3. У животных - входит в состав гемоглобина
Калий (0,15 - 0,4%)
1. В клетке - поддерживает коллоидные свойства цитоплазмы, входит в состав калиево-натриевых насосов и каналов, активизирует ферменты, участвующие в синтезе белка при гликолизе
2. У растений - участвует в регуляции водного обмена и фотосинтеза
3. Нужен для правильного сердечного ритма, участвует в проведении нервного импульса
Сера (0,15 - 0,2%)
1. В клетке - входит в состав некоторых аминокислот - цитина, цистеина и метионина, образует дисульфидные мостики в третичной структуре белка, входит в состав некоторых ферментов и кофермента А, входит в состав бактериохлорофилла, некоторые хемосинтетики используют соединения серы для получения энергии
2. У животных - входит в состав инсулина, витамина В1, биотина
Фосфор (0,2 - 1,0%)
1. В клетке - в виде остатков фосфорной кислоты входит в состав ДНК, РНК, АТФ, нуклеотидов, коферментов НАД, НАДФ, ФАД, фосфорилированных сахаров, фосфолипидов и многих ферментов, в составе фосфолипидов образует мембраны
2. У животных - входит в состав костей, зубов, у млекопитающих является компонентом буферной системы, поддерживает кислотный баланс тканевой жидкости относительно постоянным
Хлор (0,05 - 0,1%)
1. В клетке - участвует в поддержании электронейтральности клетки
2. У растений - участвует в регуляции тургорного давления
3. У животных - участвует в формировании осмотического потенциала плазмы крови, также в процессах возбуждения и торможения в нервных клетках, входит в состав желудочного сока в виде соляной кислоты
Микроэлементы
Медь
1. В клетке - входит в состав ферментов, участвующих в синтезе цитохромов
2. У растений - входит в состав ферментов, участвующих в реакциях темновой фазы фотосинтеза
3. У животных - участвует в синтезе гемоглобина, у беспозвоночных входит в состав гемоцианинов - переносчиков кислорода, у человека - входит в состав пигмента кожи - меланина
Цинк
1. Участвует в спиртовом брожении
2. У растений - входит в состав ферментов, участвующих в расщеплении угольной кислоты и в синтезе растительных гормонов-ауксинов
Йод
1. У позвоночных - входит в состав гормонов щитовидной железы (тироксин)
Кобальт
1. У животных - входит в состав витамина В12 (принимает участие в синтезе гемоглобина), его недостаток приводит к анемии
Фтор
1. У животных - придает прочность костям и зубной эмали
Марганец
1. В клетке - входит в состав ферментов, участвующих в дыхании, окислении жирных кислот, повышает активность карбоксилазы
2. У растений - в составе ферментов участвует в темновых реакциях фотосинтеза и в восстановлении нитратов
3. У животных - входит в состав фосфатаз-ферментов, необходимых для роста костей
Бром
1. В клетке - входит в состав витамина В1, который участвует в расщеплении пировиноградной кислоты
Молибден
1. В клетке - в составе ферментов участвует в фиксации атмосферного азота
2. У растений - в составе ферментов участвует в работе устьиц и ферментов, участвующих в синтезе аминокислот
Бор
1. Влияет на рост растений
Организмы состоят из клеток. Клетки разных организмов обладают сходным химическим составом. В таблице 1 представлены основные химические элементы, обнаруженные в клетках живых организмов.
Таблица 1. Содержание химических элементов в клетке
По содержанию в клетке можно выделить три группы элементов. В первую группу входят кислород, углерод, водород и азот. На их долю приходится почти 98% всего состава клетки. Во вторую группу входят калий, натрий, кальций, сера, фосфор, магний, железо, хлор. Их содержание в клетке составляет десятые и сотые доли процента. Элементы этих двух групп относят к макроэлементам (от греч. макрос - большой).
Остальные элементы, представ ленные в клетке сотыми и тысячными долями процента, входят в третью группу. Это микроэлементы (от греч. микро - малый).
Каких-либо элементов, присущих только живой природе, в клетке не обнаружено. Все перечисленные химические элементы входят и в состав неживой природы. Это указывает на единство живой и неживой природы.
Недостаток какого-либо элемента может привести к заболеванию, и даже гибели организма, так как каждый элемент играет определенную роль. Макроэлементы первой группы составляют основу биополимеров - белков, углеводов, нуклеиновых кислот, а также липидов, без которых жизнь невозможна. Сера входит в состав некоторых белков, фосфор - в состав нуклеиновых кислот, железо - в состав гемоглобина, а магний - в состав хлорофилла. Кальций играет важную роль в обмене веществ.
Часть химических элементов, содержащихся в клетке, входит в со став неорганических веществ - минеральных солей и воды.
Минеральные соли находятся в клетке, как правило, в виде катионов (К + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+) и анионов (HPO 2-/4 , H 2 PO -/4 , СI - , НСО 3), соотношение которых определяет важную для жизнедеятельности клеток кислотность среды.
(У многих клеток среда слабощелочная и ее рН почти не изменяется, так как в ней постоянно поддерживается определенное соотношение катионов и анионов.)
Из неорганических веществ в живой природе огромную роль играет вода .
Без воды жизнь невозможна. Она составляет значительную массу большинства клеток. Много воды содержится в клетках мозга и эмбрионов человека: воды более 80%; в клетках жировой ткани - всего 40.% К старости содержание воды в клетках снижается. Человек, потерявший 20% воды, погибает.
Уникальные свойства воды определяют ее роль в организме. Она участвует в теплорегуляции, которая обусловлена высокой теплоемкостью воды - потреблением большого количества энергии при нагревании. Чем же определяется высокая теплоемкость воды?
В молекуле воды атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода. Молекула воды полярна, так как атом кислорода имеет частично отрицательный заряд, а каждый из двух атомов водорода имеет
Частично положительный заряд. Между атомом кислорода одной молекулы воды и атомом водорода другой молекулы образуется водородная связь. Водородные связи обеспечивают соединение большого числа молекул воды. При нагревании воды значительная часть энергии расходуется на разрыв водородных связей, что и определяет ее высокую теплоемкость.
Вода - хороший растворитель . Благодаря полярности ее молекулы взаимодействуют с положительно и отрицательно заряженными ионами, способствуя тем самым растворению вещества. По отношению к воде все вещества клетки делятся на гидрофильные и гидрофобные.
Гидрофильными (от греч. гидро - вода и филео - люблю) называют вещества, которые растворяются в воде. К ним относят ионные соединения (например, соли) и некоторые неионные соединения (например, сахара).
Гидрофобными (от греч. гидро - вода и фобос - страх) называют вещества, нерастворимые в воде. К ним относят, например, липиды.
Вода играет большую роль в химических реакциях, протекающих в клетке в водных растворах. Она растворяет ненужные организму продукты обмена веществ и тем самым способствует выводу их из организма. Большое содержание воды в клетке придает ей упругость . Вода способствует перемещению различных веществ внутри клетки или из клетки в клетку.
Тела живой и неживой природы состоят из одинаковых химических элементов. В состав живых организмов входят неорганические вещества - вода и минеральные соли. Жизненно важные многочисленные функции воды в клетке обусловлены особенностями ее молекул: их полярностью, способностью образовывать водородные связи.
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ
В клетках живых организмов встречается около 90 элементов, причем примерно 25 из обнаружены практически во всех клетках. По содержанию в клетке химические элементы подразделяются на три большие группы: макроэлементы(99%), микроэлементы(1%), ультрамикроэлементы(менее 0,001%).
К макроэлементам относятся кислород, углерод, водород, фосфор, калий, сера, хлор, кальций, магний, натрий, железо.
К микроэлеметам относятся марганец, медь, цинк, йод, фтор.
К ультрамикроэлементам относятся серебро, золото, бром, селен.
| ЭЛЕМЕНТЫ | СОДЕРЖАНИЕ В ОРГАНИЗМЕ (%) | БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ |
| Макроэлементы: | ||
| O.C.H.N | 62-3 | Входят в состав всех органических веществ клетки, воды |
| Фосфор Р | 1,0 | Входят в состав нуклеиновых кислот, АТФ (образует макроэргические связи), ферментов, костной ткани и эмали зубов |
| Кальций Са +2 | 2,5 | У растений входит в состав оболочки клетки, у животных - в состав костей и зубов, активизирует свертываемость крови |
| Микроэлементы: | 1-0,01 | |
| Сера S | 0,25 | Входит в состав белков, витаминов и ферментов |
| Калий К + | 0,25 | Обуславливает проведение нервных импульсов; активатор ферментов белкового синтеза, процессов фотосинтеза, роста растений |
| Хлор CI - | 0,2 | Является компонентом желудочного сока в виде соляной кислоты, активизирует ферменты |
| Натрий Na + | 0,1 | Обеспечивает проведение нервных импульсов, поддерживает осмотическое давление в клетке, стимулирует синтез гормонов |
| Магний Мg +2 | 0,07 | Входит в состав молекулы хлорофилла, содержится в костях и зубах, активизирует синтез ДНК, энергетический обмен |
| Йод I - | 0,1 | Входит в состав гормона щитовидной железы - тироксина, влияет на обмен веществ |
| Железо Fе+3 | 0,01 | Входит в состав гемоглобина, миоглобина, хрусталика и роговицы глаза, активатор ферментов, участвует в синтезе хлорофилла. Обеспечивает транспорт кислорода к тканям и органам |
| Ультрамикроэлементы: | менее 0,01, следовые количества | |
| Медь Си +2 | Участвует в процессах кроветворения, фотосинтеза, катализирует внутриклеточные окислительные процессы | |
| Марганец Мn | Повышает урожайность растений, активизирует процесс фотосинтеза, влияет на процессы кроветворения | |
| Бор В | Влияет на ростовые процессы растений | |
| Фтор F | Входит в состав эмали зубов, при недостатке развивается кариес, при избытке - флюороз | |
| Вещества: | ||
| Н 2 0 | 60-98 | Составляет внутреннюю среду организма, участвует в процессах гидролиза, структурирует клетку. Универсальный растворитель, катализатор, участник химических реакций |
ОРГАНИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ
| ВЕЩЕСТВА | СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА | ФУНКЦИИ |
| Липиды | ||
| Сложные эфиры высших жирных кислот и глицерина. В состав фосфолипидов входит дополнительно остаток Н 3 РО4.Обладают гидрофобными или гидрофильно-гидрофобными свойствами, высокой энергоемкостью | Строительная
- образует билипидный слой всех мембранных. Энергетическая . Терморегуляторная . Защитная . Гормональная (кортикостероиды, половые гормоны). Компоненты витаминов D,E. Источник воды в организме.Запасное питательное вещество |
|
| Углеводы | ||
| Моносахариды: глюкоза, фруктоза, рибоза, дезоксирибоза |
Хорошо растворимы в воде | Энергетическая |
| Дисахариды: сахароза, мальтоза (солодовый сахар) |
Растворимы в воде | Компоненты ДНК, РНК, АТФ |
| Полисахариды: крахмал, гликоген, целлюлоза |
Плохо растворимы или нерастворимы в воде | Запасное питательное вещество. Строительная - оболочка растительной клетки |
| Белки | Полимеры. Мономеры - 20 аминокислот. | Ферменты - биокатализаторы. |
| I структура - последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Связь - пептидная - СО- NH- | Строительная - входят в состав мембранных структур, рибосом. | |
| II структура - a -спираль, связь - водородная | Двигательная (сократительные белки мышц). | |
| III структура - пространственная конфигурация a -спирали (глобула). Связи - ионные, ковалентные, гидрофобные, водородные | Транспортная (гемоглобин). Защитная (антитела).Регуляторная (гормоны, инсулин) | |
| IV структура характерна не для всех белков. Соединение нескольких полипептидных цепей в единую суперструктуруВ воде плохо растворимы. Действие высоких температур, концентрированных кислот и щелочей, солей тяжелых металлов вызывает денатурацию | ||
| Нуклеиновые кислоты: | Биополимеры. Состоят из нуклеотидов | |
| ДНК - дезокси-рибонуклеино-вая кислота. | Состав нуклеотида: дезоксирибоза, азотистые основания - аденин, гуанин, цитозин, тимин, остаток Н 3 РО 4 . Комплементарность азотистых оснований А = Т, Г = Ц. Двойная спираль. Способна к самоудвоению | Образуют хромосомы. Хранение и передача наследственной информации, генетического кода. Биосинтез РНК, белков. Кодирует первичную структуру белка. Содержится в ядре, митохондриях, пластидах |
| РНК - рибонуклеиновая кислота. | Состав нуклеотида: рибоза, азотистые основания - аденин, гуанин, цитозин, урацил, остаток Н 3 РО 4 Комплементарность азотистых оснований А = У, Г = Ц. Одна цепь | |
| Информационная РНК | Передача информации о первичной структуре белка, участвует в биосинтезе белка | |
| Рибосомальная РНК | Строит тело рибосомы | |
| Транспортная РНК | Кодирует и переносит аминокислоты к месту синтеза белка - рибосомам | |
| Вирусная РНК и ДНК | Генетический аппарат вирусов | |
Ферменты.
Важнейшая функция белков - каталитическая. Белковые молекулы, увеличивающие на несколько порядков скорость химических реакции в клетке, называют ферментами . Ни один биохимический процесс в организме не происходит без участия ферментов.
В настоящее время обнаружено свыше 2000 ферментов. Их эффективность во много раз выше, чем эффективность неорганических катализаторов, используемых в производстве. Так, 1 мг железа в составе фермента каталазы заменяет 10 т неорганического железа. Каталаза увеличивает скорость разложения пероксида водорода (Н 2 О 2) в 10 11 раз. Фермент, катализирующий реакцию образования угольной кислоты (СО 2 +Н 2 О = Н 2 СО 3), ускоряет реакцию в 10 7 раз.
Важным свойством ферментов является специфичность их действия, каждый фермент катализирует только одну или небольшую группу сходных реакций.
Вещество, на которое воздействует фермент, называют субстратом . Структуры молекулы фермента и субстрата должны точно соответствовать друг другу. Этим объясняется специфичность действия ферментов. При соединении субстрата с ферментом пространственная структура фермента изменяется.
Последовательность взаимодействия фермента и субстрата можно изобразить схематично:
Субстрат+Фермент - Фермент-субстратный комплекс - Фермент+Продукт.
Из схемы видно, что субстрат соединяется с ферментом с образованием фермент-субстратного комплекса. При этом субстрат превращается в новое вещество - продукт. На конечном этапе фермент освобождается от продукта и вновь вступает во взаимодействие с очередной молекулой субстрата.
Ферменты функционируют лишь при определенной температуре, концентрации веществ, кислотности среды. Изменение условий приводит к изменению третичной и четвертичной структуры белковой молекулы, а, следовательно, и к подавлению активности фермента. Как это происходит? Каталитической активностью обладает лишь определенный участок молекулы фермента, называемый активным центром . Активный центр содержит от 3 до 12 аминокислотных остатков и формируется в результате изгиба полипептидной цепи.
Под влиянием разных факторов изменяется структура молекулы фермента. При этом нарушается пространственная конфигурация активного центра, и фермент теряет свою активность.
Ферменты - это белки, играющие роль биологических катализаторов. Благодаря ферментам на несколько порядков возрастает скорость химических реакций в клетках. Важное свойство ферментов - специфичность действия в определенных условиях.
Нуклеиновые кислоты.
Нуклеиновые кислоты были от крыты во второй половине XIX в. швейцарским биохимиком Ф. Мишером, который выделил из ядер клеток вещество с высоким содержанием азота и фосфора и назвал его "нуклеином" (от лат. нуклеус - ядро).
В нуклеиновых кислотах хранится наследственная информация о строении и функционировании каждой клетки и всех живых существ на Земле. Существует два типа нуклеиновых кислот - ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Нуклеиновые кислоты, как и белки, обладают видовой специфичностью, то есть организмам каждого вида присущ свой тип ДНК. Чтобы выяснить причины видовой специфичности, рассмотрим строение нуклеиновых кислот.
Молекулы нуклеиновых кислот представляют собой очень длинные цепи, состоящие из многих сотен и даже миллионов нуклеотидов. Любая нуклеиновая кислота содержит всего четыре типа нуклеотидов. Функции молекул нуклеиновых кислот зависят от их строения, входящих в их состав нуклеотидов, их числа в цепи и последовательности соединения в молекуле.
Каждый нуклеотид состоит из трех компонентов: азотистого основания, углевода и фосфорной кислоты. В состав каждого нуклеотида ДНК входит один из четырех типов азотистых оснований (аденин - А, тимин - Т, гуанин - Г или цитозин - Ц), а также угле вод дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты.
Таким образом, нуклеотиды ДНК различаются лишь типом азотистого основания.
Молекула ДНК состоит из огромного множества нуклеотидов, соединенных в цепочку в определенной последовательности. Каждый вид молекулы ДНК имеет свойственное ей число и последовательность нуклеотидов.
Молекулы ДНК очень длинные. Например, для буквенной записи последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК из одной клетки человека (46 хромосом) потребовалась бы книга объемом около 820000 страниц. Чередование четырех типов нуклеотидов может образовать бесконечное множество вариантов молекул ДНК. Указанные особенности строения молекул ДНК позволяют им хранить огромный объем информации обо всех признаках организмов.
В 1953 г. американским биологом Дж. Уотсоном и английским физиком Ф. Криком была создана модель строения молекулы ДНК. Ученые установили, что каждая молекула ДНК состоит из двух цепей, связанных между собой и спирально закрученных. Она имеет вид двойной спирали. В каждой цепи четыре типа нуклеотидов чередуются в определенной последовательности.
Нуклеотидный состав ДНК различается у разных видов бактерий, грибов, растений, животных. Но он не меняется с возрастом, мало зависит от изменений окружающей среды. Нуклеотиды парные, то есть число адениновых нуклеотидов в любой молекуле ДНК равно числу тимидиновых нуклеотидов (А-Т), а число цитозиновых нуклеотидов равно числу гуаниновых нуклеотидов (Ц-Г). Это связано с тем, что соединение двух цепей между собой в молекуле ДНК подчиняется определенному правилу, а именно: аденин одной цепи всегда связан двумя водородными связями только с Тимином другой цепи, а гуанин - тремя водородными связями с цитозином, то есть нуклеотидные цепи одной молекулы ДНК комплементарны, дополняют друг друга.
Молекулы нуклеиновых кислот - ДНК и РНК состоят из нуклеотидов. В состав нуклеотидов ДНК входит азотистое основание (А, Т, Г, Ц), углевод дезоксирибоза и остаток молекулы фосфорной кислоты. Молекула ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух цепей, соединенных водородными связями по принципу комплементарности. Функция ДНК - хранение наследственной информации.
В клетках всех организмов имеются молекулы АТФ - аденозинтрифосфорной кислоты. АТФ - универсальное вещество клетки, молекула которого имеет богатые энергией связи. Молекула АТФ - это один своеобразный нуклеотид, который, как и другие нуклеотиды, состоит из трех компонентов: азотистого основания - аденина, углевода - рибозы, но вместо одного содержит три остатка молекул фосфорной кислоты (рис. 12). Связи, обозначенные на рисунке значком, - богаты энергией и называются макроэргическими . Каждая молекула АТФ содержит две макроэргические связи.
При разрыве макроэргической связи и отщеплении с помощью ферментов одной молекулы фосфорной кислоты освобождается 40 кДж/моль энергии, а АТФ при этом превращается в АДФ - аденозиндифосфорную кислоту. При отщеплении еще одной молекулы фосфорной кислоты освобождается еще 40 кДж/моль; образуется АМФ - аденозинмонофосфорная кислота. Эти реакции обратимы, то есть АМФ может пре вращаться в АДФ, АДФ - в АТФ.
Молекулы АТФ не только расщепляются, но и синтезируются, по этому их содержание в клетке относительно постоянно. Значение АТФ в жизни клетки огромно. Эти молекулы играют ведущую роль в энергетическом обмене, необходимом для обеспечения жизнедеятельности клетки и организма в целом.
Рис. 12. Схема строения АТФ.| аденин - |
Молекула РНК, как правило, одиночная цепь, состоящая из четырех типов нуклеотидов - А, У, Г, Ц. Известны три основных вида РНК: иРНК, рРНК, тРНК. Содержание молекул РНК в клетке непостоянно, они участвуют в биосинтезе белка. АТФ - универсальное энергетическое вещество клетки, в котором имеются богатые энергией связи. АТФ играет центральную роль в обмене энергии в клетке. РНК и АТФ содержатся как в ядре, так и в цитоплазме клетки.
Задачи и тесты по теме "Тема 4. "Химический состав клетки"."
- полимер, мономер;
- углевод, моносахарид, дисахарид, полисахарид;
- липид, жирная кислота, глицерин;
- аминокислота, пептидная связь, белок;
- катализатор, фермент, активный центр;
- нуклеиновая кислота, нуклеотид.
Алгоритм решения задач.
Тип 1. Самокопирование ДНК.
Одна из цепочек ДНК имеет такую последовательность нуклеотидов:
АГТАЦЦГАТАЦТЦГАТТТАЦГ...
Какую последовательность нуклеотидов имеет вторая цепочка той же молекулы?
Чтобы написать последовательность нуклеотидов второй цепочки молекулы ДНК, когда известна последовательность первой цепочки, достаточно заменить тимин на аденин, аденин на тимин, гуанин- на цитозин и цитозин на гуанин. Произведя такую замену, получаем последовательность:
ТАЦТГГЦТАТГАГЦТАААТГ...
Тип 2. Кодирование белков.
Цепочка аминокислот белка рибонуклеазы имеет следующее начало: лизин-глутамин-треонин-аланин-аланин-аланин-лизин...
С какой последовательности нуклеотидов начинается ген, соответствующий этому белку?
Для этого следует воспользоваться таблицей генетического кода. Для каждой аминокислоты находим ее кодовое обозначение в виде соответствующей тройки нуклеотидов и выписываем его. Располагая эти тройки друг за другом в таком же порядке, в каком идут соответствующие им аминокислоты, получаем формулу строения участка информационной РНК. Как правило таких троек несколько, выбор делается по Вашему решению (но, берется только одна из троек). Решений соответственно может быть несколько.
АААЦАААЦУГЦГГЦУГЦГААГ
С какой последовательности аминокислот начинается белок, если он закодирован такой последовательностью нуклеотидов:
АЦГЦЦЦАТГГЦЦГГТ...
По принципу комплементарности находим строение участка информационной РНК, образующейся на данном отрезке молекулы ДНК:
УГЦГГГУАЦЦГГЦЦА...
Затем обращаемся к таблице генетического кода и для каждой тройки нуклеотидов, начиная с первой, находим и выписываем соответствующую ей аминокислоту:
Цистеин-глицин-тирозин-аргинин-пролин-...
Иванова Т.В., Калинова Г.С., Мягкова А.Н. "Общая биология". Москва, "Просвещение", 2000
- Тема 4. "Химический состав клетки." §2-§7 стр. 7-21
- Тема 5. "Фотосинтез." §16-17 стр. 44-48
- Тема 6. "Клеточное дыхание." §12-13 стр. 34-38
- Тема 7. "Генетическая информация." §14-15 стр. 39-44
