Подробное решение Раздел стр. 14 по биологии для учащихся 9 класса, авторов С.Г. Мамонтов, В.Б. Захаров, И.Б. Агафонова, Н.И. Сонин 2016

2. Неорганические вещества, водящие в состав клетки

Вопрос 1. Какие химические элементы составляют большую часть массы клетки?

Около 98 % массы клетки образуют четыре элемента: водород, кислород, углерод и азот. Это главные компоненты всех органических соединений. Вместе с серой и фосфором, являющимися необходимыми компонентами молекул биологических полимеров (от греч. полис – много, мерос – часть) – белков и нуклеиновых кислот, их часто называют биоэлементами.

Вопрос 2. Что такое микроэлементы? Приведите примеры и охарактеризуйте их биологическое значение.

Все остальные элементы (цинк, медь, йод, фтор, кобальт, марганец, молибден, бор и др.) содержатся в клетке в очень малых количествах. Общий их вклад в её массу – всего 0,02 %. Поэтому их называют микроэлементами. Однако и они имеют жизненно важное значение. Микроэлементы входят в состав ферментов, витаминов и гормонов – веществ, обладающих большой биологической активностью. Так, йод входит в состав гормона щитовидной железы – тироксина; цинк – в состав гормона поджелудочной железы – инсулина; кобальт – необходимый компонент витамина В12.

Микроэлементы нужны в биотических дозах и их недостаток или избыток в поступлении в организм сказываются на изменении обменных процессов и др. Минеральные вещества играют огромную физиологическую роль в организме человека и животных, входят в состав всех клеток и соков, обусловливают структуру клеток и тканей; в организме они необходимы для обеспечения всех жизненных процессов дыхания, роста, обмена веществ, образования крови, кровообращении, деятельности центральной нервной системы и оказывают влияние на коллоиды тканей и ферментативные процессы. Они входят в состав или активируют до трехсот ферментов.

Марганец (Мn). Марганец содержится во всех органах и тканях человека. Особенно много его в коре мозга, сосудистых системах. Марганец участвует в белковом и фосфорном обмене, в половой функции и в функции опорно-двигательного аппарата, участвует в окислительно-восстановительных процессах, при его участии происходят многие ферментативные процессы, а также процессы синтеза витаминов группы В и гормонов. Дефицит марганца сказывается на работе центральной нервной системы и стабилизации мембран нервных клеток, на развитии скелета, на кроветворении и реакциях иммунитета, на тканевом дыхании. Печень - депо марганца, меди, железа, но с возрастом содержание их в печени снижается, но потребность их в организме остается, возникают злокачественные заболевания, сердечно-сосудистые и др. Содержание марганца в пищевом рационе 4...36 мг. Суточная потребность 2-10 мг. Содержится в рябине обыкновенной, шиповнике коричневом, яблоне домашней, абрикосе, винограде винном, женьшене, клубнике, инжире, облепихе, а также хлебопродуктах, овощах, печени, почках.

Бром (Вr). Наибольшее содержание брома отмечают в мозговом веществе, почках, щитовидной железе, ткани головного мозга, гипофизе, крови, спинномозговой жидкости. Соли брома участвуют в регуляции деятельности нерв ной системы, активируют половую функцию, увеличивая объем эякулята и количество сперматозоидов в нем. Бром при чрезмерном накоплении угнетает функцию щитовидной железы, препятствуя поступлению в нее йода, вызывает кожное заболевание бромодерму и угнетение центральной нервной системы. Бром входит в состав желудочного сока, влияя (наряду с хлором) на его кислотность. Рекомендуемая суточная потребность брома взрослым человеком составляет около 0,5-2,0 мг. Содержание брома в суточном пищевом рационе 0,4-1,1 мг. Основным источником брома в питании человека являются хлеб и хлебопродукты, молоко и молочные продукты, бобовые - чечевица, фасоль, горох.

Медь (Си). Медь влияет на рост и развитие живого организма, участвует в деятельности ферментов и витаминов. Главной биологической функцией ее является участие в тканевом дыхании и кроветворении. Медь и цинк усиливают действие друг друга. Дефицит меди вызывает нарушение образования гемоглобина, развивается анемия, нарушается психическое развитие. Возникает потребность в меди при всяком воспалительном процессе, эпилепсии, анемии, лейкозе, циррозе печени, инфекционных заболеваниях. Нельзя кислые пищевые продукты или напитки держать в медной или латунной посуде. Избыток меди оказывает на организм токсическое действие, могут возникнуть рвота, тошнота, понос. Содержание меди в суточном пищевом рационе 2-10 мг и накапливается преимущественно в печени, костях. Во всех витаминах с микроэлементами медь содержится в пределах нормы, в растительных - айва (1,5 мг %). рябина, яблоня домашняя, абрикос обыкновенный, инжир, крыжовник, ананас - 8,3 мг % на 1 кг, хурма до 0,33 мг %.

Никель (Ni). Никель обнаружен в поджелудочной железе, гипофизе. Наибольшее содержание обнаруживается в волосах, коже и органах эктодермального происхождения. Подобно кобальту никель благотворно влияет на процессы кроветворения, активирует ряд ферментов. При избыточном поступлении никеля в организм в течение длительного времени отмечаются дистрофические изменения в паренхиматозных органах, нарушения со стороны сердечнососудистой системы, нервной и пищеварительной систем, изменения в кроветворении, углеводном и азотистом обмене, нарушении функции щитовидной железы и репродуктивной функции. Много никеля в растительных продуктах, морской рыбе и продуктах моря, печени.

Кобальт (Со). В организме человека кобальт выполняет разнообразные функции, в частности оказывает влияние на обмен веществ и рост организма, и принимает непосредственное участие в процессах кроветворения; он способствует синтезу мышечных белков, улучшает ассимиляцию азота, активизирует ряд ферментов, участвующих в обмене веществ; является незаменимым структурным компонентом витаминов группы В, способствует усвоению кальция и фосфора, понижает возбудимость и тонус симпатической нервной системы. Содержание в суточном пищевом рационе 0,01-0,1 мг. Потребность 40-70 мкг. Кобальт содержится в плодах яблони домашней, абрикоса, винограда винного, клубнике, орехе грецком, молоке, хлебопродуктах, овощах, говяжьей печени, бобовых.

Цинк (Zn). Цинк участвует в деятельности более 20 ферментов, является структурным компонентом гормона поджелудочной железы, влияет на развитие, рост, половое развитие мальчиков, центральную нервную систему. Недостаток цинка ведет к инфантильности у мальчиков и к заболеваниям центральной нервной системы. Считается, что цинк канцерогенный, поэтому его влияние на организм зависит от дозы. Содержание в суточном пищевом рационе 6-30 мг. Суточная доза цинка 5-20 мг. Содержится в субпродуктах, в мясных продуктах, не шлифованном рисе, грибах, устрицах, других морских продуктах, дрожжах, яйцах, горчице, в семенах подсолнуха, хлебопродуктах, мясе, овощах, а также содержится в большинстве лекарственных растений, в плодах яблони домашней.

Молибден (Мо). Молибден входит в состав ферментов, оказывает влияние на вес и рост, препятствует кариесу зубов, задерживает фтор. При недостатке молибдена происходит замедление роста. Содержание в суточном пищевом рационе 0,1-0,6 мг. Суточная доза молибдена - 0,1-0,5 мг Молибден присутствует в рябине черноплодной, яблоне домашней, бобовых, печени, почках, хлебопродуктах.

Селен (Se). Селен принимает участие в обмене серосодержащих аминокислот и предохраняет витамин Е от преждевременного разрушения, защищает клетки от свободных радикалов, но большие дозы селена могут быть опасными и принимать пищевые добавки с селеном нужно только по рекомендации врача. Суточная доза селена 55 мкг. Основной причиной дефицита селена является его недостаточное поступление с пищей, особенно с хлебом и хлебобулочными и мучными изделиями.

Хром (Сr). В последние годы доказана роль хрома в углеводном и жировом обмене. Оказалось, что нормальный углеводный обмен невозможен без органического хрома, содержащегося в натуральных углеводных продуктах. Хром участвует в образовании инсулина, регулирует сахар в крови и жировой обмен, снижает уровень холестерина в крови, защищает сосуды сердца от склеротизирования, препятствует развитию сердечно-сосудистых заболеваний. Недостаток хрома в организме может привести к ожирению, задержке жидкости в тканях и повышению артериального давления. Половина населения земли испытывает дефицит хрома из-за рафинирован ной пищи. Ежедневная суточная норма хрома 125 мкг. В ежедневном рационе питания должны быть сведены к минимуму рафинированные, очищенные продукты - белая мука и изделия из нее, белый сахар, соль, каши быстрого приготовления, разнообразные хлопья зерновых. Необходимо включить в питание натуральные нерафинированные продукты, содержащие хром: хлеб из цельного зерна, каши из натурального зерна (гречки ядрицы, неочищенного риса, овса, пшена), субпродукты (печень, почки и сердце животных и птиц) рыбу и морепродукты. Хром содержат желтки куриных яиц, мед, орехи, грибы, коричневый сахар. Из круп больше всего хрома содержит перловка, затем гречка, из овощей много хрома в свекле, редисе, из фруктов - в персиках. Хороший источник хрома и других микроэлементов - пивные дрожжи, пиво, сухое красное вино. Соединения хрома обладают высокой степенью летучести, происходит значительная потеря хрома при варке продуктов.

Йод (J). Йод принимает участие в образовании гормона щитовидной железы - тироксина. При недостаточном поступлении йода развивается заболевание щитовидной железы (зоб эндемический). При недостатке йода в пищевых продуктах, главным образом в воде, применяют йодированную соль и лекарственные препараты йода. Избыток поступления йода в организм приводит к развитию гипотиреоза. Содержание в суточном пищевом рационе 0,04-0,2 мг. Суточная потребность в йоде 50-200 мкг. Йод находится в рябине черноплодной, до 40 мг %, груше обыкновенной до 40 мг %, фейхоа 2-10 мг % на 1 кг, молоке, овощах, мясе, яйцах, морской рыбе.

Литий (Li). Литий обнаружен в крови человека. Соли лития с остатками органических кислот применяются для лечения подагры. В основе подагры лежит нарушение пуринового обмена с недостаточным выделением мочекислых солей, вызывающее повышенное содержание мочевой кислоты в крови и отложение её солей в суставах и тканях организма. Развитию подагры способствует избыточное питание продуктами, богатыми пуриновыми основаниями (мясо, рыба и пр.), злоупотребление алкоголем, сидячий образ жизни. Карбонат лития применяется в гомеопатии при расстройствах окислительных процессов в организме с явлениями мочекислого диатеза и подагры.

Кремний (Si). Кремний находится в плазме крови, как и железо, он нужен для образования эритроцитов. Соединения кремния необходимы для нормального развития и функционирования соединительной и эпителиальной тканей. Он способствует биосинтезу коллагенов и образованию костной ткани (после перелома количество кремния в костной мозоли увеличивается почти в 50 раз). Полагают, что присутствие кремния в стенках сосудов препятствует проникновению в плазму крови липидов и их отложению в сосудистой стенке, что соединения кремния необходимы для нормального протекания процессов липидного обмена. Суточная потребность в диоксиде кремния составляет 20-30 мг. Кремний обнаружен в коже, волосах, щитовидной железе, гипофизе, надпочечниках, легких, меньше всего в мышцах и крови. Источником его является вода и растительные пищевые продукты. Наибольшее количество кремния содержится в корневых овощах, фруктах: абрикосах, бананах, вишнях, клубнике, землянике, овсе, огурцах, пророщенных зернах злаков, в цельном зерне пшеницы, просе, питьевой воде. Недостаток кремния приводит к ослаблению кожи и волос. Пыль кремнийсодержащих неорганических соединений может вызвать развитие заболевания легких - силикоз. Повышенное поступление кремния в организм может вызвать нарушение фосфорно-кальциевого обмена, образование мочевых камней.

Сера (S). В организме человека сера участвует в образовании кератина белка, находящегося в суставах, волосах и ногтях. Сера входит в состав почти всех белков и ферментов в организме, участвует в окислительно-восстановительных реакциях и других метаболических процессах, способствует секреции желчи в печени. Много серы содержится в волосах. Атомы серы входит в состав тиамина и биотина-витаминов группы В, а также в состав жизненно важных аминокислот - цистеина и метионина. Дефицит серы в организме человека встречается очень редко - при недостаточном употреблении продуктов, содержащих белок. Физиологическая потребность в сере не установлена.

Фториды (F-). Содержание в пищевом рационе 0,4-0,8 мг. Суточная потребность фторидов 2-3 мг. Преимущественно накапливается в костях и зубах. Фториды применяются от кариеса зубов, стимулируют кроветворение и иммунитет, участвуют в развитии скелета. Избыток фторидов дает крапчатость зубной эмали, вызывает заболевание флюороз, подавляет защитные силы организма. В организм фтор поступает с пищевыми продуктами, из которых наиболее богаты им овощи и молоко. В составе пищи человек получает около 0,8 мг фтора, остальное его количество должно поступать с питьевой водой.

Серебро (Аg). Серебро - микроэлемент, являющийся необходимой составной частью тканей любого живого организма. В суточном рационе человека должно содержаться в среднем около 80 мкг серебра. Исследования показали, что даже длительное употребление человеком питьевой воды, содержащей 50 мкг на литр серебра, не вызывает нарушений функции органов пищеварения и каких- либо патологических сдвигов в состоянии организма в целом. Такое явление, как дефицит серебра в организме, нигде не описано. Бактерицидные свойства серебра общеизвестны. В официальной медицине широко применяются препараты коллоидного серебра и нитрат серебра. В организме человека серебро обнаружено в мозге, железах внутренней секреции, печени, почках и костях скелета. В гомеопатии серебро применяется как в элементарном виде серебро металлическое, так и в виде нитрата серебра. Препараты серебра в гомеопатии обычно назначают при упорных и длительных заболеваниях, сильно истощающих нервную систему. Однако физиологическая роль серебра в организме человека и животных изучена недостаточно.

Вопрос 3. Каковы особенности пространственной организации молекулы воды, обусловливающие её биологическое значение?

Функции воды во многом определяются её химическими и физическими свойствами. Эти свойства связаны главным образом с малыми размерами молекул воды и их полярностью, а также способностью соединяться друг с другом водородными связями.

Одна часть молекулы воды несёт небольшой положительный заряд, а другая – отрицательный. Такую молекулу называют диполем. Положительно заряженные части одной молекулы воды притягивают к себе отрицательно заряженные части других молекул, молекулы воды как будто склеиваются. Эти взаимодействия, более слабые, чем ионные связи, называют водородными связями. Вода – превосходный растворитель для полярных веществ, участвующих в обменных процессах.

Вопрос 4. Какие минеральные соли входят в состав живых организмов?

Большая часть неорганических веществ клетки находится в виде солей – либо в состоянии ионов, либо в виде твёрдой нерастворимой соли. Среди первых большое значение имеют катионы К+, Na+, Ca2+, которые обеспечивают такое важнейшее свойство живых организмов, как раздражимость.

Концентрация катионов и анионов в клетке и в окружающей её среде резко различна. Внутри клетки превалируют ионы К+ и крупные органические ионы, в околоклеточных жидкостях всегда больше ионов Na+ и Cl-. Вследствие этого образуется разность зарядов внешней и внутренней поверхностей мембраны клетки, между ними возникает разность потенциалов, обуславливающая такие важные процессы как передача возбуждения по нерву или мышце.

Соединения азота, фосфора, кальция и другие неорганические вещества служат источником строительного материала для синтеза органических молекул (аминокислот, белков, нуклеиновых кислот и др.) и входят в состав ряда опорных структур клетки и организма.

Некоторые неорганические ионы (например, ионы кальция и магния) являются активаторами и компонентами многих ферментов, гормонов и витаминов. При недостатке этих ионов нарушаются жизненно важные процессы в клетке.

Вопрос 5. Какие вещества обусловливают буферные свойства клетки? От концентрации солей внутри клетки зависят буферные свойства клетки.

Буферностью называют способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию своего содержимого на постоянном уровне. Внутри клетки буферность обеспечивается главным образом анионами H2PO4− и НРО42−. Во внеклеточной жидкости и в крови роль буфера играют Н2СО3 и HCO3−. Анионы слабых кислот и слабые щёлочи связывают ионы водорода и гидроксил-ионы (ОН−), благодаря чему реакция внутри клетки, т. е. величина рН, практически не меняется.

Вопрос 6. Согласны ли вы с утверждением, что вода - колыбель всего живого? Объясните, почему жизнь зародилась именно в водной среде.

Все экологические ниши, пригодные для жизни, заняты биосферой. Возникла биосфера одновременно с возникновением жизни на Земле, первоначально (около 4 млрд. лет тому назад) в виде примитивных биоценозов (протобиоценозов) в первичном Мировом океане.

Только благодаря очень медленному процессу эволюции отдельные виды, получившие название амфибий, смогли покинуть водную среду и частично приспособиться к жизни на суше. Дальнейшие адаптационные процессы позволили некоторым из этих земноводных навсегда покинуть водное пространство и сделать сушу постоянной средой своего обитания. Прямое доказательство того, что вода - первоначальная среда обитания живых организмов, было получено при изучении состава плазмы крови (ее жидкого компонента) и внеклеточной жидкости различных животных. Данные жидкости по своему составу близки к морской воде.

Вопрос 7. Предложите свою классификацию химических элементов, входящих в состав живых организмов.

Можно предложить следующую классификацию химических элементов, входящий в состав клетки:

1. Элементы 1 порядка (водород, кислород, углерод и азот)

2. Элементы 2 порядка (цинк, бор, медь, йод, железо, марганец)

Вопрос 8. Составьте и заполните таблицу «Химические элементы и их значение в живой природе».

В состав клетки входит около 70 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева. В зависимости от того, в каком количестве химические элементы входят в состав веществ, образующих живой организм, принято выделять несколько их групп.

Одну группу (около 98% массы клетки) образуют четыре легких элемента: водород, кислород, углерод, азот. Их называют макроэлементами. Это главные компоненты всех органических соединений.

Другую группу составляют элементы, входящие в клетку в меньших количествах. Из них сера и фосфор наряду с макроэлементами входят в состав жизненно важных органических соединений – нуклеиновых кислот, белков, жиров, углеводов, гормонов, калий, натрий, магний, марганец, железо, хлор также выполняют важные функции в клетке. Элементы, содержащиеся в клетке в очень малых количествах, носят название микроэлементов.

Содержание тех или иных элементов зависит от их функциональной роли в клетке и организме, типа клеток, а также от биохимических особенностей различных групп организмов. В обмене веществ, которых эти элементы учувствуют. Большое значение имеет также способность организмов регулировать свой ионный состав. Так, растительные клетки содержат больше калия, чем животные. Во внеклеточной среде животных преобладает натрий.

Полярность молекул и способность образовывать водородные связи делают воду хорошим растворителем для огромного количества неорганических и органических веществ. Такие вещества носят название гидрофильных. Кроме того, вода обеспечивает как приток веществ в клетку, так и удаление из нее продуктов жизнедеятельности.

Вода обладает хорошей теплопроводностью и большой теплоемкостью, что позволяет температуре внутри клетки оставаться неизменной при изменяющейся температуре окружающей среды.

Большая часть неорганических веществ клетки находится в виде солей – либо диссоциированных на ионы, либо в твердом состоянии. Среди первых большое значение имеют катионы K, Na, Ca, которые обеспечивают раздражимость живых организмов. От концентрации солей внутри клетки зависят буферные свойства клетки. Буферность – способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию своего содержимого на постоянном уровне в меняющихся условиях среды.

Органические соединения в среднем составляют 20 – 30% массы клетки. К ним относятся биологические полимеры: белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, а также липиды и ряд небольших молекул – гормонов, пигментов, АТФ и др.

Белки. Белки среди органических веществ занимают первое место, как по количеству, так и по значению.

Белки состоят из 20 видов различных аминокислот. Общая их формула

H 2 N─HC─COOH,

где R – радикал различного строения. В левой части молекулы расположена аминная группа H 2 N, которая обладает свойствами основания; справа – карбоксильная группа COOH – кислотная, характерная для всех органических кислот. Следовательно, аминокислоты – амфотерные соединения, совмещающие свойства и кислоты, и основания. Соединяясь, молекулы аминокислот образуют связи между углеродом кислотной и азотом основной групп. Такие связи называют ковалентными, в данном случае – пептидными связями:

R 2 O H R 2 R 1 O H R 2

│ // \ │ │ ││ │ │

H 2 N─HC─C + N─HC─COOH → H 2 N─HC─C─N─HC─COOH + H 2 O

Соединение, состоящее из 20 и более аминокислотных остатков, носит название полипептида. Последовательность аминокислот в полипептидной цепи принято называть первичной структурой белка.

Однако молекула белка в виде цепи аминокислот, последовательно соединенных между собой пептидными связями, еще не способна выполнять специфические функции. Для этого необходима более высокая структурная организация. Посредством образования водородных связей между остатками карбоксильной и аминной групп разных аминокислот белковая молекула принимает вид спирали. Это вторичная структура белка. Но в большинстве случаев только молекула, обладающая третичной структурой, может выполнять биологическую роль. Третичная структура образуется благодаря взаимодействию радикалов, в частности радикалов аминокислоты цистеина, которые содержат серу. Атомы серы двух аминокислот, находящихся на некотором расстоянии друг от друга соединяются, образуя так называемые дисульфидные, или S – S-связи. Укладка полипептидных спиралей в глобулы (шары) и называется третичной структурой белка (рис.1).

Некоторые функции организма выполняются с участием белков с еще более высоким уровнем организации – четвертичной структурой. Например, гемоглобин, инсулин.

Утрата белковой молекулы структурной организации называется денатурацией (от лат. denaturare – лишить природных свойств).

Ренатурация – это свойство белков полностью восстанавливать утраченную структуру, если изменение среды не привело к разрушению первичной структуры.

Одна из важнейших функций белков в клетке – строительная : белки учувствуют в образовании всех клеточных мембран в органоидах клетки, а также внеклеточных структур.

Исключительно важное значение имеет каталитическая функция белков. Все биологические катализаторы – ферменты- вещества белковой природы. Они ускоряют химические реакции, протекающие в клетке, в десятки и сотни тысяч раз. Фермент катализирует только одну реакцию, т.е. он узкоспецифичен.

Двигательная функция организма обеспечивается сократительными белками. Эти белки учувствуют во всех видах движения, к которым способны клетки и организмы: мерцание ресничек и биение жгутиков у простейших, сокращение мышц у животных.

Транспортная функция белков заключается в присоединении химических элементов (например, кислорода) или биологически активных веществ (гормонов) и переносе их к различным тканям и органам тела.

При поступлении в организм чужеродных - белков или микроорганизмов в белых кровяных тельцах – лейкоцитах - образуются особые белки – антитела. Они связывают и обезвреживают несвойственные организму вещества. В этом выражается защитная функция белков.

Белки служат и одним из источников энергии в клетке, т.е. выполняют энергетическую функцию . При полном расщеплении 1г белка выделяется 17,6 кДж энергии.

Углеводы. Углеводы, или сахариды, - органические вещества с общей формулой C n (H 2 O) m .

Углеводы подразделяются на простые и сложные. Простые углеводы представляют собой моносахариды. В зависимости от числа атомов углерода в молекуле моносахариды называются триозами, тетрозами, пентозами (рибоза и дезоксирибоза), гексозами (глюкоза, галактоза).

Сложные углеводы, образованные многими моносахаридами, называются полисахаридами.

Углеводы выполняют две основные функции: строительную (хитин) и энергетическую (крахмал у растений и гликоген у животных – энергетический резерв). Углеводы – основной источник энергии в клетке. В процессе окисления 1г углеводов освобождается 17,6 кДж энергии.

Липиды. Липиды, или жиры, представляют собой соединение высокомолекулярных жирных кислот и трехатомного спирта глицерина. Жиры не растворяются в воде – они гидрофобны. В клетках всегда есть и другие жироподобные вещества – липоиды.

Одна из основных функций жиров – энергетическая . В ходе расщепления 1г жиров освобождается 38,9 кДж энергии. Содержание жира в клетке составляет 5-15% массы сухого вещества.

Липиды и липоиды выполняют и строительную функцию : они входят в состав клеточных мембран. Вследствие плохой теплопроводности жир способен выполнять функцию теплоизолятора . Образование некоторых липоидов предшествует синтезу ряда гормонов. Следовательно, этим веществам присуща и функция регуляции обменных процессов .

Нуклеиновые кислоты. Нуклеиновые (от лат. nucleus - ядро) кислоты - сложные орга­нические соединения. Они состоят из углерода, водорода, кисло­рода, азота и фосфора.

Существуют два типа нуклеиновых кислот - ДНК и РНК. Они могут находиться как в ядре, так и в цитоплазме и ее органоидах.

ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота. Это биологический полимер, состоящий из двух полинуклеотидных цепей, соединен­ных друг с другом. Мономеры - нуклеотиды, составляющие каж­дую из цепей ДНК, представляют собой сложные органические соединения. ДНК состоит из четырех азотистых оснований: произ­водных пуринов - аденина (А) и гуанина (Г) и производных пиримидинов - цитозина (Ц) и тимина (Т), пятиатомного сахара пентозы - дезоксирибозы, а также остатка фосфорной кислоты (рис.2 ).

В каждой цепи нуклеотиды соединяются между собой ковалентными связями: дезоксирибоза одного нуклеотида соединяется с остатком фосфорной кислоты последующего нуклеотида. Две цепи объединяются в единую молекулу водородными связями, возникающими между азотистыми основаниями, входящими в состав нуклеотидов, образующих разные цепи. Пространственная кон­фигурация азотистых оснований различна и количество таких свя­зей между разными азотистыми основаниями неодинаково. Вслед­ствие этого они могут соединяться только попарно: азотистое ос­нование аденин (А) одной цепочки пол и нуклеотида всегда связа­но двумя водородными связями с тимином (Т) другой цепи, а гуанин (Г) - тремя водородными связями с азотистым основа­нием цитозином (Ц) противоположной полинуклеотидной це­почки. Такая способность к избирательному соединению нуклео­тидов, в результате которого формируются пары А-Т и Г-Ц, называется комплементарностью (рис. 15). Если известна последо­вательность оснований в одной цепи (например, Т -Ц-А-Т-Г), то благодаря принципу комплементарности (дополнительности) станет, известна и противоположная последовательность основа­ний (А-Г-Т-А-Ц).

Рис.2 Участок молекулы ДНК. Комплементарное соединение нуклеотидов разных цепей.

Цепи нуклеотидов образуют правозакрученные объемные спи­рали по 10 оснований в каждом витке. Последовательность соеди­нения нуклеотидов одной цепи противоположна таковой в дру­гой, т.е. цепи, составляющие одну молекулу ДНК, разнонаправ­ленны, или антипараллельны: последовательность межнуклеотидных связей в двух цепях направле­на в противоположные стороны: 5" -3" и 3" -5". Сахаро-фосфатные группировки нуклеотидов находят­ся снаружи, а азотистые основа­ния - внутри. Цепи, закрученные друг относительно друга, а также вокруг общей оси, образуют двой­ную спираль. Такая структура мо­лекулы поддерживается в основном водородными связями (рис. 3).

Вторичную структуру ДНК впер­вые установили американский био­лог Дж.Уотсон и английский физик Ф. Крик.

Рис.3 Схема строения двойной спирали ДНК: А - плоскостная модель, жирной чертой обозначен сахаро-фосфатный остов; Б - объемная модель

При соединении ДНК с определенными белками (гистонами) степень спирализации молекулы повышается - возни­кает суперспиральДНК, толщина которой существенно возрастает, а длина сокращается (рис. 4). Единицей компактизации молекулы ДНК служит нуклеосома, основу которой составляют 8 молекул гистонов, по 2 каждого типа (Н2А, Н2В, НЗ и Н4). Поверхности этих белковых молекул несут положительные заряды и обра­зуют остов, вокруг которого может закручиваться отрица­тельно заряженная молекула ДНК. В каждую нуклеосому вхо­дит от 146 до 200 пар нуклеоти­дов. Гистон пятого типа - Н1 - соединяется с участками ДНК, связывающими одну нуклеосо­му с другой.. Такая ДНК носит название линейной или соеди­нительной - линкерной. Нуклео

сомы расположены вдоль ДНК на определенном расстоянии,неодинаковом в зависимости от типа клеток - от 20 до 50 нм. Так образуется структура, похожая на бусы, где каждая бусина - нуклеосома.

Рис. 4 Схема образования супер­спирали ДНК.

Линейная ДНК

Нуклеосомы и линкерная ДНК в свою очередь упакованы в фибриллы, которые в хромосоме образуют петли. Более высокие уровни спирализации позволяют значительно сократить длину молекулы ДНК. Достаточно сказать, что общая длина мо­лекул ДНК, входящих в состав хромосом человека, составляет 1,74 м, располагаются они в клетках, имеющих диаметр 5 -7 мкм. Такую молекулу, тщательно «упакованную» белками, можно на­блюдать в световой микроскоп во время деления клеток в виде хорошо окрашивающегося вытянутого тельца -хромосомы.

РНК - рибонуклеиновая кислота. РНК,так же как и ДНК, представляет собой полимер, мономерами которого являются нук­леотиды, близкие к нуклеотидам ДНК. Азотистые основания трех нуклеотидов те же самые, что входят в состав ДНК(аденин, гуа­нин, цитозин), четвертое основание - урацил (У) присутствует только в молекуле РНК(вместо тимина). Нуклеотиды РНК отли­чаются от нуклеотидов ДНК и по строению входящего в их состав углевода: они включают другую пентозу - рибозу (вместо дезо-ксирибозы). В цепочке РНКнуклеотиды соединяются благодаря образованию ковалентных связей между рибозой одного нуклео-гида и остатком фосфорной кислоты другого.

По структуре различают двухцепочечные и одноцепочечные РНК. Двухцепочечные РНК- хранители генетической информа­ции у ряда вирусов, т.е. выполняют у них функции хромосом. Одноцепочечные иРНК переносят информацию о последовательности аминокислот в белках (т.е. о структуре белков) от хромосом к месту их синтеза и участвуют в синтезе белков.

Рис.5 Схема строение тРНК: А,Б, В, Г- участки комплементар­ного соединения внутри одной моле­кулы РНК; Д - участок (активный центр) соединения с аминокислотой; Е - участок (активный центр) комп­лементарного соединения с молекулой и РНК (антикодон)

Существует несколько видов одноцепочечных РНК. Их названия обусловлены выполняемой функцией или местонахождением в клетке. Большую часть РНК цитоплазмы (до 80 - 90%) состав­ляет рибосомная РНК (рРНК), содержащаяся в рибосомах. Моле­кулы рРНК относительно невелики и состоят из 3 - 5 тыс. нуклеотидов. Другой вид РНК - информационная (иРНК), перенося­щая к рибосомам информацию о последовательности аминокис­лот в белках, которые должны синтезироваться. Размеры этих РНК зависят от длины участка ДНК, на котором они синтезированы. Молекулы и РНК могут состоять из 300 - 30 000 нуклеотидов. Тран­спортные РНК (тРНК) включают 76 - 85 нуклеотидов (рис.) и выполняют несколько функций. Они доставляют аминокислоты к месту синтеза белка и осуществляют точную ориентацию ами­нокислоты (по принципу комплементарности) на рибосоме. тРНК имеют два активных центра, один из которых соединяется с опре­деленной аминокислотой, а другой, состоящий из трех нуклеоти­дов, служит для комплементарного соединения с молекулой иРНК. Этот участок называется антикодоном.

Клетки живых организмов по своему химическому составу значительно отличаются от окружающей их неживой среды и по структуре химических соединений, и по набору и содержанию химических элементов. Всего в живых организмах присутствует (обнаружено на сегодняшний день) около 90 химических элементов, которые, в зависимости от их содержания, разделяют на 3 основных группы: макроэлементы , микроэлементы и ультрамикроэлементы .

Макроэлементы.

Макроэлементы в значительных количествах представлены в живых организмах, начиная от сотых долей процента до десятков процентов. Если содержание какого-либо химического вещества в организме превышает 0.005% от массы тела, такое вещество относят к макроэлементам. Они входят в состав основных тканей: крови, костей и мышц. К ним относятся, например, следующие химические элементы: водород, кислород, углерод, азот, фосфор, сера, натрий, кальций, калий, хлор. Макроэлементы в сумме составляют около 99% от массы живых клеток, причем большая часть (98%) приходится именно на водород, кислород, углерод и азот.

В таблице ниже представлены основные макроэлементы в организме:

Для всех четырех самых распространенных в живых организмах элементов (это водород, кислород, углерод, азот, как было сказано ранее) характерно одно общее свойство. Этим элементам не хватает одного или нескольких электронов на внешней орбите для образования стабильных электронных связей. Так, атому водорода для образования стабильной электронной связи не хватает одного электрона на внешней орбите, атомам кислорода, азота и углерода — двух, трех и четырех электронов соответственно. В связи с этим, эти химические элементы легко образуют ковалентные связи за счет спаривания электронов, и могут легко взаимодействовать друг с другом, заполняя свои внешние электронные оболочки. Кроме этого, кислород, углерод и азот могут образовывать не только одинарные, но и двойные связи. В результате чего существенно увеличивается количество химических соединений, которые могут образовываться из этих элементов.

Кроме того, углерод, водород и кислород — наиболее легкие среди элементов, способных образовывать ковалентные связи. Поэтому они оказались наиболее подходящими для образования соединений, входящих в состав живой материи. Необходимо отметить отдельно еще одно важное свойство атомов углерода — способность образовывать ковалентные связи сразу с четырьмя другими атомами углерода. Благодаря этой способности создаются каркасы из огромного количества разнообразных органических молекул.

Микроэлементы.

Хотя содержание микроэлементов не превышает 0,005% для каждого отдельного элемента, а в сумме они составляют всего лишь около 1% массы клеток, микроэлементы необходимы для жизнедеятельности организмов. При их отсутствии или недостаточном содержании могут возникать различные заболевания. Многие микроэлементы входят в состав небелковых групп ферментов и необходимы для осуществления их каталитической функции.
Например, железо является составной частью гема, который входит в состав цитохромов, являющихся компонентами цепи переноса электронов, и гемоглобина — белка, который обеспечивает транспорт кислорода от легких к тканям. Дефицит железа в организме человека вызывает развитие анемии. А недостаток йода, входящего в состав гормона щитовидной железы — тироксина, приводит к возникновению заболеваний, связанных с недостаточностью этого гормона, таких как эндемический зоб или кретинизм.

Примеры микроэлементов представлены в таблице ниже:

Ультрамикроэлементы.

В состав группы ультрамикроэлементов входят элементы, содержание которых в организме крайне мало (менее 10 -12 %). К ним относятся бром, золото, селен, серебро, ванадий и многие другие элементы. Большинство из них также необходимы для нормального функционирования живых организмов. Например, нехватка селена может привести к возникновению раковых заболеваний, а недостаток бора — причина некоторых заболеваний у растений. Многие элементы этой группы также, как и микроэлементы, входят в состав ферментов.

"Биология. Живой организм. 6 класс". Н.И. Сонин

Химический состав растительной и животной клеток

Вопрос 1.
В состав клетки входит около 80 химических элементов периодической системы Д. И. Менделеева. Все эти элементы встречаются и в неживой природе, что служит одним из доказательств общности живой и неживой природы. Однако соотношение химических элементов в живых организмах иное, чем в объектах неодушевленной природы. В живом организме большинство элементов находится в виде химических соединений - веществ, растворенных в воде.Только в живых организмах содержатся органические вещества: белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты

Вопрос 2.
Химический состав растительной и животной клеток сходен. Все живые организмы состоят из одних и тех же элементов, неорганических и органических соединений. Но содержание разных элементов в различных клетках отличается. В каждый тип клеток входит неодинаковое количество определенных органических молекул. В растительных клетках преобладают сложные углеводы (клетчатка, крахмал), в животных больше белков и жиров. Каждая из групп органических веществ (белки, углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты) в любом типе клеток выполняет свойственные ей функции (нуклеиновая кислота хранение и передачу наследственной информации, угле- воды - энергетическую и т.

Вопрос 3.
В клетке обнаружены многие элементы периодической системы Менделеева. Функции 27 из них определены. Наиболее распространены углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера. Они составляют 99% общей массы клетки.
Химические элементы, входящие в состав клеток, делят на три группы: макроэлементы , микроэлементы , ультрамикроэлементы .
1. Макроэлементы : С, Н, N, Са, К, Мg, Nа, Fе, S, Р, С1. На долю этих элементов приходится более 99% всей массы клетки. Концентрация некоторых из них велика. На кислород приходится 65-75%; углерод - 15-18%; азот - 1,5-3%.
2. Микроэлементы : Си, В, Со, Мо, Мn, Ni, Вr, I и другие. На их долю в клетке суммарно приходится более 0,1%; концентрация каждого не превышает 0,001%. Это ионы металлов, входящие в состав биологически активных веществ (гормонов, ферментов и др.). Например, кобальт входит в состав витамина ВО, С, Н, N, Са, К, Мg, Nа, Fе 12 , участвующего в кроветворении, а фтор - в клетки эмали зубов.
3. Ультрамикроэлементы : уран, золото, бериллий, ртуть, цезий, селен и другие. Их концентрация не превышает 0,000001%. Физиологическая роль многих из них не установлена.

Вопрос 4.
Органические соединения составляют в среднем 10% массы клетки живого организма. К ним относятся биологические полимеры - белки, нуклеиновые кислоты и углеводы, а также жиры и ряд небольших молекул -

Вопрос 5.
Белки - высокомолекулярные полимерные органические вещества, определяющие структуру и жизнедеятельность клетки и организма в целом. Белки составляют 10-18% от общей массы клетки.
Белки выполняют следующие функции:
ферментативную (например, амилаза, расщепляет углеводы);
структурную (например, входят в состав мембран клетки);
рецепторную (например, родопсин, способствует лучшему зрению);
транспортную (например, гемоглобин, переносит кислород или диоксид углерода);
защитную (например, иммуноглобулины, участвуют в образовании иммунитета);
двигательную (например, актин, миозин, участвуют в сокращении мышечных волокон);
гормональную (например, инсулин, превращает глюкозу в гликоген);
энергетическую (при расщеплении 1 г белка выделяется 4,2 ккал энергии).

Вопрос 6.
Углеводы играют роль основного источника энергии в клетке. В процессе окисления 1г углеводов освобождается 17,6 кДж энергии. Крахмал у растений и гликоген у животных, откладываясь в клетках, служит энергетическим резервом. Живые организмы могут запасать углеводы в виде крахмала (у растений) и гликогена (у животных и грибов). В клубнях картофеля крахмал может составлять до 80% массы, а у животных особенно много углеводов в клетках печени и мышцах - до 5%.
Углеводы выполняют и другие функции, например опорную и защитную. Например, целлюлоза образует стенки растительных клеток: сложный полисахарид хитин - главный структурный компонент наружного скелета членистоногих. Строительную функцию хитин выполняет и у грибов. Входят в состав ДНК, РНК и АТФ в виде дезоксирибозы и рибозы.

Вопрос 7.
Жиры выполняют в организме ряд функций:
структурная (принимают участие в построении мембраны);
энергетическая (при распаде в организме 1 г жира выделяется 9,2 ккал энергии - в 2,5 раза больше, чем при распаде того же количества углеводов);
защитная (от потери тепла, механических повреждений);
жир - источник эндогенной воды (при окислении 10 г жира выделяется 11 г воды). Это очень важно для животных, впадающих в зимнюю спячку, - сусликов, сурков: благодаря своим подкожным жировым запасам, они могут не пить в это время до двух месяцев. Верблюды во время переходов по пустыне обходятся без питья до двух недель - необходимую организму воду они извлекают из своих горбов - вместилищ жира.
регуляция обмена веществ (например, стероидные гормоны - кортикостерон и др.).

Вопрос 8.
Самое распространенное неорганическое соединение в живых организмах - вода. Ее содержание и клетках разного типа колеблется в широких пределах: в клетках эмали зубов воды около 10%, а в клетках размножающегося зародыша - более 90%. В теле медузы воды до 98%. Но в среднем в многоклеточном организме вода составляет около 80% массы тела. Её основные функции следующие:
1. Универсальный растворитель.
2. Среда, в которой протекают биохимические реакции.
3. Определяет физиологические свойства клетки (ее упругость, объем).
4. Участвует в химических реакциях.
5. Поддерживает тепловое равновесие клетки и организма в целом благодаря высокой теплоемкости и теплопроводности.
6. Основное средство для транспорта веществ.

Вопрос 9.
К углеводам относят следующие природные органические соединения: глюкозу, фруктозу, сахарозу, мальтозу, лактозу, рибозу, дезоксирибозу, хитин, крахмал, гликоген и целлюлозу.

Вопрос 10.
Значение нуклеиновых кислот очень велико. Особенности их химического строения обеспечивают возможность хранения, переноса в цитоплазму и передачи по наследству дочерним клеткам информации о структуре белковых молекул, которые синтезируются в каждой клетке. Они входят в состав хромосом - особых структур, расположенных в клеточном ядре. Нуклеиновые кислоты находятся также в цитоплазме и ее органоидах.

Вопрос 11.
В земной коре наиболее распространены кремний, алюминий, кислород и натрий (около 90%). В живых организмах около 98% массы составляют четыре элемента: водород, кислород, углерод и азот. Такое различие обусловлено особенностями химических свойств перечисленных элементов, вследствие чего они оказались наиболее подходящими для формирования молекул, выполняющих биологические функции. Водород, кислород, углерод и азот способны образовывать прочные химические связи, благодаря чему получаются самые разнообразные химические соединения. В состав живых организмов входят органические вещества (белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты) и неорганические вещества (вода, минеральные соли).

Тест «Клетка» 2 вариант 5 класс

1. Объект для исследований при работе с микроскопом и штативной лупой размещается

на предметном столике

на столе

на объективе

на штативе

2. 98% массы любой клетки составляют элементы:

углерод, водород, кислород, сера

углерод, водород, кислород, азот

углерод, водород, железо, азот

углерод, кальций, кислород, азот

3. Изобретателем микроскопа считают

Роберт Гук

Чарлз Дарвин

Архимед

Антони ван Левенгук

4. Световой микроскоп способен увеличивать объекты в:

2-20 раз

10-25 раз

200-1000 раз

80-3600 раз

5. Форма, объем клетки зависит от:

углеводов

белков

жиров

воды

6. Хлоропласты придают растениям окраску

зелёную

малиновую

фиолетовую

белую

7. Увеличение микроскопа равно:

сумме увеличений объектива и окуляра

произведению увеличений объектива и окуляра

увеличению объектива

увеличению окуляра

8. Если на клубень картофеля капнуть раствором йода, то он посинеет. Это доказывает присутствие в нем:

белков

жиров

крахмала

воды

9. Бесцветное вязкое вещество, находящееся внутри клетки, называется

целлюлоза

цитоплазма

вакуоль

клеточный сок

10. Зола, оставшаяся после сжигания семян это:

минеральные соли

углеводы

белки

жиры

11. Особенностью растительной клетки является наличие:

клеточной стенки из целлюлозы

ядра

вакуолей

хромосом

12. Хранение и передача наследственной информации в клетке осуществляется при помощи:

белков

жиров

углеводов

нуклеиновых кислот

13. При разрушении межклеточного вещества происходит:

разъединение клеток и образование межклетников

разъединение и гибель клеток

нарушение обмена веществ в клетке

нарушение перемещения цитоплазмы в клетке

14. Рассчитайте увеличение микроскопа, если его окуляр даёт 10-кратное увеличение, а объектив - 40-кратное увеличение

400

4000

15. Основной строительный материал в клетках организма

жиры

углеводы

белки

вода

16. Соматические клетки человека содержат:

6 пар хромосом

23 пары хромосом

32 пары хромосом

46 пар хромосом

17. Особые отверстия в клеточной мембране называются

митохондрии

вакуоли

поры

ворсинки

18. Часть микроскопа и штативной лупы, предназначенная для фокусировки на объекте исследования

штатив

тубус

объектив

винт

19. Клетки живых организмов открыл учёный

Антони ван Левенгук

Роберт Гук

Роберт Броун

Карл Линней

20. В растительной клетке целлюлоза входит в состав органоида

Ядро

Пластиды

Клеточная мембрана

Клеточная оболочка

21. Пластиды могут быть. (Выберите три правильных ответа)

синими

белыми

чёрными

зелёными

бесцветными

красными, жёлтыми или оранжевыми

22. Что за предмет изображен. Сделайте подписи к рисунку.

1

2

3

4

1 –

2 –

3 –

4 –

23. Установите правильную последовательность деления клетки.

A. Удвоение числа хромосом

Б. Увеличение размеров ядра

B. Расхождение парных хромосом к полюсам клетки

Г. Рассасывание оболочки ядра

Д. Выстраивание хромосом в области экватора клетки

Е. Рассасывание ядрышка

Ж. Образование дочерних клеток

З. Деление цитоплазмы

И. Формирование ядра

24. Установите соответствие между возрастом клетки и особенностями её строения и функций:

25. Установите соответствие между процессами жизнедеятельности и особенностями протекания этих процессов.

А

Питание

Рост

Раздражимость

Размножение клеток

Реакция организма на внешние и внутренние раздражители

Поглощение кислорода и выделение углекислого газа

Увеличение размеров клетки

Поглощение питательных веществ и выделение продуктов распада