Неорганические вещества, входящие в состав клетки
Цель урока: изучить химический состав клетки, выявить роль неорганических веществ.
Задачи урока:
образовательная: показать многообразие химических элементов и соединений, входящих в состав живых организмов, значение их в процессе жизнедеятельности;
развивающая: продолжить формирование умений и навыков самостоятельной работы с учебником, умение выделять главное, формулировать выводы;
воспитательная: воспитывать ответственное отношение к выполнению полученных заданий.
Оборудование: мультимедийный проектор, презентация, раздаточный материал.
План урока
I. Организационный момент.
Приветствие; – подготовка аудитории к работе; – наличие учащихся.
II. Мотивация учебной деятельности.
– Перед вами набор слов: медь, белки, железо, углеводы, жиры, витамины, магний, золото, сера, кальций, фосфор.
– На какие две группы по своему значению можно поделить эти слова? Ответ поясните. (Органические и неорганические; химические вещества и химические элементы).
– Кто из вас может назвать роль тех или иных веществ, элементов в жизнедеятельности живых организмов?
– Поставьте перед собой цель и задачи нашего урока, исходя из названия темы.
III. Изложение нового материала.
Презентация. Презентация включает сразу 3 урока по данной теме. Начинаем работу с ключевого второго слайда: по гиперссылке переходим на нужный урок.
3-й слайд: беседа по схеме “Содержание химических элементов в теле человека”.:
– В состав клетки входит около 80 различных химических элементов, которые встречаются в объектах неживой природы. О чём это может говорить? (об общности живой и неживой природы). 27 элементов выполняют определенные функции, остальные попадают в организм с пищей, водой воздухом.
– Назовите, какие химические элементы и в каком количестве содержатся в теле человека?
– Все химические соединения, которые содержатся в живых организмах, делятся на группы.
– Пользуясь таблицей, составьте схему “Основные группы химических элементов в природе” (см. таблицу “Элементы, входящие в состав клеток живых организмов”, см таблица 1 ). Кислород, водород, углерод, азот, сера и фосфор являются необходимыми компонентами молекул биологических полимеров (белки, нуклеиновые кислоты), их часто называют биоэлементами.
Схема
Слайд 5: Начни заполнять таблицу – опорный конспект в тетради (данная таблица будет дополняться на последующих уроках, см таблицу 2 ).
– Из всех химических соединений, содержащихся в живых организмах, вода составляет 75 – 85 % от массы тела.
– В связи с чем необходимо такое количество воды? Какие функции выполняет вода в живом организме?
– Вы уже знаете, что строение и функции взаимосвязаны. Рассмотрим более подробно строение молекулы воды, чтобы выяснить, почему вода обладает такими свойствами. По ходу объяснения вы заполняете опорный конспект в тетради (см. слайд 5).
Слайды 6 – 7 демонстрируют особенности строения молекулы воды, её свойства.
– Из числа неорганических соединений, входящих в состав организмов, наибольшее значение имеют соли минеральных кислот и соответствующие катионы и анионы. Хотя потребность человека и животных в минеральных веществах выражается десятками и даже тысячными долями грамма, однако отсутствие в пище какого – либо из биологически важных элементов ведёт к тяжёлым заболеваниям.
– Заполните таблицу, графу “Минеральные соли”, используя материал учебника с.104 – 107. (Слайд 8, по гиперссылке перейдём на проверку выполненной работы).
– Приведите примеры, доказывающие роль минеральных солей в жизнедеятельности живых организмов.
IV. Закрепление нового материала:
несколько учащихся (сколько компьютеров в классе) выполняют интерактивный тест 1 “Неорганические вещества клетки”;
остальные выполняют задания на тренировку мышления и умения делать выводы (раздаточный материал):
Между первыми двумя терминами существует определённая связь. Между четвёртым и одним из приведённых ниже понятий существует такая же связь. Найдите его:
1. Йод: щитовидная железа = фтор: ___________________
а) Поджелудочная железа б) эмаль зубов в) нуклеиновая кислота г) надпочечники
2. Железо: гемоглобин = __________: хлорофилл:
а) кобальт б) медь в) йод г) магний
3. Выполняют цифровой диктант “Молекулы”. 1. Водородные связи – самые слабые связи в молекуле (1). 2. Структура и состав – это одно и то же (0). 3. Состав всегда определяет структуру (0). 4. Состав и структура молекулы определяют её свойства (1). 5. Полярностью молекул воды объясняется её свойство медленно нагреваться и остывать (0). 6. Атом кислорода в молекуле воды несёт положительный заряд. (0)
V. Итог урока.
– Выполнили ли вы поставленные перед собой цель и задачи урока? Что нового для себя вы открыли на этом уроке?
Литература:
Биология. 9 класс: поурочные планы по учебнику С.Г.Мамонтова, В.Б.Захарова, Н.И.Сонина / авт. – сост. М.М.Гуменюк. Волгоград: Учитель, 2006.
Лернер Г.И. Общая биология. Поурочные тесты и задания. 10 – 11 класс./ – М.: Аквариум, 1998.
Мамонтов С.Г., Захаров В.Б., Сонин Н.И. Биология. Общие закономерности. 9 кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. – М.: Дрофа, 2000.
CD Комплект цифровых образовательных ресурсов к учебнику Теремов А.В., Петросова Р.А., Никишов А.И. Биология. Общие закономерности жизни: 9 кл. гуманит изд. центр ВЛАДОС, 2003. ООО “Физикон”, 2007.
Учебник для 10-11 классов
Раздел I. Клетка - единица живого
Глава I. Химический состав клетки
В живых организмах содержится большое количество химических элементов. Они образуют два класса соединений - органические и неорганические. Химические соединения, основой строения которых являются атомы углерода, составляют отличительный признак живого. Эти соединения называют органическими. Органические соединения чрезвычайно многообразны, но только четыре класса их имеют всеобщее биологическое значение: белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды.
§ 1. Неорганические соединения
Биологически важные химические элементы. Из известных нам более 100 химических элементов в состав живых организмов входят около 80, причем только в отношении 24 известно, какие функции в клетке они выполняют. Набор этих элементов не случаен. Жизнь зародилась в водах Мирового океана, и живые организмы состоят преимущественно из тех элементов, которые образуют легко растворимые в воде соединения. Большинство таких элементов принадлежит к числу легких, их особенностью является способность вступать в прочные (ковалентные) связи и образовывать множество различных сложных молекул.
В составе клеток человеческого тела преобладают кислород (более 60%), углерод (около 20%) и водород (около 10%). На азот, кальций, фосфор, хлор, калий, серу, натрий, магний, вместе взятые, приходится около 5%. Остальные 13 элементов составляют не более 0,1%. Сходный элементный состав имеют клетки большинства животных; отличаются лишь клетки растений и микроорганизмов. Даже те элементы, которые в клетках содержатся в ничтожно малых количествах, ничем не могут быть заменены и совершенно необходимы для жизни. Так, содержание иода в клетках не превышает 0,01%. Однако при недостатке его в почве (из-за этого и в пищевых продуктах) задерживается рост и развитие детей. Содержание меди в клетках животных не превышает 0,0002%. Но при недостатке меди в почве (отсюда и в растениях) возникают массовые заболевания сельскохозяйственных животных.
Значение для клетки основных элементов приведено в конце этого параграфа.
Неорганические (минеральные) соединения. В состав живых клеток входит ряд относительно простых соединений, которые встречаются и в неживой природе - в минералах, природных водах. Это неорганические соединения.
Вода - одно из самых распространенных веществ на Земле. Она покрывает большую часть земной поверхности. Почти все живые существа состоят в основном из воды. У человека содержание воды в органах и тканях варьирует от 20% (в костной ткани) до 85% (в головном мозге). Около 2/3 массы человека составляет вода, в организме медузы до 95% воды, даже в сухих семенах растений вода составляет 10-12%.
Вода обладает некоторыми уникальными свойствами. Свойства эти настолько важны для живых организмов, что нельзя представить жизнь без этого соединения водорода и кислорода.
Уникальные свойства воды определяются структурой ее молекул. В молекуле воды один атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода (рис. 1). Молекула воды полярна (диполь). Положительные заряды сосредоточены у атомов водорода, так как кислород электроотрицательнее водорода.
Рис. 1. Образование водородных связей в воде
Отрицательно заряженный атом кислорода одной молекулы воды притягивается к положительно заряженному атому водорода другой молекулы с образованием водородной связи (рис. 1).
По прочности водородная связь примерно в 15-20 раз слабее ковалентной связи. Поэтому водородная связь легко разрывается, что наблюдается, например, при испарении воды. Вследствие теплового движения молекул в воде одни водородные связи разрываются, другие образуются.
Таким образом, в жидкой воде молекулы подвижны, что немаловажно для процессов обмена веществ. Молекулы воды легко проникают через клеточные мембраны.
Из-за высокой полярности молекул вода является растворителем других полярных соединений. В воде растворяется больше веществ, чем в любой другой жидкости. Именно поэтому в водной среде клетки осуществляется множество химических реакций. Вода растворяет продукты обмена веществ и выводит их из клетки и организма в целом.
Вода обладает большой теплоемкостью, т. е. способностью поглощать теплоту при минимальном изменении собственной температуры. Благодаря этому она предохраняет клетку от резких изменений температуры. Поскольку на испарение воды расходуется много теплоты, то, испаряя воду, организмы могут защищать себя от перегрева (например, при потоотделении).
Вода обладает высокой теплопроводностью. Такое свойство создает возможность равномерного распределения теплоты между тканями тела.
Вода служит растворителем для «смазочных» материалов, необходимых везде, где есть трущиеся поверхности (например, в суставах).
Вода имеет максимальную плотность при 4°С. Поэтому лед, обладающий меньшей плотностью, легче воды и плавает на ее поверхности, что защищает водоем от промерзания.
По отношению к воде все вещества клетки разделяются на две группы: гидрофильные - «любящие воду» и гидрофобные - «боящиеся воды» (от греч. «гидро» - вода, «филео» - любить и «фобос» - боязнь).
К гидрофильным относятся вещества, хорошо растворимые в воде. Это соли, сахара, аминокислоты. Гидрофобные вещества, напротив, в воде практически нерастворимы. К ним относятся, например, жиры.
Клеточные поверхности, отделяющие клетку от внешней среды, и некоторые другие структуры состоят из водонерастворимых (гидрофобных) соединений. Благодаря этому сохраняется структурная целостность клетки. Образно клетку можно представить в виде сосуда с водой, где протекают биохимические реакции, обеспечивающие жизнь. Стенки этого сосуда нерастворимы в воде. Однако они способны избирательно пропускать водорастворимые соединения.
Помимо воды, в числе неорганических веществ клетки нужно назвать соли, представляющие собой ионные соединения. Они образованы катионами калия, натрия, магния и иных металлов и анионами соляной, угольной, серной, фосфорной кислот. При диссоциации таких солей в растворах появляются катионы (К + , Na + , Са 2+ , Mg 2+ и др.) и анионы (СI - , НСО 3 - , HS0 4 - и др.). Концентрация ионов на внешней поверхности клетки отличается от их концентрации на внутренней поверхности. Разное число ионов калия и натрия на внутренней и внешней поверхности клетки создает разность зарядов на мембране. На внешней поверхности клеточной мембраны очень высокая концентрация ионов натрия, а на внутренней поверхности очень высокая концентрация ионов калия и низкая - натрия. Вследствие этого образуется разность потенциалов между внутренней и внешней поверхностью клеточной мембраны, что обусловливает передачу возбуждения по нерву или мышце.
Ионы кальция и магния являются активаторами многих ферментов, и при недостатке их нарушаются жизненно важные процессы в клетках. Ряд важных функций выполняют в живых организмах неорганические кислоты и их соли. Соляная кислота создает кислую среду в желудке животных и человека и в специальных органах насекомоядных растений, ускоряя переваривание белков пищи. Остатки фосфорной кислоты (Н 3 Р0 4), присоединяясь к ряду ферментных и иных белков клетки, изменяют их физиологическую активность. Остатки серной кислоты, присоединяясь к нерастворимым в воде чужеродным веществам, придают им растворимость и способствуют таким образом выведению их из клеток и организмов. Натриевые и калиевые соли азотистой и фосфорной кислот, кальциевая соль серной кислоты служат важными составными частями минерального питания растений, их вносят в почву как удобрения для подкормки растений. Более подробно значение для клетки химических элементов приведено ниже.
Биологически важные химические элементы клетки
- Какова биологическая роль воды в клетке?
- Какие ионы содержатся в клетке? Какова их биологическая роль?
- Какую роль играют содержащиеся в клетке катионы?
В состав клетки входит около 70 элементов Периодической системы элементов Менделеева, а 24 из них присутствуют во всех типах клеток. Все присутствующие в клетке элементы делятся, в зависимости от их содержания в клетке, на группы :
- макроэлементы – H, O, N, C,. Mg, Na, Ca, Fe, K, P, Cl, S;
- микроэлементы – В, Ni, Cu, Co, Zn, Mb и др.;
- ультрамикроэлементы – U, Ra, Au, Pb, Hg, Se и др.
- органогены (кислород, водород, углерод, азот),
- макроэлементы,
- микроэлементы.
В состав клетки входят молекулы неорганических и органических соединений.
Неорганические соединения клетки
– вода
и неорганические
ионы.
Вода
– важнейшее неорганическое вещество клетки. Все биохимические реакции происходят в водных растворах. Молекула воды имеет нелинейную пространственную структуру и обладает полярностью. Между отдельными молекулами воды образуются водородные связи, определяющие физические и химические свойства воды.
|
Физические свойства воды |
Значение для биологических процессов |
|
Высокая теплоемкость (из-за водородных связей между молекулами) и теплопроводность (из-за небольших размеров молекул) |
Транспирация |
|
Прозрачность в видимом участке спектра |
Высокопродуктивные биоценозы прудов, озер, рек (из-за возможности фотосинтеза на небольшой глубине) |
|
Практически полная несжимаемость (из-за сил межмолекулярного сцепления) |
Поддержание формы организмов: форма сочных органов растений, положение трав в пространстве, гидростатический скелет круглых червей, медуз, амниотическая жидкость поддерживает и защищает плод млекопитающих |
|
Подвижность молекул (из-за слабости водородных связей) |
Осмос: поступление воды из почвы; плазмолиз |
|
Вязкость (водородные связи) |
Смазывающие свойства: синовиальная жидкость в суставах, плевральная жидкость |
|
Растворитель (полярность молекул) |
Кровь, тканевая жидкость, лимфа, желудочный сок, слюна, у животных; клеточный сок у растений; водные организмы используют растворенный в воде кислород |
|
Способность образовывать гидратационную оболочку вокруг макромолекул (из-за полярности молекул) |
Дисперсионная среда в коллоидной системе цитоплазмы |
|
Оптимальное для биологических систем значение сил поверхностного натяжения (из-за сил межмолекулярного сцепления) |
Водные растворы – средство передвижения веществ в организме |
|
Расширение при замерзании (из-за образования каждой молекулой максимального числа – 4 – водородных связей_ |
Лед легче воды, выполняет в водоемах функцию теплоизолятора |
Неорганические ионы
:
катионы K+, Na+, Ca2+ , Mg2+ и анионы Cl–, NO3- , PO4 2-, CO32-, НPO42-.
Разность между количеством катионов и анионов (Nа+
, К+
, Сl-) на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникновение потенциала действия, что лежит в основе нервного и мышечного возбуждения
.
Анионы фосфорной кислоты создают фосфатную буферную систему
, поддерживающую рН внутриклеточной среды организма на уровне 6-9.
Угольная кислота и ее анионы создают бикарбонатную буферную систему
и поддерживают рН внеклеточной среды (плазмы крови) на уровне 7-4.
Соединения азота служат источником
минерального питания, синтеза белков, нуклеиновых кислот.
Атомы фосфора входят в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов, а также костей позвоночных, хитинового покрова членистоногих.
Ионы кальция входят в состав вещества костей; они также необходимы для осуществления мышечного сокращения, свертывания крови.
Таблица. Роль макроэлементов на клеточном и организменном уровне организации.
Таблица.
Тематические задания
Часть А
А1.
Полярностью воды обусловлена ее способность
1) проводить тепло
3) растворять хлорид натрия
2) поглощать тепло
4) растворять глицерин
А2
. Больным рахитом детям необходимо давать препараты, содержащие
1) железо
2) калий
3) кальций
4) цинк
А3
. Проведение нервного импульса обеспечивается ионами:
1) калия и натрия
2) фосфора и азота
3) железа и меди
4) кислорода и хлора
А4
. Слабые связи между молекулами воды в ее жидкой фазе называются:
1) ковалентными
2) гидрофобными
3) водородными
4) гидрофильными
А5
. В состав гемоглобина входит
1) фосфор
2) железо
3) сера
4) магний
А6
. Выберите группу химических элементов, обязательно входящую в состав белков
1) Na, K, O, S
2) N, P, C, Cl
3) C, S, Fe, O
4) C, H, O, N
А7
. Пациентам с гипофункцией щитовидной железы дают препараты, содержащие
1) йод
2) железо
3) фосфор
4) натрий
Часть В
В1
. Выберите функции воды в клетке
1) энергетическая
2) ферментативная
3) транспортная
4) строительная
5) смазывающая
6) терморегуляционная
В2
. Выберите только физические свойства воды
1) способность к диссоциации
2) гидролиз солей
3) плотность
4) теплопроводность
5) электропроводность
6) донорство электронов
Часть С
С1 . Какие физические свойства воды определяют ее биологическое значение?
Клетка – элементарная единица живого, обладающая всеми признаками организма: способностью к размножению, росту, обмену веществ и энергией с окружающей средой, раздражимостью, постоянством химического сотсава.
Макроэлементы – элементы, количество которых в клетке составляет до 0.001% от массы тела. Примеры – кислород, углерод, азот, фосфор, водород, сера, железо, натрий, кальций и др.
Микроэлементы – элементы, количество которых в клетке составляет от 0.001% до 0.000001% от массы тела. Примеры – бор, медь, кобальт, цинк, йод и др.
Ультрамикроэлементы – элементы, содержание которых в клетке не превышает 0.000001% от массы тела. Примеры – золото, ртуть, цезий, селен и др.
2. Составьте схему «Вещества клетки».
3. О чем говорит научный факт сходства элементарного химического состава живой и неживой природы?
Это указывает на общность живой и неживой природы.
Неорганические вещества. Роль воды и минеральных веществ в жизнедеятельности клетки.
1. Дайте определения понятий.
Неорганические вещества – это вода, минеральные соли, кислоты, анионы и катионы, присутствующие как в живых, так и в неживых организмах.
Вода – одно из самых распространенных неорганических веществ в природе, молекула которого состоит из двух атомов водорода и одного атом кислорода.
2. Нарисуйте схему «Строение воды».
3. Какие особенности строения молекул воды придают ей уникальные свойства, без которых невозможна жизнь?
Структура молекулы воды образована двумя атомами водорода и одним атомом кислорода, которые образуют диполь, то есть вода имеет две полярности "+"и"-".Это способствует ее проницаемости через стенки мембраны, способностью растворять химические вещества. Кроме того, диполи воды связываются водородными связями друг с другом, что обеспечивает ее способность быть в различных агрегатных состояниях, а также - растворять или не растворять различные вещества.
4. Заполните таблицу «Роль воды и минеральных веществ в клетке».
5. Каково значение относительного постоянства внутренней среды клетки в обеспечении процессов ее жизнедеятельности?
Постоянство внутренней среды клетки называется гомеостазом. Нарушение гомеостаза влечёт к повреждению клетки или к её смерти, в клетке постоянно происходит пластический обмен и энергетический обмен, это две составляющие метаболизма, и нарушение этого процесса ведёт к повреждению или к гибели всего организма.
6. В чем состоит назначение буферных систем живых организмов и каков принцип их функционирования?
Буферные системы поддерживают определенное значение рН (показатель кислотности) среды в биологических жидкостях. Принцип функционирования заключается в том, что рН среды зависит от концентрации протонов в этой среде (Н+). Буферная система способна поглощать или отдавать протоны в зависимости от их поступления в среду извне или, напротив, удаления из среды, при этом рН не будет изменяться. Наличие буферных систем необходимо в живом организме, так как из-за изменения условий окружающей среды рН может сильно меняться, а большинство ферментов работает только при определенном значении рН.
Примеры буферных систем:
карбонатно-гидрокарбонатная (смесь Na2СО3 и NaHCO3)
фосфатная (смесь K2HPO4 и KH2PO4).
Органические вещества. Роль углеводов, липидов и белков в жизнедеятельности клетки.
1. Дайте определения понятий.
Органические вещества – это вещества, в состав которых обязательно входит углерод; они входят в состав живых организмов и образуются только при их участии.
Белки – высокомолекулярные органические вещества, состоящие из альфа-аминокислот, соединённых в цепочку пептидной связью.
Липиды – обширная группа природных органических соединений, включающая жиры и жироподобные вещества. Молекулы простых липидов состоят из спирта и жирных кислот, сложных - из спирта, высокомолекулярных жирных кислот и других компонентов.
Углеводы – это органические вещества, в своем составе имеющие карбонильную и несколько гидроксильных групп и иначе называемые сахарами.
2. Впишите в таблицу недостающую информацию «Строение и функции органических веществ клетки».
3. Что понимают под денатурацией белка?
Денатурация белка – это утрата белком своей природной структуры.
Нуклеиновые кислоты, АТФ и другие органические соединения клетки.
1. Дайте определения понятий.
Нуклеиновые кислоты – это биополимеры, состоящие из мономеров – нуклеотидов.
АТФ – это соединение, состоящее из азотистого основания аденина, углевода рибозы и трех остатков фосфорной кислоты.
Нуклеотид – это мономер нуклеиновой кислоты, который состоит из фосфатной группы, пятиуглеродного сахара (пентозы) и азотистого основания.
Макроэргическая связь – это связь между остатками фосфорной кислоты в АТФ.
Комплементарность – это пространственное взаимное соответствие нуклеотидов.
2. Докажите, что нуклеиновые кислоты являются биополимерами.
Нуклеиновые кислоты состоят из большого количества повторяющихся нуклеотидов и имеют массу 10.000 до нескольких миллионов углеродных единиц.
3. Охарактеризуйте особенности строения молекулы нуклеотида.
Нуклеотид представляет собой соединение из трех компонентов: остатка фосфорной кислоты, пятиуглеродного сахара (рибозы), и одного из азотистых соединений (аденин, гуанин, цитозин, тимин или урацил).
4. Какое строение имеет молекула ДНК?
ДНК – двойная спираль, состоящая из множества нуклеотидов, которые последовательно соединяются между собой за счет ковалентных связей между дезоксирибозой одного и остатком фосфорной кислоты другого нуклеотида. Азотистые основания, которые располагаются по одну сторону от остова одной цепи, связаны Н-связями с азотистыми основаниями второй цепи по принципу комплементарности.
5. Применив принцип комплементарности, постройте вторую цепочку ДНК.
Т-А-Т-Ц-А-Г-А-Ц-Ц-Т-А-Ц
А-Т-А-Г-Т-Ц-Т-Г-Г-А-Т-Г.
6. Каковы основные функции ДНК в клетке?
При помощи четырех типов нуклеотидов в ДНК записана вся важная информация в клетке об организме, которая передается последующим поколениям.
7. Чем молекула РНК отличается от молекулы ДНК?
РНК представляет собой одинарную цепь меньшего, чем ДНК, размера. В нуклеотидах находится сахар рибоза, а не дезоксирибоза, как в ДНК. Азотистым основанием, вместо тимина, является урацил.
8. Что общего в строении молекул ДНК и РНК?
И РНК, и ДНК являются биополимерами, состоящими из нуклеотидов. В нуклеотидах общим в строении является наличие остатка фосфорной кислоты и оснований аденина, гуанина, цитозина.
9. Заполните таблицу «Типы РНК и их функции в клетке».
10. Что такое АТФ? Какова его роль в клетке?
АТФ – аденозинтрифосфат, макроэргическое соединение. Его функции – универсальный хранитель и переносчик энергии в клетке.
11. Каково строение молекулы АТФ?
АТФ состоит из трех остатков фосфорной кислоты, рибозы и аденина.
12. Что представляют собой витамины? На какие две большие группы их разделяют?
Витамины – биологически активные органические соединения, играющие важную роль в процессах обмена веществ. Их разделяют на водорастворимые (С, В1, В2 и др.) и жирорастворимые (А, Е и др.).
13. Заполните таблицу «Витамины и их роль в организме человека».
Клетки растений и животных содержат неорганические и органические вещества. К неорганическим относят воду и минеральные вещества. К органическим веществам относят белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты.
Неорганические вещества
Вода - это соединение, которое живая клетка содержит в наибольшем количестве. Вода составляет около 70% массы клетки. Большинство внутриклеточных реакций протекает в водной среде. Вода в клетке находится в свободном и связанном состоянии.
Значение воды для жизнедеятельности клетки определено ее строением и свойствами. Содержание воды в клетках может быть различным. 95% воды находится в клетке в свободном состоянии. Она необходима как растворитель для органических и неорганических веществ. Все биохимические реакции в клетке идут при участии воды. Вода используется для выведения различных веществ из клетки. Вода обладает высокой теплопроводностью и предотвращает резкие колебания температуры. 5% воды находится в связанном состоянии, образуя непрочные соединения с белками.
Минеральные вещества в клетке могут быть в диссоциированном состоянии или в соединении с органическими веществами.
Химические элементы, которые участвуют в процессах обмена веществ и обладают биологической активностью, называют биогенными.
Цитоплазма содержит около 70% кислорода, 18% углерода, 10% водорода, кальций, азот, калий, фосфор, магний, серу, хлор, натрий, алюминий, железо. Эти элементы составляют 99,99% от состава клетки и их называют макроэлементами. Например, кальций и фосфор входят в состав костей. Железо - составная часть гемоглобина.
Марганец, бор, медь, цинк, йод, кобальт - микроэлементы. Они составляют тысячные доли процента от массы клетки. Микроэлементы нужны для образования гормонов, ферментов, витаминов. Они влияют на обменные процессы в организме. Например, йод входит в состав гормона щитовидной железы, кобальт - в состав витамина В 12 .
Золото, ртуть, радий и др. - ультрамикроэлементы - составляют миллионные доли процента от состава клетки.
Недостаток или избыток минеральных солей нарушает жизнедеятельность организма.
Органические вещества
Кислород, водород, углерод, азот входят в состав органических веществ. Органические соединения представляют собой круп- ные молекулы, называемые полимерами. Полимеры состоят из многих повторяющихся единиц (мономеров). К органическим полимерным соединениям относят углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты, АТФ.
Углеводы
Углеводы состоят из углерода, водорода, кислорода.
Мономерами углеводов являются моносахариды. Углеводы раз- деляют на моносахариды, дисахариды и полисахариды.
Моносахариды - простые сахара с формулой (СН 2 О) n , где n - любое целое число от трех до семи. В зависимости от числа угле- родных атомов в молекуле различают триозы (3С), тетрозы (4С), пентозы (5С), гексозы (6С), гептозы (7С).
Триозы С 3 Н 6 О 3 - например глицеральдегид и дигидроксиацетон - играют роль промежуточных продуктов в процессе дыхания, уча- ствуют в фотосинтезе. Тетрозы С 4 Н 8 О 4 встречаются у бактерий. Пентозы С 5 Н 10 О 5 - например рибоза - входит в состав РНК, дезоксирибоза входит в состав ДНК. Гексозы - С 6 Н 12 О 6 - например глюкоза, фруктоза, галактоза. Глюкоза - источник энергии для клетки. Вместе с фруктозой и галактозой глюкоза может участвовать в образовании дисахаридов.
Дисахариды образуются в результате реакции конденсации между двумя моносахаридами (гексозами) с потерей молекулы воды.
Формула дисахаридов С 12 Н 22 О 11 Среди дисахаридов наиболее широко распространены мальтоза, лактоза и сахароза.
Сахароза, или тростниковый сахар, синтезируется у растений. Мальтоза образуется из крахмала в процессе его переваривания в организме животных. Лактоза, или молочный сахар содержится только в молоке.
Полисахариды (простые) образуются в результате реакции конденсации большого числа моносахаридов. К простым полисахаридам относят крахмал (синтезируется у растений), гликоген (содержится в клетках печени и мышцах животных и человека), целлюлозу (образует клеточную стенку у растений).
Сложные полисахариды образуются в результате взаимодействия углеводов с липидами. Например, гликолипиды входят в состав мембран. К сложным полисахаридам относят также соединения углеводов с белками (гликопротеиды). Например, гликопротеиды входят в состав слизи, выделяемой железами желудоч- но-кишечного тракта.
Функции углеводов:
1. Энергетическая: 60% энергии организм получает при распаде углеводов. При расщеплении 1 г углеводов выделяется 17,6 кДж энергии.
2. Структурная и опорная: углеводы входят в состав плазматической мембраны, оболочки растительных и бактериальных клеток.
3. Запасающая: питательные вещества (гликоген, крахмал) откладываются в запас в клетках.
4. Защитная: секреты (слизь), выделяемые различными железами, предохраняют стенки полых органов, бронхов, желудка, кишечника от механических повреждений, вредных бактерий и вирусов.
5. Участвуют в фотосинтезе.
Жиры и жироподобные вещества
Жиры состоят из углерода, водорода, кислорода. Мономерами жиров являются жирные кислоты и глицерин. Свойства жиров определяются качественным составом жирных кислот и их количественным соотношением. Растительные жиры жидкие (масла), животные - твердые (например сало). Жиры нерастворимы в воде - это гидрофобные соединения. Жиры, соединяясь с белками, образуют липопротеиды, соединяясь с углеводами - гликолипиды. Гликолипиды и липопротеиды - это жироподобные вещества.
Жироподобные вещества входят в состав мембран клеток, мембранных органелл, нервной ткани. Жиры могут соединяться с глюко- зой и образовывать гликозиды. Например, гликозид дигитоксина - вещество, используемое при лечении болезней сердца.
Функции жиров:
1. Энергетическая: при полном распаде 1 г жира до углекислого газа и воды выделяется 38,9 кДж энергии.
2. Структурная: входят в состав клеточной мембраны.
3. Защитная: слой жира защищает организм от переохлаждения, механических ударов и сотрясений.
4. Регуляторная: стероидные гормоны регулируют процессы обмена веществ и размножение.
5. Жир - источник эндогенной воды. При окислении 100 г жира выделяется 107 мл воды.
Белки
В состав белков входят углерод, кислород, водород, азот. Мономерами белка являются аминокислоты. Белки построены из двадцати различных аминокислот. Формула аминокислоты:
В состав аминокислот входят: NH 2 - аминогруппа, обладающая основными свойствами; СООН - карбоксильная группа, имеет кислотные свойства. Аминокислоты отличаются друг от друга своими радикалами - R. Аминокислоты - амфотерные соединения. Они соединяются друг с другом в молекуле белка с помощью пептидных связей.
Схема конденсации аминокислот (образование пептидной связи)
Есть первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белка. Порядок, количество и качество аминокислот, входящих в состав молекулы белка, определяют его первичную структуру. Белки первичной структуры могут с помощью водородных связей соединяться в спираль и образовывать вторичную структуру. Полипептидные цепи скручиваются определенным образом в компактную структуру, образуя глобулу (шар) - это тре- тичная структура белка. Большинство белков имеют третичную структуру. Аминокислоты активны только на поверхности глобулы. Белки, имеющие глобулярную структуру, объединяются вместе и образуют четвертичную структуру. Замена одной аминокислоты приводит к изменению свойств белка (рис. 30).
При воздействии высокой температуры, кислот и других факторов может происходить разрушение белковой молекулы. Это явление называется денатурацией (рис. 31). Иногда денатуриро-
Рис. 30. Различные структуры молекул белка.
1 - первичная; 2 - вторичная; 3 - третичная; 4 - четвертичная (на примере гемоглобина крови).
Рис. 31. Денатурация белка.
1 - молекула белка до денатурации;
2 - денатурированный белок;
3 - восстановление исходной молекулы белка.
ванный белок при изменении условий вновь может восстановить свою структуру. Этот процесс называется ренатурацией и возможен лишь тогда, когда не разрушена первичная структура белка.
Белки бывают простые и сложные. Простые белки состоят только из аминокислот: например, альбумины, глобулины, фибриноген, миозин.
Сложные белки состоят из аминокислот и других органических соединений: например, липопротеины, гликопротеины, нук- леопротеины.
Функции белков:
1. Энергетическая. При распаде 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии.
2. Каталитическая. Служат катализаторами биохимических реакций. Катализаторы - ферменты. Ферменты ускоряют биохимические реакции, но не входят в состав конечных продуктов. Ферменты строго специфичны. Каждому субстрату соответствует свой фермент. Название фермента включает название субстрата и окончание «аза»: мальтаза, рибонуклеаза. Ферменты активны при определенной температуре (35 - 45 О С).
3. Структурная. Белки входят в состав мембран.
4. Транспортная. Например, гемоглобин переносит кислород и СО 2 в крови позвоночных.
5. Защитная. Защита организма от вредных воздействий: выработка антител.
6. Сократительная. Благодаря наличию белков актина и миозина в мышечных волокнах происходит сокращение мышц.
Нуклеиновые кислоты
Существует два типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Мономе- рами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды.
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). В состав нуклеотида ДНК входит одно из азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) или цитозин (Ц) (рис. 32), углевод дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты. Молекула ДНК представляет собой двойную спираль, построенную по принципу комплементарности. В молекуле ДНК комплементарны следующие азотистые основания: А = Т; Г = Ц. Две спирали ДНК соединены водородными связями (рис. 33).
Рис. 32. Строение нуклеотида.
Рис. 33. Участок молекулы ДНК. Комплементарное соединение нуклеотидов разных цепей.
ДНК способна к самоудвоению (репликации) (рис. 34). Репликация начинается с разделения двух комплементарных цепей. Каждая цепь используется в качестве матрицы для образования новой молекулы ДНК. В процессе синтеза ДНК участвуют ферменты. Каждая из двух дочерних молекул обязательно включает одну старую спираль и одну новую. Новая молекула ДНК абсо- лютно идентична старой по последовательности нуклеотидов. Такой способ репликации обеспечивает точное воспроизведение в дочерних молекулах той информации, которая была записана в материнской молекуле ДНК.
Рис. 34. Удвоение молекулы ДНК.
1 - матричная ДНК;
2 - образование двух новых цепей на основе матрицы;
3 - дочерние молекулы ДНК.
Функции ДНК:
1. Хранение наследственной информации.
2. Обеспечение передачи генетической информации.
3. Присутствие в хромосоме в качестве структурного компонента.
ДНК находится в ядре клетки, а также в таких органеллах клетки, как митохондрии, хлоропласты.
РНК (рибонуклеиновая кислота). Рибонуклеиновые кислоты бывают 3 видов: рибосомная, транспортная и информационная РНК. Нуклеотид РНК состоит из одного из азотистых оснований: аденина (А), гуанина (Г), цитозина (Ц), урацила (У), углевода - рибозы и остатка фосфорной кислоты.
Рибосомная РНК (рРНК) в соединении с белком входит в состав рибосом. рРНК составляет 80% от всей РНК в клетке. На рибосомах идет синтез белка.
Информационная РНК (иРНК) составляет от 1 до 10% от всей РНК в клетке. По строению иРНК комплементарна участку молекулы ДНК, несущему информацию о синтезе определенного белка. Длина иРНК зависит от длины участка ДНК, с которого считывали информацию. иРНК переносит информацию о синтезе белка из ядра в цитоплазму к рибосоме.
Транспортная РНК (тРНК) составляет около 10% всей РНК. Она имеет короткую цепь нуклеотидов в форме трилистника и находится в цитоплазме. На одном конце трилистника находится триплет нуклеотидов (антикодон), кодирующий определенную аминокислоту. На другом конце триплет нуклеотидов, к которому при- соединяется аминокислота. Для каждой аминокислоты имеется своя тРНК. тРНК переносит аминокислоты к месту синтеза белка, т.е. к рибосомам (рис. 35).
РНК находится в ядрышке, цитоплазме, рибосомах, митохондриях и пластидах.
АТФ - Аденазинтрифосфорная кислота. Аденазинтрифосфорная кислота (АТФ) состоит из азотистого основания - аденина, сахара - рибозы, и трех остатков фосфорной кислоты (рис. 36). В молекуле АТФ накапливается большое количество энергии, необходимой для биохимических процессов, идущих в клетке. Синтез АТФ происходит в митохондриях. Молекула АТФ очень неустой-
чива и способна отщеплять одну или две молекулы фосфата с выделением большого количества энергии. Связи в молекуле АТФ называют макроэргическими.
АТФ → АДФ + Ф + 40 кДж АДФ→ АМФ + Ф + 40 кДж
Рис. 35. Строение тРНК.
А, Б, В и Г - участки комплементарного соединения внутри одной цепочки РНК; Д - участок (активный центр) соединения с аминокислотой; Е - участок комплементарного соединения с молекулой.
Рис. 36. Строение АТФ и ее превращение в АДФ.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие вещества в клетке относят к неорганическим?
2. Какие вещества в клетке относят к органическим?
3. Что является мономером углеводов?
4. Какое строение имеют углеводы?
5. Какие функции выполняют углеводы?
6. Что является мономером жиров?
7. Какое строение имеют жиры?
8. Какие функции выполняют жиры?
9. Что является мономером белка? 10.Какое строение имеют белки? 11.Какие структуры имеют белки?
12.Что происходит при денатурации белковой молекулы?
13.Какие функции выполняют белки?
14.Какие нуклеиновые кислоты известны?
15.Что является мономером нуклеиновых кислот?
16.Что входит в состав нуклеотида ДНК?
17.Какое строение имеет нуклеотид РНК?
18.Какое строение имеет молекула ДНК?
19.Какие функции выполняет молекула ДНК?
20. Какое строение имеет рРНК?
21.Какое строение имеет иРНК?
22.Какое строение имеет тРНК?
23.Какие функции выполняют рибонуклеиновые кислоты?
24.Какое строение имеет АТФ?
25.Какие функции выполняет АТФ в клетке?
Ключевые слова темы «Химический состав клеток»
азотистое основание альбумины
аминокислотная группа аминокислоты
амфотерные соединения
антикодон
бактерии
белки
биологическая активность биологический катализатор
биохимические реакции
болезнь
вещества
видовая специфичность
витамины
вода
водородные связи вторичная структура выработка антител высокая температура галактоза гексозы гемоглобин гепарин
гидрофобные соединения
гликоген
гликозиды
гликопротеиды
глицерин
глобула
глобулины
глюкоза
гормоны
гуанин
двойная спираль дезоксирибоза денатурация дисахарид
диссоциированное состояние
ДНК
единица информации живой организм животное жизнедеятельность жирные кислоты жировая ткань жироподобные вещества жиры
запас питательных веществ избыток
индивидуальная специфичность
источник энергии
капли
карбоксильная группа
качество кислота
клеточная стенка кодон
колебание температуры
количество
комплементарность
конечные продукты
кости
крахмал
лактоза
лечение
липопротеиды
макроэлементы
макроэргические связи
мальтоза
масса
мембрана клетки
микроэлементы
минеральные соли
миозин
митохондрии
молекула
молочный сахар
мономер
моносахарид
мукополисахариды
мукопротеиды
наследственная информация недостаток
неорганические вещества нервная ткань нуклеиновые кислоты нуклеопротеиды нуклеотид обмен веществ обменные процессы органические вещества пентозы
пептидные связи первичная структура перенос кислорода плоды
подкожная клетчатка
полимер полисахарид
полупроницаемая мембрана
порядок
потеря
проникновение воды
процент
радикал
разрушение
распад
растворитель
растение
расщепление
реакция конденсации
ренатурация
рибоза
рибонуклеаза
рибосома
РНК
сахар
свертывание крови
свободное состояние
связанное состояние
семена
сердце
синтез белка
слой
слюна
сократимые белки
строение
субстрат
теплопроводность
тетрозы тимин
тканевая специфичность
третичная структура
трилистник
триозы
триплет
тростниковый сахар углеводы
ультрамикроэлементы
урацил
участок
ферменты
фибриноген
формула
фосфорная кислота фотосинтез фруктоза функция
химические элементы
хлоропласты
хромосома
целлюлоза
цепь
цитозин
цитоплазма
четвертичная структура шар
щитовидная железа
элементы
ядро