У клітинах різних організмів виявлено близько 70 елементів періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва, але лише 24 з них мають цілком встановлене значення і зустрічаються постійно у всіх типах клітин.
Найбільшу питому вагу в елементному складі клітини припадає на кисень, вуглець, водень і азот. Це так звані основні або біогенні елементи. На частку цих елементів припадає понад 95% маси клітин, причому їх відносний вміст в живу речовину набагато вище, ніж в земній корі. Життєво важливими є також кальцій, фосфор, сірка, калій, хлор, натрій, магній, йод і залізо. Їх вміст у клітині обчислюється десятими і сотими частками відсотка. Перераховані елементи складають групу макроелементів.
Інші хімічні елементи: мідь, марганець, молібден, кобальт, цинк, бор, фтор, хром, селен, алюміній, йод, залізо, кремній - містяться в виключно малих кількостях (менше 0,01% маси клітин). Вони відносяться до групи мікроелементів.
Процентний вміст в організмі того чи іншого елемента жодним чином не характеризує ступінь його важливості і необхідності в організмі. Так, наприклад, багато мікроелементів входять до складу різних біологічно активних речовин - ферментів, вітамінів (кобальт входить до складу вітаміну B12), гормонів (йод входить до складу тироксину); впливають на ріст і розвиток організмів (цинк, марганець, мідь), кровотворення (залізо, мідь), процеси клітинного дихання (мідь, цинк) і т. д. Зміст і значення для життєдіяльності клітин і організму в цілому різних хімічних елементів наведено в таблиці:
| елемент | символ | Приблизний зміст,% | Значення для клітини і організму |
|---|---|---|---|
| кисень | O | 62 | Входить до складу води і органічних речовин; бере участь у клітинному диханні |
| вуглець | C | 20 | Входить до складу всіх органічних речовин |
| водень | H | 10 | Входить до складу води і органічних речовин; бере участь в процесах перетворення енергії |
| азот | N | 3 | Входить до складу амінокислот, білків, нуклеїнових кислот, АТФ, хлорофілу, вітамінів |
| кальцій | Ca | 2,5 | Входить до складу клітинної стінки у рослин, кісток і зубів, підвищує згортання крові і скоротність м'язових волокон |
| фосфор | P | 1,0 | Входить до складу кісткової тканини і зубної емалі, нуклеїнових кислот, АТФ, деяких ферментів |
| сірка | S | 0,25 | Входить до складу амінокислот (цистеїн, цистин і метіонін), деяких вітамінів, бере участь в утворенні дисульфідних зв'язків при утворенні третинної структури білків |
| калій | K | 0,25 | Міститься в клітці тільки у вигляді іонів, активує ферменти білкового синтезу, обумовлює нормальний ритм серцевої діяльності, бере участь в процесах фотосинтезу, генерації біоелектричних потенціалів |
| хлор | Cl | 0,2 | Переважає негативний іон в організмі тварин. Компонент соляної кислоти в шлунковому соку |
| натрій | Na | 0,1 | Міститься в клітці тільки у вигляді іонів, обумовлює нормальний рить серцевої діяльності, впливає на синтез гормонів |
| магній | Mg | 0,07 | Входить до складу молекул хлорофілу, а також кісток і зубів, активує енергетичний обмін і синтез ДНК |
| йод | I | 0,01 | Входить до складу гормонів щитовидної залози |
| Залізо | Fe | сліди | Входить до складу багатьох ферментів, гемоглобіну і міоглобіну, бере участь в біосинтезі хлорофілу, в транспорті електронів, в процесах дихання і фотосинтезу |
| мідь | Cu | сліди | Входить до складу гемоцианин у безхребетних, до складу деяких ферментів, бере участь в процесах кровотворення, фотосинтезу, синтезу гемоглобіну |
| Марганець | Mn | сліди | Входить до складу або підвищує активність деяких ферментів, бере участь у розвитку кісток, асиміляції азоту та процесі фотосинтезу |
| молібден | Mo | сліди | Входить до складу деяких ферментів (нитратредуктаза), бере участь в процесах зв'язування атмосферного азоту бульбочкових бактерій |
| кобальт | Co | сліди | Входить до складу вітаміну B12, бере участь у фіксації атмосферного азоту бульбочкових бактерій |
| Бор | B | сліди | Впливає на ростові процеси рослин, активує відновні ферменти дихання |
| цинк | Zn | сліди | Входить до складу деяких ферментів, що розщеплюють поліпептиди, бере участь в синтезі рослинних гормонів (ауксинів) і гликолизе |
| фтор | F | сліди | Входить до складу емалі зубів і кісток |
Сьогодні виявлено та виділено в чистому вигляді багато хімічних елементів таблиці Менделєєва, а п'ята їх частина зустрічається в кожному живому організмі. Вони, подібно цеглинці, є головними складовими органічних і неорганічних речовин.
Які хімічні елементи входять до складу клітини, з біології яких речовин можна судити про їхню наявність в організмі - все це ми розглянемо далі в статті.
Що таке сталість хімічного складу
Для дотримання стабільності в організмі кожна клітина повинна підтримувати концентрацію кожної своєї складової на постійному рівні. Цей рівень визначається видовою приналежністю, місцем існування, екологічними факторами.
Щоб відповісти на питання, які хімічні елементи входять до складу клітини, необхідно чітко розуміти, що в складі будь-якої речовини знаходяться будь-які зі складових таблиці Менделєєва.
Часом йдеться про сотих і тисячних частках відсотка змісту певного елемента в клітці, але при цьому зміна названого числа хоча б на тисячну частину вже може нести серйозні наслідки для організму.
З 118 хімічних елементів в клітині людини повинно бути як мінімум 24. Немає таких складових, які зустрічалися б в живому організмі, але не входили до складу неживих об'єктів природи. Цей факт підтверджує тісний зв'язок між живим і неживим в екосистемі.
Роль різних елементів, що входять до складу клітини
Так які хімічні елементи входять до складу клітини? Їх роль в життєдіяльності організму, слід зауважити, безпосередньо залежить від частоти виникнення і концентрації їх в цитоплазмі. Однак, незважаючи на різний зміст елементів в клітці, значимість кожного з них в рівній мірі висока. Дефіцит будь-якого з них може привести до впливу на організм, відключивши з метаболізму найважливіші біохімічні реакції.
Перераховуючи, які хімічні елементи входять до складу клітини людини, потрібно згадати три основних види, які ми розглянемо далі:
Основні біогенні елементи клітини
Не дивно, що елементи ПРО, З, Н, N відносяться до біогенних, адже саме вони утворюють всі органічні та багато неорганічні речовини. Неможливо уявити білки, жири, вуглеводи або нукленовие кислоти без цих найважливіших для організму складових.
Функція цих елементів визначила їх високий вміст в організмі. На їх частку в сукупності припадає 98% від всієї сухої маси тіла. У чому ще може проявлятися активність цих ферментів?
- Кисень. Його вміст у клітині близько 62% від загальної сухої маси. Функції: побудова органічних і неорганічних речовин, участь в ланцюзі дихання;
- Вуглець. Його зміст досягає 20%. Основна функція: входить до складу всіх;
- Водень. Його концентрація приймає значення в 10%. Крім того, що цей елемент є складовою органічних речовин і води, він також бере участь в перетвореннях енергії;
- Азот. Кількість не перевищує 3-5%. Його основна роль - це утворення амінокислот, нуклеїнових кислот, АТФ, багатьох вітамінів, гемоглобіну, Гемоціанін, хлорофілу.
Ось які хімічні елементи входять до складу клітини і утворюють більшість необхідних для нормальної життєдіяльності речовин.
значення макроелементів
Макроелементи також допоможуть підказати, які хімічні елементи входять до складу клітини. З курсу біології стає зрозуміло, що, крім основних, 2% сухої маси становлять інші складові періодичної таблиці. І до макроелементів відносяться ті з них, зміст яких не нижче 0,01%. Їх основні функції представлені у вигляді таблиці.
Кальцій (Са) | Відповідає за скорочення м'язових волокон, входить до складу пектину, кісток і зубів. Підсилює згортання крові. |
|
Фосфор (Р) | Входить до складу найважливішого джерела енергії - АТФ. |
|
Бере участь в утворенні дисульфідних містків при згортанні білка в третинну структуру. Входить до складу цистеїну і метіоніну, деяких вітамінів. |
||
Іони калію беруть участь в клітини, а також впливають на потенціал мембрани. |
||
Головний аніон організму |
||
Натрій (Na) | Аналог калію, який бере участь в тих же процесах. |
|
Магній (Mg) | Іони магнію - це регулятори процесу У центрі молекули хлорофілу також розташований атом магнію. |
|
Бере участь в транспорті електронів по ЕТЦ дихання і фотосинтезу, є структурною ланкою міоглобіну, гемоглобіну і багатьох ферментів. |
Сподіваємося, що з перерахованого нескладно визначити, які хімічні елементи входять до складу клітини і відносяться до макроелементів.
мікроелементи
Є й такі складові клітини, без яких організм не може нормально функціонувати, однак їх зміст завжди менше 0,01%. Давайте визначимо, які хімічні елементи входять до складу клітини і відносяться до групи мікроелементів.
Входить до складу ферментів ДНК-і РНК-полімерази, а також багатьох гормонів (наприклад, інсулін). |
||
Бере участь в процесах фотосинтезу, синтезу Гемоціанін і деяких ферментів. |
||
Є структурною складовою гормонів Т3 і Т4 щитовидної залози |
||
Марганець (Mn) | менше 0,001 | Входить до складу ферментів, кісток. Бере участь в азотфіксації у бактерій |
менше 0,001 | Впливає на процес росту рослин. |
|
Входить до складу кісток і емалі зубів. |
Органічні і неорганічні речовини
Крім перерахованих, ще якісь хімічні елементи входять до складу клітини? Відповіді можна знайти, просто вивчивши будову більшості речовин організму. Серед них виділяють молекули органічного та неорганічного походження, і кожна з цих груп має в складі фіксований набір елементів.
Основні класи органічних речовин - це білки, нуклеїнові кислоти, жири та вуглеводи. Вони побудовані повністю з основних біогенних елементів: скелет молекули завжди утворений вуглецем, а водень, кисень і азот входять до складу радикалів. У тварин домінуючим класом є білки, а у рослин - полісахариди.
Неорганічні речовини - це все мінеральні солі і, звичайно ж, вода. Серед всієї неорганики в клітці найбільше Н 2 О, в якій розчинені інші речовини.
Все сказане вище допоможе вам визначити, які хімічні елементи входять до складу клітини, і їх функції в організмі більше не будуть для вас загадкою.
У клітинах різних організмів виявлено близько 70 елементів періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва, але лише 24 з них мають цілком встановлене значення і зустрічаються постійно у всіх типах клітин.
Найбільшу питому вагу в елементному складі клітини припадає на кисень, вуглець, водень і азот. Це так звані основні або біогенні елементи. На частку цих елементів припадає понад 95% маси клітин, причому їх відносний вміст в живу речовину набагато вище, ніж в земній корі. Життєво важливими є також кальцій, фосфор, сірка, калій, хлор, натрій, магній, йод і залізо. Їх вміст у клітині обчислюється десятими і сотими частками відсотка. Перераховані елементи складають групу макроелементів.
Інші хімічні елементи: мідь, марганець, молібден, кобальт, цинк, бор, фтор, хром, селен, алюміній, йод, залізо, кремній - містяться в виключно малих кількостях (менше 0,01% маси клітин). Вони відносяться до групи мікроелементів.
Процентний вміст в організмі того чи іншого елемента жодним чином не характеризує ступінь його важливості і необхідності в організмі. Так, наприклад, багато мікроелементів входять до складу різних біологічно активних речовин - ферментів, вітамінів (кобальт входить до складу вітаміну B 12), гормонів (йод входить до складу тироксину); впливають на ріст і розвиток організмів (цинк, марганець, мідь) , кровотворення (залізо, мідь), процеси клітинного дихання (мідь, цинк) і т. д. Зміст і значення для життєдіяльності клітин і організму в цілому різних хімічних елементів наведено в таблиці:
| елемент | символ | Приблизний зміст,% | Значення для клітини і організму |
|---|---|---|---|
| кисень | O | 62 | Входить до складу води і органічних речовин; бере участь у клітинному диханні |
| вуглець | C | 20 | Входить до складу всіх органічних речовин |
| водень | H | 10 | Входить до складу води і органічних речовин; бере участь в процесах перетворення енергії |
| азот | N | 3 | Входить до складу амінокислот, білків, нуклеїнових кислот, АТФ, хлорофілу, вітамінів |
| кальцій | Ca | 2,5 | Входить до складу клітинної стінки у рослин, кісток і зубів, підвищує згортання крові і скоротність м'язових волокон |
| фосфор | P | 1,0 | Входить до складу кісткової тканини і зубної емалі, нуклеїнових кислот, АТФ, деяких ферментів |
| сірка | S | 0,25 | Входить до складу амінокислот (цистеїн, цистин і метіонін), деяких вітамінів, бере участь в утворенні дисульфідних зв'язків при утворенні третинної структури білків |
| калій | K | 0,25 | Міститься в клітці тільки у вигляді іонів, активує ферменти білкового синтезу, обумовлює нормальний ритм серцевої діяльності, бере участь в процесах фотосинтезу, генерації біоелектричних потенціалів |
| хлор | Cl | 0,2 | Переважає негативний іон в організмі тварин. Компонент соляної кислоти в шлунковому соку |
| натрій | Na | 0,10 | Міститься в клітці тільки у вигляді іонів, обумовлює нормальний рить серцевої діяльності, впливає на синтез гормонів |
| магній | Mg | 0,07 | Входить до складу молекул хлорофілу, а також кісток і зубів, активує енергетичний обмін і синтез ДНК |
| йод | I | 0,01 | Входить до складу гормонів щитовидної залози |
| Залізо | Fe | 0,01 | Входить до складу багатьох ферментів, гемоглобіну і міоглобіну, бере участь в біосинтезі хлорофілу, в транспорті електронів, в процесах дихання і фотосинтезу |
| мідь | Cu | сліди | Входить до складу гемоцианин у безхребетних, до складу деяких ферментів, бере участь в процесах кровотворення, фотосинтезу, синтезу гемоглобіну |
| Марганець | Mn | сліди | Входить до складу або підвищує активність деяких ферментів, бере участь у розвитку кісток, асиміляції азоту та процесі фотосинтезу |
| молібден | Mo | сліди | Входить до складу деяких ферментів (нитратредуктаза), бере участь в процесах зв'язування атмосферного азоту бульбочкових бактерій |
| кобальт | Co | сліди | Входить до складу вітаміну B 12, бере участь у фіксації атмосферного азоту бульбочкових бактерій |
| Бор | B | сліди | Впливає на ростові процеси рослин, активує відновні ферменти дихання |
| цинк | Zn | сліди | Входить до складу деяких ферментів, що розщеплюють поліпептиди, бере участь в синтезі рослинних гормонів (ауксинів) і гликолизе |
| фтор | F | сліди | Входить до складу емалі зубів і кісток |
клітка - елементарна одиниця життя на Землі. Вона має всі ознаки живого організму: зростає, розмножується, обмінюється з навколишнім середовищем речовинами і енергією, реагує на зовнішні подразники. Початок біологічної еволюції пов'язано з появою на Землі клітинних форм життя. Одноклітинні організми являють собою існуючі окремо один від одного клітини. Тіло всіх багатоклітинних - тварин і рослин - побудовано з більшого або меншого числа клітин, які є свого роду блоками, складовими складний організм. Незалежно від того, чи представляє собою клітина цілісну живу систему - окремий організм або становить лише його частина, вона наділена набором ознак і властивостей, загальним для всіх клітин.
Хімічний склад клітини
У клітинах виявлено близько 60 елементів періодичної системи Менделєєва, що зустрічаються і в неживій природі. Це один з доказів спільності живої і неживої природи. В живих організмах найбільш поширені водень, кисень, вуглець і азот, Які становлять близько 98% маси клітин. Таке обумовлено особливостями хімічних властивостей водню, кисню, вуглецю та азоту, внаслідок чого вони виявилися найбільш підходящими для утворення молекул, що виконують біологічні функції. Ці чотири елементи здатні утворювати дуже міцні ковалентні зв'язки за допомогою спарювання електронів, що належать двом атомам. Ковалентно пов'язані атоми вуглецю можуть формувати каркаси незліченної безлічі різних органічних молекул. Оскільки атоми вуглецю легко утворюють ковалентні зв'язки з киснем, воднем, азотом, а також з сіркою, органічні молекули досягають виняткової складності і різноманітності будови.
Крім чотирьох основних елементів в клітці в помітних кількостях (10 ті та 100 ті частки відсотка) містяться залізо, калій, натрій, кальцій, магній, хлор, фосфор і сірка. Всі інші елементи ( цинк, мідь, йод, фтор, кобальт, марганець та ін.) знаходяться в клітці в дуже малих кількостях і тому називаються мікроелементами.
Хімічні елементи входять до складу неорганічних і органічних сполук. До неорганічних сполук відносяться вода, мінеральні солі, вуглекислий газ, кислоти і підстави. Органічні сполуки - це білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи, жири (Ліпіди) і липоиди.
Деякі білки містять сірку. Складовою частиною нуклеїнових кислот є фосфор. Молекула гемоглобіну включає залізо, магній бере участь в побудові молекули хлорофілу. Мікроелементи, незважаючи на вкрай низький вміст в живих організмах, грають важливу роль в процесах життєдіяльності. йод входить до складу гормону щитовидної залози - тироксину, кобальт - до складу вітаміну В 12 гормон островковой частини підшлункової залози - інсулін - містить цинк. У деяких риб місце заліза в молекулах пігментів, що переносять кисень, займає мідь.
неорганічні речовини
вода
Н 2 О - найпоширеніше з'єднання в живих організмах. Зміст її в різних клітинах коливається в досить широких межах: від 10% в емалі зубів до 98% в тілі медузи, але середньому вона становить близько 80% маси тіла. Винятково важлива роль води в забезпеченні процесів життєдіяльності обумовлена \u200b\u200bїї фізико-хімічними властивостями. Полярність молекул і здатність утворювати водневі зв'язки роблять воду хорошим розчинником для величезної кількості речовин. Більшість хімічних реакцій, що протікають в клітині, може відбуватися тільки у водному розчині. Вода бере участь і в багатьох хімічних перетвореннях.
Загальна кількість водневих зв'язків між молекулами води змінюється в залежності від t °. при t ° танення льоду руйнується приблизно 15% водневих зв'язків, при t ° 40 ° С - половина. При переході в газоподібний стан руйнуються всі водневі зв'язку. Цим пояснюється висока питома теплоємність води. При зміні t ° зовнішнього середовища вода поглинає або виділяє теплоту внаслідок розриву або новоутворення водневих зв'язків. Таким шляхом коливання t ° всередині клітини виявляються меншими, ніж у навколишньому середовищі. Висока теплота випаровування лежить в основі ефективного механізму тепловіддачі у рослин і тварин.
Вода як розчинник бере участь в явищах осмосу, що грає важливу роль в життєдіяльності клітини організму. Осмосом називають проникнення молекул розчинника через напівпроникну мембрану в розчин якої-небудь речовини. Напівпроникними називаються мембрани, які пропускають молекули розчинника, але не пропускають молекули (або іони) розчиненої речовини. Отже, осмос - одностороння дифузія молекул води в напрямку розчину.
мінеральні солі
Велика частина неорганічних в-в клітини знаходиться в вигляді солей в диссоциированном, або в твердому стані. Концентрація катіонів та аніонів в клітці і в навколишньому її середовищі неоднакова. У клітці міститься значна частина До і дуже багато Nа. В позаклітинному середовищі, наприклад в плазмі крові, в морській воді, навпаки, багато натрію і мало калію. Подразливість клітини залежить від співвідношення концентрацій іонів Na +, K +, Ca 2+, Mg 2+. У тканинах багатоклітинних тварин До входить до складу багатоклітинного речовини, що забезпечує зчепленість клітин і впорядковане їх розташування. Від концентрації солей у великій мірі залежать осмотичний тиск в клітині і її буферні властивості. Буферностью називається здатність клітини підтримувати слаболужну реакцію її вмісту на постійному рівні. Буферна всередині клітини забезпечується головним чином іонами Н 2 РО 4 і НРО 4 2-. Під позаклітинних рідинах і в крові роль буфера грають Н 2 СО 3 і НСО 3 -. Аніони зв'язують іони Н і гідроксид-іони (ОН -), завдяки чому реакція всередині клітини позаклітинних рідин практично не змінюється. Нерозчинні мінеральні солі (наприклад, фосфорнокислий Са) забезпечує міцність кісткової тканини хребетних і раковин молюсків.
Органічні речовини клітини
білки
Серед органічних речовин клітини білки стоять на першому місці як за кількістю (10 - 12% від загальної маси клітини), так і за значенням. Білки являють собою високомолекулярні полімери (з молекулярною масою від 6000 до 1 млн. І вище), мономерами яких є амінокислоти. Живими організмами використовується 20 амінокислот, хоча їх існує значно більше. До складу будь-якої амінокислоти входить аминогруппа (-NH 2), що володіє основними властивостями, і карбоксильная група (-СООН), що має кислотні властивості. Дві амінокислоти з'єднуються в одну молекулу шляхом встановлення зв'язку HN-CO з виділенням молекули води. Зв'язок між аміногрупою однієї амінокислоти і карбоксилом інший називається пептидного. Білки являють собою поліпептиди, що містять десятки і сотні амінокислот. Молекули різних білків відрізняються один від одного молекулярної масою, числом, складом амінокислот і послідовністю розташування їх у поліпептидного ланцюга. Тому зрозуміло, що білки відрізняються величезною різноманітністю, їх кількість у всіх видів живих організмів оцінюється числом 10 10 - 10 12.
Ланцюг амінокислотних ланок, з'єднаних ковалентное пептидними зв'язками в певній послідовності, називається первинною структурою білка. У клітинах білки мають вигляд спірально закручених волокон або кульок (глобул). Це пояснюється тим, що в природному білку полипептидная ланцюжок покладена строго певним чином в залежності від хімічної будови входять в її склад амінокислот.
Спочатку поліпептидний ланцюг згортається в спіраль. Між атомами сусідніх витків виникає тяжіння і утворюються водневі зв'язки, зокрема, між NH- і СО групами, розташованими на сусідніх витках. Ланцюжок амінокислот, закручена у вигляді спіралі, утворює вторинну структуру білка. В результаті подальшої укладання спіралі виникає специфічна для кожного білка конфігурація, звана третинну структуру. Третинна структура обумовлена \u200b\u200bдією сил зчеплення між гідрофобними радикалами, які є в деяких амінокислот, і ковалентними зв'язками між SH- групами амінокислоти цистеїну (S-S- зв'язку). Кількість амінокислот гідрофобними радикалами і цистеїну, а також порядок їх розташування в поліпептидного ланцюжку специфічні для кожного білка. Отже, особливості третинної структури білка визначаються його первинною структурою. Біологічну активність білок проявляє тільки у вигляді третинної структури. Тому заміна навіть однієї амінокислоти в поліпептидному ланцюжку може привести до зміни конфігурації білка і до зниження або втрати його біологічної активності.
У деяких випадках білкові молекули об'єднуються один з одним і можуть виконувати свою функцію тільки у вигляді комплексів. Так, гемоглобін - це комплекс з чотирьох молекул і тільки в такій формі здатний приєднувати і транспортувати О. подібні агрегати являють собою четвертинних структуру білка. За своїм складом білки діляться на два основні класи - прості і складні. Прості білки складаються тільки з амінокислот нуклеїнові кислоти (нуклеотиди), ліпіди (ліпопротеїди), Ме (Металопротеїни), Р (фосфопротеіди).
Функції білків в клітині надзвичайно різноманітні. Одна з найважливіших - будівельна функція: білки беруть участь в утворенні всіх клітинних мембран і органоїдів клітини, а також внутрішньоклітинних структур. Виключно важливе значення має ферментативна (каталітична) роль білків. Ферменти прискорюють хімічні реакції, що протікають в клітині, в 10 ки і 100 ні мільйонів разів. Рухова функція забезпечується спеціальними скоротливі білками. Ці білки беруть участь у всіх видах рухів, до яких здатні клітини та організми: мерехтіння війок і биття джгутиків у найпростіших, скорочення м'язів у тварин, рух листя у рослин і ін. Транспортна функція білків полягає в приєднанні хімічних елементів (наприклад, гемоглобін приєднує О) або біологічно активних речовин (гормонів) і перенесення їх до тканин і органів тіла. Захисна функція виражається у формі вироблення особливих білків, званих антитілами, у відповідь на проникнення в організм чужорідних білків або клітин. Антитіла зв'язують і знешкоджують чужорідні речовини. Білки відіграють важливу роль як джерела енергії. При повному розщепленні 1г. білків виділяється 17,6 кДж (~ 4,2 ккал).
вуглеводи
Вуглеводи, або цукри - органічні речовини з загальною формулою (СН 2 О) n. У більшості вуглеводів число атомів Н вдвічі більше числа атомів О, як в молекулах води. Тому ці речовини і були названі вуглеводами. У живій клітині вуглеводи знаходяться в кількостях, що не перевищують 1-2, іноді 5% (в печінці, в м'язах). Найбільш багаті вуглеводами рослинні клітини, де їх вміст досягає в деяких випадках 90% від маси сухої речовини (насіння, бульби картоплі і т.д.).
Вуглеводи бувають прості і складні. Прості вуглеводи називаються моносахаридами. Залежно від числа атомів вуглеводу в молекулі моносахариди називаються триоз, тетрозой, пентози або гексоз. З шести вуглецевих моносахаридів - гексоз - найбільш важливе значення мають глюкоза, фруктоза і галактоза. Глюкоза міститься в крові (0,1-0,12%). Пентози рибоза і дезоксирибоза входять до складу нуклеїнових кислот і АТФ. Якщо в одній молекулі об'єднуються два моносахариду, таке з'єднання називається дисахаридом. Харчовий цукор, одержуваний з тростини або цукрових буряків, складається з однієї молекули глюкози і однієї молекули фруктози, молочний цукор - з глюкози і галактози.
Складні вуглеводи, утворені багатьма моносахаридами, називаються полісахариди. Мономером таких полісахаридів, як крохмаль, глікоген, целюлоза, є глюкоза. Вуглеводи виконують дві основні функції: будівельну та енергетичну. Целюлоза утворює стінки рослинних клітин. Складний полісахарид хітин служить головним структурним компонентом зовнішнього скелета членистоногих. Будівельну функцію хітин виконує і у грибів. Вуглеводи відіграють роль основного джерела енергії в клітині. В процесі окислення 1 м вуглеводів звільняється 17,6 кДж (~ 4,2 ккал). Крохмаль у рослин і глікоген у тварин відкладаються в клітинах і служать енергетичним резервом.
нуклеїнові кислоти
Значення нуклеїнових кислот в клітині дуже велике. Особливості їх хімічної будови забезпечують можливість зберігання, перенесення і передачі у спадок дочірнім клітинам інформації про структуру білкових молекул, які синтезуються в кожній тканини на певному етапі індивідуального розвитку. Оскільки більшість властивостей і ознак клітин обумовлено білками, то зрозуміло, що стабільність нуклеїнових кислот - найважливіша умова нормальної життєдіяльності клітин і цілих організмів. Будь-які зміни структури клітин або активності фізіологічних процесів в них, впливаючи, таким чином, на життєдіяльність. Вивчення структури нуклеїнових кислот має виключно важливе значення для розуміння успадкування ознак у організмів і закономірностей функціонування, як окремих клітин, так і клітинних систем - тканин і органів.
Існують 2 типи нуклеїнових кислот - ДНК і РНК. ДНК - полімер, що складається з двох нуклеотидних спіралей, укладених так, що утворюється подвійна спіраль. Мономери молекул ДНК являють собою нуклеотиди, що складаються з азотистої основи (аденіну, тиміну, гуаніну або цитозину), вуглеводу (дезоксирибози) і залишку фосфорної кислоти. Азотисті основи в молекулі ДНК з'єднані між собою неоднаковим кількістю Н-зв'язків і розташовуються попарно: аденін (А) завжди проти тиміну (Т), гуанін (Г) проти цитозину (Ц).
Нуклеотиди з'єднані один з одним не випадково, а вибірково. Здатність до виборчого взаємодії аденіну з тиміном і гуаніну з цитозином називається комплементарностью. Комплементарна взаємодія певних нуклеотидів пояснюється особливостями просторового розташування атомів в їх молекулах, які дозволяють їм зближуватися і утворювати Н-зв'язку. У полинуклеотидной ланцюжку сусідні нуклеотиди пов'язані між собою через цукор (дезоксирибози) і залишок фосфорної кислоти. РНК так само, як і ДНК, є полімером, мономерами якого є нуклеотиди. Азотисті основи трьох нуклеотидів ті ж самі, що входять до складу ДНК (А, Г, Ц); четверте - урацил (У) - присутній в молекулі РНК замість тиміну. Нуклеотиди РНК відрізняються від нуклеотидів ДНК і за будовою входить до їх складу вуглеводу (рибоза замість дізоксірібози).
У ланцюжку РНК нуклеотиди з'єднуються шляхом утворення ковалентних зв'язків між рибозой одного нуклеотиду і залишком фосфорної кислоти іншого. За структурою розрізняються двох цепочечние РНК. Двох цепочечние РНК є хранителями генетичної інформації у ряду вірусів, тобто виконують у них функції хромосом. Одне цепочечние РНК здійснюють перенесення інформації про структуру білків від хромосоми до місця їх синтезу і беруть участь в синтезі білків.
Існує кілька видів одне цепочечной РНК. Їх назви зумовлені виконуваною функцією або місцем знаходження в клітці. Більшу частину РНК цитоплазми (до 80-90%) становить рибосомальная РНК (рРНК), що міститься в рибосомах. Молекули рРНК відносно невеликі і складаються в середньому з 10 нуклеотидів. Інший вид РНК (іРНК), які переносять до рибосом інформацію про послідовність амінокислот в білках, які повинні синтезуватися. Розмір цих РНК залежить від довжини ділянки ДНК, на якому вони були синтезовані. Транспортні РНК виконують кілька функцій. Вони доставляють амінокислоти до місця синтезу білка, «дізнаються» (за принципом комплементарності) триплет і РНК, відповідний яку переносять амінокислоті, здійснюють точну орієнтацію амінокислоти на рибосомі.
Жири та ліпіди
Жири являють собою з'єднання жирних високомолекулярних кислот і трехатомного спирту гліцерину. Жири не розчиняються у воді - вони гідрофобні. У клітці завжди є і інші складні гідрофобні жироподібні речовини, звані ліпоїдами. Одна з основних функцій жирів - енергетична. В ході розщеплення 1 м жирів до СО 2 і Н 2 О звільняється велика кількість енергії - 38,9 кДж (~ 9,3 ккал). Вміст жиру в клітині коливається в межах 5-15% від маси сухої речовини. У клітинах живої тканини кількість жиру зростає до 90%. Головна функція жирів в тваринному (і частково - рослинному) світі - запасающая.
При повному окисленні 1 г жиру (до вуглекислого газу і води) виділяється близько 9 ккал енергії. (1 ккал \u003d 1000 кал; калорія (кал, cal) - позасистемна одиниця кількості роботи і енергії, що дорівнює кількості теплоти, необхідного для нагрівання 1 мл води на 1 ° C при стандартному атмосферному тиску 101,325 кПа; 1 ккал \u003d 4,19 кДж) . При окисленні (в організмі) 1 г білків або вуглеводів виділяється тільки близько 4 ккал / г. У самих різних водних організмів - від одноклітинних діатомових водоростей до гігантських акул - жир злучити «поплавком», зменшуючи середню щільність тіла. Щільність тваринних жирів становить близько 0,91-0,95 г / см³. Щільність кісткової тканини хребетних близька до 1,7-1.8 г / см³, а середня щільність більшості інших тканин близька до 1 г / см ³. Зрозуміло, що жиру потрібно досить багато, щоб «урівноважити» важкий кістяк.
Жири та ліпіди виконують і будівельну функцію: вони входять до складу клітинних мембран. Завдяки поганий теплопровідності жир здатний до захисної функції. У деяких тварин (тюлені, кити) він відкладається в підшкірній жировій тканині, утворюючи шар товщиною до 1 м. Освіта деяких липоидов передує синтезу ряду гормонів. Отже, цих речовин властива і функція регулювання обмінних процесів.
Біологія - наука про життя. Найважливіше завдання біології - вивчення різноманіття, будови, життєдіяльності, індивідуального розвитку і еволюції живих організмів, їх взаємовідносин із середовищем проживання.
Живі організми мають ряд особливостей, що відрізняють їх від неживої природи. Окремо кожне з відмінностей є досить умовним, тому їх слід розглядати в комплексі.
Ознаки, що відрізняють живу матерію від неживої:
- здатність до розмноження і передачі спадкової інформації наступному поколінню;
- обмін речовин і енергії;
- збудливість;
- адаптованість до умов проживання;
- будівельний матеріал - біополімери (найважливіші з них - білки і нуклеїнові кислоти);
- спеціалізація від молекул до органів і високий ступінь їх організації;
- зріст;
- старіння;
- смерть.
Рівні організації живої матерії:
- молекулярний,
- клітинний,
- тканинної,
- органний,
- організменний,
- популяційно-видовий,
- биогеоценотический,
- біосферний.
різноманіття життя
Першими на нашій планеті з'явилися без'ядерні клітини. Більшістю вчених приймається, що ядерні організми з'явилися в результаті симбіозу давніх архей з синьо-зелених водоростей і бактеріями-окислювачами (теорія симбиогенеза).
цитологія
цитологія - наука про клітці. Вивчає будову і функції клітин одноклітинних і багатоклітинних організмів. Клітина є елементарною одиницею будови, функціонування, зростання і розвитку всіх живих істот. Тому процеси і закономірності, характерні для цитології, лежать в основі процесів, що вивчаються багатьма іншими науками (анатомія, генетика, ембріологія, біохімія та ін.).
Хімічні елементи клітини
Хімічний елемент - певний вид атомів з однаковим позитивним зарядом ядра. У клітинах виявлено близько 80 хімічних елементів. Їх можна розділити на чотири групи:
1 група - вуглець, водень, кисень, азот (98% від вмісту клітини),
2 група - калій, натрій, кальцій, магній, сірка, фосфор, хлор, залізо (1,9%),
3 група - цинк, мідь, фтор, йод, кобальт, молібден і ін. (Менше 0,01%),
4 група - золото, уран, радій і ін. (Менше 0,00001%).
Елементи першої і другої груп в більшості посібників називають макроелементами, Елементи третьої групи - мікроелементами, Елементи четвертої групи - ультрамікроелементи. Для макро- і мікроелементів з'ясовані процеси і функції, в яких вони беруть участь. Для більшості ультрамікроелементов біологічна роль не виявлено.
| Хімічний елемент | Речовини, в яких хімічний елемент міститься | Процеси, в яких хімічний елемент бере участь |
|---|---|---|
| Вуглець, водень, кисень, азот | Білки, нуклеїнові кислоти, ліпіди, вуглеводи та ін. Органічні речовини | Синтез органічних речовин і весь комплекс функцій, здійснюваних цими органічними речовинами |
| Калій, натрій | Na + і K + | Обеспечивание функції мембран, зокрема, підтримку електричного потенціалу клітинної мембрани, роботи Na + / Ka + -насоса, проведення нервових імпульсів, аніонний, катіонний і осмотичний баланси |
| кальцій | Са +2 | Участь в процесі згортання крові |
| Фосфат кальцію, карбонат кальцію | Кісткова тканина, зубна емаль, раковини молюсків | |
| пектати кальцію | Формування серединної пластинки і клітинної стінки у рослин | |
| магній | хлорофіл | фотосинтез |
| сірка | білки | Формування просторової структури білка за рахунок утворення дисульфідних містків |
| фосфор | Нуклеїнові кислоти, АТФ | Синтез нуклеїнових кислот |
| хлор | Cl - | Підтримка електричного потенціалу клітинної мембрани, роботи Na + / Ka + -насоса, проведення нервових імпульсів, аніонний, катіонний і осмотичний баланси |
| HCl | Активізація травних ферментів шлункового соку | |
| Залізо | гемоглобін | транспорт кисню |
| цитохроми | Перенесення електронів при фотосинтезі і диханні | |
| Марганець | Декарбоксилази, дегідрогенази | Окислення жирних кислот, участь в процесах дихання і фотосинтезу |
| мідь | гемоцианин | Транспорт кисню у деяких безхребетних |
| тирозиназа | Освіта меланіну | |
| кобальт | Вітамін В 12 | формування еритроцитів |
| цинк | Алькогольдегідрогеназа | Анаеробне дихання у рослин |
| Карбоангидраза | Транспорт СО 2 у хребетних | |
| фтор | фторид кальцію | Кісткова тканина, зубна емаль |
| йод | тироксин | Регуляція основного обміну |
| молібден | нитрогеназа | фіксація азоту |
Атоми хімічних елементів в живих організмах утворюють неорганічні (Вода, солі) і органічні сполуки (Білки, нуклеїнові кислоти, ліпіди, вуглеводи). На атомному рівні розходжень між живою та неживою матерією немає, відмінності з'являться на наступних, більш високих рівнях організації живої матерії.
вода
вода - найпоширеніше неорганічне з'єднання. Вміст води становить від 10% (зубна емаль) до 90% маси клітини (розвивається ембріон). Без води життя неможливе, біологічне значення води визначається її хімічними і фізичними властивостями.
Молекула води має кутову форму: атоми водню по відношенню до кисню утворюють кут, рівний 104,5 °. Та частина молекули, де знаходиться водень, заряджена позитивно, частина, де знаходиться кисень, - негативно, в зв'язку з цим молекула води є диполем. Між диполями води утворюються водневі зв'язку. Фізичні властивості води: прозора, максимальна щільність - при 4 ° С, висока теплоємність, практично не стискається; чиста вода погано проводить тепло і електрику, замерзає при 0 ° С, кипить при 100 ° С і т.д. Хімічні властивості води: хороший розчинник, утворює гідрати, вступає в реакції гідролітичного розкладання, взаємодіє з багатьма оксидами і т.д. По відношенню до здатності розчинятися у воді розрізняють: гідрофільні речовини - добре розчинні, гідрофобні речовини - практично нерозчинні в воді.
Біологічне значення води:
- є основою внутрішньої та внутрішньоклітинного середовища,
- забезпечує підтримку просторової структури,
- забезпечує транспорт речовин,
- гидратирует полярні молекули,
- служить розчинником і середовищем для дифузії,
- бере участь в реакціях фотосинтезу і гідролізу,
- сприяє охолодженню організму,
- є місцем існування для багатьох організмів,
- сприяє міграції та поширенню насіння, плодів, личинкових стадій,
- є середовищем, в якій відбувається запліднення,
- у рослин забезпечує транспирацию і проростання насіння,
- сприяє рівномірному розподілу тепла в організмі і мн. ін.
Інші неорганічні сполуки клітини
Інші неорганічні сполуки представлені в основному солями, які можуть міститися або в розчиненому вигляді (диссоційованними на катіони і аніони), або твердому. Важливе значення для життєдіяльності клітини мають катіони K +, Na +, Ca 2+, Mg 2+ (див. Таблицю вище) і аніони HPO 4 2-, Cl -, HCO 3 -, що забезпечують буферні властивості клітини. Буферна - здатність підтримувати рН на певному рівні (рН - десятковий логарифм величини, зворотної концентрації водневих іонів). Величина рН, що дорівнює 7,0, відповідає нейтральному, нижче 7,0 - кислого, вище 7,0 - лужному розчину. Для клітин і тканин характерна слаболужна середу. За підтримку цієї слаболужною реакції відповідають фосфатная (1) і бикарбонатная (2) буферні системи.