Какой химический состав клетки

Химические элементы клетки.

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:

Элемент	Символ
Главные макроэлементы (99.3 % всех атомов)
Водород	H (63%)
Кислород	O (26%)
Углерод	C (9%)
Азот	N (1 %)
Другие макроэлементы (0.7 % всех атомов)
Кальций	Ca
Фосфор	P
Калий	K
Сера	S
Натрий	Na
Хлор	Cl
Магний	Mg

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:

Элемент	Символ
Микроэлементы (менее 0.01% всех атомов)
Железо	Fe
Йод	I
Медь	Cu
Цинк	Zn
Марганец	Mn
Кобальт	Co
Хром	Cr
Селен	Se
Молибден	Mo
Фтор	F
Олово	Sn
Кремний	Si
Ванадий	V

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.

Тема 2.2. Химический состав клетки. — 10-11 класс, Пасечник (рабочая тетрадь).

1. Дайте определения понятий.
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».

Химический состав клетки

Мы уже знаем, что можем встретить в природе огромное разнообразие клеток, которые различаются по размеру, функциям, форме и рядом других параметров, мы познакомимся с химическим составом клетки, разберем, в чем состоят две важные особенности живой клетки, и обсудим функции органических веществ, входящих в ее состав.

Химический состав клетки

В при­ро­де можно встре­тить боль­шое раз­но­об­ра­зие кле­ток (рис. 1). Они от­ли­ча­ют­ся по раз­ме­ру, функ­ци­ям, форме, яв­ля­ют­ся сво­бод­но­жи­ву­щи­ми или же вхо­дят в со­став мно­го­кле­точ­ных ор­га­низ­мов, но при всем этом раз­но­об­ра­зии все они со­сто­ят из одних и тех же типов хи­ми­че­ских ве­ществ, пре­тер­пе­ва­ю­щих оди­на­ко­вые пре­вра­ще­ния.

Рис. 1. Разнообразие клеток (Источник)

Живую клет­ку от­ли­ча­ют две важ­ные осо­бен­но­сти:

1. Вы­со­кое со­дер­жа­ние воды.

2. Боль­шое ко­ли­че­ство слож­ных ор­га­ни­че­ских ве­ществ.

В живой клет­ке можно встретить различные химические элементы. Уче­ные под­счи­та­ли, что в клет­ке со­дер­жит­ся более 70 хи­ми­че­ских эле­мен­тов, то есть более по­ло­ви­ны всех су­ще­ству­ю­щих, толь­ко 24 из них по­сто­ян­но встре­ча­ют­ся в раз­лич­ных типах кле­ток. По ко­ли­че­ству эле­мен­ты, со­дер­жа­щи­е­ся в клет­ках, де­лят­ся на мак­ро- и мик­ро­эле­мен­ты (рис. 2).

Рис. 2. Макро-, микро- и ультрамикроэлементы (Источник)

Мак­ро­эле­мен­ты встре­ча­ют­ся в клет­ках в боль­шом ко­ли­че­стве. К ним от­но­сят­ся кис­ло­род, уг­ле­род, во­до­род, азот, сера, же­ле­зо, фос­фор, каль­ций, калий и так далее. Мик­ро­эле­мен­ты пред­став­ле­ны в клет­ках в неболь­шом ко­ли­че­стве, это такие эле­мен­ты, как мар­га­нец, медь, селен, ко­бальт, цинк, йод, ни­кель и так далее. Несмот­ря на очень малое со­дер­жа­ние, мик­ро­эле­мен­ты иг­ра­ют важ­ную роль, так как вли­я­ют на обмен ве­ществ в клет­ке. Кроме мак­ро- и мик­ро­эле­мен­тов, вы­де­ля­ют еще груп­пу уль­тра­мик­ро­эле­мен­тов, ко­то­рые со­став­ля­ют менее одной мил­ли­он­ной про­цен­та в ор­га­низ­мах живых су­ществ. К ним, на­при­мер, от­но­сят­ся зо­ло­то и се­реб­ро, ко­то­рые ока­зы­ва­ют бак­те­ри­цид­ное воз­дей­ствие. Ртуть по­дав­ля­ет об­рат­ное вса­сы­ва­ние воды в по­чеч­ных ка­наль­цах, ока­зы­вая воз­дей­ствие на фер­мен­ты. Также к уль­тра­мик­ро­эле­мен­там от­но­сят пла­ти­ну и цезий. Неко­то­рые к этой груп­пе от­но­сят и селен, при его недо­стат­ке раз­ви­ва­ют­ся ра­ко­вые за­бо­ле­ва­ния. Про­цент­ное со­дер­жа­ние в ор­га­низ­ме того или иного эле­мен­та ни в коем слу­чае не ха­рак­те­ри­зу­ет сте­пень его важ­но­сти и необ­хо­ди­мо­сти в ор­га­низ­ме.

Мно­гие мик­ро­эле­мен­ты вхо­дят в со­став био­ло­ги­че­ски ак­тив­ных ве­ществ: фер­мен­тов, ви­та­ми­нов, на­при­мер, ко­бальт вхо­дит в со­став ви­та­ми­на B12 (рис. 3), а также гор­мо­нов. Они ока­зы­ва­ют вли­я­ние на рост и раз­ви­тие ор­га­низ­мов, кро­ве­тво­ре­ния (же­ле­зо и медь), про­цес­сы кле­точ­но­го ды­ха­ния (медь, цинк) и так далее.

Рис. 3. Витамин В 12 (Источник)

Эти 70 эле­мен­тов в со­ста­ве клет­ки об­ра­зу­ют ты­ся­чи хи­ми­че­ских ве­ществ, ко­то­рые можно раз­де­лить на две боль­шие груп­пы (рис. 4).

Рис. 4. Органические и неорганические вещества (Источник)

Это неор­га­ни­че­ские и органические вещества, вхо­дя­щие в со­став клет­ки. Неор­га­ни­че­ские ве­ще­ства – это вода, ми­не­раль­ные соли, уг­ле­кис­лый газ, раз­лич­ные кис­ло­ты и ос­но­ва­ния. Вода яв­ля­ет­ся важ­ней­шим ком­по­нен­том со­дер­жи­мо­го живой клет­ки, она со­став­ля­ет в сред­нем около 70 % ее массы (рис. 5).

Рис. 5. Состав клетки (Источник)

Вода при­да­ет клет­ке упру­гость и объем, обес­пе­чи­ва­ет по­сто­ян­ство ее со­ста­ва, участ­ву­ет в хи­ми­че­ских ре­ак­ци­ях и в по­стро­е­нии хи­ми­че­ских мо­ле­кул, де­ла­ет воз­мож­ным про­те­ка­ние всех про­цес­сов жиз­не­де­я­тель­но­сти клет­ки. Вода яв­ля­ет­ся уни­вер­саль­ным рас­тво­ри­те­лем всех ве­ществ, по­сту­па­ю­щих в клет­ку, и тех, ко­то­рые из нее вы­во­дят­ся. Ми­не­раль­ные соли со­став­ля­ют при­мер­но от 1 до 1,5 % от общей массы клет­ки, но роль, ко­то­рую они вы­пол­ня­ют, очень важна. В рас­тво­рен­ном виде ми­не­раль­ные соли пред­став­ля­ют собой необ­хо­ди­мую среду для хи­ми­че­ских про­цес­сов, ко­то­рые про­те­ка­ют в клет­ке.

В клет­ках можно встре­тить много раз­ных солей. Жи­вот­ные их из­бы­ток вы­во­дят с по­мо­щью вы­де­ли­тель­ной си­сте­мы. А у рас­те­ний они на­кап­ли­ва­ют­ся и кри­стал­ли­зу­ют­ся в раз­лич­ных ор­га­но­и­дах или ва­ку­о­лях, чаще всего это бы­ва­ет соль и каль­ций. Их форма в клет­ках рас­те­ний может быть раз­лич­ной: иглы, ромбы, кри­стал­ли­ки, оди­но­кие или срос­ши­е­ся вме­сте, так на­зы­ва­е­мые друзы (рис. 6). Ор­га­ни­че­ские ве­ще­ства клет­ки на­зы­ва­ют так по­то­му, что впер­вые вы­де­ле­ны они были имен­но из ор­га­низ­мов. К ним от­но­сят­ся такие ве­ще­ства, как белки, ли­пи­ды (или жиры), углеводы и нук­ле­и­но­вые кис­ло­ты.

Рис. 6. Форма различных солей в клетках растений (Источник)

Ор­га­ни­че­ская химия – это химия со­еди­не­ния та­ко­го уди­ви­тель­но­го эле­мен­та, как уг­ле­род. Его уди­ви­тель­ность и уни­каль­ность в том, что мно­го­чис­лен­ные пре­вра­ще­ния мо­ле­кул и об­ра­зо­ва­ние раз­лич­ных круп­ных и даже ги­гант­ских мо­ле­кул ор­га­ни­че­ских со­еди­не­ний про­ис­хо­дит бла­го­да­ря тому, что уг­ле­род, бу­дучи че­ты­рех­ва­лент­ным, спо­со­бен объ­еди­нять­ся в длин­ные цепи и за­мкну­тые коль­це­вые струк­ту­ры (рис. 7).

Рис. 7. Модель кристаллической структуры углерода (Источник) Эти уг­ле­род­ные цепи и коль­ца яв­ля­ют­ся ске­ле­та­ми слож­ных ор­га­ни­че­ских мо­ле­кул. В клет­ках живых ор­га­низ­мов син­те­зи­ру­ют­ся все­воз­мож­ные боль­шие и малые ор­га­ни­че­ские мо­ле­ку­лы.

Неко­то­рые малые мо­ле­ку­лы могут со­еди­нять­ся между собой и об­ра­зу­ют круп­ные мо­ле­ку­лы – по­ли­ме­ры (от гре­че­ско­го слова polis – «мно­го­чис­лен­ный» и meros – «часть, доля»). Малые мо­ле­ку­лы, став­шие зве­нья­ми по­ли­мер­ной цепи, на­зы­ва­ют мо­но­ме­ра­ми (от слова monos – один) (рис. 8).

Рис. 8. Мономеры и полимеры (Источник)

Углеводы

Уг­ле­во­ды – это ор­га­ни­че­ские ве­ще­ства, в со­став ко­то­рых вхо­дит уг­ле­род, во­до­род и кис­ло­род, то есть, по сути, уг­ле­род и вода, от­сю­да и на­зва­ние – уг­ле­во­ды.

Они вы­пол­ня­ют в клет­ке раз­лич­ные функ­ции:

— энер­ге­ти­че­скую, как са­ха­ро­за, глю­ко­за;

— за­щит­ную, как цел­лю­ло­за;

— ре­зерв­ную, как крах­мал или гли­ко­ген.

Уг­ле­во­ды часто вы­сту­па­ют в роли очень важ­ных ком­по­нен­тов дру­гих ор­га­ни­че­ских со­еди­не­ний клет­ки, ко­то­рые встре­ча­ют­ся прак­ти­че­ски у всех ор­га­низ­мов, жи­ву­щих на Земле.

Липиды

Ли­пи­ды – это ве­ще­ства, ко­то­рые прак­ти­че­ски не рас­тво­ря­ют­ся в воде, но зато хо­ро­шо рас­тво­ря­ют­ся в ор­га­ни­че­ских рас­тво­ри­те­лях (рис. 10).

Мно­гие из них об­ра­зо­ва­ны с уча­сти­ем жир­ных кис­лот. Хо­ро­шо зна­ко­мые нам ли­пи­ды – жиры, ко­то­рые мы упо­треб­ля­ем в пищу, на­при­мер сли­воч­ное масло. Это не что иное, как со­еди­не­ние жир­ных кис­лот и трех­атом­но­го спир­та гли­це­ри­на. Роль ли­пи­дов в жиз­нен­ном цикле клет­ки не сво­дит­ся к од­но­му лишь за­па­са­нию энер­гии, хотя бла­го­да­ря своим свой­ствам эту функ­цию они вы­пол­ня­ют бле­стя­ще. Раз­ные виды ли­пи­дов вклю­ча­ют­ся в самые раз­лич­ные про­цес­сы, про­те­ка­ю­щие в клет­ке, на­при­мер фос­фо­ли­пи­ды (рис. 11), в со­став ко­то­рых вхо­дит оста­ток фос­фор­ной кис­ло­ты.

Рис. 11. Фосфолипиды (Источник)

Эти со­еди­не­ния – глав­ный ком­по­нент плаз­ма­ти­че­ской мем­бра­ны, мем­бран хло­ро­пла­стов, ми­то­хон­дрий, ядра и так далее (рис. 12).

Рис. 12. Соединения липидов (Источник)

Су­ще­ству­ют ли­пи­ды, ко­то­рые вхо­дят в со­став гор­мо­нов и участ­ву­ют в ре­гу­ля­ции об­ме­на ве­ществ в ор­га­низ­ме.

Заключение

Мы рас­смот­ре­ли химический состав клетки, органические ве­щества, вхо­дя­щие в со­став клет­ки – липиды и углеводы, обсудили их функции. Нук­ле­и­но­вые кис­ло­ты и белки мы рассмотрим на следующем уроке.

Список литературы

1. Мамонтов С.Г., Захаров В.Б., Агафонова И.Б., Сонин Н.И. Биология. Общие закономерности. – Дрофа, 2009.
2. Пономарева И.Н., Корнилова О.А., Чернова Н.М. Основы общей биологии. 9 класс: Учебник для учащихся 9 класса общеобразовательных учреждений/ Под ред. проф. И.Н. Пономаревой. – 2-е изд., перераб. – М.: Вентана-Граф, 2005.
3. Пасечник В.В., Каменский А.А., Криксунов Е.А. Биология. Введение в общую биологию и экологию: Учебник для 9 класса, 3-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2002.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Домашнее задание

1. Какие особенности отличают живую клетку и на какие группы делятся химические вещества, входящие в ее состав?
2. Какова роль неорганических веществ в жизни клетки?
3. Какие функции выполняют углеводы и липиды?

Если вы нашли ошибку или неработающую ссылку, пожалуйста, сообщите нам – сделайте свой вклад в развитие проекта.