Роль воды и неорганических веществ в жизнедеятельности клетки кратко

Обновлено: 05.07.2024

Posted in Биология Tags: вода в клетке, неорганические вещества клетки, соли в клетке

Большинство химических соединений, которые входят в состав клетки, встречаются только в живой природе. Почти все молекулы за небольшим исключением, встречающиеся в клетке, относятся к соединениям углерода и рассматриваются в курсе органической химии. Однако вода встречается и в живой, и в неживой природе. В среднем почти 70% от массы живых организмов составляет вода. Но содержание воды в клетке может колебаться в зависимости, например, от ее конкретного вида или возраста. Помимо воды в клетках в значительных количествах встречаются некоторые соли, которые важны для осуществления функций живых организмов.

Вода (H₂O) представляет собой вещество, которое в физическом и химическом отношении существенно отличается от других растворителей. Жизнь возникла в первичном океане, и в процессе дальнейшего развития природа использовала уникальные свойства воды.

У воды в отличии от других жидкостей необычайно высокие температуры кипения и плавления и высокая удельная теплоемкость. Также отличительными особенностями воды являются большая удельная теплота испарения, плавления и высокое поверхностное натяжение. Вода имеет все эти свойства благодаря тому, что ее молекулы более прочно связаны друг с другом в отличии от молекул других растворителей.

Эти уникальные свойства воды оказывают большое влияние на жизнедеятельность клеток. Например, высокая теплоемкость воды, т.е. способность поглощать тепло при незначительном изменении своей собственной температуры, предохраняет клетки от резких изменений температуры. Высокую теплоту испарения воды живые организмы используют для предохранения от перегрева. Вспомним, что испарение жидкости животными и растениями — это защитная реакция на повышение температуры. Благодаря высокой теплопроводности воды обеспечивается равномерное распределение теплоты по всему организму, а благодаря тому, что вода плохо сжимается, клетки обладают упругостью и могут поддерживать свою форму.

Свои уникальные физические и химические свойства вода получила благодаря особенностям структуры своей молекулы, а точнее, благодаря тому, как именно в молекуле воды располагаются электроны в атомах кислорода и водорода. Два электрона, располагающиеся на внешней электронной орбите атома кислорода в молекуле воды, объединяются с двумя электронами, принадлежащими атомам водорода (у атома водорода на внешней орбите только один электрон). Благодаря этому в молекуле воды образуются две ковалентные связи (между атомом кислорода и двумя атомами водорода). Электроотрицательность * атома кислорода выше, чем у атомов водорода, благодаря чему, электроны притягиваются к нему сильнее. В результате этого на атоме кислорода появляется частично отрицательный заряд, а на атомах водорода — частично положительный. Между более отрицательно заряженными атомами кислорода одних молекул воды и более положительно заряженными атомами водорода других молекул воды образуются так называемые водородные связи, и молекулы воды оказываются связанными между собой.

* Электроотрицательность — это способность атома в молекуле смещать к себе общие электронные пары. Относится к фунадментальным свойствам атома и выражается в количественных характеристиках.

5 молекул воды с водородными связями между ними

На рисунке изображены молекулы воды. Ковалентные связи связывают атомы кислорода и водорода внутри каждой молекулы (сплошные линии), а водородные связи образуются между соседними молекулами (пунктирные линии).

Водородные связи примерно в 20 раз более слабые, чем ковалентные. Поэтому они легко образуются и разрываются. Даже при температуре кипения (100°С) взамодействие между молекулами воды остается достаточно сильным. Именно водородные связи обеспечивают структурированность воды и объясняют такие ее свойства, как высокие температуры кипения и плавления, а также высокую теплоемкость.

Другое важное свойство молекулы воды — ее дипольность. В молекуле воды, как отмечалось ранее, атомы кислорода имеют небольшой отрицательный заряд, а атомы водорода — положительный. Т.к. угол между связями H-O-H составляет 104.5°, получается, что отрицательный заряд в молекуле воды сосредотачивается на одной стороне, а положительный — на другой. Благодаря дипольности молекулы воды имеют способность к ориентации в электрическом поле. Это свойство объясняет, что вода является уникальным растворителем. Если в молекулах веществ присутствуют заряженные группы атомов, они, вступая в электростатическое взаимодействие с молекулами воды, растворяются в ней. Такие вещества с заряженными или полярными группами, растворяющиеся в воде, называются гидрофильными.

Растворение NaCl в воде.

Способность воды растворять кристалл NaCl зависит от электростатического притяжения между полярными молекулами воды и заряженными ионами натрия и хлора.

К гидрофильным соединениям, которые в большом количестве есть в клетках, относятся соли, некоторые низкомолекулярные органические соединения (органические кислоты, аминокислоты, простые сахара), а также полимеры: некоторые полисахариды, белки, нуклеиновые кислоты. Однако существует ряд веществ, почти не имеющих заряженных атомов, и, поэтому, не растворяющихся в воде. Такие вещества называются гидрофобными. К ним, например, относятся липиды (жиры). Гидрофобные вещества не взаимодействуют с водой, но могут взаимодействовать друг с другом. Поэтому они хорошо растворяются в некоторых органических растворителях, как, например, хлороформ. Липиды, относящиеся к гидрофобным соединениям, формируют двумерные структуры (биологические мембраны), практически непроницаемые для воды.

По сравнению с другими растворителями вода может растворить больше химических веществ, благодаря своей полярности. Жизнедеятельность клетки невозможна без многочисленных химических реакций, которые осуществляются в ее водной среде, где растворены различные химические вещества. Также вода растворяет и продукты реакций. Затем в растворенном виде они выводятся из клеток и многоклеточных организмов. За счет перемещения воды в организмах животных и растений осуществляется обмен различными веществами между тканями. Еще одним важным свойством воды является то, что, как химическое соединение, вода вступает во многие химические реакции, которые протекают в клетке. Такие реакции называют реакциями гидролиза. В свою очередь, молекулы воды сами образуются в результате многих реакций в клетках живых организмов.

Т.к. масса атома водорода мала, а атом кислорода в молекуле воды удерживает его единственный электрон, протон (ядро атома водорода, лишенное электрона) способен отрываться от молекулы воды. В результате этого из молекулы воды образуются гидроксильный ион (ОН — ) и протон (Н + ).

H₂O H + + OH —

Данный процесс называют диссоциацией воды. Гидроксильные ионы и протоны, которые образуются при диссоциации воды, являются, в свою очередь, участниками многих важных реакций в живых организмах.

В жизнедеятельности клетки также очень важны соли, растворенные в воде. Главным образом соли представлены катионами калия (К + ), натрия (Na + ), магния (Mg 2+ ), кальция (Ca 2+ ) и других металлов, а также анионами соляной (Cl — ), угольной (НСО₃ — ) и фосфорных кислот (Н₂РО₄ — , НРО₄ 2- ).

Многие катионы характеризуются неравномерным распределением между клеткой и окружающей ее средой. Например, для цитоплазмы характерна более высокая концентрация К + , чем для окружающей клетку среды, между тем, в той же цитоплазме концентрация Na + и Са 2+ будет ниже, чем снаружи клетки. В качестве внешней среды по по отношению к клетке может выступать не только природная среда, например, океан, но и жидкости внутри живого организма, такие как кровь или тканевая жидкость, близкие по своему ионному составу к морской воде. В процессе жизнедеятельности неравномерное распределение катионов между клетками и окружающей их средой постоянно поддерживается, на это затрачивается значительная часть энергии в клетках. Такая неравномерная концентрация ионов между клетками и окружающей их средой необходима для многих процессов жизнедеятельности, к примеру, для передачи возбуждения по нервным и мышечным клеткам или сокращения мышц. Когда клетка умирает, концентрация катионов внутри нее и снаружи быстро становится одинаковой.

Кислотность цитоплазмы клетки в процессе жизнедеятельности практически нейтральная (т.е. значение концентрации ионов водорода (рН) в цитоплазме находится в диапазоне 6,5-7,5). Это происходит несмотря на то, что в процессе жизнедеятельности в клетке образуются и щелочи, и кислоты. Важную роль в поддержании нейтральной кислотности играют анионы слабых кислот (НСО₃ — , НРО₄ 2- ), содержащиеся в клетке. Анионы слабых кислот нейтрализуют внутриклеточную среду, связывая протоны кислот и гидроксильные ионы щелочей.

Необходимо отметить, что анионы слабых кислот вступают в химические реакции, происходящие в клетке. Например, для синтеза АТФ, одного из важных соединений для клетки, необходимы анионы фосфорной кислоты. О синтезе АТФ я расскажу более подробно позднее. Неорганические вещества в живых организмах содержатся не только в растворенном, но и в твердом состоянии. В качестве примера можно привести кости, где преобладает фосфат кальция и в меньшем количестве фосфат магния. В раковинах моллюсков преобладает карбонат кальция.

1. Элементарный состав клетки. Сходство химического состава клеток разных организмов как доказательство их родства. Основные химические элементы, входящие в состав клетки: кислород, углерод, водород, азот, калий, сера, фосфор, хлор, магний, натрий, кальций, железо.

2. Роль различных химических элементов в клетке. Кислород, углерод, водород и азот — основные химические элементы, из которых состоят молекулы органических веществ. Такие элементы, как калий, натрий и хлор, — входят в состав плазмы крови, участвуют в обмене веществ и обеспечивают постоянство внутренней среды организма — гомеостаз.
Сера — элемент, входящий в состав некоторых белков, фосфор входит в состав всех нуклеиновых кислот, магний — хлорофилла, железо — гемоглобина (гемоглобин — белок, входящий в состав эритроцитов и обеспечивающий перенос кислорода и углекислого газа в организме), кальций — костей, раковин моллюсков.

3. Химические вещества, входящие в состав клетки: неорганические (вода, минеральные соли) и органические (углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты, АТФ).

4. Минеральные соли, их роль в клетке. Содержание минеральных солей в клетке в виде катионов (К+, Na+, Ca2+, Mg2+) и анионов (—НРО|~, — Н2РС>4, —СГ, —НСС*з). Уравновешенность содержания катионов и анионов в клетке, обеспечивающая постоянство внутренней среды организма. Примеры: в клетке среда слабощелочная, внутри клетки высокая концентрация ионов К+, а в окружающей клетку среде — ионов Na+. Участие минеральных солей в обмене веществ.

5. Вода. Содержание воды в клетке — от 40 до 98% ее массы. Роль воды в клетке:

— обеспечение упругости клетки. Последствия потери клеткой воды — увядание листьев, высыхание плодов;

— ускорение химических реакций за счет растворения веществ в воде;

— обеспечение перемещения веществ: поступление большинства веществ в клетку и удаление их из клетки в виде растворов;

— обеспечение растворения многих химических веществ (ряда солей, Сахаров);

— участие в ряде химических реакций;

— участие в процессе теплорегуляции благодаря способности к медленному нагреванию и медленному остыванию.

№1.Химический состав клетки. Роль воды и неорганических веществ в жизнедеятельности клетки.

5. Вода. Содержание воды в клетке — от 40 до 98% ее массы. Роль воды в клетке:

— обеспечение упругости клетки. Последствия потери клеткой воды — увядание листьев, высыхание плодов;

— ускорение химических реакций за счет растворения веществ в воде;

— обеспечение растворения многих химических веществ (ряда солей, Сахаров);

— участие в ряде химических реакций;

— участие в процессе теплорегуляции благодаря способности к медленному нагреванию и медленному остыванию.

Задумайтесь! Мы с вами состоит из миллиардов атомов. Все атомы находятся в круговороте, и все атомы, которыми мы обладаем, в ком-то и где-то находились те 4,5 млрд. лет, которые существует Земля. Они были частями животных, растений, грибов и бактерий - а сейчас принадлежат нам на короткое время.

С химической точки зрения ответ на вопрос "Жив ли изучаемый объект?" - не представляется возможным. Понятию "жизнь" дано колоссальное количество определений. Жизнь - это самовоспроизведение с изменением, способ существования белковых тел, постоянный обмен веществ с внешней средой.

Мы приступаем к изучению неорганических и органических веществ клетки. Начнем с неотъемлемого компонента клетки, благодаря которому жизнь на Земле в принципе стала возможна - вода.

Составляет 60-80% массы клетки. Молекула воды обладает уникальным свойством - полярностью, которое возникает из-за разницы в электроотрицательности (ЭО) между атомами кислорода и водорода (у кислорода ЭО больше).

Поскольку молекула воды полярна, ее называют диполь. Между молекулами воды возникают непрочные водородные связи: водородная связь начинается от отрицательно заряженного атома кислорода (2δ - ) одной молекулы воды и тянется до положительно заряженного атома водорода другой молекулы воды (δ + )

Гидрофильные (греч. hydro - вода и philéo - люблю) - вещества, которые хорошо растворяются в воде. Гидрофильными веществами являются сахара, соли, альдегиды, спирты, аминокислоты.
Гидрофобные (греч. hydro - вода и phobos — страх) - вещества, которые не растворяются в воде. Гидрофобными веществами являются жиры.

Большинство реакций, которые протекают в клетке, идут в растворе (водной среде). Полярность молекулы воды позволяет ей быть отличным растворителем для других гидрофильных (полярных) веществ.

Вода может поглощать теплоту при минимальном изменении температуры. Это настоящее "спасение" для клеток: чуть только температура меняется, вода начинает поглощать избыток тепла, защищая клетку от перегревания. Выделяясь на поверхность кожи с потом, вода испаряется, поверхность кожи при этом охлаждается.

Она не только создает среду для реакций в клетке, но и сама активно участвует во многих из них. Расщепление питательных веществ, попавших в клетку, происходит за счет реакции гидролиза (греч. hydro - вода и lysis - расщепление).

Питательные вещества, газы перемещаются по организму с током крови. Вода составляет 90-92% плазмы крови, является ее основным компонентом. С помощью воды происходит не только доставка веществ к клеткам, но и удаление из организма побочных продуктов обмена веществ.

Вода придает тканям тургор (лат. turgor — наполнение) - внутреннее осмотическое давление в живой клетке, создающее напряжение оболочек клеток. Вода составляет от 60 до 95% цитоплазмы, придает клеткам форму. Изменение тургора клеток растений приводит к перемещениям их частей, раскрытию устьиц, цветков.

Осмотическое давление - избыточное гидростатическое давление на раствор, отделенный от чистого растворителя с помощью полупроницаемой мембраны.

Главное - понимать суть: если мы поместим живую клетку в гипертонический раствор, то вода (растворитель) устремится из клетки в раствор (в сторону большей концентрации соли) - это приведет к сморщиванию клеток.

Если же клетка окажется в гипотоническом растворе, то вода извне устремится внутрь клетки (опять-таки в сторону большей концентрации солей), приводя при этом к разбуханию (и возможному разрыву) клетки.

Элементы

Процентное содержание элемента не коррелирует с его важностью и биологической значимостью. Так, к примеру, микроэлемент I играет важную роль в синтезе гормонов щитовидной железы: тироксина, трийодтиронина. За нормальные рост и развитие организмов отвечают Zn, Mn, Cu.

Благоприятно влияют на сперматозоиды Zn, Ca, Mg, защищая их от оксидативного стресса (окисления). Невозможным становится нормальное образование эритроцитов без должного уровня Fe и Cu.

В водной среде клетки соли диссоциируют (распадаются) на положительно заряженные ионы - катионы (Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ ) и отрицательно заряженные - анионы (Cl - , SO₄ 2- , HPO₄ 2- , H₂PO₄ - ).

Для процессов возбуждения клетки (нейрона, миоцита - мышечной клетки) внутри клетки должна поддерживаться низкая концентрация ионов Na + и высокая концентрация ионов K + . В окружающей клетку среде все наоборот: много Na и мало K. В мембране существует специальный натрий-калиевый насос, который поддерживает необходимое равновесие. Если это соотношение нарушится, то нейрон не сможет сгенерировать нервный импульс, а клетка мышцы - сократиться.

Участвуют в активации ферментов
Создают буферные системы (бикарбонтаную, фосфатную, белковую)
Поддерживают кислотно-щелочное состояние (КЩС)
Создают осмотическое давление клетки
Создают мембранный потенциал клеток (натрий-калиевый насос)
Являются основным минеральным составляющим скелета внутреннего и наружного (у моллюсков)

Мы переходим к органическим компонентам клетки, к которым относятся: жиры, углеводы, белки и нуклеиновые кислоты.

Белки, или пептиды (греч. πεπτος - питательный)

Белки - полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Белки представляют линейную структуру, образованную из длинной цепи аминокислот, между которыми возникают пептидные связи. Пептидная связь образуется между карбоксильной группой (COOH) одной аминокислоты и аминогруппой другой аминокислоты (NH₂).

Между понятиями пептиды и белки существует определенная разница. Белки состоят из сотен тысяч аминокислот. Пептидами называют небольшие белки, содержащие до 10 аминокислот. Ими являются некоторые гормоны: окситоцин, вазопрессин, тиреолиберин - эти пептиды выполняют регуляторную функцию.

Первичная - полипептидная цепь, в которой аминокислоты расположены линейно
Вторичная - полипептидная цепь закручивается в спираль, формируется α или β структура
Третичная - спирали скручиваются в глобулу (лат. globulus - шарик)
Четвертичная - образуется у сложных белков путем соединения нескольких глобул

При резком изменении оптимальных для белка условий он подвергается денатурации: при этом происходит переход от высших структур организации к низшим, или "раскручивание белка". Важно заметить, что аминокислотная последовательность (первичная структура белка) при этом не меняется, однако свойства белка меняются кардинально (теряется его гидрофильность).

Осмелюсь сделать заявление: вы часто начинаете свой день с денатурации белка. Простейший способ провести такой эксперимент - пожарить яичницу. Заметьте, что изначально яичный белок прозрачный и текучий, но по итогу жарки эти свойства утрачиваются: он становится непрозрачным и вязким.

Белки - природные катализаторы, ускоряющие реакции в организме в десятки и сотни тысяч раз. Эту роль главным образом выполняют белки-ферменты (энзимы).

Иногда в состав белков входят так называемые ко-факторы - небелковые соединения, которые необходимы ферменту для его биологической активности (в роли ко-факторов могут выступать Zn 2+ , Mg 2+ ).

Белки входят в состав клеточных мембран. Сложные белки: коллаген, эластин - входят в состав соединительных тканей организма, придавая им некоторую прочность и эластичность.

Некоторые гормоны, регулирующие обменные процессы в организме, имеют белковое происхождение: инсулин, глюкагон, адренокортикотропный гормон (АКТГ).

Говоря об этой функции, прежде всего, стоит вспомнить об антителах - иммуноглобулинах, которые синтезируют B-лимфоциты. Антитела нейтрализуют чужеродные организму антигены (разрушают бактерии).

Помимо антител, защитную функцию выполняют также белки свертывающей системы крови (тромбин и фибриноген): они предохраняют организм от кровопотери.

При недостаточном питании в организме начинают окисляться молекулы белков. При расщеплении 1 г белков выделяется 17,6 кДж энергии.

Некоторые белки крови способны присоединять к себе и переносить различные молекулы. Альбумины участвуют в транспорте жирных кислот, глобулины - гормонов и некоторых ионов (Fe, Cu). Основной белок эритроцитов - гемоглобин - способен переносить кислород, углекислый и угарный газы (угарный конечно нежелательно ему переносить, будет отравление)

Двигательные белки, актин и миозин, на уровне саркомера обеспечивают сокращение мышц. При возбуждении мышечной ткани тонкие нити актина начинают тереться о толстые нити миозина, приводя к сокращению.

На поверхности мембраны белки образуют многочисленные рецепторы, которые, соединяясь с гормонами, приводят к изменению обмена веществ в клетке. Таким образом, гормоны реализуют воздействие на клетки органов-мишеней.

Жиры, или липиды (греч. lipos - жир)

С химической точки зрения жиры являются сложными эфирами, образованными трехатомным спиртом глицерином и высшими карбоновыми кислотами (жирными кислотами). Среди их свойств надо выделить то, что они практически нерастворимы в воде. Вспомните, как тяжело смыть жир с рук водой.

Почему именно мыло смывает жир с рук? Дело в том, что молекула мыла повторяет свойства жира: одна часть ее гидрофобна, а другая гидрофильна. Мыло соединяется с молекулой жира гидрофобной частью, и вместе они легко смываются водой.

При окислении жиров выделяется много энергии: 1 г - 38,9 кДж. Это вдвое больше выделяющейся энергии при расщеплении 1г углеводов.

Жиры имеют способность накапливаться в клетках, расположенных в подкожно-жировой клетчатке, внутренних органах. Эти запасы являются резервом организма на случай голодания или при недостаточном питании.

В жирах также запасается вода: в 100 г жира содержится 107 мл воды. Многим пустынным животным (верблюдам) жировые запасы помогают длительное время обходиться без воды.

Жиры входят в состав биологических мембран клеток человека вместе с белками. Из фосфолипидов построены мембраны всех клеток органов и тканей!

Так, к примеру, холестерин - обязательный компонент мембраны, придает ей определенную жесткость и совершенно необходим для нормальной жизнедеятельности (заболевания возникают только при нарушении липидного обмена).

Жиры обладают плохой теплопроводностью. Располагаясь в подкожно-жировой клетчатке, они образуют термоизолирующий слой. Особенно хорошо он развит у ластоногих (моржи и тюлени), китов, защищает их от переохлаждения.

Некоторые гормоны по строению относятся к жирам: половые (андрогены - мужские и эстрогены - женские), гормон беременности (прогестерон), кортикостероиды.

Производное жира - витамин D - принимает важное участие в обмене кальция и фосфора в организме. Он образуется в коже под действием ультрафиолетового излучения (солнечного света). При недостатке витамина D возникает заболевание - рахит.

Углеводы

Простые сахара, легко растворяющиеся в воде и имеющие сладкий вкус. Моносахариды подразделяются на гексозы (имеют 6 атомов углерода) - глюкоза, фруктоза, и пентозы (имеют 5 атомов углерода) - рибоза и дезоксирибоза, входящие в состав нуклеиновых кислот.

При гидролизе олигосахариды распадаются на моносахариды. В состав олигосахаридов может входить от 2 до 10 моносахаридных остатков. Если в состав олигосахарида входят 2 остатка моносахарида, то его называют дисахарид. К дисахаридам относятся сахароза, лактоза, мальтоза. При гидролизе сахароза распадается на глюкозу и фруктозу.

Это биополимеры, в состав которых входят сотни тысяч моносахаридов. Они обладают высокой молекулярной массой, нерастворимы в воде, на вкус несладкие.

Крахмал, целлюлоза, гликоген, хитин и муреин - все это биополимеры. Давайте вспомним, где они находятся.

Клеточная стенка образована: у растений - целлюлозой, у грибов - хитином, у бактерий - муреином. Запасным питательным веществом растений является крахмал, животных - гликоген.

В результате расщепления 1 г углеводов высвобождается 17,6 кДж энергии.

Запасным питательным веществом растений и животных соответственно являются крахмал и гликоген. Расщепление гликогена позволяет нам оставаться в сознании и быть активными между приемами пищи.

Гликоген представляет собой разветвленную молекулу, состоящую из остатков глюкозы. За счет больших размеров такая молекула хорошо удерживается в клетке, а ее разветвленность позволяет ферментам быстро отщеплять множество молекул глюкозы одновременно.

Существуют заболевания, при которых распад гликогена нарушается: в результате нейроны не получают глюкозы (источника энергии, соответственно не синтезируются и молекулы АТФ). Из-за этого становятся возможны частые потери сознания.

Целлюлоза входит в состав клеточных стенок растений, придавая им необходимую твердость. Хитин образует клеточную стенку грибов и наружный скелет членистоногих.

Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus — ядро)

Для ДНК характерны следующие азотистые основания: аденин - тимин, гуанин - цитозин; для РНК: аденин - урацил, гуанин - цитозин. Исходя из принципа комплементарности, данные основания соответствуют друг другу, в результате чего между ними образуются связи.

Между аденином и тимином образуется 2 водородные связи, а между гуанином и цитозином - 3.

Именно по этой причине количество аденина в молекуле ДНК всегда совпадает с количеством тимина. К примеру, если в ДНК 20% аденина, то с уверенностью можно сказать, что в ней 20% тимина. Выходит на оставшиеся основания - цитозин и гуанин - остается 60%, значит, цитозин и гуанин составляют в ДНК 30% каждый. Таким нехитрым образом, зная процент содержания одного основания, можно подсчитать все остальные.

В ДНК остаток сахара - дезоксирибоза, в РНК - рибоза.

Синтезируется в ядрышке. рРНК входит в состав малых и больших субъединиц рибосом. В процентном отношении рРНК составляет 80-90% всей РНК клетки.

Синтезируется в ядре в ходе процесса транскрипции (лат. transcriptio — переписывание). Фермент РНК-полимераза строит цепь иРНК по принципу комплементарности с ДНК. Исходя из данного принципа, гуанин (Г) в молекуле ДНК соединяется с цитозином (Ц) в РНК. Далее соответственно: цитозин (Ц) - гуанин (Г), аденин (А) - урацил (У), тимин (Т) - аденин (А).

Обеспечивает транспорт аминокислоты к рибосоме во время синтеза белка. Благодаря этому становится возможным соединение аминокислот друг с другом, образуется белок. тРНК имеет характерную форму клеверного листа.

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Подобность элементарного химического состава клеток всех организмов свидетельствует о единстве живой природы. Вместе с тем нет ни одного химического элемента живых организмов, которые не встречались бы в телах неживой природы. Этим подтверждается единство неживой и живой природы.

Наибольшее процентное содержание в клетке составляют четыре элемента:

кислород (65 – 70%),
углерод (15 – 18%),
водород (8 – 10%),
азот (2 – 3%).

Это органогенные элементы.

В целом они составляют 95 – 98% общей массы живого организма.

Такие элементы, как кальций, калий, фосфор, сера, силиций, натрий, хлор, магний, железо составляют в живом организме десятые доли процента. Перечисленные элементы относятся к макроэлементам.

Кобальт, цинк, медь, марганец, хром, бром, бром, йод, литий, радий содержатся в очень малых количествах, меньших за 0,01%. Их называют микроэлементами.

Важность того или другого химического элемента для живых существ не определяется его количеством.

Ряд микроэлементов входят в состав ферментов, гормонов и других жизненно важных соединений, которые влияют на процессы размножения, кровообразования и др.

Цинк входит в состав молекулы инсулина; кобальт – в состав цианокобаламина (витамин В12) и т. п.

Все живые организмы резко отличаются от окружающей неорганической природы по количественному составу химических элементов.

Углерода в растениях содержится около 18%, а в почве – меньше 1%, а кремния, наоборот, в растениях – 0,15%, а в почве – 33%.

Большое содержание углерода в составе живых организмов определяется наличием в них углеродосодержащих соединений, которые называются органическими.

Готовые работы на аналогичную тему

В некоторых живых организмах накопляются определённые химические элементы.

В водорослях накопляется йод, в лютиковых – литий, а в болотной ряске – радий и т. п.

Вода и другие неорганические вещества, их роль в жизнедеятельности клетки

Из неорганических соединений в клетке больше всего воды.

Чем выше интенсивность обмена веществ в той или иной ткани, тем больше она содержит воды.

В эмбрионе человека в возрасте 1,5 месяцев вода составляет 97,5%, у восьмимесячного – 83, у новорождённого ребёнка – 74, у взрослого человека в среднем 66%.

Содержание воды у человека в разных органах и тканях тоже разное.

Мозг взрослого человека содержит 86% воды, печень – 70, кости – 20% воды.

С возрастом её содержание в тканях уменьшается.

Вода выполняет в клетках много функций:

сохранение объёма,
упругость клетки,
растворение различных химических веществ.

Кроме того, вода – это та среда, в которой происходят все химические процессы. Она непосредственно берёт участие во всех химических реакциях: жиры, углеводы и другие органические соединения расщепляются в результате химического взаимодействия их с водой.

Благодаря высокой теплоёмкости вода оберегает цитоплазму от резких колебаний температуры и способствует терморегуляции клеток и организма.

Часть молекул воды (около 15%) в клетках находится в связанном состоянии с белковыми молекулами. Они изолируют молекулы белка друг от друга в коллоидных растворах.

Большое количество органических веществ клетки (липиды) имеют низкую растворимость в воде. Притяжение молекул воды к этим веществам достаточно слабое, потому они, составляя основу клеточной мембраны, ограничивают переход воды из клетки во внешнюю среду и наоборот, а также из одних участков клетки в другие.

Минеральные соли в большом количестве содержатся в клетках опорных органов – хитиновых панцирей, черепашек моллюсков, костей. В цитоплазме других клеток большая часть солей содержится в диссоциированном состоянии в виде катионов и анионов – калия, натрия, кальция, хлора и др.

Содержание в клетке катионов имеет важное значение для её функционирования. Поступление воды в клетку зависит от концентрации солей, потому что клеточная мембрана проницаема для молекул воды и непроницаема для многих больших молекул и ионов. Если в окружающей среде содержится меньшее количество ионов, чем в цитоплазме клетки, то вода поступает в клетку до выравнивания концентрации солей (осмос).

Наличие солей в цитоплазме определяет её буферные свойства – способность поддерживать рН на постоянном уровне (близко к нейтральной реакции), несмотря на то, что в процессе обмена веществ непрерывно образуются кислые и щелочные продукты.

Строение и биологические функции органических веществ, входящих в состав клетки

Различные клетки могут очень отличаться по содержанию органических веществ.

В перерасчёте на сухую массу в клетках содержится липидов – 5-15%, белков около 10-12, углеводов – 0,2-2, нуклеиновых кислот – 1-2% массы клетки.

Большинство органических соединений имеют длинные молекулы (полимеры), состоящие из цепи более простых молекул (однородные или разнородные мономеры).

Углеводы в большом количестве содержатся в растительных клетках. В некоторых плодах, семенах, клубнях количество их иногда достигает 90%.

В животных клетках углеводов значительно меньше – до 5%.

Простые углеводы называются моносахаридами, сложные – полисахаридами.

Из моносахаридов в организмах встречаются пентозы (имеют 5 атомов углерода) и гексозы (6 атомов углерода). Среди пентоз наиболее важны рибоза (составляющая РНК) и дезоксирибоза (составляющая ДНК). Среди гексоз – глюкоза и фруктоза: их много содержится в плодах растений и в мёде, чем обуславливается их сладкий вкус. Глюкоза содержится и в крови человека (около 0,12%). Этот углевод – основной энергетический материал обмена веществ для всех клеток.

В результате полимеризации двух или нескольких моносахаридов образуются полисахариды.

Среди дисахаридов наиболее распространены сахароза (состоит из молекул глюкозы и фруктозы) и лактоза, или молочный сахар (состоит из молекул глюкозы и галактозы).

Из полимеров в природе чаще всего крахмал, целлюлоза (клетчатка; у растений) и гликоген (у животных). Общая формула их – (С6Н10О5)n, а мономером этих полисахаридов является глюкоза.

Каждая клетка клетчатки (целлюлозы) образована цепью из 150 – 200 молекул глюкозы.

Липиды – это низкомолекулярные вещества с гидрофобными свойствами. Вместе с белками и углеводами это основные компоненты всех видов клеток. В различных органах и тканях содержание липидов неодинаково. Особенно много их в нервной ткани, сердце, печени, почках, крови, семенах и плодах некоторых растений.

По химическому строению липиды достаточно разнообразны. В их состав входят высшие жирные кислоты, спирты, альдегиды, азотистые основания, аминокислоты, аминоспирты, углеводы, фосфорная кислота и др. Между этими соединениями могут образовываться связи: эфирные, сложноэфирные, гликозидные, амидные, фосфоэфирные и т. п.

Классификация липидов очень сложная через сложность строения молекул этих веществ и их разнообразие. Сейчас все липиды принято делить на нейтральные (жиры) и фосфолипиды.

Нейтральные липиды – это производные высших жирных кислот и трёхатомного спирта глицерина. Как и углеводы, жиры используются как источник энергии: при расщеплении одного грамма жира выделяется 38,9 кДж энергии.

Подкожный жир играет важную теплоизоляционную роль для многих животных. У животных, впадающих в спячку, жиры обеспечивают организм необходимой энергией, поскольку питательные вещества извне в это время не поступаю. Основной запас питательных веществ жиры составляют и в семенах многих растений.

Фосфолипиды – наибольшая часть липидов, которые входят в состав мембран. Если в среднем на липиды приходится 40% сухой массы мембран, то из них: 80% - на фосфолипиды. Отсюда понятно, что основные функции мембран (регулирование проницательности различных веществ и клеточного содержимого, функционирование ионных насосов, восприятие, обработка и передача внутрь клетки информации с её поверхности, иммунный ответ, синтез белков и много другого) осуществляются с участием фосфолипидов.

Именно липиды являются растворителями некоторых жирорастворимых витаминов, поскольку сами не растворяются в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях.

Белки, или протеины, составляют 50 – 80% всех органических веществ клетки, они входят в состав межклеточной жидкости, лимфы, плазмы крови. Все белки – полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. В состав белков входит приблизительно 20 различных аминокислот.

Значение белков достаточно велико, потому что жизнь всегда связана с белками. Белки входят в состав всех органоидов и мембран клетки составляя главный структурный материал.

Очень важна двигательная функция белков. Комплексы из молекул некоторых белков (например, актина и миозина) способны к сокращению. Благодаря этой способности белков осуществляется сокращение мышц, движение ресничек и жгутиков, перемещение хромосом в клетке и т.п.

Некоторые белки выполняют в организме сигнальные функции. С ними связана раздражительность клеток и организмов.

Ещё одна функция белков – защитная, которая обеспечивается особенными белками (антителами), которые обезвреживают, нейтрализуют посторонние (чужеродные) для организма вещества.

В конце концов, белки являются источником энергии. В процессе расщепления белковой молекулы на отдельные аминокислоты часть их может использоваться для биосинтеза новых молекул белка, а часть расщепляется окончательно, освобождая энергию. При полном расщеплении 1 г белка освобождается 17,6 кДж энергии.

Огромное значение имеют белки как биокатализаторы, или ферменты.

Молекулы одних ферментов состоят только из белков, а другие могут функционировать лишь при наличии в молекуле двух компонентов – белкового (апофермента) и небелкового (кофермента). Коферментами могут быть различные органические вещества, в частности и витамины.

Ни одна реакция в клетке не может происходить с нормальной скоростью без участия ферментов как биологических катализаторов.

При классификации ферментов учитываются как специфика их действия на субстрат, так и химические реакции. Различают ферменты – липазы (расщепляют липиды), амилазы (расщепляют углеводы), пептидазы (расщепляют белки), а также ферменты окислительно–восстановительных реакций, реакций гидролиза и синтеза, реакций перенесения, присоединения или отщепления определённых органических соединений. Сегодня составлен каталог ферментов, в котором каждый из них имеет свой номер и систематическое название.

Пепсин по номенклатуре ферментов обозначается – 3.4.4.1 (пептид-пептидогидролаза), а липаза – 3.1.1.3 (гидролаза эфиров глицерина).

Выборочность действия ферментов на различные химические вещества связана с их строением. Молекулы всех ферментов имеют один или несколько активных центров, которыми они прикрепляются к тем веществам, на которые способны действовать. Потому действие ферментов всегда специфично.

Два пищеварительных фермента – пепсин и трипсин – участвуют в расщеплении молекул белков до небольших фрагментов, но каждый из них действует по-разному. Пепсин разрушает связи аминокислоты тирозина, а трипсин – аминокислот аргинина и лизина, причём первый действует на аминогруппы, а второй – на карбоксильные группы аминокислот.

Обычно ферменты катализируют много последовательных реакций, причём вещества, возникщие с участием первого фермента, служат субстратом для другого и т.п.

Действие ферментов в клетке всегда согласовано и происходит в определённой последовательности. Это достигается благодаря тому, что ферменты локализованы в разных участках клеточной мембраны. В органоидах клетки ферменты также расположены последовательно, образуя упорядоченные системы.

В зависимости от наличия комплекса ферментов у различных видов организмов и в различных органах обмен веществ происходит по-разному. Для функционирования каждого фермента необходимы оптимальные температура и реакция среды, поскольку одни активны в нейтральной (ферменты слюны), другие – в кислой (ферменты желудочного сока) или щелочной (ферменты поджелудочной железы) среде. При нагревании выше 60 градусов многие ферменты инактивируются (происходит денатурация белка).

Нуклеиновые кислоты (лат. nucleus – ядро) были впервые обнаружены и выделены из ядер клеток. Существует два вида нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). Основная часть ДНК сосредоточена в хромосомах клетки и лишь небольшое её количество содержится в митохондриях и пластидах. РНК содержится в ядрышках, а также в цитоплазме.

Клетки всех живых организмов имеют сходный химический состав, включающий в себя органические и неорганические вещества. Каждое из таких соединений выполняет в структуре живого определенную функцию, которая связана с их строением.

Химический состав клетки

Областью биологии, занимающейся изучением химического состава клеток, является биохимия. На долю органических веществ выпала функция определения уникальности живого организма на планете.

Макро- и микроэлементы

Все содержащиеся внутри живых клеток элементы объединяют в две большие группы: микроэлементы и макроэлементы.

О микроэлементах

Внутри живых клеток содержится минимальная часть микроэлементов (0,01%), но без этого количества живые организмы не могут полноценно существовать. В категорию микроэлементов относят:

фтор (формирует зубную эмаль);
йод (синтезирует гормон щитовидной железы);
кобальт (составная часть витамина В12);
медь (участвует в дыхании);
цинк (входит в состав инсулина);
магний (входит в состав молекулы хлорофилла у растений);
кремний (образование коллагеновых волокон);
литий (регулирует процессы размножения).

Условия окружающей среды определяют концентрацию химических элементов внутри живого организма. К примеру, повышенное содержание меди имеется внутри моллюсков, а железа – в позвоночных организмах.

Про макроэлементы

Внутри живого организма содержание макроэлементов составляет около 99%. Наиболее важная роль из них отводится:

азоту;
углероду;
водороду;
кислороду.

Это органогенные элементы, так как они образуют главные органические соединения. Остальные (сера, фосфор и прочие) отвечают за происходящие в живом организме процессы.

При избытке либо дефиците в организме микро- и макроэлементов развиваются различные заболевания. Поэтому, периодически следует восполнять концентрацию данных элементов в живом организме, увеличивая или уменьшая их количество в пище.

Неорганические вещества клетки

В категорию неорганических соединений относят минеральные соли и воду.

Органические вещества клетки

К органическим соединениям, находящимся внутри живого относят:

Белки. Данные органические полимеры состоят из аминокислот, образуя в организме первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры строения. Основными их функциями являются: строительная (входят в состав клеточных мембран), защитная (иммунобелки) и транспортная (перенос кислорода гемоглобином).
Жиры. Это липидоподобные соединения, обладающие яркими гидрофобными свойствами. При расщеплении 1 г. жира высвобождается значительное количество энергии(38,9 кДж), идущей на поддержание температуры тела и выполнение движений.
Углеводы. Данные соединения состоят из углерода, кислорода и водорода. Различают следующие группы углеводов: моносахариды (глюкоза, фруктоза, рибоза), дисахариды (сахароза, мальтоза, лактоза) и полисахариды (крахмал, гликоген, целлюлоза). При их расщеплении выделяется много энергии, необходимой для протекания процессов жизнедеятельности. Также, они способны накапливаться как запасные питательные вещества в виде крахмала и гликогена.
Нуклеиновые кислоты. Представлены молекулами рибонуклеиновой (РНК) и дезоксирибонуклеиновой (ДНК) кислот. РНК ответственна за синтез белковых молекул и транспортировку аминокислот. ДНК отвечает за хранение наследственных признаков с их последующей передачей.
Аденозинтрифосфорная кислота. Состоит из: трех остатков фосфорной кислоты, аденина (азотистое основание) и рибозы (пятиосновного сахара). Молекулы аденозинтрифосфорной кислоты АТФ отвечают за идущий в митохондриях синтез энергии и ее хранение.

Взаимосвязь строения и функций неорганических и органических веществ

Выполняемые неорганическими и органическими веществами функции тесно связаны с их строением. Так, покрывающая клетку мембрана (оболочка) содержит в своем составе углеводы, белки и липиды. Находящиеся на поверхности клеточной оболочки белки-рецепторы воспринимают сигналы из окружающего пространства, выполняя тем самым рецепторную функцию.

Содержание липидов (жиров) внутри мембран определяет проницаемость оболочки для одних соединений и непроницаемость для других. Углеводы ответственны за синтез молекул АТФ, запасающих энергию. Аналогично связано строение других компонентов клетки с их составом.

Роль химических веществ в клетке и организме человека

Внутри живых организмов каждое химическое вещество играет определенную роль, благодаря чему весь организм способен полноценно жить. Так, присутствие в клетке магния способствует выработке некоторых ферментов и формированию хлорофилла у растений. Кальций формирует прочность зубов и костей человека, а также активирует работу волокон мышц.

Без серы в организме не смогут образовываться белки, а без ионов натрия и калия в клетку не смогут поступать некоторые соединения.

Читайте также: