Таблица неорганические вещества живого биология. Биология в лицее

Клетки растений и животных содержат неорганические и органические вещества. К неорганическим относят воду и минеральные вещества. К органическим веществам относят белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты.

Неорганические вещества

Вода - это соединение, которое живая клетка содержит в наибольшем количестве. Вода составляет около 70% массы клетки. Большинство внутриклеточных реакций протекает в водной среде. Вода в клетке находится в свободном и связанном состоянии.

Значение воды для жизнедеятельности клетки определено ее строением и свойствами. Содержание воды в клетках может быть различным. 95% воды находится в клетке в свободном состоянии. Она необходима как растворитель для органических и неорганических веществ. Все биохимические реакции в клетке идут при участии воды. Вода используется для выведения различных веществ из клетки. Вода обладает высокой теплопроводностью и предотвращает резкие колебания температуры. 5% воды находится в связанном состоянии, образуя непрочные соединения с белками.

Минеральные вещества в клетке могут быть в диссоциированном состоянии или в соединении с органическими веществами.

Химические элементы, которые участвуют в процессах обмена веществ и обладают биологической активностью, называют биогенными.

Цитоплазма содержит около 70% кислорода, 18% углерода, 10% водорода, кальций, азот, калий, фосфор, магний, серу, хлор, натрий, алюминий, железо. Эти элементы составляют 99,99% от состава клетки и их называют макроэлементами. Например, кальций и фосфор входят в состав костей. Железо - составная часть гемоглобина.

Марганец, бор, медь, цинк, йод, кобальт - микроэлементы. Они составляют тысячные доли процента от массы клетки. Микроэлементы нужны для образования гормонов, ферментов, витаминов. Они влияют на обменные процессы в организме. Например, йод входит в состав гормона щитовидной железы, кобальт - в состав витамина В 12 .

Золото, ртуть, радий и др. - ультрамикроэлементы - составляют миллионные доли процента от состава клетки.

Недостаток или избыток минеральных солей нарушает жизнедеятельность организма.

Органические вещества

Кислород, водород, углерод, азот входят в состав органических веществ. Органические соединения представляют собой круп- ные молекулы, называемые полимерами. Полимеры состоят из многих повторяющихся единиц (мономеров). К органическим полимерным соединениям относят углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты, АТФ.

Углеводы

Углеводы состоят из углерода, водорода, кислорода.

Мономерами углеводов являются моносахариды. Углеводы раз- деляют на моносахариды, дисахариды и полисахариды.

Моносахариды - простые сахара с формулой (СН 2 О) n , где n - любое целое число от трех до семи. В зависимости от числа угле- родных атомов в молекуле различают триозы (3С), тетрозы (4С), пентозы (5С), гексозы (6С), гептозы (7С).

Триозы С 3 Н 6 О 3 - например глицеральдегид и дигидроксиацетон - играют роль промежуточных продуктов в процессе дыхания, уча- ствуют в фотосинтезе. Тетрозы С 4 Н 8 О 4 встречаются у бактерий. Пентозы С 5 Н 10 О 5 - например рибоза - входит в состав РНК, дезоксирибоза входит в состав ДНК. Гексозы - С 6 Н 12 О 6 - например глюкоза, фруктоза, галактоза. Глюкоза - источник энергии для клетки. Вместе с фруктозой и галактозой глюкоза может участвовать в образовании дисахаридов.

Дисахариды образуются в результате реакции конденсации между двумя моносахаридами (гексозами) с потерей молекулы воды.

Формула дисахаридов С 12 Н 22 О 11 Среди дисахаридов наиболее широко распространены мальтоза, лактоза и сахароза.

Сахароза, или тростниковый сахар, синтезируется у растений. Мальтоза образуется из крахмала в процессе его переваривания в организме животных. Лактоза, или молочный сахар содержится только в молоке.

Полисахариды (простые) образуются в результате реакции конденсации большого числа моносахаридов. К простым полисахаридам относят крахмал (синтезируется у растений), гликоген (содержится в клетках печени и мышцах животных и человека), целлюлозу (образует клеточную стенку у растений).

Сложные полисахариды образуются в результате взаимодействия углеводов с липидами. Например, гликолипиды входят в состав мембран. К сложным полисахаридам относят также соединения углеводов с белками (гликопротеиды). Например, гликопротеиды входят в состав слизи, выделяемой железами желудоч- но-кишечного тракта.

Функции углеводов:

1. Энергетическая: 60% энергии организм получает при распаде углеводов. При расщеплении 1 г углеводов выделяется 17,6 кДж энергии.

2. Структурная и опорная: углеводы входят в состав плазматической мембраны, оболочки растительных и бактериальных клеток.

3. Запасающая: питательные вещества (гликоген, крахмал) откладываются в запас в клетках.

4. Защитная: секреты (слизь), выделяемые различными железами, предохраняют стенки полых органов, бронхов, желудка, кишечника от механических повреждений, вредных бактерий и вирусов.

5. Участвуют в фотосинтезе.

Жиры и жироподобные вещества

Жиры состоят из углерода, водорода, кислорода. Мономерами жиров являются жирные кислоты и глицерин. Свойства жиров определяются качественным составом жирных кислот и их количественным соотношением. Растительные жиры жидкие (масла), животные - твердые (например сало). Жиры нерастворимы в воде - это гидрофобные соединения. Жиры, соединяясь с белками, образуют липопротеиды, соединяясь с углеводами - гликолипиды. Гликолипиды и липопротеиды - это жироподобные вещества.

Жироподобные вещества входят в состав мембран клеток, мембранных органелл, нервной ткани. Жиры могут соединяться с глюко- зой и образовывать гликозиды. Например, гликозид дигитоксина - вещество, используемое при лечении болезней сердца.

Функции жиров:

1. Энергетическая: при полном распаде 1 г жира до углекислого газа и воды выделяется 38,9 кДж энергии.

2. Структурная: входят в состав клеточной мембраны.

3. Защитная: слой жира защищает организм от переохлаждения, механических ударов и сотрясений.

4. Регуляторная: стероидные гормоны регулируют процессы обмена веществ и размножение.

5. Жир - источник эндогенной воды. При окислении 100 г жира выделяется 107 мл воды.

Белки

В состав белков входят углерод, кислород, водород, азот. Мономерами белка являются аминокислоты. Белки построены из двадцати различных аминокислот. Формула аминокислоты:

В состав аминокислот входят: NH 2 - аминогруппа, обладающая основными свойствами; СООН - карбоксильная группа, имеет кислотные свойства. Аминокислоты отличаются друг от друга своими радикалами - R. Аминокислоты - амфотерные соединения. Они соединяются друг с другом в молекуле белка с помощью пептидных связей.

Схема конденсации аминокислот (образование пептидной связи)

Есть первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белка. Порядок, количество и качество аминокислот, входящих в состав молекулы белка, определяют его первичную структуру. Белки первичной структуры могут с помощью водородных связей соединяться в спираль и образовывать вторичную структуру. Полипептидные цепи скручиваются определенным образом в компактную структуру, образуя глобулу (шар) - это тре- тичная структура белка. Большинство белков имеют третичную структуру. Аминокислоты активны только на поверхности глобулы. Белки, имеющие глобулярную структуру, объединяются вместе и образуют четвертичную структуру. Замена одной аминокислоты приводит к изменению свойств белка (рис. 30).

При воздействии высокой температуры, кислот и других факторов может происходить разрушение белковой молекулы. Это явление называется денатурацией (рис. 31). Иногда денатуриро-

Рис. 30. Различные структуры молекул белка.

1 - первичная; 2 - вторичная; 3 - третичная; 4 - четвертичная (на примере гемоглобина крови).

Рис. 31. Денатурация белка.

1 - молекула белка до денатурации;

2 - денатурированный белок;

3 - восстановление исходной молекулы белка.

ванный белок при изменении условий вновь может восстановить свою структуру. Этот процесс называется ренатурацией и возможен лишь тогда, когда не разрушена первичная структура белка.

Белки бывают простые и сложные. Простые белки состоят только из аминокислот: например, альбумины, глобулины, фибриноген, миозин.

Сложные белки состоят из аминокислот и других органических соединений: например, липопротеины, гликопротеины, нук- леопротеины.

Функции белков:

1. Энергетическая. При распаде 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии.

2. Каталитическая. Служат катализаторами биохимических реакций. Катализаторы - ферменты. Ферменты ускоряют биохимические реакции, но не входят в состав конечных продуктов. Ферменты строго специфичны. Каждому субстрату соответствует свой фермент. Название фермента включает название субстрата и окончание «аза»: мальтаза, рибонуклеаза. Ферменты активны при определенной температуре (35 - 45 О С).

3. Структурная. Белки входят в состав мембран.

4. Транспортная. Например, гемоглобин переносит кислород и СО 2 в крови позвоночных.

5. Защитная. Защита организма от вредных воздействий: выработка антител.

6. Сократительная. Благодаря наличию белков актина и миозина в мышечных волокнах происходит сокращение мышц.

Нуклеиновые кислоты

Существует два типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Мономе- рами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды.

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). В состав нуклеотида ДНК входит одно из азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) или цитозин (Ц) (рис. 32), углевод дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты. Молекула ДНК представляет собой двойную спираль, построенную по принципу комплементарности. В молекуле ДНК комплементарны следующие азотистые основания: А = Т; Г = Ц. Две спирали ДНК соединены водородными связями (рис. 33).

Рис. 32. Строение нуклеотида.

Рис. 33. Участок молекулы ДНК. Комплементарное соединение нуклеотидов разных цепей.

ДНК способна к самоудвоению (репликации) (рис. 34). Репликация начинается с разделения двух комплементарных цепей. Каждая цепь используется в качестве матрицы для образования новой молекулы ДНК. В процессе синтеза ДНК участвуют ферменты. Каждая из двух дочерних молекул обязательно включает одну старую спираль и одну новую. Новая молекула ДНК абсо- лютно идентична старой по последовательности нуклеотидов. Такой способ репликации обеспечивает точное воспроизведение в дочерних молекулах той информации, которая была записана в материнской молекуле ДНК.

Рис. 34. Удвоение молекулы ДНК.

1 - матричная ДНК;

2 - образование двух новых цепей на основе матрицы;

3 - дочерние молекулы ДНК.

Функции ДНК:

1. Хранение наследственной информации.

2. Обеспечение передачи генетической информации.

3. Присутствие в хромосоме в качестве структурного компонента.

ДНК находится в ядре клетки, а также в таких органеллах клетки, как митохондрии, хлоропласты.

РНК (рибонуклеиновая кислота). Рибонуклеиновые кислоты бывают 3 видов: рибосомная, транспортная и информационная РНК. Нуклеотид РНК состоит из одного из азотистых оснований: аденина (А), гуанина (Г), цитозина (Ц), урацила (У), углевода - рибозы и остатка фосфорной кислоты.

Рибосомная РНК (рРНК) в соединении с белком входит в состав рибосом. рРНК составляет 80% от всей РНК в клетке. На рибосомах идет синтез белка.

Информационная РНК (иРНК) составляет от 1 до 10% от всей РНК в клетке. По строению иРНК комплементарна участку молекулы ДНК, несущему информацию о синтезе определенного белка. Длина иРНК зависит от длины участка ДНК, с которого считывали информацию. иРНК переносит информацию о синтезе белка из ядра в цитоплазму к рибосоме.

Транспортная РНК (тРНК) составляет около 10% всей РНК. Она имеет короткую цепь нуклеотидов в форме трилистника и находится в цитоплазме. На одном конце трилистника находится триплет нуклеотидов (антикодон), кодирующий определенную аминокислоту. На другом конце триплет нуклеотидов, к которому при- соединяется аминокислота. Для каждой аминокислоты имеется своя тРНК. тРНК переносит аминокислоты к месту синтеза белка, т.е. к рибосомам (рис. 35).

РНК находится в ядрышке, цитоплазме, рибосомах, митохондриях и пластидах.

АТФ - Аденазинтрифосфорная кислота. Аденазинтрифосфорная кислота (АТФ) состоит из азотистого основания - аденина, сахара - рибозы, и трех остатков фосфорной кислоты (рис. 36). В молекуле АТФ накапливается большое количество энергии, необходимой для биохимических процессов, идущих в клетке. Синтез АТФ происходит в митохондриях. Молекула АТФ очень неустой-

чива и способна отщеплять одну или две молекулы фосфата с выделением большого количества энергии. Связи в молекуле АТФ называют макроэргическими.

АТФ → АДФ + Ф + 40 кДж АДФ→ АМФ + Ф + 40 кДж

Рис. 35. Строение тРНК.

А, Б, В и Г - участки комплементарного соединения внутри одной цепочки РНК; Д - участок (активный центр) соединения с аминокислотой; Е - участок комплементарного соединения с молекулой.

Рис. 36. Строение АТФ и ее превращение в АДФ.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие вещества в клетке относят к неорганическим?

2. Какие вещества в клетке относят к органическим?

3. Что является мономером углеводов?

4. Какое строение имеют углеводы?

5. Какие функции выполняют углеводы?

6. Что является мономером жиров?

7. Какое строение имеют жиры?

8. Какие функции выполняют жиры?

9. Что является мономером белка? 10.Какое строение имеют белки? 11.Какие структуры имеют белки?

12.Что происходит при денатурации белковой молекулы?

13.Какие функции выполняют белки?

14.Какие нуклеиновые кислоты известны?

15.Что является мономером нуклеиновых кислот?

16.Что входит в состав нуклеотида ДНК?

17.Какое строение имеет нуклеотид РНК?

18.Какое строение имеет молекула ДНК?

19.Какие функции выполняет молекула ДНК?

20. Какое строение имеет рРНК?

21.Какое строение имеет иРНК?

22.Какое строение имеет тРНК?

23.Какие функции выполняют рибонуклеиновые кислоты?

24.Какое строение имеет АТФ?

25.Какие функции выполняет АТФ в клетке?

Ключевые слова темы «Химический состав клеток»

азотистое основание альбумины

аминокислотная группа аминокислоты

амфотерные соединения

антикодон

бактерии

белки

биологическая активность биологический катализатор

биохимические реакции

болезнь

вещества

видовая специфичность

витамины

вода

водородные связи вторичная структура выработка антител высокая температура галактоза гексозы гемоглобин гепарин

гидрофобные соединения

гликоген

гликозиды

гликопротеиды

глицерин

глобула

глобулины

глюкоза

гормоны

гуанин

двойная спираль дезоксирибоза денатурация дисахарид

диссоциированное состояние

ДНК

единица информации живой организм животное жизнедеятельность жирные кислоты жировая ткань жироподобные вещества жиры

запас питательных веществ избыток

индивидуальная специфичность

источник энергии

капли

карбоксильная группа

качество кислота

клеточная стенка кодон

колебание температуры

количество

комплементарность

конечные продукты

кости

крахмал

лактоза

лечение

липопротеиды

макроэлементы

макроэргические связи

мальтоза

масса

мембрана клетки

микроэлементы

минеральные соли

миозин

митохондрии

молекула

молочный сахар

мономер

моносахарид

мукополисахариды

мукопротеиды

наследственная информация недостаток

неорганические вещества нервная ткань нуклеиновые кислоты нуклеопротеиды нуклеотид обмен веществ обменные процессы органические вещества пентозы

пептидные связи первичная структура перенос кислорода плоды

подкожная клетчатка

полимер полисахарид

полупроницаемая мембрана

порядок

потеря

проникновение воды

процент

радикал

разрушение

распад

растворитель

растение

расщепление

реакция конденсации

ренатурация

рибоза

рибонуклеаза

рибосома

РНК

сахар

свертывание крови

свободное состояние

связанное состояние

семена

сердце

синтез белка

слой

слюна

сократимые белки

строение

субстрат

теплопроводность

тетрозы тимин

тканевая специфичность

третичная структура

трилистник

триозы

триплет

тростниковый сахар углеводы

ультрамикроэлементы

урацил

участок

ферменты

фибриноген

формула

фосфорная кислота фотосинтез фруктоза функция

химические элементы

хлоропласты

хромосома

целлюлоза

цепь

цитозин

цитоплазма

четвертичная структура шар

щитовидная железа

элементы

ядро

Клетка это сложная саморегулирующаяся система, в которой одновременно и в определенной последовательности происходят сотни химических реакций, направленных на поддержание ее жизнедеятельности, роста и развития. Изучение химического состава клеток показывает, что в живых организмах нет никаких особых химических элементов, свойственных только им: именно в этом проявляется единство химического состава живой и неживой природы.

Из 115 существующих в природе химических элементов активное участие в процессах жизнедеятельности принимают не менее их половины. Причем 24 из них являются обязательными и обнаруживаются почти во всех типах клеток, а наибольшее значение имеют 10 элементов – азот (N), водород (H), углерод (C), кислород (O), фосфор (P), сера (S), натрий (Na), калий (K), кальций (Ca), магний (Mg) – из них построены основные компоненты клетки.

По процентному содержанию в клетке химические элементы делятся на три группы:

· макроэлементы, содержание в клетке - 10 -3 ; кислород, углерод, водород, азот, фосфор, сера, кальций, калий, хлор, натрий и магний, составляющие свыше 99% массы клетки;

· микроэлементы, содержание которых колеблется в пределах 10 -3 -10 -6 ; железо, марганец, медь, цинк, кобальт, никель, йод, бром, фтор, бор; на их болю приходится 1,0% массы клетки;

· ультрамикроэлементы , составляющие менее 10 -6 ; золото, серебро, уран, бериллий, цезий, селен и др.; в сумме – менее 0,1% массы клетки.

Несмотря на низкое содержание в живых организмах микро - и ультрамикроэлементы играют важную роль: они входят в состав различных ферментов, витаминов и обусловливают тем самым нормальное развитие и функционирование структур клетки и организма в целом.

Каждый из химических элементов, встречающихся в живых организмах, выполняет важную функцию (табл. 1).

Таблица 1.

ФУНКЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ

Химические элементы в клетках находятся в виде ионов, в составе неорганических или органических веществ.

Вода и неорганические соединения, их роль в клетке.

Неорганические (минеральные) вещества – это относительно простые химические соединения, которые встречаются как в живой, так и в неживой природе (в минералах, природных водах). Из неорганических соединений важное значение имеют вода, минеральные соли, кислоты и основания.

Среднее содержание воды в клетках большинства организмов составляет около 70% (в клетках медузы – 96%). Количество воды в различных органах и тканях варьирует и зависит от уровня их обменных процессов. Так, у человека содержание воды в клетках зубной эмали – 10%, костной ткани – 20%, жировой ткани – 40%, почек – 80%, головного мозга – до 85%, а в клетках эмбриона - до 97%.

Такое высокое содержание воды – свидетельство её важной в клетках живых организмов роли, обусловленной ее строением. Молекулы воды имеют малые размеры и нелинейную

Рис. 1. Формула воды.

пространственную структуру. Атомы в молекуле удерживаются посредством полярных ковалентных связей , которые связывают один атом кислорода с двумя атомами водорода. Полярность ковалентных связей, т.е. неравномерное распределение зарядов, объясняется в данном случае сильной электроотрицательностью атома кислорода, который оттягивает на себя электроны из общих электронных пар, вследствие чего на атоме кислорода возникает частичные отрицательный заряд, а на атомах водорода – частичный положительный. Между атомами кислорода и водорода соседних молекул воды возникают водородные связи, благодаря чему при нормальных условиях вода имеет исходное жидкое состояние. Однако, водородные связи по прочности слабее ковалентных примерно в 20 раз, поэтому легко разрываются при испарении воды.

Свойства воды:

- универсальный растворитель – в воде растворяются полярные неорганические и органические соединения; вещества, хорошо растворимые в воде (многие минеральные соли, кислоты, щелочи, спирты, сахара, витамины, некоторые белки – альбумины, гистоны), называют полисахариды, жиры, нуклеиновые кислоты, некоторые белки – глобулины, фибриллярные), гидрофильными ; вещества плохо или вовсе не растворимые в воде (некоторые соли, витамины, называют гидрофобными .

- высокая удельная теплоемкость – способность поглощать теплоту при минимальном изменении собственной температуры; при испарении воды для разрыва водородных связей, удерживающих молекулы, требуется поглотить большое количество энергии, поэтому, испаряя воду, организмы могут защитить себя от перегрева.

- высокая теплопроводность – равномерное распределение теплоты между тканями организма.

- высокое поверхностное натяжение – имеет важное значение для адсорбционных процессов, для передвижения растворов по тканям (кровообращение у животных, восходящий ток у растений), удержание на поверхности или скольжение по поверхности воды мелких организмов.

- вода практически не сжимается , создавая тургорное давление, в основе которого лежат явления осмоса, и, определяя объем и упругость клеток и тканей.

Осмос – проникновение молекул растворителя (воды) через биологическую мембрану в раствор вещества. Осмотическое давление – давление, с которым растворитель проникает через мембрану. Величина осмотического давления возрастает с увеличением концентрации раствора. Осмотическое давление жидкостей человеческого организма равно давлению 0,85% раствора хлорида натрия, т. е. изотонического раствора. Более концентрированные растворы называют гипертоническими, а менее концентрированные – гипотоническими.

Вода находится в клетке в свободной и связанной формах. Связанная вода – 4-5% - входит в состав фибриллярных структур, и соединятся с некоторыми белками, образуя вокруг них сольватную оболочку. Свободная вода – 95-96% - выполняет целый ряд биологически важных функций.

Функции воды:

1) транспортная – обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение

2) метаболическая – является средой для всех биохимических реакций в клетке;

3) структурная – цитоплазма клетки содержит от 60% до 95% воды; у растений вода обеспечивает тургор; у круглых и кольчатых червей является гидростатическим скелетом.

Неорганические вещества.

Подавляющая часть неорганических веществ находится в виде солей – либо диссоциированных на ионы, либо в твердом состоянии.

Неорганические ионы имеют немаловажное значение для обеспечения процессов жизнедеятельности клетки – это катионы (K + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+ , NH 3 +) и анионы (Cl - , HPO 4 2- , H 2 PO 4 - , HCO - , NO 3 -) минеральных солей. Содержание катионов и анионов в клетке отличается от их концентрации в среде, окружающей клетку, вследствие активной регуляции переноса веществ мембраной. Таким образом, обеспечивается постоянство химического состава живой клетки. С гибелью клетки концентрация веществ в среде и в цитоплазме выравнивается.

Содержащиеся в организме ионы имеют важное значение для поддержания постоянства реакции среды (рН) в клетке и в окружающих ее растворах, т.е. являются компонентами буферных систем. Буферность – способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию своего содержимого на постоянном уровне. Анионы слабых кислот и слабые щелочи связывают ионы Н + и гидроксил-ионы (ОН -), благодаря чему реакция внутри клетки практически не меняется. Буферные свойства клетки зависят от концентрации солей. Наиболее значимые буферные системы млекопитающих – фосфатная и бикарбонатная.

Фосфатная буферная система – состоит из H 2 PO 4 - и HPO 4 2- и поддерживает рН внутриклеточной жидкости в пределах 6,9-7,4. Главной буферной системой внеклеточной среды (плазмы крови) служит бикарбонатная система, состоящая из H 2 CO 3 и HCO 3 - и поддерживающая рН на уровне 7,4.

Неорганические кислоты и их соли имеют важное значение в жизнедеятельности организмов:

Соляная кислота входит в состав желудочного сока;

Остатки серной кислоты, присоединяясь к нерастворимым в воде чужеродным веществам, делают их растворимыми, способствуя выведению из организма;

Неорганические натриевые и калиевые соли азотистой и фосфорной кислот, кальциевая соль серной кислоты служат компонентами минерального питания растений (в качестве удобрений);

Соли кальция и фосфора входят в состав костной ткани животных.

Органические вещества – многочисленные соединения углерода, синтезируемые преимущественно живыми организмами.

Соотношение химических элементов в живых телах иное, чем в объектах неживой природы. В земной коре наиболее распространены Si, Al, O 2 , Na – 90%. В живых организмах: H, O, C, N – 98%. Такое различие обусловлено особенностями химических свойств водорода, кислорода, углерода и азота, вследствие чего они оказались наиболее подходящими для формирования молекул, выполняющих биологические функции.

Водород, кислород, углерод и азот способны образовывать прочные ковалентные связи посредством спаривания электронов, принадлежащих двум атомам. Кислород, углерод и азот образуют и одинарные, и двойные связи, благодаря чему получаются самые разные химические соединения. Особенно важна способность атомов углерода взаимодействовать друг с другом путем возникновения ковалентных углерод-углеродных связей. Каждый углеродный атом может установить ковалентные связи с четырьмя атомами углерода. Ковалентно связанные атомы углерода могут формировать каркасы бесчисленного множества органических молекул. Поскольку атомы углерода легко вступают в ковалентные связи с кислородом, азотом и серой, органические молекулы достигают исключительной сложности и разнообразия строения.

Органические соединения составляют в среднем 20-30% массы клетки живого организма. Различают: мономеры – малые низкомолекулярные органические молекулы, которые служат строительными блоками для полимеров; полимеры – более крупные, высокомолекулярные макромолекулы.

Полимеры представляют собой линейные или разветвленные цепи, содержащие большое число мономерных звеньев. Гомополимеры – представлены одним видом мономеров (целлюлоза), гетерополимеры – несколькими различными мономерами (белок, ДНК, РНК). Если в молекуле группа мономеров периодически повторяется, то полимер называют регулярным , в молекулах нерегулярных полимеров видимой повторяемости нет.

К органическим веществам относятся биополимеры – белки, нуклеиновые кислоты и углеводы; а также жиры.

В различные типы клеток входит неодинаковое количество тех или иных органических соединений (в растительных клетках преобладают сложные углеводы – полисахариды; в животных – больше белков и жиров). Тем не менее, каждая группа органических веществ в любом типе клеток выполняет сходные функции.

Похожая информация.

В состав живой клетки входят те же химические элементы, которые входят в состав неживой природы. Из 104 элементов периодической системы Д. И. Менделеева в клетках обнаружено 60.

Их делят на три группы:

1. основные элементы - кислород, углерод, водород и азот (98% состава клетки);
2. элементы, составляющие десятые и сотые доли процента,- калий, фосфор, сера, магний, железо, хлор, кальций, натрий (в сумме 1,9%);
3. все остальные элементы, присутствующие в еще более малых количествах,- микроэлементы.

Молекулярный состав клетки сложный и разнородный. Отдельные соединения - вода и минеральные соли - встречаются также в неживой природе; другие - органические соединения: углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты и др.- характерны только для живых организмов.

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА

Вода составляет около 80% массы клетки; в молодых быстрорастущих клетках - до 95%, в старых - 60%.

Роль воды в клетке велика.

Она является основной средой и растворителем, участвует в большинстве химических реакций, перемещении веществ, терморегуляции, образовании клеточных структур, определяет объем и упругость клетки. Большинство веществ поступает в организм и выводится из него в водном растворе. Биологическая роль воды определяется специфичностью строения: полярностью ее молекул и способностью образовывать водородные связи, за счет которых возникают комплексы из нескольких молекул воды. Если энергия притяжения между молекулами воды меньше, чем между молекулами воды и вещества, оно растворяется в воде. Такие вещества называют гидрофильными (от греч. «гидро» - вода, «филее» - люблю). Это многие минеральные соли, белки, углеводы и др. Если энергия притяжения между молекулами воды больше, чем энергия притяжения между молекулами воды и вещества, такие вещества нерастворимы (или слаборастворимы), их называют гидрофобными (от греч. «фобос» - страх) - жиры, липиды и др.

Минеральные соли в водных растворах клетки диссоциируют на катионы и анионы, обеспечивая устойчивое количество необходимых химических элементов и осмотическое давление. Из катионов наиболее важны К + , Na + , Са 2+ , Mg + . Концентрация отдельных катионов в клетке и во внеклеточной среде неодинакова. В живой клетке концентрация К высокая, Na + - низкая, а в плазме крови, наоборот, высокая концентрация Na + и низкая К + . Это обусловлено избирательной проницаемостью мембран. Разность в концентрации ионов в клетке и среде обеспечивает поступление воды из окружающей среды в клетку и всасывание воды корнями растений. Недостаток отдельных элементов - Fe, Р, Mg, Со, Zn - блокирует образование нуклеиновых кислот, гемоглобина, белков и других жизненно важных веществ и ведет к серьезным заболеваниям. Анионы определяют постоянство рН-клеточной среды (нейтральной и слабощелочной). Из анионов наиболее важны НРО 4 2- , Н 2 РO 4 — , Cl — , HCO 3 —

ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА

Органические вещества в комплексе образуют около 20-30% состава клетки.

Углеводы - органические соединения, состоящие из углерода, водорода и кислорода. Их делят на простые - моносахариды (от греч. «монос» - один) и сложные - полисахариды (от греч. «поли» - много).

Моносахариды (их общая формула С n Н 2n О n) - бесцветные вещества с приятным сладким вкусом, хорошо растворимы в воде. Они различаются по количеству атомов углерода. Из моносахаридов наиболее распространены гексозы (с 6 атомами С): глюкоза, фруктоза (содержащиеся в фруктах, меде, крови) и галактоза (содержащаяся в молоке). Из пентоз (с 5 атомами С) наиболее распространены рибоза и дезоксирибоза, входящие в состав нуклеиновых кислот и АТФ.

Полисахариды относятся к полимерам - соединениям, у которых многократно повторяется один и тот же мономер. Мономерами полисахаридов являются моносахариды. Полисахариды растворимы в воде, многие обладают сладким вкусом. Из них наиболее просты дисахариды, состоящие из двух моносахаридов. Например, сахароза состоит из глюкозы и фруктозы; молочный сахар - из глюкозы и галактозы. С увеличением числа мономеров растворимость полисахаридов падает. Из высокомолекулярных полисахаридов наиболее распространены у животных гликоген, у растений - крахмал и клетчатка (целлюлоза). Последняя состоит из 150-200 молекул глюкозы.

Углеводы - основной источник энергии для всех форм клеточной активности (движение, биосинтез, секреция и т. д.). Расщепляясь до простейших продуктов СO 2 и Н 2 O, 1 г углевода освобождает 17,6 кДж энергии. Углеводы выполняют строительную функцию у растений (их оболочки состоят из целлюлозы) и роль запасных веществ (у растений - крахмал, у животных - гликоген).

Липиды - это нерастворимые в воде жироподобные вещества и жиры, состоящие из глицерина и высокомолекулярных жирных кислот. Животные жиры содержатся в молоке, мясе, подкожной клетчатке. При комнатной температуре это твердые вещества. У растений жиры находятся в семенах, плодах и других органах. При комнатной температуре это жидкости. С жирами по химической структуре сходны жироподобные вещества. Их много в желтке яиц, клетках мозга и других тканях.

Роль липидов определяется их структурной функцией. Из них состоят клеточные мембраны, которые вследствие своей гидрофобности препятствуют смешению содержимого клетки с окружающей средой. Липиды выполняют энергетическую функцию. Расщепляясь до СO 2 и Н 2 O, 1 г жира выделяет 38,9 кДж энергии. Они плохо проводят тепло, накапливаясь в подкожной клетчатке (и других органах и тканях), выполняют защитную функцию и роль запасных веществ.

Белки - наиболее специфичны и важны для организма. Они относятся к непериодическим полимерам. В отличие от других полимеров их молекулы состоят из сходных, но нетождественных мономеров - 20 различных аминокислот.

Каждая аминокислота имеет свое название, особое строение и свойства. Их общую формулу можно представить в следующем виде

Молекула аминокислоты состоит из специфической части (радикала R) и части, одинаковой для всех аминокислот, включающей аминогруппу (- NH 2) с основными свойствами, и карбоксильную группу (СООН) с кислотными свойствами. Наличие в одной молекуле кислотной и основной групп обусловливает их высокую реактивность. Через эти группы происходит соединение аминокислот при образовании полимера - белка. При этом из аминогруппы одной аминокислоты и карбоксила другой выделяется молекула воды, а освободившиеся электроны соединяются, образуя пептидную связь. Поэтому белки называют полипептидами.

Молекула белка представляет собой цепь из нескольких десятков или сотен аминокислот.

Молекулы белков имеют огромные размеры, поэтому их называют макромолекулами. Белки, как и аминокислоты, обладают высокой реактивностью и способны реагировать с кислотами и щелочами. Они различаются по составу, количеству и последовательности расположения аминокислот (число таких сочетаний из 20 аминокислот практически бесконечно). Этим объясняется многообразие белков.

В строении молекул белков различают четыре уровня организации (59)

• Первичная структура - полипептидная цепь из аминокислот, связанных в определенной последовательности ковалентными (прочными) пептидными связями.
• Вторичная структура - полипептидная цепь, закрученная в тугую спираль. В ней между пептидными связями соседних витков (и другими атомами) возникают малопрочные водородные связи. В комплексе они обеспечивают довольно прочную структуру.
• Третичная структура представляет собой причудливую, но для каждого белка специфическую конфигурацию - глобулу. Она удерживается малопрочными гидрофобными связями или силами сцепления между неполярными радикалами, которые встречаются у многих аминокислот. Благодаря их многочисленности они обеспечивают достаточную устойчивость белковой макромолекулы и ее подвижность. Третичная структура белков поддерживается также за счет ковалентных S - S (эс - эс) связей, возникающих между удаленными друг от друга радикалами серосодержащей аминокислоты - цистеина.
• Четвертичная структура типична не для всех белков. Она возникает при соединении нескольких белковых макромолекул, образующих комплексы. Например, гемоглобин крови человека представляет комплекс из четырех макромолекул этого белка.

Такая сложность структуры белковых молекул связана с разнообразием функций, свойственных этим биополимерам. Однако строение белковых молекул зависит от свойств окружающей среды.

Нарушение природной структуры белка называют денатурацией . Она может возникать под воздействием высокой температуры, химических веществ, лучистой энергии и других факторов. При слабом воздействии распадается только четвертичная структура, при более сильном - третичная, а затем - вторичная, и белок остается в виде первичной структуры - полипептидной цепи, Этот процесс частично обратим, и денатурированный белок способен восстанавливать свою структуру.

Роль белка в жизни клетки огромна.

Белки - это строительный материал организма. Они участвуют в построении оболочки, органоидов и мембран клетки и отдельных тканей (волос, сосудов и др.). Многие белки выполняют в клетке роль катализаторов - ферментов, ускоряющих клеточные реакции в десятки, сотни миллионов раз. Известно около тысячи ферментов. В их состав, кроме белка, входят металлы Mg, Fe, Мn, витамины и т. д.

Каждая реакция катализируется своим особым ферментом. При этом действует не весь фермент, а определенный участок - активный центр. Он подходит к субстрату, как ключ к замку. Действуют ферменты при определенной температуре и рН среды. Особые сократительные белки обеспечивают двигательные функции клеток (движение жгутиковых, инфузорий, сокращение мышц и т. д.). Отдельные белки (гемоглобин крови) выполняют транспортную функцию, доставляя кислород ко всем органам и тканям тела. Специфические белки - антитела - выполняют защитную функцию, обезвреживая чужеродные вещества. Некоторые белки выполняют энергетическую функцию. Распадаясь до аминокислот, а затем до еще более простых веществ, 1 г белка освобождает 17,6 кДж энергии.

Нуклеиновые кислоты (от лат. «нуклеус» - ядро) впервые обнаружены в ядре. Они бывают двух типов - дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК). Биологическая роль их велика, они определяют синтез белков и передачу наследственной информации от одного поколения к другому.

Молекула ДНК имеет сложное строение. Она состоит из двух спирально закрученных цепей. Ширина двойной спирали 2 нм 1 , длина несколько десятков и даже сотен микромикрон (в сотни или тысячи раз больше самой крупной белковой молекулы). ДНК - полимер, мономерами которой являются нуклеотиды - соединения, состоящие из молекулы фосфорной кислоты, углевода - дезоксирибозы и азотистого основания. Их общая формула имеет следующий вид:

Фосфорная кислота и углевод одинаковы у всех нуклеотидов, а азотистые основания бывают четырех типов: аденин, гуанин, цитозин и тимин. Они и определяют название соответствующих нуклеотидов:

• адениловый (А),
• гуаниловый (Г),
• цитозиловый (Ц),
• тимидиловый (Т).

Каждая цепь ДНК представляет полинуклеотид, состоящий из нескольких десятков тысяч нуклеотидов. В ней соседние нуклеотиды соединены прочной ковалентной связью между фосфорной кислотой и дезоксирибозой.

При огромных размерах молекул ДНК сочетание в них из четырех нуклеотидов может быть бесконечно большим.

При образовании двойной спирали ДНК азотистые основания одной цепи располагаются в строго определенном порядке против азотистых оснований другой. При этом против А всегда оказывается Т, а против Г - только Ц. Это объясняется тем, что А и Т, а также Г и Ц строго соответствуют друг другу, как две половинки разбитого стекла, и являются дополнительными или комплементарными (от греч. «комплемент» - дополнение) друг другу. Если известна последовательность расположения нуклеотидов в одной цепи ДНК, то по принципу комплементарности можно установить нуклеотиды другой цепи (см. приложение, задача 1). Соединяются комплементарные нуклеотиды при помощи водородных связей.

Между А и Т возникают две связи, между Г и Ц - три.

Удвоение молекулы ДНК - ее уникальная особенность, обеспечивающая передачу наследственной информации от материнской клетки дочерним. Процесс удвоения ДНК называется редупликацией ДНК. Он осуществляется следующим образом. Незадолго перед делением клетки молекула ДНК раскручивается и ее двойная цепочка под действием фермента с одного конца расщепляется на две самостоятельные цепи. На каждой половине из свободных нуклеотидов клетки, по принципу комплементарности, выстраивается вторая цепь. В результате вместо одной молекулы ДНК возникают две совершенно одинаковые молекулы.

РНК - полимер, по структуре сходный с одной цепочкой ДНК, но значительно меньших размеров. Мономерами РНК являются нуклеотиды, состоящие из фосфорной кислоты, углевода (рибозы) и азотистого основания. Три азотистых основания РНК - аденин, гуанин и цитозин - соответствуют таковым ДНК, а четвертое - иное. Вместо тимина в РНК присутствует урацил. Образование полимера РНК происходит через ковалентные связи между рибозой и фосфорной кислотой соседних нуклеотидов. Известны три вида РНК: информационная РНК (и-РНК) передает информацию о структуре белка с молекулы ДНК; транспортная РНК (т-РНК) транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка; рибосомная РНК (р-РНК) содержится в рибосомах, участвует в синтезе белка.

АТФ - аденозинтрифосфорная кислота - важное органическое соединение. По структуре это нуклеотид. В его состав входит азотистое основание аденин, углевод - рибоза и три молекулы фосфорной кислоты. АТФ - неустойчивая структура, под влиянием фермента разрывается связь между «Р» и «О», отщепляется молекула фосфорной кислоты и АТФ переходит в

Неорганические вещества, входящие в состав клетки

Цель урока: изучить химический состав клетки, выявить роль неорганических веществ.

Задачи урока:

образовательная: показать многообразие химических элементов и соединений, входящих в состав живых организмов, значение их в процессе жизнедеятельности;

развивающая: продолжить формирование умений и навыков самостоятельной работы с учебником, умение выделять главное, формулировать выводы;

воспитательная: воспитывать ответственное отношение к выполнению полученных заданий.

Оборудование: мультимедийный проектор, презентация, раздаточный материал.

План урока

I. Организационный момент.

Приветствие; – подготовка аудитории к работе; – наличие учащихся.

II. Мотивация учебной деятельности.

– Перед вами набор слов: медь, белки, железо, углеводы, жиры, витамины, магний, золото, сера, кальций, фосфор.

– На какие две группы по своему значению можно поделить эти слова? Ответ поясните. (Органические и неорганические; химические вещества и химические элементы).

– Кто из вас может назвать роль тех или иных веществ, элементов в жизнедеятельности живых организмов?

– Поставьте перед собой цель и задачи нашего урока, исходя из названия темы.

III. Изложение нового материала.

Презентация. Презентация включает сразу 3 урока по данной теме. Начинаем работу с ключевого второго слайда: по гиперссылке переходим на нужный урок.

3-й слайд: беседа по схеме “Содержание химических элементов в теле человека”.:

– В состав клетки входит около 80 различных химических элементов, которые встречаются в объектах неживой природы. О чём это может говорить? (об общности живой и неживой природы). 27 элементов выполняют определенные функции, остальные попадают в организм с пищей, водой воздухом.

– Назовите, какие химические элементы и в каком количестве содержатся в теле человека?

– Все химические соединения, которые содержатся в живых организмах, делятся на группы.

– Пользуясь таблицей, составьте схему “Основные группы химических элементов в природе” (см. таблицу “Элементы, входящие в состав клеток живых организмов”, см таблица 1 ). Кислород, водород, углерод, азот, сера и фосфор являются необходимыми компонентами молекул биологических полимеров (белки, нуклеиновые кислоты), их часто называют биоэлементами.

Схема

Слайд 5: Начни заполнять таблицу – опорный конспект в тетради (данная таблица будет дополняться на последующих уроках, см таблицу 2 ).

– Из всех химических соединений, содержащихся в живых организмах, вода составляет 75 – 85 % от массы тела.

– В связи с чем необходимо такое количество воды? Какие функции выполняет вода в живом организме?

– Вы уже знаете, что строение и функции взаимосвязаны. Рассмотрим более подробно строение молекулы воды, чтобы выяснить, почему вода обладает такими свойствами. По ходу объяснения вы заполняете опорный конспект в тетради (см. слайд 5).

Слайды 6 – 7 демонстрируют особенности строения молекулы воды, её свойства.

– Из числа неорганических соединений, входящих в состав организмов, наибольшее значение имеют соли минеральных кислот и соответствующие катионы и анионы. Хотя потребность человека и животных в минеральных веществах выражается десятками и даже тысячными долями грамма, однако отсутствие в пище какого – либо из биологически важных элементов ведёт к тяжёлым заболеваниям.

– Заполните таблицу, графу “Минеральные соли”, используя материал учебника с.104 – 107. (Слайд 8, по гиперссылке перейдём на проверку выполненной работы).

– Приведите примеры, доказывающие роль минеральных солей в жизнедеятельности живых организмов.

IV. Закрепление нового материала:

несколько учащихся (сколько компьютеров в классе) выполняют интерактивный тест 1 “Неорганические вещества клетки”;

остальные выполняют задания на тренировку мышления и умения делать выводы (раздаточный материал):

Между первыми двумя терминами существует определённая связь. Между четвёртым и одним из приведённых ниже понятий существует такая же связь. Найдите его:

1. Йод: щитовидная железа = фтор: ___________________

а) Поджелудочная железа б) эмаль зубов в) нуклеиновая кислота г) надпочечники

2. Железо: гемоглобин = __________: хлорофилл:

а) кобальт б) медь в) йод г) магний

3. Выполняют цифровой диктант “Молекулы”. 1. Водородные связи – самые слабые связи в молекуле (1). 2. Структура и состав – это одно и то же (0). 3. Состав всегда определяет структуру (0). 4. Состав и структура молекулы определяют её свойства (1). 5. Полярностью молекул воды объясняется её свойство медленно нагреваться и остывать (0). 6. Атом кислорода в молекуле воды несёт положительный заряд. (0)

V. Итог урока.

– Выполнили ли вы поставленные перед собой цель и задачи урока? Что нового для себя вы открыли на этом уроке?

Литература:

Биология. 9 класс: поурочные планы по учебнику С.Г.Мамонтова, В.Б.Захарова, Н.И.Сонина / авт. – сост. М.М.Гуменюк. Волгоград: Учитель, 2006.

Лернер Г.И. Общая биология. Поурочные тесты и задания. 10 – 11 класс./ – М.: Аквариум, 1998.

Мамонтов С.Г., Захаров В.Б., Сонин Н.И. Биология. Общие закономерности. 9 кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. – М.: Дрофа, 2000.

CD Комплект цифровых образовательных ресурсов к учебнику Теремов А.В., Петросова Р.А., Никишов А.И. Биология. Общие закономерности жизни: 9 кл. гуманит изд. центр ВЛАДОС, 2003. ООО “Физикон”, 2007.