Основные свойства живых организмов химический состав клетки. Функции химических элементов в организме человека. Органические компоненты клетки

Класс: 10

Презентация к уроку

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цели:

• Выявление роли химических элементов, органических и неорганических веществ в жизни клетки и организма; показать единство живой и неживой природы на основе знаний об элементарном составе клетки; формирование и расширение знаний о органических веществах клетки;
• Развитие умений конспектировать лекции, работать со схемами, текстом учебника, анализировать, делать выводы.
• Воспитание уважительного отношения к окружающему миру, культуры общения.

План лекции:

1. Разделение химических элементов по количественному содержанию.

2. Вода, ее содержание и роль в клетке.

3. Минеральные соли и их значение.

4. Органические вещества клетки. Мономеры и биополимеры. Углеводы, их классификация.

5. Липиды, их классификация.

6. Белки, их строение, свойства.

7. Нуклеиновые кислоты, их характеристика, функции.

8. АТФ, ее строение и значение.

1. В состав живой клетки входит около 90 химических элементов, 25 их них обнаружены практически во всех клетках. Эти химические элементы необходимы для их жизнедеятельности. Они же встречаются в неживой природе. Но количественное соотношение химических элементов в живой и неживой природе разное. (слайд 3)

Какие химические элементы являются самыми распространенными в земной коре? (фосфор, магний, кремний, железо, алюминий, натрий, кальций, кислород - вместе - 98 % массы земной коры).

По количественному содержанию в живых системах все химические элементы подразделяются на три группы: (слайд 21)

1. Макроэлементы - химические элементы в сумме составляющие около 98 % всего содержимого клетки (H , N,O, C). (слайд 22)

2. Микроэлементы - химические элементы в сумме составляют около 1,9 % всего содержимого клетки. (слайд 24)

3. Ультрамикроэлементы - химические элементы, в сумме составляющие около 0, 02 % (Zn, Cu, I, F и т. д). (слайд 25)

Давайте обратимся к таблице " Биологически важные химические элементы клетки" на странице 11 учебника и ознакомимся со значением химических элементов для клетки и организма.

Почему N, C, H,O,S, Р называют биоэлементами? (слайд 23)

2. Вода - самое распространенное в живых организмах неорганическое вещество, обязательный ее компонент, среда обитания для многих организмов, главный растворитель клетки. (слайд 3)

Приводим строки стихотворения М. Дудника: (слайд 5)

Говорят, что из восмидесяти процентов воды состоит человек,
Из воды, добавлю, родных его рек,
Из воды, добавлю, дождей, что его напоили,
Из воды, добавлю, из древней воды родников,
Из которых, деды и прадеды пили.

О каком значении воды говорится в стихотворении?

Почему одни вещества в воде растворяются, а другие - нет?

Демонстрационный опыт (может проводить ученик - помощник):

Растворить в воде следующие вещества: поваренную соль, этиловый спирт, сахарозу, растительное масло.

Что произошло с каждым из веществ? Почему?

Вода обладает рядом свойств, благодаря способности своих молекул связываться друг другом при помощи водородных связей. Молекула воды полярна - диполь. Положительные заряды сосредоточены у атомов водорода, так как кислород электроотрицательнее водорода. Отрицательно зараженный атом кислорода одной молекулы вода притягивается к положительно заряженному атому водорода другой молекулы с образованием водородной связи. Водородная связь слабее ковалентной связи, поэтому она легко разрывается.(слад 8). Таким образом, в жидкой воде молекулы подвижны, они легко проникают через клеточные мембраны. Это очень важно для процессов обмена веществ.(Рисунок 1. на стр. 9.)

Гидрофильные вещества - хорошо растворимые в воде вещества.

Гидрофобные вещества - плохо растворимые в воде вещества.

С помощью учебника в группах нужно заполнить таблицу " Свойства и значение воды". (слайд 9 -18)

Закрепление изученного материала: (слайд 19)

В ясный весенний день температура воздуха + 10 С, влажность 80 %. Будут ли ночью заморозки? Почему?

3. Минеральные соли - неорганические вещества в клетке, в виде солей. (слайд 26, 27)

Катионы: К + , Na + , Ca +2 .

Буферность - способность клетки поддерживать относительное постоянство слабощелочной среды.

Анионы - H 2 PO 4 - (внутри клетки); Н 2 СО 3 - (кровь и МКВ).

Анионы и аминокислоты связываются протонами водорода и гидроксильной группой воды и рН среды не меняется.

4. Кроме неорганических веществ в состав клетки входят и органические вещества . (слайд 27 )

Углеводы - С n (Н 2 О) m

Углеводы бывают: Простые (моносахариды) и сложные (олигосахариды и полисахариды)

Моносахариды (бесцветные вещества, сладкие на вкус, хорошо растворяются в воде):

Пентозы (рибозы С 5 Н 10 О 5 ; дезоксирибозы - С 5 Н 10 О 4) ;

Гексозы (глюкоза, фруктоза и галактоза - С 6 Н 12 О 6); Тетрозы (4 атома С); Триозы (3 атома С).

Олигосахариды (от 2 до 10 моносахарных остатков. Хорошо растворяются в воде):

Мальтоза (солодовый сахар); Сахароза (свекловичный сахар); Лактоза (молочный сахар).

Полисахариды (плохо растворяются в воде, без вкуса, состоят до 300 молекул глюкозы))

Крахмал; Муреин; Гликоген; Хитин; Целлюлоза и т.д.

Функции углеводов.

Изучив статью учебника на стр. 14 и заполните схему "Функции углеводов" (слайд 42)

(слайд 42)

Почему все углеводы при расщеплении дают глюкозу?

5. Липиды - сборная группа органических соединений, не имеющих единой химической характеристики; не растворимы в воде, но хорошо растворимые в органических растворителях, содержатся во всех клетках животных и растений (от 5 до 90 % сухой массы).

Есть простые липиды (гликолипиды, жиры, воска, стерины) и сложные.

Жиры - сложные эфиры высших жирных кислот и трехатомного спирта глицерина. (слайд 43 - 50)

(Неполярный гидрофильный) R----- COOH (полярна гидрофильна)

Растительные клетки богаты не насыщенными жирными кислотами, а животные - насыщенными.

Заполните схему с помощью учебника: "Функции липидов" (слайд 49)

Закрепление изученного материала. (слайд 50)

Зарисуйте каплю жира, образующего каплю в воде.

Сделайте "Проверочный тест" (слайд 51)

6. Белки.

Вспомните, пожалуйста, высказывание Ф. Энгельса " Жизнь - это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой: причем при прекращении обмена веществ прекращается и сама жизнь, что приводит к разложению белка:" (слайд 52) (слайды 52-61)

Какие основные моменты можно выделить в этом определении жизни?

Белки имеют еще одно название - протеины.

В переводе с греческого означает "протос" - первый, главный. Следовательно, белки главные вещества клетки. Давайте, докажем это.

Белки - это биополимеры, состоящие из мономеров - аминокислот, их всего -20. Посмотрите общую формулу аминокислот:

Пептиды образуются при связывании между собой аминокислот при помощи пептидной связи.

Строение белковой молекулы. (слайд 55-56)

• Первичная структура - связь пептидная между карбоксильной и аминогруппами, полипептидная цепочка. Открыта в 1888г. А.В. Данилевским.
• Вторичная структура - связь - водородная между кислородом и водором амино и карбоксильных групп разных аминокислот, полипептидная цепочка закручивается в спиралевидную структуру внутри молекулы.
• Третичная структура - связь дисульфидная, между серами радикалов, упаковка вторичной спирали в глобулярную структуру.
• Четвертичная структура - комплекс, который объединяет несколько третичных структур органической природы и неорганическое вещество.

Свойства белков.(слайды 57-58)

1. Денатурация - нарушение структуры белка.

I и II структуры - необратимая,

III и IV структуры - обратимая денатурация.

2. Ренатурация - восстановление естественной структуры белка. (шерсть - стираем, связь S-S восстанавливается)

3. Видовая специфичность - определяется набором аминокислот, их количеством, последовательностью расположения в цепи.

4. Белковая индивидуальность человека - отторжение донорских органов, аллергии. Лежит в основе иммунитета.

Закрепление изученного материала.

Заполните таблицу " Строение белковой молекулы" (слайд 60)

Почему из вареного яйца никогда не появится цыпленок? (слайд 59)

Почему аминокислоты имеют амфотерные свойства?

Какая часть аминокислоты определяет уникальные ее свойства?

6. Ферменты (энзимы)- это специфические белки, осуществляющие каталитическую функцию. (слайд 77 - 79) Наука энзимология. Академик И. П. Павлов назвал ферменты " возбудителями жизни и первым актом жизненной деятельности". Все ферменты имеют белковую природу, но не все белки имеют ферментативную природу. Почему?

Активный центр - происходит соединение фермента с субстратом. Форма активного центра и субстрата подходят друг к другу как ключ к замку.

Аллостерический центр - происходит связывание низкомолекулярных соединений, не сходных по строению с субстратом.

7. Нуклеиновые кислоты - РНК и ДНК

Нуклеиновые кислоты - природные высокомолекулярные органические соединения, обеспечивающие хранение и передачу наследственной информации.

"Нуклеус", в переводе от латинского означает " ядро". Впервые были обнаружены в ядре в 1869 году швейцарским химиком И. Ф. Мишером.. в живых организмах. Нуклеиновые кислоты представляют собой линейные гетерополимеры, состоящие из мономеров - повторяющихся строительных блоков, называемых нуклеотидами.

ДНК. (слайд 62 - 64)

Структура ДНК была смоделирована в 1953 году в США Д. Уотсоном и Ф. Криком. Она представляет собой двухцепочечную спираль, закрученную вокруг своей оси. Мономерами являются нуклеотиды.

Нуклеотид - это химическое соединение, состоящее их остатков трех веществ: азотистого основания, пятиатомного сахара - дезоксирибозы, и фосфорной кислоты. Соединены между собой через углевод одного нуклеотида и остаток фосфорной кислоты соседнего нуклеотида.

Азотистые основания: Пуриновые - аденин и гуанин; Пиримидиновые - цитозин и тимин.

Свойства ДНК: (слайд 65-66)

1. Комплементарность - избирательное соединение нуклеотидов, с образованием пары А = Т; Г = Ц. Если известна последовательность оснований в одной цепи, то, благодаря комплементарности, можно узнать последовательность оснований другой цепи.

Рассмотрим пример:

Дан фрагмент цепочки ДНК:

: А - Т - Г- Ц - А - А- Т- Ц- Г: Достройте вторую цепь.

2. Количественный нуклеотидный состав ДНК впервые проанализировал американец Э. Чаргафф. Количество аденина всегда равно количеству тимина, а количество гуанина всегда равно количеству цитозина. Такая закономерность называется правилом Чаргаффа.

Нуклеотиды расположены друг от друга на расстоянии 0,34 нм, и масса одного нуклеотида равна 345. Это постоянные величины!

Давайте сейчас решим задачу №5 на странице 27 учебника.

3. Молекула ДНК способна к самоудвоению - репликации .

При этом происходит копирование содержащейся в них информации. Спираль ДНК распадается и к к каждой нити притягиваются свободные нуклеотиды, синтезируя две новые цепи ДНК. В результате репликации две новые молекулы ДНК представляют точную копию исходной молекулы. Этот процесс лежит в основе передачи наследственной информации на клеточном и организменном уровнях.

Это тоже полимер, мономером которого являются нуклеотиды. (слайд 67 - 69)

Нуклеотид РНК: азотистые основания (аденин, гуанин, цитозин и урацил) -рибоза - остаток фосфорной кислоты. Соединены через связи между рибозой одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого нуклеотида.

Виды РНК: (слайд 54)

1. Одноцепочечная - переносят информацию о первичной структуре белка, от хромосом к месту синтеза белка:

1. Рибосомальная РНК (р РНК)- в комплексе с белами образует рибосомы, на которых происходит синтез белков.

2. Информационная (матричная) РНК(иРНК)- программирует синтез белков в клетке. Она осуществляет передачу кода ДНК к месту синтеза белка.

3. Транспортная РНК(тРНК )- доставляет аминокислоты к месту синтеза белков и определяет точную ориентацию аминокислоты на рибосоме. (слайд 69)

У тРНК есть четыре петли: акцепторная, для присоединения аминокислоты; антикодоновая, для узнавания кодона во время трансляции и две боковые петли.

2. Двухцепочечные РНК- хранители наследственной информации у ряда вирусов, выполняют функцию хромосом.

Закрепление изученного материала.

1. А теперь, пожалуйста, с помощью учебника и своих конспектов заполните таблицу "Нуклеиновые кислоты". (слайд 72 - 74)

2. Впишите в схему названия компонентов нуклеотидов ДНК и РНК. (слайд 70)

8. АТФ - нуклеотид, состоящий из азотистого основания - аденина + пентозы (рибоза) + три остатка фосфорной кислоты. (слайд 75)

Фосфатные группы в молекуле АТФ соединены между собой макроэргическими связями, при их разрыве выделяется большое количество энергии, образуется АДФ и высвобождается энергия.

АТФ - наиболее энергоемка. Отщепление концевого фосфата АТФ сопровождается выделением 40 кДж энергии. АТФ содержится в митохондриях, ядре, хлоропластах. С ее помощью осуществляется синтез веществ. АТФ - универсальный биологический аккумулятор энергии. (слайд 76)

Закрепление знаний.

Каковы причины использования медицинских препаратов, содержащих АТФ, при мышечной или сердечной дистрофии?

Домашнее задание.

1. Повторить материал о химическом составе клетки. Подготовиться к семинарскому занятию.

2. Для желающих:

а) составить кроссворд, ребус или тесты по любой из тем.

б) сделать модель ДНК, структур белка, АТФ или ферментно-субстратного комплекса.

в) составить презентацию на программе power point, по любой из тем.

3. (Для желающих). По учебнику Н.И. Сонина "Общая биология" перевести текст"Summari" на страницах 87, 103,

Использованная литература.

1. Биология. 10 класс: поурочные планы по учеб. Д. К. Беляева, П.М.Бородина, часть I /автор-составитель А.Ю.Гаврилова - Волгоград.: Учитель,2006.
2. Биология. Методическое пособие / А.П.Пуговкин,П.М.Скворцов -М.:Академия,08.
3. Биология: Учебник для 10-11 классов: среднее(полное0общее образование(базовый уровень) /А. П. Пуговкин, Н.А. Пуговкина. - М.: Издательский центр "Академия",2007.
4. Дидактические материалы по общей биологии / Петросова Р. А., Н.Н.Пилипнеко - М.: РАУБ- Цитадель,97.
5. Задачи и упражнения по общей биологии Г.М. Муртазин. - М.:Просвещение,1981.
6. Общая биология: Учебник для 10-11 кл. общеобразовательных учреждений / В.Б.Захаров,С.Г.Мамонтов,Н.И.Сонин.-М.:Дрофа,2006.
7. Общая биология: Учебник для10-11 кл. общеобразовательных учреждений/Д.К. Беляев, П. М. Бородин, и др. Под ред.Д.К.Беляева,Г.М.Дымшица-М.:Просвещение,2005.
8. Самостоятельные работы учащихся по общей биологии / Анастасова Л. П - М.: Просвещение,89.

Сходство элементарного химического состава клеток всех организмов доказывает единство живой природы. Вместе с тем нет ни одного химического элемента, содержащегося в живых организмах, который не был бы найден в телах неживой природы. В этом находит свое выражение общность живой и неживой природы. Ниже дан перечень основных химических элементов, входящих в состав (в % на сырую массу):

Этот перечень, естественно, распадается на 3 группы. Кислород, углерод, водород и азот - группа элементов, которыми живые существа богаче всего. В клетке они составляют до 98% ее сырой массы. Вторая группа объединяет следующие 8 элементов, которые представлены десятыми и сотыми долями процента в веществе живой клетки; их общая сумма - около 1,9% общей массы клетки. В третью группу входят такие микроэлементы, которых в живой клетке очень мало, но они совершенно необходимы для ее нормального функционирования.

Несмотря на единство элементарного состава живой и неживой природы, клетки живых существ построены из таких специфических химических соединений этих элементов, которые получили специальное название - органические вещества. В настоящее время органические вещества в природе могут образовываться на нашей планете только в теле живых организмов. Это, конечно, не исключает возможности их искусственного синтеза, осуществляемого в лабораториях.

В состав клеток входят и неорганические соединения. Но за исключением воды они составляют незначительную долю по сравнению с содержанием органических веществ.

Процентное соотношение в клетке воды, различных органических и неорганических веществ следующее (в расчете на сырую массу):

Помимо каталитической, очень важна структурная функции белков. Белки входят в состав всех мембран, окружающих и пронизывающих клетку. В соединении с ДНК белок составляет тело хромосом, а в соединении с РНК - тело рибосом. Растворы низкомолекулярных белков входят в состав жидких фракций клетки. Наконец, именно с белками связано осуществление таких функций, как перенос кислорода в теле организма (его осуществляет белок крови - гемоглобин), сокращение мускулатуры, передача раздражения по нервам и целый ряд других.

Химический состав белков чрезвычайно разнообразен, и в то же время все они построены по одному принципу - по принципу полимера : молекула одного белка состоит из многих не вполне одинаковых мономеров - молекул аминокислот. Всего известно 20 различных аминокислот, входящих в состав белков. Каждая из них имеет карбоксильную группу (СООН), аминную группу (NH 2) и третью химическую составную часть (радикал - R), которой одна аминокислота отличается от другой. В молекуле, белка аминокислоты химически соединены пептидной связью: карбоксильная группа одной кислоты соединяется с аминной группой другой; при каждом таком соединении выделяется молекула воды:

В молекуле того или иного белка одни аминокислоты могут многократно повторяться, а другие совсем отсутствуют. Общее число аминокислот, составляющих одну молекулу белка, иногда достигает нескольких сот тысяч. В результате молекула белка представляет собой макромолекулу , т. е. молекулу с очень большой молекулярной массой: от нескольких десятков тысяч до многих сотен тысяч.

Химические и физиологические свойства белков определяются не только тем, какие аминокислоты входят в их состав, но и тем, какое место в длинной цепочке белковой молекулы занимает каждая из аминокислот. Так достигается огромное разнообразие первичной структуры белковой молекулы . В живой клетке белки имеют еще и вторичную и третичную структуру, с чем также связаны их специфические функциональные свойства. Вторичная структура белковой молекулы достигается ее спирализацией: длинная цепочка соединенных между собой аминокислот закручивается, а витки спирали плотно прилегают друг к другу. Третичная структура определяется тем, что слирализованная молекула белка еще многократно и закономерно сворачивается, образуя компактную глобулу (шарик). Именно такое состояние белковой молекулы соответствует активному состоянию белка-фермента. Если же под действием различных факторов (нагревание, обработка химическими веществами) происходит разворачивание белковой молекулы и потеря вторичной и третичной структуры белка, то он при этом теряет и свои ферментативные свойства.. Такое изменение может оказаться обратимым (белок восстановит свою вторичную и третичную структуру), если воздействие не было слишком сильным. Необратимые изменения структуры белков в клетке ведут к ее гибели.

Углеводы - столь же необходимая составная часть любой клетки, как и белок. В растительных клетках их значительно больше, чем в животных. Углеводы - своеобразное «топливо» для живой клетки: окисляясь, они высвобождают химическую энергию, которая расходуется клеткой на все процессы жизнедеятельности. У растений углеводы выполняют и важные строительные функции: из них образуются оболочки как живых клеток, так и мертвых (древесина).

По химическому составу углеводы делятся на две большие группы: простые и сложные углеводы. В наиболее широкоизвестных простых углеводах содержится 5 (пентозы ) или 6 (гексозы ) атомов углерода и столько же молекул воды. Примерами простых углеводов могут служить глюкоза и фруктоза, находящиеся во многих плодах растений.

Сложные углеводы - это соединение нескольких молекул простых углеводов в одну. Пищевой сахар (сахароза), например, состоит из одной молекулы глюкозы и одной молекулы фруктозы. Значительно большее количество молекул простых углеводов входит в такие сложные углеводы, как крахмал, клетчатка (целлюлоза), . В молекуле клетчатки, например, до 100-150 молекул глюкозы.

Жиры и липоиды - также обязательная составная часть любой клетки. Как и углеводы, жиры используются клеткой как источник энергии: при расщеплении жиров освобождается энергия. Подкожный жир играет важную теплоизоляционную роль у многих животных (водные ). У животных, впадающих зимой в спячку, жиры обеспечивают организм необходимой энергией, так как питательные вещества извне в это время не поступают. Жиры составляют запас питательных веществ и в семенах многих растений.

По химическому составу жиры представляют собой соединение глицерина с различными жирными кислотами. Именно этим высокомолекулярным кислотам жиры и липоиды обязаны своим важным биологическим свойством: они не растворяются в воде. Поэтому жироподобные вещества - липоиды входят в состав всех мембран клетки и ее структурных элементов. Средний, липондный, слой таких мембран препятствует свободному перемещению воды из клетки в клетку.

Нуклеиновые кислоты впервые были обнаружены в ядрах клеток. Существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновые (сокращенно ДНК) и рибонуклеиновые (сокращенно РНК). ДНК содержится преимущественно в ядре клетки, РНК - в цитоплазме и в ядре. Значение нуклеиновых кислот состоит в том, что они обеспечивают синтез в клетке специфических для нее белков. Благодаря функции ДНК, связанной с синтезом белков-ферментов, осуществляется и ее генетическая роль: ДНК является носителем наследственной информации.

Рис. 5. Схема строения нуклеотида

Молекулярная структура ДНК отражает ее особое химическое свойство - способность к саморепродукции (репликации) и ее основную функцию - обеспечение синтеза специфических белков. Это очень длинная двойная цепочка. Длина ее во многие сотни раз превышает длину цепочки белковой молекулы. Как и молекуле белка, молекуле ДНК присуща спиральная структура: двойная цепочка спирально закручена вокруг своей продольной оси. Каждая одинарная цепочка представляет собой полимер и состоит из отдельных, соединенных между собой мономеров - нуклеотидов . В состав любого нуклеотида входят два постоянных химических компонента (фосфорная кислота и углевод дезоксирибоза) и один переменный, который может быть представлен одним из четырех азотистых оснований: аденином , гуанином , тимином или цитозином (. 5). Поэтому в молекулах ДНК всего 4 разных нуклеотида. Разнообразие же молекул ДИК огромно и достигается благодаря различной последовательности нуклеотидов в цепочке ДНК. Таким образом, и ДНК и белки построены по одному и тому же химическому принципу: специфичность ДНК обусловливается порядком нуклеотидов в ее молекуле, специфичность белка - порядком аминокислот в его молекуле. Как будет видно из дальнейшего, это совпадение имеет первостепенное значение при синтезе белков.

Рис. 6. Схема строения молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК): две цепочки нуклеотидов, закрученные спирально, соединены азотистыми основаниями: а - аденин, Т- тимин, Г - гуанин, Ц - цитозин

Две одинарные цепи ДНК соединены в одну двойную через нуклеотиды. При этом возможны лишь такие химические соединения: аденина с тимином и гуанина с цитозином. Поэтому последовательность нуклеотидов в одной цепочке жестко определяет и последовательность их в другой цепочке. Строгое соответствие нуклеотидов друг другу в парных цепочках молекулы ДНК получило название комплементарности (рис. 6). Эта особенность химического строения молекулы ДНК создается в процессе синтеза ДНК в живой клетке, который называется репликацией . Схематически этот процесс изображен на рис. 7. Сводится он к тому, что исходная двойная цепочка молекулы ДНК под действием специального фермента постепенно распадается на две одинарные - и тут же к каждой из них по принципу химического сродства (аденин к тимину, гуанин к цитозину) присоединяются свободные нуклеотиды. Тем самым вновь восстанавливается двойная структура ДНК. Но теперь уже таких двойных молекул получается две вместо одной. Поэтому синтез ДНК и получил название саморепродукции , или репликации: каждая молекула ДНК как бы сама себя удваивает.

Молекулярная структура РНК близка к таковой ДНК. Но есть и существенные различия. Молекула РНК представляет собой не двойную, а одинарную цепочку из нуклеотидов. Поэтому РНК не способна к саморепродукции. В состав молекул РНК также входят 4 нуклеотида, но один из них иной, чем в ДНК: вместо тимина в РНК содержится другое азотистое соединение - урацил . Кроме того, в состав всех нуклеотидов молекулы РНК входит не дезоксирибоза, а рибоза. Молекулы РНК не столь велики, как молекулы ДНК. О двух формах РНК будет сказано дальше.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Это органическое вещество входит в состав любой клетки, где выполняет одну из важнейших функций. Химически АТФ представляет собой нуклеотид, в состав которого входят азотистое основание аденин, углевод рибоза и фосфорная кислота. Но в отличие от нуклеотида, входящего в состав РНК, в молекуле АТФ содержатся три молекулы фосфорной кислоты. Это обстоятельство и определяет биохимические особенности и функцию АТФ. Неустойчивые химические связи, которыми соединены молекулы фосфорной кислоты в АТФ, очень богаты энергией: при разрыве этих связей энергия высвобождается и используется в живой клетке на процессы жизнедеятельности и синтез. Такой разрыв осуществляется через реакцию присоединения воды молекулой АТФ и отщеплением от нее одной молекулы фосфорной кислоты.

Рис. 7. Схема репликация (самоудвоения) молекулы ДНК. А - исходная молекула ДНК перед репликацией; Б - репликация молекулы ДНК: цепи расходятся и к каждой из них подстраивается новая цепь из свободных нуклеотидов по принципу комплементарпости; В - две молекулы ДНК. образовавшиеся в результате репликации

В результате молекула АТФ превращается в АДФ (аденозин-дифосфорная кислота ):
АТФ + Н 2 О → АДФ + Н 3 РO 4 + свободная энергия.

Обратный процесс превращения АДФ в АТФ происходит путем присоединения молекулы фосфорной кислоты к АДФ с выделением воды и поглощением большого количества энергии. Таким образом, система обеспечивает в живой клетке постоянный обмен энергии.

В составе живых организмов обнаружено большинство химических элементов Периодической системы элементов Д. И. Менделеева, открытых к настоящему времени. С одной стороны, в них не содержится ни одного элемента, которого не было бы в неживой природе, а с другой стороны, их концентрации в телах неживой природы и живых организмах существенно различаются.

Эти химические элементы образуют неорганические и органические вещества. Несмотря на то, что в живых организмах преобладают неорганические вещества, именно органические вещества определяют уникальность их химического состава и феномена жизни в целом, поскольку они синтезируются преимущественно организмами в процессе жизнедеятельности и играют в реакциях важнейшую роль.

Изучением химического состава организмов и химических реакций, протекающих в них, занимается наука биохимия.

Следует отметить, что содержание химических веществ в различных клетках и тканях может существенно различаться. Например, если в животных клетках среди органических соединений преобладают белки, то в клетках растений - углеводы.

Макро- и микроэлементы

В живых организмах встречается около 80 химических элементов, однако только для 27 из этих элементов установлены их функции в клетке и организме. Остальные элементы присутствуют в незначительных количествах, и, по-видимому, попадают в организм с пищей, водой и воздухом. Содержание химических элементов в организме существенно различается. В зависимости от концентрации их делят на макроэлементы и микроэлементы.

Концентрация каждого из макроэлементов в организме превышает 0,01 %, а их суммарное содержание - 99 %. К макроэлементам относят кислород, углерод, водород, азот, фосфор, серу, калий, кальций, натрий, хлор, магний и железо. Первые четыре из перечисленных элементов (кислород, углерод, водород и азот) называют также органогенными , поскольку они входят в состав основных органических соединений. Фосфор и сера также являются компонентами ряда органических веществ, например белков и нуклеиновых кислот. Фосфор необходим для формирования костей и зубов.

Без оставшихся макроэлементов невозможно нормальное функционирование организма. Так, калий, натрий и хлор участвуют в процессах возбуждения клеток. Калий также необходим для работы многих ферментов и удержания воды в клетке. Кальций входит в состав клеточных стенок растений, костей, зубов и раковин моллюсков и требуется для сокращения мышечных клеток, а также для внутриклеточного движения. Магний является компонентом хлорофилла - пигмента, обеспечивающего протекание фотосинтеза. Он также принимает участие в биосинтезе белка. Железо, помимо того, что оно входит в состав гемоглобина, переносящего кислород в крови, необходимо для протекания процессов дыхания и фотосинтеза, а также для функционирования многих ферментов.

Микроэлементы содержатся в организме в концентрациях менее 0,01 %, а их суммарная концентрация в клетке не достигает и 0,1 %. К микроэлементам относятся цинк, медь, марганец, кобальт, йод, фтор и др. Цинк входит в состав молекулы гормона поджелудочной железы - инсулина, медь требуется для процессов фотосинтеза и дыхания. Кобальт является компонентом витамина В12, отсутствие которого приводит к анемии. Йод необходим для синтеза гормонов щитовидной железы, обеспечивающих нормальное протекание обмена веществ, а фтор связан с формированием эмали зубов.

Как недостаток, так и избыток или нарушение обмена макро- и микроэлементов приводят к развитию различных заболеваний. В частности, недостаток кальция и фосфора вызывает рахит, нехватка азота - тяжелую белковую недостаточность, дефицит железа - анемию, а отсутствие йода - нарушение образования гормонов щитовидной железы и снижение интенсивности обмена веществ. Уменьшение поступления фтора с водой и пищей в значительной степени обусловливает нарушение обновления эмали зубов и, как следствие, предрасположенность к кариесу. Свинец токсичен почти для всех организмов. Его избыток вызывает необратимые повреждения головного мозга и центральной нервной системы, что проявляется потерей зрения и слуха, бессонницей, почечной недостаточностью, судорогами, а также может привести к параличу и такому заболеванию, как рак. Острое отравление свинцом сопровождается внезапными галлюцинациями и заканчивается комой и смертью.

Недостаток макро- и микроэлементов можно компенсировать путем увеличения их содержания в пище и питьевой воде, а также за счет приема лекарственных препаратов. Так, йод содержится в морепродуктах и йодированной соли, кальций - в яичной скорлупе и т. п.

Взаимосвязь строения и функций неорганических и органических веществ (белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, АТФ), входящих в состав клетки. Роль химических веществ в клетке и организме человека

Неорганические вещества

Химические элементы клетки образуют различные соединения - неорганические и органические. К неорганическим веществам клетки относятся вода, минеральные соли, кислоты и др., а к органическим - белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды, АТФ, витамины и др..

Вода (Н 2 О) - наиболее распространенное неорганическое вещество клетки, обладающее уникальными физико-химическими свойствами. У нее нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха. Плотность и вязкость всех веществ оценивается по воде. Как и многие другие вещества, вода может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом (лед), жидком и газообразном (пар). Температура плавления воды - 0°С, температура кипения - 100°С, однако растворение в воде других веществ может изменять эти характеристики. Теплоемкость воды также достаточно велика - 4200 кДж/моль·К, что дает ей возможность принимать участие в процессах терморегуляции. В молекуле воды атомы водорода расположены под углом 105°, при этом общие электронные пары оттягиваются более электроотрицательным атомом кислорода. Это обусловливает дипольные свойства молекул воды (один их конец заряжен положительно, а другой - отрицательно) и возможность образования между молекулами воды водородных связей. Сцепление молекул воды лежит в основе явления поверхностного натяжения, капиллярности и свойств воды как универсального растворителя. Вследствие этого все вещества делятся на растворимые в воде (гидрофильные) и нерастворимые в ней (гидрофобные). Благодаря этим уникальным свойствам предопределено то, что вода стала основой жизни на Земле.

Среднее содержание воды в клетках организма неодинаково и может изменяться с возрастом. Так, у полуторамесячного эмбриона человека содержание воды в клетках достигает 97,5 %, у восьмимесячного - 83 %, у новорожденного снижается до 74 %, а у взрослого человека составляет в среднем 66 %. Однако клетки организма различаются содержанием воды. Так, в костях содержится около 20 % воды, в печени - 70 %, а в мозге - 86 %. В целом можно сказать, что концентрация воды в клетках прямо пропорциональна интенсивности обмена веществ .

Минеральные соли могут находиться в растворенном или нерастворенном состояниях. Растворимые соли диссоциируют на ионы - катионы и анионы. Наиболее важными катионами являются ионы калия и натрия, облегчающие перенос веществ через мембрану и участвующие в возникновении и проведении нервного импульса; а также ионы кальция, который принимает участие в процессах сокращения мышечных волокон и свертывании крови; магния, входящего в состав хлорофилла; железа, входящего в состав ряда белков, в том числе гемоглобина. Важнейшими анионами являются фосфат-анион, входящий в состав АТФ и нуклеиновых кислот, и остаток угольной кислоты, смягчающий колебания рН среды. Ионы минеральных солей обеспечивают и проникновение самой воды в клетку, и ее удержание в ней. Если в среде концентрация солей ниже, чем в клетке, то вода проникает в клетку. Также ионы определяют буферные свойства цитоплазмы, т. е. ее способность поддерживать постоянство слабощелочной рН цитоплазмы, несмотря на постоянное образование в клетке кислотных и щелочных продуктов.

Нерастворимые соли (CaCO 3 , Ca 3 (PO 4) 2 и др.) входят в состав костей, зубов, раковин и панцирей одноклеточных и многоклеточных животных.

Кроме того, в организмах могут вырабатываться и другие неорганические соединения, например кислоты и оксиды. Так, обкладочные клетки желудка человека вырабатывают соляную кислоту, которая активирует пищеварительный фермент пепсин, а оксид кремния пропитывает клеточные стенки хвощей и образует панцири диатомовых водорослей. В последние годы исследуется также роль оксида азота (II) в передаче сигналов в клетках и организме.

Органические вещества

В состав клетки входит около 70 элементов Периодической системы элементов Менделеева, а 24 из них присутствуют во всех типах клеток. Все присутствующие в клетке элементы делятся, в зависимости от их содержания в клетке, на группы :

• макроэлементы – H, O, N, C,. Mg, Na, Ca, Fe, K, P, Cl, S;
• микроэлементы – В, Ni, Cu, Co, Zn, Mb и др.;
• ультрамикроэлементы – U, Ra, Au, Pb, Hg, Se и др.

• органогены (кислород, водород, углерод, азот),
• макроэлементы,
• микроэлементы.

В состав клетки входят молекулы неорганических и органических соединений.

Неорганические соединения клетки – вода и неорганические ионы.
Вода – важнейшее неорганическое вещество клетки. Все биохимические реакции происходят в водных растворах. Молекула воды имеет нелинейную пространственную структуру и обладает полярностью. Между отдельными молекулами воды образуются водородные связи, определяющие физические и химические свойства воды.

Неорганические ионы :
катионы K+, Na+, Ca2+ , Mg2+ и анионы Cl–, NO3- , PO4 2-, CO32-, НPO42-.

Разность между количеством катионов и анионов (Nа+ , К+ , Сl-) на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникновение потенциала действия, что лежит в основе нервного и мышечного возбуждения .
Анионы фосфорной кислоты создают фосфатную буферную систему , поддерживающую рН внутриклеточной среды организма на уровне 6-9.
Угольная кислота и ее анионы создают бикарбонатную буферную систему и поддерживают рН внеклеточной среды (плазмы крови) на уровне 7-4.
Соединения азота служат источником минерального питания, синтеза белков, нуклеиновых кислот.
Атомы фосфора входят в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов, а также костей позвоночных, хитинового покрова членистоногих.
Ионы кальция входят в состав вещества костей; они также необходимы для осуществления мышечного сокращения, свертывания крови.

Таблица. Роль макроэлементов на клеточном и организменном уровне организации.

Таблица.

Тематические задания

Часть А

А1. Полярностью воды обусловлена ее способность
1) проводить тепло
3) растворять хлорид натрия
2) поглощать тепло
4) растворять глицерин

А2 . Больным рахитом детям необходимо давать препараты, содержащие
1) железо
2) калий
3) кальций
4) цинк

А3 . Проведение нервного импульса обеспечивается ионами:
1) калия и натрия
2) фосфора и азота
3) железа и меди
4) кислорода и хлора

А4 . Слабые связи между молекулами воды в ее жидкой фазе называются:
1) ковалентными
2) гидрофобными
3) водородными
4) гидрофильными

А5 . В состав гемоглобина входит
1) фосфор
2) железо
3) сера
4) магний

А6 . Выберите группу химических элементов, обязательно входящую в состав белков
1) Na, K, O, S
2) N, P, C, Cl
3) C, S, Fe, O
4) C, H, O, N

А7 . Пациентам с гипофункцией щитовидной железы дают препараты, содержащие
1) йод
2) железо
3) фосфор
4) натрий

Часть В

В1 . Выберите функции воды в клетке
1) энергетическая
2) ферментативная
3) транспортная
4) строительная
5) смазывающая
6) терморегуляционная

В2 . Выберите только физические свойства воды
1) способность к диссоциации
2) гидролиз солей
3) плотность
4) теплопроводность
5) электропроводность
6) донорство электронов

Часть С

С1 . Какие физические свойства воды определяют ее биологическое значение?

Клетка - это не только структурная единица всего живого, своеобразный кирпичик жизни, но и маленькая биохимическая фабрика, на которой каждую долю секунды происходят различные превращения и реакции. Так формируются необходимые для жизни и роста организма структурные компоненты: минеральные вещества клетки, вода и органические соединения. Поэтому очень важно знать, что будет, если какого-то из них не хватит. Какую роль играют различные соединения в жизни этих крошечных, не видимых невооруженным глазом, структурных частичек живых систем? Постараемся разобраться в этом вопросе.

Классификация веществ клетки

Все соединения, составляющие массу клетки, формирующие ее структурные части и отвечающие за ее развитие, питание, дыхание, пластический и нормальное развитие, можно разделить на три большие группы. Это такие категории, как:

• органические;
• неорганические вещества клетки (минеральные соли);
• вода.

Часто последнюю относят ко второй группе неорганических компонентов. Кроме этих категорий, можно обозначить те, которые складываются из их сочетания. Это металлы, входящие в состав молекулы органических соединений (например, молекула гемоглобина, содержащая ион железа, является белковой по своей природе).

Минеральные вещества клетки

Если говорить конкретно о минеральных или неорганических соединениях, входящих в состав каждого живого организма, то они также неодинаковы и по природе, и по количественному содержанию. Поэтому имеют свою классификацию.

Все неорганические соединения можно разделить на три группы.

1. Макроэлементы. Те, содержание которых внутри клетки больше 0,02% от общей массы неорганических веществ. Примеры: углерод, кислород, водород, азот, магний, кальций, калий, хлор, сера, фосфор, натрий.
2. Микроэлементы - меньше 0,02%. К ним относятся: цинк, медь, хром, селен, кобальт, марганец, фтор, никель, ванадий, йод, германий.
3. Ультрамикроэлементы - содержание меньше 0,0000001%. Примеры: золото, цезий, платина, серебро, ртуть и некоторые другие.

Также можно особенно выделить несколько элементов, которые являются органогенными, то есть составляют основу органических соединений, из которых построено тело живого организма. Это такие элементы, как:

• водород;
• азот;
• углерод;
• кислород.

Они выстраивают молекулы белков (основы жизни), углеводов, липидов и прочих веществ. Однако за нормальное функционирование организма отвечают так же и минеральные вещества. Химический состав клетки исчисляется десятками элементов из таблицы Менделеева, которые являются залогом успешной жизнедеятельности. Лишь около 12 из всех атомов не играют роли совсем либо она ничтожно мала и не изучена.

Особенно важны некоторые соли, которые должны поступать в организм с пищей каждый день в достаточном количестве, чтобы не развивались различные болезни. Для растений это, например, натриевая Для человека и животных это соли кальция, поваренная соль как источник натрия и хлора и др..

Вода

Минеральные вещества клетки объединяются с водой в общую группу поэтому не сказать о ее значении нельзя. Какую роль она играет в организме живых существ? Огромную. В начале статьи мы сравнивали клетку с биохимической фабрикой. Так вот, все ежесекундно происходящие превращения веществ осуществляются именно в водной среде. Она - универсальный растворитель и среда для химических взаимодействий, процессов синтеза и распада.

Кроме того, вода входит в состав внутренней среды:

• цитоплазмы;
• клеточного сока у растений;
• крови у животных и человека;
• мочи;
• слюны прочих биологических жидкостей.

Обезвоживание означает смерть для всех организмов без исключения. Вода - это среда жизни для огромного количества разнообразных представителей флоры и фауны. Поэтому переоценить значение этого сложно, оно поистине безгранично велико.

Макроэлементы и их значение

Минеральные вещества клетки для ее нормальной работы имеют большое значение. В первую очередь это касается как раз макроэлементов. Роль каждого из них подробно изучена и давно установлена. Какие атомы составляют группу макроэлементов, мы уже выше перечисляли, поэтому повторяться не будем. Кратко обозначим роль основных из них.

1. Кальций. Соли его необходимы для поставки в организм ионов Са 2+ . Сами ионы участвуют в процессах остановки и свертывания крови, обеспечивают экзоцитоз клетки, а также мышечные сокращения, в том числе сердечные. Нерастворимые соли - основа крепких костей и зубов животных и человека.
2. Калий и натрий. Поддерживают состояние клетки, формируют натриево-калиевый насос работы сердца.
3. Хлор - участвует в обеспечении электронейтральности клетки.
4. Фосфор, сера, азот - являются составными частями многих органических соединений, а также принимают участие в работе мышц, составе костей.

Конечно, если рассматривать каждый элемент более подробно, то можно многое сказать и о его избытке в организме, и о недостатке. Ведь и то и другое вредно и приводит к заболеваниям различного рода.

Микроэлементы

Роль минеральных веществ в клетке, которые относятся к группе микроэлементов, также велика. Несмотря на то что их содержание очень мало в клетке, без них она не сможет долго нормально функционировать. Самыми главными из всех перечисленных выше атомов в этой категории являются такие как:

• цинк;
• медь;
• селен;
• фтор;
• кобальт.

Нормальный уровень йода необходим для поддержания работы щитовидной железы и выработки гормонов. Фтор нужен организму для укрепления эмали зубов, а растениям - для сохранения эластичности и насыщенной окраски листьев.

Цинк и медь - это элементы, входящие в состав многих ферментов и витаминов. Они выступают важными участниками процессов синтеза и пластического обмена.

Селен - активный участник процессов регуляции, является необходимым для работы эндокринной системы элементом. Кобальт же имеет другое название - витамин В 12 , а все соединения данной группы крайне важны для иммунной системы.

Поэтому функции минеральных веществ в клетке, которые образованы микроэлементами нисколько не меньше, чем те, что выполняют макроструктуры. Поэтому важно потреблять и те и другие в достаточном количестве.

Ультрамикроэлементы

Минеральные вещества клетки, которые образованы ультрамикроэлементами, играют не столь значительную роль, как вышеупомянутые. Однако длительный их недостаток может приводить к развитию очень неприятных, а иногда и весьма опасных для здоровья последствий.

Например, селен относят и к данной группе тоже. Его длительная нехватка провоцирует развитие раковых опухолей. Поэтому он считается незаменимым. А вот золото и серебро - это металлы, которые оказывают отрицательное воздействие на бактерии, уничтожая их. Поэтому внутри клетки играют бактерицидную роль.

Однако в целом следует сказать, что функции ультрамикроэлементов еще не до конца раскрыты учеными, и значение их остается пока неясным.

Металлы и органические вещества

Многие металлы входят в состав органических молекул. Например, магний - кофермент хлорофилла, необходимого для фотосинтеза растений. Железо - часть молекулы гемоглобина, без которого невозможно осуществлять дыхание. Медь, цинк, марганец и прочие - части молекул ферментов, витаминов и гормонов.

Очевидно, что все эти соединения важны для организма. Отнести их полностью к минеральным нельзя, однако частично все же следует.

Минеральные вещества клетки и их значение: 5 класс, таблица

Чтобы обобщить то, что было нами сказано в течение статьи, составим общую таблицу, в которой отразим, какие бывают минеральные соединения и зачем они нужны. Использовать ее можно при объяснении данной темы школьникам, например, в пятом классе обучения.

Таким образом, минеральные вещества клетки и их значение будут усвоены школьниками в курсе основной ступени обучения.

Последствия нехватки минеральных соединений

Когда мы говорим о том, что роль минеральных веществ в клетке важна, то должны привести примеры, доказывающие этот факт.

Перечислим некоторые заболевания, которые развиваются при недостатке или избытке каких-либо из обозначенных в ходе статьи соединений.

1. Гипертония.
2. Ишемия, сердечная недостаточность.
3. Зоб и другие заболевания щитовидной железы (Базедова болезнь и прочие).
4. Анемия.
5. Неправильный рост и развитие.
6. Раковые опухоли.
7. Флюороз и кариес.
8. Заболевания крови.
9. Расстройство мышечной и нервной системы.
10. Нарушение пищеварения.

Конечно, это далеко не полный список. Поэтому необходимо тщательно следить за тем, чтобы ежедневный рацион питания был правильным и сбалансированным.