Биология неорганические вещества клетки: Урок 2. неорганические соединения клетки. углеводы и липиды. регулярные и нерегулярные биополимеры — Биология — 10 класс

Урок 2. неорганические соединения клетки. углеводы и липиды. регулярные и нерегулярные биополимеры — Биология — 10 класс

Химические вещества и их роль в живой природе

Органические вещества клетки. Углеводы. Липиды

Необходимо запомнить

ВАЖНО!

Живые системы – клетки, ткани, организмы – состоят из тех же химических элементов, что и объекты неживой природы, что свидетельствует о единстве и взаимосвязи живой и неживой материи. Но соотношение элементов в живом и неживом веществе существенно отличается.

Живые организмы имеют сходный химический состав (одни и те же химические элементы и вещества в близких количествах), что является доказательством родства всего живого на Земле.

К неорганическим соединениям относятся относительно простые соединения, которые встречаются и в неживой природе: вода, минеральные соли, ионы.

Органические соединения, основой строения которых являются атомы углерода, составляют отличительный признак живого. Из органических соединений всеобщее биологическое значение имеют белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды.

Особенности химической организации живой материи:

– 98 % элементного состава приходится на углерод, кислород, водород и азот;

– большое содержание воды;

– наличие органических веществ.

Углеводы – органические вещества с общей формулой С_n(Н₂О)_m.

Липиды – органические соединения с различной структурой, нерастворимые в воде, но растворимые в органических растворителях.

Общие функции углеводов и липидов: энергетическая, структурная, запасающая, защитная. Кроме того, липиды выполняют ещё терморегуляторную функцию и являются гормонами.

Группы химических элементов в клетке

Биологическая роль воды

Интересные факты

Регулярные и нерегулярные биополимеры

2.3.1. Неорганические вещества клетки

2.3. Химическая организация клетки

2.3.1. Неорганические вещества клетки

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.

 

Другой принцип классификации элементов:

• 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.

Физические свойства воды	Значение для биологических процессов
Высокая теплоемкость (из-за водородных связей между молекулами) и теплопроводность (из-за небольших размеров молекул)	Транспирация Потоотделение Периодическое выпадение осадков
Прозрачность в видимом участке спектра	Высокопродуктивные биоценозы прудов, озер, рек ( из-за возможности фотосинтеза на небольшой глубине)
Практически полная несжимаемость (из-за сил межмолекулярного сцепления)	Поддержание формы организмов: форма сочных органов  растений, положение трав в пространстве, гидростатический скелет круглых червей, медуз, амниотическая жидкость поддерживает и защищает плод млекопитающих
Подвижность молекул (из-за слабости водородных связей)	Осмос: поступление воды из почвы; плазмолиз
Вязкость (водородные связи)	Смазывающие свойства: синовиальная жидкость в суставах, плевральная жидкость
Растворитель  (полярность молекул)	Кровь, тканевая жидкость, лимфа, желудочный сок, слюна, у животных; клеточный сок у растений; водные организмы используют растворенный в воде кислород
Способность образовывать гидратационную оболочку вокруг макромолекул (из-за полярности молекул)	Дисперсионная среда в коллоидной системе цитоплазмы
Оптимальное для биологических систем значение сил поверхностного натяжения (из-за сил межмолекулярного сцепления)	Водные растворы – средство передвижения веществ в организме
Расширение при замерзании (из-за образования каждой молекулой максимального числа – 4 – водородных связей_	Лед легче воды, выполняет в водоемах функцию теплоизолятора

 

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. Роль микроэлементов в жизни клетки, растительного и животного организмов.

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?

 

Неорганические вещества клетки

Из неорганических веществ клетки вода составляет около 65% ее массы: в молодых быстрорастущих клетках до 95%, в старых — около 60%. Роль воды в клетках очень велика, она является 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.

Содержание минеральных веществ в клетках незначительно, но роль их велика: они поддерживают осмотическое равновесие, регулируют различные биохимические и физиологические процессы. Например, ионы Na и К нужны для образования нервных импульсов, ионы Са нужны для свертывания крови и др.

Органические вещества — составляют 20-30% состава клетки. Они могут быть простыми (аминокислоты, глюкоза, жирные кислоты) и сложными (белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, липиды). Наиболее важное значение имеют белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты.

Белки

— это основные и наиболее сложные вещества любой клетки. По размерам белковая молекула в сотни и тысячи раз превосходит молекулы неорганических соединений. Белковые молекулы образуются из простых соединений — аминокислот (в естественных белках содержится 20 аминокислот). Объединяясь в различной последовательности и количестве, они образуют большое разнообразие (до 1000) белков. Их роль в жизни клетки огромна: строительный материал организма, катализаторы (белки-ферменты ускоряют химические реакции), транспорт (гемоглобин крови доставляет клеткам кислород и питательные вещества и уносит углекислый газ и продукты распада). Белки выполняют защитную функцию, энергетическую.

Углеводы

— органические вещества, состоящие из углерода, водорода и кислорода. Наиболее простые из них моносахариды — гексоза, фруктоза, глюкоза (содержатся в фруктах, меде), галактоза (в молоке) и полисахариды — состоящие из нескольких простых углеводов. Сюда относятся крахмал, гликоген. Углеводы — основной источник энергии для всех форм клеточной активности (движение, биосинтез, секреция и т. д.) и играют роль запасных веществ.

Липиды

— нерастворимые в воде жиры и жироподобные вещества. Они являются основным структурным компонентом биологических мембран. Липиды выполняют энергетическую функцию, в них содержатся жирорастворимые витамины.

Нуклеиновые кислоты

— (от латинского слова «нуклеус» — ядро) — образуются в ядре клетки. Они бывают двух типов: дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК). Биологическая роль их очень велика. Они определяют синтез белков и передачу наследственной информации.

Органические и неорганические вещества клетки их функции: таблица

Химическая организация клеток: неорганические и органические вещества и их роль в жизнедеятельности клетки

Неорганические вещества клетки и их роль. Химические элементы и их роль в клетке

Из известных ныне около 110 химических элементов в состав клетки входит около 60. В соответствии с их количественным содержанием они делятся на три группы.

Таблица 7 Группы химических элементов клетки

Макроэлементы	Микроэлементы	Ультрамикроэлементы
Количество определяется десятками процентов	Количество определяется десятыми и сотыми долями процента	Количество определяется тысячными долями процента и менее
Углерод, азот, водород, кислород	Натрий, калий, кальций, магний, железо, сера, фосфор, хлор	Кадмий, медь, цинк, фтор, кобальт и др.
Входят в состав основных органических веществ (белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты), а также в состав многих неорганических соединений	Входят в состав органических и неорганических соединений (сложные белки, пигменты, фосфолипиды, нуклеиновые кислоты, неорганические соли и др.)	Входят в состав ферментов, гормонов, витаминов и др.

Вода и ее роль в клетке

Содержание воды в клетках различных тканей колеблется от 20% (в костной ткани) до 85% (в нервной ткани).

Молекула воды полярная (является диполем), что делает ее хорошим растворителем. Полярность и нелинейность молекулы воды определяется тем, что атомы водорода и кислорода, входящие в ее состав, различны по размерам и электроотрицательности.

Вода – хороший растворитель. Электростатическое притяжение между полярными молекулами воды и ионами сильнее, чем притяжение между катионом и анионом. В водном растворе ионы гидратируются.

Вещества, молекулы которых полярны и легко взаимодействуют с молекулами воды, называются гидрофильными. Вещества, молекулы которых неполярны и не могут растворяться в воде, называют гидрофобными.

В воде такие вещества взаимодействуют друг с другом, образуя комплексы таким образом, чтобы с водой соприкасалась как можно меньшая поверхность.

Молекулы воды способны образовывать водородные связи. Одна молекула может образовать водородные связи с 4 другими молекулами воды.

Способность молекул воды образовывать водородные связи обеспечивает ряд ее свойств:

• высокая удельная теплоемкость;
• вязкость и поверхностное натяжение;
• несжимаемость.

Удельная теплоемкость – количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 кг воды на 1°С, очень велика. Большое количество энергии тратится на разрыв водородных связей.

Водородные связи являются причиной вязкости воды, а также обеспечивают силы поверхностного натяжения: на поверхности воды из-за сильного притяжения ее молекул возникают силы сцепления, направленные внутрь воды.

Таблица 8 Свойства воды

Свойства воды	Роль воды, определяемая этим свойством
Молекулы воды являются диполями, вода – полярное вещество	Вода – хороший растворитель
Вода несжимаема	Вода обеспечивает тургор клеток
Вода обладает высокой теплоемкостью и теплопроводностью	Вода участвует в теплорегуляции клетки
Вода обладает текучестью	Вода переносит растворенные в ней вещества

Другие функции воды в клетке:

• Среда для протекания химических реакций
• Участник и продукт химических реакций
• Источник водорода и кислорода в фотосинтезе цианобактерий и эукариот
• Снижает силу трения в некоторых структурах

Неорганические соли и их роль в клетке

В большинстве клеток и тканей соли присутствуют в растворенном состоянии, т.е. в виде катионов и анионов. Некоторые ткани содержат нерастворимые соли в составе своего межклеточного вещества (например, костная ткань животных).

Основными катионами клеток являются К+, Na+, Ca2+, Mg2+, основными анионами – Cl-, HPO24-, h3PO4-, HCO-3.

Катионы и анионы распределены неравномерно между клеткой и внеклеточной средой, что является необходимым условием существования клетки. Так, содержание ионов калия существенно выше внутри клетки, а ионов натрия – во внеклеточной среде.

Таблица 9 Значение некоторых ионов в клетке

Ионы натрия, калия и хлора	Участвуют в формировании нервных импульсов
Ионы калия, кальция, магния	Активируют ряд ферментов
Ионы кальция	Участвуют в свертывании крови Участвуют в мышечном сокращении В составе извести являются компонентами межклеточного вещества костной ткани, раковин моллюсков и др.
Ионы магния	Входят в состав хлорофилла
Ионы железа Fe2+	Входят в состав гемоглобина
Ионы цинка	Входят в состав гормона поджелудочной железы инсулина
Ионы иода	Входят в состав гормона щитовидной железы тироксина
Анионы HPO24-, h3PO4-, HCO-3	Входят в состав буферных систем клетки, которые поддерживают рН на постоянном уровне
Анионы РО43-	Входят в состав ряда органических веществ: нуклеотидов, фосфолипидов и др.

 

Углеводы и их роль в клетке

Эти соединения имеют общую формулу Cn(h3O)n, где n>3

Таблица 10 Классификация углеводов и их свойства

Характеристика	Моносахариды	Полисахариды первого порядка	Полисахариды второго порядка
Строение	Состоят из одной молекулы, которая может включать 3 (триозы), 4 (тетрозы), 5 (пентозы) или 6 (гексозы) атомов углерода	Состоят из 2–4 остатков моносахаридов	Состоят из большого числа остатков моносахаридов
Свойства	Имеют кристаллическую форму, хорошо растворимы в воде, имеют сладкий вкус	Имеют кристаллическую форму, хорошо растворимы в воде, имеют сладкий вкус	Не имеют кристаллической формы, нерастворимы в воде
Примеры	Пентозы – рибоза, дезоксирибоза. Гексозы – глюкоза, фруктоза, галактоза	Дисахариды – сахароза, мальтоза, лактоза	Крахмал, целлюлоза, гликоген, хитин

Функции углеводов

• Структурная (целлюлоза входит в состав клеточной стенки клеток растений, хитин входит в состав панциря членистоногих, клеточной стенки клеток грибов).
• Энергетическая (при окислении углеводов выделяется энергия).
• Запасающая (откладываются в запас – крахмал у растений, гликоген у животных).

Липиды и их роль в клетке

Липиды или жиры – это сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и высокомолекулярных карбоновых кислот (жирных кислот).

Молекула липида состоит из гидрофильной головки, в состав которой входит глицерин, остаток фосфорной кислоты (фосфолипид) или углевод (гликолипид), и двух гидрофобных хвостов, состоящих из остатков жирных кислот (рис. 12).

Рисунок 12 – Схема молекулы фосфолипида: 1 – жирнокислотные хвосты; 2 – полярная головка

Функции липидов

• Структурная (входят в состав мембран).
• Энергетическая (при окислении липидов выделяется энергия).
• Запасающая (откладываются в запас).
• Защитная (липиды образуют прослойки между внутренними органами – сальники).
• Терморегулирующая (липиды обладают низкой теплопроводностью и, образуя теплоизоляционный слой, способствуют сохранению тепла).
• Являются источником эндогенной воды.

Белки и их роль в клетке

Белки представляют собой полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. В природе существует около 300 аминокислот, но в белках обнаружено только 20 из них. Особенностью аминокислот является наличие аминогруппы (Nh3) и карбоксильной группы (СООН). Участки молекул, лежащие вне амино- и карбоксильной групп и определяющие специфику аминокислоты, называются радикалом.

Аминокислоты, которые не могут синтезироваться в организме человека, называются незаменимыми. К незаменимым относятся гистидин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан, валин.

Аминокислоты, входящие в состав белков, можно разбить на две группы, в зависимости от того, каким является их радикал – полярным или неполярным. К неполярным аминокислотам относятся аланин, валин, изолейцин, лейцин, метионин, пролин, триптофан, фенилаланин. Полярными аминокислотами являются все остальные, например, аргинин, аспарагин, аспарагиновая кислота, гистидин, лизин, тирозин, треонин и др.

Соединение аминокислот в цепь происходит за счет амино- и карбоксильной групп, при этом образуется пептидная связь.

Пептидная связь – прочная ковалентная связь. Разнообразие белков определяется аминокислотами, которые входят в состав белка.

Таблица 11 Уровни организации белковой молекулы

Уровень организации	Описание	Основные взаимодействия
Первичная	линейная последовательность аминокислот	пептидные связи
Вторичная	спирально закрученная молекула	водородные связи
Третичная	глобула (шарообразная молекула)	гидрофобные взаимодействия, электростатические взаимодействия, дисульфидные связи
Четвертичная	объединение нескольких глобул в единый комплекс	гидрофобные взаимодействия

Первичная структура белка образуется в результате биосинтеза на рибосомах, однако в таком состоянии белки в клетке не существуют. Они приобретают более высокие уровни организации – вторичную, третичную или четвертичную структуры.

Вторичная структура представляет собой спирально закрученную молекулу. Между витками спирали образуются водородные связи (между кислородом карбоксильной группы и водородом аминогруппы). Водородные связи гораздо слабее ковалентных, но их образуется большое количество, поэтому они обеспечивают образование довольно прочной структуры.

Третичная структура белка представляет собой глобулу – шарообразную структуру. Связи, поддерживающие третичную структуру, довольно слабые. Они возникают, в частности, в результате гидрофобного взаимодействия. Это взаимодействие связано с силами притяжения между неполярными участками белка в водной среде. Гидрофобные остатки некоторых аминокислот в водном растворе сближаются, «слипаются» и тем самым стабилизируют структуру белка.

Внутри белковой глобулы оказываются гидрофобные остатки аминокислот, а на поверхности глобулы – гидрофильные. Кроме гидрофобного взаимодействия в поддержании третичной структуры участвуют электростатические силы между заряженными участками аминокислот.

Между атомами серы, которую содержат некоторые аминокислоты, образуются ковалентные дисульфидные мостики. Третичная структура не является конечной. К макромолекуле белка могут присоединяться макромолекулы такого же белка или молекулы других белков. Такая структура называется четвертичной (рис. 13).

Рисунок 13 – Уровни организации молекул белка

Начиная со вторичной структуры пространственные конформации белка поддерживаются слабыми взаимодействиями. Под воздействием внешних факторов (изменение температуры, солевого состава среды, рН, под действием радиации и иных факторов) слабые связи, стабилизирующие макромолекулу, рвутся, что приводит к изменению структуры белка. Этот процесс называется денатурацией. Денатурация может быть обратимой и необратимой

Функции белка

Белки выполняют наиболее разнообразные функции по сравнению с другими веществами клетки.

1. Структурная – белки входят в состав биомембран и ряда органоидов, например, рибосом. Белки соединительных тканей обеспечивают их прочность и эластичность: кератин шерсти и волос, коллаген сухожилий, хрящей и др.
2. Ферментативная – белки являются биокатализаторами, которые ускоряют протекание биохимических реакций в клетке (далее – подробно).
3. Транспортная – многие белки являются транспортерами ряда веществ, например, гемоглобин переносит кислород; многие белки клеточных мембран образуют транспортные системы клетки: каналы, обменники, насосы.
4. Регуляторная – белки-регуляторы контролируют процессы, происходящие в клетке. Например, гормоны пептидной или белковой природы (гормон роста, инсулин и др.), влияя на продукцию или активность белков-ферментов, управляют обменными процессами в клетке.
5. Двигательная – белки осуществляют движения клеток или их частей, например белки мышечной ткани актин и миозин обеспечивают движение мышц.
6. Защитная функция белков реализуется антителами, интерфероном и фибриногеном.
7. Антитела, вырабатываемые лимфоцитами, противостоят возбудителям болезней.
8. Интерферон – белок, приостанавливающий размножение вирусов.
9. Фибриноген – растворимый белок плазмы крови, на последнем этапе свертывания крови переходящий в нерастворимый белок фибрин, который участвует в образовании тромба.
10. Рецепторную или сигнальную функцию выполняют специфические белки, встроенные в биомембраны, которые реагируют с химическими веществами (например, гормонами или нейромедиаторами), вызывая изменение функционирования клетки.
11. Энергетическая – белки после их расщепления на аминокислоты и дезаминирования (реакция отщепления аминогруппы) служат субстратами для реакций энергетического обмена. Дезаминирование аминокислот – отщепление аминогруппы, которая преобразуется в аммиак, а затем в мочевину.

Белки-ферменты

Фермент – биологический катализатор белковой природы, ускоряющий биохимические процессы в клетке.

Субстрат – вещество, с которым взаимодействует фермент.

Ферментативная реакция проходит по следующей схеме:

В ходе ферментативной реакции образуется фермент-субстратный комплекс, который распадается на свободный фермент и продукт реакции. Таким образом, фермент не расходуется в ходе реакции.

Фермент имеет центр для связывания субстрата, который называют активным центром. Субстрат и фермент подходят друг к другу, как ключ к замку.

Для активизации фермента необходимы специальные вещества, в роли которых могут выступать витамины (никотиновая кислота, витамины группы В), ионы металлов и др.

Кроме активаторов, известны вещества, которые, напротив, снижают скорость ферментативной реакции или вообще прекращают ее. Эти вещества называются ингибиторами.

Скорость ферментативной реакции зависит от ряда факторов внешней среды, в частности от температуры, и рН среды, а также от наличия ингибиторов. Максимальная скорость ферментативной реакции отмечается при оптимальных значениях температуры и рН, а также в отсутствие ингибиторов.

Фермент активен при определенной температуре среды. Увеличение или уменьшение температуры приводит к снижению скорости ферментативной реакции. Оптимальная температура для ферментов человеческого организма 37–380С. Кроме того, для каждого фермента существует оптимальное значение рН, при котором трехмерная структура фермента в области активного центра принимает необходимую форму.

Нуклеиновые кислоты и их роль в клетке

Нуклеиновые кислоты были открыты в конце XIX века Мишером. Их структура была изучена уже в ХХ веке. Расшифровка структуры ДНК связана с именами Уотсона и Крика (1953).

Различают дезоксирибонуклеиновую (ДНК) и рибонуклеиновую (РНК) кислоты. Мономерами нуклеиновых кислот (НК) являются нуклеотиды. В состав каждого нуклеотида входят азотистое основание, пентоза, остаток фосфорной кислоты.

Азотистые основания разделяются на две группы – производные пурина и производные пиримидина. К пуриновым азотистым основаниям относятся аденин и гуанин, к пиримидиновым принадлежат тимин, цитозин и урацил.

Пентозы (пятиуглеродные моносахариды) представлены рибозой и дезоксирибозой.

Соединение нуклеотидов в цепь происходит благодаря эфирным связям, которые образуются между остатками пентоз и фосфорной кислоты. Таким образом, формируется сахарно-фосфорный скелет молекулы (рис. 14).

Таблица 12 Сравнительная характеристика ДНК и РНК

Признак	ДНК	РНК
Локализация в клетке	Ядро, митохондрии, хлоропласты	Ядро, митохондрии, хлоропласты, цитоплазма, рибосомы
Локализация в ядре	Хромосомы	Ядрышко
Вид молекулы	Двойная правозакрученная спираль (две полинуклеотидные цепи, соединенные водородными связями)	Одна полинуклеотидная цепь
Мономеры	Дезоксирибонуклеотиды	Рибонуклеотиды
Строение мономера
Пуриновые азотистые основания	Аденин, гуанин	Аденин, гуанин
Пиримидиновые азотистые основания	Тимин, цитозин	Урацил, цитозин
Пентоза	Дезоксирибоза	Рибоза
Остаток фосфорной кислоты	имеется	имеется
Свойства	Стабильность, способность к самоудвоению	Лабильность
Функции	Химическая основа гена Хранение и передача наследственной информации Синтез ДНК Синтез РНК	Различны для разных видов РНК и-РНК – передача информации о структуре белка с ДНК на рибосому т-РНК – транспорт аминокислот к рибосомам р-РНК входят в состав рибосом

Двойная спираль ДНК образуется благодаря наличию водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями разных цепей (рис. 14).

Комплементарными являются такие азотистые основания, пространственная конфигурация которых позволяет образовывать им между собой водородные связи.

Комплементарную пару образуют одно пуриновое и одно пиримидиновое основания.

Комплементарные пары

• аденин – тимин
• тимин – аденин
• гуанин – цитозин
• цитозин – гуанин
• аденин – урацил (при образовании и-РНК)

Между тимином и аденином образуется две, а между гуанином и цитозином – три водородные связи.

Рисунок 14 – Структура РНК и ДНК

Содержание химических элементов в клетке

Вода и другие неорганические вещества, их роль в жизнедеятельности клетки. Органические вещества, их роль в клетке. Самоудвоение ДНК

К неорганическим соединениям клетки относятся вода и различные соли.

В среднем в клетке содержится около 80% воды: в клетках эмбриона воды до 95%, в клетках старых организмов — 60%, то есть количество воды зависит от интенсивности обмена веществ.

Количество воды зависит также от вида ткани: в нейронах ее 85%, в костях — не более 20%. При потере организмом 20% воды наступает смерть. Вода определяет тургор (упругость) тканей, создает среду для химических реакций, участвует в реакциях гидролиза, в световой фазе фотосинтеза, в терморегуляции, является хорошим растворителем.

По отношению к воде различают вещества гидрофильные (полярные вещества) — хорошо растворимые в воде и гидрофобные (неполярные вещества) — плохо растворимые в воде.

Роль солей в организме заключается в обеспечении трансмембранной разности потенциалов (вследствие разницы во внутри- и внеклеточной концентрации ионов калия и натрия), создании буферных свойств (за счет наличия в цитоплазме анионов фосфорной и угольной кислоты), в создании осмотического давления клетки и т.д.

В состав неорганических веществ клетки входят микроэлементы (их доля составляет менее 0,1%). К ним относятся цинк, марганец и кобальт, которые входят в состав активных центров ферментов; железо в составе гемоглобина; магний в составе хлорофилла; йод в составе гормонов щитовидной железы и др.

К органическим веществам клетки относятся белки, углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты.

Белки— это гетерополимеры, состоящие из 20 различных мономеров — природных альфа-аминокислот.

Белки — нерегулярные полимеры.

Общее строение аминокислоты может быть представлено следующим образом: R—CCNh3)—СООН. Аминокислоты в белке связаны пептидной связью —N(H)—С(=0). Аминокислоты разделяют на заменимые, синтезирующиеся в самом организме, и незаменимые, которые животный организм получает с пищей.

Среди белков различают протеины — состоят только из аминокислот и протеиды — содержат небелковую часть (например, гемоглобин, который состоит из белка глобина и порфирина — гема).

В строении молекулы белка различают первичную структуру — последовательность аминокислотных остатков; вторичную — как правило, это спиральная структура (альфа-спираль), которая удерживается множеством водородных связей, возникающих между находящимися близко друг от друга С=0 и NH-группами.

Другой тип вторичной структуры — бета-слой, или складчатый слой, — это две параллельные полипептидные цепи, связанные водородными связями, перпендикулярными цепям. Третичная структура белковой молекулы — это пространственная конфигурация, напоминающая компактную глобулу. Она поддерживается ионными, водородными и дисульфидными (S=S) связями, а также гидрофобными взаимодействиями. Четвертичная структура образуется при взаимодействии нескольких глобул (например, молекула гемоглобина состоит из четырех таких субъединиц).

Утрата белковой молекулой своей структуры называется денатурацией; она может быть вызвана температурой, обезвоживанием, облучением и т.д. Если при денатурации первичная структура не нарушается, то при восстановлении нормальных условий полностью воссоздается структура белка.

Функции белков в клетке очень разнообразны.

Они играют роль катализаторов, то есть ускоряют химические реакции в организме (ферменты ускоряют реакции в десятки и сотни тысяч раз). Белки выполняют также строительную функцию (входят в состав мембран и органоидов клетки, а также в состав внеклеточных структур, например, волокна коллагена в соединительной ткани).

Движение организмов обеспечивается специальными белками (актином и миозином). Белки выполняют также транспортную функцию (например, гемоглобин транспортирует 02). Белки входят в состав иммунной системы организма (антитела и антигены), обеспечивают свертывание крови (например, белок фибриноген плазмы крови), то есть выполняют защитную функцию.

Они служат одним из источников энергии (при распаде 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии). Различают также регуляторную функцию белков, так как многие гормоны являются белками (например, гормоны гипофиза, поджелудочной железы и т.д.).

Кроме того, в организме имеются еще и резервные белки, являющиеся источником питания для развития плода.

Углеводы — это органические соединения, в состав которых входят водород, углерод и кислород.

Образуются из воды и углекислого газа в процессе фотосинтеза в хлоропластах зеленых растений (у бактерий в процессе бактериального фотосинтеза или хемосинтеза).

Различают моносахариды (глюкоза, фруктоза, галактоза, рибоза, дезоксирибоза), дисахариды (сахароза, мальтоза), полисахариды (крахмал, клетчатка, гликоген, хитин).

Углеводы выполняют следующие функции: являются источником энергии (при распаде 1 г глюкозы освобождается 17,6 кДж энергии), выполняют строительную функцию (целлюлозная оболочка в растительных клетках, хитин в скелете насекомых и в клеточной стенке грибов), входят в состав ДНК, РНК и АТФ в виде дезоксирибозы и рибозы.

Обычно в клетке животных организмов содержится около 1% углеводов (в клетках печени до 5%), а в растительных клетках до 90%.

Жиры и липиды относятся к группе неполярных органических соединений, то есть являются гидрофобными веществами. Жиры — это триглицериды высших жирных кислот, липиды — большой класс органических веществ с гидрофобными свойствами (например, холестерин). К липидам относят фосфолипиды (в их молекуле один или два остатка жирных кислот замещены группами, содержащими фосфор, а иногда также азот) и стероиды (в основе их структуры лежат 4 углеродных кольца).

Эти соединения выполняют энергетическую функцию (при распаде 1 г жира выделяется 38,9 кДж), структурную (являются основой биологических мембран), защитную (защита от ударов, теплорегуляция, гидроизоляция).

АТФ — это аденозинтрифосфат, нуклеотид, относящийся к группе нуклеиновых кислот.

Концентрация АТФ в клетке мала (в среднем 0,04%; в скелетных мышцах 0,5%). Молекула АТФ состоит из адени- на, рибозы и трех остатков фосфорной кислоты.

При гидролизе остатка фосфорной кислоты выделяется энергия: 

Связь между остатками фосфорной кислоты является макроэргической, при ее расщеплении выделяется примерно в 4 раза больше энергии, чем при расщеплении других связей.

Энергию АТФ клетка использует в процессах биосинтеза, при движении, при производстве тепла, при проведении нервных импульсов, в процессе фотосинтеза и т.д.

АТФ является универсальным аккумулятором энергии в живых организмах.

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — это молекула, состоящая из двух спирально закрученных полинуклеотидных цепей. ДНК образует правую спираль шириной примерно 20 ангстрем, длиной несколько сотен микрон и молекулярной массой 

дальтон. Структура ДНК была расшифрована Д. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 г. Мономером ДНК является дезоксирибонуклеотид, состоящий из азотистого основания (аденина (А), цитозина (Ц), тимина (Т) или гуанина (Г)), пентозы (дезоксирибозы) и фосфата.

Нуклеотиды соединяются в цепь за счет остатков фосфорной кислоты, расположенных между пентозами; в полинуклеотиде может быть до 30 тыс. нуклеотидов. Последовательность нуклеотидов одной цепи комплементарна, то есть соответствует последовательности в другой цепи. Цепи удерживаются за счет водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями: по две водородные связи между А и Т и по три между Г и Ц. В интерфазе перед делением клетки происходит репликация (редупликация) ДНК: ДНК раскручивается с одного конца, и на каждой цепи синтезируется новая комплементарная цепь; это ферментативный процесс, идущий с использованием энергии АТФ.

ДНК содержится в основном в ядре; к внеядерным формам ДНК относятся митохондриальная и пластидная.

РНК (рибонуклеиновая кислота) — это молекула, состоящая из одной цепи нуклеотидов. Рибонуклеотид состоит из одного из четырех азотистых оснований, но вместо тимина (Т) в РНК урацил (У), а вместо дезоксирибозы — рибоза.

В клетке имеются разные виды РНК: тРНК (транспортная — транспортирует аминокислоты к рибосомам), и РНК (информационная — переносит информацию о последовательности аминокислот с ДНК на белок), рРНК (рибосомальная — входит в состав рибосом), митохондриальная РНК и др.

Перед делением клетки происходит удвоение ДНК для того, чтобы обеспечить нормальный набор генов в обеих образующихся клетках.

Удвоение ДНК получило название редупликации.

При редупликации водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями аденином-тимином и гуанином-цитозином разрываются специальным ферментом. Нити, составляющие двойную спираль ДНК, расходятся, и к каждому нуклеотиду обеих нитей последовательно подстраиваются комплементарные нуклеотиды.

Подстраивающиеся нуклеотиды соединяются в две нити ДНК, каждая из которых представляет копию разошедшихся нитей ДНК. Таким образом, в результате редупликации возникают две одинаковые двойные спирали ДНК, состоящие из нити «материнской» молекулы и вновь синтезированной нити.

В процессе удвоения ДНК участвует много ферментов. Как на любой синтез в клетке, на редупликацию затрачивается энергия АТФ.

Органические и неорганические вещества

Организм человека и животных состоит из органических и неорганических веществ, что определяется тем в каком виде потребляются и усваиваются ими жидкости и продукты питания.

Органические и неорганические вещества имеют общие и различные свойства.

Неорганические вещества растворяются в воде и впитываются растениями . В растениях неорганические вещества меняют свое состояние и переходят в органическое вещество.

Это тот же самый химический элемент, но его связи меняются после того, как из жидкости он попадает в клетку растения, т.е.

в структуру растительного вещества. Органические вещества, попадающие с растительной пищей в организм человека и животных, идентичны химическим элементам живой материи. Усваиваясь организмом из растительной пищи, химические элементы сохраняют природные свойства живой материи, т.е. органическое состояние.

Живой организм может усваивать вещества из воздуха, жидкостей, растительной и животной пищи. С воздухом и водой живой организм получает в основном неорганические вещества, которые могут входить в состав клеток живого организма, если своевременно не были удалены из него.

Неорганические вещества отсутствуют в чистой дождевой воде, в дистиллированной воде и в свежеприготовленных соках ягод, фруктов и овощей. При хранении соков ягод, фруктов и овощей химические элементы утрачивают органическое состояние и переходят в неорганические вещества. Только растение имеет свойство длительное время, а именно до полного созревания, сохранять химические элементы в органическом состоянии.

Неорганические соединения.

1.Вода, её свойства и значение для биологических процессов.

Вода — универсальный растворитель.

Она имеет высокую теплоёмкость и одновременно высокую для жидкостей теплопроводность. Эти свойства делают воду идеальной жидкостью для подержания теплового равновесия организма.

Благодаря полярности своих молекул вода выступает в роли стабилизатора структуры.

Вода — источник кислорода и водорода , она является основной средой где протекают биохимические и химические реакции, важнейшим реагентом и продуктом биохимических реакций.

Для воды характерна полная прозрачность в видимом участке спектра, что имеет значение для процесса фотосинтеза, транспирации.

Вода практически не сжимается, что очень важно для придания формы органам, создания тургора и обеспечения определённого положения органов и частей организма в пространстве.

Благодаря воде возможно осуществление осмотических реакций в живых клетках.

Вода — основное средство передвижения веществ в организме ( кровообращение, восходящий и нисходящий токи растворов по телу растения и т.д.).

Минеральные вещества.

В составе живых организмов современными методами химического анализа обнаружено 80 элементов периодической системы.

По количественному составу их разделяют на три основные группы.

Макроэлементы составляют основную массу органических и неорганических соединений, концентрация их колеблется от 60% до 0.001% массы тела (кислород, водород, углерод, азот, сера, магний, калий, натрий, железо и др.).

Микроэлементы — преимущественно ионы тяжёлых металлов.

Неорганические вещества и их роль в клетке

Вода. Из неорганических веществ, входящих в состав клетки, важнейшим является вода. Количество ее составляет от 60 до 95% общей массы клетки. Вода играет важнейшую роль в жизни клеток и живых организмов в целом. Помимо того что она входит в их состав, для многих организмов это еще и среда обитания.

Роль воды в клетке определяется ее уникальными химическими и физическими свойствами, связанными главным образом с малыми размерами молекул, с полярностью ее молекул и с их способностью образовывать друг с другом водородные связи.

Вода как компонент биологических систем выполняет следующие важнейшие функции:

1. Вода—универсальный растворитель для полярных веществ, например солей, Сахаров, спиртов, кислот и др. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными. Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы получают возможность двигаться более свободно; соответственно возрастает реакционная способность вещества. Именно по этой причине большая часть химических реакций в клетке протекает в водных растворах. Ее молекулы участвуют во многих химических реакциях, например при образовании или гидролизе полимеров. В процессе фотосинтеза вода является донором электронов, источником ионов водорода и свободного кислорода.
2. Неполярные вещества вода не растворяет и не смешивается с ними, поскольку не может образовывать с ними водородные связи. Нерастворимые в воде вещества называются гидрофобными. Гидрофобные молекулы или их части отталкиваются водой, а в ее присутствии притягиваются друг к другу. Такие взаимодействия играют важную роль в обеспечении стабильности мембран, а также многих белковых молекул, нуклеинов вых кислот и ряда субклеточных структур.
3. Вода обладает высокой удельной теплоемкостью. Для разрыва водородных связей, удерживающих молекулы воды, требуется поглотить большое количество энергии. Это свойство обеспечивает поддержание теплового баланса организма при значительных перепадах температуры в окружающей среде. Кроме того, вода отличается высокой теплопроводностью, что позволяет организму поддерживать одинаковую температуру во всем его объеме.
4. Вода характеризуется высокой теплотой парообразования, т. е. способностью молекул уносить с собой значительное количество тепла при одновременном охлаждении организма. Благодаря этому свойству воды, проявляющемуся при потоотделении у млекопитающих, тепловой одышке у крокодилов и других животных, транспирации у растений, предотвращается их перегрев.
5. Для воды характерно исключительно высокое поверхностное натяжение. Это свойство имеет очень важное значение для адсорбционных процессов, для передвижения растворов по тканям (кровообращение, восходящий и нисходящий токи в растениях). Многим мелким организмам поверхностное натяжение позволяет удерживаться на воде или скользить по ее поверхности.
6. Вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма.
7. У растений вода определяет тургор клеток, а у некоторых животных выполняет опорные функции, являясь гидростатическим скелетом (круглые и кольчатые черви, иглокожие).
8. Вода — составная часть смазывающих жидкостей (синовиальной — в суставах позвоночных, плевральной — в плевральной полости, перикардиальной — в околосердечной сумке) и слизей (облегчают передвижение веществ по кишечнику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей). Она входит в состав слюны, желчи, слез, спермы и др.

Минеральные соли. Неорганические вещества в клетке, кроме воды, прецспавлевы минеральными солями. Молекулы солей в водном растворе распадаются на катионы и анионы. Наибольшее значение имеют катионы (К⁺, Na⁺, Са²⁺, Mg^:+, NH₄⁺) и анионы (С1 , Н₂Р0₄^-, НР0₄^2- , НС0₃^-, NO3^2—, SO₄^2- ) Существенным является не только содержание, но и соотношение ионов в клетке.

Разность между количеством катионов и анионов на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникновение потенциала действия, что лежит в основе возникновения нервного и мышечного возбуждения. Разностью концентрации ионов по разные стороны мембраны обусловлен активный перенос веществ через мембрану, а также преобразование энергии.

Анионы фосфорной кислоты создают фосфатную буферную систему, поддерживающую рН внутриклеточной среды организма на уровне 6,9.

Угольная кислота и ее анионы формируют бикарбонатную буферную систему, поддерживающую рН внеклеточной среды (плазма крови) на уровне 7,4.

Некоторые ионы участвуют в активации ферментов, создании осмотического давления в клетке, в процессах мышечного сокращения, свертывании крови и др.

Ряд катионов и анионов необходим дпясинтеза важных органических веществ (например, фосфолипидов, АТФ, нуклеоти-дов, гемоглобина, гемоцианина, хлорофилла и др.), а также аминокислот, являясь источниками атомов азота и серы.

Источник : Н.А. Лемеза Л.В.Камлюк Н.Д. Лисов «Пособие по биологии для поступающих в ВУЗы»

6. Неорганические вещества клетки. Биология. Общая биология. 10 класс. Базовый уровень

6. Неорганические вещества клетки

Вспомните!

Что такое неорганические вещества?

Какими физическими и химическими свойствами обладает вода?

Что называют ионами, анионами и катионами?

Значительная часть соединений, входящих в состав клетки, встречается в больших количествах только в живой природе. Это органические вещества. Однако есть соединение, которое одинаково характерно как для живой, так и для неживой природы. Это вода (рис. 9).

Вода. Считается, что миллиарды лет тому назад в первичном океане на нашей планете зародилась жизнь и вся дальнейшая эволюция природы была неразрывно связана с водой. Уникальные свойства этой относительно небольшой молекулы позволили нашей планете стать такой, какая она есть сейчас. Все жители Земли, растения и животные, грибы и бактерии, обязаны воде жизнью. В чём же заключается особенность этого вещества?

Молекула воды – это диполь, т. е. на одной стороне молекулы сосредоточен частичный положительный заряд, а на другом конце – частичный отрицательный (рис. 10). Именно эта особенность строения молекулы воды определяет её свойство универсального растворителя. Любые вещества, имеющие заряженные группы, растворяются в воде (рис. 11). Такие соединения называют гидрофильными (от греч. hydros – вода и phileo – люблю). Большинство веществ, присутствующих в клетке, относится к этой группе, например соли, аминокислоты, сахара, белки, простые спирты. Когда вещество переходит в раст вор, его реакционная способность увеличивается. Однако есть соединения, которые в воде растворяются очень плохо или вовсе не растворяются. Такие вещества называют гидрофобными (от греч. hydros – вода и phobos – страх), к ним относятся, в частности, жиры (липиды), жироподобные вещества (липоиды), полисахариды и некоторые белки.

Рис. 9. Вещества, входящие в состав живых организмов

Рис. 10. Диполь. Схематичное изображение молекулы воды

Рис. 11. Растворение в воде хлорида натрия

Большинство процессов, которые протекают внутри клетки, могут осуществляться только в водной среде. Но вода не только обеспечивает условия химических реакций, она сама участвует во многих метаболических процессах. В реакциях гидролиза[1] белки расщепляются до аминокислот, а крахмал – до глюкозы. Высвобождение энергии в организме происходит при взаимодействии с водой главной энергетической молекулы – АТФ. Вода участвует в реакциях фотосинтеза и в синтезе АТФ в митохондриях.

Отрицательные и положительные полюсы разных молекул воды притягиваются друг к другу, что приводит к образованию водородных связей. Наличие этих связей придаёт воде структурированность, что объясняет многие её необычные свойства: высокую температуру кипения, плавления, высокую теплоёмкость.

Сочетание высокой теплоёмкости и теплопроводности делает воду идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия. Тепло быстро и равномерно распределяется между всеми частями организма.

Рис. 12. Уменьшение количества воды в клетках приводит к увяданию растений

Высокая интенсивность испарения приводит к быстрой потере тепла и предохраняет от перегрева: испарение у растений и потоотделение у животных являются защитными реакциями и позволяют при минимальной потере воды существенно снизить температуру тела.

Практически полная несжимаемость воды обеспечивает поддержание формы клетки (рис. 12), а вязкость придаёт воде свойства смазки.

Высокая сила поверхностного натяжения воды обеспечивает восходящий и нисходящий транспорт веществ в растениях и движение крови в капиллярах. Многие мелкие организмы легко удерживаются и передвигаются по поверхности воды благодаря наличию плёнки поверхностного натяжения.

Полость тела круглых червей заполнена жидкостью, находящейся под давлением и образующей гидроскелет, что придаёт этим организмам постоянную форму. Свойство несжимаемости воды используется медузами, чьё тело на 95 % состоит из этого вещества.

Жидкость в подчерепном пространстве предохраняет от сотрясения головной мозг, а околоплодные воды в матке защищают и поддерживают плод у млекопитающих.

Жидкость в околосердечной сумке – перикарде – облегчает движения сердца при его сокращениях, а в плевральной полости снижает трение при дыхании.

Благодаря высокому тургорному давлению растительные ткани обладают упругостью, а стебли травянистых растений поддерживают вертикальное положение.

Соли. Важную роль в жизнедеятельности клетки играют минеральные соли, представленные в основном катионами калия (K⁺), натрия (Na⁺), кальция (Ca²⁺), магния (Mg²⁺) и анионами соляной (Сl^–), угольной (HCO₃^–), фосфорной (HPO₄^2–, H₂PO₄^–) и некоторых других кислот. Многие ионы неравномерно распределены между клеткой и окружающей средой, так, например, в цитоплазме концентрация ионов калия в 20–30 раз выше, чем снаружи, а концентрация ионов натрия внутри клетки, наоборот, в 10 раз ниже. Именно благодаря существованию подобных градиентов концентраций осуществляются многие важные процессы жизнедеятельности, такие как возбуждение нервных клеток, сокращение мышечных волокон. После гибели клетки концентрация катионов снаружи и внутри быстро выравнивается.

Анионы слабых кислот (HCO₃^–, HPO₄^2–) участвуют в поддержании кислотно-щелочного баланса (рН) клетки. Анионы фосфорной кислоты необходимы для синтеза нуклеотидов и нуклеиновых кислот.

Минеральные соли в живых организмах находятся не только в виде ионов, но и в твёрдом состоянии. Кости нашего скелета в основном состоят из фосфатов кальция и магния. Раковины моллюсков формируются из карбоната кальция.

Вопросы для повторения и задания

1. Каковы особенности пространственной организации молекул воды, обусловливающие её биологическое значение?

2. В чём заключается биологическая роль воды?

3. Какие вещества называют гидрофильными; гидрофобными? Приведите примеры.

4. Какие вещества поддерживают pH клетки на постоянном уровне? Объясните, почему жизнедеятельность клетки возможна только при определённом значении pH.

5. Расскажите о роли минеральных солей в жизнедеятельности клетки.

Подумайте! Выполните!

1. Почему при работе в горячих цехах для утоления жажды рекомендуют пить минеральную или подсоленную воду?

2. Известно, что ионный состав внутреннего содержимого клетки имеет большое сходство с ионным составом морской воды. Какой вывод можно из этого сделать?

3. Как изменяется количество воды в теле человека с возрастом?

4. Вспомните из курса биологии растений, какие структуры покровной ткани растений обеспечивают испарение воды. Каков принцип их работы?

5. Выполните исследовательскую работу «Изучение процесса осмоса в растительных клетках». Исследуйте влияние гипо– и гипертонических растворов на мембрану типичной вакуолизированной растительной клетки.

Работа с компьютером

Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал и выполните задания.

Повторите и вспомните!

Растения

Поглощение корнями воды и минеральных веществ. Большая часть воды с растворёнными в ней минеральными веществами поглощается корнем с помощью корневых волосков в зоне всасывания. Всасывание воды происходит пассивно, посредством осмоса, так как концентрация осмотически активных веществ (минеральных солей и органических веществ) в клетках корня больше, чем в почвенном растворе. Интенсивность поглощения воды корневыми волосками называют сосущей силой (S). Она равна разнице между осмотическим (P) и тургорным (T) давлением: S = P – T. Когда осмотическое давление равно тургорному (P = T), то S = 0 и вода перестаёт поступать в корневой волосок. Если же концентрация веществ в почвенном растворе будет выше, чем внутри клеток корня, то вода будет выходить из клеток и растение завянет (см. рис. 12). Такое явление наблюдается при засухе или при неумеренном внесении удобрения в почву.

Животные

Первично– и вторичноводные животные. Кроме систематического деления на классы, подтип Позвоночные обычно условно подразделяют ещё на две группы, не имеющие таксономического значения: первичноводные (анамнии) и первичноназемные (амниоты). Жизнь и размножение животных, относящихся к анамниям, неразрывно связаны с водой. В качестве органов дыхания у них в течение всей жизни или на личиночной стадии функционируют жабры. При развитии оплодотворённой яйцеклетки не образуются защитные зародышевые оболочки. К этой группе относят классы Круглоротые, Хрящевые рыбы, Костные рыбы, Земноводные.

Размножение первичноназемных животных не связано с водой. Жаберного дыхания нет ни на одной из жизненных стадий. При развитии зародыша формируются зародышевые оболочки. К группе амниот относят классы Пресмыкающиеся, Птицы, Млекопитающие.

Вторичноводными называют амниот, которые вернулись к обитанию в воде. Такими животными, например, являются китообразные, которые полностью перешли к водному образу жизни. Их передние конечности превратились в ласты, задние – редуцированы.

Человек

Водный и минеральный обмены. Ткани взрослого человека содержат в среднем до 60 % воды. В сутки организм человека теряет около 2,0–2,5 л воды. В составе мочи выводится 1,2–1,5 л, с потом – около 0,5–0,7 л, с парами воздуха через лёгкие – 0,3–0,5 л, через кишечник с калом – около 0,1 л. Столько же воды в сумме организм получает с питьём (1,0 л) и пищей (1,0 л), а часть воды образуется при обмене белков, жиров, углеводов (0,3–0,4 л). Для нормальной жизнедеятельности важно, чтобы поступление воды полностью покрывало её расход. Отношение количества потреблённой воды к количеству выделенной называют водным балансом. Обезвоживание организма приводит к быстрой гибели, без воды человек может прожить не более 5–6 дней. Однако обильное избыточное питьё тоже вредно, оно повышает нагрузку на организм и нарушает работу сердца и почек.

Минеральные соли поступают в организм человека с пищей и водой. И хотя они составляют не более 4 % от массы тела, набор их очень разнообразен. В сутки в организм человека должно поступать не менее 4,4 г натрия, 5 г хлора, 2 г калия, 1 г кальция, 1 г фосфора, 0,2 г железа. Из различных минеральных солей специально в пищу мы добавляем только поваренную соль (NaCl), около 10 г в сутки. Все остальные минеральные соли содержатся в натуральных продуктах. Вода и растворённые в ней минеральные соли всасываются по всему желудочно-кишечному тракту, но больше всего в тонком кишечнике.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Неорганические и органические вещества клетки, подготовка к ЕГЭ по биологии

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.

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⁺)

По отношению к воде все вещества можно подразделить на два типа:

• 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.

Роль воды в клетке трудно переоценить. Ее функции и свойства крайне важны:

• Вода — универсальный растворитель

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 — терморегулятор

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.

• Вода — реагент

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).

• Транспортная функция

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.

• Структурная функция

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

Живая клетка — кладезь элементов таблицы Менделеева. Процент содержания различных элементов отличается, в связи с чем все они делятся на 3 группы:

• Биогенные (основные) — C, H, O, N. Входят в состав органических соединений, составляют основную часть клетки
• Макроэлементы (греч. makrós — большой) — составляют десятые и сотые доли в клетке: K, Na, Ca, Mg, Cl, P, S
• Микроэлементы (греч. mikrós — маленький) — составляют тысячные доли в клетке: Zn, Cu, I, Co, Mn, Fe

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.

Соли

В водной среде клетки соли диссоциируют (распадаются) на положительно заряженные ионы — катионы (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺) 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.

Соли в клетке и организме выполняют ряд важных функций:

• 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.

Выделяется несколько уровней пространственной организации белка:

• 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.

Завершаем тему о белках изучением их функций:

• Каталитическая (греч. katalysis — разрушение)

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 Zn²⁺, Mg²⁺).

• Строительная

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

• Регуляторная

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

• Защитная

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.

• Энергетическая

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

• Транспортная

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)

• Сократительная

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.

• Рецепторная

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.

Приступим к изучению функций жиров:

• Энергетическая

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

• Запасающая

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.

• Структурная

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).

• Терморегуляция

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.

• Гормональная

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

• Участие в обмене веществ (метаболизме)

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

Представляют собой органические соединения, состоящие из одной или нескольких молекул простых сахаров. Выделяется три основных класса углеводов:

• Моносахариды (греч. monos — единственный)

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.

• Олигосахариды (греч. ὀλίγος — немногий)

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.

• Полисахариды

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.

Перечислим функции, которые выполняют углеводы:

• Энергетическая

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

• Запасающая

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.

• Структурная (опорная)

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)

Высокомолекулярные органические соединения, представленные двумя видами: ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты) и РНК (рибонуклеиновые кислоты). ДНК и РНК — биополимеры, мономером которых является нуклеотид. Запомните, что нуклеотид состоит из 3 компонентов:

• Азотистое основание

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.

• Остаток сахара

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

• Остаток фосфорной кислоты — фосфат

Мы подробно изучили структуру ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) — двойной правозакрученной спиральной молекулы. Теперь настало время детально поговорить об РНК (рибонуклеиновой кислоте). Все виды РНК синтезируются на матрице — ДНК, различают три вида РНК:

• Рибосомальная РНК (рРНК)

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

• Информационная РНК (иРНК, син. — матричная РНК, мРНК)

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).

• Транспортная РНК (тРНК)

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.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

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.

Молекулярный состав клеток — Клетка

Клетки состоят из воды, неорганических ионов и углеродсодержащих (органических) молекул. Вода — самая распространенная молекула в клетках, составляющая 70% или более общей клеточной массы. Следовательно, взаимодействие между водой и другими составляющими клетки имеет центральное значение в биологической химии. Важнейшим свойством воды в этом отношении является то, что это полярная молекула, в которой атомы водорода имеют небольшой положительный заряд, а кислород — небольшой отрицательный заряд ().Из-за своей полярной природы молекулы воды могут образовывать водородные связи друг с другом или с другими полярными молекулами, а также взаимодействовать с положительно или отрицательно заряженными ионами. В результате этих взаимодействий ионы и полярные молекулы легко растворяются в воде (гидрофильные). Напротив, неполярные молекулы, которые не могут взаимодействовать с водой, плохо растворимы в водной среде (гидрофобны). Следовательно, неполярные молекулы стремятся минимизировать свой контакт с водой, вместо этого тесно связываясь друг с другом.Как обсуждается далее в этой главе, такие взаимодействия полярных и неполярных молекул с водой и друг с другом играют решающую роль в формировании биологических структур, таких как клеточные мембраны.

Рисунок 2.1

Характеристики воды. (A) Вода — полярная молекула с небольшим отрицательным зарядом (δ ^— ) на атоме кислорода и небольшим положительным зарядом (δ ⁺ ) на атомах водорода. Из-за этой полярности молекулы воды могут образовывать водородные связи (пунктир (подробнее…)

Неорганические ионы клетки, включая натрий (Na ⁺ ), калий (K ⁺ ), магний (Mg ²⁺ ), кальций (Ca ²⁺ ), фосфат (HPO ₄ ^2–), хлорид (Cl ^–) и бикарбонат (HCO ₃ ^–) составляют 1% или менее от клеточной массы. Эти ионы участвуют во многих аспектах клеточного метаболизма и, таким образом, играют решающую роль в функционировании клетки.

Однако именно органические молекулы являются уникальными составляющими клеток.Большинство этих органических соединений относятся к одному из четырех классов молекул: углеводов, липидов, белков и нуклеиновых кислот. Белки, нуклеиновые кислоты и большинство углеводов (полисахариды) представляют собой макромолекулы, образованные путем объединения (полимеризации) сотен или тысяч низкомолекулярных предшественников: аминокислот, нуклеотидов и простых сахаров соответственно. Такие макромолекулы составляют от 80 до 90% сухой массы большинства клеток. Липиды — еще одна важная составляющая клеток. Остальная часть клеточной массы состоит из множества небольших органических молекул, включая макромолекулярные предшественники.Таким образом, основную химию клеток можно понять с точки зрения структур и функций четырех основных классов органических молекул.

Углеводы

Углеводы включают простые сахара, а также полисахариды. Эти простые сахара, такие как глюкоза, являются основными питательными веществами клеток. Как обсуждается далее в этой главе, их распад обеспечивает как источник клеточной энергии, так и исходный материал для синтеза других компонентов клетки. Полисахариды являются формами хранения сахаров и образуют структурные компоненты клетки.Кроме того, полисахариды и более короткие полимеры сахаров действуют как маркеры для множества процессов распознавания клеток, включая адгезию клеток к их соседям и транспорт белков в соответствующие внутриклеточные пункты назначения.

Структуры типичных простых сахаров (моносахаридов) показаны на. Основная формула этих молекул: (CH ₂ O) _n , от которой происходит название углевод (C = «углевод» и H ₂ O = «гидрат»).Шестиуглеродная ( n = 6) сахарная глюкоза (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) особенно важна для клеток, поскольку она обеспечивает основной источник клеточной энергии. Другие простые сахара содержат от трех до семи атомов углерода, из которых наиболее распространены трех- и пятиуглеродные сахара. Сахара, содержащие пять или более атомов углерода, могут циклизоваться с образованием кольцевых структур, которые являются преобладающими формами этих молекул в клетках. Как показано на рисунке, циклизованные сахара существуют в двух альтернативных формах (называемых α или β), в зависимости от конфигурации углерода 1.

Рисунок 2.2

Структура простых сахаров. Проиллюстрированы типичные сахара, содержащие три, пять и шесть атомов углерода (триоза, пентоза и гексоза, соответственно). Сахара с пятью или более атомами углерода могут циклизоваться с образованием колец, которые существуют в двух альтернативных формах (подробнее …)

Моносахариды могут быть соединены вместе реакциями дегидратации, в которых удаляется H ₂ O, а сахара связываются посредством гликозидная связь между двумя их атомами углерода (). Если соединить вместе только несколько сахаров, полученный полимер называется олигосахаридом.Если задействовано большое количество (сотни или тысячи) сахаров, полученные полимеры представляют собой макромолекулы, называемые полисахаридами.

Рисунок 2.3

Образование гликозидной связи. Два простых сахара соединяются в результате реакции дегидратации (реакции, при которой удаляется вода). В показанном примере две молекулы глюкозы в α-конфигурации соединены связью между атомами углерода 1 и 4, которые (подробнее …)

Два обычных полисахарида — гликоген и крахмал — являются формами хранения углеводов у животных и растений. ячеек соответственно.И гликоген, и крахмал полностью состоят из молекул глюкозы в α-конфигурации (). Основная связь — между углеродом 1 одной глюкозы и углеродом 4 второй. Кроме того, как гликоген, так и одна из форм крахмала (амилопектин) содержат случайные α (1 → 6) связи, в которых углерод 1 одной глюкозы соединен с углеродом 6 второй. Как показано в, эти связи приводят к образованию разветвлений в результате соединения двух отдельных α (1 → 4) связанных цепей. Такие ответвления присутствуют в гликогене и амилопектине, хотя другая форма крахмала (амилоза) представляет собой неразветвленную молекулу.

Рисунок 2.4

Структура полисахаридов. Полисахариды — это макромолекулы, состоящие из сотен или тысяч простых сахаров. Гликоген, крахмал и целлюлоза полностью состоят из остатков глюкозы, которые соединены α (1 → 4) гликозидом (подробнее …)

Таким образом, структуры гликогена и крахмала в основном похожи, как и их функция: хранить глюкозу. Целлюлоза, напротив, выполняет совершенно определенную функцию в качестве основного структурного компонента стенки растительной клетки.Возможно, удивительно, что целлюлоза также полностью состоит из молекул глюкозы. Однако остатки глюкозы в целлюлозе имеют β, а не α конфигурацию, а целлюлоза является неразветвленным полисахаридом (см.). Связывание остатков глюкозы связями β (1 → 4), а не α (1 → 4) заставляет целлюлозу образовывать длинные вытянутые цепи, которые упаковываются бок о бок, образуя волокна с большой механической прочностью.

Помимо их роли в хранении энергии и структуре клетки, олигосахариды и полисахариды играют важную роль в различных процессах передачи сигналов в клетке.Например, олигосахариды часто связаны с белками, где они служат маркерами белков-мишеней для транспорта на поверхность клетки или включения в различные субклеточные органеллы. Олигосахариды и полисахариды также служат маркерами на поверхности клеток, играя важную роль в распознавании клеток и взаимодействии между клетками в тканях многоклеточных организмов.

Липиды

Липиды играют в клетках три основных роли. Во-первых, они обеспечивают важную форму хранения энергии.Во-вторых, что очень важно для клеточной биологии, липиды являются основными компонентами клеточных мембран. В-третьих, липиды играют важную роль в передаче сигналов в клетке как стероидные гормоны (например, эстроген и тестостерон), так и как молекулы-посредники, которые передают сигналы от рецепторов клеточной поверхности к мишеням внутри клетки.

Самыми простыми липидами являются жирные кислоты, которые состоят из длинных углеводородных цепей, чаще всего содержащих 16 или 18 атомов углерода, с карбоксильной группой (COO ^— ) на одном конце ().Ненасыщенные жирные кислоты содержат одну или несколько двойных связей между атомами углерода; в насыщенных жирных кислотах все атомы углерода связаны с максимальным числом атомов водорода. Длинные углеводородные цепи жирных кислот содержат только неполярные связи C — H, которые не могут взаимодействовать с водой. Гидрофобная природа этих цепей жирных кислот во многом определяет поведение сложных липидов, особенно при формировании биологических мембран.

Рисунок 2.5

Структура жирных кислот.Жирные кислоты состоят из длинных углеводородных цепей, оканчивающихся карбоксильной группой (COO ^— ). Пальмитат и стеарат представляют собой насыщенные жирные кислоты, состоящие из 16 и 18 атомов углерода соответственно. Олеат — ненасыщенная 18-углеродная жирная кислота (подробнее …)

Жирные кислоты хранятся в форме триацилглицеринов или жиров, которые состоят из трех жирных кислот, связанных с молекулой глицерина (). Триацилглицерины нерастворимы в воде и поэтому накапливаются в цитоплазме в виде капелек жира. При необходимости их можно разделить для использования в реакциях выделения энергии, которые обсуждаются далее в этой главе.Примечательно, что жиры являются более эффективной формой хранения энергии, чем углеводы, давая более чем в два раза больше энергии на вес расщепленного материала. Таким образом, жиры позволяют накапливать энергию, составляющую менее половины массы тела, которая потребовалась бы для хранения такого же количества энергии в углеводах — что особенно важно для животных из-за их подвижности.

Рисунок 2.6

Структура триацилглицеринов. Триацилглицерины (жиры) содержат три жирные кислоты, присоединенные к глицерину.В этом примере все три жирные кислоты представляют собой пальмитат, но триацилглицерины часто содержат смесь различных жирных кислот.

Фосфолипиды, основные компоненты клеточных мембран, состоят из двух жирных кислот, связанных с полярной головной группой (). В фосфолипидах глицерина две жирные кислоты связаны с атомами углерода в глицерине, как и в триацилглицеринах. Однако третий углерод глицерина связан с фосфатной группой, которая, в свою очередь, часто присоединяется к другой небольшой полярной молекуле, такой как холин, серин, инозитол или этаноламин.Сфингомиелин, единственный неглицериновый фосфолипид в клеточных мембранах, содержит две углеводородные цепи, связанные с полярной головной группой, образованной из серина, а не из глицерина. Все фосфолипиды имеют гидрофобные хвосты, состоящие из двух углеводородных цепей, и гидрофильные головные группы, состоящие из фосфатной группы и ее полярных присоединений. Следовательно, фосфолипиды представляют собой амфипатические молекулы, частично растворимые в воде и частично нерастворимые в воде. Это свойство фосфолипидов является основой для образования биологических мембран, как обсуждается далее в этой главе.

Рисунок 2.7

Структура фосфолипидов. Фосфолипиды глицерина содержат две жирные кислоты, присоединенные к глицерину. Жирные кислоты могут отличаться друг от друга и обозначаются R1 и R2. Третий углерод глицерина присоединен к фосфатной группе (образуя фосфатидную (подробнее …)

Помимо фосфолипидов, многие клеточные мембраны содержат гликолипиды и холестерин. Гликолипиды состоят из двух углеводородных цепей, связанных с полярными головными группами, которые содержат углеводы ( ).Таким образом, они похожи на фосфолипиды в своей общей организации как амфипатические молекулы. Холестерин, напротив, состоит из четырех углеводородных колец, а не из линейных углеводородных цепей (). Углеводородные кольца сильно гидрофобны, но гидроксильная (ОН) группа, присоединенная к одному концу холестерина, слабо гидрофильна, поэтому холестерин также является амфипатическим.

Рисунок 2.8

Структура гликолипидов. Две углеводородные цепи присоединены к полярной головной группе, образованной из серина и содержащей углеводы (например,г., глюкоза).

Рисунок 2.9

Холестерин и стероидные гормоны. Холестерин, важный компонент клеточных мембран, является амфипатической молекулой из-за его полярной гидроксильной группы. Холестерин также является предшественником стероидных гормонов, таких как тестостерон и эстрадиол (форма (подробнее …)

Помимо своей роли в качестве компонентов клеточных мембран, липиды действуют как сигнальные молекулы как внутри, так и между клетками. стероидные гормоны (например, эстрогены и тестостерон) являются производными холестерина (см.).Эти гормоны представляют собой разнообразную группу химических посредников, каждая из которых содержит четыре углеводородных кольца, к которым присоединены различные функциональные группы. Производные фосфолипидов также служат в качестве молекул-посредников внутри клеток, передавая сигналы от рецепторов клеточной поверхности к внутриклеточным мишеням (см. Главу 13).

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты — ДНК и РНК — являются основными информационными молекулами клетки. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) играет уникальную роль в качестве генетического материала, который в эукариотических клетках располагается в ядре.Различные типы рибонуклеиновой кислоты (РНК) участвуют в ряде клеточных активностей. Информационная РНК (мРНК) несет информацию от ДНК к рибосомам, где она служит матрицей для синтеза белка. Два других типа РНК (рибосомная РНК и транспортная РНК) участвуют в синтезе белка. Еще другие виды РНК участвуют в процессинге и транспорте как РНК, так и белков. Помимо того, что РНК действует как информационная молекула, она также способна катализировать ряд химических реакций.В современных клетках они включают реакции, участвующие как в синтезе белка, так и в процессинге РНК.

ДНК и РНК представляют собой полимеры нуклеотидов, которые состоят из пуриновых и пиримидиновых оснований, связанных с фосфорилированными сахарами (). ДНК содержит два пурина (аденин и гуанин) и два пиримидина (цитозин и тимин). Аденин, гуанин и цитозин также присутствуют в РНК, но РНК содержит урацил вместо тимина. Основания связаны с сахарами ( 2 ‘-дезоксирибоза в ДНК или рибоза в РНК) с образованием нуклеозидов.Нуклеотиды дополнительно содержат одну или несколько фосфатных групп, связанных с 5′-атомом углерода нуклеозидных сахаров.

Рисунок 2.10

Компоненты нуклеиновых кислот. Нуклеиновые кислоты содержат пуриновые и пиримидиновые основания, связанные с фосфорилированными сахарами. Основание нуклеиновой кислоты, связанное только с сахаром, является нуклеозидом. Нуклеотиды дополнительно содержат одну или несколько фосфатных групп.

Полимеризация нуклеотидов с образованием нуклеиновых кислот включает образование фосфодиэфирных связей между 5′-фосфатом одного нуклеотида и 3′-гидроксилом другого ().Олигонуклеотиды — это небольшие полимеры, содержащие всего несколько нуклеотидов; большие полинуклеотиды, из которых состоят клеточные РНК и ДНК, могут содержать тысячи или миллионы нуклеотидов соответственно. Важно отметить, что полинуклеотидная цепь имеет определенное направление, причем один конец цепи оканчивается 5′-фосфатной группой, а другой — 3′-гидроксильной группой. Полинуклеотиды всегда синтезируются в направлении от 5 ‘к 3’, причем свободный нуклеотид добавляется к 3 ‘ОН-группе растущей цепи.По соглашению, последовательность оснований в ДНК или РНК также записывается в направлении от 5 ‘к 3’.

Рисунок 2.11

Полимеризация нуклеотидов. Фосфодиэфирная связь образуется между 3′-гидроксильной группой одного нуклеотида и 5′-фосфатной группой другого. У полинуклеотидной цепи есть чувство направления, один конец заканчивается 5 ‘(подробнее …)

Информация в ДНК и РНК передается в порядке оснований в полинуклеотидной цепи. ДНК — это двухцепочечная молекула, состоящая из двух полинуклеотидных цепей, идущих в противоположных направлениях (см. Главу 3).Основания находятся внутри молекулы, и две цепи соединены водородными связями между комплементарными парами оснований — аденин в паре с тимином и гуанин с цитозином (). Важным следствием такого комплементарного спаривания оснований является то, что одна цепь ДНК (или РНК) может действовать как матрица для управления синтезом комплементарной цепи. Таким образом, нуклеиновые кислоты обладают уникальной способностью управлять собственной саморепликацией, что позволяет им функционировать в качестве основных информационных молекул клетки.Информация, переносимая ДНК и РНК, направляет синтез определенных белков, которые контролируют большую часть клеточной активности.

Рисунок 2.12

Комплементарное спаривание между основаниями нуклеиновых кислот. Образование водородных связей между основаниями на противоположных цепях ДНК приводит к специфическому спариванию гуанина (G) с цитозином (C) и аденина (A) с тимином (T).

Нуклеотиды важны не только как строительные блоки нуклеиновых кислот; они также играют важную роль в других клеточных процессах.Возможно, наиболее ярким примером является аденозин-5′-трифосфат (АТФ), который является основной формой химической энергии в клетках. Другие нуклеотиды аналогичным образом действуют как переносчики энергии или реактивных химических групп в широком спектре метаболических реакций. Кроме того, некоторые нуклеотиды (например, циклический АМФ) являются важными сигнальными молекулами внутри клеток (см. Главу 13).

Белки

Хотя нуклеиновые кислоты несут генетическую информацию клетки, основная ответственность белков заключается в выполнении задач, управляемых этой информацией.Белки являются наиболее разнообразными из всех макромолекул, и каждая клетка содержит несколько тысяч различных белков, которые выполняют самые разные функции. Роли белков включают в себя выполнение функций структурных компонентов клеток и тканей, действие в транспорте и хранении малых молекул (например, перенос кислорода гемоглобином), передачу информации между клетками (например, белковых гормонов) и обеспечение защиты от инфекция (например, антитела). Однако наиболее фундаментальным свойством белков является их способность действовать как ферменты, которые, как обсуждается в следующем разделе, катализируют почти все химические реакции в биологических системах.Таким образом, белки направляют практически всю деятельность клетки. На центральное значение белков в биологической химии указывает их название, которое происходит от греческого слова proteios , что означает «первого ранга».

Белки представляют собой полимеры 20 различных аминокислот. Каждая аминокислота состоит из атома углерода (называемого α-углеродом), связанного с карбоксильной группой (COO ^— ), аминогруппы (NH ₃ ⁺ ), атома водорода и характерной боковой цепи () .Конкретные химические свойства различных боковых цепей аминокислот определяют роль каждой аминокислоты в структуре и функции белка.

Рисунок 2.13

Структура аминокислот. Каждая аминокислота состоит из центрального атома углерода (α-углерода), связанного с атомом водорода, карбоксильной группы, аминогруппы и определенной боковой цепи (обозначенной R). При физиологическом pH как карбоксил, так и амино (подробнее …)

Аминокислоты можно разделить на четыре широкие категории в соответствии со свойствами их боковых цепей ().Десять аминокислот имеют неполярные боковые цепи, которые не взаимодействуют с водой. Глицин — простейшая аминокислота, боковая цепь которой состоит только из атома водорода. Аланин, валин, лейцин и изолейцин имеют боковые углеводородные цепи, содержащие до четырех атомов углерода. Боковые цепи этих аминокислот гидрофобны и поэтому имеют тенденцию располагаться внутри белков, где они не контактируют с водой. У пролина также есть углеводородная боковая цепь, но он уникален тем, что его боковая цепь связана с азотом аминогруппы, а также с α-углеродом, образуя циклическую структуру.Боковые цепи двух аминокислот, цистеина и метионина, содержат атомы серы. Метионин довольно гидрофобен, но цистеин менее гидрофобен из-за его сульфгидрильной (SH) группы. Как обсуждается ниже, сульфгидрильная группа цистеина играет важную роль в структуре белка, поскольку дисульфидные связи могут образовываться между боковыми цепями различных остатков цистеина. Наконец, две неполярные аминокислоты, фенилаланин и триптофан, имеют боковые цепи, содержащие очень гидрофобные ароматические кольца.

Рисунок 2.14

Аминокислоты. Для каждой аминокислоты указаны трехбуквенные и однобуквенные сокращения. Аминокислоты сгруппированы в четыре категории в соответствии со свойствами их боковых цепей: неполярные, полярные, основные и кислотные.

Пять аминокислот имеют незаряженные, но полярные боковые цепи. К ним относятся серин, треонин и тирозин, которые имеют гидроксильные группы на их боковых цепях, а также аспарагин и глутамин, которые имеют полярные амидные (O = C-NH ₂ ) группы.Поскольку полярные боковые цепи этих аминокислот могут образовывать водородные связи с водой, эти аминокислоты гидрофильны и имеют тенденцию располагаться снаружи белков.

Аминокислоты лизин, аргинин и гистидин имеют боковые цепи с заряженными основными группами. Лизин и аргинин являются очень основными аминокислотами, и их боковые цепи имеют положительный заряд в клетке. Следовательно, они очень гидрофильны и находятся в контакте с водой на поверхности белков. Гистидин может быть либо незаряженным, либо положительно заряженным при физиологическом pH, поэтому он часто играет активную роль в ферментативных реакциях, включающих обмен ионами водорода, как показано на примере ферментативного катализа, обсуждаемом в следующем разделе.

Наконец, две аминокислоты, аспарагиновая кислота и глутаминовая кислота, имеют кислотные боковые цепи, оканчивающиеся карбоксильными группами. Эти аминокислоты имеют отрицательный заряд внутри клетки и поэтому часто называются аспартатом и глутаматом. Как и основные аминокислоты, эти кислые аминокислоты очень гидрофильны и обычно расположены на поверхности белков.

Аминокислоты соединены пептидными связями между α-аминогруппой одной аминокислоты и α-карбоксильной группой второй ().Полипептиды представляют собой линейные цепи аминокислот, обычно длиной в сотни или тысячи аминокислот. Каждая полипептидная цепь имеет два различных конца, один из которых заканчивается α-аминогруппой (амино- или N-конец), а другой — α-карбоксильной группой (карбокси или C-конец). Полипептиды синтезируются от амино до карбокси-конца, и последовательность аминокислот в полипептиде записывается (по соглашению) в том же порядке.

Рисунок 2.15

Образование пептидной связи.Карбоксильная группа одной аминокислоты связана с аминогруппой второй.

Определяющей характеристикой белков является то, что они представляют собой полипептиды с определенными аминокислотными последовательностями. В 1953 году Фредерик Сэнджер первым определил полную аминокислотную последовательность белка, гормона инсулина. Было обнаружено, что инсулин состоит из двух полипептидных цепей, соединенных дисульфидными связями между остатками цистеина (). Самое главное, эксперимент Сэнгера показал, что каждый белок состоит из определенной аминокислотной последовательности.В настоящее время белки секвенируются с использованием автоматических методов, и теперь известны полные аминокислотные последовательности более 100 000 белков. Каждый состоит из уникальной последовательности аминокислот, определяемой порядком нуклеотидов в гене (см. Главу 3).

Рисунок 2.16

Аминокислотная последовательность инсулина. Инсулин состоит из двух полипептидных цепей, одна из 21, а другая из 30 аминокислот (обозначенных здесь их однобуквенными кодами). Боковые цепи трех пар остатков цистеина соединены дисульфидными связями, две из которых (больше…)

Аминокислотная последовательность белка — это только первый элемент его структуры. Вместо того, чтобы быть протяженными цепочками аминокислот, белки принимают различные трехмерные конформации, которые имеют решающее значение для их функции. Эти трехмерные конформации белков являются результатом взаимодействий между составляющими их аминокислотами, поэтому формы белков определяются их аминокислотными последовательностями. Впервые это было продемонстрировано в экспериментах Кристиана Анфинсена, в которых он нарушил трехмерные структуры белков с помощью таких обработок, как нагрев, которые разрывают нековалентные связи — процесс, называемый денатурацией ().После инкубации в более мягких условиях такие денатурированные белки часто самопроизвольно возвращались к своим природным конформациям, что указывает на то, что эти конформации непосредственно определялись аминокислотной последовательностью.

Рисунок 2.17

Денатурация и рефолдинг белка. Рибонуклеаза (РНКаза) представляет собой белок из 124 аминокислот (обозначенных цифрами). Белок обычно свернут в свою нативную конформацию, которая содержит четыре дисульфидные связи (обозначены парными кружками, представляющими (больше…)

Трехмерная структура белков наиболее часто анализируется с помощью рентгеновской кристаллографии, метода высокого разрешения, который может определять расположение отдельных атомов в молекуле. Луч рентгеновских лучей направляется на кристаллы белка, подлежащего анализу, и картина рентгеновских лучей, которые проходят через кристалл белка, регистрируется на рентгеновской пленке. Когда рентгеновские лучи попадают на кристалл, они рассеиваются по характерным узорам, определяемым расположением атомов в молекуле.Таким образом, структура молекулы может быть выведена из картины рассеянных рентгеновских лучей (картины дифракции).

В 1958 году Джон Кендрю первым определил трехмерную структуру белка миоглобина — относительно простого белка из 153 аминокислот (). С тех пор были проанализированы трехмерные структуры нескольких тысяч белков. Большинство из них, как и миоглобин, представляют собой глобулярные белки с полипептидными цепями, сложенными в компактные структуры, хотя некоторые (например, структурные белки соединительной ткани) представляют собой длинные волокнистые молекулы.Анализ трехмерных структур этих белков выявил несколько основных принципов, которые управляют сворачиванием белка, хотя структура белка настолько сложна, что предсказать трехмерную структуру белка непосредственно по его аминокислотной последовательности невозможно.

Рисунок 2.18

Трехмерная структура миоглобина. Миоглобин — это белок из 153 аминокислот, который участвует в транспорте кислорода. Полипептидная цепь свернута вокруг гемовой группы, которая служит сайтом связывания кислорода.

Белковая структура обычно описывается как имеющая четыре уровня. Первичная структура белка — это последовательность аминокислот в его полипептидной цепи. Вторичная структура — это регулярное расположение аминокислот в локализованных областях полипептида. Особенно распространены два типа вторичной структуры, которые впервые были предложены Линусом Полингом и Робертом Кори в 1951 году: α-спираль и β-лист. Обе эти вторичные структуры удерживаются вместе водородными связями между группами CO и NH пептидных связей.Спираль α образуется, когда область полипептидной цепи наматывается вокруг себя, причем группа CO одной пептидной связи образует водородную связь с группой NH пептидной связи, расположенной на четыре остатка ниже по ходу линейной полипептидной цепи (). Напротив, β-лист образуется, когда две части полипептидной цепи лежат бок о бок с водородными связями между ними. Такие β-листы могут быть образованы между несколькими полипептидными цепями, которые могут быть ориентированы либо параллельно, либо антипараллельно друг другу.

Рисунок 2.19

Вторичная структура белков. Наиболее распространенными типами вторичной структуры являются α-спираль и β-лист. В α-спирали водородные связи образуются между группами CO и NH пептидных связей, разделенными четырьмя аминокислотными остатками. (подробнее …)

Третичная структура — это сворачивание полипептидной цепи в результате взаимодействий между боковыми цепями аминокислот, которые лежат в разных областях первичной последовательности (). В большинстве белков комбинации α-спиралей и β-листов, соединенных петлевыми участками полипептидной цепи, складываются в компактные глобулярные структуры, называемые доменами, которые являются основными единицами третичной структуры.Небольшие белки, такие как рибонуклеаза или миоглобин, содержат только один домен; более крупные белки могут содержать несколько разных доменов, которые часто связаны с разными функциями.

Рисунок 2.20

Третичная структура рибонуклеазы. Участки вторичных структур α-спирали и β-листка, соединенные участками петель, складываются в нативную конформацию белка. В этом схематическом представлении полипептидной цепи (подробнее …)

Критическим детерминантом третичной структуры является локализация гидрофобных аминокислот внутри белка и гидрофильных аминокислот на поверхности, где они взаимодействуют с вода.Таким образом, внутренняя часть свернутых белков состоит в основном из гидрофобных аминокислот, расположенных в α-спиралях и β-листах; эти вторичные структуры обнаруживаются в гидрофобных сердцевинах белков, поскольку водородные связи нейтрализуют полярный характер групп CO и NH основной цепи полипептида. Участки петель, соединяющие элементы вторичной структуры, находятся на поверхности свернутых белков, где полярные компоненты пептидных связей образуют водородные связи с водой или с полярными боковыми цепями гидрофильных аминокислот.Взаимодействия между полярными боковыми цепями аминокислот (водородными связями и ионными связями) на поверхности белка также являются важными детерминантами третичной структуры. Кроме того, ковалентные дисульфидные связи между сульфгидрильными группами остатков цистеина стабилизируют складчатые структуры многих белков клеточной поверхности или секретируемых белков.

Четвертый уровень структуры белка, четвертичная структура, состоит из взаимодействий между различными полипептидными цепями в белках, состоящих из более чем одного полипептида.Гемоглобин, например, состоит из четырех полипептидных цепей, удерживаемых вместе одними и теми же типами взаимодействий, которые поддерживают третичную структуру ().

Рисунок 2.21

Четвертичная структура гемоглобина. Гемоглобин состоит из четырех полипептидных цепей, каждая из которых связана с гемовой группой. Две α-цепи и две β-цепи идентичны.

Таким образом, различные химические характеристики 20 различных аминокислот приводят к значительным вариациям в трехмерных конформациях свернутых белков.Следовательно, белки представляют собой чрезвычайно сложную и разнообразную группу макромолекул, подходящих для широкого круга задач, которые они выполняют в клеточной биологии.

Box

Ключевой эксперимент: сворачивание полипептидных цепей.

5.6: Неорганические соединения, необходимые для функционирования человека

Понятия, которые вы изучили до сих пор в этой главе, управляют всеми формами материи и будут работать в качестве основы как для геологии, так и для биологии. Этот раздел главы сужает фокус до химии человеческой жизни; то есть соединения, важные для структуры и функций организма.Как правило, эти соединения бывают либо неорганическими, либо органическими.

В следующем разделе рассматриваются три группы неорганических соединений, необходимых для жизни: вода, соли, кислоты и основания. Органические соединения рассматриваются далее в этой главе.

Вода

До 70 процентов веса взрослого человека составляет вода. Эта вода содержится как внутри клеток, так и между клетками, из которых состоят ткани и органы. Несколько функций делают воду незаменимой для жизнедеятельности человека.

Вода как смазка и подушка

Вода является основным компонентом многих смазочных жидкостей организма. Подобно тому, как масло смазывает петли двери, вода в синовиальной жидкости смазывает суставы тела, а вода в плевральной жидкости помогает легким расширяться и отскакивать при дыхании. Водянистая жидкость помогает пище течь по пищеварительному тракту и обеспечивает отсутствие трения при движении соседних органов брюшной полости.

Вода также защищает клетки и органы от физических травм, смягчая, например, мозг внутри черепа и защищая нежную нервную ткань глаз.Вода также смягчает развивающийся плод в утробе матери.

Вода как теплоотвод

Радиатор — это вещество или объект, который поглощает и рассеивает тепло, но не испытывает соответствующего повышения температуры. В организме вода поглощает тепло, выделяемое в результате химических реакций, без значительного повышения температуры. Более того, когда температура окружающей среды стремительно растет, вода, хранящаяся в организме, помогает ему сохранять прохладу. Этот охлаждающий эффект возникает, когда теплая кровь из ядра тела течет к кровеносным сосудам под кожей и переносится в окружающую среду.В то же время потовые железы выделяют теплую воду вместе с потом. Когда вода испаряется в воздух, она уносит тепло, а затем более холодная кровь с периферии циркулирует обратно к сердцевине тела.

Вода как компонент жидких смесей

Смесь — это комбинация двух или более веществ, каждое из которых сохраняет свою химическую идентичность. Другими словами, составляющие вещества не связаны химически в новое, более крупное химическое соединение. Эту концепцию легко представить, если вы подумаете о порошкообразных веществах, таких как мука и сахар; когда вы перемешиваете их в миске, очевидно, что они не связываются с образованием нового соединения.Воздух в помещении, которым вы дышите, представляет собой газовую смесь, содержащую три отдельных элемента — азот, кислород и аргон — и одно соединение — диоксид углерода. Есть три типа жидких смесей, все из которых содержат воду в качестве ключевого компонента. Это растворы, коллоиды и суспензии.

Чтобы клетки тела выжили, они должны оставаться влажными в жидкости на водной основе, называемой раствором. В химии жидкий раствор состоит из растворителя, который растворяет вещество, называемое растворенным веществом.Важной характеристикой растворов является их однородность; то есть молекулы растворенного вещества равномерно распределяются по всему раствору. Если бы вы размешали чайную ложку сахара в стакане воды, сахар растворился бы в молекулах сахара, разделенных молекулами воды. Соотношение сахара и воды в левой части стакана будет таким же, как соотношение сахара и воды в правой части стакана. Если бы вы добавили больше сахара, соотношение сахара к воде изменилось бы, но распределение — при условии, что вы хорошо перемешали — все равно было бы равномерным.

Вода считается «универсальным растворителем», и поэтому считается, что жизнь не может существовать без воды. Вода, безусловно, является самым распространенным растворителем в организме; практически все химические реакции организма происходят между соединениями, растворенными в воде. Поскольку молекулы воды полярны, с областями положительного и отрицательного электрического заряда, вода легко растворяет ионные соединения и полярные ковалентные соединения. Такие соединения называют гидрофильными или «водолюбивыми».Как было сказано выше, сахар хорошо растворяется в воде. Это связано с тем, что молекулы сахара содержат области полярных водородно-кислородных связей, что делает его гидрофильным. Неполярные молекулы, которые с трудом растворяются в воде, называются гидрофобными или «водобоязненными».

Концентрации растворенных веществ

В химии описаны различные смеси растворенных веществ и воды. Концентрация данного растворенного вещества — это количество частиц этого растворенного вещества в данном пространстве (кислород составляет около 21 процента атмосферного воздуха).В кровотоке человека концентрация глюкозы обычно измеряется в миллиграммах (мг) на децилитр (дл), а у здорового взрослого человека в среднем составляет около 100 мг / дл. Другой метод измерения концентрации растворенного вещества — его молярность, которая составляет моль (M) молекул на литр (L). Моль элемента — это его атомный вес, а моль соединения — это сумма атомных весов его компонентов, называемая молекулярной массой. Часто используемый пример — вычисление моля глюкозы по химической формуле C ₆ H ₁₂ O ₆ .Согласно периодической таблице, атомный вес углерода (C) составляет 12,011 грамма (г), а в глюкозе шесть атомов углерода, что дает общий атомный вес 72,066 г. Проведя те же вычисления для водорода (H) и кислорода (O), молекулярная масса равна 180,156 г («грамм молекулярной массы» глюкозы). Когда вода добавляется для получения одного литра раствора, у вас есть один моль (1М) глюкозы. Это особенно полезно в химии из-за отношения родинок к «числу Авогадро». В моль любого раствора столько же частиц: 6.02 × 10 ²³ . Многие вещества в кровотоке и других тканях тела измеряются в тысячных долях моля или миллимолях (мМ).

Коллоид представляет собой смесь, которая чем-то похожа на тяжелый раствор. Частицы растворенного вещества состоят из крошечных сгустков молекул, достаточно больших, чтобы сделать жидкую смесь непрозрачной (поскольку частицы достаточно большие, чтобы рассеивать свет). Знакомые примеры коллоидов — молоко и сливки. В щитовидной железе гормон щитовидной железы хранится в виде густой белковой смеси, также называемой коллоидом.

Суспензия представляет собой жидкую смесь, в которой более тяжелое вещество временно суспендировано в жидкости, но со временем оседает. Такое отделение частиц от суспензии называется седиментацией. Пример седиментации происходит в анализе крови, который устанавливает скорость седиментации или скорость седиментации. Тест измеряет, как быстро красные кровяные тельца в пробирке выделяются из водянистой части крови (известной как плазма) в течение определенного периода времени. Быстрое осаждение клеток крови обычно не происходит в здоровом организме, но некоторые заболевания могут вызывать слипание клеток крови, и эти тяжелые скопления клеток крови оседают на дно пробирки быстрее, чем нормальные клетки крови.

Роль воды в химических реакциях

Два типа химических реакций включают образование или потребление воды: дегидратационный синтез и гидролиз.

• При дегидратационном синтезе один реагент отдает атом водорода, а другой реагент отдает гидроксильную группу (ОН) при синтезе нового продукта. При образовании их ковалентной связи в качестве побочного продукта выделяется молекула воды (рис. 1). Это также иногда называют реакцией конденсации.
• При гидролизе молекула воды разрушает соединение, разрывая его связи. Сама вода расщепляется на H и OH. Одна часть разорванного соединения затем связывается с атомом водорода, а другая часть связывается с гидроксильной группой.

Эти реакции обратимы и играют важную роль в химии органических соединений (о чем мы вскоре поговорим).

Рисунок 1. Обезвоживание, синтез и гидролиз. Мономеры, основные единицы для построения более крупных молекул, образуют полимеры (два или более химически связанных мономера).(а) При дегидратационном синтезе два мономера ковалентно связаны в реакции, в которой один отдает гидроксильную группу, а другой — атом водорода. Молекула воды выделяется как побочный продукт во время реакций дегидратации. (b) При гидролизе ковалентная связь между двумя мономерами расщепляется путем присоединения атома водорода к одному и гидроксильной группы к другому, что требует участия одной молекулы воды.

Соль

Напомним, что соли образуются, когда ионы образуют ионные связи.В этих реакциях один атом отдает один или несколько электронов и, таким образом, становится положительно заряженным, тогда как другой атом принимает один или несколько электронов и становится отрицательно заряженным. Теперь вы можете определить соль как вещество, которое при растворении в воде диссоциирует на ионы, отличные от H ⁺ или OH ^— . Этот факт важен для отличия солей от кислот и оснований, обсуждаемых далее.

Типичная соль NaCl полностью диссоциирует в воде (рис. 2). Положительные и отрицательные области на молекуле воды (концы водорода и кислорода соответственно) притягивают отрицательные ионы хлорида и положительные ионы натрия, отталкивая их друг от друга.Опять же, в то время как неполярные и полярные ковалентно связанные соединения распадаются на молекулы в растворе, соли диссоциируют на ионы. Эти ионы являются электролитами; они способны проводить электрический ток в растворе. Это свойство имеет решающее значение для функции ионов при передаче нервных импульсов и стимулировании сокращения мышц.

Рисунок 2. Диссоциация хлорида натрия в воде. Обратите внимание, что кристаллы хлорида натрия диссоциируют не на молекулы NaCl, а на катионы Na ⁺ и анионы Cl ^— , каждый из которых полностью окружен молекулами воды.

Многие другие соли важны для организма. Например, соли желчных кислот, вырабатываемые печенью, помогают расщеплять пищевые жиры, а соли фосфата кальция образуют минеральную часть зубов и костей.

Кислоты и основания

Кислоты и основания, как и соли, разлагаются в воде на электролиты. Кислоты и основания могут сильно изменить свойства растворов, в которых они растворены.

Кислоты

Кислота — это вещество, выделяющее ионы водорода (H ⁺ ) в растворе (рис. 3a).Поскольку у атома водорода есть только один протон и один электрон, положительно заряженный ион водорода — это просто протон. Этот одиночный протон с большой вероятностью участвует в химических реакциях. Сильные кислоты — это соединения, которые выделяют весь свой H ⁺ в растворе; то есть они полностью ионизируются. Соляная кислота (HCl), которая выделяется из клеток слизистой оболочки желудка, является сильной кислотой, поскольку она выделяет весь свой H ⁺ в водянистую среду желудка. Эта сильная кислота помогает пищеварению и убивает микробы, попавшие в организм.Слабые кислоты не ионизируются полностью; то есть некоторые из их гидрогенионов остаются связанными внутри соединения в растворе. Пример слабой кислоты — уксус или уксусная кислота; он называется ацетатом после того, как отдает протон.

Рисунок 3. Кислоты и основания. (а) В водном растворе кислота диссоциирует на ионы водорода (H ⁺ ) и анионы. Почти каждая молекула сильной кислоты диссоциирует, образуя высокую концентрацию H ⁺ . (b) В водном растворе основание диссоциирует на гидроксильные ионы (OH ^— ) и катионы.Почти каждая молекула сильного основания диссоциирует, образуя высокую концентрацию OH ^— .

Базы

Основание — это вещество, которое выделяет гидроксильные ионы (OH ^–) в растворе, или вещество, которое принимает H ⁺ , уже присутствующий в растворе (см. Рисунок 3b). Ионы гидроксила или другое основание объединяются с присутствующим H ⁺ с образованием молекулы воды, тем самым удаляя H ⁺ и снижая кислотность раствора. Сильные основания высвобождают большую часть или все свои гидроксильные ионы; слабые основания выделяют только некоторые гидроксильные ионы или поглощают только несколько H ⁺ .Пища, смешанная с соляной кислотой из желудка, сожгла бы тонкий кишечник, следующую часть пищеварительного тракта после желудка, если бы не высвобождение бикарбоната (HCO ₃ ^—), слабого основания, которое привлекает H ⁺ . Бикарбонат принимает часть протонов H ⁺ , тем самым снижая кислотность раствора.

Концепция pH

Относительную кислотность или щелочность раствора можно определить по его pH. pH раствора — это отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода (H ⁺ ) в растворе.Например, раствор с pH 4 имеет концентрацию H ⁺ , которая в десять раз больше, чем у раствора с pH 5. То есть раствор с pH 4 в десять раз более кислый, чем раствор с pH 5. Понятие pH станет более понятным, когда вы изучите шкалу pH, как показано на рисунке 4. Шкала состоит из серии приращений от 0 до 14. Раствор с pH 7 считается нейтральным — ни кислым, ни основным. Чистая вода имеет pH 7. Чем ниже число ниже 7, тем кислее раствор или тем выше концентрация H ⁺ .Концентрация ионов водорода при каждом значении pH в 10 раз отличается от следующего значения pH. Например, значение pH 4 соответствует концентрации протонов 10 ^–4 M или 0,0001M, а значение pH 5 соответствует концентрации протонов 10 ^–5 M или 0,00001M. Чем выше число выше 7, тем более щелочной (щелочной) раствор или тем ниже концентрация H ⁺ . Например, человеческая моча в десять раз более кислотная, чем чистая вода, а HCl в 10 000 000 раз кислотнее воды.

Рис. 4. Шкала pH

Буферы

pH крови человека обычно находится в диапазоне от 7,35 до 7,45, хотя обычно его определяют как pH 7,4. При таком слегка щелочном pH кровь может снижать кислотность, возникающую из-за того, что двуокись углерода (CO ₂ ) постоянно попадает в кровоток триллионами клеток тела. Гомеостатические механизмы (наряду с выдыханием CO ₂ при дыхании) обычно поддерживают pH крови в этом узком диапазоне.Это очень важно, потому что колебания — либо слишком кислые, либо слишком щелочные — могут привести к опасным для жизни расстройствам.

Все клетки организма зависят от гомеостатической регуляции кислотно-щелочного баланса при pH примерно 7,4. Таким образом, в организме есть несколько механизмов для этой регуляции, включая дыхание, выделение химических веществ с мочой и внутреннее высвобождение химических веществ, вместе называемых буферами, в жидкости организма. Буфер представляет собой раствор слабой кислоты и ее конъюгированного основания.Буфер может нейтрализовать небольшое количество кислот или оснований в жидкостях организма. Например, если есть даже небольшое снижение pH жидкости организма ниже 7,35, буфер в жидкости — в данном случае действующий как слабое основание — будет связывать избыточные ионы водорода. Напротив, если pH поднимается выше 7,45, буфер будет действовать как слабая кислота и вносить ионы водорода.

Попробуйте

Чрезмерная кислотность крови и других биологических жидкостей называется ацидозом. Распространенными причинами ацидоза являются ситуации и нарушения, которые снижают эффективность дыхания, особенно способность человека полностью выдохнуть, что вызывает накопление CO ₂ (и H ⁺ ) в кровотоке.Ацидоз также может быть вызван метаболическими проблемами, которые снижают уровень или функцию буферов, которые действуют как основания или способствуют выработке кислот. Например, при тяжелой диарее из организма может выводиться слишком много бикарбоната, в результате чего кислоты накапливаются в жидкостях организма. У людей с плохо управляемым диабетом (неэффективное регулирование уровня сахара в крови) кислоты, называемые кетонами, вырабатываются в качестве топлива для организма. Они могут накапливаться в крови, вызывая серьезное заболевание, называемое диабетическим кетоацидозом.Почечная недостаточность, печеночная недостаточность, сердечная недостаточность, рак и другие заболевания также могут вызывать метаболический ацидоз.

Напротив, алкалоз — это состояние, при котором кровь и другие жидкости организма слишком щелочные (щелочные). Как и в случае ацидоза, основной причиной являются респираторные расстройства; однако при респираторном алкалозе уровни углекислого газа падают слишком низко. Заболевания легких, передозировка аспирином, шок и обычное беспокойство могут вызвать респираторный алкалоз, который снижает нормальную концентрацию H ⁺ .

Метаболический алкалоз часто возникает в результате продолжительной сильной рвоты, которая вызывает потерю ионов водорода и хлорида (как компонентов HCl). Лекарства также могут вызвать алкалоз. К ним относятся диуретики, которые заставляют организм терять ионы калия, а также антациды при приеме в чрезмерных количествах, например, при стойкой изжоге или язве.

ученых делают первый шаг к созданию «неорганической жизни» — ScienceDaily

Ученые из Университета Глазго говорят, что они сделали первые пробные шаги к созданию «жизни» из неорганических химикатов, потенциально определяющих новую область «неорганической биологии».

Профессор Ли Кронин, заведующий кафедрой химии Гардинерского колледжа науки и техники, и его команда продемонстрировали новый способ изготовления неорганических химических клеток или iCHELL.

Профессор Кронин сказал: «Вся жизнь на Земле основана на органической биологии (т.е.углерод в форме аминокислот, нуклеотидов, сахаров и т. Д.), Но неорганический мир считается неодушевленным.

«Мы пытаемся создать самовоспроизводящиеся развивающиеся неорганические клетки, которые, по сути, были бы живыми.Вы могли бы назвать это неорганической биологией ».

Клетки могут быть разделены на части путем создания внутренних мембран, которые контролируют прохождение материалов и энергии через них, что означает, что несколько химических процессов могут быть изолированы в одной и той же клетке — точно так же, как биологические клетки.

Исследователи говорят, что клетки, которые также могут накапливать электричество, потенциально могут быть использованы во всех областях медицины, в качестве датчиков или для ограничения химических реакций.

Исследование является частью проекта профессора Кронина, целью которого является продемонстрировать, что неорганические химические соединения способны к самовоспроизведению и развитию — так же, как это делают органические, биологические клетки на основе углерода.

Исследование создания «неорганической жизни» находится на начальной стадии, но профессор Кронин считает, что это вполне осуществимо.

Профессор Кронин сказал: «Главная цель состоит в том, чтобы построить сложные химические клетки с похожими на жизнь свойствами, которые могли бы помочь нам понять, как возникла жизнь, а также использовать этот подход для определения новой технологии, основанной на эволюции в материальном мире — своего рода неорганической живой технологии.

«Бактерии — это, по сути, одноклеточные микроорганизмы, состоящие из органических химикатов, так почему же мы не можем создать микроорганизмы из неорганических химикатов и позволить им развиваться?

«В случае успеха это дало бы нам невероятное понимание эволюции и показало, что это не просто биологический процесс.Это также означало бы, что мы доказали бы, что неуглеродная жизнь может существовать, и полностью изменили бы наши представления о дизайне ».

Статья опубликована в журнале Angewandte Chemie .

История Источник:

Материалы предоставлены Университетом Глазго . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Неорганическое соединение — определение и примеры

Определение

существительное
множественное число: неорганические соединения
Химическое соединение, не содержащее ковалентных связей углерод-углерод (CC) и углерод-водород (CH)

Подробности

Обзор

Химическое соединение относится к любому веществу, состоящему из двух или более элементов, которые химически связаны друг с другом.Элемент , в свою очередь, относится к элементу, состоящему только из одного типа атомов. Элементы, которые удерживаются вместе химической связью, образуют соединение. Один из способов классификации соединений — определить их как органических или неорганических . Как правило, органическое соединение представляет собой тип соединения, содержащего атом углерода. И наоборот, неорганическое соединение не содержит углерода.

Витализм против выводов Велера

Одна из преобладающих теорий первых веков — витализм .Согласно этой теории, живые существа обладают своего рода жизненной силой — vis-vitalis , которая отделяет их от неживых существ. Эта жизненная сила позволяла им производить определенные химические вещества, которые неживые существа не могли производить. Химические вещества, производимые живыми существами, были названы органическими , поскольку они произошли от организмов. Те, которые можно было получить из неживых существ, были названы неорганическими , что означает «неорганические». Это была фундаментальная граница, которая отделяла органические от неорганических соединений.Под неорганическими соединениями понимались соединения, не полученные от организмов. Они могут быть получены, например, из геологических систем, например отложения и руды.
Это убеждение существовало на протяжении многих веков, пока Фридрих Вёлер (1800 — 1882) не оспорил его с эмпирическими данными своих экспериментов. В одном из своих экспериментов он обнаружил, что мочевину, которую когда-то считали производимой только живыми существами, можно производить из неорганических предшественников. В 1828 году он обнаружил, что мочевину можно химически получить из солей цианата калия и сульфата аммония.Это считается решающим поворотным моментом, который позже привел к развитию современной органической химии.

Заблуждения

На пике витализма существовала четкая граница между органическими и неорганическими соединениями. Из-за дискредитации витализма химики так и не пришли к консенсусу по поводу современного определения органических и неорганических соединений. Простое утверждение, что органическое соединение — это любое соединение, содержащее атом углерода, не будет абсолютно правильным, так как это будет означать включение некоторых углеродсодержащих неорганических соединений.База данных неорганических кристаллических структур, база данных данных о неорганических кристаллических структурах, основанная Гюнтером Бергерхоффом и И.Д. Брауном в 1978 году, определила неорганических соединений углерода как соединения, содержащие либо C-H, либо C-C связи, но не оба вместе. ¹ К неорганическим углеродсодержащим соединениям относятся: карбонаты, цианиды, цианаты, карбиды, тиоцианаты, монооксид углерода и диоксид углерода. Аллотропы углерода , как и алмаз, не соединения, а чистый элемент углерода.Таким образом, это не неорганические соединения, а неорганические вещества.

Органические и неорганические соединения

Обобщенные различия между органическими и неорганическими соединениями показаны ниже:

	Органические соединения	Неорганические соединения
20 905 атомы	В основном отсутствуют атомы углерода
Химическая связь	Ковалентная связь; в основном со связями углерод-водород (C-H)	В основном с ионными связями; в основном отсутствуют связи CH
Происхождение	По сути, биологическое (в результате биологической активности)	Химическое (в результате лабораторных работ или экспериментов) или геологическое (в результате естественного процесса, не связанного с жизнью)
Соль образование	Не может образовывать соль	Может образовывать соль
Атомы металлов	Не содержат атомов металлов	Могут содержать атомы металлов
Другие особенности	В большинстве водных растворов плохие проводники тепла и электричество	В основном хорошие проводники тепла и электричества
Примеры	углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты, мочевина, четыреххлористый углерод	хлорид натрия, латунь, стекло, карбонаты, цианиды, цианаты, карбиды , тиоцианаты, окись углерода, двуокись углерода, вода

900 02 Как указывалось ранее, нет четкого различия между органическими и неорганическими соединениями.Исключения существуют в каждой функции. Таким образом, приведенные в таблице различия между ними следует считать верными для большинства случаев, но не для всех.

Типы неорганических соединений

Химическое соединение — это вещество, состоящее из атомов или ионов двух или более элементов, которые химически связаны вместе, тогда как химический элемент — это вещество только одного типа атомов. Большинство элементов являются неорганическими, но технически не являются неорганическими соединениями, поскольку они состоят только из одного типа атомов.Таким образом, классификация неорганических соединений влечет за собой группировку веществ, состоящих из более чем одного типа атомов. И наоборот, простые неорганические вещества (не обязательно соединения) типичны как металл или неметалл . Однако нет четкого различия между металлами и неметаллами.
Большинство неорганических соединений являются ионными соединениями. Это означает, что химическая связь, удерживающая атомы вместе, является ионной связью. На основе составляющих неорганических соединений ионные соединения можно разделить на основания, кислоты и соли.Ионная связь — это связь, при которой происходит полный перенос электрона от одного атома к другому. Это электростатическое притяжение между противоположно заряженными ионами, то есть катионом и анионом. Катион — это положительно заряженный ион, а анион — отрицательно заряженный ион. Например, хлорид натрия представляет собой ионное соединение, в котором катион Na ⁺ и анион Cl ^— удерживаются вместе ионной связью . Ионное соединение, содержащее ионы водорода (H ⁺ ), классифицируется как кислота.И наоборот, ионное соединение, содержащее гидроксид (OH ^–) или оксид (O ^2–), классифицируется как основание. Ионное соединение, образованное кислотно-основными реакциями без этих ионов, называется солью .
Вода определенно является одним из важнейших неорганических соединений для всего живого. Это соединение, состоящее из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Однако это не ионное соединение, а молекула, удерживаемая ковалентной связью между водородом и кислородом .

Исследования

Изучение свойств и синтеза органических соединений известно как органическая химия , тогда как изучение свойств и синтеза в неорганической химии называется неорганической химией .

Дополнительный

Этимология

• назван в честь раннего представления о том, что неорганические соединения не имеют биологического происхождения

Дополнительная литература

Сравнить

См. Также

Ссылка

1. Wayback Machine.(2017, 1 января). База данных неорганических кристаллов: научное руководство. Получено из PDF

---

© Biology Online. Контент предоставляется и модерируется онлайн-редакторами Biology

---

Глава 4 — Неорганические вещества, необходимые для функционирования человека — BIO 140 — Биология человека I — Учебник

Глава 4

Неорганические соединения, необходимые для функционирования человека

Цели обучения

• Сравнить и сопоставить неорганические и органические соединения
• Определите свойства воды, которые делают ее необходимой для жизни
• Объясните роль солей в функционировании организма
• Различайте кислоты и основания и объясняйте их роль в pH
• Обсудить роль буферов в поддержании гомеостаза pH в организме

Концепции, которые вы изучили до сих пор в этой главе, управляют всеми формами материи и будут работать в качестве основы как для геологии, так и для биологии.Этот раздел главы сужает фокус до химии человеческой жизни; то есть соединения, важные для структуры и функций организма. Как правило, эти соединения бывают либо неорганическими, либо органическими.

• Неорганическое соединение — это вещество, не содержащее ни углерода, ни водорода. Многие неорганические соединения действительно содержат атомы водорода, такие как вода (H ₂ O) и соляная кислота (HCl), вырабатываемая вашим желудком. Напротив, только несколько неорганических соединений содержат атомы углерода.Двуокись углерода (CO ₂ ) является одним из немногих примеров.
• Таким образом, органическое соединение представляет собой вещество, содержащее как углерод, так и водород. Органические соединения синтезируются ковалентными связями в живых организмах, в том числе в организме человека. Вспомните, что углерод и водород являются вторым и третьим по распространенности элементами в вашем теле. Вскоре вы обнаружите, как эти два элемента сочетаются в пищевых продуктах, которые вы едите, в соединениях, составляющих структуру вашего тела, и в химических веществах, которые подпитывают ваше функционирование.

В следующем разделе рассматриваются три группы неорганических соединений, необходимых для жизни: вода, соли, кислоты и основания. Органические соединения рассматриваются далее в этой главе.

Вода

До 70 процентов веса взрослого человека составляет вода. Эта вода содержится как внутри клеток, так и между клетками, из которых состоят ткани и органы. Несколько функций делают воду незаменимой для жизнедеятельности человека.

Вода как смазка и амортизатор

Вода является основным компонентом многих смазочных жидкостей организма.Подобно тому, как масло смазывает петли двери, вода в синовиальной жидкости смазывает суставы тела, а вода в плевральной жидкости помогает легким расширяться и отскакивать при дыхании. Водянистая жидкость помогает пище течь по пищеварительному тракту и обеспечивает отсутствие трения при движении соседних органов брюшной полости.

Вода также защищает клетки и органы от физических травм, смягчая, например, мозг внутри черепа и защищая нежную нервную ткань глаз.Вода также смягчает развивающийся плод в утробе матери.

Вода как теплоотвод

Радиатор — это вещество или объект, который поглощает и рассеивает тепло, но не испытывает соответствующего повышения температуры. В организме вода поглощает тепло, выделяемое в результате химических реакций, без значительного повышения температуры. Более того, когда температура окружающей среды стремительно растет, вода, хранящаяся в организме, помогает ему сохранять прохладу. Этот охлаждающий эффект возникает, когда теплая кровь из ядра тела течет к кровеносным сосудам под кожей и переносится в окружающую среду.В то же время потовые железы выделяют теплую воду вместе с потом. Когда вода испаряется в воздух, она уносит тепло, а затем более холодная кровь с периферии циркулирует обратно к сердцевине тела.

Вода как компонент жидких смесей

Смесь — это комбинация двух или более веществ, каждое из которых сохраняет свою химическую идентичность. Другими словами, составляющие вещества не связаны химически в новое, более крупное химическое соединение. Эту концепцию легко представить, если вы подумаете о порошкообразных веществах, таких как мука и сахар; когда вы перемешиваете их в миске, очевидно, что они не связываются с образованием нового соединения.Воздух в помещении, которым вы дышите, представляет собой газовую смесь, содержащую три отдельных элемента — азот, кислород и аргон — и одно соединение — диоксид углерода. Есть три типа жидких смесей, все из которых содержат воду в качестве ключевого компонента. Это растворы, коллоиды и суспензии.

Чтобы клетки тела выжили, они должны оставаться влажными в жидкости на водной основе, называемой раствором. В химии жидкий раствор состоит из растворителя, который растворяет вещество, называемое растворенным веществом. Важной характеристикой растворов является их однородность; то есть молекулы растворенного вещества равномерно распределяются по всему раствору.Если бы вы размешали чайную ложку сахара в стакане воды, сахар растворился бы в молекулах сахара, разделенных молекулами воды. Соотношение сахара и воды в левой части стакана будет таким же, как соотношение сахара и воды в правой части стакана. Если бы вы добавили больше сахара, соотношение сахара к воде изменилось бы, но распределение — при условии, что вы хорошо перемешали — все равно было бы равномерным.

Вода считается «универсальным растворителем», и поэтому считается, что жизнь не может существовать без воды.Вода, безусловно, является самым распространенным растворителем в организме; практически все химические реакции организма происходят между соединениями, растворенными в воде. Поскольку молекулы воды полярны, с областями положительного и отрицательного электрического заряда, вода легко растворяет ионные соединения и полярные ковалентные соединения. Такие соединения называют гидрофильными или «водолюбивыми». Как было сказано выше, сахар хорошо растворяется в воде. Это связано с тем, что молекулы сахара содержат области полярных водородно-кислородных связей, что делает его гидрофильным.Неполярные молекулы, которые с трудом растворяются в воде, называются гидрофобными или «водобоязненными».

Концентрации растворенных веществ

В химии описаны различные смеси растворенных веществ и воды. Концентрация данного растворенного вещества — это количество частиц этого растворенного вещества в данном пространстве (кислород составляет около 21 процента атмосферного воздуха). В кровотоке человека концентрация глюкозы обычно измеряется в миллиграммах (мг) на децилитр (дл), а у здорового взрослого человека в среднем составляет около 100 мг / дл.Другой метод измерения концентрации растворенного вещества — его молярность, которая составляет моль (M) молекул на литр (L). Моль элемента — это его атомный вес, а моль соединения — это сумма атомных весов его компонентов, называемая молекулярной массой. Часто используемый пример — вычисление моля глюкозы по химической формуле C ₆ H ₁₂ O ₆ . Согласно периодической таблице, атомный вес углерода (C) составляет 12,011 грамма (г), а в глюкозе шесть атомов углерода, что дает общий атомный вес 72.066 г. Проведя те же вычисления для водорода (H) и кислорода (O), молекулярная масса равна 180,156 г («грамм молекулярной массы» глюкозы). Когда вода добавляется для получения одного литра раствора, у вас есть один моль (1М) глюкозы. Это особенно полезно в химии из-за отношения родинок к «числу Авогадро». В моль любого раствора такое же количество частиц: 6,02 × 10 ²³ . Многие вещества в кровотоке и других тканях тела измеряются в тысячных долях моля или миллимолях (мМ).

Коллоид — это смесь, которая чем-то похожа на тяжелый раствор. Частицы растворенного вещества состоят из крошечных сгустков молекул, достаточно больших, чтобы сделать жидкую смесь непрозрачной (поскольку частицы достаточно большие, чтобы рассеивать свет). Знакомые примеры коллоидов — молоко и сливки. В щитовидной железе гормон щитовидной железы хранится в виде густой белковой смеси, также называемой коллоидом.

Суспензия — это жидкая смесь, в которой более тяжелое вещество временно взвешено в жидкости, но со временем оседает.Такое отделение частиц от суспензии называется седиментацией. Пример седиментации происходит в анализе крови, который устанавливает скорость седиментации или скорость седиментации. Тест измеряет, как быстро красные кровяные тельца в пробирке выделяются из водянистой части крови (известной как плазма) в течение определенного периода времени. Быстрое осаждение клеток крови обычно не происходит в здоровом организме, но некоторые заболевания могут вызывать слипание клеток крови, и эти тяжелые скопления клеток крови оседают на дно пробирки быстрее, чем нормальные клетки крови.

Роль воды в химических реакциях

Два типа химических реакций включают образование или потребление воды: дегидратационный синтез и гидролиз.

• При дегидратационном синтезе один реагент отдает атом водорода, а другой реагент отдает гидроксильную группу (ОН) при синтезе нового продукта. При образовании их ковалентной связи в качестве побочного продукта выделяется молекула воды (рис. 1). Это также иногда называют реакцией конденсации.
• При гидролизе молекула воды разрушает соединение, разрывая его связи. Сама вода расщепляется на H и OH. Одна часть разорванного соединения затем связывается с атомом водорода, а другая часть связывается с гидроксильной группой.

Эти реакции обратимы и играют важную роль в химии органических соединений (о чем мы вскоре поговорим).

Дегидратационный синтез и гидролиз

Рис. 1: Мономеры, основные единицы для построения более крупных молекул, образуют полимеры (два или более химически связанных мономера).(а) При дегидратационном синтезе два мономера ковалентно связаны в реакции, в которой один отдает гидроксильную группу, а другой — атом водорода. Молекула воды выделяется как побочный продукт во время реакций дегидратации. (b) При гидролизе ковалентная связь между двумя мономерами расщепляется путем присоединения атома водорода к одному и гидроксильной группы к другому, что требует участия одной молекулы воды.

Соли

Напомним, что соли образуются, когда ионы образуют ионные связи.В этих реакциях один атом отдает один или несколько электронов и, таким образом, становится положительно заряженным, тогда как другой атом принимает один или несколько электронов и становится отрицательно заряженным. Теперь вы можете определить соль как вещество, которое при растворении в воде диссоциирует на ионы, отличные от H ⁺ или OH ^— . Этот факт важен для отличия солей от кислот и оснований, обсуждаемых далее.

Типичная соль NaCl полностью диссоциирует в воде (рис. 2). Положительные и отрицательные области на молекуле воды (концы водорода и кислорода соответственно) притягивают отрицательные ионы хлорида и положительные ионы натрия, отталкивая их друг от друга.Опять же, в то время как неполярные и полярные ковалентно связанные соединения распадаются на молекулы в растворе, соли диссоциируют на ионы. Эти ионы являются электролитами; они способны проводить электрический ток в растворе. Это свойство имеет решающее значение для функции ионов при передаче нервных импульсов и стимулировании сокращения мышц.

Диссоциация хлорида натрия в воде

Рисунок 2: Обратите внимание, что кристаллы хлорида натрия диссоциируют не на молекулы NaCl, а на катионы Na ⁺ и анионы Cl ^–, каждый из которых полностью окружен молекулами воды.

Многие другие соли важны для организма. Например, соли желчных кислот, вырабатываемые печенью, помогают расщеплять пищевые жиры, а соли фосфата кальция образуют минеральную часть зубов и костей.

Кислоты и основания

Кислоты и основания, как и соли, разлагаются в воде на электролиты. Кислоты и основания могут сильно изменить свойства растворов, в которых они растворены.

Кислоты

Кислота — это вещество, которое выделяет ионы водорода (H ⁺ ) в растворе (рис. 3a).Поскольку у атома водорода есть только один протон и один электрон, положительно заряженный ион водорода — это просто протон. Этот одиночный протон с большой вероятностью участвует в химических реакциях. Сильные кислоты — это соединения, которые выделяют весь свой H ⁺ в растворе; то есть они полностью ионизируются. Соляная кислота (HCl), которая выделяется из клеток слизистой оболочки желудка, является сильной кислотой, поскольку она выделяет весь свой H ⁺ в водянистую среду желудка. Эта сильная кислота помогает пищеварению и убивает микробы, попавшие в организм.Слабые кислоты не ионизируются полностью; то есть некоторые из их гидрогенионов остаются связанными внутри соединения в растворе. Пример слабой кислоты — уксус или уксусная кислота; он называется ацетатом после того, как отдает протон.

Кислоты и основания

Рис. 3: (a) В водном растворе кислота диссоциирует на ионы водорода (H ⁺ ) и анионы. Почти каждая молекула сильной кислоты диссоциирует, образуя высокую концентрацию H ⁺ .(b) В водном растворе основание диссоциирует на гидроксильные ионы (OH ^— ) и катионы. Почти каждая молекула сильного основания диссоциирует, образуя высокую концентрацию OH ^— .

Основания

Основание — это вещество, которое выделяет гидроксильные ионы (OH ^— ) в растворе, или вещество, которое принимает H ⁺ , уже присутствующий в растворе (см. Рисунок 3b). Ионы гидроксила или другое основание объединяются с присутствующим H ⁺ с образованием молекулы воды, тем самым удаляя H ⁺ и снижая кислотность раствора.Сильные основания высвобождают большую часть или все свои гидроксильные ионы; слабые основания выделяют только некоторые гидроксильные ионы или поглощают только несколько H ⁺ . Пища, смешанная с соляной кислотой из желудка, сожгла бы тонкий кишечник, следующую часть пищеварительного тракта после желудка, если бы не высвобождение бикарбоната (HCO ₃ ^—), слабого основания, которое привлекает H ⁺ . Бикарбонат принимает часть протонов H ⁺ , тем самым снижая кислотность раствора.

Концепция pH

Относительную кислотность или щелочность раствора можно определить по его pH. pH раствора. — это отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода (H ⁺ ) в растворе. Например, раствор с pH 4 имеет концентрацию H ⁺ , которая в десять раз больше, чем у раствора с pH 5. То есть раствор с pH 4 в десять раз более кислый, чем раствор с pH 5. Понятие pH станет более понятным, когда вы изучите шкалу pH, как показано на рисунке 4.Шкала состоит из серии приращений от 0 до 14. Раствор с pH 7 считается нейтральным — ни кислым, ни основным. Чистая вода имеет pH 7. Чем ниже число ниже 7, тем кислее раствор или тем выше концентрация H ⁺ . Концентрация ионов водорода при каждом значении pH в 10 раз отличается от следующего значения pH. Например, значение pH 4 соответствует концентрации протонов 10 ^–4 M или 0,0001 M, а значение pH 5 соответствует концентрации протонов 10 ^–5 M или 0.00001M. Чем выше число выше 7, тем более щелочной (щелочной) раствор или тем ниже концентрация H ⁺ . Например, человеческая моча в десять раз более кислотная, чем чистая вода, а HCl в 10 000 000 раз кислотнее воды.

Шкала pH

Рисунок 4

Буферы

pH крови человека обычно находится в диапазоне от 7,35 до 7,45, хотя обычно его определяют как pH 7,4. При таком слегка щелочном pH кровь может снижать кислотность, возникающую из-за того, что двуокись углерода (CO ₂ ) постоянно попадает в кровоток триллионами клеток тела.Гомеостатические механизмы (наряду с выдыханием CO ₂ при дыхании) обычно поддерживают pH крови в этом узком диапазоне. Это очень важно, потому что колебания — либо слишком кислые, либо слишком щелочные — могут привести к опасным для жизни расстройствам.

Все клетки организма зависят от гомеостатической регуляции кислотно-щелочного баланса при pH примерно 7,4. Таким образом, в организме есть несколько механизмов для этой регуляции, включая дыхание, выделение химических веществ с мочой и внутреннее высвобождение химических веществ, вместе называемых буферами, в жидкости организма.Буфер представляет собой раствор слабой кислоты и сопряженного с ней основания. Буфер может нейтрализовать небольшое количество кислот или оснований в жидкостях организма. Например, если есть даже небольшое снижение pH жидкости организма ниже 7,35, буфер в жидкости — в данном случае действующий как слабое основание — будет связывать избыточные ионы водорода. Напротив, если pH поднимается выше 7,45, буфер будет действовать как слабая кислота и вносить ионы водорода.

Гомеостатический дисбаланс: кислоты и основания

---

Чрезмерная кислотность крови и других биологических жидкостей называется ацидозом.Распространенными причинами ацидоза являются ситуации и нарушения, которые снижают эффективность дыхания, особенно способность человека полностью выдохнуть, что вызывает накопление CO ₂ (и H ⁺ ) в кровотоке. Ацидоз также может быть вызван метаболическими проблемами, которые снижают уровень или функцию буферов, которые действуют как основания или способствуют выработке кислот. Например, при тяжелой диарее из организма может выводиться слишком много бикарбоната, в результате чего кислоты накапливаются в жидкостях организма.У людей с плохо управляемым диабетом (неэффективное регулирование уровня сахара в крови) кислоты, называемые кетонами, вырабатываются в качестве топлива для организма. Они могут накапливаться в крови, вызывая серьезное заболевание, называемое диабетическим кетоацидозом. Почечная недостаточность, печеночная недостаточность, сердечная недостаточность, рак и другие заболевания также могут вызывать метаболический ацидоз.

Напротив, алкалоз — это состояние, при котором кровь и другие жидкости организма слишком щелочные (щелочные). Как и в случае ацидоза, основной причиной являются респираторные расстройства; однако при респираторном алкалозе уровни углекислого газа падают слишком низко.Заболевания легких, передозировка аспирином, шок и обычное беспокойство могут вызвать респираторный алкалоз, который снижает нормальную концентрацию H ⁺ .

Метаболический алкалоз часто возникает в результате продолжительной сильной рвоты, которая вызывает потерю ионов водорода и хлорида (как компонентов HCl). Лекарства также могут вызвать алкалоз. К ним относятся диуретики, которые заставляют организм терять ионы калия, а также антациды при приеме в чрезмерных количествах, например, при стойкой изжоге или язве.

Обзор главы

Неорганические соединения, необходимые для функционирования человека, включают воду, соли, кислоты и основания. Эти соединения неорганические; то есть они не содержат ни водорода, ни углерода. Вода — это смазка и подушка, теплоотвод, компонент жидких смесей, побочный продукт реакций синтеза дегидратации и реагент в реакциях гидролиза. Соли — это соединения, которые при растворении в воде диссоциируют на ионы, отличные от H ⁺ или OH ^— .Напротив, кислоты выделяют в растворе H ⁺ , делая его более кислым. Основания принимают H ⁺ , тем самым делая раствор более щелочным (едким).

pH любого раствора — это его относительная концентрация H ⁺ . Раствор с pH 7 нейтрален. Растворы с pH ниже 7 являются кислотами, а растворы с pH выше 7 — основаниями. Изменение одной цифры на шкале pH (например, от 7 до 8) представляет десятикратное увеличение или уменьшение концентрации H ⁺ .У здорового взрослого человека pH крови колеблется от 7,35 до 7,45. Механизмы гомеостатического контроля, важные для поддержания крови в здоровом диапазоне pH, включают химические вещества, называемые буферами, слабые кислоты и слабые основания, высвобождаемые, когда pH крови или других жидкостей организма колеблется в любом направлении за пределами этого нормального диапазона.

Неорганические соединения — обзор

15.1.1 Фикормедиация и создание биопродуктов с добавленной стоимостью

Соединения, органические и неорганические, накапливаются в окружающей среде в результате сельскохозяйственной, промышленной и бытовой деятельности.Неконтролируемое распространение необработанных отходов жизнедеятельности человека и сельскохозяйственных стоков являются наиболее распространенными источниками загрязнения воды и почвы. Накопились экологические и экологические последствия загрязнения человека и необработанных отходов, которые необходимо устранить, чтобы избежать дальнейших негативных последствий. Чтобы смягчить последствия промышленного и муниципального загрязнения, практика очистки сточных вод должна значительно расшириться и в глобальном масштабе. Из-за недостатков во многих наших современных методах очистки воды качество пресной воды становится столь же серьезной проблемой, как и ее дефицит.Практика очистки отходов помогает снизить загрязнение воды и почвы из-за перегрузки питательными веществами и других токсичных загрязнителей. Неочищенные сточные воды содержат в растворе питательные вещества, которые вызывают эвтрофикацию экосистемы или доставляют токсичные соединения в окружающую среду. Эвтрофные условия стимулируют дисбаланс экосистемы, который, если его не устранить, может обостриться и создать условия, угрожающие здоровью человека. Помимо потенциальных негативных последствий перегрузки биогенными веществами, трудно устранить последствия загрязнения воды и почвы тяжелыми металлами и химическими веществами.

Потребность в рентабельных средствах удаления или нейтрализации опасных соединений растет с каждым днем. База данных известных соединений в Химической реферативной службе (CAS) в настоящее время пополняется из известных 66 миллионов зарегистрированных соединений с добавлением около 12 000 новых соединений каждый день (CAS, 2012). Сброс этих соединений в водоемы или их распыление на почву сильно повлиял на окружающую среду и будет продолжаться. Промышленность и человеческое развитие уже повлияли на качество почвы и воды во всем мире.Рост урбанизации и индустриализации, в частности, привел к возникновению экологических проблем, связанных с городскими отходами. Городские сточные воды являются значительным источником ухудшения состояния окружающей среды из-за бытовых продуктов и фармацевтических препаратов, а также эвтрофикации из-за перегрузки биогенными веществами.

Микроводоросли и цианобактерии положительно реагируют на широкий спектр органических и неорганических загрязнителей. Эти организмы способны удалять соединения из раствора посредством биоаккумуляции соединений в теле клетки, а также на поверхности клетки, в дополнение к активности минерализации, связанной с метаболизмом клетки.Водоросли и цианобактерии могут расти в воде с низкой или высокой питательной ценностью, а также в более суровых экосистемах, таких как высокая или гипер-соленость или экстремальный pH. В дополнение к универсальным механизмам выживания каждого организма, некоторые виды микроводорослей обладают способностью использовать как аутотрофию, так и гетеротрофию, что делает их миксотрофными в правильных условиях. В присутствии высоких уровней загрязнителей водоросли и цианобактерии испытывают физиологические изменения (Fogg, 2001), а также генетические реакции (Gonzalez et al., 2012), которые позволяют водорослям быстро размножаться или цвести. Эта адаптация делает микроводоросли и цианобактерии идеальными для устранения загрязнителей окружающей среды, а также для связывания CO ₂ . Phycoremediation — это использование определенных видов микроводорослей или макроводорослей для удаления или биоразложения дополнительных соединений окружающей среды. Phycoremediation — важный инструмент для обработки загрязненной почвы и воды, и он охватывает множество применений, которые включают, помимо прочего, стабилизацию кислотного загрязнения, удаление металлов в загрязненных водах, удаление избыточных питательных веществ из воды и разложение. или связывание токсичных соединений из воды и почвы.

Для того, чтобы фоновая медиация могла эффективно контролировать загрязняющие вещества, необходимо выбрать использование определенных видов или комбинации видов, которые способны лечить загрязнение или благоприятно взаимодействовать с ним. Такие качества, как устойчивость к экстремальным температурам, потенциал для продуктов с добавленной стоимостью (таких как липиды, углеводы и / или белки), миксотрофия и седиментация, являются ключевыми элементами для исследования. Исследователи изучили очистку сточных вод, загрязненных рядом источников, чтобы изучить задачи, выполняемые различными видами водорослей на каждой стадии процесса очистки (Abdel-Raouf et al., 2012). В таблице 15.1 представлены эти исследования с указанием типа сточных вод, которые исследовались в каждом исследовании. Эти исследования демонстрируют, что для каждой задачи, связанной с утилизацией определенных отходов, может быть несколько видов, способных выполнить эту задачу.

Таблица 15.1. Диапазон Phycoremediation

Сектор	Организм	Ссылка
Муниципальная канализация
Удаление N / P	Gloeocapsa Gloeocapsa 905 Sengar et al.(2011)
Разрушители эндокринной системы	Anabaena cylindrica , Chlorococcus , S. platensis , Chlorella , S. quadricauda , Anaba405 905 и Anaba405 v.
Моча	Spirulina Plantensis	Ying et al., (2011)
Сельское хозяйство
Отходы птицы	C. Vulgaris Murugesan et al.(2010a, b)
Органические пестициды	Обширный каталог	Subashchandrabose et al. (2013)
Свиной навоз	Scendesmus intermediateus , Nannochloris sp.	Jimenez-Perez et al. (2004)
Промышленность
Тяжелые металлы	Anabaena variabilis	Parameswari et al. (2010)
	Spirogya	Gupta et al.(2001)
Кожевенное растение	C. Vulgaris	Rao et al. (2011)
Альгинат	Chroococcus turgidus	Sivasubramanian et al. (2009)
Пищевая промышленность
Оливковая мельница	Scenedesmus obliqus	Hodaifa et al. (2013)

Следует отметить, что успешное культивирование водорослей и цианобактерий зависит не только от питательных веществ, присутствующих в данной экосистеме.Комбинация сложных факторов окружающей среды и их взаимодействия влияют на развитие клеток водорослей и цианобактерий. Такие факторы, как pH воды или почвы (Азов и Шелеф, 1987), доступность и интенсивность света, температура и множество биотических факторов, действующих в воде и почве, влияют на развитие клеток водорослей.

Использование фоновой медиации для очистки сточных вод предлагает решения некоторых проблем, связанных с традиционными методами очистки. Некоторые из недостатков традиционных методов обработки связаны с изменчивостью химической эффективности в зависимости от удаляемого соединения или питательного вещества.Другой недостаток традиционных методов очистки, включающих химическую очистку, заключается в том, что химические вещества, используемые для обработки воды, выбрасываются в окружающую среду. Некоторые из этих химикатов остаются активными, что приводит к разной степени экологического ущерба от воздействия «очищенных» сточных вод. Кроме того, De la Noue et al. (1992) указали, что при утилизации богатой питательными веществами воды (обработанной или необработанной) возникают экономические потери, совпадающие с потерей ценных питательных веществ, которые можно было бы восстановить, переработать и использовать повторно.Тела клеток водорослей удерживают питательные вещества в процессе фитомедиации, а полученная биомасса делает питательные вещества доступными для сбора и повторного использования (Pizarro et al., 2006). Собранные питательные вещества в виде биомассы водорослей можно использовать для множества экономически ценных целей, включая, помимо прочего, восстановление почвы, органические удобрения, ферментативные процессы и другие сельскохозяйственные / промышленные процессы.

Неорганические химические элементы — создание «жизни» без углеродных связей ScienceDebate.com

Ученые из Университета Глазго говорят, что они сделали первые пробные шаги к созданию «жизни» из неорганических химикатов, потенциально определяющих новую область «неорганической биологии».

Профессор Ли Кронин, заведующий кафедрой химии Гардинерского колледжа науки и техники, и его команда продемонстрировали новый способ создания неорганических химических клеток или iCHELLS.

Профессор Кронин сказал: «Вся жизнь на Земле основана на органической биологии (т.е.углерод в форме аминокислот, нуклеотидов, сахаров и т. Д.), Но неорганический мир считается неодушевленным.

Исследование является частью проекта профессора Кронина, целью которого является продемонстрировать, что неорганические химические соединения способны к самовоспроизведению и развитию — так же, как это делают органические, биологические клетки на основе углерода.

«Мы пытаемся создать самовоспроизводящиеся развивающиеся неорганические клетки, которые, по сути, были бы живыми. Вы могли бы назвать это неорганической биологией ».

Этот документ появился в онлайн-выпуске Angewandte Chemie International Edition, а также будет размещен на задней обложке печатного выпуска.

Согласно веб-сайту доктора Кронина в Университете Глазго, «образование межфазной мембраны путем катионного обмена полиоксометаллатов дает модульные неорганические химические клетки с настраиваемой морфологией, свойствами и составом. Эти неорганические химические клетки или iCHELLs, которые проявляют окислительно-восстановительную активность, хиральность, а также а также избирательная проницаемость для малых молекул, могут быть вложены друг в друга, потенциально позволяя последовательным ступенчатым реакциям происходить внутри клетки.Это первая демонстрация модульной фиксации и применения неорганических осадительных мембран типа Траубе с момента их открытия в 1867 году.«

Клетки можно разделить на части, создав внутренние мембраны, которые контролируют прохождение материалов и энергии через них, что означает, что несколько химических процессов могут быть изолированы в одной и той же клетке — точно так же, как биологические клетки.

Исследователи говорят, что клетки, которые также могут накапливать электричество, потенциально могут быть использованы во всех областях медицины, в качестве датчиков или для ограничения химических реакций.

Исследование создания «неорганической жизни» находится на начальной стадии, но профессор Кронин считает, что это вполне осуществимо.

Профессор Кронин сказал: «Главная цель — построить сложные химические клетки с похожими на жизнь свойствами, которые могли бы помочь нам понять, как возникла жизнь, а также использовать этот подход для определения новой технологии, основанной на эволюции в материальном мире — своего рода неорганические живые технологии.

«Бактерии — это, по сути, одноклеточные микроорганизмы, состоящие из органических химикатов, так почему же мы не можем создать микроорганизмы из неорганических химикатов и позволить им развиваться?

«В случае успеха это даст нам невероятное понимание эволюции и покажет, что это не просто биологический процесс.Это также означало бы, что мы доказали бы, что неуглеродная жизнь может существовать, и полностью изменили бы наши представления о дизайне ».

Исходная статья: Модульные окислительно-восстановительные неорганические химические элементы: iCHELLs. Ангевандте Хеми . Джеффри Дж. Т. Купер, Филип Дж. Китсон, Росс Винтер, Мишель Загнони, Де-Лян Лонг, Лерой Кронен, опубликовано в Интернете: 8 сентября 2011 г. DOI: 10.1002 / anie.201105068. Фото любезно предоставлено сайтом лаборатории Cronin.

Дополнительный источник: Университет Глазго

.