Неорганические соединения в составе организмов — Молекулярный уровень — БИОЛОГИЯ
1. Молекулярный уровень
1.2. Неорганические соединения в составе организмов
Вода — широко распространенное на поверхности Земли вещество, имеющее уникальные физико-химические свойства. При нормальных условиях это — прозрачная жидкость без вкуса, запаха и цвета. Температура плавления льда составляет О “С, а кипения воды — 100 °С, хотя эти показатели зависят от давления и наличия растворенных веществ. Переход воды из одного агрегатного состояния в другое связан с изменением ее плотности. Наибольшую плотность вода имеет при температуре “С. Таким образом при замерзании водоемов образующийся на поверхности лед не дает им промерзнуть полностью. Это зимой спасает много водных организмов. Напротив, замерзая в метках живых организмов, вода образует кристаллы, которые могут даже приводить к гибели. Во избежание этого некоторые организмы способны накапливать в тканях различные вещества, которые действуют как антифризы (например глюкоза, мочевина и т. п.).
Молекула воды состоит из одного атома кислорода, связанного с двумя атомами водорода ковалентными связями, угол между которыми 105°. Атом кислорода сильнее, поэтому электронные облака сдвинуты к нему. Такое строение незаряженной молекулы воды образует диполь: в атоме кислорода сосредоточен частично отрицательный заряд, а в атомах водорода — частично положительный. Взаимодействуя между собой, противоположно заряженные полюса молекул воды образуют слабые (по сравнению с ковалентной) водородные связи. Энергия этих связей невелика, поэтому они довольно легко разрушаются и легко образуются.
Именно такое строение молекул делает воду прекрасным растворителем полярных веществ, к которым относятся неорганические соли, кислоты, основания, некоторые органические соединения, имеющие заряженные участки (спирты, сахара, белки, нуклеиновые кислоты и др.).
Молекулы воды как бы «растягивают» молекулы этих веществ, и они получают способность свободно перемещаться — растворяться. При этом их реакционная способность увеличивается. Такие вещества называются гидрофильными. При взаимодействии молекул воды с неполярными веществами (например жирами) их молекулы группируются, будто пытаясь изолироваться. Эти вещества не растворяются в воде, их называют гидрофобными. Кроме того, существует ряд органических веществ, имеющих участки с полярными и неполярными группами — амфифильные. К ним относятся белки, а также фосфолипиды, которые формируют основу клеточных мембран. Молекулы этих веществ располагаются таким образом, что их гидрофильные участки повернуты к воде, а гидрофобные — от нее.
В газовой и жидкой фазах молекулы воды непрерывно движутся, при этом между ними образуются и разрушаются водородные связи. Это перемещение молекул любого вещества вследствие теплового движения называется диффузией. Следствием этого процесса является распространение по всему объему растворителя и выравнивание концентрации в нем растворенного вещества.
С водородными связями также связано появление сил поверхностного натяжения и капиллярных свойств воды. С помощью поверхностной пленки водоемов, которая является важной частью водной среды существования, многие организмы могут перемещаться (водомеры, прудовик). Капиллярные же свойства дают возможность воде подниматься по щелям почвы и по сосудам растений.
Важным фактором, влияющим на терморегуляцию организмов, является высокая удельная теплоемкость воды, которая составляет около 4,2 кДж/(кг∙К). При испарении воды много энергии затрачивается на разрыв водородных связей. Напротив, при замерзании большое количество энергии выделяется. Эти свойства воды как распространенного на поверхности Земли вещества существенно влияют на климат нашей планеты, смягчая его. С этим же связано и то, что многие организмы охлаждаются, испаряя воду, например потея.
В биологических системах большое значение имеет диффузия не только растворенных веществ, но и самой воды. При этом важная роль принадлежит биологическим мембранам. Они пропускают воду, но непроницаемы для большинства растворенных в ней веществ. Это их свойство получило название полупроницаемости.
Переход молекул воды из зоны с меньшей концентрацией растворенных веществ в зону с большей концентрацией через полупроницаемую мембрану называется осмосом. Этот переход завершается или при выравнивании концентраций по обе стороны мембраны, или при повышении давления в более концентрированном растворе вследствие поступления воды. Дополнительное давление, которое необходимо приложить, чтобы остановить осмос, называется осмотическим давлением. Сравнивая какой-либо раствор с чистой водой, мы можем узнать осмотическое давление этого раствора. Оно тем выше, чем больше в нем растворенных веществ.
Осмотическое давление чрезвычайно важно для живых систем. Typгop — упругость растительных тканей — связан в основном с этим процессом. Концентрация растворенных веществ внутри клеток намного выше, чем в жидкости водоносных сосудов. Благодаря осмосу вода поступает в клетки. Поскольку растительные клетки имеют жесткие клеточные стенки, то при повышении внутри них давления они набухают, и ткани расправляются.
Клетки животных, которые не имеют жестких оболочек, в значительной мере зависят от осмоса. Поэтому межклеточная жидкость концентрацией растворенных веществ должна быть подобна внутриклеточному содержимому.
Важной особенностью живых организмов является то, что они состоят преимущественно из воды. Содержание воды в различных тканях человеческого организма зависит, в первую очередь, от функций, которые они выполняют, кроме того, от возраста и физиологического состояния организма.
Ткань | Содержание, % | Возраст | Содержание воды, % | |
Нервная | 85 | |||
Костная | 20 | Новорожденный | 80 | |
Эпителиальная | 70 | Ребенок |
compendium.su
Неорганические вещества
Среди неорганических соединений живых организмов особая роль принадлежит воде. Вода является основной средой, в которой происходят процессы обмена веществ и превращения энергии.
Содержание воды в большинстве живых организмов составляет 60-70 %. Вода образует основу внутренней среды живых организмов (крови, лимфы, межклеточной жидкости). Уникальные свойства воды определяются структурой ее молекул. В молекуле воды один атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода. Молекула воды полярная (диполь). Положительный заряд сосредоточен на атомах водорода, поскольку кислород является более электроотрицательным, чем водород. Отрицательно заряженный атом кислорода одной молекулы воды притягивается к положительно заряженному атома водорода другой молекулы, образуя при этом водородная связь, который в 15-20 раз слабее, чем ковалентная. Поэтому водородные связи легко разрываются, что наблюдается, например, при испарении воды. Вследствие теплового движения молекул в воде некоторые водородные связи разрываются, некоторые образуются.
Таким образом, молекулы являются подвижными в жидком состоянии, что очень важно для процессов обмена веществ. Молекулы воды легко проникают через клеточные мембраны. Благодаря высокой полярности молекул вода является растворителем других полярных соединений. В зависимости от способности растворяться определенных соединений в воде, их условно разделяют на гидрофильные, или полярные, и гидрофобные, или неполярные. К гидрофильных соединений, растворимых в воде, относится большинство солей. Гидрофобные соединения (почти все жиры, некоторые белки) содержат неполярные группы, не образуют водородные связи, поэтому эти соединения не растворяются в воде. Она обладает высокой теплоемкостью и одновременно высокую для жидкостей теплопроводность. Эти свойства делают воду идеальной для поддержания теплового равновесия организма.
Для поддержания процессов жизнедеятельности отдельных клеток и организма в целом важное значение имеют минеральные соли. Живые организмы содержат как растворенные соли (в виде ионов), так и соли в твердом состоянии. Ионы разделяются на положительные (катионы металлических элементов К +, Na +, Са2 +, М2 + и др.) и отрицательные (анионы кислот соляной — Сl -, серной — НSO4 -, SО42 -, карбонатной — НСО3 -, фосфатной — Н2РО4 -, НРО42 — и др.).. Различная концентрация катионов К + и Na + в клетке и межклеточной жидкости вызывает разность потенциалов на мембране клетки; изменение проницаемости мембраны по К + и Na + под влиянием раздражения обеспечивает возникновение нервного и мышечного возбуждения. Анионы фосфорной кислоты поддерживают нейтральную реакцию внутриклеточной среды (рН = 6,9), анионы карбоновой кислоты — слабощелочную реакцию плазмы крови (рН = 7,4). Соединения кальция (СаСO3) входят в состав раковин моллюсков и простейших, панцирей раков. Соляная кислота создает кислую среду в желудке позвоночных животных и человека, обеспечивает этим активность ферментов желудочного сока. Остатки серной кислоты, присоединяясь к нерастворимых в воде соединений, обеспечивающих их растворимость, что способствует выведению данных соединений из клеток и организма.
moykonspekt.ru
§ 1. Неорганические соединения — БИОЛОГИЯ 10-11 КЛАСС — ОНЛАЙН-УЧЕБНИКИ — Каталог файлов
Биологически важные химические элементы. Из известных нам более 100 химических элементов в состав живых организмов входят около 80, причем только в отношении 24 известно, какие функции в клетке они выполняют. Набор этих элементов не случаен. Жизнь зародилась в водах Мирового океана, и живые организмы состоят преимущественно из тех элементов, которые образуют легко растворимые в воде соединения. Большинство таких элементов принадлежит к числу легких, их особенностью является способность вступать в прочные (ковалентные) связи и образовывать множество различных сложных молекул.
В составе клеток человеческого тела преобладают кислород (более 60%), углерод (около 20%) и водород (около 10%). На азот, кальций, фосфор, хлор, калий, серу, натрий, магний, вместе взятые, приходится около 5%. Остальные 13 элементов составляют не более 0,1%. Сходный элементный состав имеют клетки большинства животных; отличаются лишь клетки растений и микроорганизмов. Даже те элементы, которые в клетках содержатся в ничтожно малых количествах, ничем не могут быть заменены и совершенно необходимы для жизни. Так, содержание йода в клетках не превышает 0,01%. Однако при недостатке его в почве (из-за этого и в пищевых продуктах) задерживается рост и развитие детей. Содержание меди в клетках животных не превышает 0,0002%. Но при недостатке меди в почве (отсюда и в растениях) возникают массовые заболевания сельскохозяйственных животных.
Значение для клетки основных элементов приведено в конце этого параграфа.
Неорганические (минеральные) соединения. В состав живых клеток входит ряд относительно простых соединений, которые встречаются и в неживой природе — в минералах, природных водах. Это неорганические соединения.
Вода — одно из самых распространенных веществ на Земле. Она покрывает большую часть земной поверхности. Почти все живые существа состоят в основном из воды. У человека содержание воды в органах и тканях варьирует от 20% (в костной ткани) до 85% (в головном мозге). Около 2/3 массы человека составляет вода, в организме медузы до 95% воды, даже в сухих семенах растений вода составляет 10—12%.
Вода обладает некоторыми уникальными свойствами. Свойства эти настолько важны для живых организмов, что нельзя представить жизнь без этого соединения водорода и кислорода.
Уникальные свойства воды определяются структурой ее молекул. В молекуле воды один атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода (рис. 1). Молекула воды полярна (диполь). Положительные заряды сосредоточены у атомов водорода, так как кислород электроотрицательнее водорода.
Рис. 1. Образование водородных связей в воде
Отрицательно заряженный атом кислорода одной молекулы воды притягивается к положительно заряженному атому водорода другой молекулы с образованием водородной связи (рис. 1).
По прочности водородная связь примерно в 15—20 раз слабее ковалентной связи. Поэтому водородная связь легко разрывается, что наблюдается, например, при испарении воды. Вследствие теплового движения молекул в воде одни водородные связи разрываются, другие образуются.
Таким образом, в жидкой воде молекулы подвижны, что немаловажно для процессов обмена веществ. Молекулы воды легко проникают через клеточные мембраны.
Из-за высокой полярности молекул вода является растворителем других полярных соединений. В воде растворяется больше веществ, чем в любой другой жидкости. Именно поэтому в водной среде клетки осуществляется множество химических реакций. Вода растворяет продукты обмена веществ и выводит их из клетки и организма в целом.
Вода обладает большой теплоемкостью, т. е. способностью поглощать теплоту при минимальном изменении собственной температуры. Благодаря этому она предохраняет клетку от резких изменений температуры. Поскольку на испарение воды расходуется много теплоты, то, испаряя воду, организмы могут защищать себя от перегрева (например, при потоотделении).
Вода обладает высокой теплопроводностью. Такое свойство создает возможность равномерного распределения теплоты между тканями тела.
Вода служит растворителем для «смазочных» материалов, необходимых везде, где есть трущиеся поверхности (например, в суставах).
Вода имеет максимальную плотность при 4°С. Поэтому лед, обладающий меньшей плотностью, легче воды и плавает на ее поверхности, что защищает водоем от промерзания.
По отношению к воде все вещества клетки разделяются на две группы: гидрофильные — «любящие воду» и гидрофобные — «боящиеся воды» (от греч. «гидро» — вода, «филео» — любить и «фобос» — боязнь).
К гидрофильным относятся вещества, хорошо растворимые в воде. Это соли, сахара, аминокислоты. Гидрофобные вещества, напротив, в воде практически нерастворимы. К ним относятся, например, жиры.
Клеточные поверхности, отделяющие клетку от внешней среды, и некоторые другие структуры состоят из водонерастворимых (гидрофобных) соединений. Благодаря этому сохраняется структурная целостность клетки. Образно клетку можно представить в виде сосуда с водой, где протекают биохимические реакции, обеспечивающие жизнь. Стенки этого сосуда нерастворимы в воде. Однако они способны избирательно пропускать водорастворимые соединения.
Помимо воды, в числе неорганических веществ клетки нужно назвать соли, представляющие собой ионные соединения. Они образованы катионами калия, натрия, магния и иных металлов и анионами соляной, угольной, серной, фосфорной кислот. При диссоциации таких солей в растворах появляются катионы (К+, Na+, Са2+, Mg2+ и др.) и анионы (СI—, НСО3—, HS04— и др.). Концентрация ионов на внешней поверхности клетки отличается от их концентрации на внутренней поверхности. Разное число ионов калия и натрия на внутренней и внешней поверхности клетки создает разность зарядов на мембране. На внешней поверхности клеточной мембраны очень высокая концентрация ионов натрия, а на внутренней поверхности очень высокая концентрация ионов калия и низкая — натрия. Вследствие этого образуется разность потенциалов между внутренней и внешней поверхностью клеточной мембраны, что обусловливает передачу возбуждения по нерву или мышце.
Ионы кальция и магния являются активаторами многих ферментов, и при недостатке их нарушаются жизненно важные процессы в клетках. Ряд важных функций выполняют в живых организмах неорганические кислоты и их соли. Соляная кислота создает кислую среду в желудке животных и человека и в специальных органах насекомоядных растений, ускоряя переваривание белков пищи. Остатки фосфорной кислоты (Н3Р04), присоединяясь к ряду ферментных и иных белков клетки, изменяют их физиологическую активность. Остатки серной кислоты, присоединяясь к нерастворимым в воде чужеродным веществам, придают им растворимость и способствуют таким образом выведению их из клеток и организмов. Натриевые и калиевые соли азотистой и фосфорной кислот, кальциевая соль серной кислоты служат важными составными частями минерального питания растений, их вносят в почву как удобрения для подкормки растений. Более подробно значение для клетки химических элементов приведено ниже.
Биологически важные химические элементы клетки
- Какова биологическая роль воды в клетке?
- Какие ионы содержатся в клетке? Какова их биологическая роль?
- Какую роль играют содержащиеся в клетке катионы?
xn—-btbgfrbtlnb0l8a.xn--p1ai
Химический состав клетки. Неорганические вещества
Атомный и молекулярный состав клетки. В микроскопической клетке содержится несколько тысяч веществ, которые участвуют в разнообразных химических реакциях. Химические процессы, протекающие в клетке, – одно из основных условий ее жизни, развитии, функционирования.
Все клетки животных и растительных организмов, а также микроорганизмов сходны по химическому составу, что свидетельствует о единстве органического мира.
Содержание химических элементов в клетке
В таблице приведены данные об атомном составе клеток. Из 109 элементов периодической системы Менделеева в клетках обнаружено значительное их большинство. Одни элементы содержатся в клетках в относительно большом количестве, другие – в малом. Особенно велико содержание в клетке четырех элементов – кислорода, углерода, азота и водорода. В сумме они составляют почти 98% всего содержимого клетки. Следующую группу составляют восемь элементов, содержание которых в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента. Это сера, фосфор, хлор, калий, магний, натрий, кальций, железо. В сумме они составляют 1,9%. Все остальные элементы содержатся в клетке в исключительно малых количествах (меньше 0,01%).
Таким образом, в клетке нет каких-нибудь особенных элементов, характерных только для живой природы. Это указывает на связь и единство живой и неживой природы. На атомном уровне различий между химическим составом органического и неорганического мира нет. Различия обнаруживаются на более высоком уровне организации – молекулярном. Как видно из таблицы, в, живых телах наряду с веществами, распространенными в неживой природе, содержится множество веществ, характерных только для живых организмов.
Содержание в клетке химических соединений
Вода. На первом месте среди веществ клетки стоит вода. Она составляет почти 80% массы клетки. Вода – важнейший компонент клетки не только по количеству. Ей принадлежит существенная и многообразная роль в жизни клетки.
Вода определяет физические свойства клетки – ее объем, упругость. Велико значение воды в образовании структуры молекул органических веществ, в частности структуры белков, которая необходима для выполнения их функций. Велико значение воды, как растворителя: многие вещества поступают в клетку из внешней среды в водном растворе и в водном же растворе отработанные продукты выводятся из клетки. Наконец, вода является непосредственным участником многих химических реакций (расщепление белков, углеводов, жиров и др.).
Приспособленность клетки к функционированию в водной среде служит доводом в пользу того, что жизнь на Земле зародилась в воде.
Биологическая роль воды определяется особенностью ее молекулярной структуры, полярностью ее молекул.
Особенности молекулярной структуры воды объясняют и ее свойства как растворителя. Существует много веществ, хорошо растворимых в воде: таковы многие соли, кислоты, щелочи, а из органических веществ – многие спирты, амины, углеводы, белки и др. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными веществами (греч. «гидрос» – вода, «филео» – люблю). Известно также много веществ, плохо или вовсе нерастворимых в воде, например жиры, клетчатка и др. Их называют гидрофобными веществами (греч. «гидрос» вода, «фобос»– страх, ненависть). От чего же зависит гидрофильность или гидрофобность вещества? Вещества гидрофильны, если а их молекуле содержатся группы атомов, способные вступать с молекулами воды в электростатическое взаимодействие или образовывать с ними водородные связи. В клетке содержится много гидрофильных веществ: соли, углеводы, белки, низкомолекулярные органические соединения. Есть в клетке и гидрофобные вещества, например жиры. Тончайший слой гидрофобных веществ входит в состав клеточных мембран. Благодаря этому ограничивается передвижение воды из окружающей среды в клетку и обратно, а также из одних участков клетки в другие.
Соли. К неорганическим веществам клетки, кроме воды, относятся также соли. Для процессов жизнедеятельности из входящих в состав солей катионов наиболее важны K+, Na+, Ca2+, Mg2+, из анионов HPO42-, H2PO4—, Cl—, HCO3—.
Концентрация катионов и анионов в клетке и в среде ее обитания, как правило, резко различна. Так, внутри клетки всегда довольно высокая концентрация ионов калия и очень малая ионов натрия. Напротив, в окружающей клетку среде в плазме крови, в морской воде – мало ионов калия и много ионов натрия. Пока клетка жива, это соотношение ионов внутри и вне клетки стойко поддерживается. После смерти клетки содержание ионов в клетке и в среде быстро выравнивается. Содержащиеся в клетке ионы имеют важное значение для нормального функционирования клетки, а также для поддержания внутри клетки постоянной реакции. Несмотря на то что в процессе жизнедеятельности непрерывно образуются кислоты и щелочи, в норме реакция клетки слабощелочная, почти нейтральная. Это обеспечивается содержащимися в ней анионами слабых кислот (HCO3—, HPO42-) и слабыми кислотами (H2CO3), которые связывают и отдают ионы водорода, в результате чего реакция внутренней среды клетки практически не изменяется.
Неорганические вещества содержатся в клетке не только в растворенном, но и в твердом состоянии. В частности, прочность и твердость костной ткани обеспечиваются фосфатом кальция, а раковин моллюсков, – карбонатом кальция.
О чем свидетельствует сходство химического состава клеток разных организмов? 2. Чем отличается химический состав тел живой и неживой природы? 3. Какова биологическая роль воды в клетке? 4. Назовите ионы неорганических соединений, содержащиеся в клетке.
blgy.ru
