Функции химических элементов в организме человека
⇐ ПредыдущаяСтр 14 из 23Следующая ⇒
Таблица 4.1
Функция макроэлементов в организме
| Элементы | Функция | Недостаток |
| Фосфор | Участвует в построении всех клеток организма, во всех обменных процессах, очень важен для работы мозга, участвует в образовании гормонов. | Хроническая усталость, снижение внимания. Иммунодефицитные состояния. Снижение сопротивляемости к инфекциям. Дистрофические изменения в миокарде. Остеопороз. |
| Кальций | Формирование костной ткани, минерализация зубов. Участие в процессах свертывания крови. Регуляция проницаемости клеточных мембран. Регуляция процессов нервной проводимости и мышечных сокращений. Поддержание стабильной сердечной деятельности. Активатор ферментов и гормонов. | Общая слабость, повышенная утомляемость. Боли, судороги в мышцах. Нарушения процессов роста. Декальцинация скелета, остеопороз, деформация скелета. Нарушения иммунитета. Снижение свертываемости крови, кровоточивость. |
| Магний | Участие в обменных процессах, взаимодействие с калием, натрием, кальцием. Активатор для множества ферментативных реакций. Регуляции нервно-мышечной проводимости, тонуса гладкой мускулатуры | Раздражительность, головные боли, перепады артериального давления, сердцебиения. |
| Калий | Помогает выработке практически всех ферментов. Отвечает за сердечную проводимость и состояние сердечно-сосудистой системы в целом. Формирование электрического потенциала путем обмена с ионами натрия («калиево-натриевый насос») | Сердечные аритмии, сонливость, мышечная слабость, тошнота, задержка мочи, снижение давления. |
| Натрий | Обеспечивает кислотно-щелочное равновесие. Помогает тканям удерживать воду. Формирование электрического потенциала путем обмена с ионами калия («калиево-натриевый насос») | Исхудание, слабость, выпадение волос, кишечные расстройства, судорожные сокращения мышц |
| Железо | Участвует в производстве гемоглобина и дыхательных ферментов. Стимулирует кроветворение. | Железодефицитная анемия и гипоксия. Головные боли, снижение памяти. Замедление умственного и физического развития у детей. Учащенное сердцебиение. Угнетение иммунитета. Увеличение риска развития инфекционных и опухолевых заболеваний. |
Таблица 4. 1 (окончание)
Функция микроэлементв и ультрамикроэлементов в организме человека
| Элементы | Функция | Недостаток |
| Йод | Играет важную роль в образовании гормона щитовидной железы — тироксина. | Нарушаются функции щитовидной железы, а при йододефиците меняется и ее структура — вплоть до развития зоба. |
| Хром | Контролирует переработку сахаров и прочих углеводов, инсулиновый обмен. | Повышение сахара в крови, нарушения усвоения глюкозы, при длительном дефиците может развиться диабет. |
| Медь | Участвует в синтезе красных кровяных телец, коллагена (он отвечает за упругость кожи), обновлении кожных клеток. Способствует правильному усвоению железа. | Анемия, нарушение пигментации волос и кожи, температура ниже нормы, психические расстройства. |
| Селен | Замедляет процессы старения, укрепляет иммунитет. Является естественным антиоксидантом — защищает клетки от рака. | Снижение иммунитета, ухудшение работы сердца |
| Цинк | Помогает клеткам поджелудочной железы вырабатывать инсулин. Участвует в жировом, белковом и витаминном обмене, синтезе ряда гормонов. Стимулирует репродуктивную функцию у мужчин, общий иммунитет, сопротивляемость инфекциям. | Задержка психомоторного развития у детей, облысение, дерматиты, снижение иммунитета и репродуктивной функции, раздражительность, депрессии. |
| Марганец | Участвует в окислительных процессах, обмене жирных кислот и контролирует уровень холестерина. | Нарушение холестеринового обмена, атеросклероз сосудов. |
| Молибден | Стимулирует обмен веществ, помогает нормальному расщеплению жиров. | Нарушения липидного (жирового) и углеводного обмена веществ, проблемы с пищеварением. |
| Фтор | Хрупкость зубной эмали, воспалительные заболевания десен (например, пародонтит). | |
| Кобальт | Активирует ряд ферментов, усиливает производство белков, участвует в выработке витамина В12 и в образовании инсулина. | Дефицит витамина В12, что ведет за собой нарушения обмена веществ. |
Органические вещества
Органические соединения составляют в среднем 20–30% массы клетки живого организма. К ним относятся биологические полимеры – белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, а также жиры и ряд низкомолекулярных органических веществ – аминокислоты, простые сахара, нуклеотиды и т.д.
Полимеры – сложные разветвленные или линейные молекулы, при гидролизе распадающиеся до мономеров. Если полимер состоит из одного вида мономеров, то такой полимер называют гомополимером, если в состав полимерной молекулы входят различные мономеры – то это гетерополимер.
Если группа различных мономеров в полимерной молекуле повторяется – это регулярный гетерополимер, если нет повторения определенной группы мономеров – гетерополимер нерегулярный.
В составе клетки они представлены белками, углеводами, жирами, нуклеиновыми кислотами (ДНК и РНК) и аденозинтрифосфатом (АТФ).
Белки
Из органических веществ клетки по количеству и значению на первом месте стоят белки. Белки, или протеины (от греч. протос – первый, главный) – высокомолекулярные гетерополимеры, органические вещества и распадающиеся при гидролизе до аминокислот.
В состав простых белков (состоящих только из аминокислот) входят углерод, водород, азот, кислород и сера.
Часть белков (сложные белки) образует комплексы с другими молекулами, содержащими фосфор, железо, цинк и медь – это сложные белки, содержащие помимо аминокислот еще и небелковую — простетическую группу. Она может быть представлена ионами металлов (металлопротеины — гемоглобин), углеводами (гликопротеины), липидами (липопротеины), нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеины).
Белки обладают огромной молекулярной массой: Один из белков – глобулин молока – имеет молекулярную массу 42000.
Белки представляют собой нерегулярные гетерополимеры, мономерами которых являются α-аминокислоты. В клетках и тканях обнаружено свыше 170 различных аминокислот, но в состав белков входит лишь 20 α-аминокислот.
В зависимости от того, могут ли аминокислоты синтезироваться в организме, различают: заменимые аминокислоты – десять аминокислот, синтезируемых в организме и незаменимые аминокислоты – аминокислоты, которые в организме не синтезируются. Незаменимые аминокислоты должны поступать в организм вместе с пищей.
В зависимости от аминокислотного состава, белки бывают полноценными, если содержат весь набор незаменимых аминокислот и неполноценными, если какие-то незаменимые аминокислоты в их составе отсутствуют.
Общая формула аминокислот приведена на рисунке. Все α-аминокислоты при α-атоме углерода содержат атом водорода, карбоксильную группу (-СООН) и аминогруппу (-NH2). Остальная часть молекулы представлена радикалом.
Аминогруппа легко присоединяет ион водорода, т.е. проявляет основные свойства. Карбоксильная группа легко отдает ион водорода – проявляет свойства кислоты. Аминокислоты являются амфотерными соединениями, так как в растворе они могут выступать как в роли кислот, так и оснований. В водных растворах аминокислоты существуют в разных ионных формах. Это зависит от рН раствора и от того, какая аминокислота: нейтральная, кислая или основная.
В зависимости от количества аминогрупп и карбоксильных групп, входящих в состав аминокислот, различают нейтральные аминокислоты, имеющие одну карбоксильную группу и одну аминогруппу, основные аминокислоты, имеющие в радикале еще одну аминогруппу и кислые аминокислоты, имеющие в радикале еще одну карбоксильную группу.
Пептиды – органические вещества, состоящие из небольшого количества остатков аминокислот, соединенных пептидной связью. Образование пептидов происходит в результате реакции конденсации аминокислот (рис. 4.6).
При взаимодействии аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группой другой, между ними возникает ковалентная азот-углеродная связь, которую называют пептидной. В зависимости от количества аминокислотных остатков, входящих в состав пептида, различают дипептиды, трипептиды, тетрапептиды и т.д. Образование пептидной связи может повторяться многократно. Это приводит к образованию полипептидов. Если полипептид состоит из большого количества остатков аминокислот, то его уже называют белком. На одном конце молекулы находится свободная аминогруппа (его называют N-концом), а на другом – свободная карбоксильная группа (его называют С-концом).
Структура белковой молекулы
Выполнение белками определенных специфических функций зависит от пространственной конфигурации их молекул, кроме того, клетке энергетически невыгодно держать белки в развернутой форме, в виде цепочки, поэтому полипептидные цепи подвергаются укладке, приобретая определенную трехмерную структуру, или конформацию. Выделяют 4 уровня пространственной организации белков.
Первичная структурабелка – последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи, составляющей молекулу белка. Связь между аминокислотами – пептидная.
Первичная структура белковой молекулы определяет свойства молекул белка и ее пространственную конфигурацию. Замена всего лишь одной аминокислоты на другую в полипептидной цепочке приводит к изменению свойств и функций белка.
Например, замена в b-субъединице гемоглобина шестой глутаминовой аминокислоты на валин приводит к тому, что молекула гемоглобина в целом не может выполнять свою основную функцию – транспорт кислорода (в таких случаях у человека развивается заболевание – серповидноклеточная анемия).
Первым белком, у которого была выявлена аминокислотная последовательность, стал гормон инсулин. Исследования проводились в Кембриджском университете Ф.Сэнгером с 1944 по 1954 год. Было выявлено, что молекула инсулина состоит из двух полипептидных цепей (21 и 30 аминокислотных остатков), удерживаемых около друг друга дисульфидными мостиками. За свой кропотливый труд Ф.Сэнгер был удостоен Нобелевской премии.
Рис. 4.6. Первичное строение молекулы белка
Вторичная структура – упорядоченное свертывание полипептидной цепи в α-спираль (имеет вид растянутой пружины) и β-структра (складчатый слой). В α-спирали NH-группа данного остатка аминокислоты взаимодействует с СО-группой четвертого от нее остатка. Практически все «СО-» и «NН-группы» принимают участие в образовании водородных связей. Они слабее пептидных, но, повторяясь многократно, придают данной конфигурации устойчивость и жесткость. На уровне вторичной структуры существуют белки: фиброин (шелк, паутина), кератин (волосы, ногти), коллаген (сухожилия).
Третичная структура — укладка полипептидных цепей в глобулы, возникающей в результате возникновения химических связей (водородных, ионных, дисульфидных) и установления гидрофобных взаимодействий между радикалами аминокислотных остатков. Основную роль в образовании третичной структуры играют гидрофильно-гидрофобные взаимодействия. В водных растворах гидрофобные радикалы стремятся спрятаться от воды, группируясь внутри глобулы, в то время как гидрофильные радикалы в результате гидратации (взаимодействия с диполями воды) стремятся оказаться на поверхности молекулы.
У некоторых белков третичная структура стабилизируется дисульфидными ковалентными связями, возникающими между атомами серы двух остатков цистеина. На уровне третичной структуры существуют ферменты, антитела, некоторые гормоны. По форме молекулы различают белки глобулярные и фибриллярные. Если фибриллярные белки выполняют в основном опорные функции, то глобулярные белки растворимы и выполняют множество функций в цитоплазме клеток или во внутренней среде организма.
Четвертичная структура характерна для сложных белков, молекулы которых образованы двумя и более глобулами. Субъединицы удерживаются в молекуле исключительно при помощи нековалентных связей, в первую очередь водородных и гидрофобных.
Наиболее изученным белком, имеющим четвертичную структуру, является гемоглобин. Он образован двумя a-субъединицами (141 аминокислотный остаток) и двумя b-субъединицами (146 аминокислотных остатков).С каждой субъединицей связана молекула гема, содержащая железо. Многие белки с четвертичной структурой занимают промежуточное положение между молекулами и клеточными органеллами – например микротрубочки цитоскелета состоят из белка тубулина, состоящего из двух субъединиц. Трубочка удлиняется в результате присоединения димеров к торцу.
Если по каким-либо причинам пространственная конформация белков отклоняется от нормальной, белок не может выполнять свои функции
Рис. 4.7. Структуры молекул белка
Свойства белков
- Белки являются амфотерными соединениями, сочетают в себе основные и кислотные свойства, определяемые радикалами аминокислот. Различают кислые, основные и нейтральные белки. Способность отдавать и присоединять Н+ определяют буферные свойства белков, один из самых мощных буферов — гемоглобин в эритроцитах, поддерживающий рН крови на постоянном уровне.
- Есть белки растворимые, есть нерастворимые белки, выполняющие механические функции (фиброин, кератин, коллаген).
- Есть белки химически активные (ферменты), есть химически неактивные.
- Есть устойчивые к воздействию различных условий внешней среды и крайне неустойчивые. Внешние факторы (изменение температуры, солевого состава среды, рН, радиация) могут вызывать нарушение структурной организации молекулы белка.
- Процесс утраты трехмерной конформации, присущей данной молекуле белка, называют денатурацией. Причиной денатурации является разрыв связей, стабилизирующих определенную структуру белка. Вместе с тем, денатурация не сопровождается разрушением полипептидной цепи.. Изменение пространственной конфигурации приводит к изменению свойств белка и, как следствие, делает невозможным выполнение белком свойственных ему биологических функций.
- Денатурация может быть: обратимой, процесс восстановления структуры белка после денатурации называется ренатурацией. Если восстановление пространственной конфигурации белка невозможно, то денатурация называется необратимой.
- Разрушение первичной структуры белковой молекулы называется деградацией.
Рис. 4.8. Денатурация и ренатурация белка
Функции белков
Белки выполняют в клетке разнообразные функции.
Функциональной активностью обладают белки с третичной структурной организацией, но в большинстве случаев только переход белков третичной организации в четвертичную структуру обеспечивает специфическую функцию.
Ферментативная функция
Все биологические реакции в клетке протекают при участии особых биологических катализаторов — ферментов, а любой фермент — белок, ферменты локализованы во всех органеллах клеток и не только направляют ход различных реакций, но и ускоряют их в десятки и сотни тысяч раз. Каждый из ферментов строго специфичен.
Так, распад крахмала и превращение его в сахар (глюкозу) вызывает фермент амилаза, тростниковый сахар расщепляет только фермент инвертаза и т.д.
Многие ферменты давно уже применяют в медицинской, а также в пищевой (хлебопечение, пивоварение и др.) промышленности.
Ферменты специфичны – могут катализировать один тип реакций – в активный центр попадает определенная молекула субстрата.
Поскольку почти все ферменты являются белками (есть рибозимы, РНК, катализирующие некоторые реакции), их активность наиболее высока при физиологически нормальных условиях: большинство ферментов наиболее активно работает только при определенной температуре, рН, скорость зависит от концентрации фермента и субстрата.
При повышении температуры до некоторого значения (в среднем до 50°С) каталитическая активность растет (на каждые 10°С скорость реакции повышается примерно в 2 раза).
Структурная функция
Белки входят в состав всех мембран, окружающих и пронизывающих клетку, и органелл.
В соединении с ДНК белок составляет тело хромосом, а в соединении с РНК — тело рибосом.
Растворы низкомолекулярных белков входят в состав жидких фракций клеток.
Регуляторная функция
Некоторые белки являются гормонами — биологически активными веществами, выделяющиеся в кровь различными железами, которые принимают участие в регуляции процессов обмена веществ.
Гормоны инсулин и глюкагон регулирует уровень углеводов в крови.
Транспортная функция
Именно с белками связан перенос кислорода, а также гормонов в теле животных и человека (его осуществляет белок крови гемоглобин).
Двигательная функция
Все виды двигательных реакций клетки выполняются особыми сократительными белками актином и миозином, которые обусловливают сокращение мускулатуры, движение жгутиков и ресничек у простейших, перемещение хромосом при делении клетки, движение растений.
Защитная функция
Многие белки образуют защитный покров, предохраняющий организм от вредных воздействий, например роговые образования — волосы, ногти, копыта, рога. Это механическая защита. В ответ на внедрение в организм чужеродных белков (антигенов) в клетках крови вырабатываются вещества белковой природы (антитела), которые обезвреживают их, предохраняя организм от повреждающего действия. Это иммунологическая защита.
Энергетическая функция
Белки могут служить источником энергии. Расщепляясь до конечных продуктов распада — диоксида углерода, воды и азотсодержащих веществ, они выделяют энергию, необходимую для многих жизненных процессов в клетке 17,6 Кдж.
Рецепторная функция
Белки-рецепторы – встроенные в мембрану молекулы белков, способных изменять свою структуру в ответ на присоединение определенного химического вещества.
Запасающая функция
Эту функцию выполняют так называемые резервные белки, являющиеся источниками питания для плода, например белки яйца (овальбумины). Основной белок молока (казеин) также выполняет главным образом питательную функцию.
Ряд других белков используется в организме в качестве источника аминокислот, которые в свою очередь являются предшественниками биологически активных веществ, регулирующих процессы метаболизма.
Токсическая функция
Токсины, токсичные вещества природного происхождения. Обычно к токсинам относят высокомолекулярные соединения (белки, полипептиды и др.), при попадании которых в организм происходит выработка антител.
По мишени действия токсины разделяют на следующие группы:
-гематические яды — яды, затрагивающие кровь.
-нейротоксины — яды, поражающие нервную систему и мозг.
-миоксичные яды — яды, повреждающие мышцы.
-гемотоксины — токсины, которые повреждают кровеносные сосуды и вызывают кровотечение.
-гемолитические токсины — токсины, которые повреждают эритроциты.
-нефротоксины — токсины, которые повреждают почки.
-кардиотоксины — токсины, которые повреждают сердце.
-некротоксины — токсины, которые разрушают ткани, вызывая их омертвление (некроз).
Ядовитые вещества фаллотоксины и аматоксины содержатся в различных видах: бледной поганке, мухоморе вонючем, весеннем.
Углеводы
Углеводы, или сахариды, — органические вещества, в состав которых входит углерод, кислород, водород. Углеводы составляют около 1% массы сухого вещества в животных клетках, а в клетках печени и мышц — до 5%. Наиболее богаты углеводами растительные клетки (до 90% сухой массы).
Химический состав углеводов характеризуется их общей формулой Сm(Н2О)n, где m≥n. Количество атомов водорода в молекулах углеводов, как правило, в два раза больше атомов кислорода (то есть как в молекуле воды). Отсюда и название — углеводы.
В растительных клетках их значительно больше, чем в животных. Углеводы содержат только углерод, водород и кислород.
К простейшим углеводам относятся простые сахара (моносахариды). Они содержат пять (пентозы) или шесть (гексозы) атомов углерода и столько же молекул воды.
Примерами моносахаридов могут служить глюкоза и фруктоза, находящиеся во многих плодах растений. Кроме растений глюкоза входит также в состав крови.
Сложные углеводы состоят из нескольких молекул простых углеводов. Из двух моносахаридов образуется дисахарид.
Пищевой сахар (сахароза), например, состоит из молекулы глюкозы и молекулы фруктозы.
Значительно большее число молекул простых углеводов входит в такие сложные углеводы, как крахмал, гликоген, клетчатка (целлюлоза).
В молекуле клетчатки, например, от 300 до 3000 молекул глюкозы.
Функции углеводов
Энергетическаяфункция
одна из основных функций углеводов. Углеводы (глюкоза) – основные источники энергии в животном организме. Обеспечивают до 67% суточного энергопотребления (не менее 50%). При расщеплении 1 г углевода выделяется 17,6 кДж, вода и углекислый газ.
Запасающаяфункция
выражается в накоплении крахмала клетками растений и гликогена клетками животных, которые играют роль источников глюкозы, легко высвобождая ее по мере необходимости.
Опорно-строительнаяфункция
Углеводы входят в состав клеточных мембран и клеточных стенок (целлюлоза входит в состав клеточной стенки растений, из хитина образован панцирь членистоногих, муреин образует клеточную стенку бактерий). Соединяясь с липидами и белками, образуют гликолипиды и гликопротеины. Рибоза и дезоксирибоза входят в состав мономеров нуклеотидов.
Рецепторнаяфункция
Олигосахаридные фрагменты гликопротеинов и гликолипидов клеточных стенок выполняют рецепторную функцию, воспринимая сигналы, поступающие из внешней среды.
Защитная функция
Слизи, выделяемые различными железами, богаты углеводами и их производными (например, гликопротеинами). Они предохраняют пищевод, кишечник, желудок, бронхи от механических повреждений, препятствуют проникновению в организм бактерий и вирусов.
Липиды
Липиды – сборная группа органических соединений, не имеющих единой химической характеристики. Их объединяет то, что все они нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях (эфире, хлороформе, бензине).
Липиды содержатся во всех клетках животных и растений. Содержание липидов в клетках составляет до 5%, но в жировой ткани может иногда достигать 90%.
Различают простые и сложные липиды.
Простые липиды, представляют собой двухкомпонентные вещества, являющиеся сложными эфирами высших жирных кислот и какого-либо спирта, чаще – глицерина.
Сложные липиды состоят имеют многокомпонентные молекулы.
Из простых липидов рассмотрим жиры и воска.
Жиры широко распространены в природе. Жиры – это сложные эфиры высших жирных кислот и трехатомного спирта – глицерина. В химии эту группу органических соединений принято называть триглицеридами, так как все три гидроксильные группы глицерина связаны с жирными кислотами.
В составе триглицеридов обнаружено более 500 жирных кислот, молекулы которых имеют сходное строение.
Как и аминокислоты, жирные кислоты имеют одинаковую для всех кислот группировку – гидрофильную карбоксильную группу (–СООН) и гидрофобный радикал, которым они отличаются друг от друга. Поэтому общая формула жирных кислот имеет вид R-CООН. Радикал представляет собой углеводородный хвост, отличающийся у разных жирных кислот количеством группировок –СН2.
Большая часть жирных кислот содержит в «хвосте» четное число атомов углерода, от 14 до 22 (чаще всего 16 или 18). Кроме того, углеводородный хвост может содержать различное количество двойных связей. По наличию или отсутствию двойных связей в углеводородном хвосте различают насыщенные жирные кислоты, не содержащие в углеводородном хвосте двойных связей и ненасыщенные жирные кислоты, имеющие двойные связи между атомами углерода (-СН=СН-). Если в триглицеридах преобладают насыщенные жирные кислоты, то они твердые при комнатной температуре (жиры), если ненасыщенные – жидкие (масла). Плотность жиров ниже, чем у воды, поэтому в воде они всплывают и находятся на поверхности.
Воска – группа простых липидов, представляющих собой сложные эфиры высших жирных кислот и высших высокомолекулярных спиртов. Встречаются как в животном, так и в растительном царстве, где выполняют главным образом защитные функции.
У растений они, например, покрывают тонким слоем листья, стебли и плоды, предохраняя их от смачивания водой и проникновения микроорганизмов. От качества воскового покрытия зависят сроки хранения фруктов. Под покровом пчелиного воска хранится мед и развиваются личинки.
К сложным липидам относятся фосфолипиды, гликолипиды, липопротеины, стероиды, стероидные гормоны, витамины А,D,E,K.
Фосфолипиды – сложные эфиры многоатомных спиртов с высшими жирными кислотами, содержащие остаток фосфорной кислоты. Иногда с ней могут быть связаны добавочные группировки (азотистые основания, аминокислоты).
Как правило, в молекуле фосфолипидов имеется два остатка высших жирных и один остаток фосфорной кислоты. Фосфолипиды присутствуют во всех клетках живых существ, участвуя главным образом в формировании фосфолипидного бислоя клеточных мембран – остатки фосфорной кислоты гидрофильны и всегда направлены к внешней и внутренней поверхности мембраны, а гидрофобные хвосты направлены друг к другу внутри мембраны.
Гликолипиды – это углеводные производные липидов. В состав их молекул наряду с многоатомным спиртом и высшими жирными кислотами входят также углеводы. Они локализованы преимущественно на наружной поверхности плазматической мембраны, где их углеводные компоненты входят в число других углеводов клеточной поверхности.
Липопротеины – липидные молекулы, связанные с белками. Их очень много в мембранах, белки могут пронизывать мембрану насквозь, находится под- или над мембраной, могут быт погружены в липидный бислой на различную глубину.
Липоиды – жироподобные вещества. К ним относятся стероиды (широко распространенный в животных тканях холестерин и его производные – гормоны коры надпочечников – минералокортикоиды, глюкокортикоиды, эстрадиол и тестостерон – соответственно женский и мужской половые гормоны). К липоидам относятся терпены (эфирные масла, от которых зависит запах растений), гиббереллины (ростовые вещества растений), некоторые пигменты (хлорофилл, билирубин), жирорастворимые витамины (А, D, E, K ).
Функции липидов показаны в таблице 4.1.
Таблица 4.2.
Функции жиров
| Энергетическая | Основная функция триглицеридов. При расщеплении 1 г липидов выделяется 38,9 кДж |
| Структурная | Фосфолипиды, гликолипиды и липопротеины принимают участие в образовании клеточных мембран. |
| Запасающая | Жиры и масла являются резервным пищевым веществом у животных и растений. Важно для животных, впадающих в холодное время года в спячку или совершающих длительные переходы через местность, где нет источников питания Масла семян растений необходимы для обеспечения энергией проростка. |
| Защитная | Прослойки жира и жировые капсулы обеспечивают амортизацию внутренних органов. Слои воска используются в качестве водоотталкивающего покрытия у растений и животных. |
| Теплоизоляционная | Подкожная жировая клетчатка препятствует оттоку тепла в окружающее пространство. Важно для водных млекопитающих или млекопитающих, обитающих в холодном климате. |
| Регуляторная | Гиббереллины регулируют рост растений. Половой гормон тестостерон отвечает за развитие мужских вторичных половых признаков. Половой гормон эстроген отвечает за развитие женских вторичных половых признаков, регулирует менструальный цикл. Минералокортикоиды (альдостерон и др.) контролируют водно-солевой обмен. Глюкокортикоиды (кортизол и др.) принимают участие в регуляции углеводного и белкового обменов. |
| Источник метаболической воды | При окислении 1 кг жира выделяется 1,1 кг воды. Важно для обитателей пустынь. |
| Каталитическая | Жирорастворимые витамины A, D, E, K являются кофакторами ферментов, т. е., сами по себе эти витамины не обладают каталитической активностью, но без них ферменты не могут выполнять свои функции. |
Рис. 9. Химическое строение липидов и углеводов
Аденозинтрифосфат (АТФ)
Входит в состав любой клетки, где он выполняет одну из важнейших функций — накопителя энергии. Молекулы АТФ состоят из азотистого основания аденина, углевода рибозы и трех молекул фосфорной кислоты.
Неустойчивые химические связи, которыми соединены молекулы фосфорной кислоты в АТФ, очень богаты энергией (макроэргические связи): при разрыве этих связей энергия высвобождается и используется в живой клетке для обеспечения процессов жизнедеятельности и синтеза органических веществ.
Рис. 4.10. Строение молекулы АТФ
4.4. Практическое задание
Рекомендуемые страницы:
lektsia.com
Значение важнейших химических элементов и соединений для клетки и организма
Элементный состав организма
По химическому составу клетки разных организмов могут заметно отличаться, однако состоят они из одинаковых элементов. В клетках обнаружено около 70 элементов периодической таблицы Д.И. Менделеева, но только 24 из них имеют важное значение и встречаются в живых организмах постоянно.
Макроэлементы – кислород, углеводород, водород, азот – входят в состав молекул органических веществ. К макроэлементам в последнее время относят калий, натрий, кальций, сера, фосфор, магний, железо, хлор. Их содержание в клетке составляет десятые и сотые доли процента.
Магний входит в состав хлорофилла; железо – гемоглобина; фосфор – костной ткани, нуклеиновых кислот; кальций – костей, черепашек моллюсков, сера – в состав белков; калий, натрий и хлор-ионы берут участие в смене потенциала клеточной мембраны.
Микроэлементы представлены в клетке сотыми и тысячными долями процента. Это цинк, медь, йод, фтор, молибден, бор и др.
Микроэлементы входят в состав ферментов, гормонов, пигментов.
Ультрамикроэлементы – элементы, содержание которых в клетке не превышает 0,000001%. Это уран, золото, ртуть, цезий и др.
Вода и её биологическое значение
Вода количественно занимает среди химических соединений первое место во всех клетках. В зависимости от типа клеток, их функционального состояния, вида организма и условий его нахождения её содержание в клетках существенно колеблется.
Клетки костной ткани содержат не больше 20% воды, жировой ткани – около 40%, мышечные клетки – 76%, а клетки зародыша – более 90%.
Замечание 1
В клетках любого организма с возрастом количество воды заметно уменьшается.
Отсюда – вывод, что чем выше функциональная активность организма в целом и каждой клетки отдельно тем большим в них есть содержание воды, и наоборот.
Замечание 2
Обязательным условием жизненной активности клеток является наличие воды. Она является основной частью цитоплазмы, поддерживает её структуру и стойкость коллоидов, входящих в состав цитоплазмы.
Роль воды в клетке определяется её химическими и структурными свойствами. Прежде всего это связано с небольшим размером молекул, их полярностью и способностью соединяться с помощью водородных связей.
Водородные связи образуются при участии атомов водорода, соединённых с электронегативным атомом (обычно кислородом или азотом). При этом атом Гидрогена приобретает настолько большой позитивный заряд, что может образовать новую связь с другим электронегативным атомом (кислорода или азота). Так же связываются друг с другом молекулы воды, у которых один конец имеет позитивный заряд, а другой – негативный. Такую молекулу называют диполем. Более электронегативный атом кислорода одной молекулы воды притягивается к позитивно заряженному атому водорода другой молекулы с образованием водородной связи.
Благодаря тому, что молекулы воды полярные и способны образовывать водородные связи, вода является совершенным растворителем для полярных веществ, которые называются гидрофильными. Такими являются соединения ионного характера, в которых заряженные частички (ионы) диссоциируют (разделяются) в воде при растворении вещества (соли). Такую же способность имеют и некоторые неионные соединения, в молекуле которых находятся заряженные (полярные) группы (в сахарах, аминокислотах, простых спиртах это ОН-группы). Вещества, состоящие из неполярных молекул (липиды), в воде практически нерастворимы, то есть они гидрофобы.
При переходе вещества в раствор, его структурные частички (молекулы или ионы) приобретают возможность двигаться свободнее, а, соответственно, возрастает реакционная способность вещества. Благодаря этому вода является основной средой, где происходит большинство химических реакций. Кроме того, все окислительно-восстановительные реакции и реакции гидролиза проходят при непосредственном участии воды.
Вода имеет наибольшую удельную теплоёмкость среди всех известных веществ. Это означает, что при существенном увеличении тепловой энергии температура воды повышается сравнительно немного. Это обусловлено использованием значительного количества этой энергии на разрыв водородных связей, которые ограничивают подвижность молекул воды.
Благодаря большой теплоёмкости вода служит защитой для тканей растений и животных от сильного и быстрого повышения температуры, а высокая теплота парообразования является основой для надёжной стабилизации температуры тела организма. Необходимость значительного количества энергии для испарения воды вызвана тем, что между её молекулами существуют водородные связи. Эта энергия поступает из окружающей среды, потому испарение сопровождается охлаждением. Этот процесс можно наблюдать во время потоотделения, в случае тепловой задышки у собак, важна она и в процессе охлаждения транспирирующих органов растений, особенно в пустынных условиях и в условиях сухих степей и периодов засухи в других регионах.
Вода имеет так же высокую теплопроводность, чем обеспечивается равномерное распределение тепла по организму. Таким образом нет риска возникновения локальных «горячих точек», которые могут стать причиной повреждения элементов клеток. Значит, высокая удельная теплоёмкость и высокая для жидкости теплопроводность делают воду идеальной средой для поддержания оптимального теплового режима организма.
Для воды характерно высокое поверхностное натяжение. Это её свойство очень важно для адсорбционных процессов, движения растворов по тканях (кровообращение, восходящее и нисходящее движение по растению и т.п.).
Вода используется как источник кислорода и водорода, которые выделяются во время световой фазы фотосинтеза.
К важным физиологическим свойствам воды относится её способность растворять газы ($O_2$, $CO_2$ и др.). Кроме того, вода как растворитель участвует в процессе осмоса, что играет важную роль в жизнедеятельности клеток и организма.
Свойства углеводорода и его биологическая роль
Если не брать во внимание воду, можно сказать, что большая часть молекул клетки принадлежит к углеводородным, так называемым органическим, соединениям.
Замечание 3
Углеводород, имея уникальные химические способности, фундаментальные для жизни, составляет её химическую основу.
Благодаря небольшому размеру и наличию на внешней оболочке четырёх электронов атом углеводорода может образовывать четыре крепких ковалентных связи с другими атомами.
Самое важное значение имеет способность атомов углеводорода соединяться друг с другом, образуя цепи, кольца и, в конце концов, скелет больших и сложных органических молекул.
К тому же углеводород легко образует ковалентные связи с другими биогенными элементами (обычно с $H, Mg, P, O, S$). Именно этим объясняется существование астрономического количества разнообразных органических соединений, которые обеспечивают существование живых организмов во всех его проявлениях. Разнообразие их проявляется в структуре и размерах молекул, их химических свойствах, степени насыщенности карбонового скелета и различной форме молекул, что определяется углами внутримолекулярных связей.
Биополимеры
Это высокомолекулярные (молекулярная масса 103 – 109) органические соединения, макромолекулы которых состоят из большого количества звеньев, которые повторяются, — мономеров.
К биополимерам относятся белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и их производные (крахмал, гликоген, целлюлоза, гемицеллюлоза, пектиновые вещества, хитин и пр.). Мономерами для них являются соответственно аминокислоты, нуклеотиды и моносахариды.
Замечание 4
Около 90% сухой массы клетки составляют биополимеры: у растений преобладают полисахариды, а у животных – белки.
Пример 1
В клетке бактерий находится около 3 тыс. видов белков и 1 тыс. нуклеиновых кислот, а у человека количество белков оценивают в 5 млн.
Биополимеры не только образуют структурную основу живых организмов, но и в процессах жизнедеятельности играют проводящую роль.
Структурной основой биополимеров являются линейные (белки, нуклеиновые кислоты, целлюлоза) или разветвлённые (гликоген) цепи.
Такая структура обусловливает ряд характерных свойств:
для взаимодействия биополимеров характерна кооперативность, то есть тесная взаимосвязь всех функциональных групп. Это значит, что одни группы биополимера, взаимодействуя, изменяют характер взаимодействия других его групп.
Пример 2
Примером такого кооперативного взаимодействия является связывание гемоглобином – белком эритроцитов крови – молекул кислорода в процессе дыхания.
Полимеры имеют способность образовывать интерполимерные комплексы, возникающие между отдельными частями молекулы или между различными молекулами.
Замечание 5
Все основные биологические процессы в организме — биосинтез белков и нуклеиновых кислот, имунные реакции, реакции обмена веществ — и осуществляются благодаря образованию биополимерных комплексов и другим свойствам биополимеров.
spravochnick.ru
Химические элементы клетки | Student Guru
Клетки живых организмов по своему химическому составу значительно отличаются от окружающей их неживой среды и по структуре химических соединений, и по набору и содержанию химических элементов. Всего в живых организмах присутствует (обнаружено на сегодняшний день) около 90 химических элементов, которые, в зависимости от их содержания, разделяют на 3 основных группы: макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.
Макроэлементы.
Макроэлементы в значительных количествах представлены в живых организмах, начиная от сотых долей процента до десятков процентов. Если содержание какого-либо химического вещества в организме превышает 0.005% от массы тела, такое вещество относят к макроэлементам. Они входят в состав основных тканей: крови, костей и мышц. К ним относятся, например, следующие химические элементы: водород, кислород, углерод, азот, фосфор, сера, натрий, кальций, калий, хлор. Макроэлементы в сумме составляют около 99% от массы живых клеток, причем большая часть (98%) приходится именно на водород, кислород, углерод и азот.
В таблице ниже представлены основные макроэлементы в организме:
| Элемент | Символ |
| Главные макроэлементы (99.3 % всех атомов) | |
| Водород | H (63%) |
| Кислород | O (26%) |
| Углерод | C (9%) |
| Азот | N (1 %) |
| Другие макроэлементы (0.7 % всех атомов) | |
| Кальций | Ca |
| Фосфор | P |
| Калий | K |
| Сера | S |
| Натрий | Na |
| Хлор | Cl |
| Магний | Mg |
Для всех четырех самых распространенных в живых организмах элементов (это водород, кислород, углерод, азот, как было сказано ранее) характерно одно общее свойство. Этим элементам не хватает одного или нескольких электронов на внешней орбите для образования стабильных электронных связей. Так, атому водорода для образования стабильной электронной связи не хватает одного электрона на внешней орбите, атомам кислорода, азота и углерода — двух, трех и четырех электронов соответственно. В связи с этим, эти химические элементы легко образуют ковалентные связи за счет спаривания электронов, и могут легко взаимодействовать друг с другом, заполняя свои внешние электронные оболочки. Кроме этого, кислород, углерод и азот могут образовывать не только одинарные, но и двойные связи. В результате чего существенно увеличивается количество химических соединений, которые могут образовываться из этих элементов.
Кроме того, углерод, водород и кислород — наиболее легкие среди элементов, способных образовывать ковалентные связи. Поэтому они оказались наиболее подходящими для образования соединений, входящих в состав живой материи. Необходимо отметить отдельно еще одно важное свойство атомов углерода — способность образовывать ковалентные связи сразу с четырьмя другими атомами углерода. Благодаря этой способности создаются каркасы из огромного количества разнообразных органических молекул.
Микроэлементы.
Хотя содержание микроэлементов не превышает 0,005% для каждого отдельного элемента, а в сумме они составляют всего лишь около 1% массы клеток, микроэлементы необходимы для жизнедеятельности организмов. При их отсутствии или недостаточном содержании могут возникать различные заболевания. Многие микроэлементы входят в состав небелковых групп ферментов и необходимы для осуществления их каталитической функции.
Например, железо является составной частью гема, который входит в состав цитохромов, являющихся компонентами цепи переноса электронов, и гемоглобина — белка, который обеспечивает транспорт кислорода от легких к тканям. Дефицит железа в организме человека вызывает развитие анемии. А недостаток йода, входящего в состав гормона щитовидной железы — тироксина, приводит к возникновению заболеваний, связанных с недостаточностью этого гормона, таких как эндемический зоб или кретинизм.
Примеры микроэлементов представлены в таблице ниже:
| Элемент | Символ |
| Микроэлементы (менее 0.01% всех атомов) | |
| Железо | Fe |
| Йод | I |
| Медь | Cu |
| Цинк | Zn |
| Марганец | Mn |
| Кобальт | Co |
| Хром | Cr |
| Селен | Se |
| Молибден | Mo |
| Фтор | F |
| Олово | Sn |
| Кремний | Si |
| Ванадий | V |
Ультрамикроэлементы.
В состав группы ультрамикроэлементов входят элементы, содержание которых в организме крайне мало (менее 10-12 %). К ним относятся бром, золото, селен, серебро, ванадий и многие другие элементы. Большинство из них также необходимы для нормального функционирования живых организмов. Например, нехватка селена может привести к возникновению раковых заболеваний, а недостаток бора — причина некоторых заболеваний у растений. Многие элементы этой группы также, как и микроэлементы, входят в состав ферментов.
Перейти к оглавлению.
from your own site.
www.studentguru.ru
Роль химических элементов в жизни клеток.
Таблица№2. «Роль химических элементов в жизни клеток».
| Макроэлементы: N, O, C, H- органогенные элементы, входящие в состав всех веществ в организме. Также к макроэлементам относят: | |
| Ca, CaCO3, Ca3(PO4)2 | Образует ткани зубов и скелета |
| K, Na, Cl, P | Находятся в составе солей, участвуют в поддержании осмотического давления в клетке. |
| S | 1.содержится в составе некоторых аминокислот (метионина, цистеина). 2. также важна для нормального функционирования кожи и роста волос. 3. дисульфидные связи (S-S) поддерживают третичную форму белка. 4.входит в состав витаминов (В1) 5. в составе эфирных масел лука, редьки играет защитную функцию. |
| P | 1. Входит в состав нуклеиновых кислот, ДНК, РНК, АТФ. 2. Фосфолипиды входят в состав мембран клетки ткани. |
| Mg | Входит в состав хлорофилла и некоторых других ферментов. |
| Fe | Входит в состав ферментов, участвующих в синтезе АТФ. Содержится в транспортных белках гемоглобине и миоглобине. |
| Cl | Содержится в соляной кислоте, которая входит в состав желудочного сока. |
| Микроэлементы: | |
| Cu | В составе фермента гемоцианина, придающего голубой цвет гемолимфе членистоногих и моллюсков. Является составной частью ферментов, участвующих в клеточном дыхании. |
| Zn | Входит в состав инсулина и более 100 ферментов. |
| Co | Содержится в витамине В12, регулирующем кроветворную функцию. |
| I | Содержится в гормоне тироксине, вырабатывающимся щитовидной железой. В организме повышает интенсивность окислительных реакций в клетках и выделение тепла, участвует в процессах роста и развития, поддерживает гормональную возбудимость нервных центров и сердечной мышцы. |
| F | Содержится в костной ткани и в дентине и эмали зубов. |
Молекулярный состав клеток
Химические элементы входят в состав клеток в виде ионов или компонентов молекул неорганических и органических веществ.
Неорганические вещества – относительно простые вещества, в состав которых необязательно входит углерод.
Такие вещества встречаются как в живой, так и в неживой природе.
Неорганическими веществами в клетке являются:
А) Вода(70 — 80%)
Б) Минеральные вещества (1 — 2%)
Органические вещества – сложные химические высокомолекулярные соединения углерода, синтезирующиеся живыми организмами.
К органическим веществам относят:
А) Белки(10 – 20%)
Б) Жиры и липиды (1 – 5%)
В) Углеводы (1 – 2%)
Г) Нуклеиновые кислоты (1 – 2%)
Вода как часть живой клетки.
Вода – одно из самых распространенных веществ и преобладающий компонент в клетке.
Основной частью клетки является вода(70 – 80%).
В человеческом теле содержание воды в разных клетках неодинаково и зависит от уровня обмена веществ.
Вода в клетках находится в 3 формах:
· Свободная (95% от всей воды организма)
· Связанная (4 – 5%)
· Обменная (ее количество зависти от состояния клетки).
Физические свойства воды
Уникальные физико-химические свойства воды определяются:
1. Малыми размерами молекул воды.
2. Полярностью каждой молекулы воды.
3. Способностью молекул соединяться друг с другом посредством водородных связей.
Образование водородных связей
В молекуле воды кислород связан с двумя атомами водорода. Кислород, как более сильный элемент, притягивает электронное облако атома водорода, и молекула становится диполем, т.е. молекулой, один конец которой имеет частично положительный заряд, а другой конец — частично отрицательный. По законам физики, разноименные заряды притягиваются, поэтому молекулы как бы «склеиваются». Возникают водородные связи.
Но молекула способна образовывать 4 связи, и эта возможность влияет на физико-химические свойства воды: большая теплоемкость, парообразование (объясняется тем, что большая часть тепла уходит на разрыв водородных связей).
Биологическая роль воды
1. Универсальный растворитель (в клетке множество реакций могут происходить только в водной среде). По отношению к воде вещества делятся на гидрофильные (хорошо растворимые — соли, кислоты, простые сахара, спирты, щелочи) и гидрофобные (плохорастворимые или нерастворимые – жиры, нуклеиновые кислоты, белки).
2. Вода – среда для многих физиологических и биохимических процессов, все реакции гидролиза (расщепления) происходят с участием ферментов в водной среде.
3. Вода определяет физические свойства клеток (упругость, пластичность) благодаря тургорному давлению.
4. Вода – терморегулятор, благодаря большой теплоемкости и большой теплоте испарения.
5. Адгезия – процесс сцепления молекул различных тел друг с другом под действием сил притяжения.
Когезия – процесс сцепления молекул одного вещества между собой под действием сил притяжения.
6. Вода является источником кислорода в процессе фотосинтеза.
Неорганические ионы, их роль.
Минеральные вещества в клетке представлены солями, которые диссоциируют на ионы. Для процессов жизнедеятельности наиболее важны:
Катионы Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Mn2+; анионы Сl—, HCO3—, HPO42-,H2PO4—.
Концентрация катионов и анионов в клетке и окружающей среде различно и поддерживается на постоянном уровне (внутри клетки преобладают катионы K+, а вне клетки Na+ и Сl—).
Благодаря разной концентрации ионов, образуются разные потенциалы на наружной и внутренней мембране клетки, обеспечивая возбуждение по нервному и мышечному волокну.
Биологическое значение:
1. Na+, K+, и Cl— участвуют в проведении импульсов и обеспечении раздражимости.
2. Ca2+, Mg2+, Mn2+ необходимы для функционирования многих ферментов и витаминов.
3. Mg2+ входит в состав хлорофилла и необходим для синтеза углеводов.
4. Являются компонентами буферных систем – систем, регулирующих слабо-щелочную реакцию содержания клетки на постоянном уровне.
Роль неорганических веществ в жизнедеятельности организма
1. HCl входит в состав желудочного сока и участвует в переваривании белков.
2. Остатки H2SO4 выводят нерастворимые вещества из организма.
3. Соли Ca2+ и P входят в состав костной ткани.
4. Соли Na+, Ca2+, Mg2+ являются важными компонентами питания растений.
Органические вещества клетки.
Они составляют 20-30% от массы клетки. К ним относятся:
1. Биополимеры (белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты)
2. Жиры и ряд низкомолекулярных веществ (аминокислоты и т.п.).
В состав обязательно входят атомы углерода, способные вступать в прочные связи и образовывать различные соединения.
Большинство органических веществ обладает огромной массой и их молекулы называют макромолекулами. В зависимости от массы молекулы различают высокомолекулярные (биополимеры) и низкомолекулярные (мономеры).
Биополимеры – высокомолекулярные вещества, служащие структурными компонентами и играющие важную роль (белки, полисахариды, ДНК, РНК).
Структурными частями являются мономеры (аминокислоты, моносахариды, нуклеотиды).
В зависимости от строения различают:
| Регулярные | Нерегулярные |
| Одинаковые по строению мономеры | Различные по строению звенья |
| -А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А- | -А-В-С-А-В-С-В-А-С-В-А-А-В-С-С-А-В-С-А-В- |
| Полисахариды | Белки, нуклеиновые кислоты |
Пептиды.
Пептиды – органические вещества, состоящие из остатков аминокислот, соединенных пептидной связью.
Пептидная связь – ковалентная химическая связь, возникающая между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой аминокислоты.
| До 10 остатков — аминопептиды | Более 10 остатков — полипептиды |
Белки.
Белки – высокомолекулярные органические вещества, состоящие из мономеров аминокислот.
Химический состав: C, H, O, N и S, Fe, P.
Имеют огромную молекулярную массу. Альбумин – 36000; гемоглобин – 152000.
Мономерами белков являются аминокислоты (АК).
АК – класс органических соединений, содержащих карбоксильную группу (СООН) и амино-группу (NH2), имеющий свойства, как кислот, так и оснований.
По составу:
| Простые (протеины) – только из АК. | Сложные (протеиды) – кроме АК имеется небелковая часть. |
| Липопротеиды – в составе мембран | |
| Гликопротеиды – ферменты | |
| Фосфопротеиды — казеин | |
| Гемопротеиды – гемоглобин | |
| Нуклеопротеиды – ДНК, РНК, вирусы, рибосомы, хромосомы. |
Соединения аминокислот.
Общая формула:
Таблица№3. Основные группы аминокислот.
По структуре белки бывают:
1. Глобурярные (полипептидные цепи в виде клубков). Гемоглобин, неоглобин, инсулин.
2. Фибриллярные (цепи в виде длинных нитей, нерастворимы). Коллаген, казеин.
infopedia.su
Тема 2.2. Химич состав клетки.
1. Дайте определения понятий.
Элемент — совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра и числом протонов, совпадающим с порядковым (атомным) номером в таблице Менделеева.
Микроэлемент — элемент, который в организме находится в очень низких концентрациях.
Макроэлемент — элемент, который в организме находится в высоких концентрациях.
Биоэлемент — химический элемент, участвующий в жизнедеятельности клетки, составляет основу биомолекул.
Элементный состав клетки — процентное содержание химических элементов в клетке.
2. Что является одним из доказательств общности живой и неживой природы?
Единство химического состава. Никакаих элементов, характерных только для неживой природы, не существует.
3. Заполните таблицу.
ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ КЛЕТКИ
4. Приведите примеры органических веществ, молекулы которых состоят из трех, четырех и пяти макроэлементов.
3 элемента: углеводы и липиды.
4 элемента: белки.
5 элементов: нуклеиновые кислоты, белки.
5. Заполните таблицу.
БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЭЛЕМЕНТОВ
6. Изучите в § 2.2 раздел «Роль внешних факторов в формировании химического состава живой природы» и ответьте на вопрос: «Что такое биохимические эндемии, и каковы причины их происхождения?»
Биохимические эндемии – это заболевания растений, животных и человека, вызванные резким недостатком либо избытком какого-либо элемента в определенной области.
7. Какие вам известны заболевания, связанные с нехваткой микроэлементов?
Недостаток йода – эндемический зоб. Снижение синтеза тироксина и разрастание вследствие этого тканей щитовидной железы.
Недостаток железа – железодефицитная анемия.
8. Вспомните, по какому признаку химические элементы распределяют на макро-, микро- и ультрамикроэлементы. Предложите свою, альтернативную классификацию химических элементов (например, по функциям в живой клетке).
Микро-, макро- и ультрамикроэлементы делятся по признаку, основанному на процентному содержанию их в клетке. Кроме того, можно классифицировать элементы по функциям, регулирующие деятельность определенных систем органов: нервной, мышечной, кровеносной и сердечно-сосудистой, пищеварительной и т.д.
9. Выберите правильный ответ.
Тест 1.
Какими химическими элементами образовано большинство органических веществ?
2) С, О, Н, N;
Тест 2.
К макроэлементам не относится:
4) марганец.
Тест 3.
Живые организмы нуждаются в азоте, так как он служит:
1) составным компонентом белков и нуклеиновых кислот; 10. Определите признак, по которому все нижеперечисленные элементы, кроме одного, объединены в одну группу. Подчеркните этот «лишний» элемент.
Кислород, водород, сера, железо, углерод, фосфор, азот. Входит в состав только ДНК. А остальные все в белках.
11. Объясните происхождение и общее значение слова (термина), опираясь на значение корней, его составляющих.
12. Выберите термин и объясните, насколько его современное значение соответствует первоначальному значению его корней.
Выбранный термин – органоген.
Соответствие: термин, в принципе, соответствует своему первоначальному значению, но сегодня существует более точное определение. Ранее значение было таким, что элементы принимает участие лишь в построении тканей и клеток органов. Теперь же выяснено, что биологически важные элементы не только образуют химические молекулы в клетках и т.д., но и регулируют все процессы в клетках, тканях и органах. Они входят в состав гормонов, витаминов, ферментов и других биомолекул.
13. Сформулируйте и запишите основные идеи § 2.2.
Элементный состав клетки — это процентное содержание химических элементов в клетке. Элементы клетки принято классифицировать, в зависимости от их процентного содержания, на микро-, макро- и ультрамикроэлементы. Те элементы, которые участвуют в жизнедеятельности клетки, составляет основу биомолекул, называются биоэлементы.
К макроэлементам относятся: C N H O. Они – главные компоненты всех органических соединений в клетке. Кроме того, P S K Ca Na Fe Cl Mg – входят в состав всех важнейших биомолекул. Без них невозможно функционирование организма. Недостаток их приводит к смерти.
К микроэлементам: Al Cu Mn Zn Mo Co Ni I Se Br F B и др. Они также необходимы для нормального функционирования организма, но не так критично. Недостаток их вызывает болезнь. Они входят в состав биологически активных соединений, влияют на обмен веществ.
Есть ультрамикроэлементы: Au Ag Be и др. Физиологическая роль окончательно не установлена. Но они важны для клетки.
Существует понятие «биохимические эндемии» – заболевания растений, животных и человека, вызванные резким недостатком либо избытком какого-либо элемента в определенной области. Например, эндемический зоб (недостаток йода).
При недостатке элемента из-за образа питания также может возникнуть заболевание или недомогания. Например, при недостатке железа – анемия. При недостатке кальция – частые переломы, выпадение волос, зубов, боли в мышцах.
biogdz.ru
Химический состав клетки: неорганические вещества
Чем различается химический состав тел живой и неживой природы? Организмы состоят из клеток. Клетки разных организмов обладают сходным химическим составом. В таблице 1 представлены основные химические элементы, обнаруженные в клетках живых организмов.
Таблица 1
| Содержание химических элементов в клетке | ||||
| Кислород | 65-75 | Кальций | 0,04-2,00 | |
| Углевод | 15-18 | Магний | 0,02-0,03 | |
| Водород | 8-10 | Натрий | 0,02-0,03 | |
| Азот | 1,5-3,0 | Железо | 0,01-0,015 | |
| Фосфор | 0,2-1,0 | Цинк | 0,0003 | |
| Азот | 1,5-3,0 | Железо | 0,01-0,015 | |
| Калий | 0,15-0,4 | Медь | 0,0002 | |
| Сера | 0,15-0,2 | Иод | 0,0001 | |
| Хлор | 0,05-0,10 | Фтор | 0,0001 | |
По содержанию в клетке можно выделить три группы элементов. В первую группу входят кислород, углерод, водород и азот. На их долю приходится почти 98% всего состава клетки. Во вторую группу входят калий, натрий, кальций, сера, фосфор, магний, железо, хлор. Их содержание в клетке составляет десятые и сотые доли процента. Элементы этих двух групп относят к макроэлементам (от греч. macros — большой).
Остальные элементы, представленные в клетке сотыми и тысячными долями процента, входят в третью группу. Это микроэлементы (от греч. micros — малый).
Каких-либо элементов, присущих только живой природе, в клетке не обнаружено. Все перечи 1000 сленные химические элементы входят и в состав неживой природы. Это указывает на единство живой и неживой природы.
Недостаток какого-либо элемента может привести к заболеванию и даже гибели организма, так как каждый элемент играет определенную роль. Макроэлементы первой группы составляют основу биополимеров — белков, углеводов, нуклеиновых кислот, а также липидов, без которых жизнь невозможна. Сера входит в состав некоторых белков, фосфор — в состав нуклеиновых кислот, железо — в состав гемоглобина, а магний — в состав хлорофилла. Кальций играет важную роль в обмене веществ.
Часть химических элементов, содержащихся в клетке, входит в состав неорганических веществ — минеральных солей и воды.
Минеральные соли находятся в клетке, как правило, в виде катионов (K+, Na+, Ca2+, Mg2+) и анионов (HPO42-, H2PO4—, Сl—, HCO3), соотношение которых определяет важную для жизнедеятельности клеток кислотность среды. (У многих клеток среда слабощелочная и ее pH почти не изменяется, так как в ней постоянно поддерживается определенное соотношение катионов и анионов.)
Из неорганических веществ в живой природе огромную роль играет вода.
Без воды жизнь невозможна. Она составляет значительную массу большинства клеток. Много воды содержится в клетках мозга и эмбрионов человека: воды более 80%; в клетках жировой ткани — всего 40%. К старости содержание воды в клетках снижается. Человек, потерявший 20% воды, погибает.
Уникальные свойства воды определяют ее роль в организме. Она участвует в теплорегуляции, которая обусловлена высокой теплоемкостью воды — потреблением большого количества энергии при нагревании. Чем же определяется высокая теплоемкость воды?
B молекуле воды атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода. Молекула воды полярна, так как атом кислорода имеет частично отрицательный заряд, а каждый из двух атомов водорода имеет частично положительный заряд. Между атомом кислорода одной молекулы воды и атомом водорода другой молекулы образуется водородная связь. Водородные связи обеспечивают соединение большого числа молекул воды. При нагревании воды значительная часть энергии расходуется на разрыв водородных связей, что и определяет ее высокую теплоемкость.
Вода — хороший растворитель. Благодаря полярности ее молекулы взаимодействуют с положительно и отрицательно заряженными ионами, способствуя тем самым растворению вещества. По отношению к воде все вещества клетки делятся на гидрофильные и гидрофобные.
Гидрофильными (от греч. hidor — вода и fileo — люблю) называют вещества, которые растворяются в воде. К ним относят ионные соединения (например, соли) и некоторые неионные соединения (например, сахара).
Гидрофобными (от греч. hidor — вода и fobos — страх) называют вещества, нерастворимые в воде. К ним относят, например, липиды.
Вода играет большую роль в химических реакциях, протекающих в клетке в водных растворах. Она растворяет ненужные организму продукты обмена веществ и тем самым способствует выводу их из организма. Большое содержание воды в клетке придает ей упругость. Вода способствует перемещению различных веществ внутри клетки или из клетки в клетку.
www.agrojour.ru
Какие химические элементы входят в состав клетки? Роль и функции химических элементов, входящих в состав клетки
Сегодня обнаружено и выделено в чистом виде много химических элементов таблицы Менделеева, а пятая их часть встречается в каждом живом организме. Они, подобно кирпичикам, являются главными составляющими органических и неорганических веществ.
Какие химические элементы входят в состав клетки, по биологии каких веществ можно судить об их наличии в организме — все это мы рассмотрим далее в статье. 
Что такое постоянство химического состава
Для соблюдения стабильности в организме каждая клетка должна поддерживать концентрацию каждой своей составляющей на постоянном уровне. Этот уровень определяется видовой принадлежностью, средой обитания, экологическими факторами.
Чтобы ответить на вопрос, какие химические элементы входят в состав клетки, необходимо четко понимать, что в составе любого вещества находятся какие-либо из составляющих таблицы Менделеева.
Порой идет речь о сотых и тысячных долях процента содержания определенного элемента в клетке, но при этом изменение названного числа хотя бы на тысячную часть уже может нести серьезные последствия для организма.
Из 118 химических элементов периодической системы в клетке человека должно быть как минимум 24. Нет таких составляющих, которые встречались бы в живом организме, но не входили в состав неживых объектов природы. Этот факт подтверждает тесную связь между живым и неживым в экосистеме.
Роль различных элементов, входящих в состав клетки
Так какие химические элементы входят в состав клетки? Их роль в жизнедеятельности организма, следует заметить, напрямую зависит от частоты встречаемости и концентрации их в цитоплазме. Однако, несмотря на разное содержание элементов в клетке, значимость каждого из них в равной степени высока. Дефицит любого из них может привести к пагубному воздействию на организм, отключив из метаболизма важнейшие биохимические реакции.
Перечисляя, какие химические элементы входят в состав клетки человека, нужно упомянуть три основных вида, которые мы рассмотрим далее:
- Основные биогенные.
- Макроэлементы.
- Микроэлементы.
Основные биогенные элементы клетки
Неудивительно, что элементы О, С, Н, N относятся к биогенным, ведь именно они образуют все органические и многие неорганические вещества. Невозможно представить белки, жиры, углеводы или нукленовые кислоты без этих важнейших для организма составляющих.
Функция этих элементов определила их высокое содержание в организме. На их долю в совокупности приходится 98% от всей сухой массы тела. В чем еще может проявляться активность этих ферментов?
- Кислород. Его содержание в клетке около 62% от общей сухой массы. Функции: построение органических и неорганических веществ, участие в цепи дыхания;
- Углерод. Его содержание достигает 20%. Основная функция: входит в состав всех органических соединений;
- Водород. Его концентрация принимает значение в 10%. Кроме того, что этот элемент является составляющей органических веществ и воды, он также учавствует в преобразованиях энергии;
- Азот. Количество не превышает 3-5%. Его основная роль – это образование аминокислот, нуклеиновых кислот, АТФ, многих витаминов, гемоглобина, гемоцианина, хлорофилла.
Вот какие химические элементы входят в состав клетки и образуют большинство необходимых для нормальной жизнедеятельности веществ.
Значение макроэлементов
Макроэлементы также помогут подсказать, какие химические элементы входят в состав клетки. Из курса биологии становится понятно, что, кроме основных, 2% сухой массы составляют другие составляющие периодической таблицы. И к макроэлементам относятся те из них, содержание которых не ниже 0,01%. Их основные функции представлены в виде таблицы.
Элемент | Содержание в % | Функции |
Кальций (Са) | 2,5 | Отвечает за сокращение мышечных волокон, входит в состав пектина, костей и зубов. Усиливает свертываемость крови. |
Фосфор (Р) | 1 | Входит в состав важнейшего источника энергии – АТФ. |
Сера (S) | 0,25 | Участвует в образовании дисульфидных мостиков при сворачивании белка в третичную структуру. Входит в состав цистеина и метионина, некоторых витаминов. |
Калий (К) | 0,25 | Ионы калия участвуют в активном транспорте клетки, а также влияют на потенциал мембраны. |
Хлор | 0,2 | Главный анион организма |
Натрий (Na) | 0,1 | Аналог калия, участвующий в тех же процессах. |
Магний (Mg) | 0,07 | Ионы магния – это регуляторы процесса репликации ДНК. В центре молекулы хлорофилла также распологается атом магния. |
Железо | 0,01 | Участвует в транспорте электронов по ЭТЦ дыхания и фотосинтеза, является структурным звеном миоглобина, гемоглобина и многих ферментов. |
Надеемся, из перечисленного несложно определить, какие химические элементы входят в состав клетки и относятся к макроэлементам.
Микроэлементы
Есть и такие составляющие клетки, без которых организм не может нормально функционировать, однако их содержание всегда меньше 0,01%. Давайте определим, какие химические элементы входят в состав клетки и относятся к группе микроэлементов.
Элемент | Содержание в % | Функции |
Цинк (Zn) | 0,003 | Входит в состав ферментов ДНК- и РНК-полимераз, а также многих гормонов (например, инсулин). |
Медь (Cu) | 0,002 | Участвует в процессах фотосинтеза, синтеза гемоглобина, входит в состав гемоцианина и некоторых ферментов. |
Йод (I) | 0,001 | Является структурной составляющей гормонов Т3 и Т4 щитовидной железы |
Марганец (Mn) | менее 0,001 | Входит в состав ферментов, костей. Участвует в азотфиксации у бактерий |
Бор (В) | менее 0,001 | Влияет на процесс роста растений. |
Фтор (F) | 0,0001 | Входит в состав костей и эмали зубов. |
Органические и неорганические вещества
Кроме перечисленных, еще какие химические элементы входят в состав клетки? Ответы можно найти, просто изучив строение большинства веществ организма. Среди них выделяют молекулы органического и неорганического происхождения, и каждая из этих групп имеет в составе фиксированный набор элементов.
Основные классы органических веществ — это белки, нуклеиновые кислоты, жиры и углеводы. Они построены полностью из основных биогенных элементов: скелет молекулы всегда образован углеродом, а водород, кислород и азот входят в состав радикалов. У животных доминирующим классом являются белки, а у растений – полисахариды.
Неорганические вещества – это все минеральные соли и, конечно же, вода. Среди всей неорганики в клетке больше всего Н2О, в которой растворены остальные вещества.
Все сказанное выше поможет вам определить, какие химические
элементы входят в состав клетки, и их функции в организме больше не будут для вас загадкой.
4u-pro.ru
