Chemische Elemente in den Zellen lebender Organismen. Was ist die Konstanz der chemischen Zusammensetzung?

Chemische Zusammensetzung von Zellen

Makroelemente, ihre Rolle in der Zelle. Ungefähr 70 Elemente des Periodensystems von D. I. Mendelejew wurden in den Zellen verschiedener Organismen gefunden, aber nur 24 von ihnen haben eine nachgewiesene Bedeutung und kommen ständig in allen Zelltypen vor.

Den größten Anteil an der elementaren Zusammensetzung der Zelle haben Sauerstoff, Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff. Dies sind die sogenannten Grundelemente oder biogenen Elemente. Die Atome dieser Elemente bilden die Moleküle aller organischen Substanzen in den Zellen; Sie machen mehr als 95 % der Zellmasse aus und der relative Gehalt an Elementen in lebender Materie ist viel höher als in der Erdkruste. Zu den Hauptelementen organischer Moleküle gehören auch Phosphor und Schwefel.

Darüber hinaus sind Kalzium, Magnesium, Kalium, Natrium und Chlor (in tierischen Zellen), die in Form von Ionen in der Zelle enthalten sind, von lebenswichtiger Bedeutung. Ihr Gehalt in der Zelle wird in Zehntel- und Hundertstelprozent berechnet. Die aufgelisteten Elemente bilden eine Gruppe von Makroelementen.

Calciumionen sind an der Regulierung einer Reihe zellulärer Prozesse beteiligt, darunter Muskelkontraktion und andere motorische Funktionen sowie die Blutgerinnung. Unlösliche Calciumsalze sind an der Bildung von Knochen und Zähnen beteiligt, Calciumcarbonat ist an der Bildung von Muschelschalen und der Stärkung der Zellmembranen einiger Pflanzenarten beteiligt. Die Konzentration der Magnesiumionen ist wichtig für die Aufrechterhaltung der Integrität und Funktion der Ribosomen. Darüber hinaus ist Magnesium Bestandteil des Chlorophylls und unterstützt die normale Funktion der Mitochondrien.

Kalium- und Natriumionen sind an der Aufrechterhaltung einer bestimmten Ionenstärke und der Schaffung einer Pufferumgebung beteiligt, regulieren den osmotischen Druck in der Zelle, bestimmen den normalen Rhythmus der Herzaktivität und sorgen für die Übertragung von Nervenimpulsen. Chlor ist in Form von Anionen an der Bildung des Salzmilieus tierischer Organismen beteiligt (für Pflanzen ist Chlor ein Spurenelement) und kommt darüber hinaus manchmal in organischen Verbindungen vor.

Mikroelemente, ihre Rolle in der Zelle. Andere chemische Elemente – Kupfer, Mangan, Eisen, Kobalt, Zink und (für einige Organismen) auch Bor, Fluor, Chrom, Selen, Aluminium, Silizium, Molybdän und Jod – sind in geringen Mengen enthalten (nicht mehr als 0,01 %). Massenzellen). Sie gehören zur Gruppe der Mikroelemente.

Der prozentuale Gehalt eines bestimmten Elements im Körper charakterisiert in keiner Weise den Grad seiner Bedeutung und Notwendigkeit im Körper. Kobalt ist beispielsweise Bestandteil von Vitamin B12, Jod ist Bestandteil der Hormone Thyroxin und Thyronin und Kupfer ist Bestandteil von Enzymen, die Redoxprozesse katalysieren; Darüber hinaus ist Kupfer am Sauerstofftransport im Gewebe von Weichtieren beteiligt. Eisen ist ein wesentlicher Bestandteil von Komplexen, die eine Reihe lebenswichtiger Funktionen erfüllen. Dazu gehören beispielsweise Hämoglobin Häm, einige Enzyme und Elektronenträger (Cytochrom C).

Eine beträchtliche Anzahl von Enzymen mit unterschiedlichem Wirkmechanismus enthält Ionen von Zink, Mangan, Kobalt und Molybdän.

Silizium kommt in Kieselalgen, Schachtelhalmen, Schwämmen und Weichtieren vor. In den Knorpeln und Bändern von Wirbeltieren kann sein Gehalt mehrere Hundertstel Prozent erreichen.

Bor beeinflusst das Pflanzenwachstum, Fluor ist Bestandteil des Zahn- und Knochenschmelzes.

Ungefähr 70 Elemente des Periodensystems von D. I. Mendelejew wurden in den Zellen verschiedener Organismen gefunden, aber nur 24 von ihnen haben eine nachgewiesene Bedeutung und kommen ständig in allen Zelltypen vor.

Den größten Anteil an der elementaren Zusammensetzung der Zelle haben Sauerstoff, Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff. Dies sind die sogenannten Basic oder Nährstoffe. Diese Elemente machen mehr als 95 % der Zellmasse aus und ihr relativer Gehalt in lebender Materie ist viel höher als in der Erdkruste. Außerdem sind Kalzium, Phosphor, Schwefel, Kalium, Chlor, Natrium, Magnesium, Jod und Eisen lebenswichtig. Ihr Gehalt in der Zelle wird in Zehntel- und Hundertstelprozent berechnet. Die aufgelisteten Elemente bilden eine Gruppe Makronährstoffe.

Andere chemische Elemente: Kupfer, Mangan, Molybdän, Kobalt, Zink, Bor, Fluor, Chrom, Selen, Aluminium, Jod, Eisen, Silizium – sind in äußerst geringen Mengen enthalten (weniger als 0,01 % der Zellmasse). Sie gehören zur Gruppe Mikroelemente.

Der prozentuale Gehalt eines bestimmten Elements im Körper charakterisiert in keiner Weise den Grad seiner Bedeutung und Notwendigkeit im Körper. Viele Mikroelemente sind beispielsweise Bestandteil verschiedener biologisch aktiver Substanzen – Enzyme, Vitamine (Kobalt ist Teil von Vitamin B 12), Hormone (Jod ist Teil von Thyroxin); sie beeinflussen das Wachstum und die Entwicklung von Organismen (Zink, Mangan, Kupfer). , Hämatopoese (Eisen, Kupfer), Zellatmungsprozesse (Kupfer, Zink) usw. Der Inhalt und die Bedeutung verschiedener chemischer Elemente für das Leben der Zellen und des gesamten Körpers sind in der Tabelle aufgeführt:

Die Zelle ist die elementare Einheit des Lebens auf der Erde. Es weist alle Eigenschaften eines lebenden Organismus auf: Es wächst, vermehrt sich, tauscht Stoffe und Energie mit der Umwelt aus und reagiert auf äußere Reize. Der Beginn der biologischen Evolution ist mit der Entstehung zellulärer Lebensformen auf der Erde verbunden. Einzeller sind Zellen, die getrennt voneinander existieren. Der Körper aller vielzelligen Organismen – Tiere und Pflanzen – besteht aus einer mehr oder weniger großen Anzahl von Zellen, die eine Art Blöcke darstellen, die einen komplexen Organismus bilden. Unabhängig davon, ob eine Zelle ein integrales lebendes System ist – ein separater Organismus oder nur ein Teil davon – ist sie mit einer Reihe von Merkmalen und Eigenschaften ausgestattet, die allen Zellen gemeinsam sind.

Chemische Zusammensetzung der Zelle

In Zellen wurden etwa 60 Elemente des Periodensystems von Mendelejew gefunden, die auch in der unbelebten Natur vorkommen. Dies ist einer der Beweise für die Gemeinsamkeit von belebter und unbelebter Natur. In lebenden Organismen kommen Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff am häufigsten vor und machen etwa 98 % der Zellmasse aus. Dies ist auf die besonderen chemischen Eigenschaften von Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff zurückzuführen, wodurch sie sich als am besten für die Bildung von Molekülen geeignet erwiesen, die biologische Funktionen erfüllen. Diese vier Elemente sind in der Lage, durch die Paarung von Elektronen, die zu zwei Atomen gehören, sehr starke kovalente Bindungen zu bilden. Kovalent gebundene Kohlenstoffatome können das Gerüst unzähliger verschiedener organischer Moleküle bilden. Da Kohlenstoffatome leicht kovalente Bindungen mit Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Schwefel eingehen, erreichen organische Moleküle eine außergewöhnliche Komplexität und Strukturvielfalt.

Zusätzlich zu den vier Hauptelementen enthält die Zelle merkliche Mengen (10. und 100. Bruchteile eines Prozents) an Eisen, Kalium, Natrium, Kalzium, Magnesium, Chlor, Phosphor und Schwefel. Alle anderen Elemente (Zink, Kupfer, Jod, Fluor, Kobalt, Mangan usw.) kommen in der Zelle in sehr geringen Mengen vor und werden daher als Spurenelemente bezeichnet.

Chemische Elemente sind Bestandteil anorganischer und organischer Verbindungen. Zu den anorganischen Verbindungen zählen Wasser, Mineralsalze, Kohlendioxid, Säuren und Basen. Organische Verbindungen sind Proteine, Nukleinsäuren, Kohlenhydrate, Fette (Lipide) und Lipoide. Neben Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlenstoff und Stickstoff können sie weitere Elemente enthalten. Einige Proteine ​​enthalten Schwefel. Phosphor ist ein Bestandteil von Nukleinsäuren. Das Hämoglobinmolekül enthält Eisen, Magnesium ist am Aufbau des Chlorophyllmoleküls beteiligt. Mikroelemente spielen trotz ihres äußerst geringen Gehalts in lebenden Organismen eine wichtige Rolle in Lebensprozessen. Jod ist Teil des Schilddrüsenhormons – Thyroxin, Kobalt ist Teil von Vitamin B 12, das Hormon des Inselteils der Bauchspeicheldrüse – Insulin – enthält Zink. Bei einigen Fischen ersetzt Kupfer Eisen in den sauerstofftragenden Pigmentmolekülen.

Anorganische Stoffe

Wasser. H 2 O ist die häufigste Verbindung in lebenden Organismen. Sein Gehalt in verschiedenen Zellen variiert recht stark: von 10 % im Zahnschmelz bis zu 98 % im Körper einer Qualle, aber im Durchschnitt macht es etwa 80 % des Körpergewichts aus. Die äußerst wichtige Rolle von Wasser bei der Unterstützung von Lebensprozessen beruht auf seinen physikalisch-chemischen Eigenschaften. Die Polarität der Moleküle und die Fähigkeit zur Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen machen Wasser zu einem guten Lösungsmittel für eine Vielzahl von Substanzen. Die meisten chemischen Reaktionen in einer Zelle können nur in einer wässrigen Lösung ablaufen. Wasser ist auch an vielen chemischen Umwandlungen beteiligt.

Die Gesamtzahl der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Wassermolekülen variiert je nach t °. Bei t ° Wenn Eis schmilzt, werden etwa 15 % der Wasserstoffbrückenbindungen zerstört, bei einer Temperatur von 40 °C sind es die Hälfte. Beim Übergang in den gasförmigen Zustand werden alle Wasserstoffbrückenbindungen zerstört. Dies erklärt die hohe spezifische Wärmekapazität von Wasser. Wenn sich die Temperatur der äußeren Umgebung ändert, nimmt Wasser aufgrund des Aufbrechens oder der Neubildung von Wasserstoffbrücken Wärme auf oder gibt sie ab. Dadurch fallen die Temperaturschwankungen im Inneren der Zelle geringer aus als in der Umgebung. Die hohe Verdunstungswärme liegt dem effizienten Mechanismus der Wärmeübertragung bei Pflanzen und Tieren zugrunde.

Wasser ist als Lösungsmittel an den Phänomenen der Osmose beteiligt, die eine wichtige Rolle im Leben der Körperzellen spielt. Osmose ist das Eindringen von Lösungsmittelmolekülen durch eine semipermeable Membran in eine Lösung einer Substanz. Semipermeable Membranen sind Membranen, die Lösungsmittelmoleküle durchlassen, gelöste Moleküle (oder Ionen) jedoch nicht. Daher ist Osmose die einseitige Diffusion von Wassermolekülen in Richtung der Lösung.

Mineralsalze. Die meisten anorganischen Substanzen in Zellen liegen in Form von Salzen in dissoziiertem oder festem Zustand vor. Die Konzentration von Kationen und Anionen in der Zelle und in ihrer Umgebung ist nicht gleich. Die Zelle enthält ziemlich viel K und viel Na. Im extrazellulären Milieu, zum Beispiel im Blutplasma, im Meerwasser hingegen gibt es viel Natrium und wenig Kalium. Die Reizbarkeit der Zellen hängt vom Konzentrationsverhältnis der Ionen Na +, K +, Ca 2+ und Mg 2+ ab. Im Gewebe vielzelliger Tiere ist K Teil der vielzelligen Substanz, die für den Zusammenhalt der Zellen und deren geordnete Anordnung sorgt. Der osmotische Druck in der Zelle und ihre Puffereigenschaften hängen weitgehend von der Salzkonzentration ab. Pufferung ist die Fähigkeit einer Zelle, die leicht alkalische Reaktion ihres Inhalts auf einem konstanten Niveau zu halten. Die Pufferung innerhalb der Zelle erfolgt hauptsächlich durch H 2 PO 4 und HPO 4 2- Ionen. In extrazellulären Flüssigkeiten und Blut spielen H 2 CO 3 und HCO 3 - die Rolle eines Puffers. Anionen binden H-Ionen und Hydroxidionen (OH-), wodurch die Reaktion der extrazellulären Flüssigkeiten innerhalb der Zelle nahezu unverändert bleibt. Unlösliche Mineralsalze (z. B. Ca-Phosphat) verleihen dem Knochengewebe von Wirbeltieren und Weichtierschalen Festigkeit.

Organische Zellmaterie

Eichhörnchen. Unter den organischen Substanzen der Zelle stehen Proteine ​​sowohl mengenmäßig (10–12 % der Gesamtmasse der Zelle) als auch hinsichtlich der Bedeutung an erster Stelle. Proteine ​​sind hochmolekulare Polymere (mit einem Molekulargewicht von 6000 bis 1 Million und mehr), deren Monomere Aminosäuren sind. Lebende Organismen nutzen 20 Aminosäuren, obwohl es noch viel mehr gibt. Die Zusammensetzung jeder Aminosäure umfasst eine Aminogruppe (-NH 2) mit basischen Eigenschaften und eine Carboxylgruppe (-COOH) mit sauren Eigenschaften. Zwei Aminosäuren werden zu einem Molekül kombiniert, indem eine HN-CO-Bindung hergestellt wird, wodurch ein Wassermolekül freigesetzt wird. Die Bindung zwischen der Aminogruppe einer Aminosäure und der Carboxylgruppe einer anderen wird als Peptidbindung bezeichnet. Proteine ​​sind Polypeptide, die Dutzende und Hunderte von Aminosäuren enthalten. Moleküle verschiedener Proteine ​​unterscheiden sich voneinander im Molekulargewicht, der Anzahl, der Zusammensetzung der Aminosäuren und der Reihenfolge ihrer Position in der Polypeptidkette. Es ist daher klar, dass Proteine ​​äußerst vielfältig sind; ihre Anzahl in allen Arten lebender Organismen wird auf 10 10 – 10 12 geschätzt.

Eine Kette von Aminosäureeinheiten, die durch Peptidbindungen in einer bestimmten Reihenfolge kovalent verbunden sind, wird als Primärstruktur eines Proteins bezeichnet. In Zellen sehen Proteine ​​​​aus wie spiralförmig gedrehte Fasern oder Kugeln (Kügelchen). Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass die Polypeptidkette in natürlichen Proteinen in einer streng definierten Weise aufgebaut ist, abhängig von der chemischen Struktur der Aminosäuren, aus denen sie besteht.

Zunächst faltet sich die Polypeptidkette spiralförmig. Zwischen Atomen benachbarter Windungen kommt es zu einer Anziehung und es bilden sich Wasserstoffbrückenbindungen, insbesondere zwischen NH- und CO-Gruppen, die sich auf benachbarten Windungen befinden. Eine spiralförmig verdrillte Kette von Aminosäuren bildet die Sekundärstruktur des Proteins. Durch die weitere Faltung der Helix entsteht eine für jedes Protein spezifische Konfiguration, die sogenannte Tertiärstruktur. Die Tertiärstruktur ist auf die Wirkung von Kohäsionskräften zwischen hydrophoben Resten einiger Aminosäuren und kovalenten Bindungen zwischen den SH-Gruppen der Aminosäure Cystein (S-S-Bindungen) zurückzuführen. Die Anzahl der Aminosäuren mit hydrophoben Resten und Cystein sowie die Reihenfolge ihrer Anordnung in der Polypeptidkette sind für jedes Protein spezifisch. Folglich werden die Merkmale der Tertiärstruktur eines Proteins durch seine Primärstruktur bestimmt. Das Protein zeigt biologische Aktivität nur in Form einer Tertiärstruktur. Daher kann der Austausch auch nur einer Aminosäure in einer Polypeptidkette zu einer Änderung der Konfiguration des Proteins und zu einer Verringerung oder einem Verlust seiner biologischen Aktivität führen.

In manchen Fällen verbinden sich Proteinmoleküle miteinander und können ihre Funktion nur in Form von Komplexen erfüllen. Somit ist Hämoglobin ein Komplex aus vier Molekülen und nur in dieser Form ist es in der Lage, Sauerstoff zu binden und zu transportieren. Solche Aggregate stellen die Quartärstruktur des Proteins dar. Aufgrund ihrer Zusammensetzung werden Proteine ​​in zwei Hauptklassen eingeteilt – einfache und komplexe. Einfache Proteine ​​bestehen nur aus Aminosäuren, Nukleinsäuren (Nukleotiden), Lipiden (Lipoproteinen), Me (Metalloproteinen), P (Phosphoproteinen).

Die Funktionen von Proteinen in einer Zelle sind äußerst vielfältig. Eine der wichtigsten ist die Konstruktionsfunktion: Proteine ​​sind an der Bildung aller Zellmembranen und Zellorganellen sowie intrazellulärer Strukturen beteiligt. Die enzymatische (katalytische) Rolle von Proteinen ist äußerst wichtig. Enzyme beschleunigen chemische Reaktionen, die in der Zelle ablaufen, um das 10- bis 100-Millionen-fache. Die motorische Funktion wird durch spezielle kontraktile Proteine ​​gewährleistet. Diese Proteine ​​sind an allen Arten von Bewegungen beteiligt, zu denen Zellen und Organismen fähig sind: das Flackern von Flimmerhärchen und das Schlagen von Flagellen bei Protozoen, Muskelkontraktionen bei Tieren, die Bewegung von Blättern bei Pflanzen usw. Die Transportfunktion von Proteinen besteht darin, binden chemische Elemente (z. B. Hämoglobin fügt O hinzu) oder biologisch aktive Substanzen (Hormone) und übertragen sie auf die Gewebe und Organe des Körpers. Die Schutzfunktion äußert sich in der Produktion spezieller Proteine, sogenannter Antikörper, als Reaktion auf das Eindringen fremder Proteine ​​oder Zellen in den Körper. Antikörper binden und neutralisieren Fremdstoffe. Proteine ​​spielen als Energielieferanten eine wichtige Rolle. Bei vollständiger Spaltung 1g. Dabei werden 17,6 kJ (~4,2 kcal) Proteine ​​freigesetzt.

Kohlenhydrate. Kohlenhydrate oder Saccharide sind organische Substanzen mit der allgemeinen Formel (CH 2 O) n. Die meisten Kohlenhydrate haben doppelt so viele H-Atome wie O-Atome, wie in Wassermolekülen. Deshalb wurden diese Stoffe Kohlenhydrate genannt. In einer lebenden Zelle kommen Kohlenhydrate in Mengen von nicht mehr als 1-2, manchmal 5 % vor (in der Leber, in den Muskeln). Am reichsten an Kohlenhydraten sind Pflanzenzellen, deren Gehalt teilweise 90 % der Trockenmasse erreicht (Samen, Kartoffelknollen etc.).

Kohlenhydrate sind einfach und komplex. Einfache Kohlenhydrate werden Monosaccharide genannt. Abhängig von der Anzahl der Kohlenhydratatome im Molekül werden Monosaccharide Triosen, Tetrosen, Pentosen oder Hexosen genannt. Von den sechs Kohlenstoffmonosacchariden – Hexosen – sind Glucose, Fructose und Galactose die wichtigsten. Glukose ist im Blut enthalten (0,1-0,12 %). Die Pentosen Ribose und Desoxyribose kommen in Nukleinsäuren und ATP vor. Werden zwei Monosaccharide in einem Molekül vereint, spricht man von einem Disaccharid. Haushaltszucker, der aus Rohr- oder Zuckerrüben gewonnen wird, besteht aus einem Molekül Glucose und einem Molekül Fructose, Milchzucker – aus Glucose und Galactose.

Komplexe Kohlenhydrate, die aus vielen Monosacchariden bestehen, werden Polysaccharide genannt. Das Monomer von Polysacchariden wie Stärke, Glykogen und Cellulose ist Glucose. Kohlenhydrate erfüllen zwei Hauptfunktionen: Aufbau und Energie. Zellulose bildet die Wände pflanzlicher Zellen. Das komplexe Polysaccharid Chitin dient als Hauptstrukturbestandteil des Exoskeletts von Arthropoden. Chitin erfüllt auch bei Pilzen eine Aufbaufunktion. Kohlenhydrate spielen die Rolle der Hauptenergiequelle in der Zelle. Bei der Oxidation von 1 g Kohlenhydraten werden 17,6 kJ (~4,2 kcal) freigesetzt. Stärke in Pflanzen und Glykogen in Tieren werden in Zellen abgelagert und dienen als Energiereserve.

Nukleinsäuren. Die Bedeutung von Nukleinsäuren in einer Zelle ist sehr groß. Die Besonderheiten ihrer chemischen Struktur bieten die Möglichkeit, Informationen über die Struktur von Proteinmolekülen, die in jedem Gewebe in einem bestimmten Stadium der individuellen Entwicklung synthetisiert werden, zu speichern, zu übertragen und an Tochterzellen zu vererben. Da die meisten Eigenschaften und Merkmale von Zellen durch Proteine ​​bestimmt werden, ist klar, dass die Stabilität von Nukleinsäuren die wichtigste Voraussetzung für das normale Funktionieren von Zellen und ganzen Organismen ist. Jegliche Veränderungen in der Struktur von Zellen oder der Aktivität physiologischer Prozesse in ihnen, die sich auf die lebenswichtige Aktivität auswirken. Die Untersuchung der Struktur von Nukleinsäuren ist äußerst wichtig für das Verständnis der Vererbung von Merkmalen in Organismen und der Funktionsmuster sowohl einzelner Zellen als auch zellulärer Systeme – Gewebe und Organe.

Es gibt zwei Arten von Nukleinsäuren – DNA und RNA. DNA ist ein Polymer, das aus zwei Nukleotidhelices besteht, die so angeordnet sind, dass sie eine Doppelhelix bilden. Monomere von DNA-Molekülen sind Nukleotide, die aus einer stickstoffhaltigen Base (Adenin, Thymin, Guanin oder Cytosin), einem Kohlenhydrat (Desoxyribose) und einem Phosphorsäurerest bestehen. Die stickstoffhaltigen Basen im DNA-Molekül sind durch eine ungleiche Anzahl von H-Brücken miteinander verbunden und paarweise angeordnet: Adenin (A) steht immer gegen Thymin (T), Guanin (G) gegen Cytosin (C). Schematisch lässt sich die Anordnung der Nukleotide in einem DNA-Molekül wie folgt darstellen:

Abb. 1. Lage der Nukleotide in einem DNA-Molekül

Aus Abb.1. Es ist klar, dass die Nukleotide nicht zufällig, sondern selektiv miteinander verbunden sind. Die Fähigkeit zur selektiven Wechselwirkung von Adenin mit Thymin und Guanin mit Cytosin wird als Komplementarität bezeichnet. Die komplementäre Wechselwirkung bestimmter Nukleotide erklärt sich aus den Besonderheiten der räumlichen Anordnung der Atome in ihren Molekülen, die es ihnen ermöglichen, sich anzunähern und H-Bindungen zu bilden. In einer Polynukleotidkette sind benachbarte Nukleotide über einen Zucker- (Desoxyribose) und einen Phosphorsäurerest miteinander verbunden. RNA ist wie DNA ein Polymer, dessen Monomere Nukleotide sind. Die stickstoffhaltigen Basen von drei Nukleotiden sind dieselben wie diejenigen, aus denen die DNA besteht (A, G, C); das vierte – Uracil (U) – ist anstelle von Thymin im RNA-Molekül vorhanden. RNA-Nukleotide unterscheiden sich von DNA-Nukleotiden durch die Struktur des enthaltenen Kohlenhydrats (Ribose statt Desoxyribose).

In einer RNA-Kette werden Nukleotide durch die Bildung kovalenter Bindungen zwischen der Ribose eines Nukleotids und dem Phosphorsäurerest eines anderen verbunden. Die Struktur unterscheidet sich zwischen zweisträngiger RNA. Doppelsträngige RNAs sind die Hüter der genetischen Information bei einer Reihe von Viren, d. h. Sie erfüllen die Funktionen von Chromosomen. Einzelsträngige RNA überträgt Informationen über die Struktur von Proteinen vom Chromosom zum Ort ihrer Synthese und ist an der Proteinsynthese beteiligt.

Es gibt verschiedene Arten einzelsträngiger RNA. Ihre Namen werden durch ihre Funktion oder Position in der Zelle bestimmt. Der größte Teil der RNA im Zytoplasma (bis zu 80–90 %) ist ribosomale RNA (rRNA), die in Ribosomen enthalten ist. rRNA-Moleküle sind relativ klein und bestehen im Durchschnitt aus 10 Nukleotiden. Eine andere Art von RNA (mRNA), die Informationen über die Sequenz von Aminosäuren in Proteinen trägt, die zu Ribosomen synthetisiert werden müssen. Die Größe dieser RNAs hängt von der Länge der DNA-Region ab, aus der sie synthetisiert wurden. Transfer-RNAs erfüllen mehrere Funktionen. Sie liefern Aminosäuren an den Ort der Proteinsynthese, „erkennen“ (nach dem Prinzip der Komplementarität) das Triplett und die RNA, die der übertragenen Aminosäure entsprechen, und führen die genaue Ausrichtung der Aminosäure auf dem Ribosom durch.

Fette und Lipoide. Fette sind Verbindungen aus hochmolekularen Fettsäuren und dem dreiwertigen Alkohol Glycerin. Fette lösen sich nicht in Wasser – sie sind hydrophob. In der Zelle gibt es immer auch andere komplexe hydrophobe fettähnliche Substanzen, sogenannte Lipoide. Eine der Hauptfunktionen von Fetten ist Energie. Beim Abbau von 1 g Fett in CO 2 und H 2 O wird eine große Energiemenge freigesetzt – 38,9 kJ (~ 9,3 kcal). Der Fettgehalt in der Zelle liegt zwischen 5 und 15 % der Trockenmasse. In lebenden Gewebezellen erhöht sich der Fettanteil auf 90 %. Die Hauptfunktion von Fetten in der tierischen (und teilweise pflanzlichen) Welt ist die Speicherung.

Wenn 1 g Fett vollständig oxidiert ist (zu Kohlendioxid und Wasser), werden etwa 9 kcal Energie freigesetzt. (1 kcal = 1000 cal; Kalorie (cal) ist eine systemexterne Einheit der Menge an Arbeit und Energie, gleich der Wärmemenge, die erforderlich ist, um 1 ml Wasser um 1 °C bei normalem Atmosphärendruck 101,325 kPa zu erhitzen; 1 kcal = 4,19 kJ). Wenn 1 g Proteine ​​oder Kohlenhydrate (im Körper) oxidiert wird, werden nur etwa 4 kcal/g freigesetzt. Bei einer Vielzahl von Wasserorganismen – von einzelligen Kieselalgen bis hin zu Riesenhaien – „schwebt“ Fett und verringert so die durchschnittliche Körperdichte. Die Dichte tierischer Fette beträgt etwa 0,91-0,95 g/cm³. Die Dichte des Knochengewebes von Wirbeltieren liegt bei etwa 1,7–1,8 g/cm³, und die durchschnittliche Dichte der meisten anderen Gewebe liegt bei etwa 1 g/cm³. Es ist klar, dass man ziemlich viel Fett braucht, um ein schweres Skelett „auszubalancieren“.

Fette und Lipide erfüllen auch eine Aufbaufunktion: Sie sind Teil der Zellmembranen. Aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit ist Fett in der Lage, eine Schutzfunktion zu übernehmen. Bei einigen Tieren (Robben, Wale) lagert es sich im Unterhautfettgewebe ab und bildet eine bis zu 1 m dicke Schicht. Der Bildung einiger Lipoide geht die Synthese einer Reihe von Hormonen voraus. Folglich haben diese Stoffe auch die Funktion, Stoffwechselprozesse zu regulieren.

Die biologische Rolle chemischer Elemente im menschlichen Körper ist äußerst vielfältig.

Die Hauptfunktion von Makroelementen besteht darin, Gewebe aufzubauen, den osmotischen Druck sowie die Ionen- und Säure-Basen-Zusammensetzung konstant zu halten.

Mikroelemente sind als Bestandteil von Enzymen, Hormonen, Vitaminen und biologisch aktiven Substanzen als Komplexbildner oder Aktivatoren am Stoffwechsel, an Fortpflanzungsprozessen, an der Gewebeatmung und an der Neutralisierung toxischer Substanzen beteiligt. Mikroelemente beeinflussen aktiv die Prozesse der Hämatopoese, der Oxidation - Reduktion und der Durchlässigkeit von Blutgefäßen und Geweben. Makro- und Mikroelemente – Kalzium, Phosphor, Fluor, Jod, Aluminium, Silizium – bestimmen die Bildung von Knochen- und Zahngewebe.

Es gibt Hinweise darauf, dass sich der Inhalt einiger Elemente im menschlichen Körper mit dem Alter ändert. So steigt mit zunehmendem Alter der Gehalt an Cadmium in den Nieren und Molybdän in der Leber. Der maximale Zinkgehalt wird während der Pubertät beobachtet, dann nimmt er ab und erreicht im Alter ein Minimum. Auch der Gehalt an anderen Spurenelementen wie Vanadium und Chrom nimmt mit zunehmendem Alter ab.

Es wurden viele Krankheiten identifiziert, die mit einem Mangel oder einer übermäßigen Anreicherung verschiedener Mikroelemente einhergehen. Fluoridmangel verursacht Zahnkaries, Jodmangel verursacht endemische Struma und überschüssiges Molybdän verursacht endemische Gicht. Diese Art von Mustern hängt mit der Tatsache zusammen, dass der menschliche Körper ein Gleichgewicht optimaler Konzentrationen biogener Elemente aufrechterhält – die chemische Homöostase. Eine Verletzung dieses Gleichgewichts wird verfolgt

Ein Mangel oder Überschuss eines Elements kann zu verschiedenen Krankheiten führen

Zusätzlich zu den sechs Hauptmakroelementen – Organogenen – Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel und Phosphor, aus denen Kohlenhydrate, Fette, Proteine ​​​​und Nukleinsäuren bestehen, sind „anorganische“ Makroelemente für die normale Ernährung von Mensch und Tier notwendig – Kalzium, Chlor, Magnesium, Kalium, Natrium – und Spurenelemente – Kupfer, Fluor, Jod, Eisen, Molybdän, Zink, sowie möglicherweise (bei Tieren nachgewiesen) Selen, Arsen, Chrom, Nickel, Silizium, Zinn, Vanadium.

Ein Mangel an Elementen wie Eisen, Kupfer, Fluor, Zink, Jod, Kalzium, Phosphor, Magnesium und einigen anderen in der Ernährung führt zu schwerwiegenden Folgen für die menschliche Gesundheit.

Es muss jedoch beachtet werden, dass nicht nur ein Mangel, sondern auch ein Überschuss an Nährstoffen schädlich für den Körper ist, da die chemische Homöostase gestört ist. Wenn beispielsweise überschüssiges Mangan mit der Nahrung aufgenommen wird, steigt der Kupferspiegel im Plasma (Synergismus von Mn und Cu) und in den Nieren sinkt er (Antagonismus). Ein erhöhter Molybdängehalt in Lebensmitteln führt zu einem Anstieg der Kupfermenge in der Leber. Überschüssiges Zink in der Nahrung führt zu einer Hemmung der Aktivität eisenhaltiger Enzyme (2n- und Fe-Antagonismus).

Mineralische Bestandteile, die in vernachlässigbaren Mengen lebenswichtig sind, werden in höheren Konzentrationen giftig.

Lebensnotwendigkeit, Mangel und Toxizität eines chemischen Elements werden in Form einer Abhängigkeitskurve „Konzentration eines Elements in Nahrungsmitteln – Reaktion des Körpers“ dargestellt (Abb. 5.5). Der annähernd horizontale Abschnitt der Kurve (Plateau) beschreibt den Konzentrationsbereich, der optimalem Wachstum, Gesundheit und Fortpflanzung entspricht. Die große Ausdehnung des Plateaus weist nicht nur auf die geringe Toxizität des Elements hin, sondern auch auf die größere Fähigkeit des Körpers, sich an erhebliche Veränderungen im Gehalt dieses Elements anzupassen. Im Gegenteil, ein schmales Plateau weist auf eine erhebliche Toxizität des Elements und einen scharfen Übergang von für den Körper notwendigen Mengen zu lebensbedrohlichen Mengen hin. Wenn Sie ein Plateau überschreiten (steigende Mikroelementkonzentration), werden alle Elemente toxisch. Letztlich kann ein deutlicher Anstieg der Konzentration von Spurenelementen zum Tod führen.

Es werden eine Reihe von Elementen (Silber, Quecksilber, Blei, Cadmium usw.) gezählt

Sie sind giftig, da ihr Eintritt in den Körper bereits in Mikromengen zu schweren pathologischen Erscheinungen führt. Der chemische Mechanismus der toxischen Wirkung einiger Spurenelemente wird im Folgenden diskutiert.

Biogene Elemente werden in der Landwirtschaft häufig eingesetzt. Die Zugabe kleiner Mengen von Mikroelementen zum Boden – Bor, Kupfer, Mangan, Zink, Kobalt, Molybdän – steigert den Ertrag vieler Nutzpflanzen dramatisch. Es stellt sich heraus, dass Mikroelemente durch die Erhöhung der Aktivität von Enzymen in Pflanzen die Synthese von Proteinen, Vitaminen, Nukleinsäuren, Zucker und Stärke fördern. Einige der chemischen Elemente wirken sich positiv auf die Photosynthese aus, beschleunigen das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen sowie die Samenreifung. Zur Steigerung der Produktivität werden Tierfutter Mikroelemente zugesetzt.

Verschiedene Elemente und ihre Verbindungen werden häufig als Arzneimittel verwendet.

Daher trägt die Untersuchung der biologischen Rolle chemischer Elemente und die Aufklärung der Beziehung zwischen dem Stoffwechsel dieser Elemente und anderen biologisch aktiven Substanzen – Enzymen, Hormonen, Vitaminen – zur Entwicklung neuer Medikamente und zur Entwicklung optimaler Dosierungsschemata sowohl für therapeutische als auch prophylaktische Zwecke bei Zwecke.

Alle lebenden Organismen, mit Ausnahme von Viren, bestehen aus Zellen. Lassen Sie uns herausfinden, was es ist und wie seine Struktur ist.

Was ist eine Zelle?

Es ist die grundlegende Struktureinheit von Lebewesen. Sie hat ihren eigenen Stoffwechsel. Eine Zelle kann auch als eigenständiger Organismus existieren: Beispiele hierfür sind Ciliaten, Amöben, Chlamydomonas usw. Diese Struktur besteht aus einer Vielzahl organischer und anorganischer Substanzen. Alle chemischen Stoffe einer Zelle erfüllen in ihrem Aufbau und Stoffwechsel eine bestimmte Funktion.

Chemische Elemente

In der Zelle gibt es etwa 70 verschiedene chemische Elemente, die wichtigsten sind jedoch Sauerstoff, Kohlenstoff, Wasserstoff, Kalium, Phosphor, Stickstoff, Schwefel, Chlor, Natrium, Magnesium, Kalzium, Eisen, Zink, Kupfer. Die ersten drei stellen die Basis aller organischen Verbindungen dar. Alle chemischen Elemente der Zelle spielen eine bestimmte Rolle.

Sauerstoff

Der Anteil dieses Elements beträgt 65-75 Prozent der Masse der gesamten Zelle. Es ist Bestandteil fast aller organischen Verbindungen sowie des Wassers, weshalb sein Gehalt so hoch ist. Dieses Element erfüllt in den Zellen von Organismen eine sehr wichtige Funktion: Sauerstoff dient als Oxidationsmittel bei der Zellatmung, wodurch Energie synthetisiert wird.

Kohlenstoff

Dieses Element kommt wie Wasserstoff in allen organischen Substanzen vor. Die chemische Zusammensetzung der Zelle enthält etwa 15–18 Prozent davon. Kohlenstoff in Form von CO ist an den Prozessen der Regulierung zellulärer Funktionen beteiligt und ist in Form von CO 2 auch an der Photosynthese beteiligt.

Wasserstoff

Die Zelle enthält etwa 8-10 Prozent dieses Elements. Die größte Menge findet sich in Wassermolekülen. Die Zellen einiger Bakterien oxidieren molekularen Wasserstoff, um Energie zu synthetisieren.

Kalium

Die chemische Zusammensetzung der Zelle umfasst etwa 0,15–0,4 % dieses chemischen Elements. Es spielt eine sehr wichtige Rolle und ist an den Prozessen der Erzeugung eines Nervenimpulses beteiligt. Deshalb wird empfohlen, kaliumhaltige Medikamente zur Stärkung des Nervensystems zu verwenden. Dieses Element trägt auch dazu bei, das Membranpotential der Zelle aufrechtzuerhalten.

Phosphor

Die Menge dieses Elements in der Zelle beträgt 0,2–1 % ihres Gesamtgewichts. Es ist Teil von ATP-Molekülen sowie einigen Lipiden. Phosphor liegt in der Interzellularsubstanz und im Zytoplasma in Form von Ionen vor. Seine hohe Konzentration wird in Muskel- und Knochengewebezellen beobachtet. Darüber hinaus werden anorganische Verbindungen, die dieses Element enthalten, von der Zelle zur Synthese organischer Substanzen verwendet.

Stickstoff

Dieses Element ist in einer Menge von 2-3 % in der chemischen Zusammensetzung der Zelle enthalten. Es kommt in Proteinen, Nukleinsäuren, Aminosäuren und Nukleotiden vor.

Schwefel

Es ist Bestandteil vieler Proteine, da es in schwefelhaltigen Aminosäuren vorkommt. Es liegt in geringen Konzentrationen im Zytoplasma und in der Interzellularsubstanz in Form von Ionen vor.

Chlor

Enthält eine Menge von 0,05–0,1 %. Erhält die elektrische Neutralität der Zelle.

Natrium

Dieses Element ist in der Zelle in einer Menge von 0,02–0,03 % vorhanden. Es erfüllt die gleichen Funktionen wie Kalium und ist auch an Osmoregulationsprozessen beteiligt.

Kalzium

Der Anteil dieses chemischen Elements beträgt 0,04-2 %. Calcium ist an der Aufrechterhaltung des Membranpotentials der Zelle und der Exozytose, also der Freisetzung bestimmter Stoffe (Hormone, Proteine ​​etc.) aus ihr, beteiligt.

Magnesium

Die chemische Zusammensetzung der Zelle enthält 0,02–0,03 % dieses Elements. Es ist am Energiestoffwechsel und der DNA-Synthese beteiligt, ist Bestandteil von Enzymen und Chlorophyll und kommt in Ribosomen und Mitochondrien vor.

Eisen

Der Anteil dieses Elements beträgt 0,01–0,015 %. In den roten Blutkörperchen ist jedoch viel mehr davon enthalten, da es die Grundlage des Hämoglobins bildet.

Zink

Enthalten in Insulin sowie in vielen Enzymen.

Kupfer

Dieses Element ist einer der Bestandteile oxidativer Enzyme, die an der Synthese von Cytochromen beteiligt sind.

Eichhörnchen

Dies sind die komplexesten Verbindungen in der Zelle, deren Hauptsubstanzen sie sind. Sie bestehen aus Aminosäuren, die in einer bestimmten Reihenfolge zu einer Kette verbunden und dann zu einer Kugel verdreht werden, deren Form für jede Proteinart spezifisch ist. Diese Substanzen erfüllen viele wichtige Funktionen im Zellleben. Eine der wichtigsten ist die enzymatische Funktion. Proteine ​​wirken als natürliche Katalysatoren und beschleunigen den chemischen Reaktionsprozess um ein Hunderttausendfaches – ohne sie ist der Abbau und die Synthese jeglicher Stoffe nicht möglich. Jeder Enzymtyp nimmt nur an einer bestimmten Reaktion teil und kann nicht an einer anderen teilnehmen. Proteine ​​erfüllen auch eine Schutzfunktion. Stoffe dieser Gruppe, die die Zelle vor dem Eindringen fremder Proteine ​​schützen, werden Antikörper genannt. Diese Stoffe schützen auch den gesamten Körper vor pathogenen Viren und Bakterien. Darüber hinaus erfüllen diese Verbindungen eine Transportfunktion. Es liegt darin, dass sich in den Membranen Transportproteine ​​befinden, die bestimmte Stoffe außerhalb oder innerhalb der Zelle befördern. Auch die plastische Funktion dieser Stoffe ist sehr wichtig. Sie sind das Hauptbaumaterial, aus dem die Zelle, ihre Membranen und Organellen bestehen. Manchmal erfüllen Proteine ​​auch eine Energiefunktion – bei einem Mangel an Fetten und Kohlenhydraten baut die Zelle diese Stoffe ab.

Lipide

Zu dieser Stoffgruppe zählen Fette und Phospholipide. Erstere sind die Hauptenergiequelle. Sie können sich auch als Reservestoffe im Falle einer Hungersnot im Körper ansammeln. Letztere dienen als Hauptbestandteil der Zellmembranen.

Kohlenhydrate

Der häufigste Stoff in dieser Gruppe ist Glukose. Es und ähnliche einfache Kohlenhydrate erfüllen eine Energiefunktion. Zu den Kohlenhydraten zählen auch Polysaccharide, deren Moleküle aus Tausenden verbundenen Molekülen – Monosacchariden – bestehen. Sie spielen hauptsächlich eine strukturelle Rolle und sind Teil von Membranen. Die wichtigsten Polysaccharide pflanzlicher Zellen sind Stärke und Zellulose, bei Tieren handelt es sich um Glykogen.

Nukleinsäuren

Zu dieser Gruppe chemischer Verbindungen gehören DNA, RNA und ATP.

DNA

Dieser Stoff erfüllt die wichtigste Funktion – er ist für die Speicherung und erbliche Weitergabe genetischer Informationen verantwortlich. DNA befindet sich in den Chromosomen des Zellkerns. Die Makromoleküle dieser Substanz werden aus Nukleotiden gebildet, die wiederum aus einer stickstoffhaltigen Base bestehen, die durch Purine und Pyrimidine, Kohlenwasserstoffe und Phosphorsäurereste repräsentiert wird. Es gibt sie in vier Typen: Adenyl, Guanyl, Thymidyl und Cytidyl. Der Name des Nukleotids hängt davon ab, welche Purine in seiner Zusammensetzung enthalten sind; dies können Adenin, Guanin, Thymin und Cytosin sein. Das DNA-Molekül hat die Form zweier spiralförmig verdrehter Ketten.

RNA

Diese Verbindung übernimmt die Funktion, die in der DNA enthaltenen Informationen durch die Synthese von Proteinen umzusetzen, deren Zusammensetzung verschlüsselt ist. Diese Substanz ist der oben beschriebenen Nukleinsäure sehr ähnlich. Ihr Hauptunterschied besteht darin, dass RNA aus einer Kette besteht, nicht aus zwei. RNA-Nukleotide enthalten außerdem die stickstoffhaltige Base Uracil anstelle von Thymin und Ribose. Daher wird diese Substanz aus Nukleotiden wie Adenyl, Guanyl, Uridyl und Cytidyl gebildet.

ATP

Jegliche Energie, die Pflanzenzellen bei der Photosynthese oder Tiere durch Oxidation von Fetten und Kohlenhydraten gewinnen, wird letztendlich in ATP gespeichert, von wo die Zelle sie bei Bedarf erhält.