Элементы составляющие 98 массы клетки. Химические элементы. Органические вещества клетки

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

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. макрос - большой).

Остальные элементы, представ ленные в клетке сотыми и тысячными долями процента, входят в третью группу. Это микроэлементы (от греч. микро - малый).

Каких-либо элементов, присущих только живой природе, в клетке не обнаружено. Все перечисленные 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 со став неорганических веществ - минеральных солей и воды.

Минеральные соли находятся в клетке, как правило, в виде катионов (К + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+) и анионов (HPO 2-/4 , H 2 PO -/4 , СI - , НСО 3), соотношение которых определяет важную для жизнедеятельности клеток кислотность среды.

(У многих клеток среда слабощелочная и ее рН 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?

В 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. гидро - вода и филео - люблю) называют вещества, которые растворяются в воде. К ним относят ионные соединения (например, соли) и некоторые неионные соединения (например, сахара).

Гидрофобными (от греч. гидро - вода и фобос - 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.

Тела живой и неживой природы состоят из одинаковых химических элементов. В состав живых организмов входят неорганические вещества - вода и минеральные соли. Жизненно важные многочисленные функции воды в клетке обусловлены особенностями ее молекул: их полярностью, способностью образовывать водородные связи.

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ

В клетках живых организмов встречается около 90 элементов, причем примерно 25 из обнаружены практически во всех клетках. По содержанию в клетке химические элементы подразделяются на три большие группы: макроэлементы(99%), микроэлементы(1%), ультрамикроэлементы(менее 0,001%).

К макроэлементам относятся кислород, углерод, водород, фосфор, калий, сера, хлор, кальций, магний, натрий, железо.
К микроэлеметам относятся марганец, медь, цинк, йод, фтор.
К ультрамикроэлементам относятся серебро, золото, бром, селен.

ОРГАНИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ

Ферменты.

Важнейшая функция белков - каталитическая. Белковые молекулы, увеличивающие на несколько порядков скорость химических реакции в клетке, называют ферментами . Ни один биохимический процесс в организме не происходит без участия ферментов.

В настоящее время обнаружено свыше 2000 ферментов. Их эффективность во много раз выше, чем эффективность неорганических катализаторов, используемых в производстве. Так, 1 мг железа в составе фермента каталазы заменяет 10 т неорганического железа. Каталаза увеличивает скорость разложения пероксида водорода (Н 2 О 2) в 10 11 раз. Фермент, катализирующий реакцию образования угольной кислоты (СО 2 +Н 2 О = Н 2 СО 3), ускоряет реакцию в 10 7 раз.

Важным свойством ферментов является специфичность их действия, каждый фермент катализирует только одну или небольшую группу сходных реакций.

Вещество, на которое воздействует фермент, называют субстратом . Структуры молекулы фермента и субстрата должны точно соответствовать друг другу. Этим объясняется специфичность действия ферментов. При соединении субстрата с ферментом пространственная структура фермента изменяется.

Последовательность взаимодействия фермента и субстрата можно изобразить схематично:

Субстрат+Фермент - Фермент-субстратный комплекс - Фермент+Продукт.

Из схемы видно, что субстрат соединяется с ферментом с образованием фермент-субстратного комплекса. При этом субстрат превращается в новое вещество - продукт. На конечном этапе фермент освобождается от продукта и вновь вступает во взаимодействие с очередной молекулой субстрата.

Ферменты функционируют лишь при определенной температуре, концентрации веществ, кислотности среды. Изменение условий приводит к изменению третичной и четвертичной структуры белковой молекулы, а, следовательно, и к подавлению активности фермента. Как это происходит? Каталитической активностью обладает лишь определенный участок молекулы фермента, называемый активным центром . Активный центр содержит от 3 до 12 аминокислотных остатков и формируется в результате изгиба полипептидной цепи.

Под влиянием разных факторов изменяется структура молекулы фермента. При этом нарушается пространственная конфигурация активного центра, и фермент теряет свою активность.

Ферменты - это белки, играющие роль биологических катализаторов. Благодаря ферментам на несколько порядков возрастает скорость химических реакций в клетках. Важное свойство ферментов - специфичность действия в определенных условиях.

Нуклеиновые кислоты.

Нуклеиновые кислоты были от крыты во второй половине XIX в. швейцарским биохимиком Ф. Мишером, который выделил из ядер клеток вещество с высоким содержанием азота и фосфора и назвал его "нуклеином" (от лат. нуклеус - ядро).

В нуклеиновых кислотах хранится наследственная информация о строении и функционировании каждой клетки и всех живых существ на Земле. Существует два типа нуклеиновых кислот - ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Нуклеиновые кислоты, как и белки, обладают видовой специфичностью, то есть организмам каждого вида присущ свой тип ДНК. Чтобы выяснить причины видовой специфичности, рассмотрим строение нуклеиновых кислот.

Молекулы нуклеиновых кислот представляют собой очень длинные цепи, состоящие из многих сотен и даже миллионов нуклеотидов. Любая нуклеиновая кислота содержит всего четыре типа нуклеотидов. Функции молекул нуклеиновых кислот зависят от их строения, входящих в их состав нуклеотидов, их числа в цепи и последовательности соединения в молекуле.

Каждый нуклеотид состоит из трех компонентов: азотистого основания, углевода и фосфорной кислоты. В состав каждого нуклеотида ДНК входит один из четырех типов азотистых оснований (аденин - А, тимин - Т, гуанин - Г или цитозин - Ц), а также угле вод дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты.

Таким образом, нуклеотиды ДНК различаются лишь типом азотистого основания.

Молекула ДНК состоит из огромного множества нуклеотидов, соединенных в цепочку в определенной последовательности. Каждый вид молекулы ДНК имеет свойственное ей число и последовательность нуклеотидов.

Молекулы ДНК очень длинные. Например, для буквенной записи последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК из одной клетки человека (46 хромосом) потребовалась бы книга объемом около 820000 страниц. Чередование четырех типов нуклеотидов может образовать бесконечное множество вариантов молекул ДНК. Указанные особенности строения молекул ДНК позволяют им хранить огромный объем информации обо всех признаках организмов.

В 1953 г. американским биологом Дж. Уотсоном и английским физиком Ф. Криком была создана модель строения молекулы ДНК. Ученые установили, что каждая молекула ДНК состоит из двух цепей, связанных между собой и спирально закрученных. Она имеет вид двойной спирали. В каждой цепи четыре типа нуклеотидов чередуются в определенной последовательности.

Нуклеотидный состав ДНК различается у разных видов бактерий, грибов, растений, животных. Но он не меняется с возрастом, мало зависит от изменений окружающей среды. Нуклеотиды парные, то есть число адениновых нуклеотидов в любой молекуле ДНК равно числу тимидиновых нуклеотидов (А-Т), а число цитозиновых нуклеотидов равно числу гуаниновых нуклеотидов (Ц-Г). Это связано с тем, что соединение двух цепей между собой в молекуле ДНК подчиняется определенному правилу, а именно: аденин одной цепи всегда связан двумя водородными связями только с Тимином другой цепи, а гуанин - тремя водородными связями с цитозином, то есть нуклеотидные цепи одной молекулы ДНК комплементарны, дополняют друг друга.

Молекулы нуклеиновых кислот - ДНК и РНК состоят из нуклеотидов. В состав нуклеотидов ДНК входит азотистое основание (А, Т, Г, Ц), углевод дезоксирибоза и остаток молекулы фосфорной кислоты. Молекула ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух цепей, соединенных водородными связями по принципу комплементарности. Функция ДНК - хранение наследственной информации.

В клетках всех организмов имеются молекулы АТФ - аденозинтрифосфорной кислоты. АТФ - универсальное вещество клетки, молекула которого имеет богатые энергией связи. Молекула АТФ - это один своеобразный нуклеотид, который, как и другие нуклеотиды, состоит из трех компонентов: азотистого основания - аденина, углевода - рибозы, но вместо одного содержит три остатка молекул фосфорной кислоты (рис. 12). Связи, обозначенные на рисунке значком, - богаты энергией и называются макроэргическими . Каждая молекула АТФ содержит две макроэргические связи.

При разрыве макроэргической связи и отщеплении с помощью ферментов одной молекулы фосфорной кислоты освобождается 40 кДж/моль энергии, а АТФ при этом превращается в АДФ - аденозиндифосфорную кислоту. При отщеплении еще одной молекулы фосфорной кислоты освобождается еще 40 кДж/моль; образуется АМФ - аденозинмонофосфорная кислота. Эти реакции обратимы, то есть АМФ может пре вращаться в АДФ, АДФ - в АТФ.

Молекулы АТФ не только расщепляются, но и синтезируются, по этому их содержание в клетке относительно постоянно. Значение АТФ в жизни клетки огромно. Эти молекулы играют ведущую роль в энергетическом обмене, необходимом для обеспечения жизнедеятельности клетки и организма в целом.

Молекула РНК, как правило, одиночная цепь, состоящая из четырех типов нуклеотидов - А, У, Г, Ц. Известны три основных вида РНК: иРНК, рРНК, тРНК. Содержание молекул РНК в клетке непостоянно, они участвуют в биосинтезе белка. АТФ - универсальное энергетическое вещество клетки, в котором имеются богатые энергией связи. АТФ играет центральную роль в обмене энергии в клетке. РНК и АТФ содержатся как в ядре, так и в цитоплазме клетки.

Задачи и тесты по теме "Тема 4. "Химический состав клетки"."

• полимер, мономер;
• углевод, моносахарид, дисахарид, полисахарид;
• липид, жирная кислота, глицерин;
• аминокислота, пептидная связь, белок;
• катализатор, фермент, активный центр;
• нуклеиновая кислота, нуклеотид.

Алгоритм решения задач.

Тип 1. Самокопирование ДНК.

Одна из цепочек ДНК имеет такую последовательность нуклеотидов:
АГТАЦЦГАТАЦТЦГАТТТАЦГ...
Какую последовательность нуклеотидов имеет вторая цепочка той же молекулы?

Чтобы написать последовательность нуклеотидов второй цепочки молекулы ДНК, когда известна последовательность первой цепочки, достаточно заменить тимин на аденин, аденин на тимин, гуанин- на цитозин и цитозин на гуанин. Произведя такую замену, получаем последовательность:
ТАЦТГГЦТАТГАГЦТАААТГ...

Тип 2. Кодирование белков.

Цепочка аминокислот белка рибонуклеазы имеет следующее начало: лизин-глутамин-треонин-аланин-аланин-аланин-лизин...
С какой последовательности нуклеотидов начинается ген, соответствующий этому белку?

Для этого следует воспользоваться таблицей генетического кода. Для каждой аминокислоты находим ее кодовое обозначение в виде соответствующей тройки нуклеотидов и выписываем его. Располагая эти тройки друг за другом в таком же порядке, в каком идут соответствующие им аминокислоты, получаем формулу строения участка информационной РНК. Как правило таких троек несколько, выбор делается по Вашему решению (но, берется только одна из троек). Решений соответственно может быть несколько.
АААЦАААЦУГЦГГЦУГЦГААГ

С какой последовательности аминокислот начинается белок, если он закодирован такой последовательностью нуклеотидов:
АЦГЦЦЦАТГГЦЦГГТ...

По принципу комплементарности находим строение участка информационной РНК, образующейся на данном отрезке молекулы ДНК:
УГЦГГГУАЦЦГГЦЦА...

Затем обращаемся к таблице генетического кода и для каждой тройки нуклеотидов, начиная с первой, находим и выписываем соответствующую ей аминокислоту:
Цистеин-глицин-тирозин-аргинин-пролин-...

Иванова Т.В., Калинова Г.С., Мягкова А.Н. "Общая биология". Москва, "Просвещение", 2000

• Тема 4. "Химический состав клетки." §2-§7 стр. 7-21
• Тема 5. "Фотосинтез." §16-17 стр. 44-48
• Тема 6. "Клеточное дыхание." §12-13 стр. 34-38
• Тема 7. "Генетическая информация." §14-15 стр. 39-44

Все живые системы на планете содержат в себе в разных объёмах химические элементы, а также органические и неорганические химические соединения.

Химическое строение клетки

В зависимости от того, какое количество того или иного химического элемента содержится в клетке, выделяют три группы химических элементов:

Макроэлементы;

Микроэлементы;

Ультра микроэлементы.

98% массы клетки составляют четыре макроэлемента: водород, углерод, азот и кислород. В значительно меньших количествах в клетке присутствуют такие макроэлементы как натрий, магний, калий, фосфор, железо и сера.

Микроэлементы формируют собой ионы галогенов и металлов (медь, кобальт, цинк, бром, йод). Микроэлементы в живой клетке содержаться в очень малых количествах (0, 00001%). К ультра микроэлементам относят ртуть, золото, селен (менее чем 0, 000001% массы клетки).

Химические соединения

Химические соединения представляют собой вещество, которое состоит из соединённых атомов двух или нескольких химических элементов. Химические соединения делятся на две группы:

Органические химические соединения (минеральные соли и вода);

Неорганические химические соединения (соединение химических элементов с углеродом).

К числу основных органических химических соединений относят белки, углеводы, жиры и нуклеиновые кислоты.

Понятие и функции белков

Белки – это высокомолекулярное органическое вещество, состоящее из остатков альфа аминокислот, соединёнными между собой пептидными связями. Белки являются очень важным веществом в процессе жизнедеятельности человека.

Функции белков:

Защитная функция. При попадании в организм вируса, белок начинает усиленное синтезирование в организме, тем самым ликвидируя его.

Структурная функция. Благодаря содержанию в белках такого компонента как коллаген, происходит процесс рубцевания повреждений в организме человека.

Двигательная. Белок принимает непосредственное участие в процессе сокращения мышечных тканей.

Транспортная. Атомы белка переносят кислород и питательные вещества к клеткам.

Энергетическая. При распаде белок освобождает энергию, необходимую человеку для жизнедеятельности.

Помимо этого белки также выступают катализаторами всех химических реакций, происходящих в организме.

Углеводы, их роль в жизнедеятельности

Углеводы – органические поли- и мономеры, содержащие в своем составе кислород, водород и углерод. Главной функцией углеводов является энергетическая функция – распад 1г углеводов освобождает 17 кДж энергии.

Углеводы в виде целлюлозы формируют стенки многих видов растений. Благодаря углеводам живые организмы также запасают питательные вещества, которые сохраняются в виде крахмала.

Жиры

К числу органических химических веществ относят также жиры . Жиры делятся на две группы: сложные и простые. Простые липиды состоят из остатков жирных кислот и глицерина. Сложные жиры представляют собой синтез простых липидов с углеводами и белками.

Все живые системы содержат в различных соотношениях химические элементы и построенные из них химические соединения, как органические, так и неорганические.

По количественному содержанию в клетке все химические элементы делят на 3 группы: макро-, микро- и ультрамикроэлементы.

Макроэлементы составляют до 99% массы клетки, из которых до 98% приходится на 4 элемента: кислород, азот, водород и углерод. В меньших количествах клетки содержат калий, натрий, магний, кальций, серу, фосфор, железо.

Микроэлементы - преимущественно ионы металлов (кобальта, меди, цинка и др.) и галогенов (йода, брома и др.). Они содержатся в количествах от 0,001% до 0,000001%.

Ультрамикроэлементы. Их концентрация ниже 0,000001%. К ним относят золото, ртуть, селен и др.

Химическое соединение - это вещество, в котором атомы одного или нескольких химических элементов соединены друг с другом посредством химических связей. Химические соединения бывают неорганическими и органическими. К неорганическим относят воду и минеральные соли. Органические соединения - это соединения углерода с другими элементами.

Основными органическими соединениями клетки являются белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты.

Химические элементы и неорганические вещества клетки

Различие между живой и неживой природой отчетливо проявляется в их химическом составе. Так, земная кора на 90 % состоит из кислорода, кремния, алюминия и натрия (O, Si, Al, Na), а в живых организмах около 95 % составляют углерод, водород, кислород и азот (C, H, O, N). Кроме того, к этой группе макроэлементов относятся еще восемь химических элементов: Na - натрий, Cl - хлор, S - сера, Fe - железо, Mg - магний, P - фосфор, Ca - кальций, K - калий, содержание которых исчисляется десятыми и сотыми долями процента. В гораздо меньших количествах встречаются столь же необходимые для жизни микроэлементы: Cu - медь, Mn - марганец, Zn - цинк, Mo - молибден, Co - кобальт, F - фтор, J - йод и др.

Только 27 элементов (из 105, которые известны сегодня) выполняют определенные функции в организмах. И как мы уже отмечали, всего лишь четыре - С, H, O, N - служат основой живых организмов. Именно из них главным образом состоят органические вещества (белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры и т. д.).

Первое место среди макроэлементов принадлежит углероду. Он характеризуется способностью образовывать почти все типы химических связей. Углерод в большей степени, чем прочие элементы, способен к формированию крупных молекул. Его атомы могут соединяться между собой, образуя кольца и цепи. В результате возникают сложные молекулы больших размеров, характеризующиеся огромным разнообразием (на сегодня описано более 10 млн органических веществ). Кроме того, атомы углерода в одном и том же химическом соединении проявляют и окислительные, и восстановительные свойства.

Углерод выступает основой всех органических соединений. Высокое же содержание кислорода и водорода связано с наличием у них ярко выраженных окислительных и восстановительных свойств. Благодаря только трем элементам - C, H, O - существует все множество углеводов (сахаров), обобщенная формула которых выглядит как CnH2nOn (где n - число атомов). К этим трем элементам в составе белков добавляются еще атомы N и S, а в составе нуклеиновых кислот - N и P.

Существенная роль в живых организмах принадлежит и всем остальным элементам, названным выше. Так, атомы Mg входят в состав хлорофилла, а Fe - гемоглобина. Йод содержится в составе молекулы тироксина (гормона щитовидной железы), а Zn - молекулы инсулина (гормона поджелудочной железы). Наличие ионов Na и К необходимо для проведения нервного импульса, для осуществления транспорта через клеточную мембрану. Соли P и Са в большом количестве есть в костях, раковинах моллюсков, что обеспечивает высокую прочность этих образований.

Необходимо отметить, что наибольшая часть (до 85 %) химического состава живых организмов - это вода. Поскольку она универсальный растворитель для многих неорганических и органических веществ, то и оказывается идеальной средой для осуществления различных химических реакций. Вода участвует в различных биохимических реакциях (например, при фотосинтезе). С ней выводятся из организма избытки солей, продукты жизнедеятельности. Свойственные воде высокая теплоемкость и относительно высокая теплопроводность имеют существенное значение для терморегуляции организмов (при испарении пота, например, происходит охлаждение кожи).

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:

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:

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.

Подробное решение Раздел стр. 14 по биологии для учащихся 9 класса, авторов С.Г. Мамонтов, В.Б. Захаров, И.Б. Агафонова, Н.И. Сонин 2016

2. Неорганические вещества, водящие в состав клетки

Вопрос 1. Какие химические элементы составляют большую часть массы клетки?

Около 98 % массы клетки образуют четыре элемента: водород, кислород, углерод и азот. Это главные компоненты всех органических соединений. Вместе с серой и фосфором, являющимися необходимыми компонентами молекул биологических полимеров (от греч. полис – много, мерос – часть) – белков и нуклеиновых кислот, их часто называют биоэлементами.

Вопрос 2. Что такое микроэлементы? Приведите примеры и охарактеризуйте их биологическое значение.

Все остальные элементы (цинк, медь, йод, фтор, кобальт, марганец, молибден, бор и др.) содержатся в клетке в очень малых количествах. Общий их вклад в её массу – всего 0,02 %. Поэтому их называют микроэлементами. Однако и они имеют жизненно важное значение. Микроэлементы входят в состав ферментов, витаминов и гормонов – веществ, обладающих большой биологической активностью. Так, йод входит в состав гормона щитовидной железы – тироксина; цинк – в состав гормона поджелудочной железы – инсулина; кобальт – необходимый компонент витамина В12.

Микроэлементы нужны в биотических дозах и их недостаток или избыток в поступлении в организм сказываются на изменении обменных процессов и др. Минеральные вещества играют огромную физиологическую роль в организме человека и животных, входят в состав всех клеток и соков, обусловливают структуру клеток и тканей; в организме они необходимы для обеспечения всех жизненных процессов дыхания, роста, обмена веществ, образования крови, кровообращении, деятельности центральной нервной системы и оказывают влияние на коллоиды тканей и ферментативные процессы. Они входят в состав или активируют до трехсот ферментов.

Марганец (Мn). Марганец содержится во всех органах и тканях человека. Особенно много его в коре мозга, сосудистых системах. Марганец участвует в белковом и фосфорном обмене, в половой функции и в функции опорно-двигательного аппарата, участвует в окислительно-восстановительных процессах, при его участии происходят многие ферментативные процессы, а также процессы синтеза витаминов группы В и гормонов. Дефицит марганца сказывается на работе центральной нервной системы и стабилизации мембран нервных клеток, на развитии скелета, на кроветворении и реакциях иммунитета, на тканевом дыхании. Печень - депо марганца, меди, железа, но с возрастом содержание их в печени снижается, но потребность их в организме остается, возникают злокачественные заболевания, сердечно-сосудистые и др. Содержание марганца в пищевом рационе 4...36 мг. Суточная потребность 2-10 мг. Содержится в рябине обыкновенной, шиповнике коричневом, яблоне домашней, абрикосе, винограде винном, женьшене, клубнике, инжире, облепихе, а также хлебопродуктах, овощах, печени, почках.

Бром (Вr). Наибольшее содержание брома отмечают в мозговом веществе, почках, щитовидной железе, ткани головного мозга, гипофизе, крови, спинномозговой жидкости. Соли брома участвуют в регуляции деятельности нерв ной системы, активируют половую функцию, увеличивая объем эякулята и количество сперматозоидов в нем. Бром при чрезмерном накоплении угнетает функцию щитовидной железы, препятствуя поступлению в нее йода, вызывает кожное заболевание бромодерму и угнетение центральной нервной системы. Бром входит в состав желудочного сока, влияя (наряду с хлором) на его кислотность. Рекомендуемая суточная потребность брома взрослым человеком составляет около 0,5-2,0 мг. Содержание брома в суточном пищевом рационе 0,4-1,1 мг. Основным источником брома в питании человека являются хлеб и хлебопродукты, молоко и молочные продукты, бобовые - чечевица, фасоль, горох.

Медь (Си). Медь влияет на рост и развитие живого организма, участвует в деятельности ферментов и витаминов. Главной биологической функцией ее является участие в тканевом дыхании и кроветворении. Медь и цинк усиливают действие друг друга. Дефицит меди вызывает нарушение образования гемоглобина, развивается анемия, нарушается психическое развитие. Возникает потребность в меди при всяком воспалительном процессе, эпилепсии, анемии, лейкозе, циррозе печени, инфекционных заболеваниях. Нельзя кислые пищевые продукты или напитки держать в медной или латунной посуде. Избыток меди оказывает на организм токсическое действие, могут возникнуть рвота, тошнота, понос. Содержание меди в суточном пищевом рационе 2-10 мг и накапливается преимущественно в печени, костях. Во всех витаминах с микроэлементами медь содержится в пределах нормы, в растительных - айва (1,5 мг %). рябина, яблоня домашняя, абрикос обыкновенный, инжир, крыжовник, ананас - 8,3 мг % на 1 кг, хурма до 0,33 мг %.

Никель (Ni). Никель обнаружен в поджелудочной железе, гипофизе. Наибольшее содержание обнаруживается в волосах, коже и органах эктодермального происхождения. Подобно кобальту никель благотворно влияет на процессы кроветворения, активирует ряд ферментов. При избыточном поступлении никеля в организм в течение длительного времени отмечаются дистрофические изменения в паренхиматозных органах, нарушения со стороны сердечнососудистой системы, нервной и пищеварительной систем, изменения в кроветворении, углеводном и азотистом обмене, нарушении функции щитовидной железы и репродуктивной функции. Много никеля в растительных продуктах, морской рыбе и продуктах моря, печени.

Кобальт (Со). В организме человека кобальт выполняет разнообразные функции, в частности оказывает влияние на обмен веществ и рост организма, и принимает непосредственное участие в процессах кроветворения; он способствует синтезу мышечных белков, улучшает ассимиляцию азота, активизирует ряд ферментов, участвующих в обмене веществ; является незаменимым структурным компонентом витаминов группы В, способствует усвоению кальция и фосфора, понижает возбудимость и тонус симпатической нервной системы. Содержание в суточном пищевом рационе 0,01-0,1 мг. Потребность 40-70 мкг. Кобальт содержится в плодах яблони домашней, абрикоса, винограда винного, клубнике, орехе грецком, молоке, хлебопродуктах, овощах, говяжьей печени, бобовых.

Цинк (Zn). Цинк участвует в деятельности более 20 ферментов, является структурным компонентом гормона поджелудочной железы, влияет на развитие, рост, половое развитие мальчиков, центральную нервную систему. Недостаток цинка ведет к инфантильности у мальчиков и к заболеваниям центральной нервной системы. Считается, что цинк канцерогенный, поэтому его влияние на организм зависит от дозы. Содержание в суточном пищевом рационе 6-30 мг. Суточная доза цинка 5-20 мг. Содержится в субпродуктах, в мясных продуктах, не шлифованном рисе, грибах, устрицах, других морских продуктах, дрожжах, яйцах, горчице, в семенах подсолнуха, хлебопродуктах, мясе, овощах, а также содержится в большинстве лекарственных растений, в плодах яблони домашней.

Молибден (Мо). Молибден входит в состав ферментов, оказывает влияние на вес и рост, препятствует кариесу зубов, задерживает фтор. При недостатке молибдена происходит замедление роста. Содержание в суточном пищевом рационе 0,1-0,6 мг. Суточная доза молибдена - 0,1-0,5 мг Молибден присутствует в рябине черноплодной, яблоне домашней, бобовых, печени, почках, хлебопродуктах.

Селен (Se). Селен принимает участие в обмене серосодержащих аминокислот и предохраняет витамин Е от преждевременного разрушения, защищает клетки от свободных радикалов, но большие дозы селена могут быть опасными и принимать пищевые добавки с селеном нужно только по рекомендации врача. Суточная доза селена 55 мкг. Основной причиной дефицита селена является его недостаточное поступление с пищей, особенно с хлебом и хлебобулочными и мучными изделиями.

Хром (Сr). В последние годы доказана роль хрома в углеводном и жировом обмене. Оказалось, что нормальный углеводный обмен невозможен без органического хрома, содержащегося в натуральных углеводных продуктах. Хром участвует в образовании инсулина, регулирует сахар в крови и жировой обмен, снижает уровень холестерина в крови, защищает сосуды сердца от склеротизирования, препятствует развитию сердечно-сосудистых заболеваний. Недостаток хрома в организме может привести к ожирению, задержке жидкости в тканях и повышению артериального давления. Половина населения земли испытывает дефицит хрома из-за рафинирован ной пищи. Ежедневная суточная норма хрома 125 мкг. В ежедневном рационе питания должны быть сведены к минимуму рафинированные, очищенные продукты - белая мука и изделия из нее, белый сахар, соль, каши быстрого приготовления, разнообразные хлопья зерновых. Необходимо включить в питание натуральные нерафинированные продукты, содержащие хром: хлеб из цельного зерна, каши из натурального зерна (гречки ядрицы, неочищенного риса, овса, пшена), субпродукты (печень, почки и сердце животных и птиц) рыбу и морепродукты. Хром содержат желтки куриных яиц, мед, орехи, грибы, коричневый сахар. Из круп больше всего хрома содержит перловка, затем гречка, из овощей много хрома в свекле, редисе, из фруктов - в персиках. Хороший источник хрома и других микроэлементов - пивные дрожжи, пиво, сухое красное вино. Соединения хрома обладают высокой степенью летучести, происходит значительная потеря хрома при варке продуктов.

Йод (J). Йод принимает участие в образовании гормона щитовидной железы - тироксина. При недостаточном поступлении йода развивается заболевание щитовидной железы (зоб эндемический). При недостатке йода в пищевых продуктах, главным образом в воде, применяют йодированную соль и лекарственные препараты йода. Избыток поступления йода в организм приводит к развитию гипотиреоза. Содержание в суточном пищевом рационе 0,04-0,2 мг. Суточная потребность в йоде 50-200 мкг. Йод находится в рябине черноплодной, до 40 мг %, груше обыкновенной до 40 мг %, фейхоа 2-10 мг % на 1 кг, молоке, овощах, мясе, яйцах, морской рыбе.

Литий (Li). Литий обнаружен в крови человека. Соли лития с остатками органических кислот применяются для лечения подагры. В основе подагры лежит нарушение пуринового обмена с недостаточным выделением мочекислых солей, вызывающее повышенное содержание мочевой кислоты в крови и отложение её солей в суставах и тканях организма. Развитию подагры способствует избыточное питание продуктами, богатыми пуриновыми основаниями (мясо, рыба и пр.), злоупотребление алкоголем, сидячий образ жизни. Карбонат лития применяется в гомеопатии при расстройствах окислительных процессов в организме с явлениями мочекислого диатеза и подагры.

Кремний (Si). Кремний находится в плазме крови, как и железо, он нужен для образования эритроцитов. Соединения кремния необходимы для нормального развития и функционирования соединительной и эпителиальной тканей. Он способствует биосинтезу коллагенов и образованию костной ткани (после перелома количество кремния в костной мозоли увеличивается почти в 50 раз). Полагают, что присутствие кремния в стенках сосудов препятствует проникновению в плазму крови липидов и их отложению в сосудистой стенке, что соединения кремния необходимы для нормального протекания процессов липидного обмена. Суточная потребность в диоксиде кремния составляет 20-30 мг. Кремний обнаружен в коже, волосах, щитовидной железе, гипофизе, надпочечниках, легких, меньше всего в мышцах и крови. Источником его является вода и растительные пищевые продукты. Наибольшее количество кремния содержится в корневых овощах, фруктах: абрикосах, бананах, вишнях, клубнике, землянике, овсе, огурцах, пророщенных зернах злаков, в цельном зерне пшеницы, просе, питьевой воде. Недостаток кремния приводит к ослаблению кожи и волос. Пыль кремнийсодержащих неорганических соединений может вызвать развитие заболевания легких - силикоз. Повышенное поступление кремния в организм может вызвать нарушение фосфорно-кальциевого обмена, образование мочевых камней.

Сера (S). В организме человека сера участвует в образовании кератина белка, находящегося в суставах, волосах и ногтях. Сера входит в состав почти всех белков и ферментов в организме, участвует в окислительно-восстановительных реакциях и других метаболических процессах, способствует секреции желчи в печени. Много серы содержится в волосах. Атомы серы входит в состав тиамина и биотина-витаминов группы В, а также в состав жизненно важных аминокислот - цистеина и метионина. Дефицит серы в организме человека встречается очень редко - при недостаточном употреблении продуктов, содержащих белок. Физиологическая потребность в сере не установлена.

Фториды (F-). Содержание в пищевом рационе 0,4-0,8 мг. Суточная потребность фторидов 2-3 мг. Преимущественно накапливается в костях и зубах. Фториды применяются от кариеса зубов, стимулируют кроветворение и иммунитет, участвуют в развитии скелета. Избыток фторидов дает крапчатость зубной эмали, вызывает заболевание флюороз, подавляет защитные силы организма. В организм фтор поступает с пищевыми продуктами, из которых наиболее богаты им овощи и молоко. В составе пищи человек получает около 0,8 мг фтора, остальное его количество должно поступать с питьевой водой.

Серебро (Аg). Серебро - микроэлемент, являющийся необходимой составной частью тканей любого живого организма. В суточном рационе человека должно содержаться в среднем около 80 мкг серебра. Исследования показали, что даже длительное употребление человеком питьевой воды, содержащей 50 мкг на литр серебра, не вызывает нарушений функции органов пищеварения и каких- либо патологических сдвигов в состоянии организма в целом. Такое явление, как дефицит серебра в организме, нигде не описано. Бактерицидные свойства серебра общеизвестны. В официальной медицине широко применяются препараты коллоидного серебра и нитрат серебра. В организме человека серебро обнаружено в мозге, железах внутренней секреции, печени, почках и костях скелета. В гомеопатии серебро применяется как в элементарном виде серебро металлическое, так и в виде нитрата серебра. Препараты серебра в гомеопатии обычно назначают при упорных и длительных заболеваниях, сильно истощающих нервную систему. Однако физиологическая роль серебра в организме человека и животных изучена недостаточно.

Вопрос 3. Каковы особенности пространственной организации молекулы воды, обусловливающие её биологическое значение?

Функции воды во многом определяются её химическими и физическими свойствами. Эти свойства связаны главным образом с малыми размерами молекул воды и их полярностью, а также способностью соединяться друг с другом водородными связями.

Одна часть молекулы воды несёт небольшой положительный заряд, а другая – отрицательный. Такую молекулу называют диполем. Положительно заряженные части одной молекулы воды притягивают к себе отрицательно заряженные части других молекул, молекулы воды как будто склеиваются. Эти взаимодействия, более слабые, чем ионные связи, называют водородными связями. Вода – превосходный растворитель для полярных веществ, участвующих в обменных процессах.

Вопрос 4. Какие минеральные соли входят в состав живых организмов?

Большая часть неорганических веществ клетки находится в виде солей – либо в состоянии ионов, либо в виде твёрдой нерастворимой соли. Среди первых большое значение имеют катионы К+, Na+, Ca2+, которые обеспечивают такое важнейшее свойство живых организмов, как раздражимость.

Концентрация катионов и анионов в клетке и в окружающей её среде резко различна. Внутри клетки превалируют ионы К+ и крупные органические ионы, в околоклеточных жидкостях всегда больше ионов Na+ и Cl-. Вследствие этого образуется разность зарядов внешней и внутренней поверхностей мембраны клетки, между ними возникает разность потенциалов, обуславливающая такие важные процессы как передача возбуждения по нерву или мышце.

Соединения азота, фосфора, кальция и другие неорганические вещества служат источником строительного материала для синтеза органических молекул (аминокислот, белков, нуклеиновых кислот и др.) и входят в состав ряда опорных структур клетки и организма.

Некоторые неорганические ионы (например, ионы кальция и магния) являются активаторами и компонентами многих ферментов, гормонов и витаминов. При недостатке этих ионов нарушаются жизненно важные процессы в клетке.

Вопрос 5. Какие вещества обусловливают буферные свойства клетки? От концентрации солей внутри клетки зависят буферные свойства клетки.

Буферностью называют способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию своего содержимого на постоянном уровне. Внутри клетки буферность обеспечивается главным образом анионами H2PO4− и НРО42−. Во внеклеточной жидкости и в крови роль буфера играют Н2СО3 и HCO3−. Анионы слабых кислот и слабые щёлочи связывают ионы водорода и гидроксил-ионы (ОН−), благодаря чему реакция внутри клетки, т. е. величина рН, практически не меняется.

Вопрос 6. Согласны ли вы с утверждением, что вода - колыбель всего живого? Объясните, почему жизнь зародилась именно в водной среде.

Все экологические ниши, пригодные для жизни, заняты биосферой. Возникла биосфера одновременно с возникновением жизни на Земле, первоначально (около 4 млрд. лет тому назад) в виде примитивных биоценозов (протобиоценозов) в первичном Мировом океане.

Только благодаря очень медленному процессу эволюции отдельные виды, получившие название амфибий, смогли покинуть водную среду и частично приспособиться к жизни на суше. Дальнейшие адаптационные процессы позволили некоторым из этих земноводных навсегда покинуть водное пространство и сделать сушу постоянной средой своего обитания. Прямое доказательство того, что вода - первоначальная среда обитания живых организмов, было получено при изучении состава плазмы крови (ее жидкого компонента) и внеклеточной жидкости различных животных. Данные жидкости по своему составу близки к морской воде.

Вопрос 7. Предложите свою классификацию химических элементов, входящих в состав живых организмов.

Можно предложить следующую классификацию химических элементов, входящий в состав клетки:

1. Элементы 1 порядка (водород, кислород, углерод и азот)

2. Элементы 2 порядка (цинк, бор, медь, йод, железо, марганец)

Вопрос 8. Составьте и заполните таблицу «Химические элементы и их значение в живой природе».