§ 6. Химический состав клетки. Вода и минеральные вещества

Ст. 35

Рассмотрите рис. 24 — 27. Какие химические элементы входят в состав организмов? Какие химические соединения их образуют? Какую роль в клетке выполняют вода и минеральные вещества?

См. таб. 2 стр. 37. Основу организмов составляют четыре элемента – кислород, углерод, водород и азот.

Жизнь на нашей планете возникла в воде, что и обусловило её исключительное значение. Строение всех биосистем связано с уникальными свойствами воды: полярностью её молекул, их способностью к образованию водородных связей, большим поверхностным натяжением, аномально высокой теплоёмкостью, а также высокими температурами плавления и кипения.

Ионы калия (К+) и натрия (Na+) создают трансмембранный потенциал клетки, обеспечивающий возбудимость её наружной мембраны и проведение нервного импульса.

Ионы кальция (Са2+) – компоненты клеточной оболочки растений, из них формируются кости и зубы животных, они влияют на реакцию свёртывания крови, сокращения скелетных мышц.

Ионы хлора (С1~) входят в состав соляной кислоты, которая является компонентом желудочного сока, активизирует деятельность пищеварительных ферментов и обеззараживает пищу.

Ионы магния (Mg2+) – компонент молекулы хлорофилла, они содержатся в костях и зубах животных, принимают участие в синтезе ДНК, активизируют энергетический обмен в клетке.

Ионы йода (I — ) входят в состав гормона щитовидной железы – тироксина, влияющего на скорость обмена веществ в организме и потребление кислорода. При его недостатке или избытке развиваются гормональные заболевания, например микседема и базедова болезнь.

Ионы железа (Fe2+) входят в состав гемоглобина, миоглобина (кислород — связывающий белок скелетных и сердечной мышц), хрусталика и роговицы глаза, они являются активаторами ферментов, участвуют в синтезе хлорофилла. Очень важна роль железа, входящего в состав гемоглобина (обеспечивает транспорт кислорода к тканям и органам) и миоглобина (депонирует молекулярный кислород и передаёт его окислительным системам клетки).

Медь участвует в процессах кроветворения, фотосинтеза, катализирует внутриклеточные окислительные процессы. Марганец способствует повышению урожайности растений, активизирует процесс фотосинтеза. Бор воздействует на ростовые процессы растений. Фтор входит в состав эмали зубов, при его недостатке развивается кариес, при избытке – флюороз (размягчение костной ткани). Флюорозом страдают люди, связанные с производством фтора и фторсодержащих веществ. Ионы молибдена, хрома, кобальта, цинка служат активаторами ряда ферментов, влияют на процессы кроветворения, обмена веществ. При нехватке этих элементов могут нарушаться процессы жизнедеятельности организмов.

Ст. 41

1. С чем связаны уникальные физико — химические свойства воды? Перечислите те их них, которые наиболее важны для организмов.

Строение всех биосистем связано с уникальными свойствами воды: полярностью её молекул, их способностью к образованию водородных связей, большим поверхностным натяжением, аномально высокой теплоёмкостью, а также высокими температурами плавления и кипения.

2. За счет чего происходит подъем воды по волокнам бумаги? Какое значение для организмов имеют капиллярные свойства воды?

За счёт полярности и водородных связей молекулы воды способны соединяться между собой и с другими веществами. В результате такого соединения на поверхности образуется «плёнка», что и объясняет высокое поверхностное натяжение воды и её капиллярные свойства.

Капиллярные явления играют существенную роль в водоснабжении растений и перемещении влаги в почве. В сухую погоду почва ссыхается, и в ней образуются трещины – капилляры. По ним вода поднимается из — под земли вверх и испаряется.

3. Почему зимой, когда вода замерзает, растения и холоднокровные животные не погибают при охлаждении температуры их тела ниже 0˚С?

Внутренняя среда этих организмов содержит особые вещества — антифризы, препятствующие замерзанию воды.

4. Всем известно, что клопы — водомерки бегают по воде, как по твердой поверхности. Как вы объясните это явление? Благодаря какому свойству воды такое возможно?

Это возможно, благодаря такому свойству воды, как поверхностное натяжение. Водомерка передвигается по воде с довольно большой скоростью и широко расставленными ногами.

5. Все живое состоит в основном из углерода. Аналог же углерода – кремний, содержание которого в земной коре в 300 раз больше, чем углерода, – встречается в составе очень немногих организмов. Объясните этот факт с точки зрения строения атомов и свойств этих элементов.

Атомы кремния имеют большую массу и радиус, они сложнее образуют двойную или тройную ковалентную связь, что может помешать образованию биополимеров. Соединения кремния не могут быть настолько разнообразны, как соединения углерода.

Диоксид кремния, являющийся аналогом углекислого газа в углеродных формах жизни, представляет собой твердое, плохорастворимое вещество. Это создает трудности для поступления кремния в биологические системы, основанные на водных растворах, даже если окажется возможным существование биологических молекул на его основе.

6. Какие функции в организме выполняют ионы элементов, приведенных в табл. 2?

Кислород: Основной (фактически единственной) функцией кислорода является его участие как окислителя в окислительно — восстановительных реакциях в организме. Благодаря наличию кислорода, организмы всех животных способны утилизировать (фактически «сжигать») различные вещества (углеводы, жиры, белки) с извлечением определенной энергии «сгорания» для собственных нужд.

Углерод: Как и другие элементы — органогены, углерод в виде отдельного элемента не обладает биологическим значением, – биологической ролью обладают его соединения.

— из различных соединений углерода (белки, жиры, углеводы, нуклеотиды, гормоны, амино — и карбоновые кислоты и др.) состоят все ткани организма

— является структурным компонентом всех органических соединений

— его соединения участвуют во всех биохимических процессах

— при окислении соединений углерода образуется необходимая для организма энергия

— оксид углерода (IV) CO2, образующаяся в результате окисления соединений углерода, стимулирует дыхательный центр, регулирует значение рН крови

Водород: Водород как отдельный элемент не обладает биологической ценностью. Наибольшую ценность, конечно, представляет соединение водорода с кислородом – вода, которая фактически является средой существования всех клеток организма.

Азот: Биологическая роль азота обусловлена его соединениями. Так в составе аминокислот он образует пептиды и белки (наиболее важный компонент всех живых организмов); в составе нуклеотидов образует ДНК и РНК (посредством которых передается вся информация внутри клетки и по наследству); в составе гемоглобина участвует в транспорте кислорода от легких по органам и тканей.

Фосфор: Участвует в построении всех клеток организма, во всех обменных процессах, очень важен для работы мозга, участвует в образовании гормонов.

Сера: Как и элементы органогены, сера в виде отдельного элемента не обладает биологическим значением. Ее биологическая роль состоит в том, что она входит в структуру таких аминокислот, как цистеин и метионин, которые и выполняют в животных организмах (в том числе у человека), ряд незаменимых функций:

— придает необходимую для их функционирования пространственную организацию молекулам белков за счет образования дисульфидных мостиков

— является компонентом многих ферментов, гормонов (в частности – инсулина), и серосодержащих аминокислот

— является компонентом таких активных веществ, как гистамин, витамина и др.

— сульфгидрильные группы образуют активные центры ряда ферментов

— обеспечивает передачу энергии в клетке: атом серы принимает на свободную орбиталь один из электронов кислорода

— участвует в переносе метильных групп

— входит в состав коэнзимов, включая коэнзим А

Калий: Главная биологическая функция калия – формирование совместно с другими электролитами (натрий, хлор) разницы потенциалов на мембранах клеток и передача ее изменения по клеточной мембране, за счет обмена с ионами натрия, что особенно важно для нервных и мышечных клеток.

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.

Натрий: Обеспечивает кислотно — щелочное равновесие. Помогает тканям удерживать воду. Формирование электрического потенциала путем обмена с ионами калия («калиево — натриевый насос»)

Магний: Участие в обменных процессах, взаимодействие с калием, натрием, кальцием. Активатор для множества ферментативных реакций. Регуляции нервно — мышечной проводимости, тонуса гладкой мускулатуры

Железо: Участвует в производстве гемоглобина и дыхательных ферментов. Стимулирует кроветворение.

Хлор: входит в состав соляной кислоты, которая является компонентом желудочного сока, активизирует деятельность пищеварительных ферментов и обеззараживает пищу.

Кремний: – является одним из необходимых компонентов костей

— участвует в формировании костей и хряща, минерализации костной ткани

— участвует в синтезе гликозаминогликанов и коллагена

— возможно тормозит развитие атеросклеротических процессов

Алюминий: Алюминий играет очень важную роль – он принимает участие в процессе регенерации (восстановления) эпителиальной и соединительной тканей, поддержания крепости костей, в образовании пептидов и фосфатных комплексов. Алюминий влияет на функцию околощитовидных желез, оказывает как активизирующее, так и тормозящее действие на пищеварительные ферменты

Марганец: Участвует в окислительных процессах, обмене жирных кислот и контролирует уровень холестерина.

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.

Медь: Участвует в синтезе красных кровяных телец, коллагена (он отвечает за упругость кожи), обновлении кожных клеток. Способствует правильному усвоению железа.

Бром: Бром избирательно усиливает ряд тормозных процессов в центральной нервной системе (ранее препараты брома назначали как успокаивающее средство).

Йод: Играет важную роль в образовании гормона щитовидной железы – тироксина.

Селен: Замедляет процессы старения, укрепляет иммунитет. Является естественным антиоксидантом – защищает клетки от рака.

Серебро: Ионы серебра участвуют в обменных процессах организма. Установлено, что его катионы способны не только стимулировать, но и угнетать активность ряда ферментов. Это зависит от концентрации серебра. Серебро способствует улучшению функции головного мозга. Катионы серебра принимают участие в регуляции энергетического обмена.

Золото: На сегодняшний день установлено, что золото обладает бактерицидным действием само по себе, а в смеси с серебром оно усиливается многократно. Оно также оказывает заметное антисклеротическое действие.

Ртуть: Биохимическая роль ртути сводится к тому, что она способна реагировать по обратимому типу с некоторыми функционально активными группами белков и пептидов.

Бериллий: Бром является антагонистом йода и тем самым защищает организм от гиперфункции щитовидной железы, которая синтезирует гормон тироксин

7. Перечертите в тетрадь и начните заполнять таблицу «Химический состав клетки». Внесите в нее сведения о воде и минеральных веществах.

Минеральные вещества и их биологические функции – см. вопрос 6.