Структурная организация живых организмов. Химическая организация клетки

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».