Клетка – элементарная единица жизни на Земле. Она обладает всеми признаками живого организма: растет, размножается, обменивается с окружающей средой веществами и энергией, реагирует на внешние раздражители. Начало биологической эволюции связано с появлением на Земле клеточных форм жизни. Одноклеточные организмы представляют собой существующие отдельно друг от друга клетки. Тело всех многоклеточных – животных и растений – построено из большего или меньшего числа клеток, которые являются своего рода блоками, составляющими сложный организм. Независимо от того, представляет ли собой клетка целостную живую систему – отдельный организм или составляет лишь его часть, она наделена набором признаков и свойств, общим для всех клеток.
Химический состав клетки
В клетках обнаружено около 60 элементов периодической системы Менделеева, встречающихся и в неживой природе. Это одно из доказательств общности живой и неживой природы. В живых организмах наиболее распространены водород , кислород , углерод и азот , которые составляют около 98% массы клеток. Такое обусловлено особенностями химических свойств водорода, кислорода, углерода и азота, вследствие чего они оказались наиболее подходящими для образования молекул, выполняющих биологические функции. Эти четыре элемента способны образовывать очень прочные ковалентные связи посредством спаривания электронов, принадлежащих двум атомам. Ковалентно связанные атомы углерода могут формировать каркасы бесчисленного множества различных органических молекул. Поскольку атомы углерода легко образуют ковалентные связи с кислородом, водородом, азотом, а также с серой, органические молекулы достигают исключительной сложности и разнообразия строения.
Кроме четырех основных элементов в клетке в заметных количествах (10 ые и 100 ые доли процента) содержатся железо , калий , натрий , кальций , магний , хлор , фосфор и сера . Все остальные элементы (цинк , медь , йод , фтор , кобальт , марганец и др.) находятся в клетке в очень малых количествах и поэтому называются микроэлементами.
Химические элементы входят в состав неорганических и органических соединений. К неорганическим соединениям относятся вода, минеральные соли, диоксид углерода, кислоты и основания. Органические соединения – это белки , нуклеиновые кислоты , углеводы , жиры (липиды) и липоиды .
Некоторые белки содержат серу . Составной частью нуклеиновых кислот является фосфор . Молекула гемоглобина включает железо , магний участвует в построении молекулы хлорофилла . Микроэлементы, несмотря на крайне низкое содержание в живых организмах, играют важную роль в процессах жизнедеятельности. Йод входит в состав гормона щитовидной железы – тироксина, кобальт – в состав витамина В 12 гормон островковой части поджелудочной железы – инсулин – содержит цинк . У некоторых рыб место железа в молекулах пигментов, переносящих кислород, занимает медь.
Неорганические вещества
Вода
Н 2 О – самое распространенное соединение в живых организмах. Содержание ее в разных клетках колеблется в довольно широких пределах: от 10% в эмали зубов до 98% в теле медузы, но среднем она составляет около 80% массы тела. Исключительно важная роль воды в обеспечении процессов жизнедеятельности обусловлена ее физико-химическими свойствами. Полярность молекул и способность образовывать водородные связи делают воду хорошим растворителем для огромного количества веществ. Большинство химических реакций, протекающих в клетке, может происходить только в водном растворе. Вода участвует и во многих химических превращениях.
Общее число водородных связей между молекулами воды изменяется в зависимости от t°. При t° таяния льда разрушается примерно 15% водородных связей, при t° 40°С – половина. При переходе в газообразное состояние разрушаются все водородные связи. Этим объясняется высокая удельная теплоемкость воды. При изменении t° внешней среды вода поглощает или выделяет теплоту вследствие разрыва или новообразования водородных связей. Таким путем колебания t° внутри клетки оказываются меньшими, чем в окружающей среде. Высокая теплота испарения лежит в основе эффективного механизма теплоотдачи у растений и животных.
Вода как растворитель принимает участие в явлениях осмоса, играющего важную роль в жизнедеятельности клетки организма. Осмосом называют проникновение молекул растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор какого-либо вещества. Полупроницаемыми называются мембраны, которые пропускают молекулы растворителя, но не пропускают молекулы (или ионы) растворенного вещества. Следовательно, осмос – односторонняя диффузия молекул воды в направлении раствора.
Минеральные соли
Большая часть неорганических в-в клетки находится в виде солей в диссоциированном, либо в твердом состоянии. Концентрация катионов и анионов в клетке и в окружающей ее среде неодинакова. В клетке содержится довольно много К и очень много Nа. Во внеклеточной среде, например в плазме крови, в морской воде, наоборот, много натрия и мало калия. Раздражимость клетки зависит от соотношения концентраций ионов Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ . В тканях многоклеточных животных К входит в состав многоклеточного вещества, обеспечивающего сцепленность клеток и упорядоченное их расположение. От концентрации солей в большой мере зависят осмотическое давление в клетке и ее буферные свойства. Буферностью называется способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию ее содержимого на постоянном уровне. Буферность внутри клетки обеспечивается главным образом ионами Н 2 РО 4 и НРО 4 2- . Во внеклеточных жидкостях и в крови роль буфера играют Н 2 СО 3 и НСО 3 — . Анионы связывают ионы Н и гидроксид-ионы (ОН —), благодаря чему реакция внутри клетки внеклеточных жидкостей практически не меняется. Нерастворимые минеральные соли (например, фосфорнокислый Са) обеспечивает прочность костной ткани позвоночных и раковин моллюсков.
Органические вещества клетки
Белки
Среди органических веществ клетки белки стоят на первом месте как по количеству (10 – 12% от общей массы клетки), так и по значению. Белки представляют собой высокомолекулярные полимеры (с молекулярной массой от 6000 до 1 млн. и выше), мономерами которых являются аминокислоты. Живыми организмами используется 20 аминокислот, хотя их существует значительно больше. В состав любой аминокислоты входит аминогруппа (-NH 2), обладающая основными свойствами, и карбоксильная группа (-СООН), имеющая кислотные свойства. Две аминокислоты соединяются в одну молекулу путем установления связи HN-CO с выделением молекулы воды. Связь между аминогруппой одной аминокислоты и карбоксилом другой называется пептидной. Белки представляют собой полипептиды, содержащие десятки и сотни аминокислот. Молекулы различных белков отличаются друг от друга молекулярной массой, числом, составом аминокислот и последовательностью расположения их в полипептидной цепи. Понятно поэтому, что белки отличаются огромным разнообразием, их количество у всех видов живых организмов оценивается числом 10 10 – 10 12 .
Цепь аминокислотных звеньев, соединенных ковалентное пептидными связями в определенной последовательности, называется первичной структурой белка. В клетках белки имеют вид спирально закрученных волокон или шариков (глобул). Это объясняется тем, что в природном белке полипептидная цепочка уложена строго определенным образом в зависимости от химического строения входящих в ее состав аминокислот.
Вначале полипептидная цепь сворачивается в спираль. Между атомами соседних витков возникает притяжение и образуются водородные связи, в частности, между NH- и СО- группами, расположенными на соседних витках. Цепочка аминокислот, закрученная в виде спирали, образует вторичную структуру белка. В результате дальнейшей укладки спирали возникает специфичная для каждого белка конфигурация, называемая третичной структурой. Третичная структура обусловлена действием сил сцепления между гидрофобными радикалами, имеющимися у некоторых аминокислот, и ковалентными связями между SH- группами аминокислоты цистеина (S-S- связи). Количество аминокислот гидрофобными радикалами и цистеина, а также порядок их расположения в полипептидной цепочке специфичны для каждого белка. Следовательно, особенности третичной структуры белка определяются его первичной структурой. Биологическую активность белок проявляет только в виде третичной структуры. Поэтому замена даже одной аминокислоты в полипептидной цепочке может привести к изменению конфигурации белка и к снижению или утрате его биологической активности.
В некоторых случаях белковые молекулы объединяются друг с другом и могут выполнять свою функцию только в виде комплексов. Так, гемоглобин – это комплекс из четырех молекул и только в такой форме способен присоединять и транспортировать О. подобные агрегаты представляют собой четвертичную структуру белка. По своему составу белки делятся на два основных класса – простые и сложные. Простые белки состоят только из аминокислот нуклеиновые кислоты (нуклеотиды), липиды (липопротеиды), Ме (металлопротеиды), Р (фосфопротеиды).
Функции белков в клетке чрезвычайно многообразны. Одна из важнейших – строительная функция: белки участвуют в образовании всех клеточных мембран и органоидов клетки, а также внутриклеточных структур. Исключительно важное значение имеет ферментативная (каталитическая) роль белков. Ферменты ускоряют химические реакции, протекающие в клетке, в 10 ки и 100 ни миллионов раз. Двигательная функция обеспечивается специальными сократительными белками. Эти белки участвуют во всех видах движений, к которым способны клетки и организмы: мерцание ресничек и биение жгутиков у простейших, сокращение мышц у животных, движение листьев у растений и др. Транспортная функция белков заключается в присоединении химических элементов (например, гемоглобин присоединяет О) или биологически активных веществ (гормонов) и переносе их к тканям и органам тела. Защитная функция выражается в форме выработки особых белков, называемых антителами, в ответ на проникновение в организм чужеродных белков или клеток. Антитела связывают и обезвреживают чужеродные вещества. Белки играют немаловажную роль как источники энергии. При полном расщеплении 1г. белков выделяется 17,6 кДж (~4,2 ккал).
Углеводы
Углеводы, или сахариды – органические вещества с общей формулой (СН 2 О) n . У большинства углеводов число атомов Н вдвое больше числа атомов О, как в молекулах воды. Поэтому эти вещества и были названы углеводами. В живой клетке углеводы находятся в количествах, не превышающих 1-2, иногда 5% (в печени, в мышцах). Наиболее богаты углеводами растительные клетки, где их содержание достигает в некоторых случаях 90% от массы сухого вещества (семена, клубни картофеля и т.д.).
Углеводы бывают простые и сложные. Простые углеводы называются моносахаридами. В зависимости от числа атомов углевода в молекуле моносахариды называются триозами, тетрозами, пентозами или гексозами. Из шести углеродных моносахаридов – гексоз – наиболее важное значение имеют глюкоза, фруктоза и галактоза. Глюкоза содержится в крови (0,1-0,12%). Пентозы рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот и АТФ. Если в одной молекуле объединяются два моносахарида, такое соединение называется дисахаридом. Пищевой сахар, получаемый из тростника или сахарной свеклы, состоит из одной молекулы глюкозы и одной молекулы фруктозы, молочный сахар – из глюкозы и галактозы.
Сложные углеводы, образованные многими моносахаридами, называются полисахаридами. Мономером таких полисахаридов, как крахмал, гликоген, целлюлоза, является глюкоза. Углеводы выполняют две основные функции: строительную и энергетическую. Целлюлоза образует стенки растительных клеток. Сложный полисахарид хитин служит главным структурным компонентом наружного скелета членистоногих. Строительную функцию хитин выполняет и у грибов. Углеводы играют роль основного источника энергии в клетке. В процессе окисления 1 г. углеводов освобождается 17,6 кДж (~4,2 ккал). Крахмал у растений и гликоген у животных откладываются в клетках и служат энергетическим резервом.
Нуклеиновые кислоты
Значение нуклеиновых кислот в клетке очень велико. Особенности их химического строения обеспечивают возможность хранения, переноса и передачи по наследству дочерним клеткам информации о структуре белковых молекул, которые синтезируются в каждой ткани на определенном этапе индивидуального развития. Поскольку большинство свойств и признаков клеток обусловлено белками, то понятно, что стабильность нуклеиновых кислот – важнейшее условие нормальной жизнедеятельности клеток и целых организмов. Любые изменения структуры клеток или активности физиологических процессов в них, влияя, таким образом, на жизнедеятельность. Изучение структуры нуклеиновых кислот имеет исключительно важное значение для понимания наследования признаков у организмов и закономерностей функционирования, как отдельных клеток, так и клеточных систем – тканей и органов.
Существуют 2 типа нуклеиновых кислот – ДНК и РНК. ДНК – полимер, состоящий из двух нуклеотидных спиралей, заключенных так, что образуется двойная спираль. Мономеры молекул ДНК представляют собой нуклеотиды, состоящие из азотистого основания (аденина, тимина, гуанина или цитозина), углевода (дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты. Азотистые основания в молекуле ДНК соединены между собой неодинаковым количеством Н-связей и располагаются попарно: аденин (А) всегда против тимина (Т), гуанин (Г) против цитозина (Ц).
Нуклеотиды соединены друг с другом не случайно, а избирательно. Способность к избирательному взаимодействию аденина с тимином и гуанина с цитозином называется комплементарностью. Комплементарное взаимодействие определенных нуклеотидов объясняется особенностями пространственного расположения атомов в их молекулах, которые позволяют им сближаться и образовывать Н-связи. В полинуклеотидной цепочке соседние нуклеотиды связаны между собой через сахар (дезоксирибозу) и остаток фосфорной кислоты. РНК так же, как и ДНК, представляет собой полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Азотистые основания трех нуклеотидов те же самые, что входят в состав ДНК (А, Г, Ц); четвертое – урацил (У) – присутствует в молекуле РНК вместо тимина. Нуклеотиды РНК отличаются от нуклеотидов ДНК и по строению входящего в их состав углевода (рибоза вместо дизоксирибозы).
В цепочке РНК нуклеотиды соединяются путем образования ковалентных связей между рибозой одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого. По структуре различаются двух цепочечные РНК. Двух цепочечные РНК являются хранителями генетической информации у ряда вирусов, т.е. выполняют у них функции хромосом. Одно цепочечные РНК осуществляют перенос информации о структуре белков от хромосомы к месту их синтеза и участвуют в синтезе белков.
Существует несколько видов одно цепочечной РНК. Их названия обусловлены выполняемой функцией или местом нахождения в клетке. Большую часть РНК цитоплазмы (до 80-90%) составляет рибосомальная РНК (рРНК), содержащаяся в рибосомах. Молекулы рРНК относительно невелики и состоят в среднем из 10 нуклеотидов. Другой вид РНК (иРНК), переносящие к рибосомам информацию о последовательности аминокислот в белках, которые должны синтезироваться. Размер этих РНК зависит от длины участка ДНК, на котором они были синтезированы. Транспортные РНК выполняют несколько функций. Они доставляют аминокислоты к месту синтеза белка, «узнают» (по принципу комплементарности) триплет и РНК, соответствующий переносимой аминокислоте, осуществляют точную ориентацию аминокислоты на рибосоме.
Жиры и липиды
Жиры представляют собой соединения жирных высокомолекулярных кислот и трехатомного спирта глицерина. Жиры не растворяются в воде – они гидрофобны. В клетке всегда есть и другие сложные гидрофобные жироподобные вещества, называемые липоидами. Одна из основных функций жиров – энергетическая. В ходе расщепления 1 г. жиров до СО 2 и Н 2 О освобождается большое количество энергии – 38,9 кДж (~9,3 ккал). Содержание жира в клетке колеблется в пределах 5-15% от массы сухого вещества. В клетках живой ткани количество жира возрастает до 90%. Главная функция жиров в животном (и отчасти - растительном) мире - запасающая.
При полном окислении 1 г жира (до углекислого газа и воды) выделяется около 9 ккал энергии. (1 ккал = 1000 кал; калория (кал, cal) - внесистемная единица количества работы и энергии, равная количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 мл воды на 1 °C при стандартном атмосферном давлении 101,325 кПа; 1 ккал = 4,19 кДж). При окислении (в организме) 1 г белков или углеводов выделяется только около 4 ккал/г. У самых разных водных организмов - от одноклеточных диатомовых водорослей до гигантских акул - жир случит «поплавком», уменьшая среднюю плотность тела. Плотность животных жиров составляет около 0,91-0,95 г/см³. Плотность костной ткани позвоночных близка к 1,7-1.8 г/см³, а средняя плотность большинства других тканей близка к 1 г/см³. Понятно, что жира нужно довольно много, чтобы «уравновесить» тяжелый скелет.
Жиры и липиды выполняют и строительную функцию: они входят в состав клеточных мембран. Благодаря плохой теплопроводности жир способен к защитной функции. У некоторых животных (тюлени, киты) он откладывается в подкожной жировой ткани, образуя слой толщиной до 1 м. Образование некоторых липоидов предшествует синтезу ряда гормонов. Следовательно, этим веществам присуща и функция регуляции обменных процессов.
Все живые организмы состоят из клеток . Организм человека тоже имеет клеточное строение , благодаря которому возможен его рост, размножение и развитие.
Организм человека состоит из огромного числа клеток разной формы и размеров, которые зависят от выполняемой функции. Изучением строения и функций клеток занимается цитология .
Каждая клетка покрыта состоящей из нескольких слоев молекул мембраной, которая обеспечивает избирательную проницаемость веществ. Под мембраной в клетке находится вязкое полужидкое вещество – цитоплазма с органоидами.
Митохондрии
– энергетические станции клетки, рибосомы – место образования белка, эндоплазматическая сеть, выполняющая функцию транспортировки веществ, ядро – место хранения наследственной информации, внутри ядра – ядрышко. В нем образуется рибонуклеиновая кислота. Возле ядра расположен клеточный центр, необходимый при делении клетки.
Клетки человека состоят из органических и неорганических веществ.
Неорганические вещества:
Вода – составляет 80 % массы клетки, растворяет вещества, участвует в химических реакциях;
Минеральные соли в виде ионов – участвуют в распределении воды между клетками и межклеточным веществом. Они необходимы для синтеза жизненно важных органических веществ.
Органические вещества:
Белки – основные вещества клетки, самые сложные из встречающихся в природе веществ. Белки входят в состав мембран, ядра, органоидов, выполняют в клетке структурную функцию. Ферменты – белки, ускорители реакции;
Жиры – выполняют энергетическую функцию, они входят в состав мембран;
Углеводы – также при расщеплении образуют большое количество энергии, хорошо растворимы в воде и поэтому при их расщеплении энергия образуется очень быстро.
Нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК, они определяют, хранят и передают наследственную информацию о составе белков клетки от родителей к потомству.
Клетки человеческого организма обладают рядом жизненно важных свойств и выполняют определенные функции:
В клетках идет обмен веществ
, сопровождающийся синтезом и распадом органических соединений; обмен веществ сопровождается превращением энергии;
Когда в клетке образуются вещества, она растет, рост клеток связан с увеличением их числа, это связано с размножением путем деления;
Живые клетки обладают возбудимостью;
Одна из характерных особенностей клетки – движение.
Клетке человеческого организма
присущи следующие жизненные свойства: обмен веществ, рост, размножение и возбудимость. На основе этих функций осуществляется функционирование целого организма.
Химический состав клетки.
Основные свойства и уровни организации живой природы
Уровни организации живых систем отражают соподчиненность, иерархичность структурной организации жизни:
Молекулярно-генетический - отдельные биополимеры (ДНК, РНК, белки);
Клеточный - элементарная самовоспроизводящаяся единица жизни (прокариоты, одноклеточные эукариоты), ткани, органы;
Организменный - самостоятельное существование отдельной особи;
Популяционно-видовой - элементарная эволюционирующая единица - популяция;
Биогеоценотический - экосистемы, состоящие из разных популяций и среды их обитания;
Биосферный - все живое население Земли, обеспечивающее круговорот веществ в природе.
Природа - это весь существующий материальный мир во всем многообразии его форм.
Единство природы проявляется в объективности ее существования, общности элементного состава, подчиненности одним и тем же физическим законам, в системности организации.
Различные природные системы, как живые, так и неживые, взаимосвязаны и взаимодействуют между собой. Примером системного взаимодействия является биосфера.
Биология - это комплекс наук, изучающих закономерности развития и жизнедеятельности живых систем, причины их многообразия и приспособленности к окружающей среде, взаимосвязь с другими живыми системами и объектами неживой природы.
Объектом исследования биологии является живая природа.
Предметом исследования биологии являются:
Общие и частные закономерности организации, развития, обмена веществ, передачи наследственной информации;
Разнообразие форм жизни и самих организмов, а также их связи с окружающей средой.
Все многообразие жизни на Земле объясняется эволюционным процессом и действием окружающей среды на организмы.
Сущность жизни определяется М.В.
Волькенштейном как существование на Земле «живых тел, представляющих собой открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров - белков и нуклеиновых кислот».
Основные свойства живых систем:
Обмен веществ;
Саморегуляция;
Раздражимость;
Изменчивость;
Наследственность;
Размножение;
Химический состав клетки.
Неорганические вещества клетки
Цитология - наука, изучающая строение и функции клеток. Клетка является элементарной структурной и функциональной единицей живых организмов. Клеткам одноклеточных организмов присущи все свойства и функции живых систем.
Клетки многоклеточных организмов дифференцированы по строению и функциям.
Атомный состав: в состав клетки входит около 70 элементов Периодической системы элементов Менделеева, причем 24 из них присутствуют во всех типах клеток.
Макроэлементы - Н, О, N, С, микроэлементы - Mg, Na, Са, Fe, К, Р, CI, S, ультрамикроэлементы - Zn, Сu, I, F, Мn, Со, Si и др.
Молекулярный состав: в состав клетки входят молекулы неорганических и органических соединений.
Неорганические вещества клетки
Молекула воды имеет нелинейную пространственную структуру и обладает полярностью. Между отдельными молекулами образуются водородные связи, определяющие физические и химические свойства воды.
1. Молекула воды Рис. 2. Водородные связи между молекулами воды
Физические свойства воды:
Вода может находиться в трех состояниях - жидком, твердом и газообразном;
Вода - растворитель. Полярные молекулы воды растворяют полярные молекулы других веществ. Вещества, растворимые в воде, называют гидрофильными. Вещества, не растворимые в воде, - гидрофобными;
Высокая удельная теплоемкость. Для разрыва водородных связей, удерживающих молекулы воды, требуется поглотить большое количество энергии.
Это свойство воды обеспечивает поддержание теплового баланса в организме;
Высокая теплота парообразования. Для испарения воды необходима достаточно большая энергия. Температура кипения воды выше, чем у многих других веществ. Это свойство воды предохраняет организм от перегрева;
Молекулы воды находятся в постоянном движении, они сталкиваются друг с другом в жидкой фазе, что немаловажно для процессов обмена веществ;
Сцепление и поверхностное натяжение.
Водородные связи обусловливают вязкость воды и сцепление ее молекул с молекулами других веществ (когезия).
Благодаря силам сцепления молекул на поверхности воды создается пленка, которую характеризует поверхностное натяжение;
Плотность. При охлаждении движение молекул воды замедляется. Количество водородных связей между молекулами становится максимальным. Наибольшую плотность вода имеет при 4°С. Замерзая, вода расширяется (необходимо место для образования водородных связей), и ее плотность уменьшается, поэтому лед плавает на поверхности воды, что защищает водоем от промерзания;
Способность к образованию коллоидных структур.
Молекулы воды образуют вокруг нерастворимых молекул некоторых веществ оболочку, препятствующую образованию крупных частиц. Такое состояние этих молекул называется дисперсным (рассеянным). Мельчайшие частицы веществ, окруженные молекулами воды, образуют коллоидные растворы (цитоплазма, межклеточные жидкости).
Биологические функции воды:
Транспортная - вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма.
В природе вода переносит продукты жизнедеятельности в почвы и к водоемам;
Метаболическая - вода является средой для всех биохимических реакций и донором электронов при фотосинтезе, она необходима для гидролиза макромолекул до их мономеров;
Участвует в образовании:
1) смазывающих жидкостей, которые уменьшают трение (синовиальная - в суставах позвоночных животных, плевральная, в плевральной полости, перикардиальная - в околосердечной сумке);
2) слизей, которые облегчают передвижение веществ по кишечнику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей;
3) секретов (слюна, слезы, желчь, сперма и т.д.) и соков в организме.
Неорганические ионы.
Неорганические ионы клетки представлены: катионами К+, Na+, Са2+, Mg2+, NH3 и анионами Сl-, NOi2-, H2PO4-, HCO3-, HPO42-.
Разность между количеством катионов и анионов на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникновение потенциала действия, что лежит в основе нервного и мышечного возбуждения.
Анионы фосфорной кислоты создают фосфатную буферную систему, поддерживающую рН внутриклеточной среды организма на уровне 6-9.
Угольная кислота и ее анионы создают бикарбонатную буферную систему и поддерживают рН внеклеточной среды (плазмы крови) на уровне 4-7.
Соединения азота служат источником минерального питания, синтеза белков, нуклеиновых кислот.
Атомы фосфора входят в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов, а также костей позвоночных, хитинового покрова членистоногих. Ионы кальция входят в состав вещества костей, они также необходимы для осуществления мышечного сокращения, свертывания крови.
Химический состав клетки. Неорганические вещества
Атомный и молекулярный состав клетки. В микроскопической клетке содержится несколько тысяч веществ, которые участвуют в разнообразных химических реакциях. Химические процессы, про-текающие в клетке,- одно из основных условий ее жизни, разви-тия, функционирования.
Все клетки животных и растительных организмов, а также микроорганизмов сходны по химическому составу, что свидетельст-вует о единстве органического мира.
В таблице приведены данные об атомном составе клеток.
Из 109 элементов периодической системы Менделеева в клетках обнаружено значительное их большинство. Одни элементы содер-жатся в клетках в относительно большом количестве, другие- в малом. Особенно велико содержание в клетке четырех элемен-тов — кислорода, углерода, азота и водорода. В сумме они состав-ляют почти 98% всего содержимого клетки. Следующую группу составляют восемь элементов, содержание которых в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента. Это сера, фосфор, хлор, калий, магний, натрий, кальций, железо.
В сумме они составляют 1,9%. Все остальные элементы содержатся в клетке в исключительно малых количествах (меньше 0,01 %).
Таким образом, в клетке нет каких-нибудь особенных элемен-тов, характерных только для живой природы. Это указывает на связь и единство живой и неживой природы.
На атомном уровне различий между химическим составом органического и неоргани-ческого мира нет. Различия обнаруживаются на более высоком уровне организации — молекулярном.
Как видно из таблицы, в живых телах наряду с веществами, распространенными в нежи-вой природе, содержится множество веществ, характерных толь-ко для живых организмов.
Вода. На первом месте среди веществ клетки стоит вода. Она составляет почти 80% массы клетки. Вода — важнейший компо-нент клетки не только по количеству. Ей принадлежит существен-ная и многообразная роль в жизни клетки.
Вода определяет,физические свойства клетки — ее объем, упру-гость.
Велико значение воды в образовании структуры молекул органических веществ, в частности структуры белков, которая необходима для выполнения их функций. Велико значение воды как растворителя: многие вещества поступают в клетку из внеш-ней среды в водном растворе и в водном же растворе отработан-ные продукты выводятся из клетки.
Наконец, вода является не-посредственным участником многих химических реакций (рас-щепление белков, углеводов, жиров и др.).
Приспособленность клетки к функционированию в водной среде служит доводом в пользу того, что жизнь на Земле зародилась в воде.
Биологическая роль воды определяется особенностью ее молекулярной структуры: полярностью ее молекул.
Углеводы.
Углеводы представляют собой сложные органические соедине-ния, в их состав входят атомы углерода, кислорода и водорода.
Различают простые и сложные углеводы.
Простые углеводы называют моносахаридами. Сложные углеводы представляют со-бой полимеры, в которых моносахариды играют роль мономеров.
Из двух моносахаридов образуется дисахарид, из трех — триса-харид, из многих — полисахарид.
Все моносахариды — бесцветные вещества, хорошо раствори-мые в воде. Почти все они обладают приятным сладким вкусом. Самые распространенные моносахариды — глюкоза, фруктоза, рибоза и дезоксирибоза.
2.3 Химический состав клетки. Макро- и микроэлементы
Сладкий вкус фруктов и ягод, а также меда зависит от содержания в них глюкозы и фруктозы. Рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот (с. 158) и АТФ (с.
Ди- и трисахариды, подобно моносахаридам, хорошо раство-ряются в воде, обладают сладким вкусом. С увеличением числа мономерных звеньев растворимость полисахаридов уменьшается, сладкий вкус исчезает.
Из дисахаридов важны свекловичный (или тростниковый) и молочный сахар, из полисахаридов широко распространены крах-мал (у растений), гликоген (у животных), клетчатка (целлюло-за).
Древесина — почти чистая целлюлоза. Мономерами этих полисахаридов является глюкоза.
Биологическая роль углеводов. Углеводы играют роль источ-ника энергии, необходимой для осуществления клеткой различ-ных форм активности. Для деятельности клетки — движения, секреции, биосинтеза, свечения и т. Д.- необходима энергия. Сложные по структуре, богатые энергией, углеводы подвергаются в клетке глубокому расщеплению и в результате превращаются в простые, бедные энергией соединения — оксид углерода (IV) и воду (СО2 И Н20).
В ходе этого процесса освобождается энергия. При расщеплении 1 г углевода освобождается 17,6 кДж.
Кроме энергетической, углеводы выполняют и строительную функцию. Например, из целлюлозы состоят стенки растительных клеток.
Липиды. Липиды содержатся во всех клетках животных и растений. Они входят в состав многих клеточных структур.
Липиды представляют собой органические вещества, нераст-воримые в воде, но растворимые в бензине, эфире, ацетоне.
Из липидов самые распространенные и известные — жиры.
Существуют, однако, клетки, в которых около 90% жира. У животных такие клетки находятся под кожей, в грудных железах, сальнике. Жир содержится в молоке всех млекопитаю-щих. У некоторых растений большое количество жира сосредоточено в семенах и плодах, например у подсолнечника, конопли, грецкого ореха.
Кроме жиров в клетках присутствуют и другие липидов, на- пример лецитин, холестерин. К Липидам относятся некоторые ви-тамины (А, О) и гормоны (например, половые).
Биологическое значение липидов велико и многообразно.
Отметим, прежде всего, их строительную функцию. Липиды гидро-фобны. Тончайший слой этих веществ входит в состав клеточных мембран. Велико значение самого распространенного из липи-дов — жира — как источника энергии. Жиры способны окислять-ся в клетке до оксида углерода (IV) и воды. В ходе расщеп-ления жира освобождается в два раза больше энергии, чем при расщеплении углеводов. Животные и растения откладывают жир в запас и расходуют его в процессе жизнедеятельности.
Необходимо отметить далее значение. жира как источника воды. Из 1 кг жира при его окислении образуется почти 1,1 кг воды. Это объясняет, каким образом некоторые животные’ спо-собны обходиться довольно значительное время без воды. Верб-люды, например, совершающие переход через безводную пусты-ню, могут не пить в течение 10-12 дней.
Медведи, сурки и дру-гие животные в спячке не пьют более двух месяцев. Необходи-мую для жизнедеятельности воду эти животные получают в ре-зультате окисления жира. Кроме структурной и энергетической функций, липиды выполняют защитные функции:, жир обладает низкой теплопроводностью. Он откладывается под кожей, обра-зуя у некоторых животных значительные скопления. Так, у кита толщина подкожного слоя жира достигает 1м, что позво-ляет этому животному жить в холодной воде полярных морей.
Биополимеры: белки, нуклеиновые кислоты.
Из всех органических веществ основную массу в клетке (50-70%) со-ставляют белки. Оболочка клетки и все ее внутренние структуры построены-с участием молекул белков. Молекулы белков очень крупные, поскольку состоят из многих сотен различных мономеров, образующих всевозможные комби-нации. Поэтому многообразие видов белков и их свойств поистине бесконеч-но.
Белки входят в состав волос, перьев, рогов, мышечных волокон, питатель-
ных веществ яиц и семян и многих других частей организма.
Молекула белка — полимер. Мономерами молекул белка являются ами-нокислоты.
В природе известно более 150 различных аминокислот, но в построе-нии белков живых организмов обычно участвуют только 20. Длинная нить последовательно присоединенных друг к другу аминокислот представляет первичную структуру молекулы белка (она отображает его химическую формулу).
Обычно эта длинная нить туго скручивается в спираль, витки которой проч-но соединены между собой водородными связями.
Спирально скрученная нить молекулы — это вторичная структура,молекулы белка. Такой белок ужет рудно растянуть. Свернутая в спираль молекула белка затем скручивается веще более плотную конфигурацию — третичную структуру. У некоторых бел-ков встречается еще более сложная форма — четвертичная структура, напри-мер у гемоглобина. В результате такого многократного скручивания длинная и тонкая нить молекулы белка становится короче, толще и собирается в ком-пактный комок — глобулу Только глобулярный белок выполняет в клетке свои биологические функции.
Если нарушить структуру белка, например, нагреванием или химическим воз-действием, то он теряет свои качества и раскручивается.
Этот процесс называет-ся денатурацией. Если денатурация затронула только третичную или вторичную структуру, то она обратима: может снова закрутиться в спираль и уложиться в тре-тичную структуру (явление денатурации). При этом восстанавливаются функции данного белка. Это важнейшее свойство белков лежит в основе раздражимости живых систем, Т.е.
способности живых клеток реагировать на внешние или внут-ренние раздражители.
Многие белки выполняют роль катализаторов в химических реакциях,
проходящих в клетке.
Их называют ферментами. Ферменты участвуют в пере-носе атомов и молекул, в расщеплении и построении белков, жиров, углево-дов и всех других соединений (т.е. в клеточном обмене веществ). Ни одна хи-мическая реакция в живых клетках и тканях не обходится без участия фер-ментов.
Все ферменты обладают специфичностью действия — упорядочивают протекание процессов или ускоряют реакции в клетке.
Белки в клетке выполняют множество функций: участвуют в ее строе-нии, росте и во всех процессах жизнедеятельности. Без белков жизнь клетки невозможна.
Нуклеиновые кислоты впервые были обнаружены в ядрах клеток, в связи, с чем и получили свое название (лат.
пuсlеus — ядро). Есть два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (сокращенно ДИК) и рибонуклеиновая кислота (РИК). Молекулы нуклеиновых кислот пред-
ставляют собой очень длинные полимерные цепочки (тяжи), мономерами
которых являются нуклеотиды.
Каждый нуклеотид содержит в себе по од-ной молекуле фосфорной кислоты и сахара (дезоксирибозу или рибозу), а так-же одно из четырех азотистых оснований. Азотистыми основаниями у ДНК являются аденин гуанин и цumозuн, и mи.мин,.
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — важнейшее вещество в живой клетке. Молекула ДНК является носителем наследственной информации клетки и организма в целом. Из молекулы ДНК образуется хромосома.
У орга-низмов каждого биологического вида определенное количество молекул ДНК на клетку. Последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК также всегда строго индивидуальна и. неповторима не только для каждого биологического вида, но и для отдельных особей.
Такая специфичность молекул ДНК служит основой для установления родственной близости организмов.
Молекулы ДНК у всех эукариот находятся в ядре клетки. У прокариот нет ядра, поэтому их ДНК располагается в цитоплазме.
у всех живых существ макромолекулы ДНК построены по одному и то-му же типу. Они состоят из двух полинуклеотидных цепочек (тяжей), скреп-ленных между собой водородными связями азотистых оснований нуклеоти-дов (наподобие застежки «молния»).
В виде двойной (парной) спирали моле-кула ДНК скручивается в направлении слева направо.
Последовательность в расположении нуклеотидов в молекуле дик определяет наследственную информацию клетки.
Структуру молекулы ДНК раскрыли в 1953 г. американский биохимик
Джеймс Уотсон и английский физик Френсис Крик.
За это открытие ученые были удостоены в 1962 г. Нобелевской премии. Они доказали, что молекула
ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей.
При этом нуклеотиды (моно-меры) соединяются друг с другом не случайно, а избирательно и парами по-средством азотистых соединений. Аден ин (А) всегда стыкуется с тимином (Т), а гуанин (г) — с цитозином (Ц). Эта двойная цепь туго закручена в спи-раль. Способность нуклеотидов к избирательному соединению в пары называ-ется комплементарностью (лат. complementus — дополнение).
Репликация происходит следующим образом.
При участии специальных клеточ-ных механизмов (ферментов) двойная спираль ДНК раскручивается, нити рас-ходятся (наподобие того, как расстегивается «молния»), и постепенно к каждой из двух цепочек достраивается комплиментарная ей половина из соответствую-щих нуклеотидов.
8 результате вместо одной молекулы ДНК образуются две но-вые одинаковые молекулы. При том каждая вновь образованная двухцепочная молекула ДНК состоит из одной «старой» цепочки нуклеотидов и одной «новой».
Поскольку ДНК является основным носителем информации, то ее способность к удвоению позволяет при делении клетки передавать ту наследственную ин-формацию во вновь образующиеся дочерние клетки.
Предыдущая12345678Следующая
ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:
Буферность и осмос.
Соли в живых организмах находятся в растворенном состоянии в виде ионов – положительно заряженных катионов и отрицательно заряженных анионов.
Концентрация катионов и анионов в клетке и в окружающей ее среде неодинакова. В клетке содержится довольно много калия и очень мало натрия. Во внеклеточной среде, например в плазме крови, в морской воде, наоборот, много натрия и мало калия. Раздражительность клетки зависит от соотношения концентраций ионов Na+, K+, Ca2+, Mg2+.
Разность концентраций ионов по разные стороны мембраны обеспечивает активный перенос веществ через мембрану.
В тканях многоклеточных животных Са2+ входит в состав межклеточного вещества, обеспечивающего сцепленность клеток и упорядоченное их расположение.
Химический состав клетки
От концентрации солей зависят осмотическое давление в клетке и ее буферные свойства.
Буферностью называется способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию ее содержимого на постоянном уровне.
Существует две буферные системы:
1)фосфатная буферная система – анионы фосфорной кислоты поддерживают рН внутриклеточной среды на уровне 6,9
2)бикарбонатная буферная система – анионы угольной кислоты поддерживают рН внеклеточной среды на уровне 7,4.
Рассмотрим уравнения реакций, протекающих в буферных растворах.
Если в клетке увеличивается концентрация Н+, то происходит присоединение катиона водорода к карбонат-аниону:
При увеличении концентрации гидроксид-анионов происходит их связывание:
Н + ОН–+ Н2О.
Так карбонат-анион может поддерживать постоянную среду.
Осмотическими называют явления, происходящие в системе, состоящей из двух растворов, разделенных полупроницаемой мембраной.
В растительной клетке роль полупроницаемых пленок выполняют пограничные слои цитоплазмы: плазмалемма и тонопласт.
Плазмалемма — наружная мембрана цитоплазмы, прилегающая к клеточной оболочке. Тонопласт — внутренняя мембрана цитоплазмы, окружающая вакуоль. Вакуоли представляют собой полости в цитоплазме, заполненные клеточным соком — водным раствором углеводов, органических кислот, солей, белков с низким молекулярным весом, пигментов.
Концентрация веществ в клеточном соке и во внешней среде (в почве, водоемах) обычно не одинаковы. Если внутриклеточная концентрация веществ выше, чем во внешней среде, вода из среды будет поступать в клетку, точнее в вакуоль, с большей скоростью, чем в обратном направлении. При увеличении объема клеточного сока, вследствие поступления в клетку воды, увеличивается его давление на цитоплазму, плотно прилегающую к оболочке. При полном насыщении клетки водой она имеет максимальный объем.
Состояние внутреннего напряжения клетки, обусловленное высоким содержанием воды и развивающимся давлением содержимого клетки на ее оболочку носит название тургора Тургор обеспечивает сохранение органами формы (например, листьями, неодревесневшими стеблями) и положения в пространстве, а также сопротивление их действию механических факторов. С потерей воды связано уменьшение тургора и увядание.
Если клетка находится в гипертоническом растворе, концентрация которого больше концентрации клеточного сока, то скорость диффузии воды из клеточного сока будет превышать скорость диффузии воды в клетку из окружающего раствора.
Вследствие выхода воды из клетки объем клеточного сока сокращается, тургор уменьшается. Уменьшение объема клеточной вакуоли сопровождается отделением цитоплазмы от оболочки — происходит плазмолиз .
В ходе плазмолиза форма плазмолизированного протопласта меняется. Вначале протопласт отстает от клеточной стенки лишь в отдельных местах, чаще всего в уголках. Плазмолиз такой формы называют уголковым
Затем протопласт продолжает отставать от клеточных стенок, сохраняя связь с ними в отдельных местах, поверхность протопласта между этими точками имеет вогнутую форму.
На этом этапе плазмолиз называют вогнутым Постепенно протопласт отрывается от клеточных стенок по всей поверхности и принимает округлую форму. Такой плазмолиз носит название выпуклого
Если плазмолизированную клетку поместить в гипотонический раствор, концентрация которого меньше концентрации клеточного сока, вода из окружающего раствора будет поступать внутрь вакуоли. В результате увеличения объема вакуоли повысится давление клеточного сока на цитоплазму, которая начинает приближаться к стенкам клетки, пока не примет первоначальное положение — произойдет деплазмолиз
Задание №3
Прочитав предложенный текст, ответьте на следующие вопросы.
1)определение буферности
2)от концентрации каких анионов зависят буферные свойства клетки
3)роль буферности в клетке
4)уравнение реакций, протекающих в бикарбонатной буферной системе (на магнитной доске)
5)определение осмоса (привести примеры)
6)определение плазмолиза и деплазмолиза слайды
В клетке встречается около 70 химических элементов Периодической системы Д. И. Менделеева, однако содержание этих элементов существенно отличается от их концентраций в окружающей среде, что доказывает единство органического мира.
Химические элементы, имеющиеся в клетке, делят на три большие группы: макроэлементы, мезоэлементы (олигоэлементы) и микроэлементы.
К ним относятся углерод, кислород, водород и азот, входящие в состав основных органических веществ. Мезоэлементы - это сера, фосфор, калий, кальций, натрий, железо, магний, хлор, составляющие в сумме около 1, 9 % массы клетки.
Сера и фосфор являются компонентами важнейших органических соединений. Химические элементы, концентрация которых в клетке около 0, 1 %, относятся к микроэлементам. Это цинк, йод, медь, марганец, фтор, кобальт и др.
Вещества клетки делят на неорганические и органические.
К неорганическим веществам относятся вода и минеральные соли.
Благодаря своим физико-химическим свойствам вода в клетке является растворителем, средой для протекания реакций, исходным веществом и продуктом химических реакций, выполняет транспортную и терморегуляторные функции, придает клетке упругость, обеспечивает ту prop растительной клетки.
Минеральные соли в клетке могут находиться в растворенном или не растворенном состояниях.
Растворимые соли диссоциируют на ионы. Наиболее важными катионами являются калий и натрий, облегчающие перенос веществ через мембрану и участвующие в возникновении и проведении нервного импульса; кальций, который принимает участие в процессах сокращения мышечных волокон и свертывании крови, магний, входящий в состав хлорофилла, и железо, входящее в состав ряда белков, в том числе гемоглобина. Цинк входит в состав молекулы гормона поджелудочной железы - инсулина, медь требуется для процессов фотосинтеза и дыхания.
Важнейшими анионами являются фосфат-анион, входящий в состав АТФ и нуклеиновых кислот, и остаток угольной кислоты, смягчающий колебания рН среды.
Недостаток кальция и фосфора приводит к рахиту, нехватка железа - к анемии.
Органические вещества клетки представлены углеводами, липидами, белками, нуклеиновыми кислотами, АТФ, витаминами и гормонами.
В состав углеводов входят в основном три химических элемента: углерод, кислород и водород.
Их общая формула Cm(H20)n. Различают простые и сложные углеводы. Простые углеводы {моносахариды) содержат единственную молекулу сахара. Их классифицируют по количеству углеродных атомов, например, пентозы (С5) и гексозы (С6). К пентозам относятся рибоза и дезоксирибоза. Рибоза входит в состав РНК и АТФ. Дезоксирибоза является компонентом ДНК. Гексозы - это глюкоза, фруктоза, галактоза и др.
Они принимают активное участие в обмене веществ в клетке и входят в состав сложных углеводов - олигосахаридов и полисахаридов. К олигосахаридам (дисахаридам) относятся сахароза (глюкоза + фруктоза), лактоза или молочный сахар (глюкоза+галактоза) и др.
Примерами полисахаридов являются крахмал, гликоген, целлюлоза и хитин.
Углеводы выполняют в клетке пластическую (строительную), энергетическую (энергетическая ценность расщепления 1 г углеводов - 17, 6 кДж), запасающую и опорную функции. Углеводы могут также входить в состав сложных липидов и белков.
Липиды - это группа гидрофобных веществ.
К ним относят жиры, стероиды воска, фосфолипиды и т. д.
Строение молекулы жира
Жир - это сложный эфир трехатомного спирта глицерина и высших органических (жирных) кислот. В молекуле жира можно выделить гидрофильную часть - «головку» (остаток глицерина) и гидрофобную часть - «хвосты» (остатки жирных кислот), поэтому в воде молекула жира ориентируется строго определенным образом: гидрофильная часть направлена к воде, а гидрофобная - от нее.
Липиды выполняют в клетке пластическую (строительную), энергетическую (энергетическая ценность расщепления 1 г жира - 38, 9 кДж), запасающую, защитную (амортизационную) и регуляторную (стероидные гормоны) функции.
Белки - это биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты.
Аминокислоты содержат аминогруппу, карбоксильную группу и радикал. Отличаются аминокислоты только радикалами. В состав белков входит 20 основных аминокислот. Соединяются аминокислоты между собой с образованием пептидной связи.
Цепочка из более чем 20 аминокислот называется полипептидом или белком. Белки образуют четыре основные структуры: первичную, вторичную, третичную и четвертичную.
Первичная структура - это последовательность аминокислот, соединенных пептидной связью.
Вторичная структура - это спираль, или складчатая структура, удерживаемая водородными связями между атомами кислорода и водорода пептидных группировок разных витков спирали или складок.
Третичная структура (глобула) удерживается гидрофобными, водородными, дисульфидными и другими связями.
Третичная структура белка
Третичная структура характерна для большинства белков организма, например, миоглобина мышц.
Четвертичная структура белка.
Четвертичная структура наиболее сложная, образованная несколькими полипептидными цепями, соединенными в основном теми же связями, что и в третичной.
Четвертичная структура характерна для гемоглобина, хлорофилла и др.
Белки могут быть простыми и сложными. Простые белки состоят только из аминокислот, тогда как сложные белки (липопротеины, хромопротеины, гликопротеины, нуклеопротеины и др.) содержат белковую и небелковую части.
Например, в состав гемоглобина помимо четырех полипептидных цепей белка глобина входит небелковая часть - гем, в центре которой находится ион железа, придающий гемоглобину красную окраску.
Функциональная активность белков зависит от условий окружающей среды.
Утрата белковой молекулой своей структуры вплоть до первичной называется денатурацией. Обратный процесс восстановления вторичной и более высоких структур - это ренатурация. Полное разрушение белковой молекулы называется деструкцией.
Белки выполняют в клетке ряд функций: пластическую (строительную), каталитическую (ферментативную), энергетическую (энергетическая ценность расщепления 1 г белка - 17, 6 кДж), сигнальную (рецепторную), сократительную (двигательную), транспортную, защитную, регуляторную, запасающую.
Нуклеиновые кислоты - это биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.
В состав нуклеотида входят азотистое основание, остаток сахара-пентозы и остаток ортофосфорной кислоты. Выделяют два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновую (РНК) и дезоксири-бонуклеиновую (ДНК).
ДНК включает четыре типа нуклеотидов: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). В состав этих нуклеотидов входит сахар де-зоксирибоза. Для ДНК установлены правила Чаргаффа:
1) количество адениловых нуклеотидов в ДНК равно количеству тимидиловых (А = Т);
2) количество гуаниловых нуклеотидов в ДНК равно количеству цитидиловых (Г = Ц);
3) сумма адениловых и гуаниловых нуклеотидов равна сумме тимидиловых и цитидиловых (А + Г = Т + Ц).
Структура ДНК была открыта Ф.
Криком и Д. Уотсоном (Нобелевская премия по физиологии и медицине 1962 г.). Молекула ДНК представляет собой двуцепочечную спираль.
Клетка и ее химический состав
Нуклеотиды соединяются между собой через остатки фосфорной кислоты, образуя фосфодиэфирную связь, при этом азотистые основания направлены вовнутрь. Расстояние между нуклеотидами в цепи равно 0, 34 нм.
Нуклеотиды разных цепей соединяются между собой водородными связями по принципу комплементарности: аденин соединяется с тими-ном двумя водородными связями (А = Т), а гуанин с цитозином - тремя (Г = Ц).
Строение нуклеотида
Важнейшим свойством ДНК является способность к репликации (самоудвоению).
Основной функцией ДНК является хранение и передача наследственной информации.
Она сосредоточена в ядре, митохондриях и пластидах.
В состав РНК входят также четыре нуклеотида: аденин (А), ура-цил (У), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Остаток сахара-пентозы в ней представлен рибозой.
РНК - в основном одноцепочечные молекулы. Выделяют три вида РНК: информационную (и-РНК), транспортную (т-РНК) и рибосомальную (р-РНК).
Строение тРНК
Все они принимают активное участие в процессе реализации наследственной информации, которая с ДНК переписывается на и-РНК, а на последней осуществляется уже синтез белка, т-РНК в процессе синтеза белка приносит аминокислоты к рибосомам, р-РНК входит в состав самих рибосом.
Химический состав живой клетки
В составклетки входят разные химические соединения. Одни из них — неорганические — встречаются и в неживой природе. Однако для клеток наиболее характерны органические соединения, молекулы которых имеют очень сложное строение.
Неорганические соединения клетки. Вода и соли относятся к неорганическим соединениям. Больше всего в клетках воды. Она необходима для всех жизненных процессов.
Вода — хороший растворитель. В водном растворе происходит химическое взаимодействие различных веществ. Находящиеся в растворенном состоянии питательные вещества из межклеточного вещества проникают в клетку через мембрану. Вода также способствует удалению из клетки веществ, которые образуются в результаты протекающих в ней реакций.
Наиболее важны для процессов жизнедеятельности клетки соли К, Na, Са, Mg и др.
Органические соединения клетки. Главная роль в осуществлении функции клетки принадлежит органическим соединениям. Среди них наибольшее значение имеют белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты.
Белки — это основные и наиболее сложные вещества любой живой клетки.
По размерам белковая молекула в сотни и тысячи раз превосходит молекулы неорганических соединений. Без белков нет жизни. Некоторые белки ускоряют химические реакции, выполняя роль катализаторов. Такие белки называют ферментами.
Жиры и углеводы имеют менее сложное строение.
Они являются строительным материалом клетки и служат источниками энергии для процессов жизнедеятельности организма.
Нуклеиновые кислоты образуются в клеточном ядре. Отсюда и произошло их название (лат. Нуклеус — ядро). Входя в состав хромосом, нуклеиновые кислоты участвуют в хранении и передаче наследственных свойств клетки. Нуклеиновые кислоты обеспечивают образование белков.
Жизненные свойства клетки. Основное жизненное свойство клетки — обмен веществ.
Из межклеточного вещества в клетки постоянно поступают питательные вещества и кислород и выделяются продукты распада. Вещества, поступившие в клетку, участвуют в процессах биосинтеза. Биосинтез — это образование белков, жиров, углеводов и их соединений из более простых веществ. В процессе биосинтеза образуются вещества, свойственные определенным клеткам организма.
Например, в клетках мышц синтезируются белки, обеспечивающие их сокращение.
Одновременно с биосинтезом в клетках происходит распад органических соединений. В результате распада образуются вещества более простого строения. Большая часть реакции распада идет с участием кислорода и освобождением энергии.
Химическая организация клетки
Эта энергия расходуется на жизненные процессы, протекающие в клетке. Процессы биосинтеза и распада составляют обмен веществ, который сопровождается превращениями энергии.
Клеткам свойственны рост и размножение. Клетки тела человека размножаются делением пополам. Каждая из образовавшихся дочерних клеток растет и достигает размеров материнской. Новые клетки выполняют функцию материнской клетки.
Продолжительность жизни клеток различна: от нескольких часов до десятков лет.
Живые клетки способны реагировать на физические и химические изменения окружающей их среды. Это свойство клеток называют возбудимостью. При этом из состояния покоя клетки переходят в рабочее состояние — возбуждение. При возбуждении в клетках меняется скорость биосинтеза и распада веществ, потребление кислорода, температура. В возбужденном состоянии разные клетки выполняют свойственные им функции.
Железистые клетки образуют и выделяют вещества, мышечные — сокращаются, в нервных клетках возникает слабый электрический сигнал — нервный импульс, который может распространяться по клеточным мембранам.
Внутренняя среда организма.
Большинство клеток тела не связаны с внешней средой. Их жизнедеятельность обеспечивается внутренней средой, которую составляют 3 типа жидкостей: межклеточная (тканевая) жидкость, с которой клетки непосредственно соприкасаются, кровь и лимфа. Внутренняя среда обеспечивает клетки веществами, необходимыми для их жизнедеятельности, и через нее удаляются продукты распада.
Внутренняя среда организма имеет относительное постоянство состава и физико-химических свойств. Только при этом условии клетки могут нормально функционировать.
Обмен веществ, биосинтез и распад органических соединений, рост, размножение, возбудимость — основные жизненные свойства клеток.
Жизненные свойства клеток обеспечиваются относительным постоянством состава внутренней среды организме.
Атлас: анатомия и физиология человека. Полное практическое пособие Елена Юрьевна Зигалова
Химический состав клетки
Химический состав клетки
В состав клетки входит более 100 химических элементов, на долю четырех из них приходится около 98 % массы, это органогены : кислород (65–75 %), углерод (15–18 %), водород (8–10 %) и азот (1,5–3,0 %). Остальные элементы подразделяются на три группы: макроэлементы – их содержание в организме превышает 0,01 %); микроэлементы (0,00001–0,01 %) и ультрамикроэлементы (менее 0,00001). К макроэлементам относятся сера, фосфор, хлор, калий, натрий, магний, кальций. К микроэлементам – железо, цинк, медь, йод, фтор, алюминий, медь, марганец, кобальт и др. К ультрамикроэлементам – селен, ванадий, кремний, никель, литий, серебро и до. Несмотря на очень малое содержание, микроэлементы и ультрамикроэлементы играют очень важную роль. Они влияют, главным образом, на обмен веществ. Без них невозможна нормальная жизнедеятельность каждой клетки и организма как целого.
Рис. 1. Ультрамикроскопическое строение клетки. 1 – цитолемма (плазматическая мембрана); 2 – пиноцитозные пузырьки; 3 – центросома клеточный центр (цитоцентр); 4 – гиалоплазма; 5 – эндоплазматическая сеть: а – мембрана зернистой сети; б – рибосомы; 6 – связь перинуклеарного пространства с полостями эндоплазматической сети; 7 – ядро; 8 – ядерные поры; 9 – незернистая (гладкая) эндоплазматическая сеть; 10 – ядрышко; 11 – внутренний сетчатый аппарат (комплекс Гольджи); 12 – секреторные вакуоли; 13 – митохондрия; 14 – липосомы; 15 – три последовательные стадии фагоцитоза; 16 – связь клеточной оболочки (цитолеммы) с мембранами эндоплазматической сети
Клетка состоит из неорганических и органических веществ. Среди неорганических наибольшее количество воды. Относительное количество воды в клетке составляет от 70 до 80 %. Вода – универсальный растворитель, в ней происходит все биохимические реакции в клетке. При участии воды осуществляется теплорегуляция. Вещества, растворяющиеся в воде (соли, основания, кислоты, белки, углеводы, спирты и др.), называются гидрофильными. Гидрофобные вещества (жиры и жироподобные) не растворяются в воде. Другие неорганические вещества (соли, кислоты, основания, положительные и отрицательные ионы) составляют от 1,0 до 1,5 %.
Среди органических веществ преобладают белки (10–20 %), жиры, или липиды (1–5 %), углеводы (0,2–2,0 %), нуклеиновые кислоты (1–2 %). Содержание низкомолекулярных веществ не превышает 0,5 %.
Молекула белка является полимером, который состоит из большого количества повторяющихся единиц мономеров. Мономеры белка аминокислоты (их 20) соединены между собой пептидными связями, образуя полипептидную цепь (первичную структуру белка). Она закручивается в спираль, образуя, в свою очередь, вторичную структуру белка. Благодаря определенной пространственной ориентации полипептидной цепи возникает третичная структура белка, которая определяет специфичность и биологическую активность молекулы белка. Несколько третичных структур, объединяясь между собой, образуют четвертичную структуру.
Белки выполняют важнейшие функции. Ферменты – биологические катализаторы, увеличивающие скорость химических реакций в клетке в сотни тысяч миллионы раз, являются белками. Белки, входя в состав всех клеточных структур, выполняют пластическую (строительную) функцию. Движения клеток также осуществляют белки. Они обеспечивают транспорт веществ в клетку, из клетки и внутри клетки. Важной является защитная функция белков (антитела). Белки являются одним из источников энергии.
Углеводы подразделяются на моносахариды и полисахариды. Последние построены из моносахаридов, являющихся, подобно аминокислотам, мономерами. Среди моносахаридов в клетке наиболее важны глюкоза, фруктоза (содержит шесть атомов углерода) и пентоза (пять атомов углерода). Пентозы входят в состав нуклеиновых кислот. Моносахариды хорошо растворяются в воде. Полисахариды плохо растворяются в воде (в животных клетках гликоген, в растительных – крахмал и целлюлоза. Углеводы являются источником энергии, сложные углеводы, соединенные с белками (гликопротеиды), жирами (гликолипиды), участвуют в образовании клеточных поверхностей и взаимодействиях клеток.
К липидам относятся жиры и жироподобные вещества. Молекулы жиров построены из глицерина и жирных кислот. К жироподобным веществам относятся холестерин, некоторые гормоны, лецитин. Липиды, являющиеся основным компонентом клеточных мембран (они описаны ниже), выполняют тем самым строительную функцию. Липиды – важнейшие источники энергии. Так, если при полном окислении 1 г белка или углеводов освобождается 17,6 кДж энергии, то при полном окислении 1 г жира – 38,9 кДж. Липиды осуществляют терморегуляцию, защищают органы (жировые капсулы).
Нуклеиновые кислоты являются полимерными молекулами, образованными мономерами нуклеотидами. Нуклеотид состоит из пуринового или пиримидинового основания, сахара (пентозы) и остатка фосфорной кислоты. Во всех клетках существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонулеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК), которые отличаются по составу оснований и сахаров (табл. 1, рис. 2 ).
Рис. 2. Пространственная структура нуклеиновых кислот (по Б. Албертсу и соавт., с изм.). I – РНК; II – ДНК; ленты – сахарофосфатные остовы; A, C, G, T, U – азотистые основания, решетки между ними – водородные связи
Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в виде двойной спирали. Азотистые основания обеих цепей соединены между собой комплементарно водородными связями. Аденин соединяется только с тимином, а цитозин – с гуанином (А – Т, Г – Ц). В ДНК записана генетическая информация, которая определяет специфичность синтезируемых клеткой белков, т. е. последовательность аминокислот в полипептидной цепи. ДНК передает по наследству все свойства клетки. ДНК содержится в ядре и митохондриях.
Молекула РНК образована одной полинуклеотидной цепью. В клетках существует три типа РНК. Информационная, или мессенджер РНК тРНК (от англ. messenger – «посредник»), которая переносит информацию о нуклеотидной последовательности ДНК в рибосомы (см. ниже).
Транспортная РНК (тРНК), которая переносит аминокислоты в рибосомы. Рибосомальная РНК (рРНК), которая участвует в образовании рибосом. РНК содержится в ядре, рибосомах, цитоплазме, митохондриях, хлоропластах.
Таблица 1
Состав нуклеиновых кислот
Химические вещества в клетке, особенно их состав, с точки зрения химии разделяют на макро- и микроэлементы. Однако существует еще и группа ультрамикроэлементов, в которую входят химические элементы, процентное соотношение которых составляет 0,0000001%.
Одних химических соединений в клетке больше, других меньше. Однако все основные элементы клетки относятся к группе макроэлентов. Приставка макро- означает много.
Живой организм на атомном уровне не отличается от предметов неживой природы. Он состоит из тех же атомов, что и неживые предметы. Однако количество химических элементов в живом организме, особенно тех, что обеспечивают основные жизненные процессы, намного больше в процентном соотношении.
Химические вещества клетки
Белки
Основными веществами клетки являются белки. Они занимают 50% массы клетки. Белки выполняют множество различных функций в организме живых существ, также белками являются многие другие по своему подобию и функциями вещества.
По своему химическому строению белки – это биополимеры, которые состоят из аминокислот, соединенных пептидными связями. Хочется отметить, что состав белков в основном занимают остатки аминокислот.
Для химического состава белков характерно постоянное среднее количество азота – примерно 16%. Хочется отметить, что под воздействием специфических ферментов, а также в процессе нагревания с кислотами белки поддаются гидролизу. Это одна из главных их особенность.
Углеводы
Углеводы распространены в природе очень широко и отыграют очень важную роль в жизнедеятельности растений и животных. Они берут участие в разных процессах обмена веществ в организме и являются компонентами многих природных соединений.
В зависимости от содержания, структуры и физико-химических свойств, углеводы поделены на две группы: простые – это моносахариды и сложные – продукты конденсации моносахаридов. Среди сложных углеводов также есть две группы: олигосахариды (количество моносахаридных остатков составляет от двух до десяти) и полисахариды (количество моносахаридных остатков составляет более десяти).
Липиды
Липиды – это основной источник энергии для организмов. В составе живых организмов липиды выполняют минимум три главных функции: они являются основными структурными компонентами мембран, являются распространенным энергетическим резервом, а также играют защитную роль в составе покрова животных, растений и микроорганизмов.
Химические вещества в клетке, которые относятся к классу липидов, обладают особенным свойством – они не растворимы в воде и малорастворимые в органических растворителях.
Нуклеиновые кислоты
В составе клеток живых организмов обнаружено два вида жизненно важных нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Нуклеиновые кислоты – это сложные соединения, которые имеют в составе азот.
В случае полного гидролиза нуклеиновые кислоты расщепляются на более мелкие соединения, а именно на: азотистые основания, углеводы и фосфатную кислоту. В случае неполного гидролиза нуклеиновых кислот создаются нуклеозиды и нуклеотиды. Главная функция нуклеиновых кислот – хранение генетической информации и транспорт биологически активных веществ.
Группа макроэлементов – основной источник жизни клетки
К группе макроэлементов относятся такие основные химические элементы как кислород, углерод, водород, азот, калий, фосфор, сера, магний, натрий, кальций, хлор и другие. Многие из них, например, фосфор, азот, сера входят в состав разных соединений, которые отвечают за жизненные процессы клеток организма. Каждый из этих элементов имеет свою функцию, без которой существование клетки было б невозможным.
- Кислород, например, входит практически во все органические вещества и соединения клетки. Для многих, особенно аэробных организмов, кислород выполняет функцию окислителя, что в процессе их дыхания обеспечивает клетки этого организма энергией. Самое большое количество кислорода в живых организмах находится в составе молекул воды.
- Углерод тоже входит в состав многих соединений клетки. Атомы углерода в молекуле СаСО3 составляют основу скелета живых организмов. Более того, углерод регулирует клеточные функции и играет важную роль в процессе фотосинтеза растений.
- Водород находится в клетке в молекулах воды. Его главная роль в структуре клетки заключается в том, что много микроскопических бактерий окисляют водород для того, чтобы получать энергию.
- Азот – один из главных составляющих клетки. Его атомы входят в состав нуклеиновых кислот, многих белков и аминокислот. Азот участвует в процессе регуляции кровяного давления в виде N О и выводится из живого организма в составе мочи.
Не менее важное значение для жизни организмов имеют и сера с фосфором. Первая содержится в составе многих аминокислот, поэтому и в белках. А фосфор составляет основу АТФ – основного и самого большого источника энергии живого организма. Более того, фосфор в виде минеральных солей содержится в зубной и костной тканях.
Важное значение в составе клетки организма имеют кальций и магний. Кальций свертывает кровь, поэтому он жизненно необходим живым существам. Также он регулирует много внутриклеточных процессов. Магний участвует в создании ДНК в организме, более того, он является кофактором многих ферментов.
Нужны клетке и такие макроэлементы как натрий с калием. Натрий поддерживает мембранный потенциал клетки, а калий необходим для нервного импульса и нормальной работы сердечных мышц.
Значение микроэлементов для живого организма
Все основные вещества клетки состоят не только из макроэлементов, но еще и из микроэлементов. Сюда относятся цинк, селен, йод, медь и другие. В клетке в составе основных веществ они находятся в мизерных количествах, однако играют важнейшую роль в процессах организма. Селен, например, регулирует много основных процессов, медь является одним из составляющих компонентов многих ферментов, а цинк является главным элементом в составе инсулина – основного гормона поджелудочной железы.
Химический состав клетки — видео
Данный видеоурок посвящен теме «Клетка: строение, химический состав и жизнедеятельность». Наука, изучающая клетку, называется цитология. На этом занятии мы обсудим строение самой маленькой структурной единицы нашего организма, узнаем ее химический состав и рассмотрим, как осуществляется ее жизнедеятельность.
Тема: Общий обзор организма человека
Урок: Клетка: строение, химический состав и жизнедеятельность
Организм человека - это огромное многоклеточное государство. Клетка - структурная единица как растительных, так животных организмов. Наука, изучающая клетки, называется .
По форме, строению и функциям клетки чрезвычайно разнообразны, но все они имеют общую структуру. А вот форма, размеры, и особенности зависят от выполняемой органом функции.
Впервые о существовании клеток сообщил в 1665 г. выдающийся английский физик, математик и микроскопист Роберт Гук.
Рис. 1.
После открытия Гука клетки обнаруживали под микроскопом у всевозможных видов животных и растений. И все они имели общий план строения. Но в световой микроскоп можно было увидеть лишь цитоплазму и ядро. Появление электронного микроскопа позволило ученым не только увидеть другие, но и рассмотреть их ультраструктуру.
1. Колесов Д.В., Маш Р.Д., Беляев И.Н. Биология 8 М.:Дрофа - с. 32, задания и вопрос 2, 3, 5.
2. Какие существуют основные части клетки?
3. Расскажите о клеточных органеллах.
4. Подготовьте сообщение об истории открытия микроскопа.
