Химические элементы клетки | Student Guru
Клетки живых организмов по своему химическому составу значительно отличаются от окружающей их неживой среды и по структуре химических соединений, и по набору и содержанию химических элементов. Всего в живых организмах присутствует (обнаружено на сегодняшний день) около 90 химических элементов, которые, в зависимости от их содержания, разделяют на 3 основных группы: макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.
Макроэлементы.
Макроэлементы в значительных количествах представлены в живых организмах, начиная от сотых долей процента до десятков процентов. Если содержание какого-либо химического вещества в организме превышает 0.005% от массы тела, такое вещество относят к макроэлементам. Они входят в состав основных тканей: крови, костей и мышц. К ним относятся, например, следующие химические элементы: водород, кислород, углерод, азот, фосфор, сера, натрий, кальций, калий, хлор. Макроэлементы в сумме составляют около 99% от массы живых клеток, причем большая часть (98%) приходится именно на водород, кислород, углерод и азот.
В таблице ниже представлены основные макроэлементы в организме:
| Элемент | Символ |
| Главные макроэлементы (99.3 % всех атомов) | |
| Водород | H (63%) |
| Кислород | O (26%) |
| Углерод | C (9%) |
| Азот | N (1 %) |
| Другие макроэлементы (0.7 % всех атомов) | |
| Кальций | Ca |
| Фосфор | P |
| Калий | K |
| Сера | S |
| Натрий | Na |
| Хлор | Cl |
| Магний | Mg |
Для всех четырех самых распространенных в живых организмах элементов (это водород, кислород, углерод, азот, как было сказано ранее) характерно одно общее свойство. Этим элементам не хватает одного или нескольких электронов на внешней орбите для образования стабильных электронных связей. Так, атому водорода для образования стабильной электронной связи не хватает одного электрона на внешней орбите, атомам кислорода, азота и углерода — двух, трех и четырех электронов соответственно. В связи с этим, эти химические элементы легко образуют ковалентные связи за счет спаривания электронов, и могут легко взаимодействовать друг с другом, заполняя свои внешние электронные оболочки. Кроме этого, кислород, углерод и азот могут образовывать не только одинарные, но и двойные связи. В результате чего существенно увеличивается количество химических соединений, которые могут образовываться из этих элементов.
Кроме того, углерод, водород и кислород — наиболее легкие среди элементов, способных образовывать ковалентные связи. Поэтому они оказались наиболее подходящими для образования соединений, входящих в состав живой материи. Необходимо отметить отдельно еще одно важное свойство атомов углерода — способность образовывать ковалентные связи сразу с четырьмя другими атомами углерода. Благодаря этой способности создаются каркасы из огромного количества разнообразных органических молекул.
Микроэлементы.
Хотя содержание микроэлементов не превышает 0,005% для каждого отдельного элемента, а в сумме они составляют всего лишь около 1% массы клеток, микроэлементы необходимы для жизнедеятельности организмов. При их отсутствии или недостаточном содержании могут возникать различные заболевания. Многие микроэлементы входят в состав небелковых групп ферментов и необходимы для осуществления их каталитической функции.
Например, железо является составной частью гема, который входит в состав цитохромов, являющихся компонентами цепи переноса электронов, и гемоглобина — белка, который обеспечивает транспорт кислорода от легких к тканям. Дефицит железа в организме человека вызывает развитие анемии. А недостаток йода, входящего в состав гормона щитовидной железы — тироксина, приводит к возникновению заболеваний, связанных с недостаточностью этого гормона, таких как эндемический зоб или кретинизм.
Примеры микроэлементов представлены в таблице ниже:
| Элемент | Символ |
| Микроэлементы (менее 0.01% всех атомов) | |
| Железо | Fe |
| Йод | I |
| Медь | Cu |
| Цинк | Zn |
| Марганец | Mn |
| Кобальт | Co |
| Хром | Cr |
| Селен | Se |
| Молибден | Mo |
| Фтор | F |
| Олово | Sn |
| Кремний | Si |
| Ванадий | V |
Ультрамикроэлементы.
В состав группы ультрамикроэлементов входят элементы, содержание которых в организме крайне мало (менее 10-12 %). К ним относятся бром, золото, селен, серебро, ванадий и многие другие элементы. Большинство из них также необходимы для нормального функционирования живых организмов. Например, нехватка селена может привести к возникновению раковых заболеваний, а недостаток бора — причина некоторых заболеваний у растений. Многие элементы этой группы также, как и микроэлементы, входят в состав ферментов.
Перейти к оглавлению.
from your own site.
www.studentguru.ru
Онлайн урок: Клеточная теория. Макро и микроэлементы клетки по предмету Биология ЕГЭ
Клеточная теория способствовала пониманию того, что клетка является самой мельчайшей единицей жизни, которой присущи все признаки живого (размножение, обмен веществ, дыхание и др.).
До изобретения микроскопа люди не знали о существовании клеток.
Прибор для изучения микромира-микроскоп- был изобретен приблизительно в 1590 году голландскими механиками Гансом и Захарием Янсенами.
На основе это этого микроскопа был создан сложный микроскоп Корнелиусом Дреббелем (1572–1634).
В 1665 году английский ученый-физик Роберт Гук (1635–1703) усовершенствовал микроскоп и технологию изготовления линз, желая убедиться в улучшении качества изображения, рассматривал под ним срезы пробкового дерева, древесного угля и срезы живых растений.
На срезах растений он обнаружил мельчайшие поры, которые были похожи на пчелиные соты, и назвал их клетками.
Во второй половине XVII века появились работы виднейших микроскопистов Марчелло Мальпиги (1628–1694) и Неемии Грю
Антони ван Левенгук самостоятельно разработал конструкцию микроскопа, принципиально отличавшуюся от уже существующей, и усовершенствовал технологию изготовления линз, которые достигали большего увеличения, что позволило открыть одноклеточных животных (инфузорий), а также бактерии и дрожжи.
В клетках растений обнаружил ядра, хлоропласты, утолщения клеточных стенок.
Описал и зарисовал почкование гидр.
Гуго фон Моль различил в клетках растений живое вещество и водянистую жидкость- клеточный сок, обнаружил поры.
Английский ботаник Роберт Броун (1773–1858) в 1831 году открыл ядро в клетках орхидей, затем оно было обнаружено во всех растительных клетках.
Матиас Шлейден (1804–1881) изучал развитие и дифференциацию разнообразных клеточных структур высших растений, рассмотрел в ядрах клеток чешуи лука округлые тельца-ядрышки (1842).
В 1827 году русский ученый-эмбриолог Карл Бэр обнаружил яйцеклетки человека и других млекопитающих и доказал формирование многоклеточного животного организма из единственной клетки- оплодотворенной яйцеклетки, а также сходство стадий зародышевого развития многоклеточных животных, которое наводило на мысль о единстве их происхождения.
Все научные открытия, которые были накоплены к середине XIX века, требовали обобщения, в результате и появилась клеточная теория.
В 1880 г. Уолтер Флемминг описал хромосомы и процессы, происходящие при митозе.
С 1903 г. стала развиваться генетика.
Начиная с 1930 г. стала бурно развиваться электронная микроскопия, что позволило ученым изучать тончайшее строение клеточных структур.
XX век стал веком расцвета биологии и таких наук, как цитология, генетика, эмбриология, биохимия, биофизика.
Без создания клеточной теории это развитие было бы невозможным.
ladle.ru
6. Химический состав клеточного вещества, макро и микроэлементы
Клетки различных организмов подобны не только по своему строению и происхождению, но и по химическому составу. Клетки всех живых организмов содержат аналогичные вещества в близких концентрациях, что является еще одним доказательством в пользу единства происхождения всех клеток.В составе клеток обнаружены около 80 элементов, но достоверно известны функции только 27 из них. Существует предположение, что остальные 53 элемента не несут функциональной нагрузки, а просто попадают в организм с пищей, водой и воздухом. По концентрации в клетке все элементы принято делить на: макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.
Макроэлементы составляют 99% массы клетки, при этом 98% приходится на долю четырех элементов: водорода, азота, кислорода и углерода. Оставшиеся 2% составляют: калий, кальций, железо, магний, натрий, хлор, фосфор, сера.
Микроэлементы. К ним относят вещества, концентрация которых в клетке находится в пределах 0,001-0,000001%: цинк, ванадий, молибден, кобальт, медь, йод, бром, бор и другие. В основном они находятся в клетке в виде ионов и являются важной составляющей гормонов и ферментов.
Ультрамикроэлементы. К ним относятся элементы, которые находятся в клетке в концентрации менее чем 0,000001%. Это уран, радий, цезий, селен, бериллий, ртуть, золото и целый ряд других редких элементов. К настоящему времени их роль в клетке не установлена. Все вещества, которые присутствуют в клетке делят на неорганические и органические. К неорганическим веществам, т.е. таким которые можно встретиться неживой природе, относятся минеральные соли и вода. К органическим веществам относятся: белки, углеводы, нуклеиновые кислоты и липиды. Эти вещества характерны только для живых организмов. Основным неорганическим веществом клетки является вода. Её содержание колеблется от 25% (в костной ткани) до 99% (в клетках медуз). Органические вещества определяют основные свойства клеток и организма. Основная масса органических веществ клетки (90%) приходится на долю четырех типов молекул: белки, липиды, углеводы и жиры. Кроме того, в клетках содержатся и другие органические вещества: органические кислоты, пигменты и т.д.
7.Строение и функционирование эукариотической клетки. Организация цитоплазматического аппарата.
Цитоплазматическая мембрана. У всех клеток растений, многоклеточных животных, у простейших и бактерий клеточная мембрана трехслойна: наружный и внутренний слои состоят из молекул белков, средний — из молекул липидов. Она ограничивает цитоплазму от внешней среды, окружает все органоиды клетки и представляет собой универсальную биологическую структуру. В некоторых клетках наружная оболочка образована несколькими мембранами, плотно прилегающими друг к другу. В таких случаях клеточная оболочка становится плотной и упругой и позволяет сохранить форму клетки, как, например, у эвглены и инфузории туфельки. У большинства растительных клеток, помимо мембраны, снаружи имеется еще толстая целлюлозная оболочка — клеточная стенка. Она хорошо различима в обычном световом микроскопе и выполняет опорную функцию за счет жесткого наружного слоя, придающего клеткам четкую форму. Цитоплазма на 85 % состоит из воды, на 10 % — из белков, остальной объем приходится на долю липидов, углеводов, нуклеиновых кислот и минеральных соединений; все эти вещества образуют коллоидный раствор, близкий по консистенции глицерину. Коллоидное вещество клетки в зависимости от ее физиологического состояния и характера воздействия внешней среды имеет свойства и жидкости, и упругого, более плотного тела. Цитоплазма пронизана каналами различной формы и величины, которые получили название эндоплазматической сети. Их стенки представляют собой мембраны, тесно контактирующие со всеми органоидами клетки и составляющие вместе с ними единую функционально-структурную систему для осуществления обмена веществ и энергии и перемещения веществ внутри клетки.
В стенках канальцев располагаются мельчайшие зернышки-гранулы, называемые рибосомами. Такая сеть канальцев называется гранулярной. Рибосомы могут располагаться на поверхности канальцев разрозненно или образуют комплексы из пяти-семи и более рибосом, называемые полисомами.Другие канальцы гранул не содержат, они составляют гладкую эндоплазматическую сеть. На стенках располагаются ферменты, участвующие в синтезе жиров и углеводов.
studfiles.net
Химический состав клеток.
Клетка
С точки зрения концепции живых систем по А. Ленинджеру.
Живая клетка – это способная к саморегуляции и самовоспроизведению изотермическая система органических молекул, извлекающая энергию и ресурсы из окружающей среды.
В клетке протекает большое количество последовательных реакций, скорость которых регулируется самой клеткой.
Клетка поддерживает себя в стационарном динамическом состоянии, далеком от равновесия с окружающей средой.
Клетки функционируют по принципу минимального расхода компонентов и процессов.
Т.о. клетка – элементарная живая открытая система, способная к самостоятельному существованию, воспроизведению и развитию. Она является элементарной структурно-функциональной единицей всех живых организмов.
Из 110 элементов периодической системы Менделеева в организме человека обнаружено 86 постоянно присутствующих. 25 из них необходимы для нормальной жизнедеятельности, причем 18 из них необходимы абсолютно, а 7 — полезны. В соответствии с процентным содержанием в клетке химические элементы делят на три группы:
Макроэлементы Основные элементы (органогены) – водород, углерод, кислород, азот. Их концентрация: 98 – 99,9 %. Они являются универсальными компонентами органических соединений клетки.
Микроэлементы – натрий, магний, фосфор, сера, хлор, калий, кальций, железо. Их концентрация 0,1%.
Ультрамикроэлементы – бор, кремний, ванадий, марганец, кобальт, медь, цинк, молибден, селен, йод, бром, фтор. Они влияют на обмен веществ. Их отсутствие является причиной заболеваний (цинк — сахарный диабет, иод — эндемический зоб, железо — злокачественная анемия и т.д.).
Современной медицине известны факты отрицательного взаимодействия витаминов и минералов:
Цинк снижает усвоение меди и конкурирует за усвоение с железом и кальцием; (а дефицит цинка вызывает ослабление иммунной системы, ряд патологических состояний со стороны желез внутренней секреции).
Кальций и железо снижают усвоение марганца;
Витамин Е плохо совмещается с железом, а витамин С – с витаминами группы В.
Положительное взаимовлияние:
Витамин Е и селен, а также кальций и витамин К действуют синергично;
Для усвоения кальция необходим витамин Д;
Медь способствует усвоению и повышает эффективность использования железа в организме.
Неорганические компоненты клетки.
Вода – важнейшая составная часть клетки, универсальная дисперсионная среда живой материи. Активные клетки наземных организмов состоят на 60 – 95% из воды. В покоящихся клетках и тканях (семена, споры) воды 10 — 20%. Вода в клетке находится в двух формах – свободной и связанной с клеточными коллоидами. Свободная вода является растворителем и дисперсионной средой коллоидной системы протоплазмы. Ее 95%. Связанная вода (4 – 5 %) всей воды клетки образует непрочные водородные и гидроксильные связи с белками.
Свойства воды:
Вода – естественный растворитель для минеральных ионов и других веществ.
Вода – дисперсионная фаза коллоидной системы протоплазмы.
Вода является средой для реакций метаболизма клетки, т.к. физиологические процессы происходят в исключительно водной среде. Обеспечивает реакции гидролиза, гидратации, набухания.
Участвует во многих ферментативных реакциях клетки и образуется в процессе обмена веществ.
Вода – источник ионов водорода при фотосинтезе у растений.
Биологическое значение воды:
Большинство биохимических реакций идет только в водном растворе, многие вещества поступают и выводятся из клеток в растворенном виде. Это характеризует транспортную функцию воды.
Вода обеспечивает реакции гидролиза – расщепление белков, жиров, углеводов под действием воды.
Благодаря большой теплоте испарения происходит охлаждение организма. Например, потоотделение у человека или транспирация у растений.
Большая теплоемкость и теплопроводность воды способствует равномерному распределению тепла в клетке.
Благодаря силам адгезии (вода – почва) и когезии (вода – вода) вода обладает свойством капиллярности.
Несжимаемость воды определяет напряженное состояние клеточных стенок (тургор), гидростатический скелет у круглых червей.
studfiles.net
6. Химический состав клеточного вещества. Микро и макро- элементы.
В составе клетки обнаружено более 80 химических элементов, при этом каких-либо спеуиальных элементов, характерных только для живых организмов, не выявлено. Однако, только в отношении 27 элементов известно, какие функции они выполняют. остальные 53 элемента, вероятно, попадают в организм из внешней среды.
По содержанию элементы, входящие в состав клетки, можно разделить на три группы:
1. Макроэлементы
Они составляют основную массу вещества клетки. На их долю приходится около 99% массы всей клетки. Особенно высока концентрация четырех элементов: кислорода (65-75%), углерода (15-18%), азота (1.5-3%) и водорода (8-10%). К макроэлементам относят также элементы, содержание которых в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента. Это, например, калий, магний, фосфор, сера, железо, хлор, натрий.
2. Микроэлементы
К ним относятся преимущественно атомы металлов, входящие в состав ферментов, гормонов и других жизненно важных веществ. В организме эти элементы содержатся в очень небольших количествах: от 0,001 до 0,000001%; в числе таких элементов бор, кобальт, медь, молибден, цинк, йод, бром и др.
3. Ультрамикроэлементы
Концентрация их не превышает 0,000001%. К ним относят уран, радий, золото, ртуть, бериллий, цезий и другие редкие элементы. Физиологическая роль большинства этих элементов в организмах растений, животных, грибов и бактерий пока не установлена.
7. Строение и функционирование эукариотической клетки. Организация цитоплазматического аппарата
Эукариотические клетки в среднем намного крупнее прокариотических, разница в объёме достигает тысяч раз. Клетки эукариот включают около десятка видов различных структур, известных как органоиды (или органеллы, что, правда, несколько искажает первоначальное значение этого термина), из которых многие отделены от цитоплазмы одной или несколькими мембранами (в прокариотических клетках внутренние органоиды, окруженные мембраной, встречаются редко)
Строение эукариотической клетки.
Эндоплазматическая сеть — это разветвлённая сеть каналов и полостей в цитоплазме клетки, образованная мембранами. На мембранах каналов находятся многочисленные ферменты, обеспечивающие жизнедеятельность клетки. Различают 2 вида мембран ЭДС — гладкие и шероховатые. На мембранах гладкой эндоплазматической сети находятся ферментные системы, участвующие в жировом и углеводном обмене. Основная функция шероховатой эндоплазматической сети — синтез белков, который осуществляется в рибосомах, прикрепленных к мембранам. Эндоплазматическая сеть — это общая внутриклеточная циркуляционная система, по каналам которой транспортируются вещества внутри клетки и из клетки в клетку.
Рибосомы осуществляют функцию синтеза белков. Рибосомы представляют собой сферические частицы диаметром 15-35нм, состоящие из 2 субъединиц неравных размеров и содержащие примерно равное количество белков и РНК. Рибосомы в цитоплазме располагаются или прикрепляются к наружной поверхности мембран эндоплазматической сети. В зависимости от типа синтезируемого белка рибосомы могут объединяться в комплексы — полирибосомы. Рибосомы присутствуют во всех типах клеток.
Комплекс Гольджи. Основным структурным элементом комплекса Гольджи является гладкая мембрана, которая образует пакеты уплощенных цистерн, или крупные вакуоли, или мелкие пузырьки. Цистерны комплекса Гольджи соединены с каналами эндоплазматической сети. Синтезированные на мембранах эндоплазматической сети белки, полисахариды, жиры транспортируются к комплексу, конденсируются внутри его структур и «упаковываются» в виде секрета, готового к выделению, либо используются в самой клетке в процессе её жизнедеятельности.
Митохондрии. Всеобщее распространение митохондрий в животном и растительном мире указывают на важную роль, которую митохондрии играют в клетке. Митохондрии имеют форму сферических, овальных и цилиндрических телец, могут быть нитевидной формы. Размеры митохондрий 0,2-1мкм в диаметре, до 5-7 мкм в длину. Длина нитевидных форм достигает 15-20мкм. Количество митохондрий в клетках различных тканей неодинаково, их больше там, где интенсивны синтетические процессы (печень) или велики затраты энергии. Стенка митохондрий состоит из 2-х мембран — наружной и внутренней. Наружная мембрана гладкая, а от внутренней внутрь органоида отходят перегородки — гребни, или кристы. На мембранах крист находятся многочисленные ферменты, участвующие в энергетическом обмене. Основная функция митохондрий — синтез АТФ.
Лизосомы — небольшие овальные тельца диаметром около 0,4мкм, окруженные одной трехслойной мембраной. В лизосомах находится около 30 ферментов, способных расщеплять белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, липиды и др. вещества. Расщепление веществ с помощью ферментов называется лизисом, поэтому и органоид назван лизосомой. Полагают, что лизосомы образуются из структур комплекса Гольджи либо непосредственно из эндоплазматической сети. Функции лизосом: внутриклеточное переваривание пищевых веществ, разрушение структуры самой клетки при её отмирании в ходе эмбрионального развития, когда происходит замена зародышевых тканей на постоянные, и в ряде других случаев.
Центриоли. Клеточный центр состоит из 2-х очень маленьких телец цилиндрической формы, расположенных под прямым углом друг к другу. Эти тельца называются центриолями. Стенка центриоли состоит из 9-ти пар микротрубочек. Центриоли способны к самосборке и относятся к самовоспроизводящимся органоидам цитоплазмы. Центриоли играют важную роль в клеточном делении: от них начинается рост микротрубочек, образующих веретено деления.
Ядро. Ядро — важнейшая составная часть клетки. Оно содержит молекулы ДНК и поэтому выполняет две главные функции: 1) хранение и воспроизведение генетической информации, 2) регуляция процессов обмена веществ, протекающих в клетке. Клетка утратившая ядро, не может существовать. Ядро также неспособно к самостоятельному существованию. Большинство клеток имеет одно ядро, но можно наблюдать 2-3ядра в одной клетке, например в клетках печени. Известны многоядерные клетки с числом ядер в несколько десятков. Формы ядер зависят от формы клетки. Ядра бывают шаровидные, многолопастные. Ядро окружено оболочкой, состоящей из двух мембран, имеющих обычное трёхслойное строение. Наружная ядерная мембрана покрыта рибосомами, внутренняя мембрана гладкая. Главную роль в жизнедеятельности ядра играет обмен веществ между ядром и цитоплазмой. Содержимое ядра включает ядерный сок, или кариоплазму, хроматин и ядрышко. В состав ядерного сока входят различные белки, в том числе большинство ферментов ядра, свободные нуклеотиды, аминокислоты, продукты деятельности ядрышка и хроматина, перемещающиеся из ядра в цитоплазму. Хроматин содержит ДНК, белки и представляет собой спирализованные и уплотненные участки хромосом. Ядрышко представляет собой плотное округлое тельце, располагающееся в ядерном соке. Число ядрышек колеблется от 1 до 5-7 и более. Ядрышки есть только в неделящихся ядрах, во время митоза они исчезают, а после завершения деление образуются вновь. Ядрышко не является самостоятельным органоидом клетки, оно лишено мембраны и образуется вокруг участка хромосомы, в котором закодирована структура рРНК. В ядрышке формируются рибосомы, которые затем перемещаются в цитоплазму. Хроматином называют глыбки, гранулы и сетевидные структуры ядра, интенсивно окрашивающиеся некоторыми красителями и отличные по форме от ядрышка.
studfiles.net
Химический состав клетки — это… Что такое Химический состав клетки?
Каждая клетка содержит множество химических элементов, участвующих в различных химических реакциях. Химические процессы, протекающие в клетке — одно из основных условий её жизни, развития и функционирования. Одних химических элементов в клетке больше, других — меньше.
На атомарном уровне различий между органическим и неорганическим миром живой природы нет: живые организмы состоят из тех же атомов, что и тела неживой природы. Однако соотношение разных химических элементов в живых организмах и в земной коре сильно различается. Кроме того, живые организмы могут отличаться от окружающей их среды по изотопному составу химических элементов.
Условно все элементы клетки можно разделить на три группы.
Макроэлементы
К макроэлементам относят кислород (65—75 %), углерод (15—18 %), водород (8—10 %), азот (2,0—3,0 %), калий (0,15—0,4 %), сера (0,15—0,2 %), фосфор (0,2—1,0 %), хлор (0,05—0,1 %), магний (0,02—0,03 %), натрий (0,02—0,03 %), кальций (0,04—2,00 %), железо (0,01—0,015 %). Такие элементы, как C, O, H, N, S, P входят в состав органических соединений.
Углерод — входит в состав всех органических веществ; скелет из атомов углерода составляет их основу. Кроме того, в виде CO2 фиксируется в процессе фотосинтеза и выделяется в ходе дыхания, в виде CO (в низких концентрациях) участвует в регуляции клеточных функций, в виде CaCO3 входит в состав минеральных скелетов.
Кислород — входит в состав практически всех органических веществ клетки. Образуется в ходе фотосинтеза при фотолизе воды. Для аэробных организмов служит окислителем в ходе клеточного дыхания, обеспечивая клетки энергией. В наибольших количествах в живых клетках содержится в составе воды.
Водород — входит в состав всех органических веществ клетки. В наибольших количествах содержится в составе воды. Некоторые бактерии окисляют молекулярный водород для получения энергии.
Азот — входит в состав белков, нуклеиновых кислот и их мономеров — аминокислот и нуклеотидов. Из организма животных выводится в составе аммиака, мочевины, гуанина или мочевой кислоты как конечный продукт азотного обмена. В виде оксида азота NO (в низких концентрациях) участвует в регуляции кровяного давления.
Сера — входит в состав серосодержащих аминокислот, поэтому содержится в большинстве белков. В небольших количествах присутствует в виде сульфат-иона в цитоплазме клеток и межклеточных жидкостях.
Фосфор — входит в состав АТФ, других нуклеотидов и нуклеиновых кислот (в виде остатков фосфорной кислоты), в состав костной ткани и зубной эмали (в виде минеральных солей), а также присутствует в цитоплазме и межклеточных жидкостях (в виде фосфат-ионов).
Магний — кофактор многих ферментов, участвующих в энергетическом обмене и синтезе ДНК; поддерживает целостность рибосом и митохондрий, входит в состав хлорофилла. В животных клетках необходим для функционирования мышечных и костных систем.
Кальций — участвует в свёртывании крови, а также служит одним из универсальных вторичных посредников, регулируя важнейшие внутриклеточные процессы (в том числе участвует в поддержании мембранного потенциала, необходим для мышечного сокращения и экзоцитоза). Нерастворимые соли кальция участвуют в формировании костей и зубов позвоночных и минеральных скелетов беспозвоночных.
Натрий — участвует в поддержании мембранного потенциала, генерации нервного импульса, процессах осморегуляции (в том числе в работе почек у человека) и создании буферной системы крови.
Калий — участвует в поддержании мембранного потенциала, генерации нервного импульса, регуляции сокращения сердечной мышцы.Содержится в межклеточных веществах.
Хлор — поддерживает электронейтральность клетки.
Микроэлементы
К микроэлементам, составляющим от 0,001 % до 0,000001 % массы тела живых существ, относят ванадий, германий, йод (входит в состав тироксина, гормона щитовидной железы), кобальт (витамин В12), марганец, никель, рутений, селен, фтор (зубная эмаль), медь, хром, цинк
Цинк — входит в состав ферментов, участвующих в спиртовом брожении, в состав инсулина
Медь — входит в состав окислительных ферментов, участвующих в синтезе цитохромов.
Селен — участвует в регуляторных процессах организма.
Ультрамикроэлементы
Ультрамикроэлементы составляют менее 0,0000001 % в организмах живых существ, к ним относят золото, серебро оказывают бактерицидное воздействие, ртуть подавляет обратное всасывание воды в почечных канальцах, оказывая воздействие на ферменты. Так же к ультрамикроэлементам относят платину и цезий. Некоторые к этой группе относят и селен, при его недостатке развиваются раковые заболевания. Функции ультрамикроэлементов еще мало понятны.
Молекулярный состав клетки
| Соединения | |||
| Неорганические | Органические | ||
| Вода Минеральные соли | 70—80 % 1,0—1,5 % | Белки Углеводы Жиры Нуклеиновые кислоты АТФ, соли и др. вещества | 10—20 % 0,2—2,0 % 1—5 % 1,0—2,0 % 0,1—0,5 % |
См. также
dic.academic.ru
органические вещества, макро- и микроэлементы
В конце 19 столетия сформировалась отрасль биологии, названная биохимией. Она изучает химический состав живой клетки. Главная задача науки – познание особенностей обмена веществ и энергии, регулирующих жизнедеятельность растительных и животных клеток.
Понятие о химическом составе клетки
В результате тщательных исследований учёными была изучена химическая организация клеток и установлено, что живые существа имеют в своем составе более 85 химических элементов. Причём некоторые из них обязательны практически для всех организмов, а другие специфичны и встречаются у конкретных биологических видов. А третья группа химических элементов присутствует в клетках микроорганизмов, растений и животных в достаточно малых количествах. Химические элементы в состав клеток входят чаще всего в виде катионов и анионов, из которых образуются минеральные соли и вода, а также синтезируются углеродсодержащие органические соединения: углеводы, белки, липиды.
Органогенные элементы
В биохимии к ним относятся карбон, гидроген, оксиген и нитроген. Их совокупность составляет в клетке от 88 до 97% от других химических элементов, находящихся в ней. Особенно важен карбон. Все органические вещества в составе клетки состоят из молекул, содержащих в своём составе атомы углерода. Они способны соединяться между собой, образуя цепи (разветвлённые и неразветвленные), а также циклы. Эта способность углеродных атомов лежит в основе поразительного разнообразия органических веществ, входящих в состав цитоплазмы и клеточных органоидов.
Например, внутреннее содержимое клетки состоит из растворимых олигосахаридов, гидрофильных белков, липидов, различных видов рибонуклеиновой кислоты: транспортной РНК, рибосомальной РНК и информационной РНК, а также свободных мономеров – нуклеотидов. Подобный химический состав имеет и клеточное ядро. Оно также содержит молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, входящие в состав хромосом. Все вышеперечисленные соединения имеют в своём составе атомы нитрогена, карбона, оксигена, гидрогена. Это является доказательством их особенно важного значения, так как химическая организация клеток зависит от содержания органогенных элементов, входящих в состав клеточных структур: гиалоплазмы и органелл.
Макроэлементы и их значения
Химические элементы, которые также очень часто встречаются в клетках различных видов организмов, в биохимии называются макроэлементами. Их содержание в клетке составляет 1,2% – 1,9%. К макроэлементам клетки относятся: фосфор, калий, хлор, сера, магний, кальций, железо и натрий. Все они выполняют важные функции и входят в состав различных клеточных органелл. Так, ион двухвалентного железа присутствует в белке крови – гемоглобине, который транспортирует кислород (в этом случае он называется оксигемоглобин), углекислый газ (карбогемоглобин) или угарный газ (карбоксигемоглобин).
Ионы натрия обеспечивают важнейший вид межклеточного транспорта: так называемый натрий-калиевый насос. Они также входят в состав межтканевой жидкости и плазмы крови. Ионы магния присутствуют в молекулах хлорофилла (фотопигмент высших растений) и участвуют в процессе фотосинтеза, так как образуют реакционные центры, улавливающие фотоны световой энергии.
Ионы кальция обеспечивают проведение нервных импульсов по волокнам, а также являются главным компонентом остеоцитов – костных клеток. Соединения кальция широко распространены в мире беспозвоночных животных, у которых раковины состоят из карбоната кальция.
Ионы хлора принимают участие в перезарядке клеточных мембран и обеспечивают возникновение электрических импульсов, лежащих в основе нервного возбуждения.
Атомы серы входят в состав нативных белков и обуславливают их третичную структуру, «сшивая» полипептидную цепь, вследствие чего формируется глобулярная белковая молекула.
Ионы калия участвуют в транспорте веществ через клеточные мембраны. Атомы фосфора входят в состав такого важного энергоёмкого вещества, как аденозинтрифосфорная кислота, а также являются важным компонентом молекул дезоксирибонуклеиновой и рибонуклеиновых кислот, являющихся главными веществами клеточной наследственности.
Функции микроэлементов в клеточном метаболизме
Около 50 химических элементов, составляющих менее 0,1% в клетках, называются микроэлементами. К ним относят цинк, молибден, йод, медь, кобальт, фтор. При незначительном содержании они выполняют очень важные функции, так как входят в состав многих биологически активных веществ.
Например, атомы цинка находятся в молекулах инсулина (гормона поджелудочной железы, регулирующего уровень глюкозы в крови), йод является составной частью гормонов щитовидной железы – тироксина и трийодтиронина, контролирующих уровень обмена веществ в организме. Медь, наряду с ионами железа, участвует в кроветворении (образовании эритроцитов, тромбоцитов и лейкоцитов в красном костном мозге позвоночных животных). Ионы меди входят в состав пигмента гемоцианина, присутствующего в крови беспозвоночных животных, например моллюсков. Поэтому цвет гемолимфы у них голубой.
Ещё меньше содержание в клетке таких химических элементов, как свинец, золото, бром, серебро. Они называются ультромикроэлементами и входят в состав растительных и животных клеток. Например, в зерновках кукурузы химическим анализом были выявлены ионы золота. Атомы брома в большом количестве входят в состав клеток слоевища бурых и красных водорослей, например саргассума, ламинарии, фукуса.
Все ранее приведённые примеры и факты объясняют, как взаимосвязаны химический состав, функции и строение клетки. Таблица, приведённая ниже, показывает содержание различных химических элементов в клетках живых организмов.
Общая характеристика органических веществ
Химические свойства клеток различных групп организмов определённым образом зависят от атомов карбона, доля которых составляет более 50% клеточной массы. Практически все сухое вещество клетки представлено углеводами, белками, нуклеиновыми кислотами и липидами, которые имеют сложное строение и большую молекулярную массу. Такие молекулы называются макромолекулами (полимерами) и состоят из более простых элементов – мономеров. Белковые вещества играют чрезвычайно важную роль и выполняют множество функций, которые и будут рассмотрены ниже.
Роль белков в клетке
Биохимический анализ соединений, входящих в живую клетку, подтверждает высокое содержание в ней таких органических веществ, как белки. Этому факту есть логическое объяснение: белки выполняют разнообразные функции и участвуют во всех проявлениях клеточной жизнедеятельности.
Например, защитная функция белков заключается в образовании антител – иммуноглобулинов, вырабатываемых лимфоцитами. Такие защитные белки, как тромбин, фибрин и тромбобластин, обеспечивают свёртываемость крови и предотвращают её потерю при травмах и ранениях. В состав клетки входят сложные белки клеточных мембран, имеющие способность распознавать чужеродные соединения – антигены. Они изменяют свою конфигурацию и сообщают клетке о потенциальной опасности (сигнальная функция).
Некоторые белки выполняют регуляторную функцию и являются гормонами, например окситоцин, вырабатываемый гипоталамусом, резервируется гипофизом. Поступая из него в кровь, окситоцин воздействует на мышечные стенки матки, вызывая её сокращение. Белок вазопрессин также выполняет регуляторную функцию, контролируя кровяное давление.
В мышечных клетках находятся актин и миозин, способные сокращаться, что обуславливает двигательную функцию мышечной ткани. Для белков характерна и трофическая функция, например, альбумин используется зародышем в качестве питательного вещества для своего развития. Белки крови различных организмов, например гемоглобин и гемоцианин, переносят молекулы кислорода – выполняют транспортную функцию. Если более энергоёмкие вещества, такие как углеводы и липиды, полностью использованы, клетка приступает к расщеплению белков. Один грамм этого вещества даёт 17, 2 кДж энергии. Одной из важнейших функций белков является каталитическая (белки-ферменты ускоряют химические реакции, протекающие в компартментах цитоплазмы). На основании вышесказанного мы убедились в том, что белки выполняют множество очень важных функций и обязательно входят в состав животной клетки.
Биосинтез белка
Рассмотрим процесс синтеза белка в клетке, который происходит в цитоплазме с помощью таких органелл, как рибосомы. Благодаря деятельности специальных ферментов, при участии ионов кальция рибосомы объединяются в полисомы. Основные функции рибосом в клетке – синтез белковых молекул, начинающийся процессом транскрипции. В результате него синтезируются молекулы иРНК, к которым и присоединяются полисомы. Затем начинается второй процесс – трансляция. Транспортные РНК соединяются с двадцатью различными видами аминокислот и приносят их к полисомам, а так как функции рибосом в клетке — это синтез полипептидов, то эти органеллы образуют комплексы с тРНК, а молекулы аминокислот связываются между собой пептидными связями, образуя макромолекулу белка.
Роль воды в процессах метаболизма
Цитологические исследования подтвердили тот факт, что клетка, строение и состав которой мы изучаем, в среднем на 70% состоит из воды, а у многих животных, ведущих водный способ жизни (например, кишечнополостных) её содержание достигает 97—98%. С учётом этого химическая организация клеток включает в себя гидрофильные (способные к растворению) и гидрофобные (водоотталкивающие) вещества. Являясь универсальным полярным растворителем, вода играет исключительную роль и напрямую влияет не только на функции, но и на само строение клетки. Таблица, представленная ниже, показывает содержание воды в клетках различных типов живых организмов.
Функция углеводов в клетке
Как мы выяснили ранее, к важным органическим веществам – полимерам — относятся также углеводы. К ним относятся полисахариды, олигосахариды и моносахариды. Углеводы входят в состав более сложных комплексов – гликолипидов и гликопротеидов, из которых построены клеточные мембраны и надмембранные структуры, например гликокаликс.
Кроме углерода, в состав углеводов входят атомы оксигена и гидрогена, а некоторые полисахариды содержат ещё азот, серу и фосфор. В клетках растений углеводов много: клубни картофеля содержат до 90% крахмала, в семенах и плодах содержание углеводов до 70%, а в животных клетках они встречаются в виде таких соединений, как гликоген, хитин и трегалоза.
Простые сахара (моносахариды) имеют общую формулу Cnh3nOn и делятся на тетрозы, триозы, пентозы и гексозы. Две последние наиболее распространены в клетках живых организмов, например, рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот, а глюкоза и фруктоза принимают участие в реакциях ассимиляции и диссимиляции. Олигосахариды часто встречаются в растительных клетках: сахароза запасается в клетках сахарной свёклы и сахарного тростника, мальтоза содержится в проросших зерновках ржи и ячменя.
Дисахариды имеют сладковатый вкус и хорошо растворяются в воде. Полисахариды, являясь биополимерами, представлены в основном крахмалом, целлюлозой, гликогеном и ламинарином. К структурным формам полисахаридов относится хитин. Основная функция углеводов в клетке — энергетическая. В результате гидролиза и реакций энергетического обмена полисахариды расщепляются до глюкозы, а она затем окисляется до углекислого газа и воды. В результате один грамм глюкозы освобождает 17,6 кДж энергии, а запасы крахмала и гликогена, по сути, являются резервуаром клеточной энергии.
Гликоген откладывается в основном в мышечной ткани и клетках печени, растительный крахмал – в клубнях, луковицах, корнеплодах, семенах, а у членистоногих, например пауков, насекомых и ракообразных, главную роль в энергообеспечении играет олигосахарид трегалоза.
Углеводы отличаются от липидов и белков способностью к бескислородному расщеплению. Это чрезвычайно важно для организмов, живущих в условиях дефицита или отсутствия кислорода, например для анаэробных бактерий и гельминтов – паразитов человека и животных.
Есть ещё одна функция углеводов в клетке – строительная (структурная). Она заключается в том, что эти вещества являются опорными структурами клеток. Например, целлюлоза входит в состав клеточных стенок растений, хитин образует внешний скелет многих беспозвоночных и встречается в клетках грибов, олисахариды вместе с молекулами липидов и белков образуют гликокаликс – надмембранный комплекс. Он обеспечивает адгезию – слипание животных клеток между собой, приводящее к образованию тканей.
Липиды: строение и функции
Эти органические вещества, являющиеся гидрофобными (нерастворимыми в воде) можно извлечь, то есть экстрагировать из клеток с помощью неполярных растворителей, таких как ацетон или хлороформ. Функции липидов в клетке зависят от того, к какой из трёх групп они относятся: к жирам, воскам или стероидам. Жиры наиболее широко распространены во всех типах клеток.
Животные накапливают их в подкожной жировой клетчатке, нервная ткань содержит жир в виде миелиновых оболочек нервов. Он также накапливается в почках, печени, у насекомых – в жировом теле. Жидкие жиры – масла — встречаются в семенах многих растений: кедра, арахиса, подсолнечника, маслины. Содержание липидов в клетках колеблется от 5 до 90% (в жировой ткани).
Стероиды и воски отличаются от жиров тем, что они не имеют в составе молекул остатков жирных кислот. Так, стероиды – это гормоны коркового слоя надпочечников, влияющие на половое созревание организма и являющиеся компонентами тестостерона. Они также входят в состав витаминов (например, витамина Д).
Основные функции липидов в клетке – это энергетическая, строительная и защитная. Первая обусловлена тем, что 1 грамм жира при расщеплении даёт 38,9 кДж энергии – намного больше чем другие органические вещества – белки и углеводы. Кроме того, при окислении 1г жира выделяется почти 1,1 гр. воды. Именно поэтому некоторые животные имея запас жира в своем теле, могут долгое время находиться без воды. Например, суслики могут быть в спячке более двух месяцев, не нуждаясь в воде, а верблюд не пьёт воду при переходах через пустыню в течение 10–12 суток.
Строительная функция липидов заключается в том, что они являются неотъемлемой частью клеточных мембран, а также входят в состав нервов. Защитная функция липидов состоит в том, что слой жира под кожей вокруг почек и других внутренних органов защищает их от механических травм. Специфическая теплоизоляционная функция присуща животным, длительное время находящимся в воде: китам, тюленям, морским котикам. Толстый подкожный жировой слой, например, у синего кита составляет 0,5 м, он защищает животное от переохлаждения.
Значение кислорода в клеточном метаболизме
Аэробные организмы, к которым относится подавляющее большинство животных, растения и человек, используют атмосферный кислород для реакций энергетического обмена, приводящих к расщеплению органических веществ и выделению определённого количества энергии, аккумулируемого в виде молекул аденозинтрифосфорной кислоты.
Так, при полном окислении одного моля глюкозы, происходящего на кристах митохондрий, выделяется 2800 кДж энергии, из которых 1596 кДж (55%) запасается в виде молекул АТФ, содержащих макроэргические связи. Таким образом, основная функция кислорода в клетке – осуществление аэробного дыхания, в основе которого лежит группа ферментативных реакций так называемой дыхательной цепи, происходящих в клеточных органеллах – митохондриях. У прокариотических организмов — фототрофных бактерий и цианобактерий — окисление питательных веществ происходит под действием кислорода, диффундирующего в клетки на внутренние выросты плазматических мембран.
Нами была изучена химическая организация клеток, а также рассмотрены процессы биосинтеза белка и функция кислорода в клеточном энергетическом обмене.
fb.ru