Биология - Экзамен - ...

Все клетки животных и растительных организмов, а также микроорганизмов сходны по химическому составу. В клетке содержится несколько тысяч веществ, которые участвуют в разнообразных химических реакциях. Сходство в строении и химическом составе разных клеток свидетельствует о единстве их происхождения.

Одни элементы содержатся в клетках в относительно большом количестве, другие - в малом. Особенно велико содержание в клетке четырех элементов - кислорода, углерода, азота и водорода (до 98%). Сера, фосфор, хлор, калий, магний, натрий, кальций, железо составляют вместе 1,9%. Все остальные элементы содержатся в клетке в исключительно малых количествах (меньше 0,01%). В живых телах наряду с веществами, распространенными в неживой природе, содержится много веществ, характерных только для живых организмов.

Условно все элементы клетки можно разделить на три группы:

1. Макроэлементы: их содержание в организме до 0,001%;

2. Микроэлементы — от 0,001 % до 0,000001%;

3. Ультрамикроэлементы — меньше 0,000001 %.

К макроэлементам относятся:

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.

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.

Водород — входит в состав всех органических веществ клетки. В наибольших количествах входит в клетках 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.

Калий —обеспечивает проницаемость клеточных мембран, участвует в генерации нервного импульса, регуляции сокращения сердечной мышцы. 

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 состав костной ткани и зубной эмали, а также присутствует в цитоплазме и межклеточных жидкостях.

Кальций — участвует в свёртывании крови, участвует в поддержании мембранного потенциала, необходим для мышечного сокращения. Нерастворимые соли кальция участвуют в формировании костей и зубов позвоночных и минеральных скелетов беспозвоночных.

Хлор — поддерживает электронейтральность клетки.

Магний — 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.

Натрий — участвует в поддержании мембранного потенциала, генерации нервного импульса.

Железо – входит в состав гемоглобина – белка эритроцитов, участвующего в переносе кислорода от легких к тканям.

Микроэлементы

Микроэлементы также нужны организму, но в значительно меньших долях.

Цинк, хром, медь — входит в состав инсулина- гормона поджелудочной железы (регуляция обмена углеродов).

Кобальт — входит в состав витамина В12, регулирует созревание клеток крови в костном мозге.

Йод, германий, ванадий — входит в состав тироксина, гормона щитовидной железы, регулирующего интенсивность обмена веществ и развитие организма.

Цинк — входит в состав ферментов, участвующих в спиртовом брожении.

Медь — входит в состав окислительных ферментов, участвующих в синтезе цитохромов.

Ультрамикроэлементы

Ультрамикроэлементы — меньше 0,000001 % — золото, серебро — оказывают бактерицидное воздействие; ртуть подавляет обратное всасывание воды в почечных канальцах, оказывая воздействие на ферменты. Так же к ультромикроэлементам относят платину и цезий. Некоторые к этой группе относят и селен, при его недостатке развиваются раковые заболевания. Функции ультрамикроэлементов еще мало понятны.

На атомарном уровне различий между органическим и неорганическим миром живой природы нет: живые организмы состоят из тех же атомов, что и тела неживой природы. Правда, 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. Наиболее резкие различия между живой и неживой природой проявляются на молекулярном уровне.

Содержание макроэлементов в органах и тканях живого организма

Однако следует помнить, что важность того или иного элемента для нормальной жизнедеятельности клетки определяется не только его количественным содержанием. Многие микро- и ультрамикроэлементы являются жизненно необходимыми ей: они входят в состав необходимых ферментов, гормонов, витаминов и других веществ.

Элементные составы разных клеток многоклеточного организма могут несколько отличаться друг от друга, что связано с различным характером обмена веществ в разных клетках. Кроме того, некоторые организмы способны избирательно извлекать из окружающей среды и накапливать определённые химические элементы, необходимые для их жизнедеятельности. Например, морские водоросли накапливают йод, моллюски и ракообразные – медь, ряска – радий, диатомовые водоросли и злаки – кремний и т.д.

Роль далеко не всех элементов изучена достаточно полно и глубоко, хотя известно, что недостаток или отсутствие некоторых из них может привести к возникновению различных заболеваний. Так, недостаток йода в воде, почве, продуктах питания приводит к возникновению эндемического зоба, а недостаток фтора приводит к кариесу, отсутствие железа в необходимых количествах может служить поводом для развития анемии и т.д.

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ КЛЕТОК

Химические элементы входят в состав соединений, которые можно разбить на две группы:

- неорганические (вода, соли и т. д.);

- органические (белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и т. д.).

От 60 % до 95 % общей массы организма составляет вода.

Наличие воды – обязательное условие жизненной активности клетки; все физиологические процессы происходят только в водной среде.

Для многих организмов вода является также средою обитания.

Значение воды определяется её необычными свойствами: малыми размерами молекул, их полярностью и способностью образовывать водородные связи друг с другом.

Важные свойства воды:

1. Вода является универсальным растворителем для полярных веществ. Это свойство также означает, что вода служит средой для транспорта различных веществ внутри организма;

2. Большинство реакций, протекающих в клетке, могут идти только в водном растворе; многие вещества поступают в клетку из внешней среды в водном растворе и в водном же растворе отработанные продукты выводятся из клетки.

3. вода обладает большой теплоёмкостью; благодаря этому биохимические процессы идут в малом диапазоне температур;

4. благодаря высокой теплоёмкости и теплопроводности обеспечивает незначительные колебания температуры внутри клетки и равномерное распределение тепла по клетке и во всём организме, предохраняет его от перегревания;

5. вода имеет большую теплоту испарения; это используется при терморегуляции у животных (потоотделение) и растений (охлаждение листьев);

6. у воды большая теплота плавления; это препятствует образованию кристаллов льда в клетках при понижении температуры;

7. плотность льда меньше плотности воды, поэтому он не тонет, и водоёмы промерзают сверху вниз. В противном случае реки и озера холодных и умеренных поясов промёрзли бы за зиму насквозь;

8. значительное поверхностное натяжение играет важную роль при движении воды по капиллярам организмов;

9. выполняет транспортные функции, благодаря низкой вязкости, подвижности, способности растворять органические и неорганические соединения

10. обеспечивает приток веществ в клетку и удаление продуктов жизнедеятельности из неё;

11. определяет тургорное давление клетки;

12. вода является необходимым компонентом метаболических реакций (например, в процессе фотосинтеза).

Вещества, хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными веществами (греч. “гидрос” - вода, “филео” - люблю). Жиры, клетчатка и другие вещества плохо или вовсе не растворяются в воде, их называют гидрофобными (греч. “гидрос” - вода, “фобос” - страх, ненависть).

Гидрофильность объясняется наличием групп атомов, способных вступать с молекулами воды в электростатическое взаимодействие или образованием с ними водородных связей. Гидрофильные вещества - это соли, углеводы, белки, низкомолекулярные органические соединения. Многие жиры - гидрофобны. Гидрофобные вещества входят в состав клеточных мембран, обусловливая их полупроницаемость.

Существует зависимость между интенсивностью обмена веществ и содержанием воды в органах и тканях, что свидетельствует о большой биологической роли воды. При снижении интенсивности обмена веществ у животных, например при анабиозе, количество воды уменьшается. Уменьшается оно и с возрастом. Чем моложе организм или орган, тем больше в нем воды. Очевидно, что одной из причин снижения интенсивности обмена веществ является снижение содержания воды в организме. В процессе старения происходит постепенное обезвоживание организма, поэтому появляются морщины.

Для процессов жизнедеятельности клетки наиболее важны такие катионы, как K+, Na+, Ca2+, Mg2+,

(КАТИОН (от греч. kation, букв. — идущий вниз), положительно заряженный ион; в электрическом поле (напр., при электролизе) движется к отрицательному электроду (катоду)

из анионов - HPO42-, Cl-, HCO3- (АНИОН (от греч. anion, букв. — идущий вверх), отрицательно заряженный ион; при электролизе растворов, содержащих ионы, анион движется к положительному электроду — аноду)

(ИОНЫ (от греч. ion — идущий), электрически заряженные частицы, образующиеся в результате потери или присоединения одного или нескольких электронов (или других заряженных частиц) к атому, молекуле, радикалу или другому иону. Положительно заряженные ионы называются катионами, отрицательно заряженные ионы — анионами. Термин предложен М. Фарадеем.

Ионы обозначают химическим символом с индексом, расположенным вверху справа. Индекс указывает знак и величину заряда, т. е. кратность иона, в единицах заряда электрона. При потере или приобретении атомом 1, 2, 3... электронов образуются, соответственно, одно-, двух- и трёхзарядные ионы (см. Ионизация) , например Na+, Ca2+, Al3+, Cl-, SO42-).

Концентрация анионов и катионов в клетке и среде ее обитания, как правило, резко различна. К примеру, внутри клетки всегда довольно высокая концентрация ионов калия и очень малая - ионов натрия, а в окружающей среде (плазме крови, морской воде) мало ионов калия и много ионов натрия. Пока клетка жива, это соотношение ионов строго поддерживается, а после смерти клетки содержание ионов в среде и клетке выравнивается. Ионы клетки способствуют поддержанию постоянного осмотического давления внутри клетки и рН. В норме реакция клеток слабощелочная, почти нейтральная, обеспечиваемая содержащимися в клетке анионами слабых кислот (НСО3-, НРО4-) и слабыми кислотами (Н2СО3), которые связывают и отдают ионы водорода, в результате чего реакция внутренней среды клетки практически не изменяется. Некоторые неорганические вещества содержатся в клетке не только в растворенном, но и в твердом состоянии. Так, прочность и твердость костной ткани обеспечивается фосфатом кальция, а раковин моллюсков - карбонатом кальция. Не все вещества, содержащиеся в клетке, специфичны для живой природы. Вода и соли распространены и вне живого. Но в организмах и продуктах их жизнедеятельности обнаружено большое количество углеродсодержащих соединений, характерных только для живых клеток и организмов, получивших название органических веществ.