Видеоурок 2:
Строение, свойства и функции органических соединений Понятие о биополимерах
Лекция:
Химический состав клетки. Макро- и микроэлементы. Взаимосвязь строения и функций неорганических и органических веществ
Химический состав клетки
Обнаружено, что в клетках живых организмов постоянно содержатся в виде нерастворимых соединений и ионов около 80 химических элементов. Все они подразделяются на 2 большие группы по своей концентрации:
макроэлементы, содержание которых не ниже 0,01%;
микроэлементы – концентрация, которых составляет меньше 0,01%.
В любой клетке содержание микроэлементов составляет менее 1%, макроэлементов соответственно -- больше 99%.
Макроэлементы:
Натрий, калий и хлор – обеспечивают многие биологические процессы – тургор (внутреннее клеточное давление), появление нервных электрических импульсов.
Азот, кислород, водород, углерод. Это основные компоненты клетки.
Фосфор и сера – важные компоненты пептидов (белков) и нуклеиновых кислот.
Кальций – основа любых скелетных образований – зубов, костей, раковин, клеточных стенок. Также, участвует в сокращении мышц и свертывании крови.
Магний – компонент хлорофилла. Участвует в синтезе белков.
Железо – компонент гемоглобина, участвует в фотосинтезе, определяет работоспособность ферментов.
Микроэлементы содержатся в очень низких концентрациях, важны для физиологических процессов:
Цинк – компонент инсулина;
Медь – участвует в фотосинтезе и дыхании;
Кобальт – компонент витамина В12;
Йод – участвует в регуляции обмена веществ. Он является важным компонентом гормонов щитовидной железы;
Фтор – компонент зубной эмали.
Нарушение баланса концентрации микро и макроэлементов приводит к нарушениям метаболизма, развитию хронических болезней. Недостаток кальция – причина рахита, железа – анемия, азота – дефицит протеинов, йода – снижение интенсивности метаболитических процессов.
Расмотрим связь органических и неорганических веществ в клетке, их строение и функции.
В клетках содержится огромное количество микро и макромолекул, относящихся к разным химическим классам.
Неорганические вещества клетки
Вода . От общей массы живого организма она составляет наибольший процент – 50-90% и принимает участие практически во всех процессах жизнедеятельности:
терморегуляции;
капиллярных процессах, так как является универсальным полярным растворителем, влияет на свойства межтканевой жидкости, интенсивности обмена веществ. По отношению к воде все химические соединения делятся на гидрофильные (растворимые) и липофильные (растворимые в жирах).
От концентрации ее в клетке зависит интенсивность обмена веществ – чем больше воды, тем быстрее происходят процессы. Потеря 12% воды человеческим организмом – требует восстановления под наблюдением врача, при потере 20% – наступает смерть.
Минеральные соли. Содержатся в живых системах в растворенном виде (диссоциировав на ионы) и нерастворенном. Растворенные соли участвуют в:
переносе веществ сквозь мембрану. Катионы металлов обеспечивают «калиево-натриевый насос», изменяя осмотическое давление клетки. Из-за этого вода с растворенными в ней веществами устремляется в клетку либо покидает ее, унося ненужные;
формировании нервных импульсов, имеющих электрохимическую природу;
сокращении мышц;
свертывании крови;
входят в состав белков;
фосфат-ион – компонент нуклеиновых кислот и АТФ;
карбонат-ион – поддерживает Ph в цитоплазме.
Нерастворимые соли в виде цельных молекул образуют структуры панцирей, раковин, костей, зубов.
Органические вещества клетки
Общая черта органических веществ – наличие углеродной скелетной цепи. Это биополимеры и небольшие молекулы простой структуры.
Основные классы, имеющиеся в живых организмах:
Углеводы . В клетках присутствуют различные их виды -- простые сахара и нерастворимые полимеры (целлюлоза). В процентном отношении доля их в сухом веществе растений -- до 80%, животных – 20%. Они играют важную роль в жизнеобеспечении клеток:
Фруктоза и глюкоза (моносахара) – быстро усваиваются организмом, включаются в метаболизм, являются источником энергии.
Рибоза и дезоксирибоза (моносахара) – один из трех основных компонентов состава ДНК и РНК.
Лактоза (относится к дисахарам) – синтезируется животным организмом, входит в состав молока млекопитающих.
Сахароза (дисахарид) – источник энергии, образуется в растениях.
Мальтоза (дисахарид) – обеспечивает прорастание семян.
Также, простые сахара выполняют и другие функции: сигнальную, защитную, транспортную.
Полимерные углеводы – это растворимый в воде гликоген, а также нерастворимые целлюлоза, хитин, крахмал. Они играют важную роль в метаболизме, осуществляют структурную, запасающую, защитную функции.
Липиды или жиры. Они нерастворимы в воде, но хорошо смешиваются между собой и растворяются в неполярных жидкостях (не имеющих в составе кислород, например – керосин или циклические углеводороды относятся к неполярным растворителям). Липиды необходимы в организме для обеспечения его энергией – при их окислении образуется энергия и вода. Жиры очень энергоэффективны – с помощью выделяющихся при окислении 39 кДж на грамм можно поднять груз весом в 4 тонны на высоту в 1 м. Также, жир обеспечивает защитную и теплоизоляционную функцию – у животных толстый его слой способствует сохранению тепла в холодный сезон. Жироподобные вещества предохраняют от намокания перья водоплавающих птиц, обеспечивают здоровый лоснящийся вид и упругость шерсти животных, выполняют покровную функцию у листьев растений. Некоторые гормоны имеют липиднуюструктуру. Жиры входят в основу структуры мембран.
Белки или протеины
являются гетерополимерами биогенной структуры. Они состоят из аминокислот, структурными единицами которых являются: аминогруппа, радикал, и карбоксильная группа. Свойства аминокислот и их отличия друг от друга определяют радикалы. За счет амфотерных свойств – могут образовыватьмежду собой связи. Белок может состоять из нескольких или сотен аминокислот. Всего в структуру белков входят 20 аминокислот, их комбинации определяют разнообразие форм и свойств протеинов. Около десятка аминокислот относятся к незаменимым – они не синтезируются в животном организме и их поступление обеспечивается за счет растительной пищи. В ЖКТ белки расщепляются на отдельные мономеры, используемые для синтеза собственных белков.
Структурные особенности белков:
первичная структура – аминокислотная цепочка;
вторичная – скрученная в спираль цепочка, где образуются между витками водородные связи;
третичная – спираль или несколько их, свернутые в глобулу и соединенные слабыми связями;
четвертичная существует не у всех белков. Это несколько глобул, соединенных нековалентными связями.
Прочность структур может нарушаться, а затем восстанавливаться, при этом белок временно теряет свои характерные свойства и биологическую активность. Необратимым является только разрушение первичной структуры.
Белки выполняют в клетке множество функций:
ускорение химических реакций
(ферментативная или каталитическая функция, причем каждый из них отвечает за конкретную единственную реакцию);
транспортная – перенос ионов, кислорода, жирных кислот сквозь клеточные мембраны;
защитная – такие белки крови как фибрин и фибриноген, присутствуют в плазме крови в неактивном виде,в месте ранений под действием кислорода образуют тромбы. Антитела -- обеспечивают иммунитет.
структурная – пептиды входят частично или являются основой клеточных мембран, сухожилий и других соединительных тканей, волос, шерсти, копыт и ногтей, крыльев и внешних покровов. Актин и миозин обеспечивают сократительную активность мышц;
регуляторная
– белки-гормоны обеспечивают гуморальную регуляцию;
энергетическая – во время отсутствия питательных веществ организм начинает расщеплять собственные белки, нарушая процесс собственной жизнедеятельности. Именно поэтому после длительного голода организм не всегда может восстановиться без врачебной помощи.
Нуклеиновые кислоты. Их существует 2 – ДНК и РНК. РНК бывает нескольких видов – информационная, транспортная, рибосомная. Открыты щвейцарцем Ф. Фишером в конце 19-го века.
ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота. Содержится в ядре, пластидах и митохондриях. Структурно является линейным полимером, образующим двойную спираль из комплементарных цепочек нуклеотидов. Представление о ее пространственной структуре было создано в в 1953 г американцами Д. Уотсоном и Ф. Криком.
Мономерные ее единицы --нуклеотиды, имеющие принципиально общую структуру из:
фосфат-группы;
дезоксирибозы;
азотистого основания (принадлежащие к группе пуриновых – аденин, гуанин, пиримидиновых – тимин и цитозин.)
В структуре полимерной молекулы нуклеотиды объединены попарно и комплементарно, что обусловлено разным количеством водородных связей: аденин+тимин – две, гуанин+цитозин – водородных связей три.
Порядок расположения нуклеотидов кодирует структурные последовательности аминокислот белковых молекул. Мутацией называются изменения порядка нуклеотидов, так как будут кодироваться белковые молекулы другой структуры.
РНК – рибонуклеиновая кислота. Структурными особенностями ее отличия от ДНК являются:
вместо тиминового нуклеотида – урациловый;
рибоза вместо дезоксирибозы.
Транспортная РНК – это полимерная цепочка, которая в плоскости свернута в виде листочка клевера, основной ее функцией является доставка аминокислоты к рибосомам.
Матричная (информационная) РНК постоянно образуется в ядре, комплементарно какому-либо участку ДНК. Это -- структурная матрица, на основе ее строения на рибосоме будет собираться белковая молекула. От всего содержания молекул РНК этот тип составляет 5%.
Рибосомная – отвечает за процесс составления молекулы белка. Синтезируется на ядрышке. Ее в клетке 85%.
АТФ – аденозинтрифосфорная кислота. Это нуклеотид, содержащий:
3 остатка фосфорной кислоты;
В результате каскадных химических процессов дыхания синтезируется в митохондриях. Основная функция – энергетическая, одна химическая связь в ней содержит почти столько же энергии, сколько получается при окислении 1 г жира.
1. Дайте определения понятий.
Элемент
- совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра и числом протонов, совпадающим с порядковым (атомным) номером в таблице Менделеева.
Микроэлемент
- элемент, который в организме находится в очень низких концентрациях.
Макроэлемент
- элемент, который в организме находится в высоких концентрациях.
Биоэлемент
- химический элемент, участвующий в жизнедеятельности клетки, составляет основу биомолекул.
Элементный состав клетки
- процентное содержание химических элементов в клетке.
2. Что является одним из доказательств общности живой и неживой природы?
Единство химического состава. Никакаих элементов, характерных только для неживой природы, не существует.
3. Заполните таблицу.
ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ КЛЕТКИ
4. Приведите примеры органических веществ, молекулы которых состоят из трех, четырех и пяти макроэлементов.
3 элемента: углеводы и липиды.
4 элемента: белки.
5 элементов: нуклеиновые кислоты, белки.
5. Заполните таблицу.
БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЭЛЕМЕНТОВ
6. Изучите в § 2.2 раздел «Роль внешних факторов в формировании химического состава живой природы» и ответьте на вопрос: «Что такое биохимические эндемии, и каковы причины их происхождения?»
Биохимические эндемии – это заболевания растений, животных и человека, вызванные резким недостатком либо избытком какого-либо элемента в определенной области.
7. Какие вам известны заболевания, связанные с нехваткой микроэлементов?
Недостаток йода – эндемический зоб. Снижение синтеза тироксина и разрастание вследствие этого тканей щитовидной железы.
Недостаток железа – железодефицитная анемия.
8. Вспомните, по какому признаку химические элементы распределяют на макро-, микро- и ультрамикроэлементы. Предложите свою, альтернативную классификацию химических элементов (например, по функциям в живой клетке).
Микро-, макро- и ультрамикроэлементы делятся по признаку, основанному на процентному содержанию их в клетке. Кроме того, можно классифицировать элементы по функциям, регулирующие деятельность определенных систем органов: нервной, мышечной, кровеносной и сердечно-сосудистой, пищеварительной и т.д.
9. Выберите правильный ответ.
Тест 1.
Какими химическими элементами образовано большинство органических веществ?
2) С, О, Н, N;
Тест 2.
К макроэлементам не относится:
4) марганец.
Тест 3.
Живые организмы нуждаются в азоте, так как он служит:
1) составным компонентом белков и нуклеиновых кислот;
10. Определите признак, по которому все нижеперечисленные элементы, кроме одного, объединены в одну группу. Подчеркните этот «лишний» элемент.
Кислород, водород, сера, железо, углерод, фосфор, азот. Входит в состав только ДНК. А остальные все в белках.
11. Объясните происхождение и общее значение слова (термина), опираясь на значение корней, его составляющих.
12. Выберите термин и объясните, насколько его современное значение соответствует первоначальному значению его корней.
Выбранный термин
– органоген.
Соответствие:
термин, в принципе, соответствует своему первоначальному значению, но сегодня существует более точное определение. Ранее значение было таким, что элементы принимает участие лишь в построении тканей и клеток органов. Теперь же выяснено, что биологически важные элементы не только образуют химические молекулы в клетках и т.д., но и регулируют все процессы в клетках, тканях и органах. Они входят в состав гормонов, витаминов, ферментов и других биомолекул.
13. Сформулируйте и запишите основные идеи § 2.2.
Элементный состав клетки - это процентное содержание химических элементов в клетке. Элементы клетки принято классифицировать, в зависимости от их процентного содержания, на микро-, макро- и ультрамикроэлементы. Те элементы, которые участвуют в жизнедеятельности клетки, составляет основу биомолекул, называются биоэлементы.
К макроэлементам относятся: C N H O. Они – главные компоненты всех органических соединений в клетке. Кроме того, P S K Ca Na Fe Cl Mg – входят в состав всех важнейших биомолекул. Без них невозможно функционирование организма. Недостаток их приводит к смерти.
К микроэлементам: Al Cu Mn Zn Mo Co Ni I Se Br F B и др. Они также необходимы для нормального функционирования организма, но не так критично. Недостаток их вызывает болезнь. Они входят в состав биологически активных соединений, влияют на обмен веществ.
Есть ультрамикроэлементы: Au Ag Be и др. Физиологическая роль окончательно не установлена. Но они важны для клетки.
Существует понятие «биохимические эндемии» – заболевания растений, животных и человека, вызванные резким недостатком либо избытком какого-либо элемента в определенной области. Например, эндемический зоб (недостаток йода).
При недостатке элемента из-за образа питания также может возникнуть заболевание или недомогания. Например, при недостатке железа – анемия. При недостатке кальция – частые переломы, выпадение волос, зубов, боли в мышцах.
Инструкция
Основные элементы, которые встречаются в клетках – это водород, углерод, кислород и азот. Эти химические элементы называются биогенными, так как они играют решающую роль в жизнедеятельности клеток. Именно на их долю приходится девяносто пять процентов от всей клеточной массы. Дополняют эти элементы такие вещества, как сера и фосфор, которые вместе с биогенными элементами образуют молекулы основных органических соединений в клетках.
Не менее важным для функционирования животных клеток является наличие макроэлементов. Их количество невелико, менее процента от общей массы, но польза неоценима. К макроэлементам относятся такие вещества, как натрий, калий, хлор, магний и кальций.
Все макроэлементы находятся в клетках в виде ионов и принимают непосредственное участие в ряде клеточных процессов, например, ионы кальция участвуют в мышечных сокращениях, двигательных функциях и свертывании крови, а ионы магния отвечают за работу рибосом. Растительные клетки так же не обходятся без магния – он входит в состав хлорофилла и обеспечивают функционирование митохондрий. Натрий и калий, элементы, содержащиеся в человеческих клетках, в свою очередь, отвечают за передачу нервных импульсов и сердечного ритма.
Не менее важным функциональным значением обладают и микроэлементы - вещества, не превышающие свое содержание в одну сотую процента от всей массы клеток. Это железо, цинк, марганец, медь, кобальт, цинк, а для определенного типа клеток еще и бор, алюминий, хром, фтор, селен, молибден, иод и кремний.
Важность элементов, входящих в состав клеток, не отражается в процентном соотношении. К примеру, без меди функционирование окислительно-восстановительных процессов будет под большим вопросом, к тому же этот элемент, несмотря на малое содержание в клетках, имеет большое значение в жизни моллюсков, отвечая за транспортировку кислорода по организму.
Железо – такой же микроэлемент, как и медь, и его содержание в клетках невелико. Но без этого вещества здорового человека представить просто невозможно. Гем гемоглобина и многие ферменты не могут обходиться без этого элемента. Железо так же является переносчиком электронов.
Клетки водорослей, губок, хвощей и моллюсков нуждаются в таком элементе, как кремний. Его роль у позвоночных животных не менее выражена – его самое большое содержание в связках и хрящах. Фтор в больших количествах встречается в клетках эмали зубов и костей, а бор отвечает за рост растительных организмов. Даже самое мельчайшее содержание микроэлементов в клетках имеет свое значение и играет свою незаметную, но важную роль.
Разных организмов обнаружено около 70 элементов периодической системы элементов Д. И. Менделеева , но лишь 24 из них имеют вполне установленное значение и встречаются постоянно во всех типах клегок.
Наибольший удельный вес в элементном составе клетки приходится на кислород, углерод, водород и азот. Это так называемые основные, или биогенные, элементы. Атомы этих элементов образуют молекулы всех органических веществ клеток; на их долю приходится более 95% массы клеток, причем относительное содержание элементов в живом веществе намного выше, чем в земной коре. К главным элементам органических молекул относятся также фосфор и сера.
Жизненно важными являются, кроме того, кальций, магний, калий, натрий и хлор (в клетках животных), входящие в состав клетки в виде ионов. Их содержание в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента. Перечисленные элементы составляют группу макроэлементов.
Ионы кальция принимают участие в регуляции ряда клеточных процессов, в том числе мышечного сокращения и других двигательных функций, а также в свертывании крови. Нерастворимые соли кальция участвуют в формировании костей и зубов, карбонат кальция - в образовании раковин моллюсков , укреплении оболочек клеток некоторых видов растений . Концентрация ионов магния важна для поддержания целостности и функционирования рибосом . Кроме того, магний входит в состав хлорофилла и поддерживает нормальную работу митохондрий .
Ионы калия и натрия участвуют в поддержании определенной ионной силы и создании буферной среды, регулируют осмотическое давление в клетке, обусловливают нормальный ритм сердечной деятельности, обеспечивают передачу нервного импульса. Хлор в виде анионов участвует в создании солевой среды животных организмов (для растений хлор является микроэлементом) и, кроме того, иногда входит в состав органических соединений.
Микроэлементы , их роль в клетке. Другие химические элементы - медь, марганец, железо , кобальт, цинк, а также (для некоторых организмов) бор, фтор, хром, селен, алюминий, кремний, молибден и иод -- содержатся в небольших количествах (не более 0,01% массы клеток). Они относятся к группе микроэлементов.
Процентное содержание в организме того или иного элемента никоим образом не характеризует степень его важности и необходимости в организме. Кобальт, например, входит в состав витамина В 12 , иод - в состав гормонов тироксина и тиронина, а медь - в состав ферментов , катализирующих окислительно-восстановительные процессы; кроме того, медь участвует в переносе кислорода в тканях моллюсков . Железо является составной частью комплексов, выполняющих ряд жизненно важных функций. К ним относятся, например, гем
Загрузка...