Таблица роль химических элементов в клетке

Какие химические элементы входят в состав клетки? Роль и функции химических элементов, входящих в состав клетки

Сегодня обнаружено и выделено в чистом виде много химических элементов таблицы Менделеева, а пятая их часть встречается в каждом живом организме. Они, подобно кирпичикам, являются главными составляющими органических и неорганических веществ.

Какие химические элементы входят в состав клетки, по биологии каких веществ можно судить об их наличии в организме — все это мы рассмотрим далее в статье.

Для соблюдения стабильности в организме каждая клетка должна поддерживать концентрацию каждой своей составляющей на постоянном уровне. Этот уровень определяется видовой принадлежностью, средой обитания, экологическими факторами.

Чтобы ответить на вопрос, какие химические элементы входят в состав клетки, необходимо четко понимать, что в составе любого вещества находятся какие-либо из составляющих таблицы Менделеева.

Порой идет речь о сотых и тысячных долях процента содержания определенного элемента в клетке, но при этом изменение названного числа хотя бы на тысячную часть уже может нести серьезные последствия для организма.

Из 118 химических элементов периодической системы в клетке человека должно быть как минимум 24. Нет таких составляющих, которые встречались бы в живом организме, но не входили в состав неживых объектов природы. Этот факт подтверждает тесную связь между живым и неживым в экосистеме.

Так какие химические элементы входят в состав клетки? Их роль в жизнедеятельности организма, следует заметить, напрямую зависит от частоты встречаемости и концентрации их в цитоплазме. Однако, несмотря на разное содержание элементов в клетке, значимость каждого из них в равной степени высока. Дефицит любого из них может привести к пагубному воздействию на организм, отключив из метаболизма важнейшие биохимические реакции.

Перечисляя, какие химические элементы входят в состав клетки человека, нужно упомянуть три основных вида, которые мы рассмотрим далее:

  1. Основные биогенные.
  2. Макроэлементы.
  3. Микроэлементы.

Неудивительно, что элементы О, С, Н, N относятся к биогенным, ведь именно они образуют все органические и многие неорганические вещества. Невозможно представить белки, жиры, углеводы или нукленовые кислоты без этих важнейших для организма составляющих.

Функция этих элементов определила их высокое содержание в организме. На их долю в совокупности приходится 98% от всей сухой массы тела. В чем еще может проявляться активность этих ферментов?

  1. Кислород. Его содержание в клетке около 62% от общей сухой массы. Функции: построение органических и неорганических веществ, участие в цепи дыхания;
  2. Углерод. Его содержание достигает 20%. Основная функция: входит в состав всех органических соединений;
  3. Водород. Его концентрация принимает значение в 10%. Кроме того, что этот элемент является составляющей органических веществ и воды, он также учавствует в преобразованиях энергии;
  4. Азот. Количество не превышает 3-5%. Его основная роль – это образование аминокислот, нуклеиновых кислот, АТФ, многих витаминов, гемоглобина, гемоцианина, хлорофилла.

Вот какие химические элементы входят в состав клетки и образуют большинство необходимых для нормальной жизнедеятельности веществ.

Макроэлементы также помогут подсказать, какие химические элементы входят в состав клетки. Из курса биологии становится понятно, что, кроме основных, 2% сухой массы составляют другие составляющие периодической таблицы. И к макроэлементам относятся те из них, содержание которых не ниже 0,01%. Их основные функции представлены в виде таблицы.

Отвечает за сокращение мышечных волокон, входит в состав пектина, костей и зубов. Усиливает свертываемость крови.

Входит в состав важнейшего источника энергии – АТФ.

Участвует в образовании дисульфидных мостиков при сворачивании белка в третичную структуру. Входит в состав цистеина и метионина, некоторых витаминов.

Ионы калия участвуют в активном транспорте клетки, а также влияют на потенциал мембраны.

Аналог калия, участвующий в тех же процессах.

Ионы магния – это регуляторы процесса репликации ДНК. В центре молекулы хлорофилла также распологается атом магния.

Участвует в транспорте электронов по ЭТЦ дыхания и фотосинтеза, является структурным звеном миоглобина, гемоглобина и многих ферментов.

Надеемся, из перечисленного несложно определить, какие химические элементы входят в состав клетки и относятся к макроэлементам.

Есть и такие составляющие клетки, без которых организм не может нормально функционировать, однако их содержание всегда меньше 0,01%. Давайте определим, какие химические элементы входят в состав клетки и относятся к группе микроэлементов.

Входит в состав ферментов ДНК- и РНК-полимераз, а также многих гормонов (например, инсулин).

Участвует в процессах фотосинтеза, синтеза гемоглобина, входит в состав гемоцианина и некоторых ферментов.

Является структурной составляющей гормонов Т3 и Т4 щитовидной железы

Входит в состав ферментов, костей. Участвует в азотфиксации у бактерий

Влияет на процесс роста растений.

Входит в состав костей и эмали зубов.

Кроме перечисленных, еще какие химические элементы входят в состав клетки? Ответы можно найти, просто изучив строение большинства веществ организма. Среди них выделяют молекулы органического и неорганического происхождения, и каждая из этих групп имеет в составе фиксированный набор элементов.

Неорганические вещества – это все минеральные соли и, конечно же, вода. Среди всей неорганики в клетке больше всего Н2О, в которой растворены остальные вещества.

Все сказанное выше поможет вам определить, какие химические элементы входят в состав клетки, и их функции в организме больше не будут для вас загадкой.

источник

В клетках 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 клеток.

Наибольший удельный вес в элементном составе клетки приходится на кислород, углерод, водород и азот. Это так называемые основные или биогенные элементы. На долю этих элементов приходится более 95 % массы клеток, причем их относительное содержание в живом веществе гораздо выше, чем в земной коре. Жизненно важными являются также кальций, фосфор, сера, калий, хлор, натрий, магний, йод и железо. Их содержание в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента. Перечисленные элементы составляют группу макроэлементов.

Другие химические элементы: медь, марганец, молибден, кобальт, цинк, бор, фтор, хром, селен, алюминий, йод, железо, кремний — содержатся в исключительно малых количествах (менее 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. Так, например, многие микроэлементы входят в состав различных биологически активных веществ — ферментов, витаминов (кобальт входит в состав витамина B12), гормонов (йод входит в состав тироксина);оказывают влияние на рост и развитие организмов (цинк, марганец, медь), кроветворение (железо, медь), процессы клеточного дыхания (медь, цинк) и т. д. Содержание и значение для жизнедеятельности клеток и организма в целом различных химических элементов приведено в таблице:

источник

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.

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 В12 гормон островковой части поджелудочной железы – инсулин – содержит цинк. У некоторых рыб место железа в молекулах пигментов, переносящих кислород, занимает медь.

Н2О – 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.

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 Н2РО4 и НРО4 2- . Во внеклеточных жидкостях и в крови роль буфера играют Н2СО3 и НСО3 — . 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.

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 (-NH2), 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 (

Углеводы, или сахариды – органические вещества с общей формулой (СН2О)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.

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 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 СО2 и Н2О 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.

источник

Наука, которая изучает составные части и строение живой клетки, называется цитологией.

Все элементы, входящие в химическую структуру организма, можно условно поделить на три группы:

  • макроэлементы;
  • микроэлементы;
  • ультрамикроэлементы.

К макроэлементам относятся водород, углерод, кислород и азот. На их долю припадает почти 98% всех составных элементов.

Микроэлементы имеются в количестве десятых и сотых долей процента. И совсем малое содержание ультрамикроэлементов – сотые и тысячные доли процента.

В переводе с греческого «макрос» – большой, а «микро» – маленький.

Рис. 1 Содержание химических элементов в клетке

Учёные установили, что каких-либо особенных элементов, которые присущи только лишь живым организмам, нет. Поэтому, что живая, что неживая природа состоит из одних и тех же элементов. Этим доказывается их взаимосвязь.

Несмотря на количественное содержание химического элемента, отсутствие или уменьшение хотя бы одного из них ведёт к гибели всего организма. Ведь у каждого из них есть своё значение.

Макроэлементы являются основой биополимеров, а именно белков, углеводов, нуклеиновых кислот и липидов.

Микроэлементы входят в состав жизненно важных органических веществ, участвуют в обменных процессах. Они являются составными компонентами минеральных солей, которые находятся в виде катионов и анионов, их соотношение определяет щелочную среду. Чаще всего она слабощелочная, ведь соотношение минеральных солей не изменяется.

Гемоглобин содержит железо, хлорофилл – магний, белки – серу, нуклеиновые кислоты – фосфор, обмен веществ происходит при достаточном количестве кальция.

Некоторые химические элементы являются компонентами неорганических веществ, например, воды. Она играет большую роль в жизнедеятельности как растительной, так и животной клетки. Вода является хорошим растворителем, из-за этого все вещества внутри организма делятся на:

  • Гидрофильные– растворяются в воде;
  • Гидрофобные– не растворяются в воде.

Благодаря наличию воды клетка становится упругой, она способствует перемещению органических веществ в цитоплазме.

Чтобы наглядно понять, какие химические элементы входят в состав клетки, мы внесли их в следующую таблицу:

Макроэлементы

Кислород, углерод, водород, азот

Содержатся во всех органических веществах и воде.

Составной компонент оболочки у растений, в животном организме находится в составе костей и зубов, принимает активное участие в свёртываемости крови.

Содержится в нуклеиновых кислотах, ферментах, костной ткани и зубной эмали.

Микроэлементы

Является основой белков, ферментов и витаминов.

Обеспечивает передачу нервных импульсов, активирует синтез белка, процессы фотосинтеза и роста.

Один из компонентов желудочного сока, провокатор ферментов.

Принимает активное участие в обменных процессах, компонент гормона щитовидной железы.

Обеспечивает передачу импульсов в нервной системе, поддерживает постоянное давление внутри клетки, провоцирует синтез гормонов.

Составной элемент хлорофилла, костной ткани и зубов, провоцирует синтез ДНК и процессы теплоотдачи.

Составная часть гемоглобина, хрусталика, роговицы, синтезирует хлорофилл. Транспортирует кислород по организму.

Ультрамикроэлементы

источник

Роль и функции химических элементов. Содержание основных органических и неорганических соединений в клетке

Роль и функции отдельных химических элементов. Содержание основных органических и неорганических соединений в клетке

Элемент Входит в состав Функция Болезни, связанные с недостатком
у растений у животных
N, азот Нитратов, аммония, всех белков, нуклеиновых кислот, пигментов (хлорофилла, гемоглобина) Принимает участие в синтезе белков Угнетение роста, пожелтение листвы (хлороз) Недостаток встречается редко
P, фосфор АТФ, АДФ, нуклеотидов, коферментов, НАД, НАДФ, фосфолипидов, в минеральной форме и т. п. Принимает участие в синтезе белков, фосфолипидов и т. п. Угнетение роста, в частности корня Недостаток встречается редко
K, калий В виде ионов Образования электрического потенциала в клетках на мембранах, поддержание осмотического давления, принимает участие в процессе фотосинтеза, обеспечивает нормальный ритм сердечной деятельности, активирует ферменты белкового синтеза Пожелтение и побурение листвы по краям Недостаток встречается редко, возможен при применении мочегонных препаратов
Na, натрий В виде ионов Образование электрического потенциала на мембранах, поддержание осмотического давления, играет роль в регуляции водного обмена, влияет на синтез гормонов, принимает участие в поддержании и регуляции кислотно-щелочного баланса организма Недостаток встречается редко Мышечные судороги
S, сера Аминокислот (цистеина, метионина, цистина), витамина B1, некоторых ферментов Принимает участие в образовании серосодержащих нуклеиновых кислот, в процессах хемосинтеза серо-бактерий, в печени образует продукты обеззараживания ядовитых веществ Хлороз
Cl, хлор В виде анионов солей натрия, калия, кальция, магния и т. п., соляной кислоты желудочного сока В составе соляной кислоты принимают участие в пищеварении, играет роль в формировании осмотического потенциала плазмы крови и других жидкостей Недостаток встречается редко Мышечные судороги
Mg, магний Молекул хлорофилла, солей с пектиновыми веществами Активирует энергетический обмен и синтез ДНК, принимает участие в фотосинтезе, входит в состав костей, соединяет две субъединицы рибосомы Хлороз
Сa, кальций В виде ионов, солей пектиновых веществ, которые соединяют растительные клетки, солей кальция костей, оболочек некоторых водорослей, раковин моллюсков, коралловых полипов Принимает участие в процессе образования желчи, повышает рефлекторную возбудимость спинного мозга, принимает участие в передаче нервных импульсов, свертывании крови, соединении ДНК с белками, в механизме мышечного сокращения, входит в состав костей Угнетение роста Плохой рост костей, рахит. Потеря сознания, плохая свертываемость крови
Mn, марганец Некоторых пигментов Повышает деятельность некоторых ферментов (карбоксилазы), способствует фотосинтезу, дыханию, принимает участие в развитии костей Пятнистость листвы (хлороз) Плохое развитие костей
Fe, железо Молекул хромопротеидов — гемоглобина и миоглобина, окислительных ферментов — цитохромов, каталазы, пероксидазы, фередоксина, железосодержащего белка феритина Принимает участие в биосинтезе хлорофилла, в процессах дыхания, сохраняется в печени, селезенке в виде феритина Сильный хлороз, в частности молодых листьев Малокровие
Co, кобальт Витамина B12 Принимает участие в развитии эритроцитов Недостаток встречается редко Анемия
Cu, медь Гемоцианинов бесхребетных, некоторых ферментов (оксидаз) Переносит кислород, способствует процессам кровообразования, синтеза гемоглобина, цитохромов, способствует реакциям фотосинтеза в темновой фазе, определяет окраску тела животных Нарушение развития семени Вызовет анемию, нарушения пищеварения, кровообразования, заболевания сердца и т. п. В большом количестве токсична
Zn, цинк Некоторых ферментов Активирует расщепление угольной кислоты, способствует синтезу растительных гормонов — ауксинов, аминокислоты пролина, анаэробному дыханию растений, транспорту углекислого газа в крови, делению клеток, распаду органических веществ в водной среде и т. п. Деформация листьев Задержка роста
Mo, молибден Некоторых ферментов Способствует азотному питанию растений, повышает стойкость растений к грибковым заболеваниям, принимает участие в процессе восстановления нитратов, синтезе аминокислот у растений, фиксации азота атмосферы, утилизации спиртов Замедление роста. При отсутствии не поселяются клубневые бактерии, ухудшается деятельность дыхательного аппарата, замедляется синтез белков Задержка роста
B, бор Влияет на ростовые процессы, особенно растений, нормальное деление клеток растений Отмирание верхушек побегов, цветов и завязи, отмирание ведущих тканей, гниение свеклы. Плохо развиваются клубни на корнях бобовых растений
F, фтор В виде нерастворимых кальциевых солей зубов и костей Входит в состав костей, зубной эмали Недостаток встречается редко Разрушение зубов — кариес. Излишек вызывает пятнистость зубной эмали
I, йод Составляющая гормона тироксина щитовидной железы Принимает участие в регуляции энергетического обмена Недостаток встречается редко Эндемический зоб, кретинизм у детей

Элементы могут входить в состав неорганических или органических соединений, быть или в виде ионов, или составными частями разных соединений.

источник

В клетках обнаружено более 80 химических элементов. Все элементы делят на три группы.

Макроэлементы, содержание которых в клетке составляет до 10 -3 %, – это кислород, углерод, водород, азот, фосфор, сера, кальций, натрий и магний; на их долю приходится свыше 99% массы клеток.

Микроэлементы, ссдержание которых колеблется от 10 -3 % до 10 -6 %. Это железо, марганец, медь, цинк, кобальт, никель, иод, фтор; на их долю приходится менее 1,0 % массы клеток.

Ультрамикроэлементы, составляющие менее 10 -6 % – это золото, серебро, уран, цезий, бром, ванадий, селен и др., на их долю приходится менее 0,01% массы клетки. Физиологическая роль установлена только для некоторых из них. Например, дефицит селена приводит к развитию раковых заболеваний.

Все перечисленные элементы входят в состав неорганических и органических веществ или содержатся в виде ионов.

Неорганические соединения клеток представлены водой и минеральными солями.

Содержание воды в разных клетках зависит от интенсивности обменных процессов и колеблется от 10% в эмали зуба до 85% в нервных клетках и до 97% в клетках развивающегося зародыша. В среднем в теле многоклеточных содержится около 80% воды от массы тела.

Вода в клетках выполняет следующие функции:

  • связанная вода (4 — 5% от всего ее содержания) образует водные (сольватные) оболочки вокруг молекул белков, препятствуя склеиванию их друг с другом;
  • свободная вода является универсальным растворителем и способствует транспорту растворенных в ней веществ;
  • вода принимает непосредственное участие в реакциях гидролиза;
  • вода регулирует тепловой режим и осмотическое давление в клетках.

По отношению к воде все вещества делятся на гидрофильные (водорастворимые) – многие минеральные соли, кислоты, щелочи, моносахариды, белки, витамины (С и В) и гидрофобные (водонерастворимые) – жиры, полисахариды, некоторые соли, витамины (А, D).

Минеральные соли и химические элементы в определенных концентрациях необходимы для нормальной жизнедеятельности клеток. Так, азот и сера входят в состав молекул белков, фосфор – в ДНК, РНК и АТФ, магний – во многие ферменты и хлорофилл, железо – в гемоглобин, цинк в гормон поджелудочной железы, иод – в гормоны щитовидной железы и т.д. Нерастворимые соли кальция и фосфора обеспечивают прочность костной ткани, катионы натрия, калия и кальция – раздражимость клеток. Ионы кальция принимают участие в свертывании крови.

Органические соединения составляют около 20 — 30% массы живых клеток. К ним относятся биологические полимеры – белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, а также липиды, гормоны, пигменты, АТФ и др.

Липиды (жиры) и липоиды являются обязательными компонентами всех клеток. Содержание жиров в клетке колеблется от 5 до 15% массы сухого вещества, а в клетках подкожной жировой клетчатки – до 90%. Липиды представляют собой сложные эфиры высокомолекулярных жирных кислот и трехатомного спирта глицерина, а липоиды – жирных кислот с другими спиртами. Эти соединения нерастворимы в воде (гидрофобны). Липиды могут образовывать сложные комплексы с белками (липопротеины), углеводами (гликолипиды), остатками фосфорной кислоты (фосфолипиды) и др.

  • строительная – жиры составляют основу биологических мембран;
  • энергетическая – жиры являются источником энергии;
  • запасающая – жиры откладываются в жировой ткани животных и в плодах и семенах растений и являются запасным источником энергии;
  • источник воды – при окислении жиров выделяется вода;
  • защитная – скопления жира выполняют теплоизоляционную и механическую защиту органов.

Углеводы – обязательный химический компонент клеток. В растительных клетках их содержание достигает 90% сухой массы (крахмал в клубнях картофеля), а в животных – 5% (гликоген в клетках печени). В состав молекул углеводов входят углерод, водород и кислород.

Все углеводы подразделяют на моно-, ди- и полисахариды. Моносахариды чаще содержат пять (пентозы) или шесть (гексозы) атомов углерода. Пентозы (рибоза и дезоксирибоза) входят в состав нуклеиновых кислот и АТФ. Гексозы (глюкоза и фруктоза) постоянно присутствуют в клетках плодов растений, придавая им сладкий вкус. Глюкоза содержится в крови и служит источником энергии для клеток и тканей животных. Дисахариды объединяют в одной молекуле два моносахарида. Пищевой сахар (сахароза) состоит из молекул глюкозы и фруктозы, молочный сахар (лактоза) включает глюкозу и галактозу. Все моно- и дисахариды хорошо растворимы в воде и имеют сладкий вкус. Молекулы полисахаридов образуются в результате поликонденсации моносахаридов. Мономером полисахаридов – крахмала, гликогена, целлюлозы (клетчатки) является глюкоза. Полисахариды практически нерастворимы в воде и не обладают сладким вкусом. Основные полисахариды – крахмал (в растительных клетках) и гликоген (в клетках животных) откладываются в виде включений и служат запасными энергетическими веществами. Целлюлоза образует стенку растительных клеток и выполняет защитную функцию.

Углеводы образуются в растениях в процессе фотосинтеза и могут использоваться в дальнейшем для биосинтеза аминокислот, жирных кислот и других соединений.

Углеводы выполняют четыре основные функции:

  1. строительную – образуют стенки растительных клеток;
  2. энергетическую – углеводы являются основным источником энергии;
  3. запасающую – углеводы откладываются в клетках в виде гликогена или крахмала и являются запасным источником энергии;
  4. защитную – целлюлоза в стенках клеток растений.

Белки составляют 10 — 18% от общей массы клетки. Молекулярная масса их колеблется от десятков тысяч до многих миллионов единиц. Белки – это биополимеры, мономерами которых являются 20 аминокислот. Молекулы белков различаются по величине, структуре и функциям, которые определяются составом, количеством и порядком расположения аминокислот. Помимо простых белков (альбумины, глобулины, гистоны) имеются и сложные – соединения белков с углеводами (гликопротеины), жирами (липопротеины) и нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеины).

Каждая аминокислота состоит из углеводородного радикала, соединенного с карбоксильной группой, имеющей кислотные свойства (–СООН)‚ и аминогруппой (–NН2)‚ обладающей основными свойствами. Аминокислоты отличаются одна от другой только радикалами. Они способны соединяться в длинные цепочки. При этом устанавливаются прочные ковалентные (пептидные) связи между углеродом кислотной и азотом основной групп (–СО–NН–) с выделением молекулы воды. Соединения, состоящие из двух аминокислотных остатков, называются дипептидами, из трех – трипептидами, из многих – полипептидами.

Различные свойства и функции белковых молекул определяются последовательностью соединения аминокислот, которая закодирована в ДНК. Эту последовательность называют первичной структурой молекулы белка, от которой в свою очередь зависят последующие уровни ее пространственной организации и биологические свойства белков.

Вторичная структура белковой молекулы достигается ее спирализацией благодаря установлению между атомами соседних витков спирали водородных связей. Функционирование в виде закрученной спирали характерно для некоторых фибриллярных белков (фибриноген, миозин, экшн и др.).

Многие белковые молекулы становятся функционально активными только после приобретения глобулярной (третичной) структуры. Она формируется путем многократного сворачивания спирали в трехмерное образование – глобулу. Эта структура поддерживается ковалентными дисульфидными (–S–S–) связями, гидрофобными взаимодействиями и электростатическими связями. Глобулярную структуру имеет большинство белков (альбумины, глобулины и др.).

Для выполнения некоторых функций требуется участие белков с более высоким уровнем организации, при котором возникает объединение нескольких глобулярных белковых молекул в единую систему – четвертичную структуру (химические связи могут быть разные – гидрофобные взаимодействия, водородные и ионные связи). Например, молекула гемоглобина состоит из четырех различных глобул и небелковой части – гема, содержащего железо.

Утрата белковой молекулой своей структурной организации называется денатурацией. Причиной ее могут быть различные химические (кислоты, щелочи, спирт, соли тяжелых металлов и др.) и физические (высокая температура и давление, ионизирующие излучения и др.) факторы. Вначале разрушается четвертичная, затем третичная, вторичная, а при более жестких условиях и первичная структура (происходит деградация). Если под действием денатурирующего фактора не затрагивается первичная структура, то при возвращении белковых молекул в нормальные условия среды их структура полностью восстанавливаетея, т.е. происхоцит ренатурация.

Свойства белков: гидрофильность, видовая специфичность, химическая активность, способность денатурировать и ренатурировать, переходить из золя в гель, изменять конфигурацию молекул под действием факторов среды.

Белки выполняют следующие функции:

  • строительную – входят в состав большинства клеточных структур;
  • каталитическую – все ферменты являются белками;
  • транспортную – переносят различные вещества, напригер гемоглобин, – O2;
  • двигательную – обусловливают сокращение мышц, жгутиков, ресничек;
  • защитную – выполняют антитела;
  • сигнальную (рецепторную) – белковые молекулы способны изменять свою структуру под действием различных факторов среды;
  • регуляторную – гормоны, имеющие белковую природу (инсулин);
  • энергетическую – белки являются источником энергии.

Каталитическую функцию в клетках выполняют белки-ферменты, в десятки и сотни тысяч раз ускоряющие течение биохимических реакций при нормальном давлении и температуре 37 °С. Действие ферментов строго специфично: каждый фермент катализирует только одну реакцию, действует на одно вещество или один тип связи при определенной температуре и рН среды. Высокая специфичность ферментов обусловлена наличием одного или нескольких активных центров, в которых происходит тесный контакт между молекулами фермента и субстратом (веществом, на которое действует данный фермент).

Нуклеиновые кислоты представляют собой сложные высокомолекулярные биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.

Существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). ДНК входит в основном в хроматин ядра, хотя небольшое ее количество содержится и в некоторых органоидах (митохондрии, пластиды). РНК содержится в ядрышках, кариолимфе, рибосомах, митохондриях, пластидах и в гиалоплазме клетки.

Структура молекулы ДНК была впервые расшифрована Дж. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 г. Она представляет собой две полинуклеотидные цепи, соединенные друг с другом. Мономерами цепей являются нуклеотиды. В состав каждого нуклеотида входят: пятиуглеродный сахар – дезоксирибоза, остаток фосфорной кислоты и одно из четырех азотистых оснований: аденин и гуанин (пуриновые основания), цитозин и тимин (пиримидиновые основания). Нуклеотиды отличаются один от другого только азотистыми основаниями.

Нуклеотиды соединяются в цепочку путем образования фосфодиэфирных (ковалентных) связей между дезоксирибозой одного и остатком фосфорной кислоты другого, соседнего, нуклеотида. Молекулы ДНК могут содержать от 200 до 2 * 10 8 нуклеотидов. Огромное разнообразие молекул ДНК достигается разным составом, количеством и различной последовательностью нуклеотидов. Обе цепочки объединяются в одну молекулу ведородными связями, возникающими между азотистыми основаниями нуклеотидов противоположных цепочек, причем в виду определенной пространственной конфигурации между аденином и тимином устанавливаются две связи, а между гуанином и цитозином – три. Вследствие этого нуклеотиды двух цепочек образуют пары: А — Т, Г — Ц . Строгое соответствие нуклеотидов друг другу в парных цепочках ДНК называется комплементарностью (дополнительностью). Это свойство лежит в основе репликации (самоудвоения) молекулы ДНК.

Репликация молекулы ДНК происходит следующим образом. Под действием фермента (ДНК-полимераза) разрываются водородные связи между нуклеотидами двух цепочек и к освободившимся связям по принципу комплементарности присоединяются соответствующие нуклеотиды ДНК.

Следовательно, порядок нуклеотидов в «старой» цепочке ДНК определяет порядок нуклеотидов в «новой», т.е. «старая» цепочка ДНК является матрицей для синтеза «новой». Такие реакции называются реакциями матричного синтеза; они характерны только для живого.

Роль ДНК в клетке заключается в хранении, воспроизведении и передаче генетической информации. Благоларя матричному синтезу наследственная информация дочерних клеток точно соответствует материнской.

РНК, как и ДНК, представляет собой полимер, состоящий из мономеров – нуклеотидов. Структура нуклеотидов РНК сходна с таковой ДНК, но имеет следующие отличия: вместо дезоксирибозы в состав нуклеотидов РНК входит пятиуглеродный сахар – рибоза, а вместо азотистого основания тимина – урацил. По сравнению с ДНК в состав РНК входит меньше нуклеотидов, и, следовательно, ее молекулярная масса меньше. В клетках эукариот встречаются только одноцепочечные молекулы РНК.

Имеется три типа РНК: информационная, транспортная и рибосомальная.

Информационная РНК (и-РНК) состоит из 300 — 30000 нуклеотидов и составляет примерно 5% от всей РНК, содержащейся в клетке. Она представляет собой комплементарную копию определенного участка ДНК (гена). Молекулы и-РНК выполняют роль переносчиков генетической информации от ДНК к месту синтеза белка ( в рибосомы) и непосредственно участвуют в сборке его молекул.

Транспортная РНК (т-РНК) составляет до 10% от всей РНК клетки и состоит из 75 — 85 нуклеотидов. Молекулы т-РНК транспортируют аминокислоты из цитоплазмы в рибосомы.

Основную часть РНК цитоплазмы (около 85%) составляет рибосомальная РНК (р-РНК). Она входит в состав рибосом. Молекулы р-РНК состоят из 3 — 5 тыс. нуклеотидов. р-РНК обеспечивает определенное пространственное взаиморасположение и-РНК и т-РНК.

источник

Таблица 1. Содержание химических элементов в клетке

Элемент Количество, % Элемент Количество, %
Кислород 65-75 Кальций 0,04-2,00
Углерод 15-18 Магний 0,02-0,03
Водород 8-10 Натрий 0,02-0,03
Азот 1,5-3,0 Железо 0,01-0,015
Фосфор 0,2-1,0 Цинк 0,0003
Калий 0,15-0,4 Медь 0,0002
Сера 0,15-0,2 Иод 0,0001
Хлор 0,05-0,10 Фтор 0,0001

По содержанию в клетке можно выделить три группы элементов.

— В первую группу входят кислород, углерод, водород и азот. На их долю приходится почти 98% всего состава клетки.

— Во вторую группу входят калий, натрий, кальций, сера, фосфор, магний, железо, хлор. Их содержание в клетке составляет десятые и сотые доли процента. Элементы этих двух групп относят к макроэлементам (от греч. макрос — большой).

— Остальные элементы, представ ленные в клетке сотыми и тысячными долями процента, входят в третью группу. Это микроэлементы (от греч. микро — малый).

Каких-либо элементов, присущих только живой природе, в клетке не обнаружено. Все перечисленные химические элементы входят и в состав неживой природы. Это указывает на единство живой и неживой природы.

Недостаток какого-либо элемента может привести к заболеванию, и даже гибели организма, так как каждый элемент играет определенную роль. Макроэлементы первой группы составляют основу биополимеров — белков, углеводов, нуклеиновых кислот, а также липидов, без которых жизнь невозможна. Сера входит в состав некоторых белков, фосфор — в состав нуклеиновых кислот, железо — в состав гемоглобина, а магний — в состав хлорофилла. Кальций играет важную роль в обмене веществ.

Часть химических элементов, содержащихся в клетке, входит в состав неорганических веществ — минеральных солей и воды.

Минеральные соли находятся в клетке, как правило, в виде катионов (К + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+ ) и анионов ( HPO 2-/4 , H2PO -/4 , СI — , НСО3), соотношение которых определяет важную для жизнедеятельности клеток кислотность среды.

(У многих клеток среда слабощелочная и ее рН почти не изменяется, так как в ней постоянно поддерживается определенное соотношение катионов и анионов.)

Из неорганических веществ в живой природе огромную роль играет вода.

Без воды жизнь невозможна. Она составляет значительную массу большинства клеток. Много воды содержится в клетках мозга и эмбрионов человека: воды более 80%; в клетках жировой ткани — всего 40.% К старости содержание воды в клетках снижается. Человек, потерявший 20% воды, погибает.

Уникальные свойства воды определяют ее роль в организме. Она участвует в теплорегуляции, которая обусловлена высокой теплоемкостью воды — потреблением большого количества энергии при нагревании. Чем же определяется высокая теплоемкость воды?

В молекуле воды атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода. Молекула воды полярна, так как атом кислорода имеет частично отрицательный заряд, а каждый из двух атомов водорода имеет

частично положительный заряд. Между атомом кислорода одной молекулы воды и атомом водорода другой молекулы образуется водородная связь. Водородные связи обеспечивают соединение большого числа молекул воды. При нагревании воды значительная часть энергии расходуется на разрыв водородных связей, что и определяет ее высокую теплоемкость.

Вода — хороший растворитель. Благодаря полярности ее молекулы взаимодействуют с положительно и отрицательно заряженными ионами, способствуя тем самым растворению вещества. По отношению к воде все вещества клетки делятся на гидрофильные и гидрофобные.

Гидрофильными (от греч. гидро — вода и филео — люблю) называют вещества, которые растворяются в воде. К ним относят ионные соединения (например, соли) и некоторые неионные соединения (например, сахара).

Гидрофобными (от греч. гидро — вода и фобос — страх) называют вещества, нерастворимые в воде. К ним относят, например, липиды.

Вода играет большую роль в химических реакциях, протекающих в клетке в водных растворах. Она растворяет ненужные организму продукты обмена веществ и тем самым способствует выводу их из организма. Большое содержание воды в клетке придает ей упругость. Вода способствует перемещению различных веществ внутри клетки или из клетки в клетку.

Тела живой и неживой природы состоят из одинаковых химических элементов. В состав живых организмов входят неорганические вещества — вода и минеральные соли. Жизненно важные многочисленные функции воды в клетке обусловлены особенностями ее молекул: их полярностью, способностью образовывать водородные связи.

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ

Другой тип классификации элементов в клетке:

К макроэлементам относятся кислород, углерод, водород, фосфор, калий, сера, хлор, кальций, магний, натрий, железо.
К микроэлеметам относятся марганец, медь, цинк, йод, фтор.
К ультрамикроэлементам относятся серебро, золото, бром, селен.

ЭЛЕМЕНТЫ СОДЕРЖАНИЕ В ОРГАНИЗМЕ (%) БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ
Макроэлементы:
O.C.H.N O — 62%, C — 20%,
H — 10%, N — 3%
Входят в состав всех органических веществ клетки, воды
Фосфор Р 1,0 Входят в состав нуклеиновых кислот, АТФ (образует макроэргические связи), ферментов, костной ткани и эмали зубов
Кальций Са +2 2,5 У растений входит в состав оболочки клетки, у животных — в состав костей и зубов, активизирует свертываемость крови
Микроэлементы: 1-0,01
Сера S 0,25 Входит в состав белков, витаминов и ферментов
Калий К + 0,25 Обуславливает проведение нервных импульсов; активатор ферментов белкового синтеза, процессов фотосинтеза, роста растений
Хлор CI — 0,2 Является компонентом желудочного сока в виде соляной кислоты, активизирует ферменты
Натрий Na + 0,1 Обеспечивает проведение нервных импульсов, поддерживает осмотическое давление в клетке, стимулирует синтез гормонов
Магний Мg +2 0,07 Входит в состав молекулы хлорофилла, содержится в костях и зубах, активизирует синтез ДНК, энергетический обмен
Йод I — 0,1 Входит в состав гормона щитовидной железы — тироксина, влияет на обмен веществ
Железо Fе+3 0,01 Входит в состав гемоглобина, миоглобина, хрусталика и роговицы глаза, активатор ферментов, участвует в синтезе хлорофилла. Обеспечивает транспорт кислорода к тканям и органам
Ультрамикроэлементы: менее 0,01, следовые количества
Медь Си +2 Участвует в процессах кроветворения, фотосинтеза, катализирует внутриклеточные окислительные процессы
Марганец Мn Повышает урожайность растений, активизирует процесс фотосинтеза, влияет на процессы кроветворения
Бор В Влияет на ростовые процессы растений
Фтор F Входит в состав эмали зубов, при недостатке развивается кариес, при избытке — флюороз
Вещества :
Н2 60-98 Составляет внутреннюю среду организма, участвует в процессах гидролиза, структурирует клетку. Универсальный растворитель, катализатор, участник химических реакций

ОРГАНИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ

ВЕЩЕСТВА СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ФУНКЦИИ
Липиды
Сложные эфиры высших жирных кислот и глицерина. В состав фосфолипидов входит дополнительно остаток Н3РО4.Обладают гидрофобными или гидрофильно-гидрофобными свойствами, высокой энергоемкостью Плохо растворимы или нерастворимы в воде Запасное питательное вещество. Строительная — оболочка растительной клетки
Белки Полимеры. Мономеры — 20 аминокислот. Ферменты — биокатализаторы.
I структура — последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Связь — пептидная — СО- NH- Строительная — входят в состав мембранных структур, рибосом.
II структура — a -спираль, связь — водородная Двигательная (сократительные белки мышц).
III структура — пространственная конфигурация a -спирали (глобула). Связи — ионные, ковалентные, гидрофобные, водородные Транспортная (гемоглобин). Защитная (антитела).Регуляторная (гормоны, инсулин)
IV структура характерна не для всех белков. Соединение нескольких полипептидных цепей в единую суперструктуруВ воде плохо растворимы. Действие высоких температур, концентрированных кислот и щелочей, солей тяжелых металлов вызывает денатурацию
Нуклеиновые кислоты: Биополимеры. Состоят из нуклеотидов
ДНК — дезокси-рибонуклеино-вая кислота. Состав нуклеотида: дезоксирибоза, азотистые основания — аденин, гуанин, цитозин, тимин, остаток фосфорной кислоты — Н3РО4.
Комплементарность азотистых оснований А = Т, Г = Ц. Двойная спираль. Способна к самоудвоению
Образуют хромосомы. Хранение и передача наследственной информации, генетического кода. Биосинтез РНК, белков. Кодирует первичную структуру белка. Содержится в ядре, митохондриях, пластидах
РНК — рибонуклеиновая кислота. Состав нуклеотида: рибоза, азотистые основания — аденин, гуанин, цитозин, урацил, остаток Н3РО4. Комплементарность азотистых оснований А = У, Г = Ц. Одна цепь
Информационная РНК Передача информации о первичной структуре белка, участвует в биосинтезе белка
Рибосомальная РНК Строит тело рибосомы
Транспортная РНК Кодирует и переносит аминокислоты к месту синтеза белка — рибосомам
Вирусная РНК и ДНК Генетический аппарат вирусов

Важнейшая функция белков — каталитическая. Белковые молекулы, увеличивающие на несколько порядков скорость химических реакции в клетке, называют ферментами. Ни один биохимический процесс в организме не происходит без участия ферментов.

В настоящее время обнаружено свыше 2000 ферментов. Их эффективность во много раз выше, чем эффективность неорганических катализаторов, используемых в производстве. Так, 1 мг железа в составе фермента каталазы заменяет 10 т неорганического железа. Каталаза увеличивает скорость разложения пероксида водорода (Н2О2) в 10 11 раз. Фермент, катализирующий реакцию образования угольной кислоты (СО22О = Н2СО3), ускоряет реакцию в 10 7 раз.

Важным свойством ферментов является специфичность их действия, каждый фермент катализирует только одну или небольшую группу сходных реакций.

Вещество, на которое воздействует фермент, называют субстратом. Структуры молекулы фермента и субстрата должны точно соответствовать друг другу. Этим объясняется специфичность действия ферментов. При соединении субстрата с ферментом пространственная структура фермента изменяется.

Последовательность взаимодействия фермента и субстрата можно изобразить схематично:

Субстрат+Фермент — Фермент-субстратный комплекс — Фермент+Продукт.

Из схемы видно, что субстрат соединяется с ферментом с образованием фермент-субстратного комплекса. При этом субстрат превращается в новое вещество — продукт. На конечном этапе фермент освобождается от продукта и вновь вступает во взаимодействие с очередной молекулой субстрата.

Ферменты функционируют лишь при определенной температуре, концентрации веществ, кислотности среды. Изменение условий приводит к изменению третичной и четвертичной структуры белковой молекулы, а, следовательно, и к подавлению активности фермента. Как это происходит? Каталитической активностью обладает лишь определенный участок молекулы фермента, называемый активным центром. Активный центр содержит от 3 до 12 аминокислотных остатков и формируется в результате изгиба полипептидной цепи.

Под влиянием разных факторов изменяется структура молекулы фермента. При этом нарушается пространственная конфигурация активного центра, и фермент теряет свою активность.

Ферменты — это белки, играющие роль биологических катализаторов. Благодаря ферментам на несколько порядков возрастает скорость химических реакций в клетках. Важное свойство ферментов — специфичность действия в определенных условиях.

Нуклеиновые кислоты были открыты во второй половине XIX в. швейцарским биохимиком Ф. Мишером, который выделил из ядер клеток вещество с высоким содержанием азота и фосфора и назвал его «нуклеином» (от лат. нуклеус — ядро).

В нуклеиновых кислотах хранится наследственная информация о строении и функционировании каждой клетки и всех живых существ на Земле. Существует два типа нуклеиновых кислот — ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Нуклеиновые кислоты, как и белки, обладают видовой специфичностью, то есть организмам каждого вида присущ свой тип ДНК. Чтобы выяснить причины видовой специфичности, рассмотрим строение нуклеиновых кислот.

Молекулы нуклеиновых кислот представляют собой очень длинные цепи, состоящие из многих сотен и даже миллионов нуклеотидов. Любая нуклеиновая кислота содержит всего четыре типа нуклеотидов. Функции молекул нуклеиновых кислот зависят от их строения, входящих в их состав нуклеотидов, их числа в цепи и последовательности соединения в молекуле.

Каждый нуклеотид состоит из трех компонентов: азотистого основания, углевода и фосфорной кислоты. В состав каждого нуклеотида ДНК входит один из четырех типов азотистых оснований (аденин — А, тимин — Т, гуанин — Г или цитозин — Ц), а также углевод дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты.

Таким образом, нуклеотиды ДНК различаются лишь типом азотистого основания.

Молекула ДНК состоит из огромного множества нуклеотидов, соединенных в цепочку в определенной последовательности. Каждый вид молекулы ДНК имеет свойственное ей число и последовательность нуклеотидов.

Молекулы ДНК очень длинные. Например, для буквенной записи последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК из одной клетки человека (46 хромосом) потребовалась бы книга объемом около 820000 страниц. Чередование четырех типов нуклеотидов может образовать бесконечное множество вариантов молекул ДНК. Указанные особенности строения молекул ДНК позволяют им хранить огромный объем информации обо всех признаках организмов.

В 1953 г. американским биологом Дж. Уотсоном и английским физиком Ф. Криком была создана модель строения молекулы ДНК. Ученые установили, что каждая молекула ДНК состоит из двух цепей, связанных между собой и спирально закрученных. Она имеет вид двойной спирали. В каждой цепи четыре типа нуклеотидов чередуются в определенной последовательности.

Нуклеотидный состав ДНК различается у разных видов бактерий, грибов, растений, животных. Но он не меняется с возрастом, мало зависит от изменений окружающей среды. Нуклеотиды парные, то есть число адениновых нуклеотидов в любой молекуле ДНК равно числу тимидиновых нуклеотидов (А-Т), а число цитозиновых нуклеотидов равно числу гуаниновых нуклеотидов (Ц-Г). Это связано с тем, что соединение двух цепей между собой в молекуле ДНК подчиняется определенному правилу, а именно: аденин одной цепи всегда связан двумя водородными связями только с Тимином другой цепи, а гуанин — тремя водородными связями с цитозином, то есть нуклеотидные цепи одной молекулы ДНК комплементарны, дополняют друг друга.

ДНК содержат все бактерии, подавляющее большинство вирусов. Она обнаружена в ядрах клеток животных, грибов и растений, а также в митохондриях и хлоропластах. В ядре каждой клетки человеческого организма содержится 6,6 х 10 -12 г ДНК, а в ядре половых клеток — в два раза меньше — 3,3 х 10 -12 г.

Молекулы нуклеиновых кислот — ДНК и РНК состоят из нуклеотидов. В состав нуклеотидов ДНК входит азотистое основание (А, Т, Г, Ц), углевод дезоксирибоза и остаток молекулы фосфорной кислоты. Молекула ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух цепей, соединенных водородными связями по принципу комплементарности. Функция ДНК — хранение наследственной информации.

В клетках всех организмов имеются молекулы АТФ — аденозинтрифосфорной кислоты. АТФ — универсальное вещество клетки, молекула которого имеет богатые энергией связи. Молекула АТФ — это один своеобразный нуклеотид, который, как и другие нуклеотиды, состоит из трех компонентов: азотистого основания — аденина, углевода — рибозы, но вместо одного содержит три остатка молекул фосфорной кислоты (рис. 12). Связи, обозначенные на рисунке значком, — богаты энергией и называютсямакроэргическими. Каждая молекула АТФ содержит две макроэргические связи.

При разрыве макроэргической связи и отщеплении с помощью ферментов одной молекулы фосфорной кислоты освобождается 40 кДж/моль энергии, а АТФ при этом превращается в АДФ — аденозиндифосфорную кислоту. При отщеплении еще одной молекулы фосфорной кислоты освобождается еще 40 кДж/моль; образуется АМФ — аденозинмонофосфорная кислота. Эти реакции обратимы, то есть АМФ может пре вращаться в АДФ, АДФ — в АТФ.

Молекулы АТФ не только расщепляются, но и синтезируются, по этому их содержание в клетке относительно постоянно. Значение АТФ в жизни клетки огромно. Эти молекулы играют ведущую роль в энергетическом обмене, необходимом для обеспечения жизнедеятельности клетки и организма в целом.

Рис. Схема строения АТФ.

аденин –

Молекула РНК, как правило, одиночная цепь, состоящая из четырех типов нуклеотидов — А, У, Г, Ц. Известны три основных вида РНК: иРНК, рРНК, тРНК. Содержание молекул РНК в клетке непостоянно, они участвуют в биосинтезе белка. АТФ — универсальное энергетическое вещество клетки, в котором имеются богатые энергией связи. АТФ играет центральную роль в обмене энергии в клетке. РНК и АТФ содержатся как в ядре, так и в цитоплазме клетки.

источник

Понравилась статья? Поделить с друзьями: