Тема 4.2 "Неорганические вещества клетки"
план-конспект урока

Химические элементы клетки

Живые организмы состоят из веществ, образованных атомами тех же химических элементов, которые входят в состав тел неживой природы. Этот факт говорит о взаимосвязи живой и неживой природы. В клетках разных живых организмов находятся атомы одинаковых химических элементов, что подтверждает единство всех живых организмов.

Из известных в настоящее время более 115 элементов около 80 обнаружено в составе клетки.

В зависимости от содержания химических элементов в клетках живых организмов их делят на три группы.

К макроэлементам относят элементы, содержание которых превышает 0,001 % от массы тела. 98 % массы любого организма составляют органогены: кислород, углерод, водород и азот.

• Кислород (до 75 %) входит в состав воды, органических и минеральных веществ клетки. 
• Углерод (около 15 %) является обязательной составной частью всех органических молекул.
• Водород (8 %) содержится в воде и в органических веществах. 
• Азот (около 3 %) входит в состав белков, нуклеиновых кислот, АТФ.

Приблизительно 2 % от массы клетки приходится ещё на восемь макроэлементов. Это магний (Mg), натрий (Na), кальций (Ca), железо (Fe), калий (K), фосфор (P), хлор (Cl), сера (S).

К микроэлементам относятся те элементы, на долю которых приходится от 0,000001 % до 0,001 %: бор (B), никель (Ni), кобальт (Co), медь (Cu), молибден (Mo), цинк (Zn) и др.

Третья группа — ультрамикроэлементы, содержание которых не превышает 0,000001 %: уран (U), радий (Ra), золото (Au), ртуть (Hg), свинец (Pb), цезий (Cs), селен (Se) и др.

Рис. 1. Содержание химических элементов в живых организмах

Количество химического элемента не определяет его значение для организма. Например, йод относится к микроэлементам, но он входит в состав гормонов щитовидной железы, которые регулируют обмен веществ в организме человека.

Химические вещества клетки

Элементы в виде атомов образуют молекулы неорганических и органических соединений клетки.

Рис. 2. Содержание химических веществ в клетке

К неорганическим соединениям относятся вода и минеральные соли.

Органические соединения характерны только для живых организмов, в то время как неорганические существуют и в неживой природе. К органическим веществам относятся соединения углерода, содержащие также атомы водорода, кислорода, азота, фосфора.

В клетках находятся низкомолекулярные соединения: аминокислоты, моносахариды, нуклеотиды, витамины, а также высокомолекулярные (полимеры): белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты. 

Рис. 3. Органические вещества клетки

Молекулы этих веществ (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся звеньев. Белки, полисахариды и нуклеиновые кислоты содержатся во всех живых клетках и выполняют важнейшие функции, обеспечивающие жизнедеятельность клетки. Поэтому их называют биополимерами.

Простые вещества, из которых образуются макромолекулы, называются мономерами. Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды, белков — аминокислоты, а макромолекулы полисахаридов состоят из остатков глюкозы.

Рис. 4. Модель молекулы белка

Источники:

I. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КЛЕТКИ

В состав живых организмов входят те же химические элементы, которые составляют и объекты неживой природы. Сходство в строении и химическом составе разных клеток свидетельствует о единстве их происхождения.

В клетке обнаружено более 80 химических элементов Периодической системы Д.И.Менделеева. В то же время распределение этих элементов в клетках неравномерно. До 98% от массы любой клетки приходится на четыре элемента: кислород (75%), углерод (15%), азот (3%) и водород (8%). Они составляют основу органических соединений. Около 2% от массы клетки приходится на следующие восемь элементов: сера, фосфор, хлор, калий, магний, натрий, кальций, железо. Все остальные элементы содержатся в клетке в исключительно малых количествах (меньше 0,01%). Некоторые живые организмы способны накапливать определенные химические элементы. Например, некоторые водоросли накапливают йод, лютики - литий, ряска - радий, злаки - кремний, моллюски и ракообразные - медь, позвоночные - железо, некоторые бактерии - марганец и т.д.

1. Группы химических элементов:

Все элементы по содержанию их в живых организмах разделяются на три группы:

1. Макроэлементы - количество их составляет до 0,001% от массы тела:

O, C, H, N, P, Ca, S, K, Na, Cl, Mg, Fe;

2 Микроэлементы - на их долю приходится от 0,001 до 0,000001 %:

Mn, I, Br, F, Zn, Cu, B, Ni;

3. Ультрамикроэлементы - их содержание не превышает 0,000001%:

Au, Be, Hg, Ag, Se, Ra, U;

2. Биологическое значение элементов и ионов:

C, H, O - входят в состав углеводов и жиров.

В составе белков к ним добавляются N, S.

В составе нуклеиновых кислот - N, P.

Железо участвует в построении молекул гемоглобина.

Магний находится в составе хлорофилла.

Медь обнаружена в некоторых оксиметильных ферментах.

Йод содержится в составе молекулы тироксина (гормона щитовидной железы).

Натрий и калий обеспечивают электрический заряд на мембранах нервных клеток и волокон.

Цинк входит в состав молекулы гормона поджелудочной железы - инсулина, его недостаток снижает плодовитость, вызывает задержки роста у людей и животных.

Кобальт входит в состав витамина В12, стимулирует кроветворение, его избыток в организме вызывает развитие злокачественных опухолей.

Кальций и фосфор используются для построения костной ткани.

II. ВОДА И ЕЁ РОЛЬ В ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КЛЕТКИ

Вода составляет почти 80% массы клетки. В клетке она находится в двух формах: свободной - 95% и связанной - 5%. Потеря 20% воды смертельна для организма.

Ей принадлежит существенная многообразная роль в жизни клетки.

Она определяет физические свойства клетки - ее объем, форму, упругость. Вода участвует в образовании структурных молекул органических веществ, в частности структуры белков. 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. Вода является непосредственным участником многих химических реакций (расщепление белков, углеводов, жиров и др.).

1. Особенности строения молекулы:

Биологическая роль воды определяется особенностью ее молекулярной

структуры, полярностью молекул воды. Частица воды - диполь: в области атомов водорода (протона) преобладает положительный заряд, а в области атомов кислорода - отрицательный. Этим объясняется способность воды к ориентированию в электрическом поле и присоединению к различным молекулам и участкам молекул, несущим заряд, с образованием гидратов. Много веществ способно растворяться в воде: соли, кислоты, щелочи, из органических веществ - многие спирты, амины, углеводы, белки и др. 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.

2. Функции воды:

1. Универсальный растворитель:

- если сила притяжения молекул воды к молекулам вещества больше, чем сила притяжения между молекулами воды, то вещество растворяется

- гидрофильные и гидрофобные вещества,

- способна растворять газы (О2, СО2 и др.).

2. Обладает высокой теплоемкостью:

- способна поглощать тепловую энергию при минимальном повышении собственной температуры,

- защищает ткани организма от быстрого и сильного повышения температуры,

- организмы охлаждаются, испаряя воду (транспирация у растений,

потоотделение у животных).

3. Обладает высокой теплопроводностью:

- обеспечивает равномерное распределение тепла по всему организму,

- поддерживает тепловое равновесие клетки и организма.

4. Определяет объем и упругость клетки:

- обеспечивает осмотическое и тургорное давление.

5. Среда для протекания биохимических реакций.

6. Средство транспортировки веществ в клетках (диффузия) и в организме (кровообращение).

7. Участвует в реакциях гидролиза и фотосинтеза (источник ионов Н+).

III. МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА КЛЕТКИ

Большая часть минеральных веществ клетки находится в виде солей (серной, соляной, фосфорной), диссоциированных на ионы, либо в твердом состоянии.

В цитоплазме практически любой клетки имеются кристаллические включения, состоящие из слаборастворимых солей кальция и фосфора. Могут содержаться двуокись кремния и другие неорганические вещества. Они используются для образования опорных структур клетки (радиолярии) и организма: минеральные вещества костной ткани (соли кальция и фосфора).

Неорганические ионы представлены катионами (K+, Na+, Ca2+, Mg2+, NH3+) и анионами (Cl-, HCO3-, H2PO4-, SO42- и др.) минеральных солей.

Концентрация катионов и анионов в клетке и в окружающей ее среде различна. В результате образуется разность потенциалов между содержимым клетки и окружающей ее средой. Этим обеспечиваются такие процессы, как раздражимость и передача возбуждения по нерву или мышце.

По своей реакции растворы могут быть кислыми, основными и нейтральными. Кислотность или основность раствора определяется концентрацией в нем ионов Н+. Эту концентрацию выражают при помощи водородного показателя - рН. Нейтральной реакции жидкости отвечает рН = 7,0, кислой реакции - рН < 7,0 и основной - рН > 7,0.

Значение рН в клетках примерно равно 7,0. Изменение его на одну - две единицы губительно для клетки. Постоянство рН в клетках поддерживается благодаря буферным свойствам их содержимого.

Буферным называют раствор, содержащий смесь какой - либо слабой кислоты и ее растворимой соли. Когда кислотность увеличивается, свободные анионы, источником которых является соль, соединяются со свободными ионами Н+ и удаляют их из раствора. Когда кислотность снижается, высвобождаются дополнительные ионы Н+. Так в буферном растворе поддерживается относительно постоянная концентрация ионов Н+.

Буферность - способность клетки сохранять определенную концентрацию водородных ионов (рН). Буферная система млекопитающих, состоящая из HPO42- и H2PO4 -, поддерживает рН внутриклеточной жидкости в пределах 6,9 - 7,4. Главной буферной системой внеклеточной среды (плазмы крови) служит бикарбонатная система, состоящая из H2CO3 и HCO4 -. Она поддерживает рН на уровне 7,4.

Ионы некоторых металлов (Mg, Ca, Fe, Zn, Cu, Mn, Mo, Br, Co) являются компонентами многих ферментов, гормонов и витаминов или активируют их. При их недостатке нарушаются важнейшие процессы жизнедеятельности.

Важную роль для жизнедеятельности организмов играют неорганические кислоты и их соли. Например, соляная кислота входит в состав желудочного сока и создает условия для переваривания белков пищи. Остатки соляной кислоты способствуют выведению из организма нерастворимых в воде веществ.

Выберите один правильный ответ из предложенных вариантов:

1. Какие химические элементы, содержащиеся в клетке, относят к макроэлементам?
а) Zn , I, F, Br;         

б) O, H, C, N;           

в) Ni, Cu, I, Br.

г) Au, Ag, Ra, U.

2. Каковы функции воды в клетке?
а) передача наследственной информации;
б) среда для химических реакций;
в) источник энергии.

г) передача нервного импульса

3. Какие ионы входят в состав гемоглобина?
а) Mg2+;    

б) Fe2+;        

в) Zn2+.

г) Na+

4. Передача возбуждения по нерву или мышце объясняется:

а) разностью концентраций ионов натрия и калия внутри и вне клетки

б) разрывом водородных связей между молекулами воды

в) изменением концентрации водородных ионов

г) теплопроводностью воды

5. Из перечисленных веществ является гидрофильными:

а) крахмал

б) сахар

в) жир

г) целлюлоза

6.  В состав молекулы хлорофилла входят ионы

а) Mg2+;     

б) Fe2+;        

в) Ca2+.

г) Na+
7. Одновременно входит в состав костной ткани и нуклеиновых кислот:

а) калий

б) фосфор

в) кальций

г) цинк

8. У детей развивается рахит при недостатке:

а) марганца и железа

б) кальция и фосфора

в) меди и цинка

г) серы и азота

9. В состав желудочного сока входит:

а) Na2 CO3

б) HCl

в) H2 SO4

г) NaOH

10. Больше всего воды содержится в клетках:
а) эмбриона;        

б) молодого человека;          

в) старика.

г) взрослого человека

11. Какие химические элементы, содержащиеся в клетке, относят к микроэлементам?
а) S, Na, Ca, K;         

б) O, H, C, N;            

в) Ni, Cu, I, Br.

г) Р, S, Cl, Nа

12. В состав желудочного сока входит
а) серная кислота;

б) соляная кислота;

в) угольная кислота.

г) фосфорная кислота

13. Каковы функции минеральных веществ в клетке?
а) передача наследственной информации;
б) среда для химических реакций;
в) источник энергии;

г) поддержание осмотического давления клетки.

14. Какие ионы влияют на свёртываемость крови?
а) Mg2+;     

б) Fe2+;         

в) Ca2+.

г) Na+

15. Железо входит в состав:

а) АТФ

б) РНК

в) гемоглобина

г) хлорофилла

16. Меньше воды содержится в клетках:
а) костной ткани;        

б) нервной ткани;          

в) мышечной ткани.

г) жировой ткани

17. Вещества, плохо растворимые в воде, называются:
а) гидрофильными;    

б) гидрофобными;       

в) амфифильными.

г) амфотерными

18. Буферность в клетке обеспечивают ионы:
а) Na+, K+;         

б) SO42-, Cl-;        

в) HCO3-, CO32-.

г) Mg2+; Fe2+

19. Вода – основа жизни, т.к. она:
а) может находиться в трех состояниях (жидком, твердом и газообразном);
б) является растворителем, обеспечивающим как приток веществ в клетку, так и удаление из нее продуктов обмена;
в) охлаждает поверхность при испарении.

г) обладает свойством теплопроводности

20. Из перечисленных веществ является гидрофобным:

а) спирт

б) сахар

в) жир

г) перманганат калия