Биология пасечник учебник §3

Минеральные соли

Неорганические вещества в клетке, кроме воды, прецспавлевы минеральными солями. Молекулы солей в водном растворе распадаются на катионы и анионы. Наибольшее значение имеют катионы (К+, Na+, Са2+, Mg:+, NH₄+) и анионы (С1, Н₂Р0₄-, НР0₄2-, НС0₃-, NO32—, SO₄2- ) Существенным является не только содержание, но и соотношение ионов в клетке.

Разность между количеством катионов и анионов на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникновение потенциала действия, что лежит в основе возникновения нервного и мышечного возбуждения. Разностью концентрации ионов по разные стороны мембраны обусловлен активный перенос веществ через мембрану, а также преобразование энергии.

Анионы фосфорной кислоты создают фосфатную буферную систему, поддерживающую рН внутриклеточной среды организма на уровне 6,9.

Угольная кислота и ее анионы формируют бикарбонатную буферную систему, поддерживающую рН внеклеточной среды (плазма крови) на уровне 7,4.

Некоторые ионы участвуют в активации ферментов, создании осмотического давления в клетке, в процессах мышечного сокращения, свертывании крови и др.

Ряд катионов и анионов необходим дпясинтеза важных органических веществ (например, фосфолипидов, АТФ, нуклеоти-дов, гемоглобина, гемоцианина, хлорофилла и др.), а также аминокислот, являясь источниками атомов азота и серы.

Вода

Из неорганических веществ, входящих в состав клетки, важнейшим является вода. Количество ее составляет от 60 до 95% общей массы клетки. Вода играет важнейшую роль в жизни клеток и живых организмов в целом. Помимо того что она входит в их состав, для многих организмов это еще и среда обитания.

Роль воды в клетке определяется ее уникальными химическими и физическими свойствами, связанными главным образом с малыми размерами молекул, с полярностью ее молекул и с их способностью образовывать друг с другом водородные связи.

Вода как компонент биологических систем выполняет следующие важнейшие функции:

Вода—универсальный растворитель для полярных веществ, например солей, Сахаров, спиртов, кислот и др. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными. Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы получают возможность двигаться более свободно; соответственно возрастает реакционная способность вещества. Именно по этой причине большая часть химических реакций в клетке протекает в водных растворах. Ее молекулы участвуют во многих химических реакциях, например при образовании или гидролизе полимеров. В процессе фотосинтеза вода является донором электронов, источником ионов водорода и свободного кислорода. Неполярные вещества вода не растворяет и не смешивается с ними, поскольку не может образовывать с ними водородные связи. Нерастворимые в воде вещества называются гидрофобными. Гидрофобные молекулы или их части отталкиваются водой, а в ее присутствии притягиваются друг к другу. Такие взаимодействия играют важную роль в обеспечении стабильности мембран, а также многих белковых молекул, нуклеинов вых кислот и ряда субклеточных структур. Вода обладает высокой удельной теплоемкостью. Для разрыва водородных связей, удерживающих молекулы воды, требуется поглотить большое количество энергии. Это свойство обеспечивает поддержание теплового баланса организма при значительных перепадах температуры в окружающей среде. Кроме того, вода отличается высокой теплопроводностью, что позволяет организму поддерживать одинаковую температуру во всем его объеме. Вода характеризуется высокой теплотой парообразования, т. е. способностью молекул уносить с собой значительное количество тепла при одновременном охлаждении организма. Благодаря этому свойству воды, проявляющемуся при потоотделении у млекопитающих, тепловой одышке у крокодилов и других животных, транспирации у растений, предотвращается их перегрев. Для воды характерно исключительно высокое поверхностное натяжение

Это свойство имеет очень важное значение для адсорбционных процессов, для передвижения растворов по тканям (кровообращение, восходящий и нисходящий токи в растениях). Многим мелким организмам поверхностное натяжение позволяет удерживаться на воде или скользить по ее поверхности

Вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма. У растений вода определяет тургор клеток, а у некоторых животных выполняет опорные функции, являясь гидростатическим скелетом (круглые и кольчатые черви, иглокожие). Вода — составная часть смазывающих жидкостей (синовиальной — в суставах позвоночных, плевральной — в плевральной полости, перикардиальной — в околосердечной сумке) и слизей (облегчают передвижение веществ по кишечнику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей). Она входит в состав слюны, желчи, слез, спермы и др.

Строение и функции белков

Белки считаются сложными органическими соединениями, в составе которых преобладают аминокислоты. В жизни всех организмов эти вещества имеют первостепенное значение, поэтому их содержание составляет 50-80%.

Структурными единицами белков считаются аминокислоты, соединяющиеся в цепочки. Молекулы данных соединений представляет длинную цепь, состоящую из 50-1500 аминокислот скрепленных пептидной связью.

Аминокислоты выстраиваются в определенной последовательности, образуя полипептидную цепочку белка. Причем не всегда это просто цепочка, часто белки образуют различные конфигурации в пространстве. Поэтому принято выделять несколько уровней организации белковой молекулы.

Последовательная линейная цепочка аминокислот белковой молекулы является простейшим уровнем организации, названная первичной структурой. Она специфична для каждого белка, определяет его свойства, а также функции.

2. Вторичный уровень организации представлен спирально закрученной цепочкой белковой молекулы. Витки спирали скрепляются водородными связями.
3. Вследствие дальнейшей укладки спирали образуется специфичная для всякого белка конфигурация, называемая третичной структурой. Прочность обеспечивается водородными, ионными и гидрофобными взаимодействиями.
4. Четвертичная структура образуется при объединении отдельных молекул белка в единую систему. Такой уровень организации структуры белковой молекулы можно наблюдать у гемоглобина. Причем только при таком сложном строении молекула этого белка способна реализовывать транспорт кислорода.

Под влиянием различных факторов происходит трансформация структуры белка вследствие разрыва связей. Такой процесс получил обозначение денатурация белка.

Денатурацию белка способны вызывать различные физические, а также химические факторы, к примеру, температура, облучение, влияние химических веществ. Причем денатурация структуры белка способна быть обратимой, а может, и нет.

По своему составу и строению белки различаются. Познакомимся с классификацией белков. Часто их делят на две группы: простые и сложные белки или протеины и протеиды.

В состав простых белков входят только аминокислоты. К ним относятся альбумины (сыворотка крови), глобулины (фибриноген крови), гистоны (составные компоненты гемоглобина).

В сложные белки помимо аминокислот входят и некоторые иные соединения – углеводы, липиды. Сложными белками являются фосфопротеины (казеин молока), гликопротеины (плазма крови).

Белки выполняют в клетке ряд значительных функций.

Остановимся на них подробнее.

1. Эти соединения называют «кирпичиками» нашего организма. Они осуществляют строительную функцию. Белки входят в состав клеточных мембран, а также органоидов клетки. Стенки кровеносных сосудов, хрящи и сухожилия также состоят из них.

2. Двигательная функция обеспечивается особыми сократительными белками, благодаря которым осуществляется движение ресничек, жгутиков, сокращение мускулатуры.

3. Белки выполняют транспортную функцию благодаря своей способности связывать и переносить с током крови химические соединения. Здесь стоит упомянуть гемоглобин, с помощью которого происходит транспорт кислорода ко всем органам и тканям.

4. Следует отметить и защитную функцию белков в клетке. При проникновении в клетку чужеродных веществ происходит выработка особых белков – иммуноглобулинов или антител, которые их нейтрализуют.
5. Белкам, входящим в состав клеточной мембраны, присуща сигнальная функция. На оболочку оказывает воздействие какой-либо фактор и белок изменяет свою структуру, тем самым отправляя сигнал в клетку.
6. Гормоны в нашем организме имеют белковую природу и выполняют регуляторную функцию. Их основная задача поддерживать постоянство внутренней среды организма. Каталитическую функцию выполняют многочисленные ферменты из числа протеинов и протеидов.
7. Белки способны осуществлять энергетическую функцию – распад 1 г белка сопровождается выделением приблизительно 18 кДж энергии.

В природе существует значительное число белков, которые отличаются по строению и функциям. Между тем, роль белков огромна для организмов, они считаются основой жизни на планете.

Неорганические вещества, их роль в клетке

Всякий организм содержит определенный набор химических элементов, количество которых неодинаково. Познакомимся на схеме с классификацией элементов.

Из схемы видно, что самое большое количество в клетке приходится на макроэлементы. Все они имеют огромное значение для нормальной работы организма. Макроэлементы представлены следующими химическими элементами: кислородом (75%), углеродом (15%), водородом (8%), азотом (3%). Они являются основой жизни на всей планете.

Микроэлементы в организме представлены в небольшом количестве. Однако, они также выполняют свою роль в организме. Микроэлементы входят в состав ферментов и гормонов, содержатся в тканях, принимают участие в процессах обмена веществ.

Все химические элементы составляют вещества, которые представлены двумя группами. Познакомимся с ними на схеме.

Остановимся подробнее на неорганических веществах.

В численном отношении первое место среди неорганических веществ клетки принадлежит воде. Ее содержание колеблется в зависимости от вида организма, условий его местообитания, типа клеток и их функционального состояния. В общем содержание воды в клетке составляет от 40% до 95%.

Причем с возрастом количество воды в клетках любого организма заметно снижается. Соответственно, чем выше функциональная активность клеток и организма в целом, тем больше содержание в них воды, и наоборот.

Наличие воды – обязательное условие жизненной активности клетки. Она составляет основную часть цитоплазмы, поддерживает ее структуру. Роль воды определяется ее физическими и химическими свойствами.

Рассмотрим основные свойства воды:

1. Данное вещество считается хорошим растворителем. По отношению к воде все вещества делятся на две группы: гидрофильные и гидрофобные.

Гидрофильные вещества имеют хорошую растворимость, так как состоят из частиц, способных при растворении отделяться друг от друга. С такими соединениями вы знакомились в курсе химии 9 класса, их называют ионные.

К ним относят такие классы неорганических соединений как соли, щелочи, кислоты и некоторые другие вещества.

В растворе молекулы или ионы данных соединений имеют возможность быстро передвигаться, что обеспечивает их высокую реакционную способность. При этом вода выполняет в клетке роль среды, в которой осуществляются химические реакции.

Гидрофобные вещества плохо либо вообще не растворимы в воде. К ним относят липиды, нуклеиновые кислоты, кое-какие углеводы, а также белки.

1. Вода как вещество, обладает физическими свойствами. Для нее характерна высокая теплоемкость, при существенном увеличении тепловой энергии происходит небольшое повышение ее температуры. Данное свойство воды способствует защите тканей живых организмов от перегревания или переохлаждения. Это проявляется, к примеру, в потоотделении у животных, при испарении у растений.

1. Немаловажным свойством воды является ее высокая теплопроводность. Благодаря этому тепло равномерно распределяется по всему организму, а не сосредоточивается в одном месте. Таким образом, основной функцией воды в клетке считается поддержание оптимального теплового режима.

2. Вода является основным источником кислорода и водорода, необходимых для протекания процессов фотосинтеза у растений.

3. Еще одним свойством воды является поверхностное натяжение. Молекулы воды сцепляются между собой с определенной силой и создают на поверхности пленку. Данное свойство обеспечивает движение крови в организме человека и животных, а также минеральных веществ у растений. Как же это происходит? Вот представьте себе, что два человека тянут канат. Каждый тянет его в свою сторону. Так и здесь. Силы, которыми связаны молекулы воды, тянут поверхность в разные стороны. Благодаря этому и происходит транспорт веществ в живом организме.

Значительную роль в организме играет и еще одна группа неорганических веществ – минеральные соли.

Все минеральные вещества могут быть в виде ионов или твердом состоянии. К примеру, цитоплазма содержит соли кальция, фосфора, кремния. Эти элементы используются для формирования опорных структур клетки – раковины моллюсков, хитиновый покров членистоногих.

Хитиновый покров жука носорога

Минеральные вещества в организме распадаются на ионы: катионы и анионы. Они поддерживают кислотно-щелочной баланс цитоплазмы, обеспечивают тургор клеточных оболочек, оказывают влияние на возбудимость нервной и мышечной ткани, активируют ферменты.

Нуклеиновые кислоты. АТФ

Нуклеиновые кислоты – биополимеры, способствующие хранению и передаче наследственных данных.

Макромолекулы нуклеиновых кислот выявлены в 1869г швейцарским ученым Ф. Мишером в лейкоцитах, содержащихся в гное. Затем данные соединения найдены в клетках абсолютно всех существ.

Как и белки, нуклеиновые кислоты считаются биополимерами. Их мономером стал нуклеотид, строение его представлено на рисунке.

Мономеры соединяются и образуют полинуклеотидную цепь за счет ковалентных связей, появляющихся между углеводом одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого.

Имеется 2 типа нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). Отличия в наименованиях говорят о разном строении: молекула ДНК включает углевод дезоксирибозу, а молекула РНК – рибозу.

Познакомимся со строением ДНК и РНК на рисунке.

Наиболее сложное строение наблюдается у молекулы ДНК, представляющей конфигурацию из двух цепочек, скрученных спирально.

Выделяют 4 типа разнообразных нуклеотидов в молекуле ДНК, но из-за различной их очередности в цепи достигается колоссальное обилие нуклеиновых кислот.

Соединяются 2 полинуклеотидные цепи в одну молекулу при помощи водородных связей, возникающих между азотистыми основаниями. Рассмотрим принцип их объединения на рисунке.

Благодаря особенностям строения протяженность молекулы ДНК может достигать сотен тысяч нанометров, что намного больше самой крупной молекулы белка. В клетке ДНК содержится в ядре, где входит в состав хромосом, а также есть в митохондриях и пластидах. Основной функцией ДНК считается хранение наследственной информации.

Строение РНК более простое –молекула представлена одной цепью нуклеотидов, закрученной в спираль. Различают три типа РНК.

• Информационной РНК насчитывается приблизительно 6%. Основной функцией информационной РНК является перенос информации к рибосомам, где она используется для образования белка.
• Транспортная РНК образуется в ядрышках, затем перемещается в цитоплазму, где доставляет аминокислоты на рибосомы. Ее находится в клетке 10%. Всякой аминокислоте подходит своя молекула транспортной РНК.
• Больше всего в клетке имеется рибосомных РНК – 85%. Они синтезируются в ядрышках, а затем связываются с белками, создавая рибосомы. Функция рибосомной РНК: запускать и прекращать процесс присоединения аминокислот при образовании белка.

В любой клетке содержатся такие органические соединения как аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Молекула АТФ снабжает энергией большинство реакций, с ее помощью клетка движется, осуществляется синтез веществ.

Любое вещество играет конкретную роль в протекании жизненных процессов. Нехватка какого-либо вещества способно приводить к нарушению данных процессов. Чтобы этого не происходило, организм приспособился самостоятельно поддерживать постоянство состава своей внутренней среды. Обеспечивается это с помощью нервной и гуморальной регуляции организма. Вспомнить, как осуществляются эти процессы, вы можете, обратившись к уроку Организм как единое целое.