Особенности химического состава клетки

Конспект урока по биологии (углубленное изучение) в 10 классе «Особенности химического состава клетки. Неорганические вещества» (УМК Высоцкая, Дымшиц, Рувинский и др). Основные темы: Биогенные элементы. Макро-, микро- и ультрамикроэлементы. Водородная связь. Гидрофильные и гидрофобные вещества. Гидролиз. .

Особенности химического состава клетки.
Неорганические вещества

Клетки сходны не только по строению, но и по химическому составу. Клетки всех живых организмов содержат хотя и неодинаковые, но сходные вещества в близких количествах. Сходство в строении и химическом составе клеток разных организмов свидетельствует о единстве их происхождения.

ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ КЛЕТКИ.

В составе клетки обнаружено более 80 химических элементов, при этом каких–либо специальных элементов, характерных только для живых организмов, не выявлено.

Однако только в отношении 27 элементов известно, какие функции они выполняют. Остальные элементы, вероятно, попадают в организм с водой, пищей, воздухом.

По содержанию элементы, входящие в состав клетки, можно разделить на три группы.

1) Макроэлементы. Они составляют основную массу вещества клетки. На их долю приходится около 99% всей массы клетки. Особенно велико содержание четырёх элементов: кислорода, углерода, азота и водорода (98% всех макроэлементов). К макроэлементам относят также элементы, содержание которых в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента. Это, например, калий, магний, натрий, кальций, железо, сера, фосфор, хлор.

2) Микроэлементы. К ним относят преимущественно атомы металлов, входящие в состав ферментов, гормонов и других жизненно важных веществ. В организме эти элементы содержатся в очень небольших количествах: от 0,001 до 0,000001%; в числе таких элементов бор, кобальт, медь, молибден, цинк, ванадий, иод, бром, фтор.

3) Ультрамикроэлементы. Содержание их не превышает 0,000001%. К ним относят уран, радий, золото, ртуть, бериллий, цезий и другие редкие элементы. Физиологическая роль большинства этих элементов в организмах растений, животных, грибов и бактерий пока не установлена.

Химические элементы, которые входят в состав живых организмов и выполняют биологические функции, называют биогенными элементами.

ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА КЛЕТКИ.

В состав клеток входят как неорганические (минеральные), так и органические вещества. Напомним, что к органическим соединениям относят углеводороды и их производные. Биологически важные производные углеводородов — это углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты.

В клетке химические элементы либо находятся в виде ионов, либо входят в состав соединений. Например, углерод, водород и кислород входят в состав углеводов и жиров. В белках к ним добавляются азот и сера, в нуклеиновых кислотах — азот и фосфор. Железо входит в состав молекулы гемоглобина; магний — в состав молекулы хлорофилла; медь — в состав некоторых окислительных ферментов; йод — в состав молекулы тироксина (гормона щитовидной железы); цинк — в состав молекулы гормона поджелудочной железы — инсулина; кобальт — в состав витамина В₁₂.

Многие элементы в клетке содержатся в виде ионов. Из катионов важны К⁺, Na⁺, Са²⁺, Mg²⁺, а из анионов — Н₂РО₄^–, Сl^– и НСO₃^–. Содержание катионов и анионов в клетке обычно значительно отличается от содержания их во внеклеточной среде. Например, ионы натрия и калия находятся как в цитоплазме, так и в межклеточной жидкости. Концентрация К⁺ внутри клетки очень высокая, a Na⁺ — низкая. Напротив, в окружающей клетку среде (крови, морской воде) очень мало К⁺ и довольно много Na⁺. Например, в мышечных клетках содержание К⁺ в 30 раз выше, а содержание Na⁺ в 10 раз ниже, чем в крови. Пока клетка жива, эти различия в концентрации К⁺ и Na⁺ между клеткой и межклеточной средой стойко удерживаются. Неодинаковая проницаемость клеточной мембраны для ионов калия, натрия и хлора приводит к возникновению между её внутренней и внешней поверхностями разности потенциалов, что обусловливает передачу возбуждения по нерву или мышце.

От концентрации внутри клетки анионов слабых кислот (Н₂РO₄^­ и НСО₃^­) зависят буферные свойства цитоплазмы. Буферностью называют способность клетки сохранять определённую концентрацию водородных ионов (pH). В клетке поддерживается слабощелочная реакция (pH = 7,2).

Имеющиеся в организме нерастворимые минеральные вещества входят, например, в состав раковин моллюсков (карбонат кальция), «панцирей» диатомовых водорослей (оксид кремния) или межклеточного вещества костной ткани позвоночных животных (фосфат кальция), обеспечивая прочность этих образований.

РОЛЬ ВОДЫ В КЛЕТКЕ.

Среди веществ клетки на первом месте по массе стоит вода. Содержание воды в разных клетках различается. В большинстве случаев вода составляет более 3/4 массы клетки.

Высокое содержание воды в клетке — важнейшее условие её деятельности. При потере части воды ряд одноклеточных и многоклеточных организмов временно утрачивает признаки жизни. Такое состояние называют анабиозом. После увлажнения клетки пробуждаются и становятся вновь активными. При потере значительной части воды организмы гибнут.

Из курса химии вам известно, что молекула воды электронейтральна. Но электрический заряд внутри молекулы распределён неравномерно: в области атомов водорода преобладает положительный заряд, в области, где расположен атом кислорода, выше плотность отрицательного заряда. Следовательно, молекула воды имеет два разноимённо заряженных полюса, т. е. представляет собой диполь. Отрицательно заряженный атом кислорода одной молекулы воды притягивается к положительно заряженному атому водорода другой молекулы с образованием водородной связи (рис. 6). По прочности водородная связь в 15—20 раз слабее ковалентных связей. Водородные связи легко разрываются, что наблюдается, например, при испарении воды. Вследствие теплового движения молекул в воде одни водородные связи разрываются, другие образуются. Дипольным строением молекулы воды объясняется её способность ориентироваться в электрическом поле, присоединяться к различным молекулам и участкам молекул, несущим заряд. В результате этого образуются гидраты.

Способностью воды образовывать гидраты обусловлены её универсальные растворяющие свойства. Если силы притяжения молекул воды к молекулам какого–либо вещества больше, чем сила притяжения между молекулами воды, то вещество растворяется. В зависимости от этого различают гидрофильные вещества (от греч. hydor — вода и phileo — люблю), хорошо растворимые в воде (например, соли, сахара, аминокислоты и др.), и гидрофобные вещества (от греч. hydor и phobos — боязнь), трудно или вовсе не растворимые в воде (жиры, масла, воски и др.). В состав клеточных мембран входят жироподобные вещества — фосфолипиды, ограничивающие переход растворённых веществ из наружной среды в клетки и обратно, а также из одних частей клетки в другие.

Большинство реакций, протекающих в клетке, может идти только в водном растворе. Вода — непосредственный участник многих реакций. Например, расщепление белков, углеводов и других органических веществ происходит в результате катализируемого ферментами взаимодействия их с водой. Такие реакции называют реакциями гидролиза (от греч. hydor и lysis — расщепление). А в реакциях фотосинтеза вода служит источником атомов водорода, которые используются для построения молекул органических веществ.

Вода имеет высокую теплоёмкость и одновременно относительно высокую для жидкостей теплопроводность. Благодаря этим свойствам вода является идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия в клетке и организме. И наконец, вода — основная среда для транспорта веществ в организме (ток крови и лимфы, восходящие и нисходящие токи растворов по сосудам у растений).

Не все соединения, содержащиеся в клетке, специфичны для живой природы. Такие вещества, как вода или соли, широко распространены и в неживой природе.

Вопросы и упражнения

1. Пользуясь учебником и дополнительной литературой, охарактеризуйте несколько биогенных элементов (по своему выбору). Ответ оформите в тетради в виде таблицы:

2. Какие свойства воды объясняются дипольным строением её молекул?
3. Опишите роль воды в клетке и организме: а) растений; б) животных; в) грибов.

Это конспект по биологии (углубленное изучение) для 10-класса по теме «Особенности химического состава клетки. Неорганические вещества» (УМК Высоцкая, Дымшиц, Рувинский и др). Выберите дальнейшее действие:

• Вернуться к Списку конспектов по Биологии.