Quale contenuto chimico? Composizione chimica degli organismi viventi

Più di 70 sono stati trovati negli organismi viventi elementi chimici. Sono parte integrale alcune sostanze che formano le strutture del corpo e partecipano a reazioni chimiche. Gli organismi contengono più di alcuni elementi chimici, meno di altri, e altri ancora sono presenti in quantità trascurabili.

Macroelementi. Vengono chiamati gli elementi chimici, il cui contenuto negli organismi viventi varia dalle decine ai centesimi di punto percentuale macroelementi. Gli organismi viventi sono composti per oltre il 98% da quattro elementi chimici: ossigeno (O), carbonio (C), idrogeno (H) e azoto (N). Idrogeno e ossigeno - elementi costitutivi acqua. Insieme al carbonio e all'azoto, questi elementi sono i componenti principali dei composti organici degli organismi viventi.

La composizione di molte molecole materia organica comprende anche zolfo (S) e fosforo (P). Inoltre, i macroelementi includono sodio (Na), potassio (A), magnesio (Mg), calcio (Ca), cloro (C1), ecc.

Il macronutriente più importante per il corpo umano è il calcio. I suoi composti, in particolare l'ortofosfato, costituiscono la base minerale delle ossa e dei denti. Altri composti del calcio sono coinvolti nell'attività nervosa e muscolare e fanno parte delle cellule e dei fluidi tissutali del corpo. Il fabbisogno giornaliero di calcio di un adulto va da 0,8 a 2 g. Le principali fonti di questo elemento sono latte, kefir, ricotta, formaggio, pesce, fagioli, prezzemolo, cipolle verdi, nonché uova, grano saraceno, farina d'avena, carote e piselli.

Tuttavia, gli alimenti possono contenere anche sostanze che interferiscono con l’assorbimento del calcio, come l’acido ossalico e la fitina. Con l'acido ossalico il calcio forma un sale leggermente solubile; anche la fitina trattiene il calcio abbastanza saldamente. Pertanto, è importante non abusare di piatti a base di acetosa e spinaci, le cui foglie contengono lo 0,1-0,5% di acido ossalico. La fitina, presente nelle verdure e nei cereali, viene distrutta dal calore ed è quindi meno dannosa. Il pane di segale è più salutare del pane di grano: contiene meno fitina.

Microelementi. Gli elementi vitali che si trovano negli organismi viventi in quantità estremamente piccole (meno dello 0,01%) formano il gruppo microelementi. A Questo gruppo comprende alcuni metalli, come ferro (Fe), zinco (Zn), rame (Cu), manganese (Mn), cobalto (Co), molibdeno (Mo), nonché non metalli fluoro (F), iodio (I) e così via.

Il contenuto percentuale di un particolare elemento non caratterizza il grado della sua importanza nel corpo. Ad esempio, lo iodio, il cui contenuto normalmente nel corpo umano non supera lo 0,0001%, fa parte degli ormoni tiroidei tiroxina e triiodotironina. Questi ormoni regolano il metabolismo, influenzano la crescita, lo sviluppo e la differenziazione dei tessuti e l'attività del sistema nervoso.

Ferro e rame fanno parte degli enzimi coinvolti nella respirazione cellulare. Insieme al cobalto svolgono un ruolo importante nei processi emopoietici. Lo zinco e il manganese influenzano la crescita e lo sviluppo degli organismi. Il fluoro fa parte del tessuto osseo e dello smalto dei denti. Di più informazioni dettagliate il contenuto e il ruolo biologico degli elementi chimici negli organismi viventi sono riportati nella Tabella 1.

Tabella 1. Elementi chimici biologicamente importanti

* Per le piante: macronutrienti

Per l'uomo, le fonti di macro e microelementi sono cibo e acqua. Pertanto, per soddisfare pienamente il fabbisogno di macro e microelementi, è necessaria una dieta completa e variata, che includa prodotti di origine animale e vegetale. La Bielorussia e alcune altre regioni della Terra sono caratterizzate dalla mancanza di iodio e fluoro nell'acqua naturale. Pertanto, è molto importante mangiare frutti di mare più spesso e anche compensare questa carenza consumando sale da cucina fluorurato e iodato, la cui produzione e vendita sono stabilite nel nostro Paese.

1. In quale gruppo tutti gli elementi appartengono ai macroelementi? Ai microelementi?

a) Ferro, zolfo, cobalto; c) sodio, ossigeno, iodio;

b) fosforo, magnesio, azoto; d) fluoro, rame, manganese.

2. Quali elementi chimici sono chiamati macroelementi? Elencarli. Qual è l'importanza dei macronutrienti negli organismi viventi?

3. Quali elementi sono chiamati microelementi? Dare esempi. Qual è il ruolo dei microelementi per la vita degli organismi?

4. Stabilire una corrispondenza tra un elemento chimico e la sua funzione biologica:

1) calcio

3) cobalto

4) iodio 5) zinco 6) rame

a) partecipa alla sintesi degli ormoni vegetali, fa parte dell'insulina, b) fa parte degli ormoni tiroidei.

c) è un componente della clorofilla.

d) fa parte delle emocianine di alcuni animali invertebrati.

e) è necessario per la contrazione muscolare e la coagulazione del sangue, f) fa parte della vitamina B 12.

5. Sulla base del materiale sul ruolo biologico dei macro e microelementi e delle conoscenze acquisite dallo studio del corpo umano in terza media, spiegare a quali conseguenze può portare la mancanza di determinati elementi chimici nel corpo umano.

6. La tabella mostra il contenuto dei principali elementi chimici nella crosta terrestre (in massa, in %). Confronta la composizione della crosta terrestre e degli organismi viventi. Quali sono le caratteristiche della composizione elementare degli organismi viventi? Quali fatti ci permettono di trarre una conclusione sull'unità della natura vivente e inanimata?

Capitolo 1. Componenti chimici degli organismi viventi

• § 1. Contenuto degli elementi chimici nell'organismo. Macro e microelementi
• § 2. Composti chimici negli organismi viventi. Sostanze inorganiche

Capitolo 2. Cellula - unità strutturale e funzionale degli organismi viventi

• § 10. Storia del ritrovamento della cellula. Creazione della teoria cellulare
• § 15. Reticolo endoplasmatico. Complesso di Golgi. Lisosomi

Capitolo 3. Metabolismo e conversione dell'energia nel corpo

La composizione chimica di una cellula è strettamente correlata alle caratteristiche strutturali e al funzionamento di questa unità elementare e funzionale degli esseri viventi. Come in termini morfologici, la più comune e universale per le cellule dei rappresentanti di tutti i regni è la composizione chimica del protoplasto. Quest'ultimo contiene circa l'80% di acqua, il 10% di materia organica e l'1% di sali. Tra questi, proteine, acidi nucleici, lipidi e carboidrati svolgono un ruolo di primo piano nella formazione di un protoplasto.

La composizione degli elementi chimici del protoplasto è estremamente complessa. Contiene sostanze sia con piccolo peso molecolare che sostanze con grandi molecole. L'80% del peso del protoplasto è costituito da sostanze ad alto peso molecolare e solo il 30% è costituito da composti a basso peso molecolare. Allo stesso tempo, per ogni macromolecola ce ne sono centinaia e per ogni grande macromolecola ci sono migliaia e decine di migliaia di molecole.

La composizione di qualsiasi cella comprende più di 60 elementi della tavola periodica.

In base alla frequenza con cui si verificano, gli elementi possono essere suddivisi in tre gruppi:

Le sostanze inorganiche hanno un basso peso molecolare e si trovano e sintetizzano sia nelle cellule viventi che nella natura inanimata. Nella cellula queste sostanze sono rappresentate principalmente da acqua e sali in essa disciolti.

L'acqua costituisce circa il 70% della cellula. Grazie alla sua particolare proprietà di polarizzazione molecolare, l'acqua svolge un ruolo enorme nella vita di una cellula.

Una molecola d'acqua è composta da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno.

La struttura elettrochimica della molecola è tale che l'ossigeno ha un leggero eccesso di carica negativa e gli atomi di idrogeno hanno una carica positiva, cioè una molecola d'acqua ha due parti che attraggono altre molecole d'acqua con parti caricate in modo opposto. Ciò porta ad un aumento del legame tra le molecole, che a sua volta determina lo stato liquido di aggregazione a temperature da 0 a 1000°C, nonostante il peso molecolare relativamente basso. Allo stesso tempo, le molecole d'acqua polarizzate forniscono una migliore solubilità dei sali.

Il ruolo dell'acqua nella cellula:

· L'acqua è il mezzo della cellula; in essa si svolgono tutte le reazioni biochimiche.

· L'acqua svolge una funzione di trasporto.

· L'acqua è un solvente per le sostanze inorganiche e per alcune sostanze organiche.

· L'acqua stessa partecipa ad alcune reazioni (ad esempio la fotolisi dell'acqua).

I sali si trovano nella cellula, solitamente in forma disciolta, cioè sotto forma di anioni (ioni caricati negativamente) e cationi (ioni caricati positivamente).

Gli anioni più importanti della cellula sono idroskid (OH -), carbonato (CO 3 2-), bicarbonato (CO 3 -), fosfato (PO 4 3-), idrofosfato (HPO 4 -), diidrogeno fosfato (H 2 PO 4-). Il ruolo degli anioni è enorme. Il fosfato garantisce la formazione di legami ad alta energia (legami chimici ad alta energia). I carbonati forniscono proprietà tampone del citoplasma. La capacità tampone è la capacità di mantenere costante l'acidità di una soluzione.

I cationi più importanti includono protone (H+), potassio (K+), sodio (Na+). Il protone è coinvolto in molte reazioni biochimiche e la sua concentrazione determina anche una caratteristica così importante del citoplasma come la sua acidità. Gli ioni di potassio e sodio forniscono una proprietà così importante della membrana cellulare come la conduttività di un impulso elettrico.

La cellula è la struttura elementare in cui si svolgono tutte le principali fasi del metabolismo biologico e contiene tutti i principali componenti chimici della materia vivente. L'80% del peso del protoplasto è costituito da sostanze ad alto peso molecolare: proteine, carboidrati, lipidi, acidi nucleici, ATP. Le sostanze organiche della cellula sono rappresentate da vari polimeri biochimici, cioè molecole costituite da numerose ripetizioni di sezioni (monomeri) più semplici e strutturalmente simili.

2. Sostanze organiche, loro struttura e ruolo nella vita della cellula.

La composizione di una cellula vivente comprende gli stessi elementi chimici che fanno parte della natura inanimata. Dei 104 elementi della tavola periodica di D. I. Mendeleev, 60 sono stati trovati nelle cellule.

Sono divisi in tre gruppi:

1. gli elementi principali sono ossigeno, carbonio, idrogeno e azoto (98% della composizione cellulare);
2. elementi che costituiscono decimi e centesimi di percentuale: potassio, fosforo, zolfo, magnesio, ferro, cloro, calcio, sodio (in totale 1,9%);
3. tutti gli altri elementi presenti in quantità anche minori sono microelementi.

La composizione molecolare di una cellula è complessa ed eterogenea. I singoli composti - acqua e sali minerali - si trovano anche nella natura inanimata; altri - composti organici: carboidrati, grassi, proteine, acidi nucleici, ecc. - sono caratteristici solo degli organismi viventi.

SOSTANZE INORGANICHE

L'acqua costituisce circa l'80% della massa cellulare; nelle cellule giovani in rapida crescita - fino al 95%, nelle cellule vecchie - 60%.

Il ruolo dell'acqua nella cellula è eccezionale.

È il mezzo principale e il solvente e partecipa alla maggior parte reazioni chimiche, movimento di sostanze, termoregolazione, formazione di strutture cellulari, determina il volume e l'elasticità della cellula. La maggior parte delle sostanze entrano ed escono dal corpo in una soluzione acquosa. Il ruolo biologico dell'acqua è determinato dalla specificità della sua struttura: la polarità delle sue molecole e la capacità di formare legami idrogeno, grazie ai quali sorgono complessi di diverse molecole d'acqua. Se l'energia di attrazione tra le molecole d'acqua è inferiore a quella tra le molecole d'acqua e una sostanza, questa si dissolve nell'acqua. Tali sostanze sono chiamate idrofile (dal greco "idro" - acqua, "filetto" - amore). Questi sono molti sali minerali, proteine, carboidrati, ecc. Se l'energia di attrazione tra le molecole d'acqua è maggiore dell'energia di attrazione tra le molecole d'acqua e una sostanza, tali sostanze sono insolubili (o leggermente solubili), vengono chiamate idrofobiche ( dal greco “phobos” - paura) - grassi, lipidi, ecc.

I sali minerali nelle soluzioni cellulari acquose si dissociano in cationi e anioni, fornendo una quantità stabile di elementi chimici necessari e pressione osmotica. Tra i cationi i più importanti sono K+, Na+, Ca 2+, Mg+. La concentrazione dei singoli cationi nella cellula e nell'ambiente extracellulare non è la stessa. In una cellula vivente, la concentrazione di K è alta, Na + è bassa e nel plasma sanguigno, al contrario, la concentrazione di Na + è alta e K + è bassa. Ciò è dovuto alla permeabilità selettiva delle membrane. La differenza nella concentrazione di ioni nella cellula e nell'ambiente garantisce il flusso dell'acqua ambiente nella cellula e l'assorbimento dell'acqua da parte delle radici delle piante. Difetto singoli elementi- Fe, P, Mg, Co, Zn - blocca la formazione di acidi nucleici, emoglobina, proteine ​​e altre sostanze vitali e porta a gravi malattie. Gli anioni determinano la costanza del pH cellulare dell'ambiente (neutro e leggermente alcalino). Tra gli anioni, i più importanti sono HPO 4 2-, H 2 PO 4 -, Cl -, HCO 3 -

SOSTANZE ORGANICHE

Le sostanze organiche nel complesso costituiscono circa il 20-30% della composizione cellulare.

Carboidrati- composti organici costituiti da carbonio, idrogeno e ossigeno. Sono divisi in semplici - monosaccaridi (dal greco "monos" - uno) e complessi - polisaccaridi (dal greco "poly" - molti).

Monosaccaridi(la loro formula generale è C n H 2n O n) - sostanze incolori dal gradevole sapore dolce, altamente solubili in acqua. Differiscono nel numero di atomi di carbonio. Tra i monosaccaridi, i più comuni sono gli esosi (con 6 atomi di carbonio): glucosio, fruttosio (presente nella frutta, nel miele, nel sangue) e galattosio (presente nel latte). Dei pentosi (con 5 atomi di carbonio), i più comuni sono il ribosio e il desossiribosio, che fanno parte degli acidi nucleici e dell'ATP.

Polisaccaridi si riferisce ai polimeri - composti in cui lo stesso monomero viene ripetuto più volte. I monomeri dei polisaccaridi sono monosaccaridi. I polisaccaridi sono solubili in acqua e molti hanno un sapore dolce. Di questi, i più semplici sono i disaccaridi, costituiti da due monosaccaridi. Ad esempio, il saccarosio è costituito da glucosio e fruttosio; zucchero del latte - da glucosio e galattosio. All’aumentare del numero di monomeri, la solubilità dei polisaccaridi diminuisce. Tra i polisaccaridi ad alto peso molecolare, il glicogeno è il più comune negli animali e l'amido e le fibre (cellulosa) nelle piante. Quest'ultimo è costituito da 150-200 molecole di glucosio.

Carboidrati- la principale fonte di energia per tutte le forme di attività cellulare (movimento, biosintesi, secrezione, ecc.). Scomponendo nei prodotti più semplici CO 2 e H 2 O, 1 g di carboidrati rilascia 17,6 kJ di energia. I carboidrati svolgono una funzione di costruzione nelle piante (i loro gusci sono costituiti da cellulosa) e il ruolo di sostanze di stoccaggio (nelle piante - amido, negli animali - glicogeno).

Lipidi- Si tratta di sostanze e grassi simili a grassi insolubili in acqua, costituiti da glicerolo e acidi grassi ad alto peso molecolare. I grassi animali si trovano nel latte, nella carne e nel tessuto sottocutaneo. A temperatura ambiente sono solidi. Nelle piante, i grassi si trovano nei semi, nei frutti e in altri organi. A temperatura ambiente sono liquidi. Le sostanze simili ai grassi sono simili nella struttura chimica ai grassi. Ce ne sono molti nel tuorlo delle uova, nelle cellule cerebrali e in altri tessuti.

Il ruolo dei lipidi è determinato dalla loro funzione strutturale. Costituiscono le membrane cellulari che, a causa della loro idrofobicità, impediscono la miscelazione del contenuto cellulare con l'ambiente. I lipidi svolgono una funzione energetica. Scomponendosi in CO 2 e H 2 O, 1 g di grasso libera 38,9 kJ di energia. Conducono male il calore, si accumulano nel tessuto sottocutaneo (e in altri organi e tessuti), svolgono una funzione protettiva e fungono da sostanze di riserva.

Scoiattoli- il più specifico e importante per l'organismo. Appartengono a polimeri non periodici. A differenza di altri polimeri, le loro molecole sono costituite da monomeri simili ma non identici: 20 diversi amminoacidi.

Ogni amminoacido ha il proprio nome, struttura e proprietà speciali. La loro formula generale può essere rappresentata come segue

Una molecola di amminoacido è costituita da una parte specifica (radicale R) e da una parte uguale per tutti gli amminoacidi, comprendente un gruppo amminico (- NH 2) con proprietà basiche, e un gruppo carbossilico (COOH) con proprietà acide. La presenza di gruppi acidi e basici in una molecola determina la loro elevata reattività. Attraverso questi gruppi gli amminoacidi si combinano per formare un polimero-proteina. In questo caso, una molecola d'acqua viene rilasciata dal gruppo amminico di un amminoacido e dal carbossile di un altro, e gli elettroni rilasciati si combinano per formare un legame peptidico. Pertanto, le proteine ​​sono chiamate polipeptidi.

Una molecola proteica è una catena di diverse decine o centinaia di amminoacidi.

Le molecole proteiche hanno dimensioni enormi, motivo per cui vengono chiamate macromolecole. Le proteine, come gli amminoacidi, sono altamente reattive e possono reagire con acidi e alcali. Differiscono per composizione, quantità e sequenza di aminoacidi (il numero di tali combinazioni di 20 aminoacidi è quasi infinito). Questo spiega la diversità delle proteine.

Esistono quattro livelli di organizzazione nella struttura delle molecole proteiche (59)

• Struttura primaria- una catena polipeptidica di amminoacidi legati in una certa sequenza da legami peptidici covalenti (forti).
• Struttura secondaria- una catena polipeptidica attorcigliata in una spirale stretta. In esso si formano legami idrogeno a bassa resistenza tra i legami peptidici delle spire vicine (e altri atomi). Insieme forniscono una struttura abbastanza forte.
• Struttura terziaria rappresenta una configurazione bizzarra, ma specifica per ciascuna proteina: un globulo. È trattenuto da legami idrofobici a bassa resistenza o forze adesive tra radicali non polari, che si trovano in molti amminoacidi. Grazie alla loro abbondanza, forniscono sufficiente stabilità alla macromolecola proteica e alla sua mobilità. La struttura terziaria delle proteine ​​viene mantenuta anche grazie ai legami covalenti S - S (es - es) che si formano tra i radicali distanti dell'amminoacido contenente zolfo - cisteina.
• Struttura quaternaria non tipico di tutte le proteine. Si verifica quando diverse macromolecole proteiche si combinano per formare complessi. Ad esempio, l'emoglobina nel sangue umano è un complesso di quattro macromolecole di questa proteina.

Questa complessità della struttura delle molecole proteiche è associata alla diversità delle funzioni inerenti a questi biopolimeri. Tuttavia, la struttura delle molecole proteiche dipende dalle proprietà dell'ambiente.

Viene chiamata violazione della struttura naturale di una proteina denaturazione. Può verificarsi sotto l'influenza di alte temperature, sostanze chimiche, energia radiante e altri fattori. Con un impatto debole, solo la struttura quaternaria si disintegra, con una più forte - la terziaria, e poi la secondaria, e la proteina rimane sotto forma di struttura primaria - catena polipeptidica. Questo processo è parzialmente reversibile e la proteina denaturata è in grado di ripristinare la sua struttura.

Il ruolo delle proteine ​​nella vita di una cellula è enorme.

Scoiattoli- Questo materiale da costruzione corpo. Partecipano alla costruzione del guscio, degli organelli e delle membrane della cellula e dei singoli tessuti (capelli, vasi sanguigni, ecc.). Molte proteine ​​agiscono come catalizzatori nella cellula: enzimi che accelerano le reazioni cellulari decine o centinaia di milioni di volte. Si conoscono circa un migliaio di enzimi. Oltre alle proteine, la loro composizione comprende metalli Mg, Fe, Mn, vitamine, ecc.

Ogni reazione è catalizzata dal proprio enzima specifico. In questo caso, non è l'intero enzima ad agire, ma una certa regione: il centro attivo. Si inserisce nel substrato come una chiave in una serratura. Gli enzimi operano a una certa temperatura e pH dell'ambiente. Speciali proteine ​​contrattili forniscono le funzioni motorie delle cellule (movimento dei flagelli, ciliati, contrazione muscolare, ecc.). Le singole proteine ​​(emoglobina nel sangue) svolgono una funzione di trasporto, fornendo ossigeno a tutti gli organi e tessuti del corpo. Proteine ​​specifiche - anticorpi - svolgono una funzione protettiva, neutralizzando le sostanze estranee. Alcune proteine ​​svolgono una funzione energetica. Scomponendosi in aminoacidi e poi in sostanze ancora più semplici, 1 g di proteine ​​libera 17,6 kJ di energia.

Acidi nucleici(dal latino “nucleus” - nucleo) furono scoperti per la prima volta nel nucleo. Sono di due tipi: acidi desossiribonucleici(DNA) e acidi ribonucleici(RNA). Il loro ruolo biologico è grande: determinano la sintesi delle proteine ​​e il trasferimento delle informazioni ereditarie da una generazione all'altra.

La molecola del DNA ha una struttura complessa. È costituito da due catene attorcigliate a spirale. La larghezza della doppia elica è di 2 nm 1 , la lunghezza è di diverse decine e persino centinaia di micromicron (centinaia o migliaia di volte più grande della più grande molecola proteica). Il DNA è un polimero i cui monomeri sono nucleotidi - composti costituiti da una molecola di acido fosforico, un carboidrato - desossiribosio e una base azotata. La loro formula generale è la seguente:

L'acido fosforico e i carboidrati sono gli stessi in tutti i nucleotidi e le basi azotate sono di quattro tipi: adenina, guanina, citosina e timina. Determinano il nome dei nucleotidi corrispondenti:

• adenile (A),
• guanile (G),
• citosile (C),
• timidile (T).

Ogni filamento di DNA è un polinucleotide costituito da diverse decine di migliaia di nucleotidi. In esso, i nucleotidi vicini sono collegati da un forte legame covalente tra acido fosforico e desossiribosio.

Date le enormi dimensioni delle molecole di DNA, la combinazione di quattro nucleotidi in esse contenute può essere infinitamente grande.

Quando si forma una doppia elica del DNA, le basi azotate di una catena sono disposte in un ordine rigorosamente definito di fronte alle basi azotate dell'altra. In questo caso, T è sempre contro A e solo C è contro G. Ciò è spiegato dal fatto che A e T, così come G e C, corrispondono strettamente tra loro, come due metà vetro rotto, e sono aggiuntivi o complementare(dal greco "complemento" - addizione) tra loro. Se la sequenza dei nucleotidi in una catena di DNA è nota, in base al principio di complementarità è possibile determinare i nucleotidi dell'altra catena (vedere Appendice, compito 1). I nucleotidi complementari sono collegati tramite legami idrogeno.

Ci sono due connessioni tra A e T e tre tra G e C.

Il raddoppio della molecola di DNA è la sua caratteristica unica, che garantisce il trasferimento delle informazioni ereditarie dalla cellula madre alle cellule figlie. Si chiama il processo di raddoppiamento del DNA Riduplicazione del DNA. Viene eseguito come segue. Poco prima della divisione cellulare, la molecola di DNA si svolge e il suo doppio filamento, sotto l'azione di un enzima, si divide ad un'estremità in due catene indipendenti. Su ciascuna metà dei nucleotidi liberi della cellula, secondo il principio di complementarità, si costruisce una seconda catena. Di conseguenza, invece di una molecola di DNA, compaiono due molecole completamente identiche.

RNA- un polimero simile nella struttura a un filamento di DNA, ma di dimensioni molto più piccole. I monomeri di RNA sono nucleotidi costituiti da acido fosforico, un carboidrato (ribosio) e una base azotata. Tre basi azotate dell'RNA - adenina, guanina e citosina - corrispondono a quelle del DNA, ma la quarta è diversa. Invece della timina, l’RNA contiene uracile. La formazione di un polimero di RNA avviene attraverso legami covalenti tra ribosio e acido fosforico di nucleotidi vicini. Si conoscono tre tipi di RNA: RNA messaggero(i-RNA) trasmette informazioni sulla struttura della proteina dalla molecola di DNA; trasferire l'RNA(tRNA) trasporta gli aminoacidi al sito della sintesi proteica; L'RNA ribosomiale (r-RNA) è contenuto nei ribosomi ed è coinvolto nella sintesi proteica.

ATP- L'acido adenosina trifosforico è un importante composto organico. La sua struttura è un nucleotide. Contiene la base azotata adenina, il carboidrato ribosio e tre molecole di acido fosforico. L'ATP è una struttura instabile; sotto l'influenza dell'enzima, il legame tra "P" e "O" si rompe, una molecola di acido fosforico viene scissa e l'ATP entra in

Cellula: composizione chimica, struttura, funzioni degli organelli.

Composizione chimica della cellula. Macro e microelementi. Rapporto tra struttura e funzioni delle sostanze inorganiche e organiche (proteine, acidi nucleici, carboidrati, lipidi, ATP) che compongono la cellula. Il ruolo delle sostanze chimiche nella cellula e nel corpo umano.

Gli organismi sono costituiti da cellule. Celle organismi diversi hanno una composizione chimica simile. La tabella 1 presenta i principali elementi chimici presenti nelle cellule degli organismi viventi.

Tabella 1. Contenuto di elementi chimici nella cellula

Il primo gruppo comprende ossigeno, carbonio, idrogeno e azoto. Costituiscono quasi il 98% della composizione totale della cellula.

Il secondo gruppo comprende potassio, sodio, calcio, zolfo, fosforo, magnesio, ferro, cloro. Il loro contenuto nella cella è di decimi e centesimi di percentuale. Gli elementi di questi due gruppi sono classificati come macronutrienti(dal greco macro- grande).

Nel terzo gruppo sono compresi i restanti elementi, rappresentati nella cella in centesimi e millesimi di percentuale. Questo microelementi(dal greco micro- piccolo).

Nella cellula non sono stati trovati elementi tipici della natura vivente. Anche tutti gli elementi chimici elencati fanno parte della natura inanimata. Ciò indica l'unità della natura vivente e inanimata.

Una carenza di qualsiasi elemento può portare alla malattia e persino alla morte del corpo, poiché ogni elemento svolge un ruolo specifico. I macroelementi del primo gruppo costituiscono la base dei biopolimeri: proteine, carboidrati, acidi nucleici e lipidi, senza i quali la vita è impossibile. Lo zolfo fa parte di alcune proteine, il fosforo fa parte degli acidi nucleici, il ferro fa parte dell'emoglobina e il magnesio fa parte della clorofilla. Il calcio svolge un ruolo importante nel metabolismo.

Alcuni degli elementi chimici contenuti nella cellula fanno parte di sostanze inorganiche: sali minerali e acqua.

Sali minerali si trovano nella cellula, di regola, sotto forma di cationi (K +, Na +, Ca 2+, Mg 2+) e anioni (HPO 2-/4, H 2 PO -/4, CI -, HCO 3), il cui rapporto determina l'acidità dell'ambiente, importante per la vita delle cellule.

(In molte cellule, l'ambiente è leggermente alcalino e il suo pH quasi non cambia, poiché al suo interno viene costantemente mantenuto un certo rapporto tra cationi e anioni.)

Tra le sostanze inorganiche nella natura vivente, gioca un ruolo enorme acqua.

Senza acqua la vita è impossibile. Costituisce una massa significativa della maggior parte delle cellule. Nelle cellule del cervello e degli embrioni umani è contenuta molta acqua: più dell'80% di acqua; nelle cellule del tessuto adiposo - solo il 40,% Con l'età, il contenuto di acqua nelle cellule diminuisce. Muore una persona che ha perso il 20% di acqua.

Le proprietà uniche dell'acqua determinano il suo ruolo nel corpo. È coinvolto nella termoregolazione, dovuta all'elevata capacità termica dell'acqua: il consumo di una grande quantità di energia durante il riscaldamento. Cosa determina l’elevata capacità termica dell’acqua?

In una molecola d'acqua, un atomo di ossigeno è legato covalentemente a due atomi di idrogeno. La molecola d'acqua è polare perché l'atomo di ossigeno ha una carica parzialmente negativa, e ciascuno dei due atomi di idrogeno ce l'ha

Carica parzialmente positiva. Un legame idrogeno si forma tra l'atomo di ossigeno di una molecola d'acqua e l'atomo di idrogeno di un'altra molecola. I legami idrogeno forniscono la connessione di un gran numero di molecole d'acqua. Quando l'acqua viene riscaldata, una parte significativa dell'energia viene spesa per rompere i legami idrogeno, che ne determina l'elevata capacità termica.

Acqua - buon solvente. A causa della loro polarità, le sue molecole interagiscono con ioni caricati positivamente e negativamente, favorendo così la dissoluzione della sostanza. In relazione all'acqua, tutte le sostanze cellulari sono divise in idrofile e idrofobe.

Idrofilo(dal greco idro- acqua e filleo- amore) sono chiamate sostanze che si dissolvono nell'acqua. Questi includono composti ionici (ad esempio sali) e alcuni composti non ionici (ad esempio zuccheri).

Idrofobico(dal greco idro- acqua e Phobos- paura) sono sostanze insolubili in acqua. Questi includono, ad esempio, i lipidi.

L'acqua svolge un ruolo importante nelle reazioni chimiche che si verificano nella cellula in soluzioni acquose. Dissolve i prodotti metabolici di cui il corpo non ha bisogno e quindi favorisce la loro eliminazione dal corpo. L'elevato contenuto di acqua nella cella lo fornisce elasticità. L'acqua facilita il movimento di varie sostanze all'interno di una cellula o da una cellula all'altra.

I corpi della natura vivente e inanimata sono costituiti dagli stessi elementi chimici. Gli organismi viventi contengono sostanze inorganiche: acqua e sali minerali. Le numerose funzioni di vitale importanza dell'acqua in una cellula sono determinate dalle caratteristiche delle sue molecole: la loro polarità, la capacità di formare legami idrogeno.

COMPONENTI INORGANICI DELLA CELLULA

Un altro tipo di classificazione degli elementi in una cella:

I macroelementi includono ossigeno, carbonio, idrogeno, fosforo, potassio, zolfo, cloro, calcio, magnesio, sodio, ferro.
I microelementi includono manganese, rame, zinco, iodio, fluoro.
Gli ultramicroelementi includono argento, oro, bromo e selenio.

COMPONENTI ORGANICI DELLE CELLULE

Struttura delle proteine

Enzimi.

La funzione più importante delle proteine ​​è catalitica. Vengono chiamate molecole proteiche che aumentano la velocità delle reazioni chimiche in una cellula di diversi ordini di grandezza enzimi. Nessun singolo processo biochimico nel corpo avviene senza la partecipazione di enzimi.

Attualmente sono stati scoperti oltre 2000 enzimi. La loro efficienza è molte volte superiore all'efficienza dei catalizzatori inorganici utilizzati nella produzione. Pertanto, 1 mg di ferro nell'enzima catalasi sostituisce 10 tonnellate di ferro inorganico. La catalasi aumenta la velocità di decomposizione del perossido di idrogeno (H 2 O 2) di 10 11 volte. L'enzima che catalizza la reazione di formazione dell'acido carbonico (CO 2 + H 2 O = H 2 CO 3) accelera la reazione di 10 7 volte.

Una proprietà importante degli enzimi è la specificità della loro azione; ciascun enzima catalizza solo una o un piccolo gruppo di reazioni simili.

Viene chiamata la sostanza su cui agisce l'enzima substrato. Le strutture delle molecole dell'enzima e del substrato devono corrispondere esattamente tra loro. Questo spiega la specificità dell'azione degli enzimi. Quando un substrato viene combinato con un enzima, la struttura spaziale dell'enzima cambia.

La sequenza di interazione tra enzima e substrato può essere rappresentata schematicamente:

Substrato+Enzima - Complesso enzima-substrato - Enzima+Prodotto.

Il diagramma mostra che il substrato si combina con l'enzima per formare un complesso enzima-substrato. In questo caso, il substrato si trasforma in una nuova sostanza: un prodotto. Nella fase finale, l'enzima viene rilasciato dal prodotto e interagisce nuovamente con un'altra molecola di substrato.

Gli enzimi funzionano solo a una certa temperatura, concentrazione di sostanze e acidità dell'ambiente. Il cambiamento delle condizioni porta a cambiamenti nella struttura terziaria e quaternaria della molecola proteica e, di conseguenza, alla soppressione dell'attività enzimatica. Come avviene questo? Solo una certa parte della molecola enzimatica, chiamata centro attivo. Il centro attivo contiene da 3 a 12 residui aminoacidici e si forma a seguito della piegatura della catena polipeptidica.

Sotto l'influenza di vari fattori, la struttura della molecola enzimatica cambia. In questo caso, la configurazione spaziale del centro attivo viene interrotta e l'enzima perde la sua attività.

Gli enzimi sono proteine ​​che agiscono come catalizzatori biologici. Grazie agli enzimi, la velocità delle reazioni chimiche nelle cellule aumenta di diversi ordini di grandezza. Una proprietà importante degli enzimi è la loro specificità d'azione in determinate condizioni.

Acidi nucleici.

Gli acidi nucleici furono scoperti nella seconda metà del XIX secolo. Il biochimico svizzero F. Miescher, che isolò una sostanza dai nuclei delle cellule con alto contenuto azoto e fosforo e la chiamò “nucleina” (dal lat. nucleo- nucleo).

Gli acidi nucleici immagazzinano informazioni ereditarie sulla struttura e sul funzionamento di ogni cellula e di tutti gli esseri viventi sulla Terra. Esistono due tipi di acidi nucleici: DNA (acido desossiribonucleico) e RNA (acido ribonucleico). Gli acidi nucleici, come le proteine, sono specie-specifici, cioè gli organismi di ciascuna specie hanno il proprio tipo di DNA. Per scoprire le ragioni della specificità della specie, considerare la struttura degli acidi nucleici.

Le molecole di acido nucleico sono catene molto lunghe costituite da molte centinaia e persino milioni di nucleotidi. Qualsiasi acido nucleico contiene solo quattro tipi di nucleotidi. Le funzioni delle molecole di acido nucleico dipendono dalla loro struttura, dai nucleotidi che contengono, dal loro numero nella catena e dalla sequenza del composto nella molecola.

Ogni nucleotide è costituito da tre componenti: una base azotata, un carboidrato e un acido fosforico. Ogni nucleotide del DNA contiene uno dei quattro tipi di basi azotate (adenina - A, timina - T, guanina - G o citosina - C), nonché il carboidrato desossiribosio e un residuo di acido fosforico.

Pertanto, i nucleotidi del DNA differiscono solo per il tipo di base azotata.

La molecola del DNA è costituita da un numero enorme di nucleotidi collegati in una catena in una determinata sequenza. Ogni tipo di molecola di DNA ha il proprio numero e sequenza di nucleotidi.

Le molecole di DNA sono molto lunghe. Ad esempio, per scrivere in lettere la sequenza dei nucleotidi nelle molecole di DNA di una cellula umana (46 cromosomi) occorrerebbe un libro di circa 820.000 pagine. L'alternanza di quattro tipi di nucleotidi può formare un numero infinito di varianti di molecole di DNA. Queste caratteristiche strutturali delle molecole di DNA consentono loro di immagazzinare un'enorme quantità di informazioni su tutte le caratteristiche degli organismi.

Nel 1953, il biologo americano J. Watson e il fisico inglese F. Crick crearono un modello della struttura della molecola del DNA. Gli scienziati hanno scoperto che ogni molecola di DNA è costituita da due catene interconnesse e attorcigliate a spirale. Sembra una doppia elica. In ciascuna catena, quattro tipi di nucleotidi si alternano in una sequenza specifica.

La composizione nucleotidica del DNA varia tra tipi diversi batteri, funghi, piante, animali. Ma non cambia con l’età e dipende poco dai cambiamenti ambientali. I nucleotidi sono accoppiati, cioè il numero di nucleotidi di adenina in qualsiasi molecola di DNA è uguale al numero di nucleotidi di timidina (A-T) e il numero di nucleotidi di citosina è uguale al numero di nucleotidi di guanina (C-G). Ciò è dovuto al fatto che la connessione di due catene tra loro in una molecola di DNA è soggetta a una certa regola, vale a dire: l'adenina di una catena è sempre collegata da due legami idrogeno solo con la timina dell'altra catena e la guanina - da tre legami idrogeno con citosina, cioè le catene nucleotidiche di una molecola di DNA sono complementari, completandosi a vicenda.

Le molecole di acido nucleico - DNA e RNA - sono costituite da nucleotidi. I nucleotidi del DNA includono una base azotata (A, T, G, C), il carboidrato desossiribosio e un residuo molecolare di acido fosforico. La molecola del DNA è una doppia elica, costituita da due catene collegate da legami idrogeno secondo il principio di complementarità. La funzione del DNA è quella di immagazzinare informazioni ereditarie.

Le cellule di tutti gli organismi contengono molecole di ATP - acido adenosina trifosforico. L'ATP è una sostanza cellulare universale, la cui molecola ha legami ricchi di energia. La molecola di ATP è un nucleotide unico che, come altri nucleotidi, è costituito da tre componenti: una base azotata - adenina, un carboidrato - ribosio, ma invece di uno contiene tre residui di molecole di acido fosforico (Fig. 12). Le connessioni indicate in figura con un'icona sono ricche di energia e si chiamano macroergico. Ciascuna molecola di ATP contiene due legami ad alta energia.

Quando un legame ad alta energia viene rotto e una molecola di acido fosforico viene rimossa con l'aiuto di enzimi, vengono rilasciati 40 kJ/mol di energia e l'ATP viene convertito in ADP - acido adenosina difosforico. Quando viene rimossa un'altra molecola di acido fosforico, vengono rilasciati altri 40 kJ/mol; Si forma l'AMP: acido adenosina monofosforico. Queste reazioni sono reversibili, cioè l'AMP può essere convertito in ADP, l'ADP in ATP.

Le molecole di ATP non vengono solo scomposte, ma anche sintetizzate, quindi il loro contenuto nella cellula è relativamente costante. L'importanza dell'ATP nella vita di una cellula è enorme. Queste molecole svolgono un ruolo di primo piano nel metabolismo energetico necessario ad assicurare la vita della cellula e dell'organismo nel suo insieme.

Una molecola di RNA è solitamente una singola catena, composta da quattro tipi di nucleotidi: A, U, G, C. Sono noti tre tipi principali di RNA: mRNA, rRNA, tRNA. Il contenuto delle molecole di RNA in una cellula non è costante; partecipano alla biosintesi delle proteine. L'ATP è una sostanza energetica universale della cellula, che contiene legami ricchi di energia. L’ATP svolge un ruolo centrale nel metabolismo energetico cellulare. RNA e ATP si trovano sia nel nucleo che nel citoplasma della cellula.

Biologia- scienza di vita. Il compito più importante della biologia è lo studio della diversità, della struttura, della vita, sviluppo individuale e l'evoluzione degli organismi viventi, le loro relazioni con l'ambiente.

Organismi vivi hanno una serie di caratteristiche che li distinguono dalla natura inanimata. Individualmente, ciascuna delle differenze è abbastanza arbitraria, quindi dovrebbero essere considerate in combinazione.

Segni che distinguono la materia vivente dalla materia non vivente:

1. la capacità di riprodurre e trasmettere informazioni ereditarie alla generazione successiva;
2. metabolismo ed energia;
3. eccitabilità;
4. adattabilità alle condizioni di vita specifiche;
5. materiale da costruzione - biopolimeri (i più importanti sono proteine ​​e acidi nucleici);
6. specializzazione dalle molecole agli organi e un alto grado della loro organizzazione;
7. altezza;
8. invecchiamento;
9. morte.

Livelli di organizzazione della materia vivente:

1. molecolare,
2. cellulare,
3. tessuto,
4. organo,
5. organismico,
6. popolazione-specie,
7. biogeocenotico,
8. biosfera.

Diversità della vita

Le cellule prive di nucleare furono le prime ad apparire sul nostro pianeta. La maggior parte degli scienziati ritiene che gli organismi nucleari siano comparsi come risultato della simbiosi di antichi archeobatteri con alghe blu-verdi e batteri ossidanti (la teoria della simbiogenesi).

Citologia

Citologia- la scienza di gabbia. Studia la struttura e le funzioni delle cellule di organismi unicellulari e multicellulari. La cellula è l'unità elementare di struttura, funzionamento, crescita e sviluppo di tutti gli esseri viventi. Pertanto, i processi e i modelli caratteristici della citologia sono alla base dei processi studiati da molte altre scienze (anatomia, genetica, embriologia, biochimica, ecc.).

Elementi chimici della cellula

Elemento chimico- un certo tipo di atomo con la stessa carica nucleare positiva. Nelle cellule sono stati trovati circa 80 elementi chimici. Possono essere divisi in quattro gruppi:
Gruppo 1: carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto (98% del contenuto della cella),
Gruppo 2: potassio, sodio, calcio, magnesio, zolfo, fosforo, cloro, ferro (1,9%),
Gruppo 3 - zinco, rame, fluoro, iodio, cobalto, molibdeno, ecc. (meno dello 0,01%),
Gruppo 4: oro, uranio, radio, ecc. (meno dello 0,00001%).

Gli elementi del primo e del secondo gruppo nella maggior parte dei manuali vengono chiamati macronutrienti, elementi del terzo gruppo - microelementi, elementi del quarto gruppo - ultramicroelementi. Per i macro e microelementi sono stati chiariti i processi e le funzioni a cui partecipano. Per la maggior parte degli ultramicroelementi non è stato identificato un ruolo biologico.

Si formano gli atomi degli elementi chimici negli organismi viventi inorganico(acqua, sali) e composti organici(proteine, acidi nucleici, lipidi, carboidrati). A livello atomico non ci sono differenze tra la materia vivente e quella non vivente; le differenze appariranno ai livelli successivi e più elevati di organizzazione della materia vivente.

Acqua

Acqua- il composto inorganico più comune. Il contenuto di acqua varia dal 10% (smalto dei denti) al 90% della massa cellulare (embrione in via di sviluppo). Senza acqua la vita è impossibile; il significato biologico dell’acqua è determinato dalle sue proprietà chimiche e fisiche.

La molecola dell'acqua ha una forma angolare: gli atomi di idrogeno formano un angolo di 104,5° rispetto all'ossigeno. La parte della molecola in cui si trova l'idrogeno è caricata positivamente, la parte in cui si trova l'ossigeno è caricata negativamente, e quindi la molecola d'acqua è un dipolo. I legami idrogeno si formano tra i dipoli d'acqua. Proprietà fisiche acqua: trasparente, densità massima a 4°C, elevata capacità termica, praticamente non si comprime; L’acqua pura conduce male il calore e l’elettricità, congela a 0 °C, bolle a 100 °C, ecc. Proprietà chimiche dell'acqua: un buon solvente, forma idrati, subisce reazioni di decomposizione idrolitica, interagisce con molti ossidi, ecc. In relazione alla capacità di sciogliersi in acqua si distinguono: sostanze idrofile- altamente solubile, sostanze idrofobiche- praticamente insolubile in acqua.

Significato biologico dell'acqua:

1. è la base dell'ambiente interno e intracellulare,
2. garantisce il mantenimento della struttura spaziale,
3. provvede al trasporto di sostanze
4. idrata le molecole polari,
5. funge da solvente e mezzo per la diffusione,
6. partecipa alle reazioni di fotosintesi e idrolisi,
7. aiuta a rinfrescare il corpo,
8. è un habitat per molti organismi,
9. favorisce la migrazione e la distribuzione di semi, frutti, stadi larvali,
10. è l'ambiente in cui avviene la fecondazione,
11. nelle piante, garantisce la traspirazione e la germinazione dei semi,
12. favorisce la distribuzione uniforme del calore nel corpo e molto altro ancora. eccetera.

Altri composti inorganici della cellula

Altri composti inorganici sono rappresentati principalmente dai sali, che si possono trovare sia in forma disciolta (dissociati in cationi e anioni) che solida. I cationi K + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+ (vedi tabella sopra) e gli anioni HPO 4 2 - , Cl - , HCO 3 - sono importanti per la vita della cellula, fornendo le proprietà tampone della cellula . Bufferizzazione- la capacità di mantenere il pH ad un certo livello (il pH è il logaritmo decimale del reciproco della concentrazione degli ioni idrogeno). Un valore di pH pari a 7,0 corrisponde a una soluzione neutra, inferiore a 7,0 a una soluzione acida e superiore a 7,0 a una soluzione alcalina. Cellule e tessuti sono caratterizzati da un ambiente leggermente alcalino. I sistemi tampone fosfato (1) e bicarbonato (2) sono responsabili del mantenimento di questa reazione leggermente alcalina.