Hvilket kjemisk innhold? Kjemisk sammensetning av levende organismer

Mer enn 70 er funnet i levende organismer kjemiske elementer. De er integrert del visse stoffer som danner kroppens strukturer og deltar i kjemiske reaksjoner. Organismer inneholder mer av noen kjemiske elementer, mindre av andre, og atter andre er tilstede i ubetydelige mengder.

Makroelementer. Kjemiske grunnstoffer, hvis innhold i levende organismer varierer fra titalls til hundredeler av en prosent, kalles makroelementer. Levende organismer er mer enn 98 % sammensatt av fire kjemiske elementer: oksygen (O), karbon (C), hydrogen (H) og nitrogen (N). Hydrogen og oksygen - bestanddeler vann. Sammen med karbon og nitrogen er disse elementene hovedkomponentene i organiske forbindelser av levende organismer.

Sammensetningen av mange molekyler organisk materiale inkluderer også svovel (S) og fosfor (P). I tillegg inkluderer makroelementer natrium (Na), kalium (TIL), magnesium (Mg), kalsium (Ca), klor (C1), etc.

Det viktigste makronæringsstoffet for menneskekroppen er kalsium. Dets forbindelser, spesielt ortofosfat, danner mineralgrunnlaget for bein og tenner. Andre kalsiumforbindelser er involvert i nerve- og muskelaktivitet og er en del av cellene og vevsvæsken i kroppen. Det daglige behovet for en voksen for kalsium er fra 0,8 til 2 g. Hovedkildene til dette elementet er melk, kefir, cottage cheese, ost, fisk, bønner, persille, grønn løk, samt egg, bokhvete, havregryn, gulrøtter og erter.

Mat kan imidlertid også inneholde stoffer som forstyrrer absorpsjonen av kalsium, som oksalsyre og fytin. Med oksalsyre danner kalsium et lett løselig salt; fytin holder også kalsium ganske fast. Derfor er det viktig å ikke overbruke retter laget av sorrel og spinat, hvis blader inneholder 0,1-0,5 % oksalsyre. Fytin, som finnes i grønnsaker og korn, ødelegges av varme og er derfor mindre skadelig. Rugbrød er sunnere enn hvetebrød – det inneholder mindre fytin.

Mikroelementer. Vitale elementer som finnes i levende organismer i ekstremt små mengder (mindre enn 0,01%) utgjør gruppen mikroelementer. TIL Denne gruppen inkluderer noen metaller, som jern (Fe), sink (Zn), kobber (Cu), mangan (Mn), kobolt (Co), molybden (Mo), samt ikke-metaller fluor (F), jod (I) og etc.

Prosentinnholdet av et bestemt element karakteriserer ikke graden av dets betydning i kroppen. For eksempel er jod, hvis innhold normalt i menneskekroppen ikke overstiger 0,0001%, en del av skjoldbruskkjertelhormonene tyroksin og trijodtyronin. Disse hormonene regulerer stoffskiftet, påvirker vekst, utvikling og differensiering av vev, og aktiviteten til nervesystemet.

Jern og kobber er en del av enzymer som er involvert i cellulær respirasjon. Sammen med kobolt spiller de en viktig rolle i hematopoietiske prosesser. Sink og mangan påvirker vekst og utvikling av organismer. Fluor er en del av beinvev og tannemaljen. Mer detaljert informasjon innholdet og den biologiske rollen til kjemiske elementer i levende organismer er gitt i tabell 1.

Tabell 1. Biologisk viktige kjemiske grunnstoffer

* For planter - makronæringsstoff

For mennesker er kilder til makro- og mikroelementer mat og vann. Derfor, for fullt ut å møte behovene for makro- og mikroelementer, er et komplett og variert kosthold nødvendig, inkludert produkter av animalsk og planteopprinnelse. Hviterussland og noen andre regioner på jorden er preget av mangel på jod og fluor i naturlig vann. Derfor er det veldig viktig å spise sjømat oftere, og også å kompensere for denne mangelen ved å konsumere fluorert og iodisert bordsalt, hvis produksjon og salg er etablert i vårt land.

1. I hvilken gruppe tilhører alle elementer makroelementer? Til mikroelementer?

a) Jern, svovel, kobolt; c) natrium, oksygen, jod;

b) fosfor, magnesium, nitrogen; d) fluor, kobber, mangan.

2. Hvilke kjemiske grunnstoffer kalles makroelementer? List dem opp. Hvilken betydning har makronæringsstoffer i levende organismer?

3. Hvilke grunnstoffer kalles mikroelementer? Gi eksempler. Hvilken rolle har mikroelementer for organismers liv?

4. Etablere samsvar mellom et kjemisk grunnstoff og dets biologiske funksjon:

1) kalsium

3) kobolt

4) jod 5) sink 6) kobber

a) deltar i syntesen av plantehormoner, er en del av insulin, b) er en del av skjoldbruskkjertelhormoner.

c) er en komponent av klorofyll.

d) er en del av hemocyaninene til noen virvelløse dyr.

e) er nødvendig for muskelsammentrekning og blodpropp, f) er en del av vitamin B 12.

5. Forklar med utgangspunkt i materialet om makro- og mikroelementers biologiske rolle og kunnskapen oppnådd ved å studere menneskekroppen i 9. klasse, hvilke konsekvenser mangel på enkelte kjemiske elementer i menneskekroppen kan føre til.

6. Tabellen viser innholdet av de kjemiske hovedelementene i jordskorpen (i masse, i %). Sammenlign sammensetningen av jordskorpen og levende organismer. Hva kjennetegner den elementære sammensetningen av levende organismer? Hvilke fakta lar oss trekke en konklusjon om enheten mellom levende og livløs natur?

Kapittel 1. Kjemiske komponenter i levende organismer

• § 1. Innhold av kjemiske grunnstoffer i kroppen. Makro- og mikroelementer
• § 2. Kjemiske forbindelser i levende organismer. Uorganiske stoffer

Kapittel 2. Celle - strukturell og funksjonell enhet av levende organismer

• § 10. Historie om funn av cellen. Oppretting av celleteori
• § 15. Endoplasmatisk retikulum. Golgi kompleks. Lysosomer

Kapittel 3. Metabolisme og energiomsetning i kroppen

Den kjemiske sammensetningen til en celle er nært knyttet til de strukturelle egenskapene og funksjonen til denne elementære og funksjonelle enheten av levende ting. Som i morfologiske termer, er den vanligste og mest universelle for celler av representanter for alle riker den kjemiske sammensetningen av protoplasten. Sistnevnte inneholder ca. 80 % vann, 10 % organisk materiale og 1 % salter. Blant dem spiller proteiner, nukleinsyrer, lipider og karbohydrater en ledende rolle i dannelsen av en protoplast.

Sammensetningen av de kjemiske elementene i protoplasten er ekstremt kompleks. Den inneholder stoffer med både liten molekylvekt og stoffer med store molekyler. 80 % av vekten av protoplasten består av stoffer med høy molekylvekt og kun 30 % utgjøres av forbindelser med lav molekylvekt. Samtidig er det for hvert makromolekyl hundrevis, og for hvert stort makromolekyl er det tusenvis og titusenvis av molekyler.

Sammensetningen av en hvilken som helst celle inkluderer mer enn 60 elementer i det periodiske systemet.

Basert på hyppigheten av forekomst, kan elementer deles inn i tre grupper:

Uorganiske stoffer har lav molekylvekt og finnes og syntetiseres både i levende celler og i livløs natur. I cellen er disse stoffene representert hovedsakelig av vann og salter oppløst i den.

Vann utgjør omtrent 70 % av cellen. På grunn av sin spesielle egenskap ved molekylær polarisering, spiller vann en stor rolle i en celles liv.

Et vannmolekyl består av to hydrogenatomer og ett oksygenatom.

Den elektrokjemiske strukturen til molekylet er slik at oksygen har et lite overskudd av negativ ladning, og hydrogenatomer har en positiv ladning, det vil si at et vannmolekyl har to deler som tiltrekker seg andre vannmolekyler med motsatt ladede deler. Dette fører til en økning i forbindelsen mellom molekyler, som igjen bestemmer væsketilstanden for aggregering ved temperaturer fra 0 til 1000C, til tross for den relativt lave molekylvekten. Samtidig gir polariserte vannmolekyler bedre løselighet av salter.

Vannets rolle i cellen:

· Vann er mediet til cellen, alle biokjemiske reaksjoner finner sted i den.

· Vann utfører en transportfunksjon.

· Vann er et løsemiddel for uorganiske og enkelte organiske stoffer.

· Vann selv deltar i noen reaksjoner (for eksempel fotolyse av vann).

Salter finnes i cellen, vanligvis i oppløst form, det vil si i form av anioner (negativt ladede ioner) og kationer (positivt ladede ioner).

De viktigste anionene i cellen er hydroskid (OH -), karbonat (CO 3 2-), bikarbonat (CO 3 -), fosfat (PO 4 3-), hydrofosfat (HPO 4 -), dihydrogenfosfat (H 2 PO) 4 -). Anionenes rolle er enorm. Fosfat sørger for dannelse av høyenergibindinger (kjemiske bindinger med høy energi). Karbonater gir bufferegenskaper til cytoplasmaet. Bufferkapasitet er evnen til å opprettholde konstant surhet i en løsning.

De viktigste kationene inkluderer proton (H +), kalium (K +), natrium (Na +). Protonet er involvert i mange biokjemiske reaksjoner, og konsentrasjonen bestemmer også en så viktig egenskap ved cytoplasma som surheten. Kalium- og natriumioner gir en så viktig egenskap ved cellemembranen som ledningsevnen til en elektrisk impuls.

Cellen er den elementære strukturen der alle hovedstadiene av biologisk metabolisme utføres og inneholder alle de viktigste kjemiske komponentene i levende materie. 80% av vekten av protoplasten består av høymolekylære stoffer - proteiner, karbohydrater, lipider, nukleinsyrer, ATP. De organiske stoffene i cellen er representert av forskjellige biokjemiske polymerer, det vil si molekyler som består av mange repetisjoner av enklere, strukturelt lignende seksjoner (monomerer).

2. Organiske stoffer, deres struktur og rolle i cellens liv.

Sammensetningen av en levende celle inkluderer de samme kjemiske elementene som er en del av den livløse naturen. Av de 104 elementene i D. I. Mendeleevs periodiske system ble 60 funnet i celler.

De er delt inn i tre grupper:

1. hovedelementene er oksygen, karbon, hydrogen og nitrogen (98% av cellesammensetningen);
2. elementer som utgjør tideler og hundredeler av en prosent - kalium, fosfor, svovel, magnesium, jern, klor, kalsium, natrium (totalt 1,9%);
3. alle andre grunnstoffer som finnes i enda mindre mengder er mikroelementer.

Den molekylære sammensetningen av en celle er kompleks og heterogen. Individuelle forbindelser - vann og mineralsalter - finnes også i den livløse naturen; andre - organiske forbindelser: karbohydrater, fett, proteiner, nukleinsyrer osv. - er kun karakteristiske for levende organismer.

UORGANISKE STOFFER

Vann utgjør omtrent 80 % av cellens masse; i unge raskt voksende celler - opptil 95%, i gamle celler - 60%.

Vannets rolle i cellen er stor.

Det er hovedmediet og løsningsmidlet, deltar i de fleste kjemiske reaksjoner, bevegelse av stoffer, termoregulering, dannelse av cellulære strukturer, og bestemmer volumet og elastisiteten til cellen. De fleste stoffer kommer inn og ut av kroppen i en vandig løsning. Den biologiske rollen til vann bestemmes av strukturens spesifisitet: polariteten til molekylene og evnen til å danne hydrogenbindinger, på grunn av hvilke komplekser av flere vannmolekyler oppstår. Hvis tiltrekningsenergien mellom vannmolekyler er mindre enn mellom vannmolekylene og et stoff, løses den opp i vann. Slike stoffer kalles hydrofile (fra gresk "hydro" - vann, "filet" - kjærlighet). Dette er mange mineralsalter, proteiner, karbohydrater osv. Hvis tiltrekningsenergien mellom vannmolekyler er større enn tiltrekningsenergien mellom vannmolekyler og et stoff, er slike stoffer uløselige (eller svakt løselige), de kalles hydrofobe ( fra det greske "phobos" - frykt) - fett, lipider, etc.

Mineralsalter i vandige celleløsninger dissosieres til kationer og anioner, og gir en stabil mengde nødvendige kjemiske elementer og osmotisk trykk. Av kationene er de viktigste K +, Na +, Ca 2+, Mg +. Konsentrasjonen av individuelle kationer i cellen og i det ekstracellulære miljøet er ikke den samme. I en levende celle er konsentrasjonen av K høy, Na + lav, og i blodplasmaet er tvert imot konsentrasjonen av Na + høy og K + lav. Dette skyldes den selektive permeabiliteten til membraner. Forskjellen i konsentrasjonen av ioner i cellen og miljøet sikrer strømmen av vann fra miljø inn i cellen og absorpsjon av vann av planterøtter. Feil individuelle elementer- Fe, P, Mg, Co, Zn - blokkerer dannelsen av nukleinsyrer, hemoglobin, proteiner og andre vitale stoffer og fører til alvorlige sykdommer. Anioner bestemmer konstansen til pH-cellemiljøet (nøytralt og svakt alkalisk). Av anionene er de viktigste HPO 4 2-, H 2 PO 4 -, Cl -, HCO 3 -

ORGANISKE STOFFER

Organiske stoffer i komplekset utgjør omtrent 20-30% av cellesammensetningen.

Karbohydrater- organiske forbindelser bestående av karbon, hydrogen og oksygen. De er delt inn i enkle - monosakkarider (fra gresk "monos" - en) og komplekse - polysakkarider (fra gresk "poly" - mange).

Monosakkarider(deres generelle formel er C n H 2n O n) - fargeløse stoffer med en behagelig søt smak, svært løselig i vann. De er forskjellige i antall karbonatomer. Av monosakkaridene er de vanligste heksoser (med 6 C-atomer): glukose, fruktose (finnes i frukt, honning, blod) og galaktose (finnes i melk). Av pentosene (med 5 C-atomer) er de vanligste ribose og deoksyribose, som er en del av nukleinsyrer og ATP.

Polysakkarider referer til polymerer - forbindelser der samme monomer gjentas mange ganger. Monomerene til polysakkarider er monosakkarider. Polysakkarider er vannløselige og mange har en søt smak. Av disse er de enkleste disakkaridene, bestående av to monosakkarider. For eksempel består sukrose av glukose og fruktose; melkesukker - fra glukose og galaktose. Når antallet monomerer øker, reduseres løseligheten av polysakkarider. Av de høymolekylære polysakkaridene er glykogen det vanligste hos dyr, og stivelse og fiber (cellulose) i planter. Sistnevnte består av 150-200 glukosemolekyler.

Karbohydrater- den viktigste energikilden for alle former for cellulær aktivitet (bevegelse, biosyntese, sekresjon, etc.). Ved å bryte ned til de enkleste produktene CO 2 og H 2 O, frigjør 1 g karbohydrat 17,6 kJ energi. Karbohydrater utfører en konstruksjonsfunksjon i planter (deres skall består av cellulose) og rollen som lagringsstoffer (i planter - stivelse, i dyr - glykogen).

Lipider– Dette er vannuløselige fettlignende stoffer og fett, bestående av glyserol og høymolekylære fettsyrer. Animalsk fett finnes i melk, kjøtt og underhud. Ved romtemperatur er de faste stoffer. I planter finnes fett i frø, frukt og andre organer. Ved romtemperatur er de væsker. Fettlignende stoffer ligner i kjemisk struktur på fett. Det er mange av dem i eggeplommene, hjerneceller og annet vev.

Lipidenes rolle bestemmes av deres strukturelle funksjon. De utgjør cellemembraner, som på grunn av sin hydrofobisitet hindrer blanding av celleinnhold med miljøet. Lipider utfører en energifunksjon. Ved å bryte ned til CO 2 og H 2 O frigjør 1 g fett 38,9 kJ energi. De leder varme dårlig, akkumuleres i det subkutane vevet (og andre organer og vev), og utfører en beskyttende funksjon og tjener som reservestoffer.

Ekorn- det mest spesifikke og viktige for kroppen. De tilhører ikke-periodiske polymerer. I motsetning til andre polymerer består molekylene deres av lignende, men ikke-identiske monomerer - 20 forskjellige aminosyrer.

Hver aminosyre har sitt eget navn, spesielle struktur og egenskaper. Deres generelle formel kan representeres som følger

Et aminosyremolekyl består av en spesifikk del (radikal R) og en del som er lik for alle aminosyrer, inkludert en aminogruppe (- NH 2) med basiske egenskaper, og en karboksylgruppe (COOH) med sure egenskaper. Tilstedeværelsen av sure og basiske grupper i ett molekyl bestemmer deres høye reaktivitet. Gjennom disse gruppene kombineres aminosyrer for å danne en polymer - protein. I dette tilfellet frigjøres et vannmolekyl fra aminogruppen til en aminosyre og karboksylen til en annen, og de frigjorte elektronene kombineres for å danne en peptidbinding. Derfor kalles proteiner polypeptider.

Et proteinmolekyl er en kjede av flere titalls eller hundrevis av aminosyrer.

Proteinmolekyler er enorme i størrelse, og det er derfor de kalles makromolekyler. Proteiner, som aminosyrer, er svært reaktive og kan reagere med syrer og alkalier. De er forskjellige i sammensetning, mengde og sekvens av aminosyrer (antallet slike kombinasjoner av 20 aminosyrer er nesten uendelig). Dette forklarer mangfoldet av proteiner.

Det er fire organisasjonsnivåer i strukturen til proteinmolekyler (59)

• Primær struktur- en polypeptidkjede av aminosyrer koblet i en bestemt sekvens med kovalente (sterke) peptidbindinger.
• Sekundær struktur- en polypeptidkjede vridd inn i en tett spiral. I den oppstår lavstyrke hydrogenbindinger mellom peptidbindingene til nabosvingene (og andre atomer). Sammen gir de en ganske sterk struktur.
• Tertiær struktur representerer en bisarr, men spesifikk konfigurasjon for hvert protein - en kule. Det holdes av lavstyrke hydrofobe bindinger eller adhesive krefter mellom ikke-polare radikaler, som finnes i mange aminosyrer. På grunn av deres overflod gir de tilstrekkelig stabilitet av proteinmakromolekylet og dets mobilitet. Den tertiære strukturen til proteiner opprettholdes også på grunn av kovalente S - S (es - es) bindinger som oppstår mellom fjerne radikaler av den svovelholdige aminosyren - cystein.
• Kvartær struktur ikke typisk for alle proteiner. Det oppstår når flere proteinmakromolekyler kombineres for å danne komplekser. For eksempel er hemoglobin i humant blod et kompleks av fire makromolekyler av dette proteinet.

Denne kompleksiteten til strukturen til proteinmolekyler er assosiert med mangfoldet av funksjoner som er iboende i disse biopolymerene. Strukturen til proteinmolekyler avhenger imidlertid av miljøets egenskaper.

Krenkelse av den naturlige strukturen til et protein kalles denaturering. Det kan oppstå under påvirkning av høy temperatur, kjemiske substanser, strålingsenergi og andre faktorer. Med en svak innvirkning desintegrerer bare den kvartære strukturen, med en sterkere - den tertiære, og deretter den sekundære, og proteinet forblir i form av en primær struktur - en polypeptidkjede. Denne prosessen er delvis reversibel, og det denaturerte proteinet er i stand til å gjenopprette sin struktur.

Proteinets rolle i en celles liv er enorm.

Ekorn- Dette byggemateriale kropp. De deltar i konstruksjonen av skallet, organeller og membraner i cellen og individuelle vev (hår, blodårer, etc.). Mange proteiner fungerer som katalysatorer i cellen - enzymer som akselererer cellulære reaksjoner titalls eller hundrevis av millioner ganger. Omtrent tusen enzymer er kjent. I tillegg til protein inkluderer deres sammensetning metaller Mg, Fe, Mn, vitaminer, etc.

Hver reaksjon katalyseres av sitt eget spesifikke enzym. I dette tilfellet er det ikke hele enzymet som virker, men en viss region - det aktive senteret. Den passer inn i underlaget som en nøkkel i en lås. Enzymer opererer ved en viss temperatur og pH i miljøet. Spesielle kontraktile proteiner gir de motoriske funksjonene til cellene (bevegelse av flageller, ciliater, muskelkontraksjon, etc.). Individuelle proteiner (blodhemoglobin) utfører en transportfunksjon, og leverer oksygen til alle organer og vev i kroppen. Spesifikke proteiner - antistoffer - utfører en beskyttende funksjon, nøytraliserer fremmede stoffer. Noen proteiner utfører en energifunksjon. Ved å bryte ned til aminosyrer og deretter til enda enklere stoffer, frigjør 1 g protein 17,6 kJ energi.

Nukleinsyrer(fra det latinske "kjerne" - kjerne) ble først oppdaget i kjernen. De er av to typer - deoksyribonukleinsyrer(DNA) og ribonukleinsyrer(RNA). Deres biologiske rolle er stor; de bestemmer syntesen av proteiner og overføringen av arvelig informasjon fra en generasjon til en annen.

DNA-molekylet har en kompleks struktur. Den består av to spiralvridde kjeder. Bredden på den doble helixen er 2 nm 1, lengden er flere titalls og til og med hundrevis av mikromikroner (hundrevis eller tusenvis av ganger større enn det største proteinmolekylet). DNA er en polymer hvis monomerer er nukleotider - forbindelser som består av et molekyl av fosforsyre, et karbohydrat - deoksyribose og en nitrogenholdig base. Deres generelle formel er som følger:

Fosforsyre og karbohydrat er like i alle nukleotider, og nitrogenholdige baser er av fire typer: adenin, guanin, cytosin og tymin. De bestemmer navnet på de tilsvarende nukleotidene:

• adenyl (A),
• guanyl (G),
• cytosyl (C),
• tymidyl (T).

Hver DNA-streng er et polynukleotid som består av flere titusenvis av nukleotider. I den er nabonukleotider forbundet med en sterk kovalent binding mellom fosforsyre og deoksyribose.

Gitt den enorme størrelsen på DNA-molekyler, kan kombinasjonen av fire nukleotider i dem være uendelig stor.

Når en DNA-dobbelspiral dannes, er de nitrogenholdige basene i den ene kjeden ordnet i en strengt definert rekkefølge motsatt nitrogenbasene til den andre. I dette tilfellet er T alltid mot A, og bare C er mot G. Dette forklares med at A og T, samt G og C, strengt tatt samsvarer med hverandre, som to halvdeler knust glass, og er tillegg eller komplementære(fra gresk "komplement" - tillegg) til hverandre. Hvis sekvensen av nukleotider i en DNA-kjede er kjent, er det ved komplementaritetsprinsippet mulig å bestemme nukleotidene til den andre kjeden (se vedlegg, oppgave 1). Komplementære nukleotider er koblet sammen ved hjelp av hydrogenbindinger.

Det er to forbindelser mellom A og T, og tre mellom G og C.

Doblingen av DNA-molekylet er dets unike egenskap, som sikrer overføring av arvelig informasjon fra modercellen til dattercellene. Prosessen med DNA-dobling kalles DNA-reduplikasjon. Det utføres som følger. Kort tid før celledeling vikler DNA-molekylet seg ut og dets dobbelttråd, under påvirkning av et enzym, splittes i den ene enden i to uavhengige kjeder. På hver halvdel av de frie nukleotidene i cellen, i henhold til komplementaritetsprinsippet, bygges en andre kjede. Som et resultat, i stedet for ett DNA-molekyl, vises to helt identiske molekyler.

RNA- en polymer som i struktur ligner en DNA-streng, men mye mindre i størrelse. RNA-monomerer er nukleotider som består av fosforsyre, et karbohydrat (ribose) og en nitrogenholdig base. Tre nitrogenholdige baser av RNA - adenin, guanin og cytosin - tilsvarer de av DNA, men den fjerde er annerledes. I stedet for tymin inneholder RNA uracil. Dannelsen av en RNA-polymer skjer gjennom kovalente bindinger mellom ribose og fosforsyre til nabonukleotider. Tre typer RNA er kjent: messenger RNA(i-RNA) overfører informasjon om strukturen til proteinet fra DNA-molekylet; overføre RNA(tRNA) transporterer aminosyrer til stedet for proteinsyntese; ribosomalt RNA (r-RNA) finnes i ribosomer og er involvert i proteinsyntese.

ATP- adenosintrifosforsyre er en viktig organisk forbindelse. Strukturen er et nukleotid. Den inneholder den nitrogenholdige basen adenin, karbohydratet ribose og tre molekyler fosforsyre. ATP er en ustabil struktur; under påvirkning av enzymet brytes bindingen mellom "P" og "O", et molekyl av fosforsyre spaltes og ATP går inn i

Celle: kjemisk sammensetning, struktur, funksjoner til organeller.

Kjemisk sammensetning av cellen. Makro- og mikroelementer. Forholdet mellom strukturen og funksjonene til uorganiske og organiske stoffer (proteiner, nukleinsyrer, karbohydrater, lipider, ATP) som utgjør cellen. Kjemikaliers rolle i cellen og menneskekroppen.

Organismer er bygd opp av celler. Celler forskjellige organismer har en lignende kjemisk sammensetning. Tabell 1 viser de viktigste kjemiske elementene som finnes i cellene til levende organismer.

Tabell 1. Innhold av kjemiske grunnstoffer i cellen

Den første gruppen inkluderer oksygen, karbon, hydrogen og nitrogen. De står for nesten 98% av den totale sammensetningen av cellen.

Den andre gruppen inkluderer kalium, natrium, kalsium, svovel, fosfor, magnesium, jern, klor. Innholdet deres i cellen er tideler og hundredeler av en prosent. Elementer i disse to gruppene er klassifisert som makronæringsstoffer(fra gresk makro- stor).

De resterende elementene, representert i cellen med hundredeler og tusendeler av en prosent, er inkludert i den tredje gruppen. Dette mikroelementer(fra gresk mikro- liten).

Ingen elementer unike for levende natur ble funnet i cellen. Alle de oppførte kjemiske elementene er også en del av den livløse naturen. Dette indikerer enheten mellom levende og livløs natur.

En mangel på ethvert element kan føre til sykdom og til og med død av kroppen, siden hvert element spiller en spesifikk rolle. Makroelementer av den første gruppen danner grunnlaget for biopolymerer - proteiner, karbohydrater, nukleinsyrer, så vel som lipider, uten hvilke liv er umulig. Svovel er en del av noen proteiner, fosfor er en del av nukleinsyrer, jern er en del av hemoglobin, og magnesium er en del av klorofyll. Kalsium spiller en viktig rolle i metabolismen.

Noen av de kjemiske elementene i cellen er en del av uorganiske stoffer - mineralsalter og vann.

Mineralsalter finnes i cellen, som regel, i form av kationer (K ​​+, Na +, Ca 2+, Mg 2+) og anioner (HPO 2-/4, H 2 PO -/4, CI -, HCO 3), hvor forholdet bestemmer surheten i miljøet, som er viktig for cellenes liv.

(I mange celler er miljøet svakt alkalisk og pH-verdien endres nesten ikke, siden et visst forhold mellom kationer og anioner konstant opprettholdes i det.)

Av de uorganiske stoffene i levende natur, spiller en stor rolle vann.

Uten vann er livet umulig. Det utgjør en betydelig masse av de fleste celler. Mye vann er inneholdt i cellene i hjernen og menneskelige embryoer: mer enn 80 % vann; i fettvevsceller - kun 40,% Ved høy alder synker vanninnholdet i cellene. En person som har mistet 20 % av vannet dør.

Vannets unike egenskaper bestemmer dets rolle i kroppen. Det er involvert i termoregulering, som skyldes den høye varmekapasiteten til vann - forbruket av en stor mengde energi ved oppvarming. Hva bestemmer den høye varmekapasiteten til vann?

I et vannmolekyl er et oksygenatom kovalent bundet til to hydrogenatomer. Vannmolekylet er polart fordi oksygenatomet har en delvis negativ ladning, og hvert av de to hydrogenatomene har

Delvis positiv ladning. En hydrogenbinding dannes mellom oksygenatomet til ett vannmolekyl og hydrogenatomet til et annet molekyl. Hydrogenbindinger gir koblingen av et stort antall vannmolekyler. Når vann varmes opp, brukes en betydelig del av energien på å bryte hydrogenbindinger, noe som bestemmer dens høye varmekapasitet.

Vann - godt løsemiddel. På grunn av deres polaritet interagerer molekylene med positivt og negativt ladede ioner, og fremmer derved oppløsningen av stoffet. I forhold til vann er alle cellestoffer delt inn i hydrofile og hydrofobe.

Hydrofil(fra gresk hydro- vann og filleo- kjærlighet) kalles stoffer som løses opp i vann. Disse inkluderer ioniske forbindelser (for eksempel salter) og noen ikke-ioniske forbindelser (for eksempel sukker).

Hydrofobisk(fra gresk hydro- vann og Phobos- frykt) er stoffer som er uløselige i vann. Disse inkluderer for eksempel lipider.

Vann spiller en viktig rolle i de kjemiske reaksjonene som skjer i cellen i vandige løsninger. Det løser opp metabolske produkter som kroppen ikke trenger og fremmer dermed deres fjerning fra kroppen. Det høye vanninnholdet i cellen gir det elastisitet. Vann letter bevegelsen av ulike stoffer i en celle eller fra celle til celle.

Kroppene av levende og livløs natur består av de samme kjemiske elementene. Levende organismer inneholder uorganiske stoffer - vann og mineralsalter. De mange viktige funksjonene til vann i en celle bestemmes av egenskapene til molekylene: deres polaritet, evnen til å danne hydrogenbindinger.

UORGANISKE KOMPONENTER I CELLEN

En annen type klassifisering av elementer i en celle:

Makroelementer inkluderer oksygen, karbon, hydrogen, fosfor, kalium, svovel, klor, kalsium, magnesium, natrium, jern.
Mikroelementer inkluderer mangan, kobber, sink, jod, fluor.
Ultramikroelementer inkluderer sølv, gull, brom og selen.

ORGANISKE KOMPONENTER AV CELLER

Proteinstruktur

Enzymer.

Den viktigste funksjonen til proteiner er katalytisk. Proteinmolekyler som øker hastigheten på kjemiske reaksjoner i en celle med flere størrelsesordener kalles enzymer. Ikke en eneste biokjemisk prosess i kroppen skjer uten deltakelse av enzymer.

For tiden har over 2000 enzymer blitt oppdaget. Effektiviteten deres er mange ganger høyere enn effektiviteten til uorganiske katalysatorer som brukes i produksjonen. Dermed erstatter 1 mg jern i katalaseenzymet 10 tonn uorganisk jern. Katalase øker nedbrytningshastigheten av hydrogenperoksid (H 2 O 2) med 10 11 ganger. Enzymet som katalyserer reaksjonen av karbonsyredannelse (CO 2 + H 2 O = H 2 CO 3) akselererer reaksjonen 10 7 ganger.

En viktig egenskap til enzymer er spesifisiteten til deres virkning; hvert enzym katalyserer bare én eller en liten gruppe lignende reaksjoner.

Stoffet som enzymet virker på kalles substrat. Strukturene til enzym- og substratmolekylene må samsvare nøyaktig med hverandre. Dette forklarer spesifisiteten til virkningen av enzymer. Når et substrat kombineres med et enzym, endres den romlige strukturen til enzymet.

Sekvensen av interaksjon mellom enzym og substrat kan avbildes skjematisk:

Substrat+Enzyme - Enzym-substrat kompleks - Enzym+Produkt.

Diagrammet viser at substratet kombineres med enzymet for å danne et enzym-substratkompleks. I dette tilfellet omdannes substratet til et nytt stoff - et produkt. På det siste stadiet frigjøres enzymet fra produktet og interagerer igjen med et annet substratmolekyl.

Enzymer fungerer bare ved en viss temperatur, konsentrasjon av stoffer og surhet i miljøet. Endre forhold fører til endringer i den tertiære og kvaternære strukturen til proteinmolekylet, og følgelig til undertrykkelse av enzymaktivitet. Hvordan skjer dette? Bare en viss del av enzymmolekylet, kalt aktivt senter. Det aktive senteret inneholder fra 3 til 12 aminosyrerester og dannes som et resultat av bøyning av polypeptidkjeden.

Under påvirkning av ulike faktorer endres strukturen til enzymmolekylet. I dette tilfellet blir den romlige konfigurasjonen av det aktive senteret forstyrret, og enzymet mister sin aktivitet.

Enzymer er proteiner som fungerer som biologiske katalysatorer. Takket være enzymer øker hastigheten på kjemiske reaksjoner i cellene med flere størrelsesordener. En viktig egenskap ved enzymer er deres virkningsspesifisitet under visse forhold.

Nukleinsyrer.

Nukleinsyrer ble oppdaget i andre halvdel av 1800-tallet. Den sveitsiske biokjemikeren F. Miescher, som isolerte et stoff fra cellekjerner med høyt innhold nitrogen og fosfor og kalte det "nuklein" (fra lat. kjerne- kjerne).

Nukleinsyrer lagrer arvelig informasjon om strukturen og funksjonen til hver celle og alle levende vesener på jorden. Det finnes to typer nukleinsyrer - DNA (deoksyribonukleinsyre) og RNA (ribonukleinsyre). Nukleinsyrer, som proteiner, er artsspesifikke, det vil si at organismer av hver art har sin egen type DNA. For å finne ut årsakene til artsspesifisitet, vurder strukturen til nukleinsyrer.

Nukleinsyremolekyler er veldig lange kjeder som består av mange hundre og til og med millioner av nukleotider. Enhver nukleinsyre inneholder bare fire typer nukleotider. Funksjonene til nukleinsyremolekyler avhenger av strukturen deres, nukleotidene de inneholder, antallet i kjeden og sekvensen til forbindelsen i molekylet.

Hvert nukleotid består av tre komponenter: en nitrogenholdig base, et karbohydrat og en fosforsyre. Hvert DNA-nukleotid inneholder en av fire typer nitrogenholdige baser (adenin - A, tymin - T, guanin - G eller cytosin - C), samt karbohydratet deoksyribose og en fosforsyrerest.

Dermed skiller DNA-nukleotider seg bare i typen nitrogenholdig base.

DNA-molekylet består av et stort antall nukleotider koblet i en kjede i en bestemt sekvens. Hver type DNA-molekyl har sitt eget antall og sekvens av nukleotider.

DNA-molekyler er veldig lange. For å skrive ned sekvensen av nukleotider i DNA-molekyler fra én menneskelig celle (46 kromosomer) i bokstaver vil for eksempel kreve en bok på rundt 820 000 sider. Vekslingen av fire typer nukleotider kan danne et uendelig antall varianter av DNA-molekyler. Disse strukturelle egenskapene til DNA-molekyler lar dem lagre en enorm mengde informasjon om alle egenskapene til organismer.

I 1953 laget den amerikanske biologen J. Watson og den engelske fysikeren F. Crick en modell av strukturen til DNA-molekylet. Forskere har funnet ut at hvert DNA-molekyl består av to kjeder som er sammenkoblet og spiralformet. Det ser ut som en dobbel helix. I hver kjede veksler fire typer nukleotider i en bestemt sekvens.

Nukleotidsammensetningen til DNA varierer mellom forskjellige typer bakterier, sopp, planter, dyr. Men det endrer seg ikke med alderen og avhenger lite av miljøendringer. Nukleotider er sammenkoblet, det vil si at antall adeninnukleotider i ethvert DNA-molekyl er lik antall tymidinnukleotider (A-T), og antall cytosinnukleotider er lik antall guaninnukleotider (C-G). Dette skyldes det faktum at koblingen av to kjeder til hverandre i et DNA-molekyl er underlagt en viss regel, nemlig: adenin i en kjede er alltid forbundet med to hydrogenbindinger bare med tymin i den andre kjeden, og guanin - ved tre hydrogenbindinger med cytosin, det vil si at nukleotidkjedene til ett molekyl DNA er komplementære, utfyller hverandre.

Nukleinsyremolekyler - DNA og RNA - er bygd opp av nukleotider. DNA-nukleotider inkluderer en nitrogenholdig base (A, T, G, C), karbohydratet deoksyribose og en fosforsyremolekylrest. DNA-molekylet er en dobbel helix, bestående av to kjeder forbundet med hydrogenbindinger i henhold til komplementaritetsprinsippet. Funksjonen til DNA er å lagre arvelig informasjon.

Cellene til alle organismer inneholder molekyler av ATP - adenosintrifosforsyre. ATP er et universelt cellestoff, hvis molekyl har energirike bindinger. ATP-molekylet er ett unikt nukleotid, som i likhet med andre nukleotider består av tre komponenter: en nitrogenholdig base - adenin, et karbohydrat - ribose, men i stedet for ett inneholder det tre rester av fosforsyremolekyler (fig. 12). Forbindelsene angitt i figuren med et ikon er rike på energi og kalles makroergisk. Hvert ATP-molekyl inneholder to høyenergibindinger.

Når en høyenergibinding brytes og ett molekyl fosforsyre fjernes ved hjelp av enzymer, frigjøres 40 kJ/mol energi, og ATP omdannes til ADP – adenosindifosforsyre. Når et annet molekyl av fosforsyre fjernes, frigjøres ytterligere 40 kJ/mol; AMP dannes - adenosinmonofosforsyre. Disse reaksjonene er reversible, det vil si at AMP kan konverteres til ADP, ADP til ATP.

ATP-molekyler brytes ikke bare ned, men syntetiseres også, så innholdet i cellen er relativt konstant. Betydningen av ATP i livet til en celle er enorm. Disse molekylene spiller en ledende rolle i energimetabolismen som er nødvendig for å sikre livet til cellen og organismen som helhet.

Et RNA-molekyl er vanligvis en enkeltkjede, bestående av fire typer nukleotider - A, U, G, C. Tre hovedtyper av RNA er kjent: mRNA, rRNA, tRNA. Innholdet av RNA-molekyler i en celle er ikke konstant, de deltar i proteinbiosyntesen. ATP er en universell energisubstans i cellen, som inneholder energirike bindinger. ATP spiller en sentral rolle i cellulær energimetabolisme. RNA og ATP finnes både i cellens kjerne og cytoplasma.

Biologi- livskunnskap. Biologiens viktigste oppgave er studiet av mangfold, struktur, liv, individuell utvikling og utviklingen av levende organismer, deres forhold til miljøet.

Levende organismer har en rekke funksjoner som skiller dem fra livløs natur. Hver for seg er hver av forskjellene ganske vilkårlige, så de bør vurderes i kombinasjon.

Tegn som skiller levende materie fra ikke-levende materie:

1. evnen til å reprodusere og overføre arvelig informasjon til neste generasjon;
2. metabolisme og energi;
3. eksitabilitet;
4. tilpasningsevne til spesifikke levekår;
5. byggemateriale - biopolymerer (de viktigste av dem er proteiner og nukleinsyrer);
6. spesialisering fra molekyler til organer og en høy grad av deres organisasjon;
7. høyde;
8. aldring;
9. død.

Nivåer av organisering av levende materie:

1. molekylær,
2. mobilnettet,
3. stoff,
4. organ,
5. organisme,
6. populasjonsarter,
7. biogeocenotisk,
8. biosfære.

Livsmangfold

Kjernefysiske celler var de første som dukket opp på planeten vår. De fleste forskere aksepterer at kjernefysiske organismer dukket opp som et resultat av symbiosen mellom eldgamle arkebakterier med blågrønne alger og oksiderende bakterier (teorien om symbiogenese).

Cytologi

Cytologi- vitenskapen om bur. Studerer strukturen og funksjonene til celler i encellede og flercellede organismer. Cellen er den elementære enheten for struktur, funksjon, vekst og utvikling av alle levende vesener. Derfor ligger prosessene og mønstrene som er karakteristiske for cytologi til grunn for prosessene som er studert av mange andre vitenskaper (anatomi, genetikk, embryologi, biokjemi, etc.).

Kjemiske elementer i cellen

Kjemisk element- en bestemt type atom med samme positive kjerneladning. Rundt 80 kjemiske grunnstoffer er funnet i celler. De kan deles inn i fire grupper:
Gruppe 1 - karbon, hydrogen, oksygen, nitrogen (98% av celleinnholdet),
Gruppe 2 - kalium, natrium, kalsium, magnesium, svovel, fosfor, klor, jern (1,9%),
Gruppe 3 - sink, kobber, fluor, jod, kobolt, molybden, etc. (mindre enn 0,01%),
Gruppe 4 - gull, uran, radium, etc. (mindre enn 0,00001%).

Elementene i den første og andre gruppen i de fleste manualer kalles makronæringsstoffer, elementer i den tredje gruppen - mikroelementer, elementer i den fjerde gruppen - ultramikroelementer. For makro- og mikroelementer er det avklart hvilke prosesser og funksjoner de deltar i. For de fleste ultramikroelementer er det ikke identifisert en biologisk rolle.

Atomer av kjemiske elementer i levende organismer dannes uorganisk(vann, salter) og organiske forbindelser(proteiner, nukleinsyrer, lipider, karbohydrater). På atomnivå er det ingen forskjeller mellom levende og ikke-levende materie; forskjeller vil dukke opp på de neste, høyere nivåene av organisering av levende materie.

Vann

Vann- den vanligste uorganiske forbindelsen. Vanninnholdet varierer fra 10 % (tannemalje) til 90 % av cellemassen (embryo som utvikler seg). Uten vann er liv umulig; den biologiske betydningen av vann bestemmes av dets kjemiske og fysiske egenskaper.

Vannmolekylet har en vinkelform: hydrogenatomer danner en vinkel på 104,5° i forhold til oksygen. Den delen av molekylet hvor hydrogen befinner seg er positivt ladet, delen hvor oksygen befinner seg er negativt ladet, og derfor er vannmolekylet en dipol. Hydrogenbindinger dannes mellom vanndipoler. Fysiske egenskaper vann: gjennomsiktig, maksimal tetthet ved 4 °C, høy varmekapasitet, komprimerer praktisk talt ikke; Rent vann leder varme og strøm dårlig, fryser ved 0 °C, koker ved 100 °C osv. Kjemiske egenskaper vann: et godt løsemiddel, danner hydrater, gjennomgår hydrolytiske nedbrytningsreaksjoner, interagerer med mange oksider, etc. I forhold til evnen til å løse seg i vann, skilles de ut: hydrofile stoffer- svært løselig, hydrofobe stoffer- praktisk talt uløselig i vann.

Biologisk betydning av vann:

1. er grunnlaget for det indre og intracellulære miljøet,
2. sikrer vedlikehold av romlig struktur,
3. sørger for transport av stoffer
4. hydrerer polare molekyler,
5. fungerer som et løsemiddel og medium for diffusjon,
6. deltar i reaksjonene av fotosyntese og hydrolyse,
7. hjelper avkjøle kroppen,
8. er et habitat for mange organismer,
9. fremmer migrasjon og distribusjon av frø, frukt, larvestadier,
10. er miljøet der befruktning skjer,
11. i planter, sikrer transpirasjon og frøspiring,
12. fremmer jevn fordeling av varme i kroppen og mye mer. etc.

Andre uorganiske forbindelser i cellen

Andre uorganiske forbindelser er hovedsakelig representert av salter, som kan finnes enten i oppløst form (dissosiert til kationer og anioner) eller faste. Kationene K + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+ (se tabell over) og anionene HPO 4 2 - , Cl - , HCO 3 - er viktige for cellens levetid, og gir cellens bufferegenskaper. . Bufring- evnen til å opprettholde pH på et visst nivå (pH er desimallogaritmen til den gjensidige konsentrasjonen av hydrogenioner). En pH-verdi på 7,0 tilsvarer en nøytral løsning, under 7,0 til en sur løsning og over 7,0 til en alkalisk løsning. Celler og vev er preget av et lett alkalisk miljø. Fosfat (1) og bikarbonat (2) buffersystemer er ansvarlige for å opprettholde denne svakt alkaliske reaksjonen.