Значението на най-важните химични елементи и съединения за клетката и организма. Химически елементи в клетките на живите организми - Хипермаркет на знанията

Елементен състав на тялото

от химичен съставКлетките на различните организми могат да се различават значително, но се състоят от едни и същи елементи. Около 70 елемента от периодичната таблица на D.I. Менделеев, но само 24 от тях са от голямо значение и се намират постоянно в живите организми.

Макронутриенти - кислород, въглеводород, водород, азот - са част от молекулите на органичните вещества. Макроелементите напоследък включват калий, натрий, калций, сяра, фосфор, магнезий, желязо, хлор. Съдържанието им в клетката е десети и стотни от процента.

Магнезият е част от хлорофила; желязо - хемоглобин; фосфор - костна тъкан, нуклеинови киселини; калций - кости, ракообразни костенурки, сяра - в състава на протеини; калиеви, натриеви и хлоридни йони участват в промяната на потенциала на клетъчната мембрана.

микроелементи са представени в клетка със стотни и хилядни от процента. Това са цинк, мед, йод, флуор, молибден, бор и др.

Микроелементите са част от ензими, хормони, пигменти.

Ултрамикроелементи - елементи, чието съдържание в клетката не надвишава 0,000001%. Това са уран, злато, живак, цезий и др.

Водата и нейното биологично значение

Водата количествено се нарежда сред химични съединенияпърво място във всички клетки. В зависимост от вида на клетките, тяхното функционално състояние, вида на организма и условията на неговото присъствие съдържанието му в клетките варира значително.

Клетките на костната тъкан съдържат не повече от 20% вода, мастната тъкан - около 40%, мускулните клетки - 76%, а ембрионалните клетки - повече от 90%.

Забележка 1

В клетките на всеки организъм количеството вода намалява значително с възрастта.

Оттук и изводът, че колкото по-висока е функционалната активност на организма като цяло и на всяка клетка поотделно, толкова по-голямо е водното им съдържание и обратно.

Забележка 2

Предпоставка за жизнената дейност на клетките е наличието на вода. Той е основната част от цитоплазмата, поддържа нейната структура и стабилността на колоидите, които изграждат цитоплазмата.

Ролята на водата в клетката се определя от нейните химични и структурни свойства. На първо място, това се дължи на малкия размер на молекулите, тяхната полярност и способността да се комбинират с помощта на водородни връзки.

Водородните връзки се образуват с участието на водородни атоми, свързани с електроотрицателен атом (обикновено кислород или азот). В този случай водородният атом придобива толкова голям положителен заряд, че може да образува нова връзка с друг електроотрицателен атом (кислород или азот). Водните молекули също се свързват помежду си, при което единият край има положителен заряд, а другият е отрицателен. Такава молекула се нарича дипол. По-електроотрицателният кислороден атом на една водна молекула се привлича от положително заредения водороден атом на друга молекула, за да образува водородна връзка.

Поради факта, че водните молекули са полярни и способни да образуват водородни връзки, водата е перфектен разтворител за полярните вещества, които се наричат хидрофилен. Това са съединения с йонна природа, в които заредените частици (йони) се дисоциират (разделят) във вода при разтваряне на вещество (сол). Същата способност имат някои нейонни съединения, в чиято молекула има заредени (полярни) групи (в захари, аминокиселини, прости алкохоли, това са ОН групи). Веществата, състоящи се от неполярни молекули (липиди), са практически неразтворими във вода, т.е. хидрофоби.

Когато веществото премине в разтвор, неговите структурни частици (молекули или йони) придобиват способността да се движат по-свободно и съответно се увеличава реактивността на веществото. Поради това водата е основната среда, където протичат повечето химични реакции. Освен това всички окислително-редукционни реакции и реакции на хидролиза протичат с прякото участие на водата.

Водата има най-висок специфичен топлинен капацитет от всички известни вещества. Това означава, че при значително увеличение на топлинната енергия температурата на водата се повишава сравнително леко. Това се дължи на използването на значително количество от тази енергия за разрушаване на водородни връзки, които ограничават подвижността на водните молекули.

Поради високия си топлинен капацитет, водата служи като защита на растителните и животинските тъкани от силно и бързо повишаване на температурата, а високата топлина на изпаряване е основа за надеждно стабилизиране на телесната температура. Необходимостта от значително количество енергия за изпаряване на водата се дължи на факта, че между нейните молекули съществуват водородни връзки. Тази енергия идва от околната среда, така че изпаряването е придружено от охлаждане. Този процес може да се наблюдава по време на изпотяване, при топлинно задъхване при кучета, важен е и в процеса на охлаждане на транспириращите органи на растенията, особено в пустинни условия и в условия на сухи степи и периоди на суша в други региони.

Водата също има висока топлопроводимост, която осигурява равномерно разпределение на топлината в тялото. По този начин няма риск от локални „горещи точки“, които могат да причинят увреждане на клетъчните елементи. Това означава, че високият специфичен топлинен капацитет и високата топлопроводимост за течност правят водата идеална среда за поддържане на оптимален топлинен режим на тялото.

Водата има високо повърхностно напрежение. Този имот е много важен за адсорбционни процеси, движение на разтворите през тъканите (кръвообращение, движение нагоре и надолу през растението и др.).

Водата се използва като източник на кислород и водород, които се отделят по време на светлинната фаза на фотосинтезата.

Важните физиологични свойства на водата включват способността й да разтваря газове ($O_2$, $CO_2$ и др.). Освен това водата като разтворител участва в процеса на осмоза, която играе важна роля в живота на клетките и тялото.

Свойства на въглеводородите и неговата биологична роля

Ако не вземем предвид водата, можем да кажем, че повечето от клетъчните молекули принадлежат към въглеводороди, така наречените органични съединения.

Забележка 3

Въглеводородът, притежаващ уникални химически способности, фундаментални за живота, е неговата химическа основа.

Благодарение на малък размери наличност на външна обвивкачетири електрона, въглеводороден атом може да образува четири силни ковалентни връзки с други атоми.

Най-важна е способността на въглеводородните атоми да се свързват помежду си, образувайки вериги, пръстени и в крайна сметка скелета от големи и сложни органични молекули.

Освен това въглеводородът лесно образува ковалентни връзки с други биогенни елементи (обикновено с $H, Mg, P, O, S$). Това обяснява съществуването на астрономически брой различни органични съединениякоито осигуряват съществуването на живите организми във всичките му проявления. Тяхното разнообразие се проявява в структурата и размера на молекулите, техните химични свойства, степен на насищане на въглеродния скелет и различна формамолекули, което се определя от ъглите на вътрешномолекулните връзки.

Биополимери

Това са високомолекулни (молекулно тегло 103 - 109) органични съединения, чиито макромолекули се състоят от голям брой повтарящи се единици - мономери.

Биополимерите са протеини, нуклеинова киселина, полизахариди и техните производни (нишесте, гликоген, целулоза, хемицелулоза, пектин, хитин и др.). Мономерите за тях са съответно аминокиселини, нуклеотиди и монозахариди.

Забележка 4

Около 90% от сухата маса на клетката се състои от биополимери: полизахаридите преобладават в растенията, докато протеините преобладават в животните.

Пример 1

В една бактериална клетка има около 3 хиляди вида протеини и 1 хиляди нуклеинови киселини, а при хората броят на протеините се оценява на 5 милиона.

Биополимерите не само формират структурната основа на живите организми, но и играят водеща роля в жизнените процеси.

Структурната основа на биополимерите са линейни (протеини, нуклеинови киселини, целулоза) или разклонени (гликоген) вериги.

И нуклеинови киселини, имунни реакции, метаболитни реакции - и се осъществяват поради образуването на биополимерни комплекси и други свойства на биополимерите.

Днес много са открити и изолирани в чист вид химични елементипериодични таблици, а една пета от тях се намират във всеки жив организъм. Те, подобно на тухлите, са основните компоненти на органичните и неорганични вещества.

Какви химични елементи са част от клетката, биологията на кои вещества може да се използва, за да се прецени тяхното присъствие в тялото - ще разгледаме всичко това по-късно в статията.

Какво е постоянството на химичния състав

За да поддържа стабилност в тялото, всяка клетка трябва да поддържа концентрацията на всеки от компонентите си на постоянно ниво. Това ниво се определя от видовете, местообитанията, факторите на околната среда.

За да се отговори на въпроса кои химични елементи са част от клетката, е необходимо ясно да се разбере, че всяко вещество съдържа някой от компонентите на периодичната таблица.

Понякога въпросниятоколо стотни и хилядни от процента от съдържанието на определен елемент в клетка, но в същото време промяна в наименуваното число с поне една хилядна част вече може да носи сериозни последициза тялото.

От 118-те химични елемента в човешката клетка трябва да има поне 24. Няма такива компоненти, които да се намират в жив организъм, но да не са част от неодушевени обекти на природата. Този факт потвърждава тясната връзка между живите и неживите в екосистемата.

Ролята на различни елементи, които изграждат клетката

И така, кои са химичните елементи, които изграждат една клетка? Тяхната роля в живота на организма, трябва да се отбележи, пряко зависи от честотата на поява и концентрацията им в цитоплазмата. Въпреки това, въпреки различно съдържаниеелементи в клетката, значимостта на всеки от тях е еднакво висока. Дефицитът на някой от тях може да доведе до пагубен ефект върху организма, изключвайки най-важното био химична реакция.

Изброявайки кои химични елементи са част от човешката клетка, трябва да споменем три основни типа, които ще разгледаме по-долу:

Основните биогенни елементи на клетката

Не е изненадващо, че елементите O, C, H, N са биогенни, защото образуват всички органични и много неорганични вещества. Невъзможно е да си представим протеини, мазнини, въглехидрати или нуклеинови киселини без тези основни компоненти за тялото.

Функцията на тези елементи определя тяхното високо съдържание в организма. Заедно те представляват 98% от общото сухо телесно тегло. Как иначе може да се прояви активността на тези ензими?

Кислород. Съдържанието му в клетката е около 62% от общата суха маса. Функции: изграждане на органични и неорганични вещества, участие в дихателната верига;
въглерод. Съдържанието му достига 20%. Основна функция: включена във всички;
водород. Концентрацията му е на стойност 10%. Освен че е компонент на органичната материя и водата, този елемент участва и в енергийните трансформации;
Азот. Сумата не надвишава 3-5%. Основната му роля е образуването на аминокиселини, нуклеинови киселини, АТФ, много витамини, хемоглобин, хемоцианин, хлорофил.

Това са химичните елементи, които изграждат клетката и образуват повечето от веществата, необходими за нормалния живот.

Значението на макроелементите

Макронутриентите също ще помогнат да се предположи кои химични елементи са част от клетката. От курса по биология става ясно, че освен основните, 2% от сухата маса се състои от други компоненти на периодичната таблица. А макроелементите включват тези, чието съдържание не е по-ниско от 0,01%. Основните им функции са представени под формата на таблица.


калций (Ca)		Отговорен за свиването на мускулните влакна, е част от пектина, костите и зъбите. Засилва съсирването на кръвта.
фосфор (P)		Той е част от най-важния източник на енергия – АТФ.
		Участва в образуването на дисулфидни мостове по време на нагъването на протеина в третична структура. Включени в състава на цистеин и метионин, някои витамини.
		Калиевите йони участват в клетките и също така влияят на мембранния потенциал.
		Основен анион в тялото
натрий (Na)		Аналог на калия, участващ в същите процеси.
магнезий (Mg)		Магнезиевите йони са регулаторите на процеса В центъра на молекулата на хлорофила има и магнезиев атом.
		Участва в транспорта на електрони през ЕТК на дишането и фотосинтезата, е структурна връзка на миоглобина, хемоглобина и много ензими.

Надяваме се, че от горното е лесно да се определи кои химични елементи са част от клетката и са макроелементи.

микроелементи

Има и такива компоненти на клетката, без които тялото не може да функционира нормално, но съдържанието им винаги е по-малко от 0,01%. Нека определим кои химични елементи са част от клетката и принадлежат към групата на микроелементите.


		Той е част от ензимите на ДНК и РНК полимеразите, както и от много хормони (например инсулин).
		Участва в процесите на фотосинтеза, синтез на хемоцианин и някои ензими.
		Той е структурен компонент на хормоните Т3 и Т4 на щитовидната жлеза
манган (Mn)	по-малко от 0,001	Включен в ензими, кости. Участва в азотфиксацията в бактериите
	по-малко от 0,001	Влияе върху процеса на растеж на растенията.
		Той е част от костите и зъбния емайл.

Органични и неорганични вещества

В допълнение към тези, какви други химични елементи са включени в състава на клетката? Отговорите могат да бъдат намерени просто чрез изучаване на структурата на повечето вещества в тялото. Сред тях се разграничават молекули от органичен и неорганичен произход, като всяка от тези групи има фиксиран набор от елементи в състава си.

Основните класове органични вещества са протеини, нуклеинови киселини, мазнини и въглехидрати. Те са изградени изцяло от основните биогенни елементи: скелетът на молекулата винаги се формира от въглерод, а водородът, кислородът и азотът са част от радикалите. При животните доминиращият клас са протеините, а в растенията полизахаридите.

Неорганичните вещества са всички минерални соли и, разбира се, вода. Сред всички неорганични вещества в клетката най-много е H 2 O, в която са разтворени останалите вещества.

Всичко по-горе ще ви помогне да определите кои химични елементи са част от клетката и техните функции в тялото вече няма да са загадка за вас.

В клетките на различни организми са открити около 70 елемента периодична системаелементи на Д. И. Менделеев, но само 24 от тях имат добре установена стойност и се намират постоянно във всички видове клетки.

най-големият специфично теглов елементния състав на клетката попада кислород, въглерод, водород и азот. Това са т.нар главенили хранителни вещества. Тези елементи представляват повече от 95% от масата на клетките и тяхното относително съдържание в живата материя е много по-високо, отколкото в земната кора. Също така жизненоважни са калций, фосфор, сяра, калий, хлор, натрий, магнезий, йод и желязо. Тяхното съдържание в клетката се изчислява в десети и стотни от процента. Изброените елементи образуват група макроелементи.

Други химични елементи: мед, манган, молибден, кобалт, цинк, бор, флуор, хром, селен, алуминий, йод, желязо, силиций - се намират в изключително малки количества (по-малко от 0,01% от клетъчната маса). Принадлежат към групата микроелементи.

Процентът на един или друг елемент в тялото по никакъв начин не характеризира степента на неговата важност и необходимост в организма. Така например много микроелементи са част от различни биологично активни вещества - ензими, витамини (кобалтът е част от витамин В 12), хормони (йодът е част от тироксина); влияят върху растежа и развитието на организмите (цинк, манган, мед) , хематопоеза (желязо, мед), процеси на клетъчно дишане (мед, цинк) и др. Съдържанието и значението за живота на клетките и тялото като цяло на различни химични елементи са дадени в таблицата:

Най-важните химични елементи на клетката

елемент	символ	Приблизително съдържание, %	Значение за клетката и организма
Кислород	О	62	Включени във вода и органични вещества; участва в клетъчното дишане
въглерод	° С	20	Включен във всички органични вещества
водород	Х	10	Включени във вода и органични вещества; участва в процесите на преобразуване на енергия
Азот	н	3	Включен в аминокиселини, протеини, нуклеинови киселини, АТФ, хлорофил, витамини
калций	ок	2,5	Той е част от клетъчната стена на растенията, костите и зъбите, повишава съсирването на кръвта и контрактилитета на мускулните влакна
Фосфор	П	1,0	Включен в костната тъкан и зъбния емайл, нуклеинови киселини, АТФ, някои ензими
сяра	С	0,25	Включен в аминокиселини (цистеин, цистин и метионин), някои витамини, участва в образуването на дисулфидни връзки при образуването на третичната структура на протеините
калий	К	0,25	Съдържа се в клетката само под формата на йони, активира ензимите на протеиновия синтез, предизвиква нормален ритъм на сърдечната дейност, участва в процесите на фотосинтеза, генериране на биоелектрични потенциали
хлор	кл	0,2	Отрицателният йон преобладава в тялото на животните. Компонент на солна киселина в стомашния сок
натрий	на	0,10	Съдържа се в клетката само под формата на йони, предизвиква нормален ритъм на сърдечната дейност, влияе върху синтеза на хормони
магнезий	mg	0,07	Включен в молекулите на хлорофила, както и в костите и зъбите, активира енергийния метаболизъм и синтеза на ДНК
йод	аз	0,01	Включен в хормоните на щитовидната жлеза
Желязо	Fe	0,01	Той е част от много ензими, хемоглобин и миоглобин, участва в биосинтеза на хлорофил, в транспорта на електрони, в процесите на дишане и фотосинтеза
медни	Cu	Следи	Включен в състава на хемоцианините при безгръбначните животни, в състава на някои ензими, участва в процесите на хемопоеза, фотосинтеза, синтез на хемоглобин
манган	Мн	Следи	Той е част от или повишава активността на определени ензими, участва в развитието на костите, усвояването на азота и процеса на фотосинтеза
Молибден	мн	Следи	Той е част от някои ензими (нитрат редуктаза), участва в процесите на свързване на атмосферния азот от нодулните бактерии
кобалт	co	Следи	Включен във витамин B 12, участва във фиксацията на атмосферния азот от нодулните бактерии
Бор	Б	Следи	Влияе върху растежните процеси на растенията, активира възстановителните ензими на дишането
Цинк	Zn	Следи	Той е част от някои ензими, които разграждат полипептидите, участва в синтеза на растителни хормони (ауксини) и гликолиза
Флуор	Ф	Следи	Част от емайла на зъбите и костите

Клетката е основната единица на живота на Земята. Той има всички характеристики на жив организъм: расте, възпроизвежда се, обменя вещества и енергия с околната среда и реагира на външни стимули. Началото на биологичната еволюция се свързва с появата на клетъчни форми на живот на Земята. Едноклетъчните организми са клетки, които съществуват отделно една от друга. Тялото на всички многоклетъчни организми – животни и растения – е изградено от повече или по-малко клетки, които са един вид градивни елементи, изграждащи сложен организъм. Независимо дали клетката е цялостна жива система - отделен организъм или е само част от него, тя е надарена с набор от характеристики и свойства, общи за всички клетки.

Химичният състав на клетката

В клетките са открити около 60 елемента от периодичната система на Менделеев, които се срещат и в неживата природа. Това е едно от доказателствата за общото между живата и неживата природа. Водородът, кислородът, въглеродът и азотът са най-често срещаните в живите организми, които съставляват около 98% от масата на клетките. Това се дължи на особеностите на химичните свойства на водорода, кислорода, въглерода и азота, в резултат на което те се оказват най-подходящи за образуване на молекули, изпълняващи биологични функции. Тези четири елемента са в състояние да образуват много силни ковалентни връзки чрез сдвояване на електрони, принадлежащи на два атома. Ковалентно свързани въглеродни атоми могат да образуват гръбнаците на безброй различни органични молекули. Тъй като въглеродните атоми лесно образуват ковалентни връзки с кислород, водород, азот, а също и със сяра, органичните молекули постигат изключителна сложност и разнообразие от структура.

В допълнение към четирите основни елемента, клетката съдържа желязо, калий, натрий, калций, магнезий, хлор, фосфор и сяра в забележими количества (10-та и 100-та част от процента). Всички останали елементи (цинк, мед, йод, флуор, кобалт, манган и др.) се намират в клетката в много малки количества и затова се наричат микроелементи.

Химическите елементи са част от неорганични и органични съединения. Неорганичните съединения включват вода, минерални соли, въглероден диоксид, киселини и основи. Органичните съединения са протеини, нуклеинови киселини, въглехидрати, мазнини (липиди) и липиди. Освен кислород, водород, въглерод и азот, в състава им могат да бъдат включени и други елементи. Някои протеини съдържат сяра. Фосфорът е съставна част на нуклеиновите киселини. Молекулата на хемоглобина включва желязо, магнезият участва в изграждането на молекулата на хлорофила. Микроелементите, въпреки изключително ниското им съдържание в живите организми, играят важна роля в жизнените процеси. Йодът е част от хормона на щитовидната жлеза - тироксин, кобалт - в състава на витамин B 12 хормон на островчето на панкреаса - инсулин - съдържа цинк. При някои риби мястото на желязото в молекулите на пигментите, пренасящи кислород, е заето от медта.

неорганични вещества

Вода. H 2 O е най-разпространеното съединение в живите организми. Съдържанието му в различните клетки варира в доста широк диапазон: от 10% в зъбния емайл до 98% в тялото на медуза, но средно е около 80% от телесното тегло. Изключително важната роля на водата за осигуряване на жизнените процеси се дължи на нейната физични и химични свойства. Полярността на молекулите и способността да образуват водородни връзки правят водата добър разтворител за огромен брой вещества. Повечето от химичните реакции, които протичат в клетката, могат да се проведат само във воден разтвор. Водата също участва в много химични трансформации.

Общият брой на водородните връзки между водните молекули варира в зависимост от t °. При т ° топеният лед разрушава приблизително 15% от водородните връзки, при t ° 40 ° C - половината. При преминаване в газообразно състояние всички водородни връзки се разрушават. Това обяснява високото специфична топлинавода. Когато t° на външната среда се промени, водата абсорбира или отделя топлина поради разкъсване или ново образуване на водородни връзки. По този начин флуктуациите в t ° вътре в клетката са по-малки, отколкото в заобикаляща среда. Високата топлина на изпаряване е в основата на ефективния механизъм на топлопредаване в растенията и животните.

Водата като разтворител участва в явленията на осмозата, която играе важна роля в жизнената дейност на клетките на тялото. Осмозата се отнася до проникването на молекули на разтворителя през полупропусклива мембрана в разтвор на вещество. Полупропускливите мембрани са мембрани, които позволяват на молекулите на разтворителя да преминат, но не пропускат молекули (или йони) на разтвореното вещество. Следователно осмозата е еднопосочна дифузия на водни молекули по посока на разтвора.

минерални соли.Повечето от неорганичните вътрешни клетки са под формата на соли в дисоциирано или твърдо състояние. Концентрацията на катиони и аниони в клетката и в нейната среда не е еднаква. Клетката съдържа доста К и много Na. В извънклетъчната среда, например, в кръвната плазма, в морската вода, напротив, има много натрий и малко калий. Клетъчната раздразнителност зависи от съотношението на концентрациите на Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ йони. В тъканите на многоклетъчни животни К е част от многоклетъчно вещество, което осигурява сцеплението на клетките и тяхното подредено подреждане. Осмотичното налягане в клетката и нейните буферни свойства до голяма степен зависят от концентрацията на солите. Буферирането е способността на клетката да поддържа леко алкална реакция на съдържанието си на постоянно ниво. Буферирането вътре в клетката се осигурява главно от H 2 PO 4 и HPO 4 2- йони. В извънклетъчните течности и в кръвта H 2 CO 3 и HCO 3 - играят ролята на буфер. Анионите свързват H йони и хидроксидни йони (OH -), поради което реакцията вътре в клетката на извънклетъчните течности практически не се променя. Неразтворимите минерални соли (например Са фосфат) осигуряват здравина на костната тъкан на гръбначните животни и черупките на мекотелите.

Органичната материя на клетката

катерици.Сред органичните вещества на клетката протеините са на първо място както по количество (10-12% от общата клетъчна маса), така и по стойност. Протеините са полимери с високо молекулно тегло (с молекулно тегло от 6000 до 1 милион или повече), чиито мономери са аминокиселини. Живите организми използват 20 аминокиселини, въпреки че има много повече. Съставът на всяка аминокиселина включва аминогрупа (-NH2), която има основни свойства, и карбоксилна група (-COOH), която има киселинни свойства. Две аминокиселини се комбинират в една молекула чрез установяване на HN-CO връзка с освобождаването на водна молекула. Връзката между аминогрупата на една аминокиселина и карбоксилната група на друга се нарича пептидна връзка. Протеините са полипептиди, съдържащи десетки или стотици аминокиселини. Молекулите на различни протеини се различават една от друга по молекулно тегло, брой, състав на аминокиселини и тяхната последователност в полипептидната верига. Следователно е ясно, че протеините са с голямо разнообразие, броят им във всички видове живи организми се оценява на 10 10 - 10 12.

Верига от аминокиселинни единици, свързани с ковалентни пептидни връзки в определена последователност, се нарича първична структура на протеин. В клетките протеините имат формата на спираловидно усукани влакна или топчета (глобули). Това се дължи на факта, че в естествен протеин полипептидната верига е нагъната по строго определен начин, в зависимост от химическа структурасъставните му аминокиселини.

Първо, полипептидната верига се навива в спирала. Между атомите на съседните завои възниква привличане и се образуват водородни връзки, по-специално между NH- и CO групиразположени на съседни завои. Верига от аминокиселини, усукана под формата на спирала, образува вторичната структура на протеин. В резултат на по-нататъшно нагъване на спиралата възниква конфигурация, специфична за всеки протеин, наречена третична структура. Третичната структура се дължи на действието на кохезионните сили между хидрофобните радикали, присъстващи в някои аминокиселини, и ковалентните връзки между SH групите на аминокиселината цистеин ( S-S връзки). Броят на аминокиселините, хидрофобни радикали и цистеин, както и редът на тяхното подреждане в полипептидната верига е специфичен за всеки протеин. Следователно, характеристиките на третичната структура на протеина се определят от неговата първична структура. Протеинът проявява биологична активност само под формата на третична структура. Следователно, заместването дори на една аминокиселина в полипептидната верига може да доведе до промяна в конфигурацията на протеина и до намаляване или загуба на неговата биологична активност.

В някои случаи протеиновите молекули се комбинират помежду си и могат да изпълняват функцията си само под формата на комплекси. И така, хемоглобинът е комплекс от четири молекули и само в тази форма е способен да свързва и транспортира кислород.Такива агрегати представляват четвъртичната структура на протеина. Според състава си протеините се делят на два основни класа – прости и сложни. Простите протеини се състоят само от аминокиселини нуклеинови киселини (нуклеотиди), липиди (липопротеини), Me (метални протеини), P (фосфопротеини).

Функциите на протеините в клетката са изключително разнообразни. Една от най-важните е строителната функция: протеините участват в образуването на всички клетъчни мембрани и клетъчни органели, както и вътреклетъчни структури. От изключителна важност е ензимната (каталитичната) роля на протеините. Ензимите ускоряват химичните реакции, които протичат в клетката, с 10 ki и 100 милиона пъти. Двигателната функция се осигурява от специални контрактилни протеини. Тези протеини участват във всички видове движения, на които клетките и организмите са способни: трептене на ресничките и биене на жгутици при протозоите, мускулна контракция при животните, движение на листата в растенията и др. Транспортната функция на протеините е да прикрепят химични елементи (например хемоглобинът свързва О) или биологично активни вещества (хормони) и ги пренася в тъканите и органите на тялото. Защитната функция се изразява под формата на производство на специални протеини, наречени антитела, в отговор на проникването на чужди протеини или клетки в тялото. Антителата свързват и неутрализират чужди вещества. Протеините играят важна роля като източници на енергия. С пълно разделяне на 1гр. протеини се отделят 17,6 kJ (~ 4,2 kcal).

Въглехидрати.Въглехидратите или захаридите са органични съединения обща формула(CH2O) n. Повечето въглехидрати имат два пъти по-голям брой Н атоми повече бройО атоми, както във водните молекули. Следователно тези вещества се наричат въглехидрати. В жива клетка въглехидратите се намират в количества, ненадвишаващи 1-2, понякога 5% (в черния дроб, в мускулите). Най-богати на въглехидрати са растителните клетки, като тяхното съдържание в някои случаи достига 90% от масата на сухото вещество (семена, картофени клубени и др.).

Въглехидратите са прости и сложни. прости въглехидратинаречени монозахариди. В зависимост от броя на въглехидратните атоми в молекулата, монозахаридите се наричат триози, тетрози, пентози или хексози. От шестте въглеродни монозахарида най-важните са хексозите, глюкозата, фруктозата и галактозата. Глюкозата се съдържа в кръвта (0,1-0,12%). Пентозите рибоза и дезоксирибоза са част от нуклеиновите киселини и АТФ. Ако два монозахарида се комбинират в една молекула, такова съединение се нарича дизахарид. Диетичната захар, получена от тръстика или захарно цвекло, се състои от една молекула глюкоза и една молекула фруктоза, млечната захар - от глюкоза и галактоза.

Сложните въглехидрати, образувани от много монозахариди, се наричат полизахариди. Мономерът на такива полизахариди като нишесте, гликоген, целулоза е глюкозата. Въглехидратите изпълняват две основни функции: строителна и енергийна. Целулозата образува стените на растителните клетки. Сложният полизахарид хитин е основният структурен компонент на екзоскелета на членестоноги. Хитинът изпълнява и строителна функция в гъбичките. Въглехидратите играят ролята на основния източник на енергия в клетката. В процеса на окисляване на 1 g въглехидрати се отделят 17,6 kJ (~ 4,2 kcal). Нишестето в растенията и гликогенът при животните се съхраняват в клетките и служат като енергиен резерв.

Нуклеинова киселина.Стойността на нуклеиновите киселини в клетката е много висока. Особеностите на тяхната химическа структура осигуряват възможност за съхранение, прехвърляне и предаване чрез наследяване на дъщерните клетки на информация за структурата на протеиновите молекули, които се синтезират във всяка тъкан на определен етап. индивидуално развитие. Тъй като повечето от свойствата и характеристиките на клетките се дължат на протеините, е ясно, че стабилността на нуклеиновите киселини е съществено условиенормалното функциониране на клетките и цели организми. Всякакви промени в структурата на клетките или активността на физиологичните процеси в тях, като по този начин засягат живота. Изучаването на структурата на нуклеиновите киселини е изключително важно за разбирането на унаследяването на черти в организмите и закономерностите на функциониране както на отделните клетки, така и на клетъчните системи – тъкани и органи.

Има 2 вида нуклеинови киселини - ДНК и РНК. ДНК е полимер, състоящ се от две нуклеотидни спирали, затворени така, че да се образува двойна спирала. Мономерите на ДНК молекулите са нуклеотиди, състоящи се от азотна основа (аденин, тимин, гуанин или цитозин), въглехидрат (дезоксирибоза) и остатък на фосфорна киселина. Азотните бази в молекулата на ДНК са свързани помежду си чрез неравен брой Н-връзки и са подредени по двойки: аденин (A) винаги е срещу тимин (T), гуанин (G) срещу цитозин (C). Схематично подреждането на нуклеотидите в молекулата на ДНК може да бъде изобразено, както следва:

Фиг. 1. Подреждане на нуклеотидите в ДНК молекула

От фиг.1. Вижда се, че нуклеотидите са свързани един с друг не произволно, а селективно. Способността за селективно взаимодействие на аденин с тимин и гуанин с цитозин се нарича комплементарност. Комплементарното взаимодействие на определени нуклеотиди се обяснява с особеностите на пространственото подреждане на атомите в техните молекули, което им позволява да се приближават един към друг и да образуват Н-връзки. В полинуклеотидна верига съседните нуклеотиди са свързани заедно чрез захар (дезоксирибоза) и остатък от фосфорна киселина. РНК, подобно на ДНК, е полимер, чиито мономери са нуклеотиди. Азотните бази на трите нуклеотида са същите като тези, които изграждат ДНК (A, G, C); четвъртият - урацил (U) - присъства в молекулата на РНК вместо тимин. РНК нуклеотидите се различават от ДНК нуклеотидите по структурата на техния въглехидрат (рибоза вместо дезоксирибоза).

В РНК веригата нуклеотидите са свързани чрез образуване ковалентни връзкимежду рибозата на един нуклеотид и остатъка от фосфорна киселина на друг. Двуверижните РНК се различават по структура. Двуверижните РНК са пазителите на генетична информация в редица вируси, т.е. изпълняват функциите на хромозомите. Едноверижните РНК осъществяват трансфера на информация за структурата на протеините от хромозомата до мястото на техния синтез и участват в синтеза на протеини.

Има няколко вида едноверижна РНК. Имената им се дължат на тяхната функция или местоположение в клетката. По-голямата част от цитоплазмената РНК (до 80-90%) е рибозомна РНК (рРНК), съдържаща се в рибозомите. Молекулите на рРНК са сравнително малки и се състоят средно от 10 нуклеотида. Друг вид РНК (иРНК), който носи информация за последователността на аминокиселините в протеините, които трябва да бъдат синтезирани до рибозоми. Размерът на тези РНК зависи от дължината на ДНК сегмента, от който са били синтезирани. Трансферните РНК изпълняват няколко функции. Те доставят аминокиселини до мястото на протеиновия синтез, „разпознават“ (според принципа на комплементарността) триплета и РНК, съответстващи на прехвърлената аминокиселина, и осъществяват точната ориентация на аминокиселината върху рибозомата.

Мазнини и липиди.Мазнините са съединения на мастни макромолекулни киселини и тривалентния алкохол глицерол. Мазнините не се разтварят във вода – те са хидрофобни. В клетката винаги има други сложни хидрофобни мастноподобни вещества, наречени липиди. Една от основните функции на мазнините е енергията. При разграждането на 1 g мазнини до CO 2 и H 2 O се освобождава голям бройенергия - 38,9 kJ (~ 9,3 kcal). Съдържанието на мазнини в клетката варира от 5-15% от масата на сухото вещество. В клетките на живата тъкан количеството мазнини се увеличава до 90%. Основната функция на мазнините в животинския (и отчасти растителен) свят е съхранението.

При пълно окисление на 1 g мазнини (до въглероден диоксид и вода) се освобождават около 9 kcal енергия. (1 kcal = 1000 cal; калория (cal, cal) е извънсистемна единица за количеството работа и енергия, равна на количеството топлина, необходимо за загряване на 1 ml вода с 1 ° C при стандартно атмосферно налягане от 101,325 kPa; 1 kcal \u003d 4,19 kJ) . При окисление (в тялото) 1 g протеини или въглехидрати се освобождават само около 4 kcal/g. В голямо разнообразие от водни организми – от едноклетъчни диатоми до гигантски акули – мазнините ще „плуват“, намалявайки средната плътност на тялото. Плътността на животинските мазнини е около 0,91-0,95 g/cm³. Плътността на костите на гръбначните животни е близка до 1,7-1,8 g/cm³, а средната плътност на повечето други тъкани е близо до 1 g/cm³. Ясно е, че са необходими доста мазнини, за да се "балансира" тежък скелет.

Мазнините и липоидите изпълняват и строителна функция: Те са част от клетъчните мембрани. Поради лошата топлопроводимост мазнините могат да изпълняват защитна функция. При някои животни (тюлени, китове) се отлага в подкожната мастна тъкан, образувайки слой с дебелина до 1 м. Образуването на някои липоиди предхожда синтеза на редица хормони. Следователно тези вещества имат и функцията да регулират метаболитните процеси.

AT съвременни условияедин от най-актуалните проблеми на обучението по химия е осигуряването на практическа насоченост на знанията по предмета. Това означава необходимостта от изясняване на тясната връзка между изучаваните теоретични положения и житейската практика, за демонстриране на приложния характер на химичните знания. Учениците са развълнувани да учат химия. За да се поддържа познавателният интерес на учениците, е необходимо да се убедят в ефективността на химическите знания, да се формира лична потребност от овладяване на учебния материал.

Цел на този урок:разширяване на кръгозора на учениците и повишаване на познавателния интерес към изучаването на предмета, формиране на мирогледни представи за познаваемостта на природата. Предлага се този урок да се проведе в 8 клас след изучаване на химичните елементи на периодичната таблица, когато децата вече имат представа за тяхното разнообразие.

ПО ВРЕМЕ НА УРОКИТЕ

учител:

В природата няма нищо друго
Нито тук, нито там, в дълбините на космоса:
Всичко - от малки песъчинки до планети -
Състои се от единични елементи.
Като формула, като график на труда,
Структурата на системата на Менделеев е строга.
Светът около теб е жив
Влезте в него, вдишайте, докоснете го с ръце.

Урокът започва с театрална сцена „Кой е най-важният на масата?“ (см. Приложение 1).

учител:Човешкото тяло съдържа 81 химични елемента от 92 открити в природата. Човешкото тяло е сложна химическа лаборатория. Трудно е да си представим, че нашето ежедневно благополучие, настроение и дори апетит могат да зависят от минералите. Без тях витамините са безполезни, синтезът и разграждането на протеини, мазнини и въглехидрати са невъзможни.

На масите на учениците има таблици „Биологичната роля на химичните елементи“ (вж. Приложение 2). Отделете време, за да я опознаете. Учителят, заедно с учениците, анализира таблицата, като задава въпроси.

учител:Основата на живота са шестте елемента от първите три периода (H, C, N, O, P, S), които представляват 98% от масата на живата материя (останалите елементи на периодичната система са не повече от 2%).
Три основни атрибута на биогенните елементи (H, C, N, O, P, S):

малък размер на атомите
малък роднина атомна маса,
способността за образуване на силни ковалентни връзки.

На учениците се раздават текстове (вж. Приложение 3). Задача: прочетете внимателно текста; подчертават елементите, необходими за живота и елементите, опасни за живите организми; намерете ги в Периодичната система и обяснете ролята им.
След изпълнение на задачата няколко ученици анализират различни текстове.

учител:Елементите-аналози в природната среда влизат в конкуренция и могат да се обменят в живите организми, като им влияят негативно.
Замяната на натрий и калий в организмите на животните и хората с литий причинява нарушения на нервната система, тъй като в този случай клетките не провеждат нервен импулс. Такива нарушения водят до шизофрения.
Талият, биологичен конкурент на калия, го замества в клетъчните стени, засяга централната и периферната нервна система, стомашно-чревния тракт и бъбреците.
Селенът може да замести сярата в протеините. Това е единственият елемент, който във високи нива в растенията може да причини внезапна смърт на животните и хората, които ги ядат.
Калцият при недостиг в почвата се заменя в тялото със стронций, който постепенно нарушава нормалната структура на скелета. Особено опасно е замяната на калция със стронций-90, който се натрупва в огромни количества в местата на ядрени експлозии (при тестване на ядрени оръжия) или по време на аварии в атомни електроцентрали. Този радионуклид разрушава костния мозък.
Кадмият се конкурира с цинка. Този елемент намалява активността на храносмилателните ензими, нарушава образуването на гликоген в черния дроб, причинява деформация на скелета, инхибира растежа на костите, а също така причинява силна болка в долната част на гърба и мускулите на краката, крехкост на костите (например счупени ребра при кашляне) . Други негативни последици са рак на белия дроб и ректума, дисфункция на панкреаса. Увреждане на бъбреците, понижени нива на желязо, калций, фосфор в кръвта. Този елемент инхибира процесите на самопречистване във водните и сухоземните растения (например се отбелязва 20-30-кратно увеличение на кадмия в тютюневите листа).
Халогените могат много лесно да се обменят в тялото. Излишъкът от флуор в околната среда (флуорирана вода, замърсяване на почвата с флуорни съединения около завод за производство на алуминий и други причини) предотвратява навлизането на йод в човешкото тяло. В резултат на това заболяване на щитовидната жлеза ендокринна системав общи линии.

Студентски съобщения, подготвени предварително.

1-ви ученик:

Средновековните алхимици смятаха златото за съвършенство, а другите метали за грешка в акта на сътворението и, както знаете, положиха големи усилия да премахнат тази грешка. Идеята за въвеждане на златото в медицинската практика се приписва на Парацелз, който провъзгласява, че целта на химията не трябва да бъде превръщането на всички метали в злато, а приготвянето на лекарства. Лекарства, направени от злато и неговите съединения, са изпробвани за лечение на много заболявания. Те бяха лекувани от проказа, лупус и туберкулоза. При хора, чувствителни към златото, може да причини нарушение на състава на кръвта, реакция на бъбреците, черния дроб, да повлияе на настроението, растежа на зъбите, косата. Златото осигурява функционирането на нервната система. Намира се в царевицата. А здравината на кръвоносните съдове зависи от германия. Единственият хранителен продукт, съдържащ германий, е чесънът.

2-ри ученик:

AT човешкото тялонай-голямо количество мед се намира в мозъка и черния дроб и само това обстоятелство показва значението й в живота. Установено е, че с болка се повишава концентрацията на мед в кръвта и цереброспиналната течност. В Сирия и Египет новородените носят медни гривни, за да предотвратят рахит и епилепсия.

3-ти ученик:

АЛУМИНИЕВ

Алуминиевите прибори се наричат прибори на бедните, тъй като този метал допринася за развитието на сенилна атеросклероза. При готвене в такива съдове алуминият частично преминава в тялото, където се натрупва.

4-ти ученик:

Какъв елемент се съдържа в ябълките? (Желязо.)
Каква е биологичната му роля? (Тялото съдържа 3 g желязо, от които 2 g са в кръвта. Желязото е част от хемоглобина. Недостатъчното желязо води до главоболие, бърза умора.)

След това учениците провеждат лабораторен експеримент, чиято цел е експериментално да докаже влиянието на солите на определени метали върху протеина. Те смесват протеина с разтвори на алкален и меден сулфат и наблюдават утаяването на лилава утайка. Направете заключение за разрушаването на протеина.

5-ти ученик:

Човекът също е природа.
Той също е залез и изгрев.
И има четири сезона.
И специален ход в музиката.

И специално тайнство на цвят,
Ту с жесток, ту с добър огън.
Човекът е зима. Или лятото.
Или есента. С гръм и дъжд.

Всичко се съдържа в себе си - мили и време.
И от атомни бури той беше сляп.
Човекът е едновременно почва и семе.
И бурени в средата на полето. И хляб.

И какво е времето в него?
Колко самота има? Срещи?
Човекът също е природа...
Така че нека се погрижим за природата!

(С. Островой)

За консолидиране на знанията, придобити в урока, се провежда тест „Усмивка“ (вж. Приложение 4).
След това се предлага да се попълни кръстословицата „Химически калейдоскоп“ (вж. Приложение 5).
Учителят обобщава урока, като отбелязва най-активните ученици.

6-ти ученик:

Промяна, промяна!
Обаждането се излива.
Най-накрая е завършено
Скучен урок!

Теглене на сяра за косичката,
Магнезият мина.
Йодът се изпари от класната стая
Сякаш изобщо не се е случвало.

Флуорът случайно запали водата,
Хлорът изяде чужда книга.
Въглерод внезапно с водород
Успях да стана невидим.

Калият, бромът се бият в ъгъла:
Те не споделят един електрон.
Кислород - палав на бор
Минава галоп на кон.

Използвани книги:

О.В. БайдалинаОтносно приложния аспект на химическите знания. „Химия в училище” No5, 2005г
Химия и екология в училищния курс. “Първи септември” No14, 2005г
И. Н. Пименова, А. В. Пименов„Лекции по обща биология”, урок, Саратов, АД Издателство "Лицей", 2003 г
За химията в стихове Кой е най-важният в таблицата? „Първи септември”, бр.15, 2005г
Металите в човешкото тяло.“Химия в училище”, бр.6,2005г
Кръстословица "Химически калейдоскоп". „Първи септември”, бр.1 4, 2005г
— Отивам на час по химия. Книгата за учителя. М. „Първи септември”, 2002, с. 12.