L'importanza degli elementi e dei composti chimici più importanti per la cellula e l'organismo. Elementi chimici nelle cellule degli organismi viventi - Ipermercato della conoscenza

Composizione elementare del corpo

Di Composizione chimica Le cellule di organismi diversi possono differire notevolmente, ma sono costituite dagli stessi elementi. Circa 70 elementi della tavola periodica di D.I. Mendeleev, ma solo 24 di loro sono di grande importanza e si trovano costantemente negli organismi viventi.

Macronutrienti - ossigeno, idrocarburi, idrogeno, azoto - fanno parte delle molecole delle sostanze organiche. I macroelementi recentemente includono potassio, sodio, calcio, zolfo, fosforo, magnesio, ferro, cloro. Il loro contenuto nella cella è di decimi e centesimi di percento.

Il magnesio fa parte della clorofilla; ferro - emoglobina; fosforo - tessuto osseo, acidi nucleici; calcio - ossa, tartarughe di crostacei, zolfo - nella composizione delle proteine; gli ioni potassio, sodio e cloruro partecipano alla modifica del potenziale della membrana cellulare.

oligoelementi sono presentati in una cella con centesimi e millesimi di percento. Questi sono zinco, rame, iodio, fluoro, molibdeno, boro, ecc.

Gli oligoelementi fanno parte di enzimi, ormoni, pigmenti.

Ultramicroelementi - elementi il cui contenuto nella cella non supera lo 0,000001%. Questi sono uranio, oro, mercurio, cesio, ecc.

L'acqua e il suo significato biologico

L'acqua è quantitativamente tra composti chimici primo posto in tutte le celle. A seconda del tipo di cellule, del loro stato funzionale, del tipo di organismo e delle condizioni della sua presenza, il suo contenuto nelle cellule varia in modo significativo.

Le cellule del tessuto osseo non contengono più del 20% di acqua, il tessuto adiposo - circa il 40%, le cellule muscolari - il 76% e le cellule embrionali - oltre il 90%.

Nota 1

Nelle cellule di qualsiasi organismo, la quantità di acqua diminuisce notevolmente con l'età.

Da qui la conclusione che maggiore è l'attività funzionale dell'organismo nel suo insieme e di ciascuna cellula separatamente, maggiore è il loro contenuto di acqua, e viceversa.

Nota 2

Un prerequisito per l'attività vitale delle cellule è la presenza di acqua. È la parte principale del citoplasma, ne sostiene la struttura e la stabilità dei colloidi che compongono il citoplasma.

Il ruolo dell'acqua in una cellula è determinato dalle sue proprietà chimiche e strutturali. Innanzitutto, ciò è dovuto alle piccole dimensioni delle molecole, alla loro polarità e alla capacità di combinarsi utilizzando legami a idrogeno.

I legami idrogeno si formano con la partecipazione di atomi di idrogeno collegati a un atomo elettronegativo (solitamente ossigeno o azoto). In questo caso, l'atomo di idrogeno acquisisce una carica positiva così grande da poter formare un nuovo legame con un altro atomo elettronegativo (ossigeno o azoto). Anche le molecole d'acqua si legano tra loro, in cui un'estremità ha una carica positiva e l'altra è negativa. Si chiama tale molecola dipolo. L'atomo di ossigeno più elettronegativo di una molecola d'acqua viene attratto dall'atomo di idrogeno caricato positivamente di un'altra molecola per formare un legame idrogeno.

A causa del fatto che le molecole d'acqua sono polari e in grado di formare legami idrogeno, l'acqua è un solvente perfetto per le sostanze polari, che sono chiamate idrofilo. Questi sono composti di natura ionica, in cui le particelle cariche (ioni) si dissociano (separano) in acqua quando una sostanza (sale) viene disciolta. Alcuni composti non ionici hanno la stessa capacità, nella cui molecola sono presenti gruppi carichi (polari) (negli zuccheri, amminoacidi, alcoli semplici, questi sono gruppi OH). Le sostanze costituite da molecole non polari (lipidi) sono praticamente insolubili in acqua, cioè loro idrofobi.

Quando una sostanza passa in una soluzione, le sue particelle strutturali (molecole o ioni) acquisiscono la capacità di muoversi più liberamente e, di conseguenza, la reattività della sostanza aumenta. Per questo motivo, l'acqua è il mezzo principale in cui si verificano la maggior parte delle reazioni chimiche. Inoltre, tutte le reazioni redox e le reazioni di idrolisi avvengono con la partecipazione diretta dell'acqua.

L'acqua ha la capacità termica specifica più alta di tutte le sostanze conosciute. Ciò significa che con un aumento significativo dell'energia termica, la temperatura dell'acqua aumenta relativamente leggermente. Ciò è dovuto all'uso di una quantità significativa di questa energia per rompere i legami idrogeno, che limitano la mobilità delle molecole d'acqua.

Grazie alla sua elevata capacità termica, l'acqua funge da protezione per i tessuti vegetali e animali da un forte e rapido aumento della temperatura e l'alto calore di vaporizzazione è la base per una stabilizzazione affidabile della temperatura corporea. La necessità di una quantità significativa di energia per far evaporare l'acqua è dovuta al fatto che esistono legami idrogeno tra le sue molecole. Questa energia proviene dall'ambiente, quindi l'evaporazione è accompagnata dal raffreddamento. Questo processo può essere osservato durante la sudorazione, nel caso del calore ansimante nei cani, ed è importante anche nel processo di raffreddamento degli organi traspiranti delle piante, soprattutto in condizioni desertiche e in condizioni di steppe asciutte e periodi di siccità in altre regioni .

L'acqua ha anche un'elevata conduttività termica, che garantisce una distribuzione uniforme del calore in tutto il corpo. Pertanto, non vi è alcun rischio di "punti caldi" locali che possono causare danni agli elementi cellulari. Ciò significa che l'elevata capacità termica specifica e l'elevata conducibilità termica per un liquido rendono l'acqua un mezzo ideale per mantenere il regime termico ottimale del corpo.

L'acqua ha un'elevata tensione superficiale. Questa proprietà è molto importante per processi di adsorbimento, movimento delle soluzioni attraverso i tessuti (circolazione sanguigna, movimento verso l'alto e verso il basso attraverso la pianta, ecc.).

L'acqua viene utilizzata come fonte di ossigeno e idrogeno, che vengono rilasciati durante la fase leggera della fotosintesi.

Importanti proprietà fisiologiche dell'acqua includono la sua capacità di dissolvere i gas ($O_2$, $CO_2$, ecc.). Inoltre, l'acqua come solvente è coinvolta nel processo di osmosi, che svolge un ruolo importante nella vita delle cellule e del corpo.

Proprietà degli idrocarburi e suo ruolo biologico

Se non prendiamo in considerazione l'acqua, possiamo dire che la maggior parte delle molecole cellulari appartengono agli idrocarburi, i cosiddetti composti organici.

Osservazione 3

L'idrocarburo, dotato di capacità chimiche uniche fondamentali per la vita, è la sua base chimica.

Grazie a taglia piccola e disponibilità su guscio esterno quattro elettroni, un atomo di idrocarburo può formare quattro forti legami covalenti con altri atomi.

La cosa più importante è la capacità degli atomi di idrocarburi di connettersi tra loro, formando catene, anelli e, in definitiva, lo scheletro di molecole organiche grandi e complesse.

Inoltre, l'idrocarburo forma facilmente legami covalenti con altri elementi biogenici (solitamente con $H, Mg, P, O, S$). Questo spiega l'esistenza di un numero astronomico di diversi composti organici che assicurano l'esistenza degli organismi viventi in tutte le sue manifestazioni. La loro diversità si manifesta nella struttura e nella dimensione delle molecole, loro proprietà chimiche, grado di saturazione dello scheletro di carbonio e forma diversa molecole, che è determinata dagli angoli dei legami intramolecolari.

Biopolimeri

Questi sono composti organici ad alto peso molecolare (peso molecolare 103 - 109), le cui macromolecole sono costituite da un gran numero di unità ripetitive - monomeri.

I biopolimeri sono proteine, acidi nucleici, polisaccaridi e loro derivati (amido, glicogeno, cellulosa, emicellulosa, pectina, chitina, ecc.). I loro monomeri sono, rispettivamente, aminoacidi, nucleotidi e monosaccaridi.

Osservazione 4

Circa il 90% della massa secca di una cellula è costituita da biopolimeri: nelle piante predominano i polisaccaridi, negli animali predominano le proteine.

Esempio 1

In una cellula batterica ci sono circa 3mila tipi di proteine e 1mila acidi nucleici, e nell'uomo il numero di proteine è stimato in 5 milioni.

I biopolimeri non solo costituiscono la base strutturale degli organismi viventi, ma svolgono anche un ruolo conduttore nei processi vitali.

Le basi strutturali dei biopolimeri sono catene lineari (proteine, acidi nucleici, cellulosa) o ramificate (glicogeno).

E acidi nucleici, reazioni immunitarie, reazioni metaboliche - e vengono effettuati a causa della formazione di complessi di biopolimeri e di altre proprietà dei biopolimeri.

Oggi molto è stato scoperto e isolato nella sua forma pura elementi chimici tavole periodiche, e un quinto di esse si trova in ogni organismo vivente. Loro, come i mattoni, sono i componenti principali dell'organico e sostanze inorganiche.

Quali elementi chimici fanno parte della cellula, la biologia di quali sostanze possono essere utilizzate per giudicare la loro presenza nel corpo - considereremo tutto questo più avanti nell'articolo.

Qual è la costanza della composizione chimica

Per mantenere la stabilità nel corpo, ogni cellula deve mantenere la concentrazione di ciascuno dei suoi componenti a un livello costante. Questo livello è determinato da specie, habitat, fattori ambientali.

Per rispondere alla domanda su quali elementi chimici fanno parte della cellula, è necessario comprendere chiaramente che qualsiasi sostanza contiene uno qualsiasi dei componenti della tavola periodica.

Qualche volta in questione circa centesimi e millesimi di percento del contenuto di un determinato elemento in una cella, ma allo stesso tempo una modifica del numero nominato di almeno un millesimo può già comportare conseguenze serie per il corpo.

Dei 118 elementi chimici in una cellula umana, dovrebbero essercene almeno 24. Non ci sono tali componenti che si troverebbero in un organismo vivente, ma non facevano parte di oggetti inanimati della natura. Questo fatto conferma la stretta relazione tra vivente e non vivente nell'ecosistema.

Il ruolo dei vari elementi che compongono la cellula

Allora quali sono gli elementi chimici che compongono una cellula? Il loro ruolo nella vita dell'organismo, va notato, dipende direttamente dalla frequenza di occorrenza e dalla loro concentrazione nel citoplasma. Tuttavia, nonostante contenuto diverso elementi nella cella, il significato di ciascuno di essi è ugualmente alto. La carenza di uno qualsiasi di essi può portare a un effetto dannoso sul corpo, disattivando la biografia più importante reazioni chimiche.

Elencando quali elementi chimici fanno parte della cellula umana, dobbiamo menzionare tre tipi principali, che considereremo di seguito:

I principali elementi biogenici della cellula

Non sorprende che gli elementi O, C, H, N siano biogenici, perché formano tutte sostanze organiche e molte inorganiche. È impossibile immaginare proteine, grassi, carboidrati o acidi nucleici senza questi componenti essenziali per l'organismo.

La funzione di questi elementi determinava il loro alto contenuto nel corpo. Insieme rappresentano il 98% del peso corporeo totale secco. In quale altro modo si può manifestare l'attività di questi enzimi?

Ossigeno. Il suo contenuto nella cellula è circa il 62% della massa secca totale. Funzioni: costruzione di sostanze organiche ed inorganiche, partecipazione alla catena respiratoria;
Carbonio. Il suo contenuto raggiunge il 20%. Funzione principale: inclusa in tutto;
Idrogeno. La sua concentrazione assume un valore del 10%. Questo elemento, oltre ad essere un componente della materia organica e dell'acqua, partecipa anche alle trasformazioni energetiche;
Azoto. L'importo non supera il 3-5%. Il suo ruolo principale è la formazione di aminoacidi, acidi nucleici, ATP, molte vitamine, emoglobina, emocianina, clorofilla.

Questi sono gli elementi chimici che compongono la cellula e formano la maggior parte delle sostanze necessarie alla vita normale.

Importanza dei macronutrienti

I macronutrienti aiuteranno anche a suggerire quali elementi chimici fanno parte della cellula. Dal corso di biologia emerge che, oltre a quelle principali, il 2% della massa secca è costituito da altre componenti della tavola periodica. E i macronutrienti includono quelli il cui contenuto non è inferiore allo 0,01%. Le loro funzioni principali sono presentate sotto forma di tabella.


Calcio (Ca)		Responsabile della contrazione delle fibre muscolari, fa parte della pectina, delle ossa e dei denti. Migliora la coagulazione del sangue.
Fosforo (P)		Fa parte della più importante fonte di energia: l'ATP.
		Partecipa alla formazione di ponti disolfuro durante il ripiegamento delle proteine in una struttura terziaria. Incluso nella composizione di cisteina e metionina, alcune vitamine.
		Gli ioni potassio sono coinvolti nelle cellule e influenzano anche il potenziale di membrana.
		Anione maggiore nel corpo
Sodio (Na)		Analogo del potassio coinvolto negli stessi processi.
Magnesio (Mg)		Gli ioni di magnesio sono i regolatori del processo Al centro della molecola di clorofilla c'è anche un atomo di magnesio.
		Partecipa al trasporto di elettroni attraverso l'ETC della respirazione e della fotosintesi, è un legame strutturale di mioglobina, emoglobina e molti enzimi.

Ci auguriamo che da quanto sopra sia facile determinare quali elementi chimici fanno parte della cellula e sono macroelementi.

oligoelementi

Esistono anche tali componenti della cellula, senza i quali il corpo non può funzionare normalmente, ma il loro contenuto è sempre inferiore allo 0,01%. Determiniamo quali elementi chimici fanno parte della cellula e appartengono al gruppo di microelementi.


		Fa parte degli enzimi delle polimerasi del DNA e dell'RNA, nonché di molti ormoni (ad esempio l'insulina).
		Partecipa ai processi di fotosintesi, sintesi dell'emocianina e di alcuni enzimi.
		È un componente strutturale degli ormoni T3 e T4 della tiroide
Manganese (Mn)	inferiore a 0,001	Incluso negli enzimi, nelle ossa. Partecipa alla fissazione dell'azoto nei batteri
	inferiore a 0,001	Influenza il processo di crescita delle piante.
		Fa parte delle ossa e dello smalto dei denti.

Sostanze organiche e inorganiche

Oltre a questi, quali altri elementi chimici sono inclusi nella composizione della cellula? Le risposte possono essere trovate semplicemente studiando la struttura della maggior parte delle sostanze nel corpo. Tra questi si distinguono molecole di origine organica e inorganica e ciascuno di questi gruppi ha un insieme fisso di elementi nella sua composizione.

Le principali classi di sostanze organiche sono proteine, acidi nucleici, grassi e carboidrati. Sono costruiti interamente dai principali elementi biogenici: lo scheletro della molecola è sempre formato da carbonio, e idrogeno, ossigeno e azoto fanno parte dei radicali. Negli animali le proteine sono la classe dominante e nelle piante i polisaccaridi.

Le sostanze inorganiche sono tutti sali minerali e, naturalmente, acqua. Tra tutti gli inorganici nella cellula, il più è H 2 O, in cui il resto delle sostanze è disciolto.

Tutto quanto sopra ti aiuterà a determinare quali elementi chimici fanno parte della cellula e le loro funzioni nel corpo non saranno più un mistero per te.

Circa 70 elementi sono stati trovati nelle cellule di diversi organismi sistema periodico elementi di D. I. Mendeleev, ma solo 24 di essi hanno un valore consolidato e si trovano costantemente in tutti i tipi di cellule.

maggiore peso specifico nella composizione elementare della cellula cade su ossigeno, carbonio, idrogeno e azoto. Questi sono i cosiddetti principale o nutrienti. Questi elementi rappresentano oltre il 95% della massa delle cellule e il loro contenuto relativo nella materia vivente è molto più alto che in la crosta terrestre. Vitali sono anche calcio, fosforo, zolfo, potassio, cloro, sodio, magnesio, iodio e ferro. Il loro contenuto nella cella è calcolato in decimi e centesimi di percentuale. Gli elementi elencati formano un gruppo macronutrienti.

Altri elementi chimici: rame, manganese, molibdeno, cobalto, zinco, boro, fluoro, cromo, selenio, alluminio, iodio, ferro, silicio - si trovano in quantità estremamente ridotte (meno dello 0,01% della massa cellulare). Appartengono al gruppo oligoelementi.

La percentuale dell'uno o dell'altro elemento nel corpo non caratterizza in alcun modo il grado della sua importanza e necessità nel corpo. Quindi, ad esempio, molti oligoelementi fanno parte di varie sostanze biologicamente attive: enzimi, vitamine (il cobalto fa parte della vitamina B 12), ormoni (lo iodio fa parte della tiroxina); influenzano la crescita e lo sviluppo degli organismi (zinco, manganese, rame), emopoiesi (ferro, rame), processi di respirazione cellulare (rame, zinco), ecc. Nella tabella sono riportati il contenuto e il significato per la vita delle cellule e del corpo nel suo insieme di vari elementi chimici:

Gli elementi chimici più importanti della cellula

Elemento	Simbolo	Contenuto approssimativo, %	Significato per la cellula e l'organismo
Ossigeno	o	62	Incluso in acqua e sostanza organica; coinvolti nella respirazione cellulare
Carbonio	C	20	Incluso in tutte le sostanze organiche
Idrogeno	H	10	Incluso in acqua e sostanza organica; partecipa ai processi di conversione dell'energia
Azoto	N	3	Incluso in aminoacidi, proteine, acidi nucleici, ATP, clorofilla, vitamine
Calcio	Circa	2,5	Fa parte della parete cellulare di piante, ossa e denti, aumenta la coagulazione del sangue e la contrattilità delle fibre muscolari
Fosforo	P	1,0	Incluso nel tessuto osseo e nello smalto dei denti, acidi nucleici, ATP, alcuni enzimi
Zolfo	S	0,25	Incluso negli aminoacidi (cisteina, cistina e metionina), alcune vitamine, partecipa alla formazione di legami disolfuro nella formazione della struttura terziaria delle proteine
Potassio	K	0,25	È contenuto nella cellula solo sotto forma di ioni, attiva gli enzimi della sintesi proteica, provoca un normale ritmo dell'attività cardiaca, partecipa ai processi di fotosintesi, generazione di potenziali bioelettrici
Cloro	cl	0,2	Lo ione negativo predomina nel corpo degli animali. Componente di acido cloridrico nel succo gastrico
Sodio	N / a	0,10	Contenuto nella cellula solo sotto forma di ioni, provoca un normale ritmo dell'attività cardiaca, influisce sulla sintesi degli ormoni
Magnesio	mg	0,07	Incluso nelle molecole di clorofilla, così come nelle ossa e nei denti, attiva il metabolismo energetico e la sintesi del DNA
Iodio	io	0,01	Incluso negli ormoni tiroidei
Ferro da stiro	Fe	0,01	Fa parte di molti enzimi, emoglobina e mioglobina, partecipa alla biosintesi della clorofilla, al trasporto degli elettroni, ai processi di respirazione e fotosintesi
Rame	Cu	Tracce	Incluso nella composizione delle emocianine negli invertebrati, nella composizione di alcuni enzimi, partecipa ai processi di ematopoiesi, fotosintesi, sintesi dell'emoglobina
Manganese	Mn	Tracce	Fa parte o aumenta l'attività di alcuni enzimi, partecipa allo sviluppo delle ossa, all'assimilazione dell'azoto e al processo di fotosintesi
Molibdeno	Mo	Tracce	Fa parte di alcuni enzimi (nitrato reduttasi), partecipa ai processi di legame dell'azoto atmosferico da parte dei batteri noduli
Cobalto	co	Tracce	Incluso nella vitamina B 12, partecipa alla fissazione dell'azoto atmosferico da parte dei batteri noduli
Bor	B	Tracce	Influenza i processi di crescita delle piante, attiva gli enzimi restitutivi della respirazione
Zinco	Zn	Tracce	Fa parte di alcuni enzimi che scompongono i polipeptidi, è coinvolto nella sintesi degli ormoni vegetali (auxine) e nella glicolisi
Fluoro	F	Tracce	Parte dello smalto di denti e ossa

La cellula è l'unità di base della vita sulla Terra. Ha tutte le caratteristiche di un organismo vivente: cresce, si riproduce, scambia sostanze ed energia con l'ambiente e reagisce agli stimoli esterni. L'inizio dell'evoluzione biologica è associato alla comparsa di forme di vita cellulare sulla Terra. Gli organismi unicellulari sono cellule che esistono separatamente l'una dall'altra. Il corpo di tutti gli organismi multicellulari - animali e piante - è costituito da più o meno cellule, che sono una sorta di mattoni che costituiscono un organismo complesso. Indipendentemente dal fatto che la cellula sia un sistema vivente integrale - un organismo separato o solo una parte di esso, è dotata di un insieme di caratteristiche e proprietà comuni a tutte le cellule.

La composizione chimica della cellula

Circa 60 elementi del sistema periodico di Mendeleev sono stati trovati nelle cellule, che si trovano anche nella natura inanimata. Questa è una delle prove della comunanza di natura animata e inanimata. Idrogeno, ossigeno, carbonio e azoto sono i più comuni negli organismi viventi, che costituiscono circa il 98% della massa delle cellule. Ciò è dovuto alle peculiarità delle proprietà chimiche di idrogeno, ossigeno, carbonio e azoto, per cui si sono rivelate le più adatte per la formazione di molecole che svolgono funzioni biologiche. Questi quattro elementi sono in grado di formare legami covalenti molto forti attraverso l'accoppiamento di elettroni appartenenti a due atomi. Gli atomi di carbonio legati in modo covalente possono formare la spina dorsale di innumerevoli molecole organiche diverse. Poiché gli atomi di carbonio formano facilmente legami covalenti con ossigeno, idrogeno, azoto e anche con zolfo, le molecole organiche raggiungono un'eccezionale complessità e varietà di struttura.

Oltre ai quattro elementi principali, la cellula contiene ferro, potassio, sodio, calcio, magnesio, cloro, fosforo e zolfo in quantità notevoli (10a e 100a frazione di percentuale). Tutti gli altri elementi (zinco, rame, iodio, fluoro, cobalto, manganese, ecc.) si trovano nella cellula in quantità molto piccole e sono quindi chiamati microelementi.

Gli elementi chimici fanno parte dei composti inorganici e organici. I composti inorganici includono acqua, sali minerali, anidride carbonica, acidi e basi. I composti organici sono proteine, acidi nucleici, carboidrati, grassi (lipidi) e lipidi. Oltre a ossigeno, idrogeno, carbonio e azoto, nella loro composizione possono essere inclusi altri elementi. Alcune proteine contengono zolfo. Il fosforo è un costituente degli acidi nucleici. La molecola dell'emoglobina include il ferro, il magnesio è coinvolto nella costruzione della molecola della clorofilla. Gli oligoelementi, nonostante il loro contenuto estremamente basso negli organismi viventi, svolgono un ruolo importante nei processi vitali. Lo iodio fa parte dell'ormone tiroideo - tiroxina, cobalto - nella composizione dell'ormone vitamina B 12 dell'isolotto del pancreas - insulina - contiene zinco. In alcuni pesci, il posto del ferro nelle molecole dei pigmenti che trasportano ossigeno è occupato dal rame.

sostanze inorganiche

Acqua. H 2 O è il composto più comune negli organismi viventi. Il suo contenuto in diverse cellule varia in un intervallo abbastanza ampio: dal 10% nello smalto dei denti al 98% nel corpo di una medusa, ma in media è circa l'80% del peso corporeo. Il ruolo estremamente importante dell'acqua nel garantire i processi vitali è dovuto al suo proprietà fisiche e chimiche. La polarità delle molecole e la capacità di formare legami idrogeno rendono l'acqua un buon solvente per un numero enorme di sostanze. La maggior parte delle reazioni chimiche che avvengono in una cellula possono avvenire solo in una soluzione acquosa. L'acqua è anche coinvolta in molte trasformazioni chimiche.

Il numero totale di legami idrogeno tra le molecole d'acqua varia a seconda di t °. A t ° lo scioglimento del ghiaccio distrugge circa il 15% dei legami idrogeno, a t ° 40 ° C - metà. Al passaggio allo stato gassoso, tutti i legami idrogeno vengono distrutti. Questo spiega l'alto calore specifico acqua. Quando la t° dell'ambiente esterno cambia, l'acqua assorbe o cede calore per rottura o nuova formazione di legami idrogeno. In questo modo le fluttuazioni di t° all'interno della cella sono minori che in ambiente. L'alto calore di evaporazione è alla base dell'efficiente meccanismo di trasferimento del calore nelle piante e negli animali.

L'acqua come solvente partecipa ai fenomeni di osmosi, che svolge un ruolo importante nell'attività vitale delle cellule del corpo. L'osmosi si riferisce alla penetrazione di molecole di solvente attraverso una membrana semipermeabile in una soluzione di una sostanza. Le membrane semipermeabili sono membrane che consentono il passaggio delle molecole del solvente, ma non le molecole (o gli ioni) del soluto. Pertanto, l'osmosi è la diffusione unidirezionale di molecole d'acqua nella direzione della soluzione.

sali minerali. La maggior parte delle cellule inorganiche sono sotto forma di sali allo stato dissociato o solido. La concentrazione di cationi e anioni nella cellula e nel suo ambiente non è la stessa. La cella contiene parecchio K e molto Na. Nell'ambiente extracellulare, ad esempio, nel plasma sanguigno, nell'acqua di mare, invece, c'è molto sodio e poco potassio. L'irritabilità cellulare dipende dal rapporto tra le concentrazioni di ioni Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+. Nei tessuti degli animali multicellulari, K fa parte di una sostanza multicellulare che assicura la coesione delle cellule e la loro disposizione ordinata. La pressione osmotica nella cellula e le sue proprietà tampone dipendono in gran parte dalla concentrazione di sali. Il buffering è la capacità di una cellula di mantenere una reazione leggermente alcalina del suo contenuto a un livello costante. Il buffering all'interno della cellula è fornito principalmente dagli ioni H 2 PO 4 e HPO 4 2-. Nei fluidi extracellulari e nel sangue, H 2 CO 3 e HCO 3 - svolgono il ruolo di tampone. Gli anioni legano gli ioni H e gli ioni idrossido (OH -), grazie ai quali la reazione all'interno della cellula dei fluidi extracellulari praticamente non cambia. I sali minerali insolubili (ad esempio il fosfato di calcio) forniscono forza al tessuto osseo dei vertebrati e dei gusci di molluschi.

La materia organica della cellula

Scoiattoli. Tra le sostanze organiche della cellula le proteine sono al primo posto sia in quantità (10–12% della massa cellulare totale) che in valore. Le proteine sono polimeri ad alto peso molecolare (con un peso molecolare compreso tra 6.000 e 1 milione o più) i cui monomeri sono aminoacidi. Gli organismi viventi utilizzano 20 aminoacidi, anche se ce ne sono molti di più. La composizione di qualsiasi amminoacido comprende un gruppo amminico (-NH 2), che ha proprietà di base, e un gruppo carbossilico (-COOH), che ha proprietà acide. Due amminoacidi vengono combinati in una molecola stabilendo un legame HN-CO con il rilascio di una molecola d'acqua. Il legame tra il gruppo amminico di un amminoacido e il gruppo carbossilico di un altro è chiamato legame peptidico. Le proteine sono polipeptidi contenenti decine o centinaia di aminoacidi. Le molecole di varie proteine differiscono l'una dall'altra per peso molecolare, numero, composizione degli amminoacidi e loro sequenza nella catena polipeptidica. È chiaro, quindi, che le proteine sono di grande diversità, il loro numero in tutti i tipi di organismi viventi è stimato in 10 10 - 10 12.

Una catena di unità di amminoacidi collegate da legami peptidici covalenti in una determinata sequenza è chiamata struttura primaria di una proteina. Nelle cellule, le proteine hanno la forma di fibre o sfere (globuli) attorcigliate elicoidalmente. Ciò è dovuto al fatto che in una proteina naturale la catena polipeptidica è ripiegata in modo rigorosamente definito, a seconda di struttura chimica i suoi amminoacidi costituenti.

Innanzitutto, la catena polipeptidica si avvolge in un'elica. L'attrazione sorge tra gli atomi delle spire vicine e si formano legami idrogeno, in particolare, tra NH- e Gruppi CO situato su curve adiacenti. Una catena di aminoacidi, attorcigliata a forma di spirale, forma la struttura secondaria di una proteina. Come risultato dell'ulteriore ripiegamento dell'elica, si forma una configurazione specifica per ciascuna proteina, chiamata struttura terziaria. La struttura terziaria è dovuta all'azione delle forze coesive tra i radicali idrofobici presenti in alcuni aminoacidi e dei legami covalenti tra i gruppi SH dell'amminoacido cisteina ( Collegamenti SS). Il numero di aminoacidi radicali idrofobici e cisteina, nonché l'ordine della loro disposizione nella catena polipeptidica, è specifico per ciascuna proteina. Di conseguenza, le caratteristiche della struttura terziaria di una proteina sono determinate dalla sua struttura primaria. La proteina esibisce attività biologica solo sotto forma di una struttura terziaria. Pertanto, la sostituzione anche di un solo amminoacido nella catena polipeptidica può portare ad un cambiamento nella configurazione della proteina e ad una diminuzione o perdita della sua attività biologica.

In alcuni casi, le molecole proteiche si combinano tra loro e possono svolgere la loro funzione solo sotto forma di complessi. Quindi, l'emoglobina è un complesso di quattro molecole e solo in questa forma è in grado di legare e trasportare ossigeno.Tali aggregati rappresentano la struttura quaternaria della proteina. In base alla loro composizione, le proteine sono divise in due classi principali: semplici e complesse. Le proteine semplici sono costituite solo da aminoacidi, acidi nucleici (nucleotidi), lipidi (lipoproteine), Me (proteine metalliche), P (fosfoproteine).

Le funzioni delle proteine nella cellula sono estremamente diverse. Una delle più importanti è la funzione costruttiva: le proteine sono coinvolte nella formazione di tutte le membrane cellulari e degli organelli cellulari, nonché delle strutture intracellulari. Di eccezionale importanza è il ruolo enzimatico (catalitico) delle proteine. Gli enzimi accelerano le reazioni chimiche che avvengono nella cellula di 10 ki e 100 milioni di volte. La funzione motoria è fornita da speciali proteine contrattili. Queste proteine sono coinvolte in tutti i tipi di movimenti di cui sono capaci le cellule e gli organismi: sfarfallio delle ciglia e battito dei flagelli nei protozoi, contrazione muscolare negli animali, movimento delle foglie nelle piante, ecc. La funzione di trasporto delle proteine è quella di attaccare elementi chimici (ad esempio, l'emoglobina attacca O) o sostanze biologicamente attive (ormoni) e le trasferiscono ai tessuti e agli organi del corpo. La funzione protettiva si esprime sotto forma di produzione di proteine speciali, dette anticorpi, in risposta alla penetrazione di proteine o cellule estranee nell'organismo. Gli anticorpi legano e neutralizzano le sostanze estranee. Le proteine svolgono un ruolo importante come fonti di energia. Con spaccatura completa di 1g. le proteine vengono rilasciate 17,6 kJ (~ 4,2 kcal).

Carboidrati. I carboidrati o saccaridi sono composti organici formula generale(CH 2 O) n. La maggior parte dei carboidrati ha il doppio del numero di atomi di H più numero O atomi, come nelle molecole d'acqua. Pertanto, queste sostanze sono state chiamate carboidrati. In una cellula vivente i carboidrati si trovano in quantità non superiori a 1-2, a volte il 5% (nel fegato, nei muscoli). Le cellule vegetali sono le più ricche di carboidrati, dove il loro contenuto raggiunge in alcuni casi il 90% della massa di sostanza secca (semi, tuberi di patata, ecc.).

I carboidrati sono semplici e complessi. carboidrati semplici chiamati monosaccaridi. A seconda del numero di atomi di carboidrati nella molecola, i monosaccaridi sono chiamati triosi, tetrosi, pentosi o esosi. Dei sei monosaccaridi di carbonio, esosi, glucosio, fruttosio e galattosio sono i più importanti. Il glucosio è contenuto nel sangue (0,1-0,12%). I pentosi ribosio e desossiribosio fanno parte degli acidi nucleici e dell'ATP. Se due monosaccaridi si combinano in una molecola, tale composto è chiamato disaccaride. Lo zucchero dietetico, ottenuto dalla canna o dalla barbabietola da zucchero, è costituito da una molecola di glucosio e una molecola di fruttosio, zucchero del latte - da glucosio e galattosio.

I carboidrati complessi formati da molti monosaccaridi sono chiamati polisaccaridi. Il monomero di tali polisaccaridi come amido, glicogeno, cellulosa è il glucosio. I carboidrati svolgono due funzioni principali: costruzione ed energia. La cellulosa forma le pareti delle cellule vegetali. Il complesso polisaccaride chitina è il principale componente strutturale dell'esoscheletro degli artropodi. La chitina svolge anche una funzione costruttiva nei funghi. I carboidrati svolgono il ruolo della principale fonte di energia nella cellula. Nel processo di ossidazione di 1 g di carboidrati, vengono rilasciati 17,6 kJ (~ 4,2 kcal). L'amido nelle piante e il glicogeno negli animali sono immagazzinati nelle cellule e fungono da riserva di energia.

Acidi nucleici. Il valore degli acidi nucleici nella cellula è molto alto. Le peculiarità della loro struttura chimica offrono la possibilità di immagazzinare, trasferire e trasmettere per via ereditaria alle cellule figlie informazioni sulla struttura delle molecole proteiche che vengono sintetizzate in ciascun tessuto in un determinato stadio. sviluppo individuale. Poiché la maggior parte delle proprietà e delle caratteristiche delle cellule sono dovute alle proteine, è chiaro che la stabilità degli acidi nucleici lo è condizione essenziale normale funzionamento delle cellule e degli organismi interi. Eventuali cambiamenti nella struttura delle cellule o nell'attività dei processi fisiologici in esse contenuti, influenzando così la vita. Lo studio della struttura degli acidi nucleici è estremamente importante per comprendere l'eredità dei tratti negli organismi e i modelli di funzionamento sia delle singole cellule che dei sistemi cellulari: tessuti e organi.

Esistono 2 tipi di acidi nucleici: DNA e RNA. Il DNA è un polimero costituito da due eliche nucleotidiche, racchiuse in modo da formare una doppia elica. I monomeri delle molecole di DNA sono nucleotidi costituiti da una base azotata (adenina, timina, guanina o citosina), un carboidrato (desossiribosio) e un residuo di acido fosforico. Le basi azotate nella molecola del DNA sono interconnesse da un numero disuguale di legami H e sono disposte a coppie: adenina (A) è sempre contro timina (T), guanina (G) contro citosina (C). Schematicamente, la disposizione dei nucleotidi in una molecola di DNA può essere rappresentata come segue:

Fig. 1. Disposizione dei nucleotidi in una molecola di DNA

Dalla Fig.1. Si può vedere che i nucleotidi sono collegati tra loro non in modo casuale, ma in modo selettivo. La capacità di interazione selettiva dell'adenina con la timina e della guanina con la citosina è chiamata complementarità. L'interazione complementare di alcuni nucleotidi è spiegata dalle peculiarità della disposizione spaziale degli atomi nelle loro molecole, che consentono loro di avvicinarsi l'un l'altro e formare legami H. In una catena polinucleotidica, i nucleotidi adiacenti sono collegati tra loro attraverso uno zucchero (desossiribosio) e un residuo di acido fosforico. L'RNA, come il DNA, è un polimero i cui monomeri sono nucleotidi. Le basi azotate dei tre nucleotidi sono le stesse che compongono il DNA (A, G, C); il quarto - uracile (U) - è presente nella molecola di RNA al posto della timina. I nucleotidi dell'RNA differiscono dai nucleotidi del DNA nella struttura dei loro carboidrati (ribosio invece di desossiribosio).

In una catena di RNA, i nucleotidi sono collegati formandosi legami covalenti tra il ribosio di un nucleotide e il residuo di acido fosforico di un altro. Gli RNA a due filamenti differiscono nella struttura. Gli RNA a doppio filamento sono i custodi delle informazioni genetiche in un certo numero di virus, ad es. svolgere le funzioni dei cromosomi. Gli RNA a filamento singolo effettuano il trasferimento di informazioni sulla struttura delle proteine dal cromosoma al sito della loro sintesi e partecipano alla sintesi proteica.

Esistono diversi tipi di RNA a filamento singolo. I loro nomi sono dovuti alla loro funzione o posizione nella cella. La maggior parte dell'RNA citoplasmatico (fino all'80-90%) è l'RNA ribosomiale (rRNA) contenuto nei ribosomi. Le molecole di rRNA sono relativamente piccole e consistono in media di 10 nucleotidi. Un altro tipo di RNA (mRNA) che trasporta informazioni sulla sequenza di amminoacidi nelle proteine da sintetizzare in ribosomi. La dimensione di questi RNA dipende dalla lunghezza del segmento di DNA da cui sono stati sintetizzati. Gli RNA di trasferimento svolgono diverse funzioni. Forniscono amminoacidi al sito di sintesi proteica, "riconoscendo" (secondo il principio di complementarità) la tripletta e l'RNA corrispondente all'amminoacido trasferito ed effettuano l'esatto orientamento dell'amminoacido sul ribosoma.

Grassi e lipidi. I grassi sono composti di acidi grassi macromolecolari e dell'alcool trivalente glicerolo. I grassi non si dissolvono in acqua: sono idrofobici. Ci sono sempre altre sostanze idrofobiche complesse simili ai grassi nella cellula, chiamate lipoidi. Una delle funzioni principali dei grassi è l'energia. Durante la scomposizione di 1 g di grasso in CO 2 e H 2 O, viene rilasciato un gran numero di energia - 38,9 kJ (~ 9,3 kcal). Il contenuto di grasso nella cellula varia dal 5 al 15% della massa di sostanza secca. Nelle cellule del tessuto vivente, la quantità di grasso aumenta fino al 90%. La funzione principale dei grassi nel mondo animale (e in parte vegetale) è la conservazione.

Con l'ossidazione completa di 1 g di grasso (ad anidride carbonica e acqua), vengono rilasciate circa 9 kcal di energia. (1 kcal \u003d 1000 cal; calorie (cal, cal) è un'unità fuori sistema della quantità di lavoro ed energia, pari alla quantità di calore richiesta per riscaldare 1 ml di acqua di 1 ° C a una pressione atmosferica standard di 101,325 kPa; 1 kcal \u003d 4,19 kJ) . Quando si ossida (nel corpo) 1 g di proteine o carboidrati, vengono rilasciati solo circa 4 kcal / g. In un'ampia varietà di organismi acquatici - dalle diatomee unicellulari agli squali giganti - il grasso "galleggerà", riducendo la densità corporea media. La densità dei grassi animali è di circa 0,91-0,95 g/cm³. La densità ossea dei vertebrati è vicina a 1,7-1,8 g/cm³ e la densità media della maggior parte degli altri tessuti è vicina a 1 g/cm³. È chiaro che è necessario molto grasso per "bilanciare" uno scheletro pesante.

Grassi e lipidi funzionano e funzione edilizia: Fanno parte delle membrane cellulari. A causa della scarsa conduttività termica, il grasso ha una funzione protettiva. In alcuni animali (foche, balene) si deposita nel tessuto adiposo sottocutaneo formando uno strato spesso fino a 1 m La formazione di alcuni lipoidi precede la sintesi di alcuni ormoni. Di conseguenza, queste sostanze hanno anche la funzione di regolare i processi metabolici.

A condizioni moderne uno dei problemi più urgenti dell'insegnamento della chimica è garantire l'orientamento pratico della conoscenza della materia. Ciò significa la necessità di chiarire lo stretto rapporto tra le posizioni teoriche studiate e la pratica della vita, per dimostrare la natura applicata della conoscenza chimica. Gli studenti sono entusiasti di imparare la chimica. Al fine di mantenere l'interesse cognitivo degli studenti, è necessario convincerli dell'efficacia della conoscenza chimica, per formare un bisogno personale di padronanza del materiale didattico.

Scopo di questa lezione: ampliare gli orizzonti degli studenti e aumentare l'interesse cognitivo per lo studio della materia, formare concetti di visione del mondo sulla conoscibilità della natura. Questa lezione si propone di tenersi in terza media dopo aver studiato gli elementi chimici della tavola periodica, quando i bambini hanno già un'idea della loro diversità.

DURANTE LE LEZIONI

Insegnante:

Non c'è nient'altro in natura
Né qui né là, nelle profondità dello spazio:
Tutto - dai piccoli granelli di sabbia ai pianeti -
Si compone di singoli elementi.
Come una formula, come un orario di lavoro,
La struttura del sistema Mendeleev è rigorosa.
Il mondo intorno a te è vivo
Entra, inspira, toccalo con le mani.

La lezione inizia con una scena teatrale "Chi è il più importante nel tavolo?" (centimetro. allegato 1).

Insegnante: Il corpo umano contiene 81 elementi chimici su 92 presenti in natura. Il corpo umano è un complesso laboratorio chimico. È difficile immaginare che il nostro benessere quotidiano, l'umore e persino l'appetito possano dipendere dai minerali. Senza di loro, le vitamine sono inutili, la sintesi e la scomposizione di proteine, grassi e carboidrati sono impossibili.

Sulle tavole degli studenti ci sono le tavole “Il ruolo biologico degli elementi chimici” (vedi. Appendice 2). Prenditi del tempo per conoscerla. L'insegnante, insieme agli studenti, analizza la tabella ponendo domande.

Insegnante: La base della vita sono i sei elementi dei primi tre periodi (H, C, N, O, P, S), che rappresentano il 98% della massa della materia vivente (i restanti elementi del sistema periodico non sono più di 2%).
Tre attributi principali degli elementi biogenici (H, C, N, O, P, S):

piccola dimensione degli atomi
piccolo parente massa atomica,
la capacità di formare forti legami covalenti.

Agli studenti vengono forniti dei testi (cfr. Allegato 3). Compito: leggere attentamente il testo; evidenziare gli elementi necessari alla vita e gli elementi pericolosi per gli organismi viventi; trovali nel sistema periodico e spiega il loro ruolo.
Dopo aver completato il compito, diversi studenti analizzano testi diversi.

Insegnante: Gli elementi-analoghi nell'ambiente naturale entrano in competizione e possono essere scambiati negli organismi viventi, influenzandoli negativamente.
La sostituzione di sodio e potassio negli organismi animali e umani con il litio provoca disturbi del sistema nervoso, poiché in questo caso le cellule non conducono un impulso nervoso. Tali disturbi portano alla schizofrenia.
Il tallio, un concorrente biologico del potassio, lo sostituisce nelle pareti cellulari, colpisce il sistema nervoso centrale e periferico, il tratto gastrointestinale e i reni.
Il selenio può sostituire lo zolfo nelle proteine. Questo è l'unico elemento che, se presente in alte concentrazioni nelle piante, può causare la morte improvvisa negli animali e nell'uomo che li mangia.
Il calcio, quando è carente nel terreno, viene sostituito nel corpo dallo stronzio, che sconvolge gradualmente la normale struttura dello scheletro. Particolarmente pericolosa è la sostituzione del calcio con lo stronzio-90, che si accumula in enormi quantità nei luoghi di esplosioni nucleari (durante il test di armi nucleari) o durante gli incidenti nelle centrali nucleari. Questo radionuclide distrugge il midollo osseo.
Il cadmio compete con lo zinco. Questo elemento riduce l'attività degli enzimi digestivi, interrompe la formazione di glicogeno nel fegato, provoca deformità scheletriche, inibisce la crescita ossea e provoca anche forti dolori alla parte bassa della schiena e ai muscoli delle gambe, fragilità ossea (ad esempio costole rotte durante la tosse) . Altre conseguenze negative sono il cancro ai polmoni e al retto, la disfunzione pancreatica. Danno renale, diminuzione dei livelli ematici di ferro, calcio, fosforo. Questo elemento inibisce i processi di autodepurazione nelle piante acquatiche e terrestri (ad esempio si nota un aumento di 20-30 volte del cadmio nelle foglie di tabacco).
Gli alogeni possono essere scambiati molto facilmente nel corpo. Un eccesso di fluoro nell'ambiente (acqua fluorurata, contaminazione del suolo con composti di fluoro attorno a un impianto di produzione di alluminio e altri motivi) impedisce allo iodio di entrare nel corpo umano. Di conseguenza, malattie della tiroide sistema endocrino in genere.

Messaggi degli studenti preparati in anticipo.

1° studente:

Gli alchimisti medievali consideravano l'oro la perfezione e altri metalli - un errore nell'atto della creazione e, come sapete, fecero grandi sforzi per eliminare questo errore. L'idea di introdurre l'oro nella pratica medica è attribuita a Paracelso, il quale proclamò che l'obiettivo della chimica non dovrebbe essere la trasformazione di tutti i metalli in oro, ma la preparazione di medicinali. Le medicine a base di oro e dei suoi composti sono state provate per curare molte malattie. Sono stati curati per la lebbra, il lupus e la tubercolosi. Nelle persone sensibili all'oro, potrebbe causare una violazione della composizione del sangue, una reazione dei reni, del fegato, influenzare l'umore, la crescita dei denti, i capelli. L'oro assicura il funzionamento del sistema nervoso. Si trova nel mais. E la forza dei vasi sanguigni dipende dal germanio. L'unico prodotto alimentare contenente germanio è l'aglio.

2° studente:

A corpo umano la maggior quantità di rame si trova nel cervello e nel fegato, e questa circostanza da sola indica la sua importanza nella vita. È stato riscontrato che con il dolore aumenta la concentrazione di rame nel sangue e nel liquido cerebrospinale. In Siria e in Egitto, i neonati indossano braccialetti di rame per prevenire rachitismo ed epilessia.

3° studente:

ALLUMINIO

Gli utensili in alluminio sono chiamati gli utensili dei poveri, poiché questo metallo contribuisce allo sviluppo dell'aterosclerosi senile. Quando si cucina in tali piatti, l'alluminio passa parzialmente nel corpo, dove si accumula.

4° studente:

Quale elemento si trova nelle mele? (Ferro da stiro.)
Qual è il suo ruolo biologico? (Il corpo contiene 3 g di ferro, di cui 2 g nel sangue. Il ferro fa parte dell'emoglobina. Una carenza di ferro porta a male alla testa, rapido affaticamento.)

Quindi gli studenti conducono un esperimento di laboratorio, il cui scopo è provare sperimentalmente l'effetto dei sali di alcuni metalli sulle proteine. Mescolano la proteina con soluzioni di alcali e solfato di rame e osservano la precipitazione di un precipitato viola. Trai una conclusione sulla distruzione della proteina.

5° studente:

L'uomo è anche natura.
Egli è anche un tramonto e un'alba.
E ha quattro stagioni.
E una mossa speciale nella musica.

E uno speciale sacramento di colore,
Ora con crudele, ora con buon fuoco.
L'uomo è inverno. O estate.
O autunno. Con tuoni e pioggia.

Tutto contenuto in se stesso - miglia e tempo.
E dalle tempeste atomiche era cieco.
L'uomo è sia suolo che seme.
E le erbacce in mezzo al campo. E il pane.

E com'è il tempo lì dentro?
Quanta solitudine c'è? Riunioni?
Anche l'uomo è natura...
Quindi prendiamoci cura della natura!

(S.Ostrovoia)

Per consolidare le conoscenze acquisite nella lezione, viene effettuato il test “Smile” (vedi. Appendice 4).
Successivamente, si propone di compilare il cruciverba "Caleidoscopio chimico" (vedi. Appendice 5).
L'insegnante riassume la lezione, annotando gli studenti più attivi.

6° studente:

Cambia, cambia!
La chiamata è dilagante.
Finalmente è finito
Lezione noiosa!

Tirando lo zolfo per la treccia,
Il magnesio è passato.
Lo iodio è evaporato dall'aula
È come se non fosse mai successo.

Il fluoro ha accidentalmente dato fuoco all'acqua,
Il cloro ha mangiato il libro di qualcun altro.
Carbonio improvvisamente con idrogeno
Sono riuscito a diventare invisibile.

Potassio, bromo stanno combattendo nell'angolo:
Non condividono un elettrone.
Ossigeno - cattivo con il boro
Passato al galoppo a cavallo.

Libri usati:

O.V. Baidalina Sull'aspetto applicato della conoscenza chimica. “Chimica a scuola” n. 5, 2005
Chimica ed ecologia nel percorso scolastico. “Primo settembre” n. 14, 2005
I. N. Pimenova, A. V. Pimenov“Lezioni su biologia generale”, tutorial, Saratov, casa editrice JSC "Lyceum", 2003
Sulla chimica in versi, chi è il più importante nella tabella? “Primo settembre”, n. 15, 2005
I metalli nel corpo umano, “Chimica a scuola”, N. 6, 2005
Cruciverba "Caleidoscopio chimico". “Primo settembre”, n. 14, 2005
"Vado a lezione di chimica." Il libro per l'insegnante. M. “Primo settembre”, 2002, p.12.