Значення найважливіших хімічних елементів та сполук для клітини та організму. Хімічні елементи в клітинах живих організмів.

Елементний склад організму

за хімічним складомклітини різних організмів можуть помітно відрізнятися, однак вони складаються з однакових елементів. У клітинах виявлено близько 70 елементів періодичної таблиці Д.І. Менделєєва, але тільки 24 їх мають важливе значення і зустрічаються в живих організмах постійно.

Макроелементи – кисень, вуглеводень, водень, азот – входять до складу молекул органічних речовин. До макроелементів останнім часом відносять калій, натрій, кальцій, сірка, фосфор, магній, залізо, хлор. Їх вміст у клітині становить десяті та соті частки відсотка.

Магній входить до складу хлорофілу; залізо – гемоглобіну; фосфор – кісткової тканини, нуклеїнових кислот; кальцій – кісток, черепашок молюсків, сірка – до складу білків; калій, натрій та хлор-іони беруть участь у зміні потенціалу клітинної мембрани.

Мікроелементи представлені в клітці сотими та тисячними частками відсотка. Це цинк, мідь, йод, фтор, молібден, бор та ін.

Мікроелементи входять до складу ферментів, гормонів, пігментів.

Ультрамікроелементи - Елементи, вміст яких у клітині не перевищує 0,000001%. Це уран, золото, ртуть, цезій та ін.

Вода та її біологічне значення

Вода кількісно займає серед хімічних сполукперше місце у всіх клітинах. Залежно від типу клітин, їх функціонального стану, виду організму та умов його знаходження її вміст у клітинах суттєво коливається.

Клітини кісткової тканини містять не більше 20% води, жирової тканини – близько 40%, м'язові клітини – 76%, а клітини зародка – понад 90%.

Примітка 1

У клітинах будь-якого організму із віком кількість води помітно зменшується.

Звідси – висновок, що що вище функціональна активність організму загалом і кожної клітини окремо тим більшим у яких є вміст води, і навпаки.

Примітка 2

Обов'язковою умовою життєвої активності клітин є наявність води. Вона є основною частиною цитоплазми, підтримує її структуру та стійкість колоїдів, що входять до складу цитоплазми.

Роль води у клітині визначається її хімічними та структурними властивостями. Насамперед це пов'язано з невеликим розміром молекул, їхньою полярністю та здатністю з'єднуватися за допомогою водневих зв'язків.

Водневі зв'язки утворюються за участю атомів водню, що з'єднані з електронегативним атомом (зазвичай киснем або азотом). При цьому атом Гідрогену набуває настільки великого позитивного заряду, що може утворити новий зв'язок з іншим електронегативним атомом (кисню або азоту). Також зв'язуються один з одним молекули води, у яких один кінець має позитивний заряд, а інший – негативний. Таку молекулу називають диполем. Більше електронегативний атом кисню однієї молекули води притягується до позитивно зарядженого атома водню іншої молекули з утворенням водневого зв'язку.

Завдяки тому, що молекули води полярні та здатні утворювати водневі зв'язки, вода є досконалим розчинником для полярних речовин, які називаються гідрофільними. Такими є сполуки іонного характеру, у яких заряджені частинки (іони) дисоціюють (поділяються) у воді при розчиненні речовини (солі). Таку ж здатність мають деякі неіонні сполуки, в молекулі яких знаходяться заряджені (полярні) групи (у цукрах, амінокислотах, простих спиртах це ОН-групи). Речовини, які з неполярних молекул (ліпіди), у питній воді практично нерозчинні, тобто вони гідрофоби.

При переході речовини в розчин, його структурні частинки (молекули або іони) набувають можливості рухатися вільніше, а відповідно зростає реакційна здатність речовини. Завдяки цьому вода є основним середовищем, де відбувається більшість хімічних реакцій. Крім того, всі окисно-відновні реакції та реакції гідролізу проходять за безпосередньої участі води.

Вода має найбільшу питому теплоємність серед усіх відомих речовин. Це означає, що при суттєвому збільшенні теплової енергії температура води підвищується небагато. Це зумовлено використанням значної кількості цієї енергії на розрив водневих зв'язків, що обмежують рухливість молекул води.

Завдяки великій теплоємності вода служить захистом тканин рослин і тварин від сильного і швидкого підвищення температури, а висока теплота пароутворення є основою для надійної стабілізації температури тіла організму. Необхідність значної кількості енергії для випаровування води викликана тим, що її молекулами існують водневі зв'язку. Ця енергія надходить із навколишнього середовища, тому випаровування супроводжується охолодженням. Цей процес можна спостерігати під час потовиділення, у разі теплової задишки у собак, важлива вона і в процесі охолодження транспіруючих органів рослин, особливо в пустельних умовах та в умовах сухих степів та періодів посухи в інших регіонах.

Вода має також високу теплопровідність, чим забезпечується рівномірний розподіл тепла по організму. Таким чином, немає ризику виникнення локальних «гарячих точок», які можуть стати причиною пошкодження елементів клітин. Отже, висока питома теплоємність і висока рідини теплопровідність роблять воду ідеальним середовищем підтримки оптимального теплового режиму організму.

Для води характерний високий поверхневий натяг. Ця її властивість дуже важлива для адсорбційних процесів, Руху розчинів по тканинах (кровообіг, висхідний і низхідний рух по рослині і т.п.).

Вода використовується як джерело кисню та водню, що виділяються під час світлової фази фотосинтезу.

До важливих фізіологічних властивостей води належить її здатність розчиняти гази ($O_2$, $CO_2$ та інших.). Крім того, вода як розчинник бере участь у процесі осмосу, що відіграє важливу роль у життєдіяльності клітин та організму.

Властивості вуглеводню та його біологічна роль

Якщо не брати до уваги воду, можна сказати, що більшість молекул клітини належить до вуглеводневих, так званих органічних, сполук.

Примітка 3

Вуглеводень, маючи унікальні хімічні здібності, фундаментальні життя, становить її хімічну основу.

Завдяки невеликого розмірута наявності на зовнішньої оболонкичотирьох електронів атом вуглеводню може утворювати чотири міцні ковалентні зв'язки з іншими атомами.

Найважливіше значення має здатність атомів вуглеводню з'єднуватися один з одним, утворюючи ланцюги, кільця і, зрештою, скелет великих та складних органічних молекул.

До того ж вуглеводень легко утворює ковалентні зв'язки з іншими біогенними елементами (зазвичай $H, Mg, P, O, S$). Саме цим пояснюється існування астрономічної кількості різноманітних органічних сполук, які забезпечують існування живих організмів у всіх його проявах Різноманітність їх проявляється у структурі та розмірах молекул, їх хімічні властивості, ступеня насиченості карбонового скелета та різної формимолекул, що визначається кутами внутрішньомолекулярних зв'язків

Біополімери

Це високомолекулярні (молекулярна маса 103 – 109) органічні сполуки, макромолекули яких складаються з великої кількості ланок, що повторюються, – мономерів.

До біополімерів відносяться білки, нуклеїнові кислоти, полісахариди та їх похідні (крохмаль, глікоген, целюлоза, геміцелюлоза, пектинові речовини, хітин та ін.). Мономерами для них є відповідно амінокислоти, нуклеотиди та моносахариди.

Примітка 4

Близько 90% сухої маси клітини становлять біополімери: рослин переважають полісахариди, а тварин – білки.

Приклад 1

У клітині бактерій знаходиться близько 3 тис. видів білків та 1 тис. нуклеїнових кислот, а у людини кількість білків оцінюють у 5 млн.

Біополімери не лише утворюють структурну основу живих організмів, а й у процесах життєдіяльності відіграють провідну роль.

Структурною основою біополімерів є лінійні (білки, нуклеїнові кислоти, целюлоза) або розгалужені (глікоген) ланцюги.

І нуклеїнових кислот, імунні реакції, реакції обміну речовин - і здійснюються завдяки утворенню біополімерних комплексів та іншим властивостям біополімерів.

Сьогодні виявлено та виділено у чистому вигляді багато хімічних елементівтаблиці Менделєєва, а п'ята частина зустрічається у кожному живому організмі. Вони, подібно до цеглинок, є головними складовими органічних і неорганічних речовин.

Які хімічні елементи входять до складу клітини, з біології яких речовин можна будувати висновки про їх наявності у організмі - усе це ми розглянемо далі у статті.

Що таке сталість хімічного складу

Для дотримання стабільності в організмі кожна клітина повинна підтримувати концентрацію кожної своєї складової постійного рівня. Цей рівень визначається видовою приналежністю, довкіллям, екологічними факторами.

Щоб відповісти на питання, які хімічні елементи входять до складу клітини, необхідно чітко розуміти, що у складі будь-якої речовини знаходяться якісь складові таблиці Менделєєва.

Часом йде мовапро сотих і тисячних частках відсотка вмісту певного елемента в клітині, але при цьому зміна названого числа хоча б на тисячну частину вже може нести серйозні наслідкидля організму.

Зі 118 хімічних елементів у клітині людини має бути як мінімум 24. Немає таких складових, які зустрічалися б у живому організмі, але не входили до складу неживих об'єктів природи. Цей факт підтверджує тісний зв'язок між живим та неживим в екосистемі.

Роль різних елементів, що входять до складу клітини

Тож які хімічні елементи входять до складу клітини? Їх роль у життєдіяльності організму, слід зазначити, безпосередньо залежить від частоти народження та концентрації їх у цитоплазмі. Однак, незважаючи на різний змістелементів у клітині, значимість кожного з них однаково висока. Дефіцит будь-якого з них може призвести до згубного впливу на організм, відключивши з метаболізму найважливіші біо хімічні реакції.

Перераховуючи, які хімічні елементи входять до складу клітини людини, слід згадати три основні види, які ми розглянемо далі:

Основні біогенні елементи клітини

Не дивно, що елементи О, С, Н, N відносяться до біогенних, адже саме вони утворюють усі органічні та багато неорганічних речовин. Неможливо уявити білки, жири, вуглеводи або нукленова кислота без цих найважливіших для організму складових.

Функція цих елементів визначила їх високий вміст організмі. На частку в сукупності припадає 98% від усієї сухої маси тіла. У чому ще може бути активність цих ферментів?

1. Кисень. Його вміст у клітині близько 62% загальної сухої маси. Функції: побудова органічних та неорганічних речовин, участь у ланцюгу дихання;
2. Вуглець. Його зміст сягає 20%. Основна функція: входить до складу всіх;
3. Водень. Його концентрація набуває значення 10%. Крім того, що цей елемент є складовою органічних речовин та води, він також бере участь у перетвореннях енергії;
4. Азот. Кількість не перевищує 3-5%. Його основна роль – це утворення амінокислот, нуклеїнових кислот, АТФ, багатьох вітамінів, гемоглобіну, гемоціаніну, хлорофілу.

Ось які хімічні елементи входять до складу клітини та утворюють більшість необхідних для нормальної життєдіяльності речовин.

Значення макроелементів

Макроелементи допоможуть підказати, які хімічні елементи входять до складу клітини. З курсу біології стає зрозуміло, що крім основних, 2% сухої маси становлять інші складові періодичної таблиці. І до макроелементів відносяться ті з них, вміст яких не нижчий за 0,01%. Їхні основні функції представлені у вигляді таблиці.

Кальцій (Са)		Відповідає за скорочення м'язових волокон, входить до складу пектину, кісток та зубів. Підсилює згортання крові.
Фосфор (Р)		Входить до складу найважливішого джерела енергії – АТФ.
		Бере участь у освіті дисульфідних містків при згортанні білка в третинну структуру. Входить до складу цистеїну та метіоніну, деяких вітамінів.
		Іони калію беруть участь у клітини, і навіть впливають потенціал мембрани.
		Головний аніон організму
Натрій (Na)		Аналог калію, що у тих самих процесах.
Магній (Mg)		Іони магнію - це регулятори процесу У центрі молекули хлорофілу також розташований атом магнію.
		Бере участь у транспорті електронів по ЕТЦ дихання та фотосинтезу, є структурною ланкою міоглобіну, гемоглобіну та багатьох ферментів.

Сподіваємося, з перерахованого нескладно визначити, які хімічні елементи входять до складу клітини та належать до макроелементів.

Мікроелементи

Є й такі складові клітини, без яких організм не може нормально функціонувати, проте їх вміст завжди менший за 0,01%. Давайте визначимо, які хімічні елементи входять до складу клітини та належать до групи мікроелементів.

		Входить до складу ферментів ДНК-і РНК-полімераз, а також багатьох гормонів (наприклад, інсулін).
		Бере участь у процесах фотосинтезу, синтезу гемоціаніну та деяких ферментів.
		Є структурною складовою гормонів Т3 та Т4 щитовидної залози.
Марганець (Mn)	менше 0,001	Входить до складу ферментів, кісток. Бере участь у азотфіксації у бактерій
	менше 0,001	Впливає на зростання рослин.
		Входить до складу кісток та емалі зубів.

Органічні та неорганічні речовини

Крім перелічених, які ще хімічні елементи входять до складу клітини? Відповіді можна визначити, просто вивчивши будову більшості речовин організму. Серед них виділяють молекули органічного та неорганічного походження, і кожна з цих груп має у складі фіксований набір елементів.

Основні класи органічних речовин - це білки, нуклеїнові кислоти, жири та вуглеводи. Вони побудовані повністю з основних біогенних елементів: скелет молекули завжди утворений вуглецем, а водень, кисень та азот входять до складу радикалів. У тварин домінуючим класом є білки, а рослин - полісахариди.

Неорганічні речовини – це все мінеральні солі та, звичайно ж, вода. Серед усієї неорганіки у клітині найбільше Н 2 Про, у якій розчинені інші речовини.

Все сказане вище допоможе вам визначити, які хімічні елементи входять до складу клітини, і їх функції в організмі більше не будуть для вас загадкою.

У клітинах різних організмів виявлено близько 70 елементів періодичної системиелементів Д. І. Менделєєва, але лише 24 їх мають цілком встановлене значення і зустрічаються постійно у всіх типах клітин.

Найбільший питома вагав елементному складі клітини посідає кисень, вуглець, водень і азот. Це так звані основніабо біогенні елементи. Перед цих елементів припадає понад 95 % маси клітин, причому їх відносне вміст у живому речовині набагато вище, ніж у земної кори. Життєво важливими є також кальцій, фосфор, сірка, калій, хлор, натрій, магній, йод та залізо. Їх вміст у клітині обчислюється десятими та сотими частками відсотка. Перелічені елементи складають групу макроелементів.

Інші хімічні елементи: мідь, марганець, молібден, кобальт, цинк, бор, фтор, хром, селен, алюміній, йод, залізо, кремній містяться у виключно малих кількостях (менше 0,01 % маси клітин). Вони відносяться до групи мікроелементів.

Відсотковий вміст в організмі того чи іншого елемента жодним чином не характеризує міру його важливості та необхідності в організмі. Так, наприклад, багато мікроелементів входять до складу різних біологічно активних речовин - ферментів, вітамінів (кобальт входить до складу вітаміну B 12), гормонів (йод входить до складу тироксину); впливають на ріст і розвиток організмів (цинк, марганець, мідь) , кровотворення (залізо, мідь), процеси клітинного дихання (мідь, цинк) і т. д.

Найважливіші хімічні елементи клітини

Елемент	Символ	Зразковий вміст, %	Значення для клітини та організму
Кисень	O	62	Входить до складу води та органічних речовин; бере участь у клітинному диханні
Вуглець	C	20	Входить до складу всіх органічних речовин
Водень	H	10	Входить до складу води та органічних речовин; бере участь у процесах перетворення енергії
Азот	N	3	Входить до складу амінокислот, білків, нуклеїнових кислот, АТФ, хлорофілу, вітамінів
Кальцій	Ca	2,5	Входить до складу клітинної стінки у рослин, кісток та зубів, підвищує згортання крові та скоротливість м'язових волокон
Фосфор	P	1,0	Входить до складу кісткової тканини та зубної емалі, нуклеїнових кислот, АТФ, деяких ферментів
Сірка	S	0,25	Входить до складу амінокислот (цистеїн, цистин та метіонін), деяких вітамінів, бере участь в утворенні дисульфідних зв'язків при утворенні третинної структури білків
Калій	K	0,25	Міститься у клітці лише у вигляді іонів, активує ферменти білкового синтезу, зумовлює нормальний ритм серцевої діяльності, бере участь у процесах фотосинтезу, генерації біоелектричних потенціалів
Хлор	Cl	0,2	Переважає негативний іон організмі тварин. Компонент соляної кислоти у шлунковому соку
Натрій	Na	0,10	Міститься у клітці лише у вигляді іонів, зумовлює нормальний рит серцевої діяльності, впливає на синтез гормонів
Магній	Mg	0,07	Входить до складу молекул хлорофілу, а також кісток та зубів, активує енергетичний обмін та синтез ДНК
Йод	I	0,01	Входить до складу гормонів щитовидної залози
Залізо	Fe	0,01	Входить до складу багатьох ферментів, гемоглобіну та міоглобіну, бере участь у біосинтезі хлорофілу, у транспорті електронів, у процесах дихання та фотосинтезу.
Мідь	Cu	Сліди	Входить до складу гемоціанінів у безхребетних, до складу деяких ферментів, бере участь у процесах кровотворення, фотосинтезу, синтезу гемоглобіну
Марганець	Mn	Сліди	Входить до складу або підвищує активність деяких ферментів, бере участь у розвитку кісток, асиміляції азоту та процесі фотосинтезу
Молібден	Mo	Сліди	Входить до складу деяких ферментів (нітратредуктазу), бере участь у процесах зв'язування атмосферного азоту бульбочковими бактеріями
Кобальт	Co	Сліди	Входить до складу вітаміну B 12 , бере участь у фіксації атмосферного азоту бульбочковими бактеріями
Бор	B	Сліди	Впливає на ростові процеси рослин, активує відновлювальні ферменти дихання
Цинк	Zn	Сліди	Входить до складу деяких ферментів, що розщеплюють поліпептиди, бере участь у синтезі рослинних гормонів (ауксинів) та гліколізі
Фтор	F	Сліди	Входить до складу емалі зубів та кісток

Клітина – елементарна одиниця життя Землі. Вона має всі ознаки живого організму: росте, розмножується, обмінюється з навколишнім середовищем речовинами та енергією, реагує на зовнішні подразники. Початок біологічної еволюції пов'язані з появою Землі клітинних форм життя. Одноклітинні організми є існуючі окремо один від одного клітини. Тіло всіх багатоклітинних – тварин і рослин – побудоване з більшої чи меншої кількості клітин, які є свого роду блоками, що становлять складний організм. Незалежно від того, чи є клітина цілісною живою системою – окремим організмом або становить лише його частину, вона наділена набором ознак і властивостей, загальним для всіх клітин.

Хімічний склад клітини

У клітинах виявлено близько 60 елементів періодичної системи Менделєєва, що трапляються й у неживій природі. Це один із доказів спільності живої та неживої природи. У живих організмах найбільш поширені водень, кисень, вуглець та азот, що становлять близько 98% маси клітин. Таке зумовлено особливостями хімічних властивостей водню, кисню, вуглецю та азоту, внаслідок чого вони виявилися найбільш підходящими для утворення молекул, що виконують біологічні функції. Ці чотири елементи здатні утворювати дуже міцні ковалентні зв'язки за допомогою спарювання електронів, що належать двом атомам. Ковалентно пов'язані атоми вуглецю можуть формувати каркаси незліченної множини різних органічних молекул. Оскільки атоми вуглецю легко утворюють ковалентні зв'язки з киснем, воднем, азотом, а також із сіркою, органічні молекули досягають виняткової складності та різноманітності будови.

Крім чотирьох основних елементів у клітині в помітних кількостях (10-і та 100-і частки відсотка) містяться залізо, калій, натрій, кальцій, магній, хлор, фосфор і сірка. Решта елементів (цинк, мідь, йод, фтор, кобальт, марганець та інших.) перебувають у клітці у дуже малих кількостях і тому називаються мікроелементами.

Хімічні елементи входять до складу неорганічних та органічних сполук. До неорганічних сполук відносяться вода, мінеральні солі, діоксид вуглецю, кислоти та основи. Органічні сполуки – це білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи, жири (ліпіди) та ліпоїди. Крім кисню, водню, вуглецю та азоту до їх складу можуть входити інші елементи. Деякі білки містять сірку. Складовою частиною нуклеїнових кислот є фосфор. Молекула гемоглобіну включає залізо, магній бере участь у побудові молекули хлорофілу. Мікроелементи, незважаючи на вкрай низький вміст живих організмів, відіграють важливу роль у процесах життєдіяльності. Йод входить до складу гормону щитовидної залози – тироксину, кобальт – до складу вітаміну В 12 гормон острівцевої частини підшлункової залози – інсулін – містить цинк. У деяких риб, місце заліза в молекулах пігментів, що переносять кисень, займає мідь.

Неорганічні речовини

Вода.Н 2 О – найпоширеніша сполука у живих організмах. Зміст її у різних клітинах коливається у досить широких межах: від 10% в емалі зубів до 98% у тілі медузи, але в середньому вона становить близько 80% маси тіла. Винятково важлива роль води у забезпеченні процесів життєдіяльності обумовлена ​​її фізико-хімічними властивостями. Полярність молекул і здатність утворювати водневі зв'язки роблять воду оптимальним розчинником для великої кількості речовин. Більшість хімічних реакцій, що протікають у клітині, може відбуватися лише у водному розчині. Вода бере участь у багатьох хімічних перетвореннях.

Загальна кількість водневих зв'язків між молекулами води змінюється залежно від t °. При t ° танення льоду руйнується приблизно 15% водневих зв'язків, при t° 40°С – половина. При переході до газоподібного стану руйнуються всі водневі зв'язки. Цим пояснюється висока питома теплоємністьводи. При зміні зовнішнього середовища t° вода поглинає або виділяє теплоту внаслідок розриву або новоутворення водневих зв'язків. Таким шляхом коливання t° усередині клітини виявляються меншими, ніж у довкілля. Висока теплота випаровування лежить в основі ефективного механізму тепловіддачі рослин та тварин.

Вода як розчинник бере участь у явищах осмосу, що грає важливу роль у життєдіяльності клітини організму. Осмосом називають проникнення молекул розчинника через напівпроникну мембрану розчин будь-якої речовини. Напівпроникними називаються мембрани, що пропускають молекули розчинника, але не пропускають молекули (або іони) розчиненої речовини. Отже, осмос – одностороння дифузія молекул води у бік розчину.

Мінеральні солі.Більшість неорганічних в-в клітини знаходиться у вигляді солей в дисоційованому, або в твердому стані. Концентрація катіонів і аніонів у клітині та навколишньому середовищі неоднакова. У клітині міститься досить багато і дуже багато Nа. У позаклітинному середовищі, наприклад, у плазмі крові, у морській воді, навпаки, багато натрію і мало калію. Подразливість клітини залежить від співвідношення концентрацій іонів Na +, K +, Ca 2+, Mg 2+. У тканинах багатоклітинних тварин До входить до складу багатоклітинної речовини, що забезпечує зчепленість клітин і впорядковане їхнє розташування. Від концентрації солей великою мірою залежать осмотичний тиск у клітині та її буферні властивості. Буферністю називається здатність клітини підтримувати слаболужну реакцію вмісту на постійному рівні. Буферність усередині клітини забезпечується головним чином іонами Н 2 РО 4 і НРО 4 2-. У позаклітинних рідинах і в крові роль буфера грають Н 2 3 і НСО 3 - . Аніони зв'язують іони Н і гідроксид-іони (ВІН -), завдяки чому реакція всередині клітини позаклітинних рідин практично не змінюється. Нерозчинні мінеральні солі (наприклад, фосфорнокислий Са) забезпечує міцність кісткової тканини хребетних та раковин молюсків.

Органічні речовини клітини

Білки.Серед органічних речовин клітини білки стоять першому місці як у кількості (10 – 12% від загальної маси клітини), і за значенням. Білки є високомолекулярними полімерами (з молекулярною масою від 6000 до 1 млн. і вище), мономерами яких є амінокислоти. Живими організмами використовують 20 амінокислот, хоча їх існує значно більше. До складу будь-якої амінокислоти входить аміногрупа (-NH 2), що має основні властивості, і карбоксильна група (-СООН), що має кислотні властивості. Дві амінокислоти поєднуються в одну молекулу шляхом встановлення зв'язку HN-CO з виділенням молекули води. Зв'язок між аміногрупою однієї амінокислоти та карбоксилом іншої називається пептидною. Білки є поліпептидами, що містять десятки і сотні амінокислот. Молекули різних білків відрізняються одна від одної молекулярною масою, числом, складом амінокислот та послідовністю розташування їх у поліпептидному ланцюзі. Відомо тому, що білки відрізняються величезним розмаїттям, їх кількість всіх видів живих організмів оцінюється числом 10 10 – 10 12 .

Ланцюг амінокислотних ланок, з'єднаних ковалентно пептидними зв'язками у певній послідовності, називається первинною структурою білка. У клітинах білки мають вигляд спірально закручених волокон чи кульок (глобул). Це пояснюється тим, що в природному білку поліпептидний ланцюжок укладений строго певним чином залежно від хімічної будовищо входять до її складу амінокислот.

Спочатку поліпептидний ланцюг згортається в спіраль. Між атомами сусідніх витків виникає тяжіння і утворюються водневі зв'язки, зокрема між NH- і СО-групами, розташованими на сусідніх витках. Ланцюжок амінокислот, закручений як спіралі, утворює вторинну структуру білка. У результаті подальшого укладання спіралі виникає специфічна кожному за білка конфігурація, звана третинної структурою. Третинна структура обумовлена ​​дією сил зчеплення між гідрофобними радикалами, що є у деяких амінокислот, та ковалентними зв'язками між SH-групами амінокислоти цистеїну ( S-S- зв'язку). Кількість амінокислот гідрофобними радикалами та цистеїном, а також порядок їх розташування в поліпептидному ланцюжку специфічні для кожного білка. Отже, особливості третинної структури білка визначаються його первинною структурою. Біологічну активність білок виявляє лише у вигляді третинної структури. Тому заміна навіть однієї амінокислоти в поліпептидному ланцюжку може призвести до зміни конфігурації білка і зниження або втрати його біологічної активності.

У деяких випадках білкові молекули поєднуються один з одним і можуть виконувати свою функцію лише у вигляді комплексів. Так, гемоглобін – це комплекс із чотирьох молекул і тільки в такій формі здатний приєднувати та транспортувати О. подібні агрегати є четвертинною структурою білка. За своїм складом білки поділяються на два основні класи – прості та складні. Прості білки складаються тільки з амінокислот нуклеїнові кислоти (нуклеотиди), ліпіди (ліпопротеїди), Ме (металопротеїди), Р (фосфопротеїди).

Функції білків у клітині надзвичайно різноманітні. Одна з найважливіших - будівельна функція: білки беруть участь в утворенні всіх клітинних мембран та органоїдів клітини, а також внутрішньоклітинних структур. Винятково важливе значення має ферментативна (каталітична) роль білків. Ферменти прискорюють хімічні реакції, що протікають у клітині, в 10 ки і 100 мільйонів разів. Двигуна функція забезпечується спеціальними скорочувальними білками. Ці білки беруть участь у всіх видах рухів, до яких здатні клітини та організми: мерехтіння вій і биття джгутиків у найпростіших, скорочення м'язів у тварин, рух листя у рослин та ін. Транспортна функція білків полягає у приєднанні хімічних елементів (наприклад, гемоглобін приєднує О) або біологічно активних речовин (гормонів) та перенесення їх до тканин та органів тіла. Захисна функція виявляється у формі вироблення спеціальних білків, званих антитілами, у відповідь проникнення в організм чужорідних білків або клітин. Антитіла пов'язують та знешкоджують чужорідні речовини. Білки грають важливу роль джерела енергії. При повному розщепленні 1г. білків виділяється 17,6 кДж (~4,2 ккал).

Вуглеводи.Вуглеводи, або сахариди - органічні речовини з загальною формулою(СН 2 Про) n . Більшість вуглеводів число атомів Н вдвічі більше числаатомів О, як у молекулах води. Тому ці речовини були названі вуглеводами. У живій клітині вуглеводи знаходяться в кількостях, що не перевищують 1-2, іноді 5% (у печінці, м'язах). Найбільш багаті на вуглеводи рослинні клітини, де їх вміст досягає в деяких випадках 90% від маси сухої речовини (насіння, бульби картоплі тощо).

Вуглеводи бувають прості та складні. Прості вуглеводиназиваються моносахаридами. Залежно кількості атомів вуглеводу в молекулі моносахариды називаються тріозами, тетрозами, пентозами чи гексозами. З шести вуглецевих моносахаридів – гексоз – найважливіше значення мають глюкоза, фруктоза та галактоза. Глюкоза міститься у крові (0,1-0,12%). Пентози рибозу та дезоксирибозу входять до складу нуклеїнових кислот та АТФ. Якщо в одній молекулі поєднуються два моносахариди, така сполука називається дисахаридом. Харчовий цукор, що отримується з очерету або цукрових буряків, складається з однієї молекули глюкози та однієї молекули фруктози, молочний цукор – з глюкози та галактози.

Складні вуглеводи, утворені багатьма моносахаридами, називають полісахаридами. Мономером таких полісахаридів, як крохмаль, глікоген, целюлоза є глюкоза. Вуглеводи виконують дві основні функції: будівельну та енергетичну. Целюлоза утворює стінки рослинних клітин. Складний полісахарид хітин є головним структурним компонентом зовнішнього скелета членистоногих. Будівельну функцію хітин виконує у грибів. Вуглеводи грають роль основного джерела енергії у клітині. У процесі окислення 1 р вуглеводів звільняється 17,6 кДж (~4,2 ккал). Крохмаль у рослин та глікоген у тварин відкладаються у клітинах і служать енергетичним резервом.

Нуклеїнові кислоти.Значення нуклеїнових кислот у клітині дуже велике. Особливості їхньої хімічної будови забезпечують можливість зберігання, перенесення та передачі у спадок дочірнім клітинам інформації про структуру білкових молекул, які синтезуються в кожній тканині на певному етапі. індивідуального розвитку. Оскільки більшість властивостей та ознак клітин обумовлено білками, то зрозуміло, що стабільність нуклеїнових кислот – найважливіша умованормальної життєдіяльності клітин та цілих організмів. Будь-які зміни структури клітин або активності фізіологічних процесів у них впливають, таким чином, на життєдіяльність. Вивчення структури нуклеїнових кислот має виключно важливе значення для успадкування ознак у організмів та закономірностей функціонування, як окремих клітин, так і клітинних систем – тканин та органів.

Існують 2 типи нуклеїнових кислот – ДНК та РНК. ДНК – полімер, що складається із двох нуклеотидних спіралей, укладених так, що утворюється подвійна спіраль. Мономери молекул ДНК є нуклеотидами, що складаються з азотистої основи (аденіну, тиміну, гуаніну або цитозину), вуглеводу (дезоксирибози) та залишку фосфорної кислоти. Азотисті основи в молекулі ДНК з'єднані між собою неоднаковою кількістю Н-зв'язків і розташовуються попарно: аденін (А) завжди проти тиміну (Т), гуанін (Г) проти цитозину (Ц). Схематично розташування нуклеотидів у молекулі ДНК можна зобразити так:

Рис.1.Розташування нуклеотидів у молекулі ДНК

З рис.1. видно, що нуклеотиди пов'язані друг з одним невипадково, а вибірково. Здатність до виборчої взаємодії аденіну з тиміном та гуаніну з цитозином називається комплементарністю. Комплементарна взаємодія певних нуклеотидів пояснюється особливостями просторового розташування атомів у їх молекулах, які дозволяють їм зближуватися та утворювати Н-зв'язки. У полінуклеотидному ланцюжку сусідні нуклеотиди пов'язані між собою через цукор (дезоксирибозу) та залишок фосфорної кислоти. РНК так само, як і ДНК, є полімером, мономерами якого є нуклеотиди. Азотисті основи трьох нуклеотидів ті самі, що входять до складу ДНК (А, Г, Ц); четверте - урацил (У) - присутній у молекулі РНК замість тиміну. Нуклеотиди РНК відрізняються від нуклеотидів ДНК і за будовою вуглеводу, що входить до їх складу (рибоза замість дизоксирибози).

У ланцюжку РНК нуклеотиди з'єднуються шляхом утворення ковалентних зв'язківміж рибозою одного нуклеотиду та залишком фосфорної кислоти іншого. По структурі різняться дві ланцюжкові РНК. Двох ланцюжкових РНК є зберігачами генетичної інформації в низки вірусів, тобто. виконують вони функції хромосом. Одна ланцюжкова РНК здійснюють перенесення інформації про структуру білків від хромосоми до місця їх синтезу та беруть участь у синтезі білків.

Існує кілька видів одноланцюгової РНК. Їхні назви обумовлені виконуваною функцією або місцем знаходження у клітці. Більшість РНК цитоплазми (до 80-90%) становить рибосомальна РНК (рРНК), що міститься в рибосомах. Молекули рРНК відносно невеликі і складаються у середньому із десяти нуклеотидів. Інший вид РНК (іРНК), що переносять до рибосом інформації про послідовність амінокислот в білках, які повинні синтезуватися. Розмір цих РНК залежить від довжини ділянки ДНК, де вони були синтезовані. Транспортні РНК виконують кілька функций. Вони доставляють амінокислоти до місця синтезу білка, "пізнають" (за принципом комплементарності) триплет і РНК, відповідний амінокислоті, що переноситься, здійснюють точну орієнтацію амінокислоти на рибосомі.

Жири та ліпоїди.Жири є сполуками жирних високомолекулярних кислот і триатомного спирту гліцерину. Жири не розчиняються у воді – вони гідрофобні. У клітці завжди є інші складні гідрофобні жироподібні речовини, звані ліпоїдами. Одна з основних функцій жирів – енергетична. У ході розщеплення 1 р. жирів до СО 2 та Н 2 Про звільняється велика кількістьенергії – 38,9 кДж (~9,3 ккал). Вміст жиру у клітині коливається не більше 5-15% від маси сухої речовини. У клітинах живої тканини кількість жиру зростає до 90%. Головна функція жирів у тваринному (і частково – рослинному) світі – запасаюча.

При повному окисненні 1 г жиру (до вуглекислого газу та води) виділяється близько 9 ккал енергії. (1 ккал = 1000 кал; калорія (кал, cal) - позасистемна одиниця кількості роботи та енергії, що дорівнює кількості теплоти, необхідної для нагрівання 1 мл води на 1 °C при стандартному атмосферному тиску 101,325 кПа; 1 ккал = 4,19 кДж) . При окисленні (в організмі) 1 г білків чи вуглеводів виділяється лише близько 4 ккал/г. У різних водних організмів - від одноклітинних діатомових водоростей до гігантських акул - жир стане «поплавком», зменшуючи середню щільність тіла. Щільність тваринних жирів становить близько 0,91-0,95 г/см³. Щільність кісткової тканини хребетних близька до 1,7-1.8 г/см³, а середня щільність більшості інших тканин близька до 1 г/см³. Зрозуміло, що жиру потрібно досить багато, щоб урівноважити важкий скелет.

Жири та ліпоїди виконують і будівельну функцію: вони входять до складу клітинних мембран Завдяки поганій теплопровідності жир здатний до захисної функції. У деяких тварин (тюлені, кити) він відкладається у підшкірній жировій тканині, утворюючи шар завтовшки до 1 м. Утворення деяких ліпоїдів передує синтезу низки гормонів. Отже, цим речовин властива і функція регуляції обмінних процесів.



В сучасних умовахОднією з найактуальніших проблем викладання хімії стає забезпечення практичної орієнтованості предметного знання. Це означає необхідність з'ясування тісного взаємозв'язку між теоретичними положеннями, що вивчаються, і практикою життя, демонстрації прикладного характеру хімічних знань. Учні цікаво починають вивчати хімію. Щоб зберегти пізнавальний інтерес учнів, треба переконати їх у дієвості хімічних знань, сформувати особисту потреба у оволодінні навчальним матеріалом.

Мета цього уроку:розширити кругозір учнів та підвищити пізнавальний інтерес до вивчення предмета, формувати світоглядні поняття про пізнаність природи. Цей урок пропонується провести у 8 класі після вивчення хімічних елементів Періодичної системи, коли у хлопців вже є уявлення про їхнє різноманіття.

ХІД УРОКУ

Вчитель:

Іншого нічого в природі немає
Ні тут, ні там, у космічних глибинах:
Усі – від піщинок малих до планет –
Із елементів складається єдиних.
Як формула, як графік трудовий,
Строй Менделєєвської системи суворий.
Навколо тебе твориться світ живий,
Заходь у нього, вдихай, руками чіпай.

Урок починається театралізованою сценкою “Хто у таблиці всіх важливіший?” (Див. Додаток 1).

Вчитель:В організмі людини знаходяться 81 хімічний елемент із 92, що зустрічаються в природі. Людський організм – складна хімічна лабораторія. Важко уявити, що щодня наше самопочуття, настрій і навіть апетит можуть залежати від мінеральних речовин. Без них марними виявляються вітаміни, неможливі синтез та розпад білків, жирів та вуглеводів.

На столах в учнів – таблиці “Біологічна роль хімічних елементів” (див. Додаток 2). Дається час на знайомство із нею. Вчитель разом із учнями проводить аналіз таблиці, ставлячи питання.

Вчитель:Основу життя становлять шість елементів перших трьох періодів (H, C, N, Про, Р, S), частку яких припадає 98% маси живої речовини (інші елементи періодичної системи становлять не більше 2%).
Три основні ознаки біогенних елементів (H, C, N, O, P, S):

• мінімальний розмір атомів,
• невелика відносна атомна маса,
• здатність утворювати міцні ковалентні зв'язки.

Учням лунають тексти (див. Додаток 3). Завдання: уважно прочитати текст; виділити елементи, необхідні життя, і елементи, небезпечні живих організмів; знайти їх у Періодичній системі та пояснити їхню роль.
Після виконання завдання кілька учнів проводять аналіз різних текстів.

Вчитель:Елементи-аналоги в середовищі вступають у конкуренцію і можуть взаємозамінюватися в живих організмах, негативно на них впливаючи.
Заміна натрію та калію в організмах тварин та людини на літій викликає розлади нервової системи, тому що в цьому випадку клітини не проводять нервовий імпульс. Подібні порушення призводять до шизофренії.
Талій, біологічний конкурент калію, замінює його у стінках клітин, вражає центральну та периферичну нервову систему, шлунково-кишковий тракт та нирки.
Селен може замінити сірку у складі білків. Це єдиний елемент, який при високому вмісті в рослинах може спричинити раптову смерть тварин і людини, яка їх у їжу.
Кальцій при його нестачі у ґрунті замінюється в організмі на стронцій, який поступово порушує нормальну структуру скелета. Особливо небезпечною є заміна кальцію на стронцій-90, який у величезних кількостях накопичується в місцях ядерних вибухів (при випробуванні ядерної зброї) або при аваріях на АЕС. Цей радіонуклід руйнує кістковий мозок.
Кадмій конкурує із цинком. Цей елемент знижує активність травних ферментів, порушує процес утворення глікогену в печінці, викликає деформацію скелета, пригнічує ріст кісток, а також викликає тяжкі болі в попереку та м'язах ніг, крихкість кісток (наприклад, перелом ребер при кашлі). Інші негативні наслідки – рак легень та прямої кишки, порушення функції підшлункової залози. Ураження нирок, зниження вмісту у крові заліза, кальцію, фосфору. Цей елемент гальмує процеси самоочищення у водних та наземних рослинах (зазначається, наприклад, 20-30-кратне збільшення кадмію в листі тютюну).
Галогени можуть дуже легко взаємозамінюватися в організмі. Надлишок фтору у навколишньому середовищі (фторована вода, забруднення ґрунту сполуками фтору навколо підприємства з виробництва алюмінію та інші причини) перешкоджає надходженню в організм людини йоду. У зв'язку з цим виникають захворювання щитовидної залози, ендокринної системив цілому.

Повідомлення учнів, підготовлені заздалегідь.

1-й учень:

Середньовічні алхіміки вважали золото досконалістю, інші метали – помилкою в акті твори і, як відомо, прикладали великі зусилля до ліквідації цієї помилки. Ідею введення золота у медичну практику приписують Парацельсу, який проголосив, що метою хімії має бути не перетворення всіх металів на золото, а приготування ліків. Лікарські препарати із золота та його сполук намагалися застосовувати при багатьох захворюваннях. Їм лікували проказу, вовчак, туберкульоз. У людей, чутливих до золота, воно могло спричинити порушення складу крові, реакцію з боку нирок, печінки, впливати на настрій, зростання зубів, волосся. Золото забезпечує роботу нервової системи. Воно міститься у кукурудзі. А міцність кровоносних судин залежить від германію. Єдиний продукт харчування, що містить германій – часник.

2-й учень:

В людському організміНайбільша кількість міді міститься в мозку та печінці, і одна ця обставина вказує на її важливість у життєдіяльності. Виявлено, що при болях підвищується концентрація міді у крові та спинномозковій рідині. У Сирії та Єгипті новонародженим для профілактики рахіту та епілепсії надягають мідні браслети.

3-й учень:

АЛЮМІНІЙ

Алюмінієвий посуд називають посудом бідняків, оскільки цей метал сприяє розвитку старечого атеросклерозу. При приготуванні їжі в такому посуді алюміній частково переходить в організм, де накопичується.

4-й учень:

• Який елемент міститься у яблуках? (Залізо.)
• Яка його біологічна роль? (В організмі міститься 3 г заліза, з них 2 г – у крові. Залізо входить до складу гемоглобіну. Недостатній вміст заліза призводить до головного болю, швидкої стомлюваності.)

Потім учні проводять лабораторний досвід, мета якого експериментально довести дію солей деяких металів на білок. Вони змішують білок із розчинами лугу та мідного купоросу та спостерігають випадання фіолетового осаду. Роблять висновок руйнування білка.

5-й учень:

Людина – вона теж природа.
Адже він теж захід сонця і схід.
І чотири в ньому пори року.
І особливий у ньому музики хід.

І особливе таїнство кольору,
Чи то з жорстоким, чи то з добрим вогнем.
Людина – вона зима. Або літо.
Або осінь. З грозою та дощем.

Все вмістив у собі – версти та час.
І від атомних бур він осліп.
Людина – вона і ґрунт, і насіння.
І бур'ян серед поля. І хліб.

І яка в ньому блимає погода?
Скільки у ньому самотності? Зустріч?
Людина – вона теж природа…
Тож давайте природу берегти!

(С. Острова)

Для закріплення отриманих під час уроку знань проводиться тест “Посмішка” (див. Додаток 4).
Далі пропонується заповнити кросворд "Хімічний калейдоскоп" (див. Додаток 5).
Вчитель підбиває підсумок уроку, відзначаючи найактивніших учнів.

6-й учень:

Зміна, зміна!
Заливається дзвінок.
Нарешті він закінчений,
Набридливий урок!

Смикнувши сірку за кіску,
Повз магній пробіг.
Йод із класу випарувався,
Начебто зовсім не бував.

Фтор випадково підпалив воду,
Хлор чужу книжку з'їв.
Вуглець раптом із воднем
Невидимкою стати встиг.

Калій, бром у кутку б'ються:
Чи не поділять електрон.
Кисень – пустун на борі
Повз проскакав верхи.

Використовувана література:

1. О.В. БайдалінаПро прикладний аспект хімічних знань. "Хімія в школі" № 5, 2005 р.
2. Хімія та екологія у шкільному курсі. "Перше вересня" № 14, 2005 р.
3. І. Н. Піменова, А. В. Піменов“Лекції з загальної біології”, навчальний посібник, Саратов, ВАТ Видавництво "Ліцей", 2003 р.
4. Про хімію у віршах, Хто у таблиці найголовніший? "Перше вересня", № 15, 2005 р.
5. Метали в організмі людини. "Хімія в школі", № 6, 2005 р.
6. Кросворд "Хімічний калейдоскоп". "Перше вересня", №1 4, 2005 р.
7. "Я йду на урок хімії". Книжка для вчителя. М. "Перше вересня", 2002, стор 12.