Какие хим элементы входят в состав. Какие химические элементы входят в состав клетки? Роль и функции химических элементов, входящих в состав клетки. Что такое клетка

Элементный состав организма

По химическому составу клетки разных организмов могут заметно отличаться, однако состоят они из одинаковых элементов. В клетках обнаружено около 70 элементов периодической таблицы Д.И. Менделеева, но только 24 из них имеют важное значение и встречаются в живых организмах постоянно.

Макроэлементы – кислород, углеводород, водород, азот – входят в состав молекул органических веществ. К макроэлементам в последнее время относят калий, натрий, кальций, сера, фосфор, магний, железо, хлор. Их содержание в клетке составляет десятые и сотые доли процента.

Магний входит в состав хлорофилла; железо – гемоглобина; фосфор – костной ткани, нуклеиновых кислот; кальций – костей, черепашек моллюсков, сера – в состав белков; калий, натрий и хлор-ионы берут участие в смене потенциала клеточной мембраны.

Микроэлементы представлены в клетке сотыми и тысячными долями процента. Это цинк, медь, йод, фтор, молибден, бор и др.

Микроэлементы входят в состав ферментов, гормонов, пигментов.

Ультрамикроэлементы – элементы, содержание которых в клетке не превышает 0,000001%. Это уран, золото, ртуть, цезий и др.

Вода и её биологическое значение

Вода количественно занимает среди химических соединений первое место во всех клетках. В зависимости от типа клеток, их функционального состояния, вида организма и условий его нахождения её содержание в клетках существенно колеблется.

Клетки костной ткани содержат не больше 20% воды, жировой ткани – около 40%, мышечные клетки – 76%, а клетки зародыша – более 90%.

Замечание 1

В клетках любого организма с возрастом количество воды заметно уменьшается.

Отсюда – вывод, что чем выше функциональная активность организма в целом и каждой клетки отдельно тем большим в них есть содержание воды, и наоборот.

Замечание 2

Обязательным условием жизненной активности клеток является наличие воды. Она является основной частью цитоплазмы, поддерживает её структуру и стойкость коллоидов, входящих в состав цитоплазмы.

Роль воды в клетке определяется её химическими и структурными свойствами. Прежде всего это связано с небольшим размером молекул, их полярностью и способностью соединяться с помощью водородных связей.

Водородные связи образуются при участии атомов водорода, соединённых с электронегативным атомом (обычно кислородом или азотом). При этом атом Гидрогена приобретает настолько большой позитивный заряд, что может образовать новую связь с другим электронегативным атомом (кислорода или азота). Так же связываются друг с другом молекулы воды, у которых один конец имеет позитивный заряд, а другой – негативный. Такую молекулу называют диполем . Более электронегативный атом кислорода одной молекулы воды притягивается к позитивно заряженному атому водорода другой молекулы с образованием водородной связи.

Благодаря тому, что молекулы воды полярные и способны образовывать водородные связи, вода является совершенным растворителем для полярных веществ, которые называются гидрофильными . Такими являются соединения ионного характера, в которых заряженные частички (ионы) диссоциируют (разделяются) в воде при растворении вещества (соли). Такую же способность имеют и некоторые неионные соединения, в молекуле которых находятся заряженные (полярные) группы (в сахарах, аминокислотах, простых спиртах это ОН-группы). Вещества, состоящие из неполярных молекул (липиды), в воде практически нерастворимы, то есть они гидрофобы .

При переходе вещества в раствор, его структурные частички (молекулы или ионы) приобретают возможность двигаться свободнее, а, соответственно, возрастает реакционная способность вещества. Благодаря этому вода является основной средой, где происходит большинство химических реакций. Кроме того, все окислительно-восстановительные реакции и реакции гидролиза проходят при непосредственном участии воды.

Вода имеет наибольшую удельную теплоёмкость среди всех известных веществ. Это означает, что при существенном увеличении тепловой энергии температура воды повышается сравнительно немного. Это обусловлено использованием значительного количества этой энергии на разрыв водородных связей, которые ограничивают подвижность молекул воды.

Благодаря большой теплоёмкости вода служит защитой для тканей растений и животных от сильного и быстрого повышения температуры, а высокая теплота парообразования является основой для надёжной стабилизации температуры тела организма. Необходимость значительного количества энергии для испарения воды вызвана тем, что между её молекулами существуют водородные связи. Эта энергия поступает из окружающей среды, потому испарение сопровождается охлаждением. Этот процесс можно наблюдать во время потоотделения, в случае тепловой задышки у собак, важна она и в процессе охлаждения транспирирующих органов растений, особенно в пустынных условиях и в условиях сухих степей и периодов засухи в других регионах.

Вода имеет так же высокую теплопроводность, чем обеспечивается равномерное распределение тепла по организму. Таким образом нет риска возникновения локальных «горячих точек», которые могут стать причиной повреждения элементов клеток. Значит, высокая удельная теплоёмкость и высокая для жидкости теплопроводность делают воду идеальной средой для поддержания оптимального теплового режима организма.

Для воды характерно высокое поверхностное натяжение. Это её свойство очень важно для адсорбционных процессов, движения растворов по тканях (кровообращение, восходящее и нисходящее движение по растению и т.п.).

Вода используется как источник кислорода и водорода, которые выделяются во время световой фазы фотосинтеза.

К важным физиологическим свойствам воды относится её способность растворять газы ($O_2$, $CO_2$ и др.). Кроме того, вода как растворитель участвует в процессе осмоса, что играет важную роль в жизнедеятельности клеток и организма.

Свойства углеводорода и его биологическая роль

Если не брать во внимание воду, можно сказать, что большая часть молекул клетки принадлежит к углеводородным, так называемым органическим, соединениям.

Замечание 3

Углеводород, имея уникальные химические способности, фундаментальные для жизни, составляет её химическую основу.

Благодаря небольшому размеру и наличию на внешней оболочке четырёх электронов атом углеводорода может образовывать четыре крепких ковалентных связи с другими атомами.

Самое важное значение имеет способность атомов углеводорода соединяться друг с другом, образуя цепи, кольца и, в конце концов, скелет больших и сложных органических молекул.

К тому же углеводород легко образует ковалентные связи с другими биогенными элементами (обычно с $H, Mg, P, O, S$). Именно этим объясняется существование астрономического количества разнообразных органических соединений, которые обеспечивают существование живых организмов во всех его проявлениях. Разнообразие их проявляется в структуре и размерах молекул, их химических свойствах, степени насыщенности карбонового скелета и различной форме молекул, что определяется углами внутримолекулярных связей.

Биополимеры

Это высокомолекулярные (молекулярная масса 103 – 109) органические соединения, макромолекулы которых состоят из большого количества звеньев, которые повторяются, - мономеров.

К биополимерам относятся белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и их производные (крахмал, гликоген, целлюлоза, гемицеллюлоза, пектиновые вещества, хитин и пр.). Мономерами для них являются соответственно аминокислоты, нуклеотиды и моносахариды.

Замечание 4

Около 90% сухой массы клетки составляют биополимеры: у растений преобладают полисахариды, а у животных – белки.

Пример 1

В клетке бактерий находится около 3 тыс. видов белков и 1 тыс. нуклеиновых кислот, а у человека количество белков оценивают в 5 млн.

Биополимеры не только образуют структурную основу живых организмов, но и в процессах жизнедеятельности играют проводящую роль.

Структурной основой биополимеров являются линейные (белки, нуклеиновые кислоты, целлюлоза) или разветвлённые (гликоген) цепи.

И нуклеиновых кислот, имунные реакции, реакции обмена веществ - и осуществляются благодаря образованию биополимерных комплексов и другим свойствам биополимеров.

Клетки растений и животных содержат неорганические и органические вещества. К неорганическим относят воду и минеральные вещества. К органическим веществам относят белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты.

Неорганические вещества

Вода - это соединение, которое живая клетка содержит в наибольшем количестве. Вода составляет около 70% массы клетки. Большинство внутриклеточных реакций протекает в водной среде. Вода в клетке находится в свободном и связанном состоянии.

Значение воды для жизнедеятельности клетки определено ее строением и свойствами. Содержание воды в клетках может быть различным. 95% воды находится в клетке в свободном состоянии. Она необходима как растворитель для органических и неорганических веществ. Все биохимические реакции в клетке идут при участии воды. Вода используется для выведения различных веществ из клетки. Вода обладает высокой теплопроводностью и предотвращает резкие колебания температуры. 5% воды находится в связанном состоянии, образуя непрочные соединения с белками.

Минеральные вещества в клетке могут быть в диссоциированном состоянии или в соединении с органическими веществами.

Химические элементы, которые участвуют в процессах обмена веществ и обладают биологической активностью, называют биогенными.

Цитоплазма содержит около 70% кислорода, 18% углерода, 10% водорода, кальций, азот, калий, фосфор, магний, серу, хлор, натрий, алюминий, железо. Эти элементы составляют 99,99% от состава клетки и их называют макроэлементами. Например, кальций и фосфор входят в состав костей. Железо - составная часть гемоглобина.

Марганец, бор, медь, цинк, йод, кобальт - микроэлементы. Они составляют тысячные доли процента от массы клетки. Микроэлементы нужны для образования гормонов, ферментов, витаминов. Они влияют на обменные процессы в организме. Например, йод входит в состав гормона щитовидной железы, кобальт - в состав витамина В 12 .

Золото, ртуть, радий и др. - ультрамикроэлементы - составляют миллионные доли процента от состава клетки.

Недостаток или избыток минеральных солей нарушает жизнедеятельность организма.

Органические вещества

Кислород, водород, углерод, азот входят в состав органических веществ. Органические соединения представляют собой круп- ные молекулы, называемые полимерами. Полимеры состоят из многих повторяющихся единиц (мономеров). К органическим полимерным соединениям относят углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты, АТФ.

Углеводы

Углеводы состоят из углерода, водорода, кислорода.

Мономерами углеводов являются моносахариды. Углеводы раз- деляют на моносахариды, дисахариды и полисахариды.

Моносахариды - простые сахара с формулой (СН 2 О) n , где n - любое целое число от трех до семи. В зависимости от числа угле- родных атомов в молекуле различают триозы (3С), тетрозы (4С), пентозы (5С), гексозы (6С), гептозы (7С).

Триозы С 3 Н 6 О 3 - например глицеральдегид и дигидроксиацетон - играют роль промежуточных продуктов в процессе дыхания, уча- ствуют в фотосинтезе. Тетрозы С 4 Н 8 О 4 встречаются у бактерий. Пентозы С 5 Н 10 О 5 - например рибоза - входит в состав РНК, дезоксирибоза входит в состав ДНК. Гексозы - С 6 Н 12 О 6 - например глюкоза, фруктоза, галактоза. Глюкоза - источник энергии для клетки. Вместе с фруктозой и галактозой глюкоза может участвовать в образовании дисахаридов.

Дисахариды образуются в результате реакции конденсации между двумя моносахаридами (гексозами) с потерей молекулы воды.

Формула дисахаридов С 12 Н 22 О 11 Среди дисахаридов наиболее широко распространены мальтоза, лактоза и сахароза.

Сахароза, или тростниковый сахар, синтезируется у растений. Мальтоза образуется из крахмала в процессе его переваривания в организме животных. Лактоза, или молочный сахар содержится только в молоке.

Полисахариды (простые) образуются в результате реакции конденсации большого числа моносахаридов. К простым полисахаридам относят крахмал (синтезируется у растений), гликоген (содержится в клетках печени и мышцах животных и человека), целлюлозу (образует клеточную стенку у растений).

Сложные полисахариды образуются в результате взаимодействия углеводов с липидами. Например, гликолипиды входят в состав мембран. К сложным полисахаридам относят также соединения углеводов с белками (гликопротеиды). Например, гликопротеиды входят в состав слизи, выделяемой железами желудоч- но-кишечного тракта.

Функции углеводов:

1. Энергетическая: 60% энергии организм получает при распаде углеводов. При расщеплении 1 г углеводов выделяется 17,6 кДж энергии.

2. Структурная и опорная: углеводы входят в состав плазматической мембраны, оболочки растительных и бактериальных клеток.

3. Запасающая: питательные вещества (гликоген, крахмал) откладываются в запас в клетках.

4. Защитная: секреты (слизь), выделяемые различными железами, предохраняют стенки полых органов, бронхов, желудка, кишечника от механических повреждений, вредных бактерий и вирусов.

5. Участвуют в фотосинтезе.

Жиры и жироподобные вещества

Жиры состоят из углерода, водорода, кислорода. Мономерами жиров являются жирные кислоты и глицерин. Свойства жиров определяются качественным составом жирных кислот и их количественным соотношением. Растительные жиры жидкие (масла), животные - твердые (например сало). Жиры нерастворимы в воде - это гидрофобные соединения. Жиры, соединяясь с белками, образуют липопротеиды, соединяясь с углеводами - гликолипиды. Гликолипиды и липопротеиды - это жироподобные вещества.

Жироподобные вещества входят в состав мембран клеток, мембранных органелл, нервной ткани. Жиры могут соединяться с глюко- зой и образовывать гликозиды. Например, гликозид дигитоксина - вещество, используемое при лечении болезней сердца.

Функции жиров:

1. Энергетическая: при полном распаде 1 г жира до углекислого газа и воды выделяется 38,9 кДж энергии.

2. Структурная: входят в состав клеточной мембраны.

3. Защитная: слой жира защищает организм от переохлаждения, механических ударов и сотрясений.

4. Регуляторная: стероидные гормоны регулируют процессы обмена веществ и размножение.

5. Жир - источник эндогенной воды. При окислении 100 г жира выделяется 107 мл воды.

Белки

В состав белков входят углерод, кислород, водород, азот. Мономерами белка являются аминокислоты. Белки построены из двадцати различных аминокислот. Формула аминокислоты:

В состав аминокислот входят: NH 2 - аминогруппа, обладающая основными свойствами; СООН - карбоксильная группа, имеет кислотные свойства. Аминокислоты отличаются друг от друга своими радикалами - R. Аминокислоты - амфотерные соединения. Они соединяются друг с другом в молекуле белка с помощью пептидных связей.

Схема конденсации аминокислот (образование пептидной связи)

Есть первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белка. Порядок, количество и качество аминокислот, входящих в состав молекулы белка, определяют его первичную структуру. Белки первичной структуры могут с помощью водородных связей соединяться в спираль и образовывать вторичную структуру. Полипептидные цепи скручиваются определенным образом в компактную структуру, образуя глобулу (шар) - это тре- тичная структура белка. Большинство белков имеют третичную структуру. Аминокислоты активны только на поверхности глобулы. Белки, имеющие глобулярную структуру, объединяются вместе и образуют четвертичную структуру. Замена одной аминокислоты приводит к изменению свойств белка (рис. 30).

При воздействии высокой температуры, кислот и других факторов может происходить разрушение белковой молекулы. Это явление называется денатурацией (рис. 31). Иногда денатуриро-

Рис. 30. Различные структуры молекул белка.

1 - первичная; 2 - вторичная; 3 - третичная; 4 - четвертичная (на примере гемоглобина крови).

Рис. 31. Денатурация белка.

1 - молекула белка до денатурации;

2 - денатурированный белок;

3 - восстановление исходной молекулы белка.

ванный белок при изменении условий вновь может восстановить свою структуру. Этот процесс называется ренатурацией и возможен лишь тогда, когда не разрушена первичная структура белка.

Белки бывают простые и сложные. Простые белки состоят только из аминокислот: например, альбумины, глобулины, фибриноген, миозин.

Сложные белки состоят из аминокислот и других органических соединений: например, липопротеины, гликопротеины, нук- леопротеины.

Функции белков:

1. Энергетическая. При распаде 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии.

2. Каталитическая. Служат катализаторами биохимических реакций. Катализаторы - ферменты. Ферменты ускоряют биохимические реакции, но не входят в состав конечных продуктов. Ферменты строго специфичны. Каждому субстрату соответствует свой фермент. Название фермента включает название субстрата и окончание «аза»: мальтаза, рибонуклеаза. Ферменты активны при определенной температуре (35 - 45 О С).

3. Структурная. Белки входят в состав мембран.

4. Транспортная. Например, гемоглобин переносит кислород и СО 2 в крови позвоночных.

5. Защитная. Защита организма от вредных воздействий: выработка антител.

6. Сократительная. Благодаря наличию белков актина и миозина в мышечных волокнах происходит сокращение мышц.

Нуклеиновые кислоты

Существует два типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Мономе- рами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды.

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). В состав нуклеотида ДНК входит одно из азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) или цитозин (Ц) (рис. 32), углевод дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты. Молекула ДНК представляет собой двойную спираль, построенную по принципу комплементарности. В молекуле ДНК комплементарны следующие азотистые основания: А = Т; Г = Ц. Две спирали ДНК соединены водородными связями (рис. 33).

Рис. 32. Строение нуклеотида.

Рис. 33. Участок молекулы ДНК. Комплементарное соединение нуклеотидов разных цепей.

ДНК способна к самоудвоению (репликации) (рис. 34). Репликация начинается с разделения двух комплементарных цепей. Каждая цепь используется в качестве матрицы для образования новой молекулы ДНК. В процессе синтеза ДНК участвуют ферменты. Каждая из двух дочерних молекул обязательно включает одну старую спираль и одну новую. Новая молекула ДНК абсо- лютно идентична старой по последовательности нуклеотидов. Такой способ репликации обеспечивает точное воспроизведение в дочерних молекулах той информации, которая была записана в материнской молекуле ДНК.

Рис. 34. Удвоение молекулы ДНК.

1 - матричная ДНК;

2 - образование двух новых цепей на основе матрицы;

3 - дочерние молекулы ДНК.

Функции ДНК:

1. Хранение наследственной информации.

2. Обеспечение передачи генетической информации.

3. Присутствие в хромосоме в качестве структурного компонента.

ДНК находится в ядре клетки, а также в таких органеллах клетки, как митохондрии, хлоропласты.

РНК (рибонуклеиновая кислота). Рибонуклеиновые кислоты бывают 3 видов: рибосомная, транспортная и информационная РНК. Нуклеотид РНК состоит из одного из азотистых оснований: аденина (А), гуанина (Г), цитозина (Ц), урацила (У), углевода - рибозы и остатка фосфорной кислоты.

Рибосомная РНК (рРНК) в соединении с белком входит в состав рибосом. рРНК составляет 80% от всей РНК в клетке. На рибосомах идет синтез белка.

Информационная РНК (иРНК) составляет от 1 до 10% от всей РНК в клетке. По строению иРНК комплементарна участку молекулы ДНК, несущему информацию о синтезе определенного белка. Длина иРНК зависит от длины участка ДНК, с которого считывали информацию. иРНК переносит информацию о синтезе белка из ядра в цитоплазму к рибосоме.

Транспортная РНК (тРНК) составляет около 10% всей РНК. Она имеет короткую цепь нуклеотидов в форме трилистника и находится в цитоплазме. На одном конце трилистника находится триплет нуклеотидов (антикодон), кодирующий определенную аминокислоту. На другом конце триплет нуклеотидов, к которому при- соединяется аминокислота. Для каждой аминокислоты имеется своя тРНК. тРНК переносит аминокислоты к месту синтеза белка, т.е. к рибосомам (рис. 35).

РНК находится в ядрышке, цитоплазме, рибосомах, митохондриях и пластидах.

АТФ - Аденазинтрифосфорная кислота. Аденазинтрифосфорная кислота (АТФ) состоит из азотистого основания - аденина, сахара - рибозы, и трех остатков фосфорной кислоты (рис. 36). В молекуле АТФ накапливается большое количество энергии, необходимой для биохимических процессов, идущих в клетке. Синтез АТФ происходит в митохондриях. Молекула АТФ очень неустой-

чива и способна отщеплять одну или две молекулы фосфата с выделением большого количества энергии. Связи в молекуле АТФ называют макроэргическими.

АТФ → АДФ + Ф + 40 кДж АДФ→ АМФ + Ф + 40 кДж

Рис. 35. Строение тРНК.

А, Б, В и Г - участки комплементарного соединения внутри одной цепочки РНК; Д - участок (активный центр) соединения с аминокислотой; Е - участок комплементарного соединения с молекулой.

Рис. 36. Строение АТФ и ее превращение в АДФ.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие вещества в клетке относят к неорганическим?

2. Какие вещества в клетке относят к органическим?

3. Что является мономером углеводов?

4. Какое строение имеют углеводы?

5. Какие функции выполняют углеводы?

6. Что является мономером жиров?

7. Какое строение имеют жиры?

8. Какие функции выполняют жиры?

9. Что является мономером белка? 10.Какое строение имеют белки? 11.Какие структуры имеют белки?

12.Что происходит при денатурации белковой молекулы?

13.Какие функции выполняют белки?

14.Какие нуклеиновые кислоты известны?

15.Что является мономером нуклеиновых кислот?

16.Что входит в состав нуклеотида ДНК?

17.Какое строение имеет нуклеотид РНК?

18.Какое строение имеет молекула ДНК?

19.Какие функции выполняет молекула ДНК?

20. Какое строение имеет рРНК?

21.Какое строение имеет иРНК?

22.Какое строение имеет тРНК?

23.Какие функции выполняют рибонуклеиновые кислоты?

24.Какое строение имеет АТФ?

25.Какие функции выполняет АТФ в клетке?

Ключевые слова темы «Химический состав клеток»

азотистое основание альбумины

аминокислотная группа аминокислоты

амфотерные соединения

антикодон

бактерии

белки

биологическая активность биологический катализатор

биохимические реакции

болезнь

вещества

видовая специфичность

витамины

вода

водородные связи вторичная структура выработка антител высокая температура галактоза гексозы гемоглобин гепарин

гидрофобные соединения

гликоген

гликозиды

гликопротеиды

глицерин

глобула

глобулины

глюкоза

гормоны

гуанин

двойная спираль дезоксирибоза денатурация дисахарид

диссоциированное состояние

ДНК

единица информации живой организм животное жизнедеятельность жирные кислоты жировая ткань жироподобные вещества жиры

запас питательных веществ избыток

индивидуальная специфичность

источник энергии

капли

карбоксильная группа

качество кислота

клеточная стенка кодон

колебание температуры

количество

комплементарность

конечные продукты

кости

крахмал

лактоза

лечение

липопротеиды

макроэлементы

макроэргические связи

мальтоза

масса

мембрана клетки

микроэлементы

минеральные соли

миозин

митохондрии

молекула

молочный сахар

мономер

моносахарид

мукополисахариды

мукопротеиды

наследственная информация недостаток

неорганические вещества нервная ткань нуклеиновые кислоты нуклеопротеиды нуклеотид обмен веществ обменные процессы органические вещества пентозы

пептидные связи первичная структура перенос кислорода плоды

подкожная клетчатка

полимер полисахарид

полупроницаемая мембрана

порядок

потеря

проникновение воды

процент

радикал

разрушение

распад

растворитель

растение

расщепление

реакция конденсации

ренатурация

рибоза

рибонуклеаза

рибосома

РНК

сахар

свертывание крови

свободное состояние

связанное состояние

семена

сердце

синтез белка

слой

слюна

сократимые белки

строение

субстрат

теплопроводность

тетрозы тимин

тканевая специфичность

третичная структура

трилистник

триозы

триплет

тростниковый сахар углеводы

ультрамикроэлементы

урацил

участок

ферменты

фибриноген

формула

фосфорная кислота фотосинтез фруктоза функция

химические элементы

хлоропласты

хромосома

целлюлоза

цепь

цитозин

цитоплазма

четвертичная структура шар

щитовидная железа

элементы

ядро

Сегодня мы рассмотрим клетку и содержащиеся в ней микроэлементы. Процентное содержание в клетке также будет нами подробно описано. Для начала поговорим о самом понятии «клетка».

Все, что нас окружает и сами мы - это своеобразный конструктор. Все состоит из мельчайших частиц, которые невозможно увидеть без специального оборудования под названием Микроскоп. Клетка - это полость, внутри которой водный раствор химических веществ, окружена она мембраной. Перед тем, как нами будут рассмотрены микроэлементы (процентное содержание в клетке и другие вопросы), необходимо понимать: клетка способна выжить самостоятельно и обладает рядом особенностей:

• обмен веществ;
• самовоспроизводство и так далее.

Последнее, что стоит упомянуть: цитология занимается изучением элементарных структурных элементов, то есть клеток.

Атомный состав

В периодической системе Дмитрия Ивановича Менделеева существует более ста элементом, а в человеческой клетке содержится более половины из них. Кроме этого, порядка 20 из этих элементов являются необходимыми для жизнедеятельности организма, их можно обнаружить практически во всех ее типах. Наш основной вопрос - это микроэлементы, процентное содержание в клетке. Но, необходимо знать и то, что элементы по их процентному содержанию в клетке могут делиться на классы:

• макроэлементы;
• микроэлементы;
• ультрамикроэлементы.

Если взять все микроэлементы, то их процентное содержание в общей сумме не превышает трех процентов. К данным элементам можно отнести следующие:

• магний;
• хлор;
• натрий;
• калий;
• кальций;
• железо;
• сера;
• фосфор.

Как видите, их всего восемь, по сравнению с макроэлементами, которых насчитывается всего 4, а их общее процентное содержание превышает показатель 90. К группе ультрамикроэлементов относится множество элементов, а их общее процентное содержание не превышает 0,1.

Микроэлементы

Сейчас рассмотрим микроэлементы.

Процентное содержание в клетке микроэлементов следующее:

Как видите, эти цифры очень малы. В таблице мы рассмотрели процентное содержание в клетке микроэлементов, но какова их функция. Некоторые из элементов мы выделили отдельно, а сейчас кратко об остальных. И так, натрий выполняет несколько функций, среди которых:

• обеспечение нормального ритма сердечных сокращений;
• создание мембранного потенциала клетки;
• с помощью данного элемента происходит проведение нервных импульсов;
• поддержание водно-солевого баланса.

Процентное содержание в клетке микроэлементов (калий, сера и хлор) составляет менее 1 процента. Тем не менее, данные элементы выполняют множество необходимых функций:

• калий - это основной катион, он, так же как и натрий, обеспечивает нормальную сердечную работу, оказывает помощь при синтезе белка;
• сера - это составляющий элемент аминокислот, витамина В 1 и других ферментов;
• хлор - это внеклеточный анион, входит в состав кислоты желудочного сока.

Магний

Мы рассмотрели все микроэлементы. Процентное содержание в клетке так же представлено в таблице выше. Но зачем нужен магний, и какие функции он выполняет? С этим мы сейчас и разберемся.

Мы его можем найти практически во всех клетках человека. Почему? Именно магний принимает участие в большинстве биохимических реакций, которых более 300. Первое основное предназначение - это участие в создании энергии, то есть АТФ. Это очень важно, так как АТФ выполняет роль энергетической станции как для клеток, так и для организма в общем.

Вторая функция - это помощь в усвоении некоторых веществ и синтезе белка. Третья функция - это регуляция в организме следующих элементов:

• натрия;
• кальция.

Это нужно для правильной работы сердца и нервной системы, предотвращения ишемической болезни сердца.

Кальций

Мы рассмотрели процентное содержание микроэлементов, из таблицы видно, что кальций составляет всего 0,02% всех элементов. Тем не менее, его значение также велико. И так:

• кальций входит в состав стенок клетки;
• входит в состав костной ткани и зубной эмали;
• кальций способен активировать свертывание крови;
• входит в состав раковин множества беспозвоночных;
• служит посредником внутри клеток и регулирует различные процессы;
• координирует сердцебиение;
• регулирует кровяное давление;
• участвует в работе нервной системы;
• сохраняет кислотно-щелочное равновесие в нашем организме;
• препятствует попаданию вирусов в клетки и так далее.

Железо

Этот элемент просто необходим для нормального процесса жизнедеятельности организма. Именно он помогает в транспортировке кислорода ко всем органам и тканям. Также этот элемент входит в состав ферментов, гемоглобина, миоглобина. Железо участвует в процессе дыхания и фотосинтеза у растений.

Фосфор

Элемент необходим для организма по многим причинам. Основные из них:

• формирование зубов;
• формирование костей;
• входит в состав множества ферментов;
• участвует в регенерации клеток и тканей;
• производство АТФ-молекул, необходимых хранилищ энергии для организма;
• помощь в функционировании почек;
• регуляция мышечных сокращений.

В человеческом организме обнаружено 86 химических элементов, входящих в состав Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Эти элементы условно разделяют на четыре группы:

• макроэлементы – элементы, составляющие основную массу клетки (приблизительно 98-99% в пересчете на сухую массу), среди которых углерод (C), водород (H), кислород (O) и азот (N);
• элементы, содержание которых в клетке, в пересчете на сухую массу, составляет около 1,9%. Это калий (K), натрий (Na), кальций (Ca), магний (Mg), сера (S), фосфор (P), хлор (Cl) и железо (Fe);
• элементы, содержание которых в клетке, в пересчете на сухую массу, менее 0,01% — микроэлементы. Это цинк (Zn), медь (Cu), фтор (F), йод (I), кобальт (Co), молибден (Mo) и др.
• элементы, содержание которых в клетке, в пересчете на сухую массу, менее 0,00001% — ультрамикроэлементы: золото (Au), уран (U), радий (Ra) и др.

Роль химических элементов в клетках живых организмов

Каждый элемент, входящий в состав живого организма, отвечает за выполнение определенной функции (табл. 1).

Таблица 1.Роль химических элементов в клетках живых организмов.

Недостаток какого-либо элемента может привести к заболеванию, и даже гибели организма, так как каждый элемент играет определенную роль. Макроэлементы первой группы составляют основу биополимеров — белков, углеводов, нуклеиновых кислот, а также липидов, без которых жизнь невозможна. Сера входит в состав некоторых белков, фосфор — в состав нуклеиновых кислот, железо — в состав гемоглобина, а магний — в состав хлорофилла. Кальций играет важную роль в обмене веществ

Часть химических элементов, содержащихся в клетке, входит в состав неорганических веществ — минеральных солей и воды. Минеральные соли находятся в клетке, как правило, в виде катионов (К + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+) и анионов (HPO 4 2- , H 2 PO 4 — , СI — , НСО 3 —), соотношение которых определяет важную для жизнедеятельности клеток кислотность среды, так слабощелочная среда многих клеток и ее рН почти не изменяется, потому что в ней постоянно поддерживается определенное соотношение катионов и анионов.

Вода играет большую роль в химических реакциях, протекающих в клетке в водных растворах. Она растворяет ненужные организму продукты обмена веществ и тем самым способствует выводу их из организма. Большое содержание воды в клетке придает ей упругость. Вода способствует перемещению различных веществ внутри клетки или из клетки в клетку.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

В живых организмах обнаружено более 70 химических элементов. Они являются составной частью определенных веществ, образующих структуры организма и участвующих в химических реакциях. Одних химических элементов в организмах содержится больше, других меньше, третьи присутствуют в ничтожных количествах.

Макроэлементы. Химические элементы, содержание которых в живых организмах составляет от десятков до сотых долей процента, называются макроэлементами. Живые организмы более чем на 98 % состоят из четырех химических элементов: кислорода (О), углерода (С), водорода (Н) и азота (N). Водород и кислород — составные элементы воды. Наряду с углеродом и азотом эти элементы являются основными составляющими органических соединений живых организмов.

В состав молекул многих органических веществ также входят сера (S) и фосфор (Р). Кроме того, к макроэлементам относятся натрий (Na), калий (К), магний (Mg), кальций (Са), хлор (С1) и др.

Важнейшим макроэлементом для организма человека является кальций. Его соединения, в частности ортофосфат, составляют минеральную основу костей и зубов. Другие соединения кальция участвуют в нервной и мышечной деятельности, входят в состав клеток и тканевой жидкости организма. Суточная потребность взрослого человека в кальции составляет от 0,8 до 2 г. Основные источники этого элемента — молоко, кефир, творог, сыр, рыба, фасоль, петрушка, зеленый лук, а также яйца, гречка, овсянка, морковь и горох.

Однако в пище могут также содержаться вещества, препятствующие усвоению кальция, например щавелевая кислота и фитин. Со щавелевой кислотой кальций образует малорастворимую соль, фитин тоже довольно прочно удерживает кальций. Поэтому важно не злоупотреблять блюдами из щавеля и шпината, в листьях которых содержится 0,1 —0,5 % щавелевой кислоты. Фитин, присутствующий в овощах и злаках, разрушается при нагревании, поэтому менее вреден. Ржаной хлеб полезнее пшеничного — в нем меньше фитина.

Микроэлементы. Жизненно важные элементы, которые содержатся в живых организмах в исключительно малых количествах (менее 0,01 %) составляют группу микроэлементов. К этой группе относятся некоторые металлы, например железо (Fe), цинк (Zn), медь (Си), марганец (Мп), кобальт (Со), молибден (Мо), а также неметаллы фтор (F), йод (I) и др.

Процентное содержание того или иного элемента не характеризует степень его важности в организме. Например, йод, содержание которого в норме в организме человека не превышает 0,0001 %, входит в состав гормонов щитовидной железы тироксина и т р и й о д т и р о н и н а. Эти гормоны регулируют обмен веществ, влияют на рост, развитие и дифференцировку тканей, на деятельность нервной системы.

Железо и медь входят в состав ферментов, участвующих в клеточном дыхании. Вместе с кобальтом они играют важную роль в процессах кроветворения. Цинк и марганец оказывают влияние на рост и развитие организмов. Фтор входит в состав костной ткани и эмали зубов. Более подробная информация о содержании и биологической роли химических элементов в живых организмах приведена в таблице 1.

Таблица 1. Биологически важные химические элементы

* Для растений — макроэлемент

Для человека источниками макро- и микроэлементов являются продукты питания и вода. Поэтому для полного удовлетворения потребностей в макро- и микроэлементах необходимо полноценное и разнообразное питание, включающее продукты животного и растительного происхождения. Для Беларуси и некоторых других регионов Земли характерен недостаток йода и фтора в природной воде. Поэтому очень важно чаще употреблять в пищу морепродукты, а также восполнять этот недостаток употреблением фторированной и йодированной поваренной соли, производство и продажа которой налажены в нашей стране.

1. В какой группе все элементы относятся к макроэлементам? К микроэлементам?

а) Железо, сера, кобальт; в) натрий, кислород, йод;

б) фосфор, магний, азот; г) фтор, медь, марганец.

2. Какие химические элементы называются макроэлементами? Перечислите их. Каково значение макроэлементов в живых организмах?

3. Какие элементы называются микроэлементами? Приведите примеры. В чем заключается роль микроэлементов для жизнедеятельности организмов?

4. Установите соответствие между химическим элементом и его биологической функцией:

1) кальций

3) кобальт

4) йод 5) цинк 6) медь

а) участвует в синтезе гормонов растений, входит в состав инсулина, б) входит в состав гормонов щитовидной железы.

в) является компонентом хлорофилла.

г) входит в состав гемоцианинов некоторых беспозвоночных животных.

д) необходим для мышечного сокращения и свертывания крови, е) входит в состав витамина В 12 .

5. На основании материала о биологической роли макро- и микроэлементов и знаний, полученных при изучении организма человека в 9-м классе, объясните, к каким последствиям может привести недостаток тех или иных химических элементов в организме человека.

6. В таблице указано содержание основных химических элементов в земной коре (по массе, в %). Сравните состав земной коры и живых организмов. В чем заключаются особенности элементарного состава живых организмов? Какие факты позволяют сделать вывод о единстве живой и неживой природы?

Глава 1. Химические компоненты живых организмов

• § 1. Содержание химических элементов в организме. Макро- и микроэлементы
• § 2. Химические соединения в живых организмах. Неорганические вещества

Глава 2. Клетка - структурная и функциональная единица живых организмов

• § 10. История открытия клетки. Создание клеточной теории
• § 15. Эндоплазматическая сеть. Комплекс Гольджи. Лизосомы

Глава 3. Обмен веществ и преобразование энергии в организме