02. Особенности химического состава клетки

Химический состав клетки

Клетки живых организмов состоят из разных химических элементов.

Атомы этих элементов образуют два класса химических соединений: неорганические и органические (см. Рис. 1).

Из известных на данный момент 118 химических элементов в состав живых клеток обязательно входят 24 элемента. Эти элементы образуют с водой легкорастворимые соединения. Они содержатся и в объектах неживой природы, но соотношение этих элементов в живом и неживом веществе различается (рис. 2).

В неживой природе преобладающими элементами являются кислород, кремний, алюминий и натрий.

В живых организмах преобладающими элементами являются водород, кислород, углерод и азот. Кроме этого выделяют ещё два важных для живых организмов элемента, а именно: фосфор и серу.

Эти 6 элементов, а именно углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера (C, H, N, O, P, S), называют органогенными, или биогенными элементами, так как именно они входят в состав органических соединений, а элементы кислород и водород, кроме того, образуют молекулы воды. На долю соединений биогенных элементов приходится 98% от массы любой клетки.

Шесть основных химических элементов для живого организма

Важнейшей отличительной способностью элементов C, H, N, O является то, что они образуют прочные ковалентные связи, и из всех атомов, образующих ковалентные связи, они самые легкие. Кроме этого, углерод, азот и кислород образуют одинарные и двойные связи, благодаря которым они могут давать самые разнообразные химические соединения. Атомы углерода способны также образовывать тройные связи как с другими углеродными атомами, так и атомами азота – в синильной кислоте связь между углеродом и азотом тройная (рис. 3).

Это объясняет разнообразие соединений углерода в природе. Кроме этого, валентные связи образуют вокруг атома углерода тетраэдр (рис. 4), благодаря этому различные типы органических молекул обладают различной трехмерной структурой.

Только углерод может создавать стабильные молекулы с разнообразными конфигурациями и размерами и большим разнообразием функциональных групп (рис. 5).

Около 2% от массы клеток приходится на следующие элементы: калий, натрий, кальций, хлор, магний, железо. Остальные химические элементы содержатся в клетке в значительно меньшем количестве.

Таким образом, все химические элементы по содержанию в живом организме делятся на три большие группы.

Микро-, макро- и ультрамикроэлементы в живом организме

Элементы, количество которых составляет до 10-2 % от массы тела – это макроэлементы.

Те элементы, на долю которых приходит от 10-2 до10-6 – микроэлементы.

Элементы, содержание которых не превышает 10-6 % массы тела – ультрамикроэлементы (рис. 6).

Русский и украинский ученый В. И. Вернадский доказал, что все живые организмы способны усваивать (ассимилировать) элементы из внешней среды и накапливать (концентрировать) их в определенных органах и тканях. Например, большое количество микроэлементов накапливается в печени, в костной и мышечной ткани.

Сродство микроэлементов к определённым органам и тканям

Отдельные элементы имеют сродство к определенным органам и тканям. Например, в костях и зубах накапливается кальций. Цинка много в поджелудочной железе. Молибдена много в почках. Бария в сетчатке глаза. Йода в щитовидной железе. Марганца, брома и хрома много в гипофизе (см. таблицу «Накопление химических элементов во внутренних органах человека»).

Для нормального протекания процессов жизнедеятельности необходимо строгое соотношение химических элементов в организме. В противном случае возникают тяжелые отравления, связанные с недостатком или избытком биофильных элементов.

Организмы, избирательно накапливающие микроэлементы

Некоторые живые организмы могут быть индикаторами химических условий среды благодаря тому, что они избирательно накапливают в органах и тканях определенные химические элементы (рис. 7, 8).

Вещества, входящие в состав организмов

Химические соединения в живых организмах

Химические элементы образуют неорганические и органические вещества (см. схему «Вещества, входящие в состав живых организмов»).

Неорганические вещества в организмах: вода и минеральные вещества (ионы солей; катионы: калий, натрий, кальций и магний; анионы: хлор, сульфат анион, гидрокарбонат анион).

Органические вещества: мономеры (моносахариды, аминокислоты, нуклеотиды, жирные кислоты и липиды) и полимеры (полисахариды, белки, нуклеиновые кислоты).

Из неорганических веществ, в клетке больше всего воды (от 40 до 95%), среди органических соединений в клетках животных преобладают белки (10-20%), а в клетках растений – полисахариды (клеточная стенка состоит из целлюлозы, а основное запасное питательные вещество растений – крахмал).

Таким образом, мы с вами рассмотрели основные химические элементы, которые входят в состав живых организмов, и соединения, которые они могут образовывать (см. Схему 1).

Значение биогенных элементов

Рассмотрим значение биогенных элементов для живых организмов (рис. 9).

Элемент углерод (карбон) входит в состав всех органических веществ, их основу составляет углеродный скелет. Элемент кислород (оксиген) входит в состав воды и органических веществ. Элемент водород (гидроген) тоже входит в состав всех органических веществ и воды. Азот (нитроген) входит в состав белков, нуклеиновых кислот и их мономеров (аминокислот и нуклеотидов). Сера (сульфур) входит в состав серосодержащих аминокислот, выполняет функцию агента переноса энергии. Фосфор входит в состав АТФ, нуклеотидов и нуклеиновых кислот, минеральные соли фосфора – компонент эмали зубов, костной и хрящевой тканей.

Экологические аспекты действия неорганических веществ

Проблема охраны окружающей среды в первую очередь связана с предупреждением загрязнения окружающей среды различными неорганическими веществами. Основными загрязнителями являются тяжелые металлы, которые накапливаются в почве, природных водах.

Основными загрязнителями воздуха являются оксиды серы и азота.

В результате быстрого развития техники, количество металлов используемых в производстве, необычайно выросло. Металлы попадают в организм человека, всасываются в кровь, а затем накапливаются в органах и тканях: печени, почках, костной и мышечной тканях. Из организма металлы выводятся через кожу, почки и кишечник. Ионы металлов, которые относятся к наиболее токсичным (см. список «Наиболее токсичные ионы», рис. 10): ртуть, уран, кадмий, талий и мышьяк, вызывают острые хронические отравления.

Многочисленна и группа умеренно-токсичных металлов (рис. 11), к ним относятся марганец, хром, осмий, стронций и сурьма. Эти элементы способны вызывать хронические отравления с довольно тяжелыми, но редко летальными клиническими проявлениями.

Малотоксичные металлы не обладают заметной избирательностью. Аэрозоли малотоксичных металлов, например, щелочных, щелочноземельных, могут вызывать изменения легких.

Домашнее задание

1. Какие химические элементы входят в состав живых организмов?

2. На какие группы, в зависимости от количества элемента в живом веществе, делят химические элементы?

3. Назовите элементы-органогены и дайте им общую характеристику.

4. Какие химические элементы относят к макроэлементам?

5. Какие химические элементы относят к микроэлементам?

6. Какие химические элементы относят к ультрамикроэлементам?

7. Обсудите с друзьями и родными, как химические свойства химических элементов связаны с их ролью в живых организмах.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Алхимик (Источник).

2. Википедия (Источник).

3. Интернет-портал Liveinternet.ru (Источник).

Список литературы

1. Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Общая биология 10-11 класс Дрофа, 2005.

2. Биология. 10 класс. Общая биология. Базовый уровень / П. В. Ижевский, О. А. Корнилова, Т. Е. Лощилина и др. – 2-е изд., переработанное. – Вентана-Граф, 2010. – 224 стр.

3. Беляев Д. К. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 11-е изд., стереотип. – М.: Просвещение, 2012. – 304 с.

4. Биология 11 класс. Общая биология. Профильный уровень / В. Б. Захаров, С. Г. Мамонтов, Н. И. Сонин и др. – 5-е изд., стереотип. – Дрофа, 2010. – 388 с.

5. Агафонова И. Б., Захарова Е. Т., Сивоглазов В. И. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 6-е изд., доп. – Дрофа, 2010. – 384 с.