Химический состав клеток
Макроэлементы, их роль в клетке. В клетках разных организмов обнаружено около 70 элементов периодической системы элементов Д. И. Менделеева, но лишь 24 из них имеют вполне установленное значение и встречаются постоянно во всех типах клегок.
Наибольший удельный вес в элементном составе клетки приходится на кислород, углерод, водород и азот. Это так называемые основные, или биогенные, элементы. Атомы этих элементов образуют молекулы всех органических веществ клеток; на их долю приходится более 95% массы клеток, причем относительное содержание элементов в живом веществе намного выше, чем в земной коре. К главным элементам органических молекул относятся также фосфор и сера.
Жизненно важными являются, кроме того, кальций, магний, калий, натрий и хлор (в клетках животных) , входящие в состав клетки в виде ионов. Их содержание в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента. Перечисленные элементы составляют группу макроэлементов.
Ионы кальция принимают участие в регуляции ряда клеточных процессов, в том числе мышечного сокращения и других двигательных функций, а также в свертывании крови. Нерастворимые соли кальция участвуют в формировании костей и зубов, карбонат кальция - в образовании раковин моллюсков, укреплении оболочек клеток некоторых видов растений. Концентрация ионов магния важна для поддержания целостности и функционирования рибосом. Кроме того, магний входит в состав хлорофилла и поддерживает нормальную работу митохондрий.
Ионы калия и натрия участвуют в поддержании определенной ионной силы и создании буферной среды, регулируют осмотическое давление в клетке, обусловливают нормальный ритм сердечной деятельности, обеспечивают передачу нервного импульса. Хлор в виде анионов участвует в создании солевой среды животных организмов (для растений хлор является микроэлементом) и, кроме того, иногда входит в состав органических соединений.
Микроэлементы, их роль в клетке. Другие химические элементы - медь, марганец, железо, кобальт, цинк, а также (для некоторых организмов) бор, фтор, хром, селен, алюминий, кремний, молибден и иод -- содержатся в небольших количествах (не более 0,01% массы клеток) . Они относятся к группе микроэлементов.
Процентное содержание в организме того или иного элемента никоим образом не характеризует степень его важности и необходимости в организме. Кобальт, например, входит в состав витамина В12, иод - в состав гормонов тироксина и тиронина, а медь - в состав ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные процессы; кроме того, медь участвует в переносе кислорода в тканях моллюсков. Железо является составной частью комплексов, выполняющих ряд жизненно важных функций. К ним относятся, например, гем гемоглобина, некоторые ферменты и переносчики электронов (цитохром С) .
Значительное число ферментов с разнообразным механизмом действия содержат ионы цинка, марганца, кобальта и молибдена.
Кремний встречается у диатомовых водорослей, хвощей, губок и моллюсков. В хрящах и связках позвоночных животных его содержание может достигать нескольких сотых долей процента.
Бор влияет на рост растений, фтор входит в состав эмали зубов и костей.
Абубекерова Альфия, Токарева Виктория, Матвеева Римма, ученицы 8 класса МКОУ "СОШ №1" г. Николаевска
В проекте представлен ход работы и полученные результаты по выяснению роли химических элементов для живых организмов. В альбоме красочно представлена биологическая роль наиболее важных химических элементов.
Скачать:
Предварительный просмотр:
Муниципальное казенное образовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа №1» города Николаевска Николаевского муниципального района Волгоградской области
Проект на тему:
Работу выполнили:
Токарева Виктория, 8 класс
Матвеева Римма, 8 класс
Абубекерова Альфия, 8 класс
Руководитель:
Евдокимова А.С., учитель химии и биологии
Николаевск, 2014 год
1.Введение ………………………………………………………………….. 3
2. Классификация химических элементов по функциональной роли и содержанию в организме…………………………………………………. 5
3. Поступление химических элементов в организм…………………….6
4. Биологическая роль химических элементов…………………………7
5. Взаимосвязь химических элементов………………………………… 7
6. Выводы…………………………………………………………………… 9
7. Результат работы…………………………………………………………9
9. Источники информации…………………………………………………9
Приложение. ………………………………………………………………..11
1. Введение.
Актуальность
В 8 классе мы начали изучать новый предмет – химию. Мы узнали, что на Земле существуют атомы различных химических элементов (их больше 100), у каждого есть свое название, есть свое место в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева. Оказывается, что с названиями многих из них мы часто встречаемся в повседневной жизни. Например, реклама с экранов телевизоров постоянно призывает нас употреблять витамины, содержащие кальций и препараты, содержащие йод . А еще говорят, что зубная паста с фтором полезна для зубов, а железо необходимо для нормальной работы нашего организма. Почему же эти элементы так необходимы? А важны ли для живых организмов другие химические элементы? Сколько их требуется для нормальной работы организма? Где они содержатся, в каких продуктах? Что произойдет, если в организм попадет очень много или очень мало каких либо элементов? Мы считаем эти вопросы очень важными для сохранения здоровья человека.
Проблема : слабая информированность учащихся о биологической роли химических элементов
Цель - Выяснить биологическую роль наиболее распространенных химических элементов и использовать эту информацию для формирования у учащихся ценностного отношения к своему здоровью.
Задачи:
1. Определить группу наиболее встречающихся на нашей планете химических элементов и выяснить их биологическое значение.
2. Выяснить важно ли сочетание и пропорциональное соотношение химических элементов при попадании в организм.
3. Оформить полученную информацию в виде брошюры, стенда в кабинете химии.
4. Выступить с данной информацией на уроке химии перед одноклассниками.
Тип проекта : информационный (биология, химия)
Направления проектной деятельности:
- Аналитическое (сбор информации)
- Творческое (создание брошюры и стенда)
3) Представительское (создание презентации, выступление на уроке)
Участники :
Учащиеся 8 класса
Ресурсное обеспечение проекта:
Координатор – учитель химии Евдокимова Анна Сергеевна.
Материальные ресурсы: ресурсы школьной мини-типографии, бумага формата А4, ватман, двусторонний скотч, компьютер, Интернет.
Сроки реализации, этапы работы над проектом :
- Постановка проблемы, распределение заданий, «ролей» (январь)2014 года)
- Сбор информации (январь – февраль 2014 года)
- Обобщение результатов, создание альбома, оформление стенда, (февраль 2014 года)
Результат : повышение информированности учащихся о биологической роли химических элементов
Отсроченный результат : формирование более ответственного отношения к своему здоровью
Практическая значимость (продукт): собранная в ходе выполнения проекта информация будет оформлена в виде брошюры, которой можно воспользоваться при подготовке к экзаменам, конкурсам, олимпиадам, а также будет оформлен стенд в кабинете химии, где ярко, красно и интересно будет представлена информация о биологической роли химических элементов. Возможно, данная информация позволит не только побудить учащихся ответственнее относится к своему здоровью, но и повысит интерес к предмету химия, поможет определиться с выбором профессии.
2. Классификация химических элементов по функциональной роли и содержанию в организме.
Биосфера содержит 100 млрд тонн живого вещества. Около 50% массы земной коры приходится на кислород, более 25% на кремний. Восемнадцать элементов (О, Si, Al, Fe, Ca. Na, К, Mg, H, Ti, С, Р, N, S, Cl, F, Мn, Ва) составляют 99,8% массы земной коры. Живые организмы принимают активное участие в перераспределении химических элементов в земной коре. Минералы, природные химические вещества, образуются в биосфере в различных количествах, благодаря деятельности живых веществ (образование железных руд, горных пород, в основе которых соединения кальция). Кроме этого, оказывают влияние техногенные загрязнения окружающей среды. Изменения, происходящие в верхних слоях земной коры, влияют на химический состав живых организмов. В организме можно обнаружить почти все элементы, которые есть в земной коре и морской воде. Содержание некоторых элементов в организме по сравнению с окружающей средой повышенное – это называют биологическим концентрированием элемента. Например, углерода в земной коре 0,35%, а по содержанию в живых организмах занимает второе место (21%). Однако эта закономерность наблюдается не всегда. Так, кремния в земной коре 27,6%, а в живых организмах его мало, алюминия – 7,45%, а в живых организмах -1·10 -5 %.
В составе живого вещества найдено более 70 элементов.
Элементы необходимые организму для построения и жизнедеятельности клеток и органов, называют биогенными элементами .
Для 30 элементов биогенность установлена. Существует несколько классификаций биогенных элементов:
А) По их функциональной роли:
1) органогены, в организме их 97,4% (С, Н, О, N, Р, S),
2) элементы электролитного фона (Na, К, Ca, Mg, Сl). Данные ионы металлов составляют 99% общего содержания металлов в организме;
3) Микроэлементы – это биологически активные атомы центров ферментов, гормонов.
Б) По концентрации элементов в организме биогенные элементы делят:
1) макроэлементы (содержание их превышает 0,01% от массы тела)
К ним относят 12 элементов: С, Н, О, N, Р, S, Na, К, Ca, Mg, Сl, Fe.
2) микроэлементы (0,01%, от массы тела): Цинк , Йод , Фтор , Кремний , Хром , Медь , Марганец , Кобальт , Молибден , Никель , Бор , Бром , Мышьяк , Свинец , Олово , Литий , Кадмий , Ванадий , Селен
3) ультрамикроэлементы (содержание их меньше чем 10 -5 % от массы тела).
3. Поступление химических элементов в организм.
Все живые организмы имеют тесный контакт с окружающей средой. Жизнь требует постоянного обмена веществ в организме. Поступлению в организм химических элементов способствует питание и потребляемая вода. Организм состоит из воды на 60%, 34% приходится на органические вещества и 6% на неорганические. Основными компонентами органических веществ являются С, Н, О. В их состав входят также N, P, S. В составе неорганических веществ обязательно присутствуют 22 химических элемента. Например, если вес человека составляет 70 кг, то в нём содержится (в граммах): Са - 1700, К - 250, Na –70, Mg - 42, Fe - 5, Zn - 3. На долю металлов приходится 2,1 кг. В соответствии с рекомендацией диетологической комиссии Национальной академии США ежедневное поступление химических элементов с пищей должно находиться на определенном уровне (таблица № 1).
Таблица 1. Суточное поступление химических элементов в организм человека
Химический элемент | Суточное потребление, в мг | |
Взрослые | Дети |
|
Калий | 2000-5500 | |
Натрий | 1100-3300 | |
Кальций | 800-1200 | |
Магний | 300-400 | |
Цинк | ||
Железо | 10-15 | |
Марганец | ||
Медь | 1,5-3,0 | |
Титан | 0,85 | 0,06 |
Молибден | 0,075-0,250 | |
Хром | 0,05-0,20 | 0,04 |
Кобальт | Около 0,2 витамин B 12 | 0,001 |
Хлор | 3200 | |
РО 4 3- | 800-1200 | |
SO 4 2- | ||
Йод | 0,15 | 0,07 |
Селен | 0,05-0, 07 | |
Фтор | 1,5-4,0 | 0, 6 |
Столько же химических элементов должно выводиться, поскольку их содержание в организме находится в относительном постоянстве.
Современное состояние знаний о биологической роли элементов можно характеризовать как поверхностное прикосновение к этой проблеме. Накоплено много фактических данных по содержанию элементов в различных компонентах биосферы, ответные реакции организма на их недостаток и избыток.
При недостаточном поступлении элемента в организм наносится существенный ущерб росту и развитию организма. Это объясняется снижением активности ферментов, в состав которых входит элемент. При повышении дозы этого элемента ответная реакция организма возрастает, достигает нормы (биотическая концентрация элемента). Дальнейшее увеличение дозы приводит к снижению функционирования вследствие токсического действия избытка элемента вплоть до летального исхода. Дефицит и избыток биогенного элемента наносит вред организму. Все живые организмы реагируют на недостаток и избыток или неблагоприятное соотношение элементов.
Обычные микроэлементы, когда их концентрация в организме превышает биотическую концентрацию, проявляют токсическое действие на организм. Токсичные элементы при очень малых концентрациях не оказывают вредного воздействия на растения и животных. Например, мышьяк при микроконцентрациях оказывает биостимулирующее действие. Следовательно, нет токсичных элементов, а есть токсичные дозы. Таким образом, малые дозы элемента - лекарство, большие дозы - яд. «Все есть яд, и ничто не лишено ядовитости, одна лишь доза делает яд незаметным» - Парацельс. Уместно вспомнить слова таджикского поэта Рудаки: «Что нынче снадобьем слывет, то завтра станет ядом».
4 . Биологическая роль химических элементов.
Информация о биологической роли химических элементов указана в брошюре «Биологическая роль химических элементов» (Приложение №1)
5. Взаимосвязь химических элементов,
Необходимо помнить об определенных предосторожностях при употреблении минеральных комплексов (как лекарственных препаратов, так и биологически активных добавок к пище).
Передозировка одного минерального вещества может привести к функциональным нарушениям и повышенному выделению другого минерального вещества. Возможно и развитие нежелательных побочных эффектов. Например, избыток цинка ведет к снижению уровня холестеринсодержащих липидов высокой плотности ("хорошего" холестерина).
Главная биологическая функция калия - формирование совместно с другими электролитами (натрий, хлор) разницы потенциалов на мембранах клеток и передача ее изменения по клеточной мембране, за счет обмена с ионами натрия, что особенно важно для нервных и мышечных клеток. Это обуславливает постоянное присутствие в клетках натрия, хлора и калия. В организме эти элементы содержатся в определенном соотношении, обеспечивая гомеостаз (постоянство внутренней среды). Нарушение равновесия между калием и натрием ведет к патологии водного обмена, обезвоживанию, мышечной слабости.
Избыток кальция может привести к недостатку фосфора, и наоборот. Обмен веществ так тонко устроен, что фосфор работает в тесной связке с кальцием (в норме эти вещества должны поступать в организм примерно в одинаковом количестве, в крайнем случае фосфора может быть в полтора раза больше). В реальности в современных продуктах его много больше, чем кальция. Учёные подсчитали, что, например, в питании среднего американца содержание фосфора в 2-4 раза выше, чем кальция. Избыточный фосфор стимулирует выработку гормона паращитовидными железами (это четыре горошины, расположенные рядом с щитовидкой). Тогда этот гормон начинает вымывать кальций из костей. Развивается остеопороз - кости становятся хрупкими и ломкими. Сегодня в мире эта болезнь приобрела характер эпидемии. Перелом шейки бедра у стариков и так называемый «вдовий горб» - типичные проявления остеопороза. Переломы из-за слабости кости возникают даже у подростков. В серьёзных исследованиях доказано, что у девочек, любящих пить колу и прочие газировки (в них добавляют фосфорную кислоту), в 3,14 раза чаще бывают такие переломы. А если они ещё и занимаются спортом, то риск переломов больше в 5 раз. Чем больше фосфатов в крови, тем выше риск инфарктов и смертность от сердечно-сосудистых заболеваний. Фосфор помогает развитию кальцификации. Это самое тяжёлое и необратимое поражение сосудов, при котором на их внутренней стенке откладывается кальций, образуя плотные, как кость, бляшки.
Избыток молибдена уменьшает содержание меди.
Избыток вольфрама уменьшает содержание молибдена.
На фоне дефицита железа, а также кальция, фосфора, магния и цинка способность организма усваивать свинец увеличивается и т.д.
При потреблении минеральных веществ, следует строго придерживаться медицинских рекомендаций!
6. Выводы:
Мы выяснили, что многие химические элементы (более 30) имеют определенное значение для живых организмов. Такие элементы как С, Н, О, N, Р, S, являясь макроэлементами играют большую роль, из них построены клетки живого организма. Другие, хоть и имеют малое содержание в организме (микроэлементы), так же необходимы. Но для большинства элементов как недостаток, так и избыток оказывает вредное воздействие на организм.
Мы разобрались так же, откуда поступают элементы в наш организм, как избежать избыточного и недостаточного их содержания.
Имеются элементы, малая доза которых является токсичной. Это такие элементы как мышьяк, свинец, ртуть, кадмий и др. Тяжелые металлы имеют способность накапливаться в организме.
Важно также взаимное влияние обмена одного элемента на обмен другого. Так, например фосфор и кальций должны попадать в организм в определенном соотношении. Если фосфора попадает больше, то это способствует вымыванию кальция из костей и др. последствиям.
7. Результат работы:
1) Нашли и обобщили информацию о биологической роли химических элементов.
2) Создали брошюру «Биологическая роль химических элементов» (приложение №1)
3) Создали презентацию о биологической роли химических элементов и выступили с ней на уроке химии в 8 и 9-ых классах (приложение №2).
4) Оформили стенд в кабинете химии (приложение №3).
8. Источники информации:
1) Конспект лекций по общей химии. Челябинская государственная медицинская академия. А. В. Жолнин.
2) Ливанов П.А.,Соболев М.Б., Ревич Б. А. Свинцовая опасность и здоровье населения. // Рос. Сем. Врач. 1999, No 2, с. 18–26.
3) Корбанова А.И., Сорокина Н.С., Молодкина Н.Н. Свинец и его действие на
Организм. // Мед. труда и пром. экология. 2001, No 5, с. 29–34.
4) Химия. Учебник для 9 кл. Габриелян О.С.
5) Ресурсы сети Интернет:
wikipedia.org и др.
Предварительный просмотр:
Чтобы пользоваться предварительным просмотром создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него:
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.
| Химический элемент | Вещества, в которых химический элемент содержится | Процессы, в которых химический элемент участвует |
|---|---|---|
|
Углерод, водород, кислород, азот |
Белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы и др. органические вещества |
Синтез органических веществ и весь комплекс функций, осуществляемых этими органическими веществами |
|
Калий, натрий |
Обеспечение функции мембран, в частности, поддержание электрического потенциала клеточной мембраны, работы Na + /Ka + -насоса, проведение нервных импульсов, анионный, катионный и осмотический балансы |
|
|
Участие в процессе свертывания крови |
||
|
Фосфат кальция, карбонат кальция |
Костная ткань, зубная эмаль, раковины моллюсков |
|
|
Пектат кальция |
Формирование срединной пластинки и клеточной стенки у растений |
|
|
Хлорофилл |
Фотосинтез |
|
|
Формирование пространственной структуры белка за счет образования дисульфидных мостиков |
||
|
Нуклеиновые кислоты, АТФ |
Синтез нуклеиновых кислот |
|
|
Поддержание электрического потенциала клеточной мембраны, работы Na + /Ka + -насоса, проведение нервных импульсов, анионный, катионный и осмотический балансы |
||
|
Активизация пищеварительных ферментов желудочного сока |
||
|
Гемоглобин |
Транспорт кислорода |
|
|
Цитохромы |
Перенос электронов при фотосинтезе и дыхании |
|
|
Марганец |
Декарбоксилазы, дегидрогеназы |
Окисление жирных кислот, участие в процессах дыхания и фотосинтеза |
|
Гемоцианин |
Транспорт кислорода у некоторых беспозвоночных |
|
|
Тирозиназа |
Образование меланина |
|
|
Витамин В 12 |
Формирование эритроцитов |
|
|
Алькогольдегидрогеназа |
Анаэробное дыхание у растений |
|
|
Карбоангидраза |
Транспорт СО 2 у позвоночных |
|
|
Фторид кальция |
Костная ткань, зубная эмаль |
|
|
Тироксин |
Регуляция основного обмена |
|
|
Молибден |
Нитрогеназа |
Фиксация азота |
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
| Задание | Как отразится на жизнедеятельности клетки и организма недостаток какого-либо необходимого элемента? Приведите примеры. |
| Ответ | Недостаток какого-либо микроэлемента приводит к уменьшению синтеза того органического вещества, в состав которого этот микроэлемент входит. В результате нарушаются процессы роста, обмена веществ, воспроизведения и т.д. Например, дефицит йода в пище приводит к общему падению активности организма и разрастанию щитовидной железы - эндемическому зобу. Недостаток бора вызывает отмирание верхушечных почек у растений. Нехватка селена может привести к возникновению раковых заболеваний у человека и животных. |
Клетка
С точки зрения концепции живых систем по А. Ленинджеру.
Живая клетка – это способная к саморегуляции и самовоспроизведению изотермическая система органических молекул, извлекающая энергию и ресурсы из окружающей среды.
В клетке протекает большое количество последовательных реакций, скорость которых регулируется самой клеткой.
Клетка поддерживает себя в стационарном динамическом состоянии, далеком от равновесия с окружающей средой.
Клетки функционируют по принципу минимального расхода компонентов и процессов.
Т.о. клетка – элементарная живая открытая система, способная к самостоятельному существованию, воспроизведению и развитию. Она является элементарной структурно-функциональной единицей всех живых организмов.
Химический состав клеток.
Из 110 элементов периодической системы Менделеева в организме человека обнаружено 86 постоянно присутствующих. 25 из них необходимы для нормальной жизнедеятельности, причем 18 из них необходимы абсолютно, а 7 - полезны. В соответствии с процентным содержанием в клетке химические элементы делят на три группы:
Макроэлементы Основные элементы (органогены) – водород, углерод, кислород, азот. Их концентрация: 98 – 99,9 %. Они являются универсальными компонентами органических соединений клетки.
Микроэлементы – натрий, магний, фосфор, сера, хлор, калий, кальций, железо. Их концентрация 0,1%.
Ультрамикроэлементы – бор, кремний, ванадий, марганец, кобальт, медь, цинк, молибден, селен, йод, бром, фтор. Они влияют на обмен веществ. Их отсутствие является причиной заболеваний (цинк - сахарный диабет, иод - эндемический зоб, железо - злокачественная анемия и т.д.).
Современной медицине известны факты отрицательного взаимодействия витаминов и минералов:
Цинк снижает усвоение меди и конкурирует за усвоение с железом и кальцием; (а дефицит цинка вызывает ослабление иммунной системы, ряд патологических состояний со стороны желез внутренней секреции).
Кальций и железо снижают усвоение марганца;
Витамин Е плохо совмещается с железом, а витамин С – с витаминами группы В.
Положительное взаимовлияние:
Витамин Е и селен, а также кальций и витамин К действуют синергично;
Для усвоения кальция необходим витамин Д;
Медь способствует усвоению и повышает эффективность использования железа в организме.
Неорганические компоненты клетки.
Вода – важнейшая составная часть клетки, универсальная дисперсионная среда живой материи. Активные клетки наземных организмов состоят на 60 – 95% из воды. В покоящихся клетках и тканях (семена, споры) воды 10 - 20%. Вода в клетке находится в двух формах – свободной и связанной с клеточными коллоидами. Свободная вода является растворителем и дисперсионной средой коллоидной системы протоплазмы. Ее 95%. Связанная вода (4 – 5 %) всей воды клетки образует непрочные водородные и гидроксильные связи с белками.
Свойства воды:
Вода – естественный растворитель для минеральных ионов и других веществ.
Вода – дисперсионная фаза коллоидной системы протоплазмы.
Вода является средой для реакций метаболизма клетки, т.к. физиологические процессы происходят в исключительно водной среде. Обеспечивает реакции гидролиза, гидратации, набухания.
Участвует во многих ферментативных реакциях клетки и образуется в процессе обмена веществ.
Вода – источник ионов водорода при фотосинтезе у растений.
Биологическое значение воды:
Большинство биохимических реакций идет только в водном растворе, многие вещества поступают и выводятся из клеток в растворенном виде. Это характеризует транспортную функцию воды.
Вода обеспечивает реакции гидролиза – расщепление белков, жиров, углеводов под действием воды.
Благодаря большой теплоте испарения происходит охлаждение организма. Например, потоотделение у человека или транспирация у растений.
Большая теплоемкость и теплопроводность воды способствует равномерному распределению тепла в клетке.
Благодаря силам адгезии (вода – почва) и когезии (вода – вода) вода обладает свойством капиллярности.
Несжимаемость воды определяет напряженное состояние клеточных стенок (тургор), гидростатический скелет у круглых червей.
В клетках разных организмов обнаружено около 70 элементов периодической системы элементов Д. И. Менделеева, но лишь 24 из них имеют вполне установленное значение и встречаются постоянно во всех типах клеток.
Наибольший удельный вес в элементном составе клетки приходится на кислород, углерод, водород и азот. Это так называемые основные или биогенные элементы . На долю этих элементов приходится более 95 % массы клеток, причем их относительное содержание в живом веществе гораздо выше, чем в земной коре. Жизненно важными являются также кальций, фосфор, сера, калий, хлор, натрий, магний, йод и железо. Их содержание в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента. Перечисленные элементы составляют группу макроэлементов .
Другие химические элементы: медь, марганец, молибден, кобальт, цинк, бор, фтор, хром, селен, алюминий, йод, железо, кремний - содержатся в исключительно малых количествах (менее 0,01 % массы клеток). Они относятся к группе микроэлементов .
Процентное содержание в организме того или иного элемента никоим образом не характеризует степень его важности и необходимости в организме. Так, например, многие микроэлементы входят в состав различных биологически активных веществ - ферментов, витаминов (кобальт входит в состав витамина B 12), гормонов (йод входит в состав тироксина);оказывают влияние на рост и развитие организмов (цинк, марганец, медь), кроветворение (железо, медь), процессы клеточного дыхания (медь, цинк) и т. д. Содержание и значение для жизнедеятельности клеток и организма в целом различных химических элементов приведено в таблице:
| Элемент | Символ | Примерное содержание, % | Значение для клетки и организма |
|---|---|---|---|
| Кислород | O | 62 | Входит в состав воды и органических веществ; участвует в клеточном дыхании |
| Углерод | C | 20 | Входит в состав всех органических веществ |
| Водород | H | 10 | Входит в состав воды и органических веществ; участвует в процессах преобразования энергии |
| Азот | N | 3 | Входит в состав аминокислот, белков, нуклеиновых кислот, АТФ, хлорофилла, витаминов |
| Кальций | Ca | 2,5 | Входит в состав клеточной стенки у растений, костей и зубов, повышает свертывание крови и сократимость мышечных волокон |
| Фосфор | P | 1,0 | Входит в состав костной ткани и зубной эмали, нуклеиновых кислот, АТФ, некоторых ферментов |
| Сера | S | 0,25 | Входит в состав аминокислот (цистеин, цистин и метионин), некоторых витаминов, участвует в образовании дисульфидных связей при образовании третичной структуры белков |
| Калий | K | 0,25 | Содержится в клетке только в виде ионов, активирует ферменты белкового синтеза, обуславливает нормальный ритм сердечной деятельности, участвует в процессах фотосинтеза, генерации биоэлектрических потенциалов |
| Хлор | Cl | 0,2 | Преобладает отрицательный ион в организме животных. Компонент соляной кислоты в желудочном соке |
| Натрий | Na | 0,10 | Содержится в клетке только в виде ионов, обуславливает нормальный рит сердечной деятельности, влияет на синтез гормонов |
| Магний | Mg | 0,07 | Входит в состав молекул хлорофилла, а также костей и зубов, активирует энергетический обмен и синтез ДНК |
| Йод | I | 0,01 | Входит в состав гормонов щитовидной железы |
| Железо | Fe | 0,01 | Входит в состав многих ферментов, гемоглобина и миоглобина, участвует в биосинтезе хлорофилла, в транспорте электронов, в процессах дыхания и фотосинтеза |
| Медь | Cu | Следы | Входит в состав гемоцианинов у беспозвоночных, в состав некоторых ферментов, участвует в процессах кроветворения, фотосинтеза, синтеза гемоглобина |
| Марганец | Mn | Следы | Входит в состав или повышает активность некоторых ферментов, участвует в развитии костей, ассимиляции азота и процессе фотосинтеза |
| Молибден | Mo | Следы | Входит в состав некоторых ферментов (нитратредуктаза), участвует в процессах связывания атмосферного азота клубеньковыми бактериями |
| Кобальт | Co | Следы | Входит в состав витамина B 12 , участвует в фиксации атмосферного азота клубеньковыми бактериями |
| Бор | B | Следы | Влияет на ростовые процессы растений, активирует восстановительные ферменты дыхания |
| Цинк | Zn | Следы | Входит в состав некоторых ферментов, расщепляющих полипептиды, участвует в синтезе растительных гормонов (ауксинов) и гликолизе |
| Фтор | F | Следы | Входит в состав эмали зубов и костей |