Роль и функции химических элементов. Содержание соединений в клетке

В
клетке встречается около 70 химических элементов Периодической системы Д. И.
Менделеева, однако содержание этих элементов существенно отличается от их
концентраций в окружающей среде, что доказывает единство органического мира.

Химические
элементы, имеющиеся в клетке, делят на три большие группы: макроэлементы, мезоэлементы
(олигоэлементы) и микроэлементы.

Содержание
макроэлементов составляет около 98 % массы клетки. К ним относятся углерод, кислород,
водород и азот, входящие в состав основных органических веществ.

Мезоэлементы —
это сера, фосфор, калий, кальций, натрий, железо, магний, хлор, составляющие в
сумме около 1, 9 % массы клетки. Сера и фосфор являются компонентами важнейших
органических соединений.

Химические элементы, концентрация которых в клетке
около 0, 1 %, относятся к микроэлементам. Это цинк, йод, медь, марганец, фтор, кобальт
и др.

Вещества
клетки делят на неорганические и органические. К неорганическим веществам
относятся вода и минеральные соли.

Благодаря
своим физико-химическим свойствам вода в клетке является растворителем, средой
для протекания реакций, исходным веществом и продуктом химических реакций, выполняет
транспортную и терморегуляторные функции, придает клетке упругость, обеспечивает
ту prop растительной клетки.

Содержание
химических элементов в клетке.

Минеральные
соли в клетке могут находиться в растворенном или не растворенном состояниях.
Растворимые соли диссоциируют на ионы.

Наиболее важными катионами являются
калий и натрий, облегчающие перенос веществ через мембрану и участвующие в
возникновении и проведении нервного импульса; кальций, который принимает
участие в процессах сокращения мышечных волокон и свертывании крови, магний, входящий
в состав хлорофилла, и железо, входящее в состав ряда белков, в том числе
гемоглобина. Цинк входит в состав молекулы гормона поджелудочной железы —
инсулина, медь требуется для процессов фотосинтеза и дыхания. Важнейшими
анионами являются фосфат-анион, входящий в состав АТФ и нуклеиновых кислот, и
остаток угольной кислоты, смягчающий колебания рН среды. Недостаток кальция и
фосфора приводит к рахиту, нехватка железа — к анемии.

Содержание
химических веществ в клетке.

Органические
вещества клетки представлены углеводами, липидами, белками, нуклеиновыми
кислотами, АТФ, витаминами и гормонами.

В
состав углеводов входят в основном три химических элемента: углерод, кислород и
водород. Их общая формула Cm(H20)n. Различают простые и сложные углеводы.
Простые углеводы {моносахариды) содержат единственную молекулу сахара. Их
классифицируют по количеству углеродных атомов, например, пентозы (С5) и
гексозы (С6). К пентозам относятся рибоза и дезоксирибоза.

Рибоза входит в
состав РНК и АТФ. Дезоксирибоза является компонентом ДНК. Гексозы — это глюкоза,
фруктоза, галактоза и др. Они принимают активное участие в обмене веществ в
клетке и входят в состав сложных углеводов — олигосахаридов и полисахаридов.

К
олигосахаридам (дисахаридам) относятся сахароза (глюкоза + фруктоза), лактоза
или молочный сахар (глюкоза+галактоза) и др.

Глюкоза.

Примерами
полисахаридов являются крахмал, гликоген, целлюлоза и хитин. Углеводы выполняют
в клетке пластическую (строительную), энергетическую (энергетическая ценность
расщепления 1 г
углеводов — 17, 6 кДж), запасающую и опорную функции. Углеводы могут также
входить в состав сложных липидов и белков.

Липиды
— это группа гидрофобных веществ. К ним относят жиры, стероиды воска, фосфолипиды
и т. д.

Строение
молекулы жира

Жир
— это сложный эфир трехатомного спирта глицерина и высших органических (жирных)
кислот. В молекуле жира можно выделить гидрофильную часть — «головку» (остаток
глицерина) и гидрофобную часть — «хвосты» (остатки жирных кислот), поэтому в
воде молекула жира ориентируется строго определенным образом: гидрофильная
часть направлена к воде, а гидрофобная — от нее.

Липиды
выполняют в клетке пластическую (строительную), энергетическую (энергетическая
ценность расщепления 1 г
жира — 38, 9 кДж), запасающую, защитную (амортизационную) и регуляторную
(стероидные гормоны) функции.

Белки
— это биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Аминокислоты
содержат аминогруппу, карбоксильную группу и радикал. Отличаются аминокислоты
только радикалами. В состав белков входит 20 основных аминокислот.

Соединяются
аминокислоты между собой с образованием пептидной связи. Цепочка из более чем
20 аминокислот называется полипептидом или белком. Белки образуют четыре
основные структуры: первичную, вторичную, третичную и четвертичную.

Первичная
структура — это последовательность аминокислот, соединенных пептидной связью.

Вторичная
структура — это спираль, или складчатая структура, удерживаемая водородными
связями между атомами кислорода и водорода пептидных группировок разных витков
спирали или складок. Третичная структура (глобула) удерживается гидрофобными, водородными,
дисульфидными и другими связями.

Третичная
структура белка

Третичная
структура характерна для большинства белков организма, например, миоглобина
мышц.

Четвертичная
структура белка.

Четвертичная
структура наиболее сложная, образованная несколькими полипептидными цепями, соединенными
в основном теми же связями, что и в третичной. Четвертичная структура
характерна для гемоглобина, хлорофилла и др.

Белки
могут быть простыми и сложными. Простые белки состоят только из аминокислот, тогда
как сложные белки (липопротеины, хромопротеины, гликопротеины, нуклеопротеины и
др.

) содержат белковую и небелковую части.

Например, в состав гемоглобина
помимо четырех полипептидных цепей белка глобина входит небелковая часть — гем,
в центре которой находится ион железа, придающий гемоглобину красную окраску.

Функциональная
активность белков зависит от условий окружающей среды. Утрата белковой
молекулой своей структуры вплоть до первичной называется денатурацией. Обратный
процесс восстановления вторичной и более высоких структур — это ренатурация.
Полное разрушение белковой молекулы называется деструкцией.

Белки
выполняют в клетке ряд функций: пластическую (строительную), каталитическую
(ферментативную), энергетическую (энергетическая ценность расщепления 1 г белка — 17, 6 кДж), сигнальную
(рецепторную), сократительную (двигательную), транспортную, защитную, регуляторную,
запасающую.

Нуклеиновые
кислоты — это биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. В состав
нуклеотида входят азотистое основание, остаток сахара-пентозы и остаток
ортофосфорной кислоты. Выделяют два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновую
(РНК) и дезоксири-бонуклеиновую (ДНК).

ДНК
включает четыре типа нуклеотидов: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин
(Ц). В состав этих нуклеотидов входит сахар де-зоксирибоза. Для ДНК установлены
правила Чаргаффа:

• 1)
  количество адениловых нуклеотидов в ДНК равно количеству тимидиловых (А = Т);
• 2)
  количество гуаниловых нуклеотидов в ДНК равно количеству цитидиловых (Г = Ц);
• 3)
  сумма адениловых и гуаниловых нуклеотидов равна сумме тимидиловых и цитидиловых
  (А + Г = Т + Ц).

Структура
ДНК была открыта Ф. Криком и Д. Уотсоном (Нобелевская премия по физиологии и
медицине 1962 г.).
Молекула ДНК представляет собой двуцепочечную спираль. Нуклеотиды соединяются
между собой через остатки фосфорной кислоты, образуя фосфодиэфирную связь, при
этом азотистые основания направлены вовнутрь. Расстояние между нуклеотидами в
цепи равно 0, 34 нм.

Нуклеотиды
разных цепей соединяются между собой водородными связями по принципу
комплементарности: аденин соединяется с тими-ном двумя водородными связями (А =
Т), а гуанин с цитозином — тремя (Г = Ц).

Строение
нуклеотида

Важнейшим
свойством ДНК является способность к репликации (самоудвоению). Основной
функцией ДНК является хранение и передача наследственной информации.

1. ДНК
2. Она
   сосредоточена в ядре, митохондриях и пластидах.

В
состав РНК входят также четыре нуклеотида: аденин (А), ура-цил (У), гуанин (Г)
и цитозин (Ц). Остаток сахара-пентозы в ней представлен рибозой. РНК — в
основном одноцепочечные молекулы. Выделяют три вида РНК: информационную (и-РНК),
транспортную (т-РНК) и рибосомальную (р-РНК).

• Строение
  тРНК
• Все
  они принимают активное участие в процессе реализации наследственной информации,
  которая с ДНК переписывается на и-РНК, а на последней осуществляется уже синтез
  белка, т-РНК в процессе синтеза белка приносит аминокислоты к рибосомам, р-РНК
  входит в состав самих рибосом.
• Список литературы
• Для
  подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://article-factory.ru/

Дата добавления: 02.05.2012

Химические элементы в организме человека их роль (Таблица)

В организме человека обнаружено 86 элементов периодической системы Менделеева, которые постоянно присутствуют, из них 25 необходимы для нормальной жизнедеятельности, 18 из которых абсолютно, а 7 полезны. Профессор В.Р. Вильямс назвал их элементами жизни.

В состав веществ, участвующих в реакциях, связанных с жизнью клетки, входят все известные химические элементы, большинство из них это кислород (65 – 75%), углерод (15 – 18%), водород (8 – 10%) и азот (1,5 – 3,0%). Остальные элементы делятся на 2 группы: макроэлементы (около 1,9%) и микроэлементы (около 0,1%).

Макроэлементы – это сера, фосфор, хлор, калии, натрий, магний, кальций и железо, к микроэлементам – цинк, медь, иод, фтор, марганец, селен, кобальт, молибден, стронций, никель, хром, ванадий и др. Микроэлементы хоть и малочислены, но играют важную роль – влияют на обмен веществ.

Без них невозможна нормальная жизнедеятельность каждой клетки в отдельности и организма как целого.

Таблица химические элементы в организме человека их роль

Элемент	Символ	Доля в общей массе %	Роль или функция элементов в организме человека
Кислород	O	65	Требуется для реакций окисления, в первую очередь для процесса дыхания. Присутствует в большинстве органических веществ и в воде.
Углерод	C	18	Формирует каркас молекул органических веществ.
Водород	H	10	Присутствует в большинстве органических соединений и в воде.
Азот	N	3	Компонент всех белков, нуклеиновых кислот и многих других органических веществ.
Кальций	Ca	1,5	Структурный компонент костей и зубов. Важен для проведения нервных импульсов через синапсы, процессов свертывания крови, сокращения мышц, оплодотворения.
Фосфор	P	1	Компонент нуклеиновых кислот, фосфолипидов, нуклеотидов, участвующих в переносе энергии. Структурный компонент костей.
Калий	K	0,4	Важнейший внутриклеточный катион. Необходим для проведения нервных импульсов. Компонент большинства белков.
Сера	S	0,3	Является энергетическим транспортом клетки, так как может переносить электроны кислорода и метильные группы. Обеспечивает защиту тканей и клеток от окислительных процессов.
Натрий	Na	0,2	Важнейший внеклеточный катион. Участвует в регуляции движения жидкости между отделами тела, а также в проведении нервных импульсов.
Магний	Mg	0,1	Кофактор ферментов (киназ).
Хлор	Cl	0,1	Важнейший анион интерстициальной жидкости. Также важен для поддержания осмотического баланса. Участвует в транспорте кислорода с кровью (хлоридное смещение).
Железо	Fe	следовые количества	Компонент гемоглобина и миоглобина. Переносчик электронов. Кофактор ферментов (каталаз).
Иод	I	следовые количества	Компонент тиреоидных гормонов.
Кобальт	Co	следовые количества	Компонент витамина В12
Прочие элементы, присутствующие в следовых количествах, включают марганец (Мn), медь (Сu), цинк (Zn), фтор (F), молибден (Mo) и селен (Se).

_______________

Источник информации: Биология человека в диаграммах / В.Р. Пикеринг — 2003.

Содержание химических элементов в клетке. Вода и другие неорганические вещества, их роль в жизнедеятельности клетки

Химическая
организация клетки:
80%
– вода.
1-2%
– липиды
1-2%
– неорганические вещества.
1-2%
– нуклеиновые кислоты.
1-1,5%
– низкомолекулярные вещества.
1-2%
– углеводы.
10-12%
– белки.
Химический состав
неорганических веществ клетки:

Кислород – 65-75 %	Магний – 0,02-0,03%	Цинк – 0,0003%
Углерод – 15-18%	Натрий – 0,02-0,03%	Медь – 0,0002%
Водород – 8-10%	Кальций – 0,04-2,00%	Йод – 0,0001%
Азот – 1,5-3.0%	Железо – 0,01-0,015%	Фтор – 0,0001%
Сера – 0,15-0,20%
Калий – 0,15-0,40%
Фосфор – 0,20-1,00%
Хлор – 0,05-0,10%

 Вода
– обязательный
компонент клетки. В ней растворены
многие вещества, в т.ч. органические
(гидрофильные – углеводы и гидрофобные
– белки). Вода необходима для работы
ферментов. Функции
воды:

1. Служит для протекания реакций. 

2. Участвует в химических реакциях 

3. Регулирует обмен веществ 

4. Участвует в терморегуляции 

5. Смачивание поступающей пищи.

Биологическая
роль воды определяется особенностью
ее молекулярной структуры.

  Осмос
– проникновение
молекул растворителя через полупроницаемую
мембрану из раствора с меньшей
концентрацией в раствор с большей
концентрацией.

Давление воды, с которой
она давит на мембрану – осмотическое
давление. Растворы, имеющие одинаковое
осмотическое давление называются
изотоническими. Растворы:

1. Гипертонические – вызывают сморщивание клеток 

2. Гипотонические – вызывают разрыв клеток 

Тургор
– давление,
с которым вода давит изнутри на
оболочку. Соли:
К
неорганическим веществам кроме воды
относятся и соли. Они находятся в
диссоциироранном состоянии: Na+ ,
K+,
Ca2+,
Mg2+ – катионы и
HPO42-,
H2PO4-,
HCO3- – анионы.

От концентрации солей зависит осмотическое
давление и ее буферные свойства, т.е.
поддерживать реакцию на слабощелочном
или нейтральном уровне РН.
РН
– отрицательный логарифм концентрации
водородных ионов.
РН
= 7 – среда нейтральная.
РН
= (7;14) – щелочная среда.
РН
= (1;7) – кислая среда.

В
некоторых клетках находятся нерастворимые
минеральные соли (костные клетки) за
счет присутствия Ca3PO4,
CaCO3. 

Липиды
– сложные
эфиры высокомолекулярных жирных кислот
и трехатомного спирта глицерина. Липиды
содержатся во всех клетках животных и
растений. Они входят в состав многих
клеточных структур. Витамины А, D, E, К –
являются жирорастворимыми. Функции
жиров:

1. Энергетическая – 1г. жира – 9,2 ккал. 

2. Строительная – входит в состав всех мембран. 

3. Некоторые липиды являются предшественниками гормонов – регулируют обмен веществ. 

4. Защитная. 

5. Терморегуляторная.

Аденозинтрифосфорная
кислота (АТФ)
АТФ
обеспечивает клетку энергией. Любое
проявление жизнедеятельности нуждается
в затрате энергии. Энергетический обмен
связан с пластическим. Все реакции
пластического обмена нуждаются в затрате
энергии.

Для осуществления реакций
энергетического обмена необходим
постоянный синтез ферментов, т.к.
продолжительность жизни ферментов
невелика. Через пластический и
энергетический обмен осуществляется
связь клетки с внешней средой.

Живая
клетка представляет собой открытую
систему, т.к. между клеткой и внешней
средой постоянно происходит обмен
веществ и энергией. Клетка
– высокоорганизованная структура, в
которой экономно расходуется материалы
и энергия и процессы идут с высоким КПД.

КПД митохондрий – 45-60%, хлоропластов –
25%. Использование
энергии АТФ:

1. Ассимиляция. 

2. Транспорт веществ. 

3. Деление клетки и ее органоидов. 

4. На процессы жизнедеятельности.

Углеводы
– органические
вещества с общей формулой (CH2O)n.
В живой клетке – 1-2%, в печени и мышцах –
до 5%. В растительной клетке до 90%
(картофель, семена). Углеводы:

1. Простые – моносахариды – определяются по числу атомов углерода: триозы, тетрозы, пентозы, гексозы. Наиболее важны: пентозы C5H10O5 и гексозы C6H12O6. Из петоз выделяют рибозы и дезоксирибозы (рибозы входят в состав РНК, АТФ; дезоксирибозы – ДНК). Из гексоз выделяют глюкозу, фруктозу, галактозу. 

2. Сложные – дисахариды, полисахариды.

Дисахариды –
сахароза (глюкоза + фруктоза), лактоза
(глюкоза + галактоза). Подисахариды –
состоят из множества молекул моносахаридов:
целлюлоза (полимер из 150-200 молекул
глюкозы), крахмал. Функции
углеводов:

1. Энергетическая – окисление в митохондриях мышц. 

2. Строительная – целлюлоза в клеточной стенки растений, хитин в скелете членистоногих.

Белки
– входят
в состав всех организмов. По химической
природе – белки – полимеры, мономеры
которых – аминокислоты. Аминокислота
– органическая кислота. Состав
аминокислоты:

1. Аминогруппа – NH2 

2. Карбоксильная группа – СООН

Аминогруппа
в цепи белка соединена пептидной связью
(CO-NH), образована карбоксильной группой
и группой другой аминокислоты.

Живыми
организмами используется только 20
аминокислот, хотя существует их
значительно больше: глицин, аланин,
валин, лейцин, изолейцин, серин, треонин,
аспарагиновая кислота, глутаминовая
кислота, аспарагин, глутамин, лизин,
аргинин, цистеин, метионин, фенилаланин,
тирозин, триптофан, гистидин,
пролин.

Различают
4структуры белка: Первичная
структура – аминокислотная
цепь, связанная между собой пептидными
связями. Вторичная
структура – белковая
нить закручена в спираль и соединение
участков цепи происходит за счет
водородных связей (Н-Н). Третичная
структура – сворачивание
вторичной структуры в клубок.

Эта
структура специфическая для каждой
молекулы белка. Сворачивание происходит
за счет дисульфидных мостиков (-S-S-), и
сульфгидрильных мостиков
(-S-H-). Четвертичная
структура – имеется
не у всех белков – объединение нескольких
структур (субъединиц). Например:
гемоглобин. По
своему составу белки бывают:

1. Простые – состоят только из аминокислот 

2. Сложные – содержат нуклеиновые кислоты (нуклеопротеиды), жиры (липопротеиды), углеводы (гликопротеиды), металлы (металлопротеиды).

Функции
белков:

1. Строительная (мембраны, ядро). 

2. Транспортная (перенос О2 гемоглобином). 

3. Ферментативная (ускорение биохимических реакций). 

4. Двигательная (сократительная). 

5. Защитная (гаммаглобулины). 

6. Энергетическая (1г. – 4,2 ккал). 

7. Сигнальная.

Нарушение
природной структуры белка
называется денатурацией. Денатурация
бывает обратимой и необратимой. Ренатурация
–восстановление
структуры белка после прекращения
воздействия. 4.

 Ферменты,
их роль в процессе жизнедеятельности.  По
химической природе ферменты – белки.
Ферменты – биологические катализаторы.
Они способствуют ускорению реакций,
входят в состав тканей.

Ферменты
специфически катализируют химические
реакции, т.е. 1 фермент катализирует 1
тип реакций. И превращает лишь в
соответствующий субстрат. Ферменты в
основном катализируют превращение
веществ, размеры которых по сравнению
с размерами фермента очень малы. Ферменты
бывают:

 Простые
– состоят
только из белка, молекулы которых имеют
активный центр – определенную,
специфическую для фермента группу
аминокислот в молекуле. В основном это
гидролитические ферменты: амилаза,
пепсин, трипсин и др. Сложные
– состоят
из белковой и небелковой части. Белок
называется апоферментом (носителем
фермента).

Небелковая часть – коферментом
или простатической группой: пример –
органические вещества: витамины, НАД,
НАДФ; неорганические вещества: атомы
металлов – железо, цинк, магний. Апофетмент
отвечает за специфичность молекулы
фермента с молекулой субстрата. Кофермент
отвечает за тип катализируемой
реакции. Механизм
действия ферментов: Снижение
энергии активации, т.

е. снижение уровня
энергии, необходимой для придания
реакционной способности молекулы
субстрата т.к. молекула фермента имеет
большую величину, то возникает сильное
электрическое поле, в которой молекула
субстрата становится асимметричной, в
результате чего химические связи в ней
ослабевают. Фермент
образует с субстратом фермент-субстратный
комплекс.

Присоединение субстрата
происходит с помощью активного центра.
По завершению реакции комплекс распадается
на фермент и продукт реакции. Ферменты
образуют в клетке ферментные системы
(мультиферментативные комплексы). При
этом продукт предыдущей реакции является
субстратом для последующей.

Активность
ферментов в клетках контролируется на
генетическом уровне по принципу обратной
связи. Свойства
ферментов:

1. Специфичны 

2. В отличие от химических катализаторов – ускоряют реакции в обычных условиях. 

3. Активность ферментов меняется в зависимости от Т0, РН, концентрации субстрата. 

4. Активируют в малых количествах, т.е. не разрушаются в процессе реакций 

5. Ферменты – белки и имеют свойства белков.

Классификация
ферментов: В
1961 году Международный биохимический
съезд утвердил классификацию ферментов,
в основу которого положен тип реакции,
катализируемый данным ферментом. По
этому принципу все ферменты разделены
на 6 классов:

1. Оксидоредуктазы – ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. 

2. Трансферазы – катализирующие перенос атомов или радикалов: пример – каталаза – 2Н2О2 = 2Н2О + О2 

3. Гидролазы – ферменты разрывающие внутримолекулярные связи путем присоединения молекул воды: например – фосфатаза. 

4. Лиазы – Ферменты, отщепляющие от субстрата ту или иную группу негидролитическим путем, например, отщепление карбоксильной группы декарбоксилазой. 

5. Изомеразы – ферменты, катализирующие превращение одного изомера в другой: глюкозо-6-фосфат в глюкозо-1-фосфат. 

6. Синтеазы – ферменты, катализирующие реакции синтеза, синтез пептидов из аминокислот, т.е. катализируют реакции соединения молекул с образование новых связей.