Биология

Урок 5: Химический состав клетки

Особенности химического состава клетки

Химический состав клеточных структур во многом сходен, что доказывает единство живого мира. В организме можно обнаружить фактически все элементы таблицы Менделеева Д.И. В этом уроке познакомимся с химическим составом клеточных структур. Выявим, каково содержание важных веществ в клетке, какую роль они выполняют.

План урока:

Неорганические вещества, их роль в клетке

Органические вещества, их роль в клетке

Строение и функции белков

Нуклеиновые кислоты. АТФ

 

Неорганические вещества, их роль в клетке

Всякий организм содержит определенный набор химических элементов, количество которых неодинаково. Познакомимся на схеме с классификацией элементов.

1 himicheskie elementy kletki

Из схемы видно, что самое большое количество в клетке приходится на макроэлементы. Все они имеют огромное значение для нормальной работы организма. Макроэлементы представлены следующими химическими элементами: кислородом (75%), углеродом (15%), водородом (8%), азотом (3%). Они являются основой жизни на всей планете.

Микроэлементы в организме представлены в небольшом количестве. Однако, они также выполняют свою роль в организме. Микроэлементы входят в состав ферментов и гормонов, содержатся в тканях, принимают участие в процессах обмена веществ.

2 soderzhanie himicheskih elementov v organizme

Все химические элементы составляют вещества, которые представлены двумя группами. Познакомимся с ними на схеме.

3 himicheskie veschestva kletki

Остановимся подробнее на неорганических веществах.

В численном отношении первое место среди неорганических веществ клетки принадлежит воде. Ее содержание колеблется в зависимости от вида организма, условий его местообитания, типа клеток и их функционального состояния. В общем содержание воды в клетке составляет от 40% до 95%.

4 soderzhanie vody v zhivyh organizmah

Причем с возрастом количество воды в клетках любого организма заметно снижается. Соответственно, чем выше функциональная активность клеток и организма в целом, тем больше содержание в них воды, и наоборот.

5 soderazhanie vody v organizme cheloveka

Наличие воды – обязательное условие жизненной активности клетки. Она составляет основную часть цитоплазмы, поддерживает ее структуру. Роль воды определяется ее физическими и химическими свойствами.

Рассмотрим основные свойства воды:

  1. Данное вещество считается хорошим растворителем. По отношению к воде все вещества делятся на две группы: гидрофильные и гидрофобные.

6 gruppy veschestv

Гидрофильные вещества имеют хорошую растворимость, так как состоят из частиц, способных при растворении отделяться друг от друга. С такими соединениями вы знакомились в курсе химии 9 класса, их называют ионные.

К ним относят такие классы неорганических соединений как соли, щелочи, кислоты и некоторые другие вещества.

В растворе молекулы или ионы данных соединений имеют возможность быстро передвигаться, что обеспечивает их высокую реакционную способность. При этом вода выполняет в клетке роль среды, в которой осуществляются химические реакции.

Гидрофобные вещества плохо либо вообще не растворимы в воде. К ним относят липиды, нуклеиновые кислоты, кое-какие углеводы, а также белки.

  1. Вода как вещество, обладает физическими свойствами. Для нее характерна высокая теплоемкость, при существенном увеличении тепловой энергии происходит небольшое повышение ее температуры. Данное свойство воды способствует защите тканей живых организмов от перегревания или переохлаждения. Это проявляется, к примеру, в потоотделении у животных, при испарении у растений.

7 isparenie vody rastenijami

  1. Немаловажным свойством воды является ее высокая теплопроводность. Благодаря этому тепло равномерно распределяется по всему организму, а не сосредоточивается в одном месте. Таким образом, основной функцией воды в клетке считается поддержание оптимального теплового режима.
  1. Вода является основным источником кислорода и водорода, необходимых для протекания процессов фотосинтеза у растений.
  1. Еще одним свойством воды является поверхностное натяжение. Молекулы воды сцепляются между собой с определенной силой и создают на поверхности пленку. Данное свойство обеспечивает движение крови в организме человека и животных, а также минеральных веществ у растений. Как же это происходит? Вот представьте себе, что два человека тянут канат. Каждый тянет его в свою сторону. Так и здесь. Силы, которыми связаны молекулы воды, тянут поверхность в разные стороны. Благодаря этому и происходит транспорт веществ в живом организме.

8 poverhnostnoe natjazhenie vody

Значительную роль в организме играет и еще одна группа неорганических веществ – минеральные соли.

Все минеральные вещества могут быть в виде ионов или твердом состоянии. К примеру, цитоплазма содержит соли кальция, фосфора, кремния. Эти элементы используются для формирования опорных структур клетки – раковины моллюсков, хитиновый покров членистоногих.

9 hitinovyj pokrov
Хитиновый покров жука носорога

Минеральные вещества в организме распадаются на ионы: катионы и анионы. Они поддерживают кислотно-щелочной баланс цитоплазмы, обеспечивают тургор[1] клеточных оболочек, оказывают влияние на возбудимость нервной и мышечной ткани, активируют ферменты.

10 mineralnye soli

 

Органические вещества, их роль в клетке

Основу жизни на планете составляют органические вещества. Они представлены белками, жирами, углеводами, а также нуклеиновыми кислотами.

11 organicheskie veschestva kletki

Первостепенной группой органических веществ организма считаются углеводы. Клетка животных содержит углеводов 1,5-2%, в клетке растений их количество достигает 86-91%.

Познакомимся с группами углеводов на рисунке.

12 uglevody

Состав моносахаридов представлен тремя или более атомами углерода. Примером этой группы могут считаться глюкоза, фруктоза, рибоза, а также дезоксирибоза. Все моносахариды – это бесцветные кристаллические вещества со сладким вкусом, имеют хорошую растворимость.

13 monosaharidy

Как большинство углеводов, моносахариды снабжают организм энергией, а также принимают участие в синтезе веществ. Рибоза и дезоксирибоза являются составными компонентами нуклеиновых кислот и АТФ.

Моносахаридом является и глюкоза, которая считается составной частью полисахаридов – крахмала, целлюлозы, гликогена. Фруктоза же входит в состав олигосахаридов, к примеру, сахарозы.

Соответственно, углеводы, образованные двумя и более моносахаридами получили название олигосахаридов, примерами которых считаются сахароза (тростниковый сахар), мальтоза (солодовый сахар), лактоза (молочный сахар).

Свойствами олигосахариды схожи с моносахаридами. К примеру, они имеют хорошую растворимость, а также сладкий вкус. С ростом числа мономеров в составе, растворимость олигосахаридов снижается, теряется сладкий вкус.

14 oligosaharidy

Полисахариды образуются большим количеством моносахаридов, соединенных ковалентными связями. Полисахаридами являются крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин. Полисахариды как вещества обладают сладким вкусом, а также отличной растворимостью. Однако, с возрастанием числа мономеров эти свойства ослабевают.

15 polisaharidy

В живых организмах углеводы выполняют следующие функции:

  1. Энергетическая функция - углеводы снабжают клетку энергией, которая образуется при их распаде.
  2. Запасающая функция – избыточное содержание углеводов приводит к их накоплению в клетке. Данный запас может быть использован организмом для получения энергии, в случае ее нехватки.
  3. Строительная функция – углеводы составляют основу оболочек клетки. К примеру, целлюлоза считается составной частью клеточных стенок растений. Хитин же составляет клеточные оболочки грибов и наружный скелет некоторых животных.

Липиды включают в себя большую группу жиров и подобных им веществ. По физическим свойствам они являются гидрофобными веществами, то есть не растворяются в воде.

Содержание этих веществ различается, посмотрим на рисунке.

16 lipidy

Строение липидов отличается, поэтому чаще всего различают две группы: простые и сложные.

Простыми липидами считаются нейтральные жиры, состав которых представлен остатками жирных кислот, молекулой глицерина. Данные соединения при комнатной температуре бывают твердыми и жидкими. Твердые нейтральные жиры чаще всего характерны для животных и встречаются у обитателей северных широт. Жидкие липиды или масла содержатся в клетках растений, например, у подсолнечника, облепихи, оливок.

17 nejtralnye zhiry

К простым липидам, помимо нейтральных жиров, принадлежат также и воска.

Представляют они собой сложные эфиры, состоящие из жирных кислот, а также многоатомных спиртов. Данная группа липидов выполняет в организме защитную функцию, предохраняя от внешнего воздействия различные органы. Восковой слой встречается у животных на коже, шерсти, перьях, а у растений – на листьях, стебле, плодах.

18 pchelinyj vosk
Пчелиный воск

Сложные липиды образованы простыми жирами, которые формируют комплексы с иными веществами. К примеру, в фосфолипидах содержатся простые липиды, а также остаток фосфорной кислоты.

Данная группа жиров имеет большое значение в организме. Фосфолипиды считаются основной составляющей клеточных мембран, осуществляя защитную функцию. В организме они не вырабатываются, поступают только с пищей, поэтому фосфолипиды являются незаменимыми соединениями.

19 slozhnye lipidy

Липиды выполняют важные функции в организме. Рассмотрим их.

  1. Энергетическая функция считается первостепенной у липидов. Их распад сопровождается освобождением энергии, в количественном отношении в 2 раза большей, чем выделяется при распаде углеводов, а также белков. Соответственно, 30% всей энергии, необходимой организму, поставляется именно жирами.
  1. Липиды откладываются у живых организмов как запасающее вещество. В течении жизни они могут расходоваться при недостатке энергии или воды. Распад 100г жира освобождает 105г воды. Эта жидкость необходима для некоторых жителей пустыни, например верблюдам. Многие знают, что это животное способно обходиться без воды10-12 дней. Источником воды как раз является жир, который накапливается в горбу верблюда.

20 verbljudy
Верблюды

  1. Липиды обладают невысокой теплопроводностью, поэтому исполняют защитную функцию в клетке.Благодаря жировой прослойке некоторые виды животных приспособились к холодному климату. Этот слой жира препятствует охлаждению организма.

21 morzh
Морж

  1. Также липиды осуществляют строительную функцию. К примеру, фосфолипиды являются компонентами клеточных мембран.

 

Строение и функции белков

Белки считаются сложными органическими соединениями, в составе которых преобладают аминокислоты. В жизни всех организмов эти вещества имеют первостепенное значение, поэтому их содержание составляет 50-80%.

Структурными единицами белков считаются аминокислоты, соединяющиеся в цепочки. Молекулы данных соединений представляет длинную цепь, состоящую из 50-1500 аминокислот скрепленных пептидной связью.

22 obrazovanie peptidnoj svjazi v molekule belka

Аминокислоты выстраиваются в определенной последовательности, образуя полипептидную цепочку белка. Причем не всегда это просто цепочка, часто белки образуют различные конфигурации в пространстве. Поэтому принято выделять несколько уровней организации белковой молекулы.

23 urovni organizacii belkovoj molekuly

Последовательная линейная цепочка аминокислот белковой молекулы является простейшим уровнем организации, названная первичной структурой. Она специфична для каждого белка, определяет его свойства, а также функции.

  1. Вторичный уровень организации представлен спирально закрученной цепочкой белковой молекулы. Витки спирали скрепляются водородными связями.
  2. Вследствие дальнейшей укладки спирали образуется специфичная для всякого белка конфигурация, называемая третичной структурой. Прочность обеспечивается водородными, ионными и гидрофобными взаимодействиями.
  3. Четвертичная структура образуется при объединении отдельных молекул белка в единую систему. Такой уровень организации структуры белковой молекулы можно наблюдать у гемоглобина. Причем только при таком сложном строении молекула этого белка способна реализовывать транспорт кислорода.

24 gemoglobin

Под влиянием различных факторов происходит трансформация структуры белка вследствие разрыва связей. Такой процесс получил обозначение денатурация белка.

25 denaturacija belka

Денатурацию белка способны вызывать различные физические, а также химические факторы, к примеру, температура, облучение, влияние химических веществ. Причем денатурация структуры белка способна быть обратимой, а может, и нет.

26 denaturacija belka

По своему составу и строению белки различаются. Познакомимся с классификацией белков. Часто их делят на две группы: простые и сложные белки или протеины и протеиды.

В состав простых белков входят только аминокислоты. К ним относятся альбумины (сыворотка крови), глобулины (фибриноген крови), гистоны (составные компоненты гемоглобина).

В сложные белки помимо аминокислот входят и некоторые иные соединения – углеводы, липиды. Сложными белками являются фосфопротеины (казеин молока), гликопротеины (плазма крови).

Белки выполняют в клетке ряд значительных функций.

27 funkcii belkov

Остановимся на них подробнее.

  1. Эти соединения называют «кирпичиками» нашего организма. Они осуществляют строительную функцию. Белки входят в состав клеточных мембран, а также органоидов клетки. Стенки кровеносных сосудов, хрящи и сухожилия также состоят из них.
  1. Двигательная функция обеспечивается особыми сократительными белками, благодаря которым осуществляется движение ресничек, жгутиков, сокращение мускулатуры.
  1. Белки выполняют транспортную функцию благодаря своей способности связывать и переносить с током крови химические соединения. Здесь стоит упомянуть гемоглобин, с помощью которого происходит транспорт кислорода ко всем органам и тканям.
  1. Следует отметить и защитную функцию белков в клетке. При проникновении в клетку чужеродных веществ происходит выработка особых белков – иммуноглобулинов или антител, которые их нейтрализуют.
  2. Белкам, входящим в состав клеточной мембраны, присуща сигнальная функция. На оболочку оказывает воздействие какой-либо фактор и белок изменяет свою структуру, тем самым отправляя сигнал в клетку.
  3. Гормоны в нашем организме имеют белковую природу и выполняют регуляторную функцию. Их основная задача поддерживать постоянство внутренней среды организма. Каталитическую функцию выполняют многочисленные ферменты из числа протеинов и протеидов.
  4. Белки способны осуществлять энергетическую функцию – распад 1 г белка сопровождается выделением приблизительно 18 кДж энергии.

В природе существует значительное число белков, которые отличаются по строению и функциям. Между тем, роль белков огромна для организмов, они считаются основой жизни на планете.

 

Нуклеиновые кислоты. АТФ

Нуклеиновые кислоты – биополимеры, способствующие хранению и передаче наследственных данных.

Макромолекулы нуклеиновых кислот выявлены в 1869г швейцарским ученым Ф. Мишером в лейкоцитах, содержащихся в гное. Затем данные соединения найдены в клетках абсолютно всех существ.

Как и белки, нуклеиновые кислоты считаются биополимерами. Их мономером стал нуклеотид, строение его представлено на рисунке.

28 stroenie nekuleotida

Мономеры соединяются и образуют полинуклеотидную цепь за счет ковалентных связей, появляющихся между углеводом одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого.

Имеется 2 типа нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). Отличия в наименованиях говорят о разном строении: молекула ДНК включает углевод дезоксирибозу, а молекула РНК – рибозу.

Познакомимся со строением ДНК и РНК на рисунке.

29 nukleinovye kisloty

Наиболее сложное строение наблюдается у молекулы ДНК, представляющей конфигурацию из двух цепочек, скрученных спирально.

Выделяют 4 типа разнообразных нуклеотидов в молекуле ДНК, но из-за различной их очередности в цепи достигается колоссальное обилие нуклеиновых кислот.

Соединяются 2 полинуклеотидные цепи в одну молекулу при помощи водородных связей, возникающих между азотистыми основаниями. Рассмотрим принцип их объединения на рисунке.

30 princip komplimentarnosti

Благодаря особенностям строения протяженность молекулы ДНК может достигать сотен тысяч нанометров, что намного больше самой крупной молекулы белка. В клетке ДНК содержится в ядре, где входит в состав хромосом, а также есть в митохондриях и пластидах. Основной функцией ДНК считается хранение наследственной информации.

Строение РНК более простое –молекула представлена одной цепью нуклеотидов, закрученной в спираль. Различают три типа РНК.

31 tipy rnk

  • Информационной РНК насчитывается приблизительно 6%. Основной функцией информационной РНК является перенос информации к рибосомам, где она используется для образования белка.
  • Транспортная РНК образуется в ядрышках, затем перемещается в цитоплазму, где доставляет аминокислоты на рибосомы. Ее находится в клетке 10%. Всякой аминокислоте подходит своя молекула транспортной РНК.
  • Больше всего в клетке имеется рибосомных РНК – 85%. Они синтезируются в ядрышках, а затем связываются с белками, создавая рибосомы. Функция рибосомной РНК: запускать и прекращать процесс присоединения аминокислот при образовании белка.

В любой клетке содержатся такие органические соединения как аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Молекула АТФ снабжает энергией большинство реакций, с ее помощью клетка движется, осуществляется синтез веществ.

32 atf

Любое вещество играет конкретную роль в протекании жизненных процессов. Нехватка какого-либо вещества способно приводить к нарушению данных процессов. Чтобы этого не происходило, организм приспособился самостоятельно поддерживать постоянство состава своей внутренней среды. Обеспечивается это с помощью нервной и гуморальной регуляции организма. Вспомнить, как осуществляются эти процессы, вы можете, обратившись к уроку Организм как единое целое.

 

Словарь

Тургор – напряженное состояние клеточных оболочек, возникающее вследствие разного давления.

 

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Вопрос: 1
Содержание, каких элементов в клетке наибольшее?
1Микроэлементы
2Макроэлементы
3Ультрамикроэлементы
Ответить
2
Вопрос: 2
Какое вещество считается гидрофильным
1Жиры
2Воск
3Соли
4Каучук
Ответить
3
Вопрос: 3
Какие органические вещества в клетке содержатся в максимальном количестве?
1Белки
2Жиры
3Углеводы
4Нуклеиновые кислоты
Ответить
1
Вопрос: 4
Какой углевод относится к полисахаридам?
1Сахароза
2Глюкоза
3Лактоза
4Крахмал
Ответить
4
Вопрос: 5
Что является мономером белков?
1Нуклеотид
2Липиды
3Аминокислоты
4АТФ
Ответить
3
Вопрос: 6
Содержание, какого типа РНК составляет в клетке 85%?
1тРНК
2иРНК
3рРНК
Ответить
3
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

Содержание, каких элементов в клетке наибольшее?
1) Микроэлементы 2) Макроэлементы 3) Ультрамикроэлементы
2 вопрос:

Какое вещество считается гидрофильным
1) Жиры 2) Воск 3) Соли 4) Каучук
3 вопрос:

Какие органические вещества в клетке содержатся в максимальном количестве?
1) Белки 2) Жиры 3) Углеводы 4) Нуклеиновые кислоты
4 вопрос:

Какой углевод относится к полисахаридам?
1) Сахароза 2) Глюкоза 3) Лактоза 4) Крахмал
5 вопрос:

Что является мономером белков?
1) Нуклеотид 2) Липиды 3) Аминокислоты 4) АТФ
6 вопрос:

Содержание, какого типа РНК составляет в клетке 85%?
1) тРНК 2) иРНК 3) рРНК
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: Макроэлементы
2 вопрос: Соли
3 вопрос: Белки
4 вопрос: Крахмал
5 вопрос: Аминокислоты
6 вопрос: рРНК