Лекция.Химический состав клетки

Тема: Неорганические соединения клетки.

1. Признаки и уровни организации жизни.

– Многообразие:

Империя Доклеточные: Царство Вирусы.

Империя Клеточные:

Надцарство Прокариоты: архебактерии, эубактерии, синезеленые;

Надцарство Эукариоты: Царства Растений, Животных, Грибов.

– Признаки живых организмов: 1) размножение; 2) обмен веществ и энергии; 2) возбудимость; 3) важнейшие биополимеры – НК и белки; 4) адаптированность в результате эволюции; 5) специализация от молекул до органов и высокая степень организации.

– Уровни организации: 1) молекулярный; 2) клеточный; 3) тканевой; 4) органный; 5) организменный; 6) популяционно-видовой; 7) биогеоценотический; 8) биосферный.

– Методы: наблюдение, сравнение, эксперимент.

2. Химические элементы и соединения клетки.

Элементы. В клетках более 80 элементов, для 24 известны функции, которые они выполняют, это биогенные элементы.

I группа (98% от массы) – О, С, Н, N.

II группа (1,9%) – К, Na, Ca, Mg, S, P, Cl, Fe.

III группа – микроэлементы (иод, медь, цинк …).

I и II группы – макроэлементы.

Химические соединения:

Неорганические Органические

Вода, соли

Характеристика воды:

1. Основа внутренней и внутриклеточной среды.

2. Вода – растворитель для полярных, гидрофильных веществ: ионных соединений – солей; сахаров и спиртов, имеющих ОН-группы. Гидратирует полярные молекулы. Гидрофобные вещества – нерастворимые в воде.

3. Выполняет транспортную функцию у животных (?), у растений (?).

4. Вода – реагент. Участвует в реакциях гидролиза, а также как метаболит (реакции фотосинтеза).

5. Участвует в терморегуляции, т.к. испарение сопровождается охлаждением.

6. Большая теплоемкость и высокая теплопроводность сглаживают резкие колебания t˚ внешней среды. Максимальная плотность при +4˚С.

Значение солей:

Важнейшие катионы: К⁺,Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺????

На внутренней поверхности мембраны клеток всегда меньше натрия и больше калия, отвечающих за возбудимость.

Важнейшие анионы: H₂PO₄^-, Cl^-, HCO₃^-.

Обеспечивают буферные свойства внутренней среды. Буферность – способность поддерживать определенную концентрацию водородных ионов

Фосфатная буферная система:

_{Низкий pH}

НРО₄^2- + Н⁺ H₂PO₄^-

Гидрофосфат – ион ^{Высокий pH} Дигидрофосфат – ион

Химический состав клетки

1. Химические элементы клетки.

Все клетки, независимо от уровня организации, сходны по химическому составу. В клетке содержится несколько тысяч веществ, которые участвуют в разнообразных химических реакциях. В живых организмах обнаружено около 80 химических элементов периодической системы Д.И.Менделеева. По количественному содержанию в живом веществе элементы делятся на три категории:

Макроэлементы:

O, C, H, N — около 98% от массы клетки, элементы 1-ой группы;

K, Na, Ca, Mg, S, P, Cl, Fe — элементы 2-ой группы. (1,9% массы клетки). Они составляют основную массу живого вещества клетки.

Микроэлементы ( Zn, Mn, Cu, Co, Mo и многие другие), доля которых составляет от 0,001% до 0,000001. Микроэлементы входят в состав биологически активных веществ — ферментов, витаминов и гормонов.

Ультрамикроэлементы (Au, U, Ra и др.), концентрация которых не превышает 0,000001%. Роль большинства элементов этой группы до сих пор не выяснена.

Макро- и микроэлементы присутствуют в живой материи в виде разнообразных химических соединений, которые подразделяются на неорганические и органические вещества.

2. Неорганические соединения клетки.

К неорганическим веществам относятся: вода, составляющая примерно 70-80% массы организма; минеральные вещества — 1-1,5%.

Вода. Самое распространенное в живых организмах неорганическое соединение. Ее содержание колеблется в широких пределах: в клетках эмали зубов вода составляет по массе около 10%, а в клетках развивающегося зародыша — более 90%.

Без воды жизнь невозможна. Она не только обязательный компонент живых клеток, но и среда обитания организмов. Биологическое значение воды основано на ее химических и физических свойствах.

Химические и физические свойства воды объясняются, прежде всего, малыми размерами молекул воды, их полярностью и способностью соединяться друг с другом водородными связями. В молекуле воды один атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода. Молекула полярна: кислородный атом несет небольшой отрицательный заряд, а два водородных — небольшие положительные заряды. Это делает молекулу воды диполем. Поэтому при взаимодействии молекул воды друг с другом между ними устанавливаются водородные связи. Они в 15—20 раз слабее ковалентной, но, поскольку каждая молекула воды способна образовывать 4 водородные связи, они существенно влияют на физические свойства воды. Большая теплоемкость, теплота плавления и теплота парообразования объясняются тем, что большая часть поглощаемого водой тепла расходуется на разрыв водородных связей между ее молекулами. Вода обладает высокой теплопроводностью. Вода практически не сжимается, прозрачна в видимом участке спектра. Наконец, вода —вещество, плотность которого в жидком состоянии больше, чем в твердом, при 4ºС у нее максимальная плотность, у льда плотность меньше, он поднимается на поверхность и защищает водоем от промерзания.

Физические и химические свойства делают ее уникальной жидкостью и определяют ее биологическое значение. Вода — хороший растворитель ионных (полярных), а также некоторых не ионных соединений, в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы. Любые полярные соединения в воде гидратируются (окружаются молекулами воды), при этом молекулы воды участвуют в образовании структуры молекул органических веществ. Если энергия притяжения молекул воды к молекулам какого-либо вещества больше, чем энергия притяжения между молекулами вещества, то вещество растворяется. По отношению к воде различают: гидрофильные вещества — вещества, хорошо растворимые в воде; гидрофобные вещества — вещества, практически нерастворимые в воде. Большинство биохимических реакций может идти только в водном растворе; многие вещества поступают в клетку и выводятся из нее в водном растворе. Большая теплоемкость и теплопроводность воды способствуют равномерному распределению тепла в клетке.

Благодаря большой потери тепла при испарении воды, происходит охлаждение организма. Благодаря силам адгезии и когезии, вода способна подниматься по капиллярам (один из факторов, обеспечивающих движение воды в сосудах растений). Вода является непосредственным участником многих химических реакций (гидролитическое расщепление белков, углеводов, жиров и др.). Определяет напряженное состояние клеточных стенок (тургор), а также выполняет опорную функцию (гидростатический скелет, например, у круглых червей).

Минеральные вещества клетки. В основном представлены солями, которые диссоциируют на анионы и катионы. Для процессов жизнедеятельности клетки наиболее важны катионы К⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, анионы HPO₄^2-, Cl^-, HCO₃^-. Концентрации ионов в клетке и окружающей ее среде различны. Например, во внешней среде (плазме крови, морской воде) K⁺ всегда меньше, а Na⁺ всегда больше, чем в клетке. Существует ряд механизмов, позволяющих клетке поддерживать определенное соотношение ионов в протопласте и внешней среде.

Различные ионы принимают участие во многих процессах жизнедеятельности клетки: катионы К⁺, Na⁺, Cl^- обеспечивают возбудимость живых организмов; катионы Mg²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺, Ca²⁺ и др. необходимы для нормального функционирования многих ферментов; образование углеводов в процессе фотосинтеза невозможно без Mg²⁺ (составная часть хлорофилла); буферные свойства клетки (поддержание слабощелочной реакции содержимого клетки) поддерживается анионами слабых кислот (НСО₃^-, НРО₄^-) и слабыми кислотами (Н₂СО₃);

Фосфатная буферная система:

_{Низкий pH Высокий pH}

НРО₄^2- + Н⁺ ←―――――――→H₂PO₄^-

Гидрофосфат — ион Дигидрофосфат — ион

Бикарбонатная буферная система:

_{Низкий pH Высокий pH}

НСО₃^- + Н⁺ ←―――――――→ H₂СO₃

Гидрокарбонат — ион Угольная кислота

Некоторые неорганические вещества содержатся в клетке не только в растворенном, но и в твердом состоянии. Например, Са и Р содержатся в костной ткани, в раковинах моллюсков в виде двойных углекислых и фосфорнокислых солей.

Письменная работа с карточками на 10 мин:

1. Биологически важные химические элементы.

2. Значение для клетки химических элементов.

3. Какие ионы содержатся в клетке? Их биологическая роль?

4. Вода и ее роль для живых организмов.

Карточка у доски:

1. Какие элементы относятся к элементам 1-й группы?

2. Какие элементы относятся к элементам 2-й группы?

3. Как заряжен кислород и атомы водорода в молекуле воды?

4. Какие связи удерживают молекулы воды друг около друга?

5. При какой температуре вода имеет максимальную плотность?

6. Каково соотношение ионов натрия и калия по обе стороны наружной клеточной мембраны?

7. В клетке поддерживается определенная концентрация водородных ионов, слабощелочная, почти нейтральная среда. Какие реакции поддерживают рН?

8. Верно ли утверждение: "Дигидрофосфат-ионы способны понизить рН клетки, превращаясь в гидрофосфат-ионы".

Тестовое задание:

**Тест 1. К империи Клеточные, надцарству Прокариоты относятся:

1. Вирусы.

2. Архебактерии.

3. Эубактерии.

4. Синезеленые.

**Тест 2. К империи Клеточные, надцарству Эукариоты относятся:

1. Вирусы. 5. Эубактерии.

2. Грибы. 6. Синезеленые.

3. Растения. 7. Животные.

4. Архебактерии.

**Тест 3. К элементам 1-й группы относятся:

1. Сера. 5. Водород.

2. Кислород. 6. Железо.

3. Углерод. 7. Азот.

4. Фосфор. 8. Кальций.

**Тест 4. Верные суждения:

1. Молекула воды не имеет заряда.

2. Молекула воды — диполь.

3. На кислороде в молекуле воды небольшой отрицательный заряд, на водороде — положительный.

4. На кислороде в молекуле воды небольшой положительный заряд, на водороде — отрицательный.

**Тест 5. Верные суждения:

1. Молекулы воды удерживаются друг около друга ковалентными связями.

2. Молекулы воды удерживаются друг около друга водородными связями.

3. Ковалентные связи прочнее в 15-20 раз водородных.

4. Водородные связи прочнее в 15-20 раз ковалентных.

Тест 6. Вода имеет максимальную плотность при:

1. 0ºС.

2. 4ºС.

3. 20ºС.

4. 25ºС.

Тест 7. Соотношение ионов натрия и калия по обе стороны наружной клеточной мембраны:

1. Снаружи клетки всегда больше калия и меньше натрия, чем внутри.

2. Снаружи клетки всегда больше натрия и меньше калия, чем внутри.

3. Натрия и калия снаружи клетки всегда больше, чем внутри.

4. Натрия и калия внутри клетки всегда больше, чем снаружи.

Тест 8. В клетке поддерживается определенная концентрация водородных ионов, слабощелочная, почти нейтральная среда. Поддерживают рН:

1. Реакции гидролиза.

2. Реакции гидратации.

3. Реакции конденсации.

4. Буферные реакции.

Тест 9. Утверждение: "Дигидрофосфат-ионы способны понизить рН клетки, превращаясь в гидрофосфат-ионы":

1. Верно.

2. Ошибочно.

**Тест 10. Верные суждения:

1. Жиры относятся к гидрофильным веществам.

2. Вода обладает большой теплоемкостью и теплопроводностью.

3. Щелочная среда — если водородных ионов много.

4. Вода принимает участие в образовании структуры молекул растворенных веществ.