Основные и неосновные вещества клетки. Неорганические вещества и их роль в клетке. Важность минеральных солей для клетки

В клетке содержится несколько тысяч веществ, которые участвуют в разнообразных химических реакциях. Химические процессы, протекающие в клетке, - одно из основных условий ее жизни, развития и функционирования.

Основные вещества клетки = Нуклеиновые кислоты + Белки + Жиры (липиды) + Углеводы + Вода + Кислород + Углекислый газ.

В неживой природе эти вещества нигде не встречаются вместе.
По количественному содержанию в живых системах все химические элементы подразделяются на три группы.

1. Макроэлементы . Основные или биогенные элементы, на их долю приходится более 95 % массы клеток клетки, входит в состав практически всех органических веществ клетки: углерод, кислород, водород, азот. А также жизненно важные элементы, количество которых составляет до 0,001% от массы тела - кальций, фосфор, сера, калий, хлор, натрий, магний и железо.

2. Микроэлементы - элементы, количество которых составляет от 0,001% до 0, 000001 % от массы тела: цинк, медь.

3. Ультрамикроэлементы - химические элементы, количество которых не превышает от 0,000001 % от массы тела. К ним относят золото, серебро оказывают бактерицидное воздействие, ртуть подавляет обратное всасывание воды в почечных канальцах, оказывая воздействие на ферменты. Так же сюда относят платину и цезий. Некоторые к этой группе относят и селен, при его недостатке развиваются раковые заболевания.

Химические вещества, входящие в состав клетки:

Неорганические- соединения, которые встречаются и в неживой природе: в минералах, природных водах;
- органические- химические соединения, в состав которых входят атомы углерода. Органические соединения чрезвычайно многообразны, но только четыре класса их имеют всеобщее биологическое значение: белки, липиды (жиры), углеводы, нуклеиновые кислоты, АТФ.

Неорганические соединения

Вода - одно из самых распространённых и важных веществ на земле. В воде растворяется больше веществ, чем в любой другой жидкости. Именно поэтому в водной среде клетки осуществляется множество химических реакций. Вода растворяет продукты обмена веществ и выводит их из клетки и организма в целом. Вода обладает высокой теплопроводностью, что создаёт возможность равномерного распределения теплоты между тканями тела.
Вода обладает большой теплоемкостью, т.е. способностью поглощать теплоту при минимальном изменении собственной температуры. Благодаря этому она предохраняет клетку от резких изменений температуры.

Минеральные соли находятся в клетке, как правило, в виде катионов (K+, Na+, Ca2+, Mg2+) и анионов (HPO42-, H2PO4-, Сl-, HCO3), соотношение которых определяет важную для жизнедеятельности клеток кислотность среды. (У многих клеток среда слабощелочная и ее pH почти не изменяется, так как в ней постоянно поддерживается определенное соотношение катионов и анионов.)

Органические соединения

Углеводы широко распространены в живых клетках. В состав молекулы углеводов входит углерод, водород и кислород.
К липидам относятся жиры, жироподобные вещества. В клетке при окислении жиров образуется большое количество энергии, которая используется на различные процессы. Жиры могут накапливаться в клетках и служить запасом энергии.

Белки - обязательная составная часть всех клеток. В состав этих биополимеров входят 20 типов мономеров. Такими мономерами являются аминокислоты. Образование линейных молекул белков происходит в результате соединения аминокислот друг с другом. Карбоксильная группа одной аминокислоты сближается с аминогруппой другой, и при отщеплении молекулы воды между аминокислотными остатками возникает прочная ковалентная связь, называемая пептидной. Соединение, состоящее из большого числа аминокислот, называется полипептидом. Каждый белок по составу является полипептидом.

Нуклеиновые кислоты. В клетках имеются два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота(ДНК) и рибонуклеиновая кислота(РНК). Нуклеиновые кислоты выполняют в клетке важнейшие биологические функции. В ДНК хранится наследственная информация обо всех свойствах клетки и организма в целом. Различные виды РНК принимают участие в реализации наследственной информации через синтез белка.

Особо важную роль в биоэнергетике клетки играет адениловый нуклеотид, к которому присоединены два остатка фосфорной кислоты – аденозинтри-фосфорная кислота(АТФ). Энергию АТФ все клетки используют для процессов биосинтеза, движения, производства тепла, нервных импульсов, то есть для всех процессов жизнедеятельности. АТФ - универсальный биологический аккумулятор энергии. Световая энергия Солнца и энергия, заключённая в потребляемой пище, запасаются в молекулах АТФ.

Любая клетка содержит не только органические вещества. В ее состав входит 70 элементов из таблицы Менделеева. А 24 из них содержатся в клетках любого типа. Неорганические вещества клетки также представлены водой и ионами.

Все элементы можно поделить на три группы в зависимости от их содержания:

• макроэлементы – N, C, H, O, Mg, Na, K, Ca, Fe, P, Cl, S;
• микроэлементы – B, Ni, Cu, Zn, Mb, Co;
• ультрамикроэлементы – U, Ra, Hg, Au, Pb, Se.

По другому способу классификации от этих групп отдельно выносят органоиды – вещества, необходимые для синтеза органики: вода, углерод, кислород и азот.

Значение воды

Вода – одно из самых важных неорганических веществ клетки. Ее необходимость для любого живого существа трудно переоценить, но мало кто знает обо всех ее функциях в клетке. Кратко рассмотрим их в связи с теми свойствами воды, которые позволяют ей выполнять свою роль.

1. Транспирация и потоотделение – высокая теплоемкость и хорошей теплопроводности.
2. Поддержание формы – воду практически невозможно сжать так, чтобы она изменила свой объем.
3. Смазывающие свойства – вязкость.
4. Осмос – подвижность молекул благодаря непрочности водородных связей внутри молекулы.
5. Лимфа, кровь, желудочный сок и прочие жидкости организма могут использовать растворенный в воде кислород – молекулы воды полярны, она хороший растворитель.
6. В цитоплазме поддерживается дисперсионная среда (одновременное существование в растворе двух и более фаз, не смешивающихся друг с другом) – образование гидратационных оболочек вокруг больших молекул, опять же благодаря полярности молекул воды.

Макроэлементы, микроэлементы и их роль в клетке

Рассмотрим некоторые функции элементов, чтобы понять, насколько они важны для клетки, хоть их содержание в ней невелико.

Магний – помогает многим ферментам участвовать в синтезе ДНК и энергетическом обмене.

Кальций – регулирует проницательность клеточных мембран.

Калий – участвует в синтезе белка и гликолизе, поддерживает необходимый биоэлектрический потенциал на мембране (посмотрите, как работает натрий-калиевый насос).

Сера – входит в состав некоторых аминокислот, помогает им создавать дисульфидные мостики (для образования третичной структуры белка), участвует в хемосинтезе и бактериальном фотосинтезе.

Железо – входит в состав ферментов-переносчиков электрона в системе фотосинтеза, является центром молекулы гемоглобина.

Хлор – его ионы помогают клетке оставаться электронейтральной.

Бром – является частью витамина В1.

Медь – входит в состав ферментов, которые участвуют в реакции синтеза цитохромов.

Цинк – содержится в ферментах, необходимых для спиртового брожения.

И это еще не все неорганические вещества клетки. Очень важно поддерживать концентрацию каждого вещества на нужном уровне. Ведь их недостаток может существенно нарушить работу клетки. Впрочем, как и их избыток.

Структура клетки и все процессы, происходящие в ней – это очень большая и сложная система. Все процессы и способы их регуляции были выработаны веками эволюции, в них все отточено и при должных условиях работает стабильно и без ошибок.

Неорганические вещества, входящие в состав клетки – видео

В состав живой клетки входят те же химические элементы, которые входят в состав неживой природы. Из 104 элементов периодической системы Д. И. Менделеева в клетках обнаружено 60.

Их делят на три группы:

1. основные элементы - кислород, углерод, водород и азот (98% состава клетки);
2. элементы, составляющие десятые и сотые доли процента,- калий, фосфор, сера, магний, железо, хлор, кальций, натрий (в сумме 1,9%);
3. все остальные элементы, присутствующие в еще более малых количествах,- микроэлементы.

Молекулярный состав клетки сложный и разнородный. Отдельные соединения - вода и минеральные соли - встречаются также в неживой природе; другие - органические соединения: углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты и др.- характерны только для живых организмов.

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА

Вода составляет около 80% массы клетки; в молодых быстрорастущих клетках - до 95%, в старых - 60%.

Роль воды в клетке велика.

Она является основной средой и растворителем, участвует в большинстве химических реакций, перемещении веществ, терморегуляции, образовании клеточных структур, определяет объем и упругость клетки. Большинство веществ поступает в организм и выводится из него в водном растворе. Биологическая роль воды определяется специфичностью строения: полярностью ее молекул и способностью образовывать водородные связи, за счет которых возникают комплексы из нескольких молекул воды. Если энергия притяжения между молекулами воды меньше, чем между молекулами воды и вещества, оно растворяется в воде. Такие вещества называют гидрофильными (от греч. «гидро» - вода, «филее» - люблю). Это многие минеральные соли, белки, углеводы и др. Если энергия притяжения между молекулами воды больше, чем энергия притяжения между молекулами воды и вещества, такие вещества нерастворимы (или слаборастворимы), их называют гидрофобными (от греч. «фобос» - страх) - жиры, липиды и др.

Минеральные соли в водных растворах клетки диссоциируют на катионы и анионы, обеспечивая устойчивое количество необходимых химических элементов и осмотическое давление. Из катионов наиболее важны К + , Na + , Са 2+ , Mg + . Концентрация отдельных катионов в клетке и во внеклеточной среде неодинакова. В живой клетке концентрация К высокая, Na + - низкая, а в плазме крови, наоборот, высокая концентрация Na + и низкая К + . Это обусловлено избирательной проницаемостью мембран. Разность в концентрации ионов в клетке и среде обеспечивает поступление воды из окружающей среды в клетку и всасывание воды корнями растений. Недостаток отдельных элементов - Fe, Р, Mg, Со, Zn - блокирует образование нуклеиновых кислот, гемоглобина, белков и других жизненно важных веществ и ведет к серьезным заболеваниям. Анионы определяют постоянство рН-клеточной среды (нейтральной и слабощелочной). Из анионов наиболее важны НРО 4 2- , Н 2 РO 4 — , Cl — , HCO 3 —

ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА

Органические вещества в комплексе образуют около 20-30% состава клетки.

Углеводы - органические соединения, состоящие из углерода, водорода и кислорода. Их делят на простые - моносахариды (от греч. «монос» - один) и сложные - полисахариды (от греч. «поли» - много).

Моносахариды (их общая формула С n Н 2n О n) - бесцветные вещества с приятным сладким вкусом, хорошо растворимы в воде. Они различаются по количеству атомов углерода. Из моносахаридов наиболее распространены гексозы (с 6 атомами С): глюкоза, фруктоза (содержащиеся в фруктах, меде, крови) и галактоза (содержащаяся в молоке). Из пентоз (с 5 атомами С) наиболее распространены рибоза и дезоксирибоза, входящие в состав нуклеиновых кислот и АТФ.

Полисахариды относятся к полимерам - соединениям, у которых многократно повторяется один и тот же мономер. Мономерами полисахаридов являются моносахариды. Полисахариды растворимы в воде, многие обладают сладким вкусом. Из них наиболее просты дисахариды, состоящие из двух моносахаридов. Например, сахароза состоит из глюкозы и фруктозы; молочный сахар - из глюкозы и галактозы. С увеличением числа мономеров растворимость полисахаридов падает. Из высокомолекулярных полисахаридов наиболее распространены у животных гликоген, у растений - крахмал и клетчатка (целлюлоза). Последняя состоит из 150-200 молекул глюкозы.

Углеводы - основной источник энергии для всех форм клеточной активности (движение, биосинтез, секреция и т. д.). Расщепляясь до простейших продуктов СO 2 и Н 2 O, 1 г углевода освобождает 17,6 кДж энергии. Углеводы выполняют строительную функцию у растений (их оболочки состоят из целлюлозы) и роль запасных веществ (у растений - крахмал, у животных - гликоген).

Липиды - это нерастворимые в воде жироподобные вещества и жиры, состоящие из глицерина и высокомолекулярных жирных кислот. Животные жиры содержатся в молоке, мясе, подкожной клетчатке. При комнатной температуре это твердые вещества. У растений жиры находятся в семенах, плодах и других органах. При комнатной температуре это жидкости. С жирами по химической структуре сходны жироподобные вещества. Их много в желтке яиц, клетках мозга и других тканях.

Роль липидов определяется их структурной функцией. Из них состоят клеточные мембраны, которые вследствие своей гидрофобности препятствуют смешению содержимого клетки с окружающей средой. Липиды выполняют энергетическую функцию. Расщепляясь до СO 2 и Н 2 O, 1 г жира выделяет 38,9 кДж энергии. Они плохо проводят тепло, накапливаясь в подкожной клетчатке (и других органах и тканях), выполняют защитную функцию и роль запасных веществ.

Белки - наиболее специфичны и важны для организма. Они относятся к непериодическим полимерам. В отличие от других полимеров их молекулы состоят из сходных, но нетождественных мономеров - 20 различных аминокислот.

Каждая аминокислота имеет свое название, особое строение и свойства. Их общую формулу можно представить в следующем виде

Молекула аминокислоты состоит из специфической части (радикала R) и части, одинаковой для всех аминокислот, включающей аминогруппу (- NH 2) с основными свойствами, и карбоксильную группу (СООН) с кислотными свойствами. Наличие в одной молекуле кислотной и основной групп обусловливает их высокую реактивность. Через эти группы происходит соединение аминокислот при образовании полимера - белка. При этом из аминогруппы одной аминокислоты и карбоксила другой выделяется молекула воды, а освободившиеся электроны соединяются, образуя пептидную связь. Поэтому белки называют полипептидами.

Молекула белка представляет собой цепь из нескольких десятков или сотен аминокислот.

Молекулы белков имеют огромные размеры, поэтому их называют макромолекулами. Белки, как и аминокислоты, обладают высокой реактивностью и способны реагировать с кислотами и щелочами. Они различаются по составу, количеству и последовательности расположения аминокислот (число таких сочетаний из 20 аминокислот практически бесконечно). Этим объясняется многообразие белков.

В строении молекул белков различают четыре уровня организации (59)

• Первичная структура - полипептидная цепь из аминокислот, связанных в определенной последовательности ковалентными (прочными) пептидными связями.
• Вторичная структура - полипептидная цепь, закрученная в тугую спираль. В ней между пептидными связями соседних витков (и другими атомами) возникают малопрочные водородные связи. В комплексе они обеспечивают довольно прочную структуру.
• Третичная структура представляет собой причудливую, но для каждого белка специфическую конфигурацию - глобулу. Она удерживается малопрочными гидрофобными связями или силами сцепления между неполярными радикалами, которые встречаются у многих аминокислот. Благодаря их многочисленности они обеспечивают достаточную устойчивость белковой макромолекулы и ее подвижность. Третичная структура белков поддерживается также за счет ковалентных S - S (эс - эс) связей, возникающих между удаленными друг от друга радикалами серосодержащей аминокислоты - цистеина.
• Четвертичная структура типична не для всех белков. Она возникает при соединении нескольких белковых макромолекул, образующих комплексы. Например, гемоглобин крови человека представляет комплекс из четырех макромолекул этого белка.

Такая сложность структуры белковых молекул связана с разнообразием функций, свойственных этим биополимерам. Однако строение белковых молекул зависит от свойств окружающей среды.

Нарушение природной структуры белка называют денатурацией . Она может возникать под воздействием высокой температуры, химических веществ, лучистой энергии и других факторов. При слабом воздействии распадается только четвертичная структура, при более сильном - третичная, а затем - вторичная, и белок остается в виде первичной структуры - полипептидной цепи, Этот процесс частично обратим, и денатурированный белок способен восстанавливать свою структуру.

Роль белка в жизни клетки огромна.

Белки - это строительный материал организма. Они участвуют в построении оболочки, органоидов и мембран клетки и отдельных тканей (волос, сосудов и др.). Многие белки выполняют в клетке роль катализаторов - ферментов, ускоряющих клеточные реакции в десятки, сотни миллионов раз. Известно около тысячи ферментов. В их состав, кроме белка, входят металлы Mg, Fe, Мn, витамины и т. д.

Каждая реакция катализируется своим особым ферментом. При этом действует не весь фермент, а определенный участок - активный центр. Он подходит к субстрату, как ключ к замку. Действуют ферменты при определенной температуре и рН среды. Особые сократительные белки обеспечивают двигательные функции клеток (движение жгутиковых, инфузорий, сокращение мышц и т. д.). Отдельные белки (гемоглобин крови) выполняют транспортную функцию, доставляя кислород ко всем органам и тканям тела. Специфические белки - антитела - выполняют защитную функцию, обезвреживая чужеродные вещества. Некоторые белки выполняют энергетическую функцию. Распадаясь до аминокислот, а затем до еще более простых веществ, 1 г белка освобождает 17,6 кДж энергии.

Нуклеиновые кислоты (от лат. «нуклеус» - ядро) впервые обнаружены в ядре. Они бывают двух типов - дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК). Биологическая роль их велика, они определяют синтез белков и передачу наследственной информации от одного поколения к другому.

Молекула ДНК имеет сложное строение. Она состоит из двух спирально закрученных цепей. Ширина двойной спирали 2 нм 1 , длина несколько десятков и даже сотен микромикрон (в сотни или тысячи раз больше самой крупной белковой молекулы). ДНК - полимер, мономерами которой являются нуклеотиды - соединения, состоящие из молекулы фосфорной кислоты, углевода - дезоксирибозы и азотистого основания. Их общая формула имеет следующий вид:

Фосфорная кислота и углевод одинаковы у всех нуклеотидов, а азотистые основания бывают четырех типов: аденин, гуанин, цитозин и тимин. Они и определяют название соответствующих нуклеотидов:

• адениловый (А),
• гуаниловый (Г),
• цитозиловый (Ц),
• тимидиловый (Т).

Каждая цепь ДНК представляет полинуклеотид, состоящий из нескольких десятков тысяч нуклеотидов. В ней соседние нуклеотиды соединены прочной ковалентной связью между фосфорной кислотой и дезоксирибозой.

При огромных размерах молекул ДНК сочетание в них из четырех нуклеотидов может быть бесконечно большим.

При образовании двойной спирали ДНК азотистые основания одной цепи располагаются в строго определенном порядке против азотистых оснований другой. При этом против А всегда оказывается Т, а против Г - только Ц. Это объясняется тем, что А и Т, а также Г и Ц строго соответствуют друг другу, как две половинки разбитого стекла, и являются дополнительными или комплементарными (от греч. «комплемент» - дополнение) друг другу. Если известна последовательность расположения нуклеотидов в одной цепи ДНК, то по принципу комплементарности можно установить нуклеотиды другой цепи (см. приложение, задача 1). Соединяются комплементарные нуклеотиды при помощи водородных связей.

Между А и Т возникают две связи, между Г и Ц - три.

Удвоение молекулы ДНК - ее уникальная особенность, обеспечивающая передачу наследственной информации от материнской клетки дочерним. Процесс удвоения ДНК называется редупликацией ДНК. Он осуществляется следующим образом. Незадолго перед делением клетки молекула ДНК раскручивается и ее двойная цепочка под действием фермента с одного конца расщепляется на две самостоятельные цепи. На каждой половине из свободных нуклеотидов клетки, по принципу комплементарности, выстраивается вторая цепь. В результате вместо одной молекулы ДНК возникают две совершенно одинаковые молекулы.

РНК - полимер, по структуре сходный с одной цепочкой ДНК, но значительно меньших размеров. Мономерами РНК являются нуклеотиды, состоящие из фосфорной кислоты, углевода (рибозы) и азотистого основания. Три азотистых основания РНК - аденин, гуанин и цитозин - соответствуют таковым ДНК, а четвертое - иное. Вместо тимина в РНК присутствует урацил. Образование полимера РНК происходит через ковалентные связи между рибозой и фосфорной кислотой соседних нуклеотидов. Известны три вида РНК: информационная РНК (и-РНК) передает информацию о структуре белка с молекулы ДНК; транспортная РНК (т-РНК) транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка; рибосомная РНК (р-РНК) содержится в рибосомах, участвует в синтезе белка.

АТФ - аденозинтрифосфорная кислота - важное органическое соединение. По структуре это нуклеотид. В его состав входит азотистое основание аденин, углевод - рибоза и три молекулы фосфорной кислоты. АТФ - неустойчивая структура, под влиянием фермента разрывается связь между «Р» и «О», отщепляется молекула фосфорной кислоты и АТФ переходит в

В клетках содержатся неорганические и органические вещества (соединения).

Неорганические вещества клетки - это вода, различные минеральные соли, углекислый газ, кислоты и основания.

Вода является важнейшим компонентом содержимого живой клетки. Вода придает клетке упругость и объем, обеспечивает постоянство состава, участвует в химических реакциях и в построении органических молекул, делает возможным протекание всех процессов жизнедеятельности клетки. Вода является растворителем химических веществ, которые поступают в клетку и выводятся из нее.

Вода (оксид водорода, Н 2 O) — прозрачная жидкость, не имеющая цвета (в малом объёме), запаха и вкуса. В природных условиях содержит растворённые вещества (соли, газы). Вода имеет ключевое значение в жизни клеток и живых организмов, в формировании климата и погоды.

Количество воды в клетке составляет от 60 до 95% общей массы. Роль воды в клетке определяется её уникальными химическими и физическими свойствами, связанными с малыми размерами молекул, их полярностью и способностью образовывать водородные связи.

Вода как компонент биологических систем

• Вода — универсальный растворитель для полярных веществ — солей, сахаров, кислот и др. Она увеличивает их реакционную способность, поэтому большая часть химических реакций в клетке протекает в водных растворах.
• Неполярные вещества в воде нерастворимы (не происходит образования водородных связей). Притягиваясь друг к другу, гидрофобные вещества в присутствии воды образуют различные комплексы (например, биологические мембраны).
• Высокая удельная теплоёмкость воды (т. е. поглощение большого количества энергии для разрыва водородных связей) обеспечивает поддержание теплового баланса организма при перепадах температуры окружающей среды.
• Высокая теплота парообразования (способность молекул уносить с собой значительное количество тепла при охлаждении организма) предотвращает перегрев организма.
• Высокое поверхностное натяжение обеспечивает передвижение растворов по тканям.
• Вода обеспечивает выведение продуктов метаболизма.
• У растений вода поддерживает тургор клеток, у некоторых животных выполняет опорные функции (гидростатический скелет).
• Вода входит в состав различных биологических жидкостей (крови, слюны, слизи, желчи, слёз, спермы, синовиальной и плевральной жидкостей и др.).

Молекула воды имеет угловую форму: атомы водорода по отношению к кислороду образуют угол, равный приблизительно 104,5°.

Из-за высокой электроотрицательности атома кислорода связь О—H полярна. Атомы водорода несут частичный положительный заряд, а атом кислорода — частичный отрицательный.

Диполь создаёт вокруг себя магнитное поле на больших по сравнению с его размерами расстояниях.

При испарении воды разрушение водородных связей требует больших затрат энергии.

Неорганические вещества в клетке, кроме воды, представлены минеральными солями .

Минеральные соли составляют всего 1-1,5% общей массы клетки, но роль их значительна. В растворенном виде они являются необходимой средой для химических процессов, обусловливающих жизнь клетки.

В клетках находится много разных солей . Животные с помощью выделительной системы удаляют из организма избыточные соли, а у растений они накапливаются и кристаллизуются в различных органоидах или в вакуолях. Чаще это бывают соли кальция. Их форма в клетках растений может быть различной: иглы, ромбы, кристаллики - одиночные или сросшиеся вместе (друзы).

Молекулы солей в водном растворе распадаются на катионы и анионы. Наибольшее значение имеют катионы (К + , Na + , Са 2+ , Mg + , NH 4 +) и анионы (Сl - , Н 2 Р0 4 - , НР0 4 2- , НС0 3 - , NO 3 - , SO 4 2-).

Концентрация различных ионов неодинакова в различных частях клетки, а также в клетке и окружающей среде. Концентрация ионов натрия всегда выше вне клетки, а ионов калия и магния — внутри клетки. Разность между количеством катионов и анионов внутри клетки и на её поверхности обеспечивает активный перенос веществ через мембрану.

От концентрации солей внутри клетки зависят буферные свойства цитоплазмы — способность клетки сохранять определенную концентрацию водородных ионов в условиях постоянного образования кислых и щелочных веществ при метаболизме.

Анионы фосфорной кислоты создают фосфатную буферную систему, поддерживающую рН внутриклеточной среды организма на уровне 6,9.

Угольная кислота и её анионы формируют бикарбонатную буферную систему, поддерживающую рН внеклеточной среды (плазма крови) на уровне 7,4.

Некоторые ионы участвуют в активации ферментов, создании осмотического давления в клетке, в процессах мышечного сокращения, свертывании крови и др. Ряд катионов и анионов необходим для синтеза важных органических веществ.

Основные свойства и уровни организации живой природы

Уровни организации живых систем отражают соподчиненность, иерархичность структурной организации жизни:

Молекулярно-генетический - отдельные биополимеры (ДНК, РНК, белки);

Клеточный - элементарная самовоспроизводящаяся единица жизни (прокариоты, одноклеточные эукариоты), ткани, органы;

Организменный - самостоятельное существование отдельной особи;

Популяционно-видовой - элементарная эволюционирующая единица - популяция;

Биогеоценотический - экосистемы, состоящие из разных популяций и среды их обитания;

Биосферный - все живое население Земли, обеспечивающее круговорот веществ в природе.

Природа - это весь существующий материальный мир во всем многообразии его форм. Единство природы проявляется в объективности ее существования, общности элементного состава, подчиненности одним и тем же физическим законам, в системности организации. Различные природные системы, как живые, так и неживые, взаимосвязаны и взаимодействуют между собой. Примером системного взаимодействия является биосфера.

Биология - это комплекс наук, изучающих закономерности развития и жизнедеятельности живых систем, причины их многообразия и приспособленности к окружающей среде, взаимосвязь с другими живыми системами и объектами неживой природы.

Объектом исследования биологии является живая природа.

Предметом исследования биологии являются:

Общие и частные закономерности организации, развития, обмена веществ, передачи наследственной информации;

Разнообразие форм жизни и самих организмов, а также их связи с окружающей средой.

Все многообразие жизни на Земле объясняется эволюционным процессом и действием окружающей среды на организмы.

Сущность жизни определяется М.В. Волькенштейном как существование на Земле «живых тел, представляющих собой открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров - белков и нуклеиновых кислот».

Основные свойства живых систем:

Обмен веществ;

Саморегуляция;

Раздражимость;

Изменчивость;

Наследственность;

Размножение;

Химический состав клетки. Неорганические вещества клетки

Цитология - наука, изучающая строение и функции клеток. Клетка является элементарной структурной и функциональной единицей живых организмов. Клеткам одноклеточных организмов присущи все свойства и функции живых систем. Клетки многоклеточных организмов дифференцированы по строению и функциям.

Атомный состав: в состав клетки входит около 70 элементов Периодической системы элементов Менделеева, причем 24 из них присутствуют во всех типах клеток.

Макроэлементы - Н, О, N, С, микроэлементы - Mg, Na, Са, Fe, К, Р, CI, S, ультрамикроэлементы - Zn, Сu, I, F, Мn, Со, Si и др.

Молекулярный состав: в состав клетки входят молекулы неорганических и органических соединений.

Неорганические вещества клетки

Вода. Молекула воды имеет нелинейную пространственную структуру и обладает полярностью. Между отдельными молекулами образуются водородные связи, определяющие физические и химические свойства воды.

Рис. 1. Молекула воды Рис. 2. Водородные связи между молекулами воды

Физические свойства воды:

Вода может находиться в трех состояниях - жидком, твердом и газообразном;

Вода - растворитель. Полярные молекулы воды растворяют полярные молекулы других веществ. Вещества, растворимые в воде, называют гидрофильными. Вещества, не растворимые в воде, - гидрофобными;

Высокая удельная теплоемкость. Для разрыва водородных связей, удерживающих молекулы воды, требуется поглотить большое количество энергии. Это свойство воды обеспечивает поддержание теплового баланса в организме;

Высокая теплота парообразования. Для испарения воды необходима достаточно большая энергия. Температура кипения воды выше, чем у многих других веществ. Это свойство воды предохраняет организм от перегрева;

Молекулы воды находятся в постоянном движении, они сталкиваются друг с другом в жидкой фазе, что немаловажно для процессов обмена веществ;

Сцепление и поверхностное натяжение. Водородные связи обусловливают вязкость воды и сцепление ее молекул с молекулами других веществ (когезия). Благодаря силам сцепления молекул на поверхности воды создается пленка, которую характеризует поверхностное натяжение;

Плотность. При охлаждении движение молекул воды замедляется. Количество водородных связей между молекулами становится максимальным. Наибольшую плотность вода имеет при 4°С. Замерзая, вода расширяется (необходимо место для образования водородных связей), и ее плотность уменьшается, поэтому лед плавает на поверхности воды, что защищает водоем от промерзания;

Способность к образованию коллоидных структур. Молекулы воды образуют вокруг нерастворимых молекул некоторых веществ оболочку, препятствующую образованию крупных частиц. Такое состояние этих молекул называется дисперсным (рассеянным). Мельчайшие частицы веществ, окруженные молекулами воды, образуют коллоидные растворы (цитоплазма, межклеточные жидкости).

Биологические функции воды:

Транспортная - вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма. В природе вода переносит продукты жизнедеятельности в почвы и к водоемам;

Метаболическая - вода является средой для всех биохимических реакций и донором электронов при фотосинтезе, она необходима для гидролиза макромолекул до их мономеров;

Участвует в образовании:

1) смазывающих жидкостей, которые уменьшают трение (синовиальная - в суставах позвоночных животных, плевральная, в плевральной полости, перикардиальная - в околосердечной сумке);

2) слизей, которые облегчают передвижение веществ по кишечнику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей;

3) секретов (слюна, слезы, желчь, сперма и т.д.) и соков в организме.

Неорганические ионы. Неорганические ионы клетки представлены: катионами К+, Na+, Са2+, Mg2+, NH3 и анионами Сl-, NOi2-, H2PO4-, HCO3-, HPO42-.

Разность между количеством катионов и анионов на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникновение потенциала действия, что лежит в основе нервного и мышечного возбуждения.

Анионы фосфорной кислоты создают фосфатную буферную систему, поддерживающую рН внутриклеточной среды организма на уровне 6-9.

Угольная кислота и ее анионы создают бикарбонатную буферную систему и поддерживают рН внеклеточной среды (плазмы крови) на уровне 4-7.

Соединения азота служат источником минерального питания, синтеза белков, нуклеиновых кислот. Атомы фосфора входят в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов, а также костей позвоночных, хитинового покрова членистоногих. Ионы кальция входят в состав вещества костей, они также необходимы для осуществления мышечного сокращения, свертывания крови.