Элементарный химический состав клетки: Элементарный состав клетки

5. Химический состав клетки. Биология. Общая биология. 10 класс. Базовый уровень

5. Химический состав клетки

Вспомните!

Что такое химический элемент?

Какие химические элементы преобладают в земной коре?

Что вам известно о роли таких химических элементов, как иод, кальций, железо, в жизнедеятельности организмов?

Одним из основных общих признаков живых организмов является единство их элементного химического состава. Независимо от того, к какому царству, типу или классу принадлежит то или иное живое существо, в состав его тела входят одни и те же так называемые универсальные химические элементы. Сходство в химическом составе разных клеток свидетельствует о единстве их происхождения.

Рис. 8. Панцири одноклеточных диатомовых водорослей содержат большое количество кремния

В живой природе обнаружено около 90 химических элементов, т. е. большая часть всех известных на сегодняшний день. Никаких специальных элементов, характерных только для живых организмов, не существует, и это является одним из доказательств общности живой и неживой природы. Но количественное содержание тех или иных элементов в живых организмах и в окружающей их неживой среде существенно отличается. Например, кремния в почве около 33 %, а в наземных растениях лишь 0,15 %. Подобные различия указывают на способность живых организмов накапливать только те элементы, которые необходимы им для жизнедеятельности (рис. 8).

В зависимости от содержания все химические элементы, входящие в состав живой природы, разделяют на несколько групп.

Макроэлементы. I группа. Главными компонентами всех органических соединений, выполняющих биологические функции, являются кислород, углерод, водород и азот. Все углеводы и липиды содержат водород, углерод и кислород, а в состав белков и нуклеиновых кислот, кроме этих компонентов, входит азот. На долю этих четырёх элементов приходится 98 % от массы живых клеток.

II группа.

К группе макроэлементов относятся также фосфор, сера, калий, магний, натрий, кальций, железо, хлор. Эти химические элементы являются обязательными компонентами всех живых организмов. Содержание каждого из них в клетке составляет от десятых до сотых долей процента от общей массы.

Натрий, калий и хлор обеспечивают возникновение и проведение электрических импульсов в нервной ткани. Поддержание нормального сердечного ритма зависит от концентрации в организме натрия, калия и кальция. Железо участвует в биосинтезе хлорофилла, входит в состав гемоглобина (белка-переносчика кислорода в крови) и миоглобина (белка, содержащего запас кислорода в мышцах). Магний в клетках растений входит в состав хлорофилла, а в животном организме участвует в формировании ферментов, необходимых для нормального функционирования мышечной, нервной и костной тканей. В состав белков часто входит сера, а все нуклеиновые кислоты содержат

фосфор. Фосфор также является компонентом всех мембранных структур.

Среди обеих групп макроэлементов кислород, углерод, водород, азот, фосфор и сера объединяются в группу биоэлементов, или органогенов, на основании того, что они составляют основу большинства органических молекул (табл. 1).

Микроэлементы. Существует большая группа химических элементов, которые содержатся в организмах в очень низких концентрациях. Это алюминий, медь, марганец, цинк, молибден, кобальт, никель, иод, селен, бром, фтор, бор и многие другие. На долю каждого из них приходится не более тысячных долей процента, а общий вклад этих элементов в массу клетки – около 0,02 %. В растения и микроорганизмы микроэлементы поступают из почвы и воды, а в организм животных – с пищей, водой и воздухом. Роль и функции элементов этой группы в различных организмах весьма разнообразны. Как правило, микроэлементы входят в состав биологически активных соединений (ферментов, витаминов и гормонов), и их действие проявляется главным образом в том, как они влияют на обмен веществ.

Таблица 1. Содержание биоэлементов в клетке

Кобальт входит в состав витамина В₁₂ и принимает участие в синтезе гемоглобина, его недостаток приводит к анемии. Молибден в составе ферментов участвует в фиксации азота у бактерий и обеспечивает работу устьичного аппарата у растений. Медь является компонентом фермента, участвующего в синтезе меланина (пигмента кожи), влияет на рост и размножение растений, на процессы кроветворения у животных организмов. Иод у всех позвоночных животных входит в состав гормона щитовидной железы – тироксина. Бор влияет на ростовые процессы у растений, его недостаток приводит к отмиранию верхушечных почек, цветков и завязей. Цинк действует на рост животных и растений, а также входит в состав гормона поджелудочной железы – инсулина. Нехватка селена

приводит к возникновению у человека и животных раковых заболеваний. Каждый элемент играет свою определённую, очень важную роль в обеспечении жизнедеятельности организма.

Как правило, биологический эффект того или иного микроэлемента зависит от присутствия в организме других элементов, т. е. каждый живой организм – это уникальная сбалансированная система, нормальная работа которой зависит, в том числе, и от правильного соотношения её компонентов на любом уровне организации. Так, например, марганец улучшает усвоение организмом меди, а фтор влияет на метаболизм стронция.

Обнаружено, что некоторые организмы интенсивно накапливают определённые элементы. Например, многие морские водоросли накапливают иод, хвощи – кремний, лютики – литий, а моллюски отличаются повышенным содержанием меди.

Микроэлементы широко используют в современном сельском хозяйстве в виде микроудобрений для повышения урожайности культур и в качестве добавок к кормам для увеличения продуктивности животных. Применяют микроэлементы и в медицине.

Ультрамикроэлементы. Существует группа химических элементов, которые содержатся в организмах в следовых, т. е. ничтожно малых, концентрациях. К ним относят золото, бериллий, серебро и другие элементы. Физиологическая роль этих компонентов в живых организмах пока окончательно не установлена.

Роль внешних факторов в формировании химического состава живой природы. Содержание тех или иных элементов в организме определяется не только особенностями данного организма, но также составом среды, в которой он обитает, и той пищей, которую он использует. Геологическая история нашей планеты, особенности почвообразовательных процессов привели к тому, что на поверхности Земли сформировались области, которые отличаются друг от друга по содержанию химических элементов. Резкий недостаток или, наоборот, избыток какого-либо химического элемента вызывает в пределах таких зон возникновение биогеохимических эндемий – заболеваний растений, животных и человека.

Во многих районах нашей страны – на Урале и Алтае, в Приморье и в Ростовской области количество иода в почве и в воде значительно снижено.

Если человек не получает с пищей нужного количества иода, у него снижается синтез тироксина. Щитовидная железа, пытаясь компенсировать нехватку гормона, разрастается, что приводит к образованию так называемого эндемического зоба. Особенно тяжёлые последствия от недостатка иода возникают у детей. Сниженное количество тироксина приводит к резкому отставанию в умственном и физическом развитии.

Чтобы предотвратить заболевания щитовидной железы, врачи рекомендуют подсаливать пищу специальной солью, обогащённой иодидом калия, употреблять рыбные блюда и морскую капусту.

Почти 2 тыс. лет назад правитель одной из северо-восточных провинций Китая издал указ, в котором обязал всех своих подданных съедать по 2 кг морской капусты в год. С тех пор жители послушно соблюдают древний указ, и, несмотря на то, что в этом районе существует явный недостаток иода, население не страдает заболеваниями щитовидной железы.

Вопросы для повторения и задания

1. В чём заключается сходство биологических систем и объектов неживой природы?

2. Перечислите биоэлементы и объясните, каково их значение в образовании живой материи.

3. Что такое микроэлементы? Приведите примеры и охарактеризуйте биологическое значение этих элементов.

4. Как отразится на жизнедеятельности клетки и организма недостаток какого-либо микроэлемента? Приведите примеры таких явлений.

5. Расскажите об ультрамикроэлементах. Каково их содержание в организме? Что известно об их роли в живых организмах?

6. Приведите примеры известных вам биохимических эндемий. Объясните причины их происхождения.

7. Составьте схему, иллюстрирующую элементный химический состав живых организмов.

Подумайте! Выполните!

1. По какому принципу все химические элементы, входящие в состав живой природы, разделяют на макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы? Предложите свою, альтернативную, классификацию химических элементов, основанную на другом принципе.

2. Иногда в учебниках и пособиях вместо словосочетания «элементный химический состав» можно встретить выражение «элементарный химический состав». Объясните, в чём некорректность такой формулировки.

3. Выясните, существуют ли какие-либо особенности химического состава воды в местности, где вы живёте (например, избыток железа или нехватка фтора и т. д.). Используя дополнительную литературу и ресурсы Интернета, определите, какое влияние это может оказать на организм человека.

Работа с компьютером

Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал и выполните задания.

Повторите и вспомните!

Растения

Удобрения. Азот необходим растениям для нормального формирования вегетативных органов. При дополнительном внесении в почву азотных и азотистых удобрений усиливается рост наземных побегов. Фосфор влияет на развитие и созревание плодов. Калий способствует оттоку органических веществ от листьев к корням, влияет на подготовку растения к зиме.

Все элементы в составе минеральных солей растения получают из почвы. Для того чтобы были высокие урожаи, необходимо поддерживать плодородие почвы, вносить удобрения. В современном сельском хозяйстве используют органические и минеральные удобрения, благодаря которым культурные растения получают необходимые элементы питания.

Органические удобрения (навоз, торф, перегной, птичий помёт и др.) содержат все необходимые растению питательные вещества. При внесении органических удобрений в почву попадают микроорганизмы, которые минерализуют органические остатки и тем самым повышают плодородие почвы. Навоз необходимо вносить задолго до посева семян, при осенней обработке почвы.

Минеральные удобрения обычно содержат те элементы, которых не хватает в почве: азот (натриевая и калиевая селитры, хлористый аммоний, мочевина и др.), калий (хлористый калий, сульфат калия), фосфор (суперфосфаты, фосфоритная мука и пр.). Удобрения, содержащие азот, обычно вносят весной или в начале лета, так как они быстро вымываются из почвы. Калийные и фосфорные удобрения сохраняются дольше, поэтому их вносят осенью. Излишек удобрений столь же вреден для растений, как и их недостаток.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Элементарный состав клеток организма человека | Биология. Реферат, доклад, сообщение, краткое содержание, лекция, шпаргалка, конспект, ГДЗ, тест

Раздел:

Метаболизм

Химическую природу веществ, из которых состоят живые организмы, их превращение и значение для жизнедея­тельности клеток, тканей и органов изуча­ет наука биохимия и ее составную часть цитохимия, то есть химия клетки (рис. 8).

В земной коре и в атмосфере Земли открыто почти 100 химических элемен­тов, среди которых приблизительно 90 входят в состав организма человека. Из них 16 — являются обязательными. Бо­лее распространённые в живых организ­мах четыре элемента — Гидроген, Карбон, Оксиген и Нитроген. Начальное название Нитрогена — азот. Его ошибоч­но назвали «лишённый жизни», «нежизненный» (от греч. префикса а-, что означает отрицание, и зоо — живу или зоон — жизнь). Эти элементы составляют свыше 99 % массы и количества атомов, из которых состоит организм человека.

Четыре основных элемента, а также Натрий, Хлор, Кальций, Фосфор, Калий, Сульфур и Ферум относятся к макроэлементам, концентрация кото­рых в организме приблизительно 0,001 %, однако может достигать 3-4 %. В костных клетках человека содержится 99 % всего Кальция организма, 70 % Ферума — в красных клетках крови — эритроцитах.

К микроэлементам относятся те, содержание ко­торых в организме намного меньше 0,001 % по срав­нению со всеми другими в организме человека. Это Купрум, Манган, Кобатьт, Цинк и др. Невзирая на такую низкую концентрацию, они являются важны­ми составляющими клеток. Например, кобальт игра­ет значительную роль в кроветворении, цинк — необ­ходимый компонент для усвоения клетками пита­тельных веществ. Материал с сайта http://worldofschool.ru

Рис. 8. Химический со­став клеток

На этой странице материал по темам:

• Названия химических элементов и их произношение

• Обмен углеводов биохимия реферат

Вопросы по этому материалу:

• Объясните биологические функции отдельных химических элементов.

5. Химический состав клетки. Вода и минеральные соли.

Химический состав клетки.

В клетке обнаружены многие элементы периодической системы Менделеева. Функции 27 из них определены. Наиболее распространены углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера. Они составляют 99% общей массы клетки.

Химические элементы, входящие в состав клеток, делят на три группы: макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.

1. Макроэлементы: O, C, H, N, Ca, K, Mg, Na, Fe, S, P, Cl. На долю этих элементов приходится более 99% всей массы клетки. Концентрация некоторых из них велика. На кислород приходится 65-75%; углерод – 15-18%; азот – 1,5-3%.

2. Микроэлементы: Cu, B, Co, Mo, Mn, Ni, Br, Zn, I и другие. На их долю в клетке суммарно приходится более 0,1%; концентрация каждого из них не превышает 0,001%. Это ионы металлов, входящие в состав биологически активных веществ (гормонов, ферментов и др.)

3. Ультрамикроэлементы: уран, золото, бериллий, ртуть, цезий, селен и другие. Их концентрация не превышает 0,000001%. Физиологическая роль многих из них не установлена.

В клетках некоторых организмов обнаружено повышенное содержание отдельных химических элементов. Например, бактерии способны накапливать марганец, морские водоросли – йод, ряска – радий, моллюски и ракообразные – медь, позвоночные – железо.

Химические элементы входят в состав органических соединений. Углерод, кислород и водород участвуют в построении молекул углеводов и жиров. В молекулах белков помимо этих элементов входят азот и сера, а в молекулы нуклеиновых кислот фосфор и азот. Ионы железа и меди включены в молекулы окислительных ферментов, магний – в молекулу хлорофилла, железо входит в состав гемоглобина, йод – в состав гормона щитовидной железы – тироксина, цинк – в состав инсулина – гормона поджелудочной железы, кобальт – в состав витамина В12.

Химические элементы, принимающие участие в процессах обмена веществ и обладающие выраженной биологической активностью, называют биогенными.

Все химические соединения в клетке можно разделить на органические и неорганические.

Содержание в клетке химических соединений ( в % на сырую массу)

Вещества
Неорганические		Органические
Название	%	Название	%
Вода	70-80	Белки	10-20
Другие неорганические вещества	1,0-1,5	Жиры	1-5
		Нуклеиновые кислоты	1-2
		Углеводы	0,2-2,0
		Низкомолекулярные органические вещества	0,1-0,5

Неорганические вещества.

Вода необходима для осуществления жизненных процессов в клетке. Ее

основные функции следующие:

1. Универсальный растворитель.

2. Среда, в которой протекают биохимические реакции.

3. Определяет физиологические свойства клетки (ее упругость, объем).

4. Участвует в химических реакциях.

5. Поддерживает тепловое равновесие клетки и организма в целом благодаря

высокой теплоемкости и теплопроводности.

6. Основное средство для транспорта веществ. Минеральные вещества клетки

находятся в виде ионов. Наиболее важные из них катионы — это K+

, Na+

, Ca++

, Mg++

,

анионы — это Сl

–

, НСО3

–

, Н2РО4

–

.

Концентрация ионов в клетке и окружающей ее среде неодинаковая. Например, содержание калия в клетках в десятки раз выше, чем в межклеточном пространстве. Катионов натрия, наоборот, в 10 раз меньше в клетке, чем вне ее. Снижение концентрации К+ в клетке приводит к уменьшению в ней воды, количество которой возрастает в межклеточном пространстве тем больше, чем выше в межклеточной жидкости концентрация Na+. Уменьшение катионов натрия в межклеточном пространстве приводит к уменьшению в нем содержания воды. Неравномерное распределение ионов калия и натрия с наружной и

внутренней стороны мембран нервных и мышечных клеток обеспечивает возможность возникновения и распространения электрических импульсов. Анионы слабых кислот внутри клетки способствуют сохранению определенной концентрации водородных ионов (рН). В клетке поддерживается слабощелочная реакция (рН=7,2).

Задания для текущего контроля по теме «Химический состав клетки»

Задания дидактических карточек для текущего контроля по теме «Химический состав клетки»

1. Тестовое задание «Элементарный состав клетки» (Задание: выбрать 1 правильный ответ)

1. В состав клетки входят почти все химические элементы Периодической системы Менделеева. Но 4 химических элемента встречаются в клетке в наибольшем количестве, на их долю приходится 98% всего содержимого от массы клетки. Указать химический элемент, который к этой группе не относится:

А) кислород, Б) фосфор, В) азот, Г) водород, Д) углерод

2. Какой металл является компонентом хлорофилла?

А) медь, Б) цинк, В) алюминий, Г) магний, Д) литий.

3. Какой элемент важен для формирования молекулы гемоглобина – транспортного белка?

А) селен, Б) железо, В) стронций, Г) барий, Д) золото.

4. Какой ион является основным внутриклеточным ионом ?

А) катион калия, Б) катион натрия, В) сульфат-анион, Г) карбонат-ион, Д) катион водорода.

5.Какой из химических элементов одновременно входит в состав костной ткани и нуклеиновых кислот?

А) калий, Б) фосфор, В) кальций, Г) цинк, Д) кобальт

6. Какой химический элемент входит в состав неорганических компонентов костной ткани и раковин моллюсков, принимает участие в мышечном сокращении и свертывании крови? А) натрий, Б) железо, В) иод, Г) кальций, Д) углерод

7. Молекулярная масса молекулы воды очень мала, поэтому она должна быть газообразным веществом. Но между молекулами воды возникают особые химические связи, из-за чего сотни молекул образуют крупные агрегаты. Какие химические связи возникают между молекулами воды?

А) ковалентная, Б) гидрофобная, В) водородная, Г) пептидная, Д) ионная.

8.Вода играет большую роль:

А) в хранении и передаче наследственной информации, Б) в делении клетки, В) в торможении нервных процессов, Г) в создании объема и упругости клетки.

9. Какой из химических элементов одновременно входит в состав костной ткани и нуклеиновых кислот? А) калий, Б) фосфор, В) кальций, Г) цинк, Д) кобальт

2. Диктант «Химические элементы» (Задание: дайте краткий ответ)

1.Какие элементы называются органогенами (2 вариант – микроэлементами)? Перечислить.

2.Какие ионы входят в состав ферментов?

3. Какие ионы необходимы для проведения нервных импульсов

4.Какой металл входит в состав хлорофилла?

5. Обеспечивают в телах животных транспорт кислорода и углекислого газа

6. Ионы какого металла активизируют свертываемость крови

7. Элемент, содержащийся в эмали зубов и костной ткани, в АТФ?

8. При недостатке этого элемента возникает кариес зубов.

9. Какие ионы играют роль буфера в клетках

10. Какие ионы поддерживают водный баланс в организме?

3. Цифровой диктант «Углеводы» ( Задание: выбрать верные утверждения)

1. К моносахаридам относится крахмал

2. К полисахаридам относится фруктоза.

3. К дисахаридам относится мальтоза.

4. Дезоксирибоза входит в состав молекулы ДНК.

5. Из остатков глюкозы состоит молекула крахмала.

6. Жиры образуют основу клеточных мембран.

7. При окислении 1 г жира выделяется 38.9 кДж энергии.

8. Моносахариды – бесцветные вещества, обладают приятным вкусом и хорошо растворимы в воде

9. Сахароза – простой углевод.

10. Макромолекула, образованная мономерами, называется полимером.

11. Гликоген – мономер глюкозы.

12. Целлюлоза образует клеточную стенку растений

4. Тестовое задание «Белки» (Задание: выберите 1 или несколько правильных ответов)

1. Сколько аминокислот образует все многообразие белков?

А) 26, Б) 20, В)40, Г) 210

2. Какие элементы входят в состав простых белков?

А) кислород, Б) азот, В) водород, Г) углерод, Д) магний, Е) сера,

Ж) железо, З) фосфор, И) хлор, К) цинк

3. Какая функциональная группа придает аминокислоте кислые, какая – щелочные свойства? А) кислые – карбоксильная группа, щелочные – радикал,

Б) кислые –радикал, щелочные – аминогруппа,

В) кислые – карбоксильная группа, щелочные – аминогруппа,

Г) кислые – аминогруппа, щелочные – радикал.

4. Между какими функциональными группами аминокислот образуется пептидная связь? А)между аминогруппой одной аминокислоты и радикалом другой,

Б) между карбоксильными группами соседних аминокислот,

В) между аминогруппой одной аминокислоты и карбоксильной группой другой,

Г) между аминогруппами соседних аминокислот.

5. Какую структуру как последнюю имеет молекула гемоглобина?

А) первичную, Б) вторичную, В) третичную, Г) четвертичную.

6. Какие связи стабилизируют четвертичную структуру белков?

А) ковалентные, Б) ионные, В) водородные, Г) никаких связей нет

7. Ферменты – это биокатализаторы, состоящие из:

А) белков, Б) липидов, В) нуклеотидов, Г)углеводов

8. Из аминокислотных остатков построены молекулы:

А) углеводов, Б) белков, В) липидов, Г) ) нуклеиновых кислот

9. Гормональную функцию могут выполнять:
А) только белки, Б) белки и липиды, В) только углеводы, Г) белки и углеводы.

10. Белки в клетке выполняют следующие функции:
А) структурная, Б) защитная, В) хранения и передачи наследственной информации, Г) транспортная, Д) запасная , Е) регуляторная.

Единство химического состава организмов

Множество простейших и микроорганизмов представляют собой существующие отдельно друг от друга клетки. Тело всех многоклеточных — растений, животных и человека — построено из большего или меньшего числа клеток, которые составляют сложный организм. Независимо от того, представляет собой клетка целостную живую систему или ее часть, она наделена набором признаков и свойств, общим для всех клеток.

В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы. Однако соотношение различных элементов в живом и неживом неодинаково. Элементарный состав неживой природы наряду с кислородом представлен в основном кремнием, железом, магнием, алюминием и т. д, В живых организмах 98% химического состава приходится на четыре элемента: углерод, кислороду азот и водород, в то время как на остальные (свыше 60 элементов) — всего 1—2% массы клетки.

Углерод, кислород, азот и водород, как главные компоненты клетки, называются макроэлементами. Вместе с серой и фосфором, являющимися необходимыми составными частями молекул биополимеров, их часто называют биоэлементами. В меньших количествах в состав клетки, кроме фосфора и серы, входят еще 6 элементов: калий и натрий, кальций и магний, железо и хлор. Каждый из них выполняет важную функцию в клетке. Например, калий, натрий и хлор обеспечивают проницаемость клеточных мембран, кальций и фосфор участвуют в формировании костной ткани, железо входит в состав гемоглобина крови, магний в растительных клетках — в хлорофилл, обусловливающий фотосинтез, а также входит в состав катализаторов. Все остальные элементы (цинк, медь, йод, фтор и др.) содержатся в клетках в малых количествах — 0,02%. Поэтому их называют микроэлементами. Однако это не означает, что они меньше нужны организму, чем другие элементы. Цинк входит в состав гормона поджелудочной железы инсулина, йод — гормона щитовидной железы, с помощью которых осуществляется гуморальная регуляция деятельности организма.

Элементарный состав организмов — Справочник химика 21

    В и н о г р а д о в А. П., Химический элементарный состав организма моря, Труды биохимической лаборатории АН СССР. I и II, 3, 4, 6, 1933—1937. [c.56]

    Элементарный состав организмов [c.8]

    А. П. Виноградов (1944 а, 1952) изучал на большом материале элементарный состав организмов и определил его как систематический признак для многих растительных и животных организмов. В дальнейшем А. П. Виноградов и его ученики выяснили влияние среды на элементарный состав организмов. В результате этого были выделены области с избыточным или недостаточным содержанием тех или других химических элементов. Были изучены также организмы-концентраторы, накапливающие тот или другой химический элемент из окружающей среды. [c.13]

    Таким образом, если для угольного ряда характерен процесс постепенного обогащения углеродом, т. е. процесс карбонизации, то для сапропелевого ряда характерным является процесс гидрогенизации. Интересно, что в обоих процессах элементарный состав начальной стадии очень близок, а это дает основание думать, что существенные изменения при прогрессирующем превращении зависят не только от специфики организмов, но и от той обстановки, в которой протекали превращения исходного вещества. [c.193]

    Глава I. ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ И ОБЩИЙ ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ОРГАНИЗМА [c.5]

    Расположенный по декадам средний элементарный состав воды океана (гидросферы), живых организмов и земной коры [c.6]

    Живые организмы резко отличаются друг от друга по своим пищевым потребностям. Однако элементарный состав пищи аналогичен и для микробов, и для высших животных, и для растений. Основными органогенами являются углерод, азот, кислород и водород. Потребность в кислороде и водороде микроорганизмы удовлетворяют за счет воды и воздуха, кроме того, эти элементы входят в состав всех органических питательных веществ. Что касается углерода и азота, то по отношению к ним требования различных микробов крайне разнообразны и специфичны. [c.58]

    Природные высокомолекулярные соединения находятся в различных растительных и животных организмах, а их свойства определяются условиями и характером синтеза. Элементарный состав большинства природных соединений соответствует низкомолекулярным веществам. Так, в продуктах пиролиза натурального каучука присутствует изопрен, а в продуктах полного гидролиза целлюлозы — глюкоза, т.е. молекулы каучука и целлюлозы соответственно построены из большого числа молекул изопрена и из остатков молекул целлюлозы [1.7]. [c.66]

    Азотные же соединения, входящие в состав растений и животных, имеют в них первостепенное значение ни одной растительной или животной клетки, т.-е. элементарной формы организма, не существует без содержания в ней азотистого вещества жизнь организма прежде всего проявляется в этих азотистых веществах. В зародыше, в семенах и в тех частях, которыми клетки размножаются, изобилуют азотистые вещества совокупность явлений, которые свойственны организмам, очень явно и тесно связана с химическими свойствами легко изменяющихся сложных (белковых)азотистых веществ, которые входят в их состав. Достаточно, напр., указать на то, что ясно отличаемые растительные и животные организмы характеризуются различной степенью энергии в своих проявлениях и в то же время различным содержанием азотистых веществ. В растениях, которые сравнительно с животными мало деятельны, неспособны к произвольному движению и т. п., количество азотистых веществ гораздо меньше, чем у животных, ткани которых все состоят почти исключительно из азотистых веществ. Замечательно, что азотистые части растений, преимущественно низших, иногда представляют и формы и свойства, приближающие их к животным организмам таковы, напр., крупинки размножения или так называемые зооспоры водорослей, или те части, которыми последние размножаются. Эти зооспоры, выходя из водоросли, представляют во многих отношениях сходство с низшими микроскопическими животными, а именно, имеют свойство двигаться подобно последним. При этом они и по своему составу приближаются к животным, содержа в наружной своей оболочке азотистое вещество. Лишь только зооспора покрывается тою безазотистою или клетчатою оболочкою, которая свойственна всем обыкновенным клеткам растений, она теряет всякое сходство с животным организмом и становится молодым растением. Можно из этого думать, что различия в жизненных отправлениях животных и растений определяются именно различною степенью содержания в них азотистых веществ. Те азотистые начала, которые [c.153]

    Таким образом, для понимания свойств тех или иных молекул, входящих в состав живых организмов, очень важно знать не только элементарный состав и строение этих молекул, но и взаимодействие между частями молекул, осуществляемое присущими этим молекулам зарядами. [c.47]

    Близкая связь биохимии с органической химией совершенно понятна нельзя составить представление о процессе, не имея представления о веществе, в котором этот процесс разыгрывается. А знать вещество, значит знать его строение, уметь его синтезировать из других хорощо известных веществ, уметь его очистить от примесей и т. д. Для этой цели биохимик выделяет то или иное встречающееся в организме вещество, очищает его от примесей, устанавливает его однородность, подвергает кристаллизации, изучает элементарный состав и строение, синтезирует его, изучает его соединения с теми или иными веществами, т. е. поступает точно так же, как любой органик-химик при исследовании любого органического соединения. [c.13]

    В связи с положением элементов в периодической системе Менделеева. На основе большого числа анализов был построен график (рис. 17) зависимости логарифма атомного кларка (lg/ ) химических элементов, входящих в состав живых организмов, от порядкового номера (2), отдельно для четных (светлые точки) и нечетных (темные точки) элементов. На основании этих кривых сделан следующий вывод. Количественный химический элементарный состав живого вещества есть периодическая функция порядкового номера элементов. Элементы, расположенные в минимумах кривой, имеют относительно небольшое значение для ор1 анизма расположенные на восходящих участках несколько большее, а находящиеся в максимумах являются основными элементами в жизнедеятельности организмов. [c.140]

    Химический элементарный состав подземных организмов суши совершенно неизвестен. [c.220]

    Мочевину, или карбамид СО( Н2)2, впервые выделил из мочи Руэлль (младший) в 1773 г. [128]. Элементарный состав мочевины был установлен Проутом в 1818 г. [129]. Позже физиологи и биохимики показали, что мочевина является главным конечным продуктом распада белков в организме человека и млекопитающих (80% азота белков удаляется из тела в виде мочевины). [c.237]

    Физиолого-биохимическое исследование на живых организмах, как правило, должно базироваться на изучении их чистых культур, растущих в лабораторных условиях, что весьма часто осложняется трудностью подбора оптимальных условий для их культивирования, в частности выбором композиции питательных сред. Однако в любом случае компоновки среды, оптимальной для роста и жизнедеятельности изучаемого организма, весьма большую помощь в отношении подбора ее компонентов и их количественных соотношений оказывает знание химического состава клеток данного организма. При этом важен как их элементарный состав, характеризующий преобладающие пути обмена (азотный, углеродный, фосфорный и т. д.), так и специфические продукты этого обмена, входящие в состав клеточных структур. [c.8]

    Примерно в течение трех миллиардов лет на химию земной коры и атмосферы оказывали активное влияние живые организмы. Так, например, имеются данные, что многие рудные тела могли формироваться в процессе деятельности живых организмов, и практически не подлежит сомнению, что существование современной атмосферы и ее состав обусловлены главным образом биологическими процессами. Например, кислорода в атмосфере недостаточно, чтобы превратить весь углерод на поверхности Земли в углекислый газ СОг, единственное термодинамически устойчивое соединение в системе углерод—кислород при умеренных температурах. Следовательно, элементарный кислород должен производиться при эндотермических процессах, вероятно биологических. Эта гипотеза согласуется со всеми имеющимися данными о развитии жизни на Земле. [c.255]

    А. П. Виноградов на очень большом материале изучил содержание химических элементов в живых организмах и в среде, в которой они обитают (1944а, Ь, 1945, 1952). При этом элементарный состав организмов был установлен как систематический признак для большого числа организмов (Виноградов, 1963). В то же время было выяснено влияние химического состава среды на элементарный состав организмов. Примером этого может служить различие в элементарном составе морских и наземных организмов. Все морские организмы содержат в своих тканях больше F, Sr, Вг и некоторых других химических элементов, чем наземные организмы, вследствие значительно повышенного по сравнению с клар-ковым содержания этих элементов в морской воде, [c.160]

    В. И. Вернадский ввел в широкое употребление термин жи вое вещество как совокупность массы всех живущих на наше планете организмов — животных и растений. Химический соста живого вещества характернзуется преобладанием немногих хи мических элементов. В табл. 257 показан средний элементарны химический состав живого веществу по оценке А. П. Виногра 320 [c.320]

    Растительные организмы, в основном, состоят из отмерших клеток, лишенных протоплазмы и ядра. Стенки этих клеток содержат целлюлозу, гемицеллюлозу, лигнин с некоторым включением смол, ВОСКОВ, жиров и других веществ. Структура целлюлозы и гемицеллюлоз достаточно хорошо изучена. Эти вещества представляют собой полимерные углеводы с общей эмпирической формулой (СвНюОа) , иногда гемицеллюлозы имеют формулу (СдНв04) . Структура лигнина изучена менее полно, однако известно, что ядро его сложной молекулы включает в себя бензольные кольца. Элементарный состав лигнина колеблется в широких пределах углерод 62—69%, водород 4,5—6,6% остальную часть составляет в основном кислород. [c.8]

    Практикум объединяет работы в восемь глав I. Элементарный и общий химический состав организма. П. Физико-химические факторы биохимических процессов. П1. Ферменты. IV. Углеводы. V. Липиды. VI. Белки. VII. Витамины. VIII. Биохимия тканей и жидкостей организма (кровь, моча и мышечная I ткань). Ко всем разделам Практикума даны вступления, кото-г рые, не эаменяя более подробного изложения вопроса в теорети-/ ческом курсе, должны помочь студенту в проведении лаборатор- ных работ. Пояснения по более мелким разделам и общие вступления к отдельным работам должны, кроме того, помочь студенту критически оценить значение получаемых им результатов. [c.3]

    Живые организмы вступают в теснейшую связь с окружающей их средой. Эта связь выражается прежде всего в непрерывном в течение жизни всякого организма процессе питания. Организм поглощает из окружающей среды вещества, из которых и образуются химические соединения, входящие в его состав. Автотрофы такой синтез осуществляют непосредственно и исключительно из неорганических веществ окружающей среды и используют солнечную энергию (фотосинтез) или химическую энергию (хемосинтез). Гетеротрофы прямо или косвенно исйользуют вещества и энергию ассимилированную автотрофа-ми. В результате этого элементарный состав всех живых [c.5]

    Азотные же соединения, входящие в состав растений н животных, имеют в них первостепенное значение ни одной растите.чьной или животной клетки, т. е. элементарной формы организма, не существует без содержания в неГт азотистого вещества жизнь организма прежде всего нро-яв.ляется в этих азотистых веществах. В зародыше, в семенах и в тех частях, которыми клетки размножаются, изобилуют азотистые вещества совокупность явлений, которые свойственны организмам, очень явно и тесно связана с химическими свойствами легко изменяющихся сложных (белковых) азотистых веществ, которые входят в их состав . [c.110]

    Состай клетки живого организма белк (простые—протеины II сложные —протеиды-), углеводы, жиры, вода (до 90 о). л иперальныЭлементарный состав летки (. О, Н, N. 5. Р, С . п.. lg, Ре, Са, К и др [c.36]

    Живые организмы резко отличаются друг от друга по своим лищевым потребностям. Однако элементарный состав пищи аналогичен и для микробов, и для высших животных, и для растительных организмов. Основными органогенами являются углерод, азот, кислород и водород. Кроме них для нормального развития организмов необходим ряд элементов Р, 5, К, Ре, Са, Mg. Потребность в них невелика, но присутствие их в питательной среде обязательно. Большинство микроорганизмов получают эти элементы из минеральных соединений КгНРО , MgSO,, РеОз и т. д. Помимо того, для нор- [c.57]

    Живые организмы резко отличаются друг от друга по своим пищевым потребностям. Однако элементарный состав пищи аналогичен и для микробов, и для высших животных, и для растительных организмов. Основными органогенами являются углерод, азот, кислород и водород. Кроме них для нормального развития организмов необходим ряд элементов Р, S, К, Fe, Са, Mg, Потребность в них невелика, но присутствие их в питательной среде обязательно. Большинство микроорганизмов получают эти элементы из минеральных соединений К2НРО4, MgS04, РеС1з и т.д. Помимо того, для нормальной жизнедеятельности микробов необходимы микроэлементы Zn, Со, Си, Ni и др. Часть из них входит в состав естественного питания микробов, часть усваивается ими из минеральных солей. [c.58]

    Электрохимический подход может оказаться полезным в познании элементарной природы основных биологических процессов. Именно поэтому привлекает внимание новая пограничная область науки — биоэлектрохимия, возникшая на границе электрохимии и биологии. На данном этапе большинство вопросов биоэлектрохимии связано с изучением свойств биологических мембран и их моделей. Клеточные или плазменные мембраны отделяют внутреннюю часть любой клетки живого организма от окружающей клетку среды. Так как состав раствора внутри клетки и в окружающей среде различен, то между ними всегда имеется некоторая разность потенциалов, а следовательно, вдоль мембраны всегда образуются двойные слои. Образование и взаимодействие двойных слоев позволяет объяснить целый ряд процессов в живом организме, например, такой важный процесс, как передача информации посредством нервного импульса. [c.406]

    Около 20 миллиардов лет назад произошел сверхмощный взрьш, и все пространство заполнилось раскаленными субатомными частицами с очень высокой энергией. Так возникла Вселенная. Постепенно, по мере остывания Вселенной, из этих элементарных частиц сформировались положительно заряженные ядра, к которым стали притягиваться отрицательно заряженные элек роны. Таким путем образовалось около сотни или несколько более химических элементов. Все атомы, присутствующие сегодня во Вселенной, в том числе и атомы, входящие в состав живых организмов, возникли в результате, этого большого взрыва , так что и мы, люди, и вообще все живые существа созданы из звездной пыли. [c.11]

    Единство живого и неживого с точки зрения химизма заключается прежде всего в общности их элементарного химического состава. Как вещества неживой, гак и живой природы состоят из одних и тех же элементов периодической системы. Однако, если многообразие первых обусловливается разнообразным сочетанием почти всех 104-х известных ныне элементов, то вторые образованы главным образом из углерода в результате его соединения с небольшим чнслОхМ таких элехментов, как Н, О, Н, 5, и некоторыми другими. Особое свойство углерода, его исключительная способность к реакциям обеспечивает образование неисчислимого количества соединений. В этом уже проявляется известное отличие, особенность биополимеров, Именно в силу общности элементарного химического состава частиц (.молекул), входящих как в состав веществ неживой природы, так и живых организмов, действуют одинаковые силы. Это известные химические связи ковалентные, ионные, водородные, межмолекуляр-ные силы Ван-дер-Ваальса и т. д. Других каких-либо особых сил между атомами в молекулах биологических структур не существует. [c.98]

    Элементарный мышьяк в незначительных количествах используется при изготовлении сплавов. Добавка к свинцу до 1,6% мышьяка придает ему твердость. Большое применение находят соединения мышьяка, особенно в медицине. Если в больших дозах для человека они ядовиты, то в незначительных количествах они способствуют укреплению организма, особенно нервной системы. Мышьяк входит в состав некоторых органических соединений, успешно применяемых для лечения инфекционных болезней. В малых количествах арсенит калия КзАзОз используется в сельском хозяйстве для лучшего роста и развития растений. Арсенат кальция Саз(Аз04)2 применяется для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур. АзгОз используется для обесцвечивания стекла, консервирования мехов, кожи, а также для борьбы с грызунами. [c.174]

    Итак, любой живой организм является таким телом, в основе существования которого лежит специфический обмен веществ. Этот обмен веществ является наиболее общим, определяющИхМ фактором для всех других элементарных свойств живого организма — питания, роста, размножения, раздражимости, движения и проч. Любой организм, чтобы осуществлять всю совокупность жизненных проявлений, вынужден непрерывно расходовать определенное количество энергии. Эта энергия освобождается в результате распада органических веществ, входящих в состав протоплазмы. Следовательно, организмы непрерывно разрушают свою собственную протоплазму. Эти процессы распада органических веществ, входящих в состав протоплазмы, называются процессами диссимиляции. [c.9]

    Молекулярный вес выделенных до настоящего времени нуклеиновых кислот (по данным Зигнера) не менее 1 млн. Согласно современным представлениям, каждая пара цепей нуклеиновых кислот соединена водородными связями между nypинoвы m заместителями г образованием палочкообразной двойной спирали (винтовая линия). Каждое основание в одной цепи соответствует определенному основанию в другой цепи. В живом организме водородные связи между обеими цепями при определенных условиях (например, при делении клетки) разрываются и каждая отдельная цепь вследствие необходимости специфической эквивалентности между входящими в ее состав основаниями становится матрицей для создания из элементарных звеньев цепи противоположного строения. Такой направленный синтез, по-види>юму, позволяет считать, что по крайней мере часть заключенных в хромосомах наследственных признаков связана с нуклеиновыми кислотами. Характерное для живого организма создание молекул различных белков также должно протекать по соответствующему матричному механизму. Значительный вклад в химию нуклеиновых кислот внес Тодд. Однако окончательное выяснение состава и строения нуклеиновых кислот — задача еще не разрешенная вследствие многообразия возможных структур, но очень важная как для понимания биологических процессов, так и для изучения структуры белков. [c.97]

---

Химический состав клетки. Биоэлементы



Вспомните!

1. Что такое химический элемент?

Определенный вид атома

2. Какие химические элементы преобладают в земной коре?

Наибольшее распространение в земной коре имеют 46 элементов, из них 8 составляют 97,2—98,8% ее массы, 2 (кислород й кремний) — 75% от общей массы Земли.

Распределение химических элементов в процентах от массы земном коры (по А. Е. Ферсману) следующее в %:

Кислород 49,13

Кремний 26,00

Алюминий 7,45

Железо 4,20

Кальций 3,25

Натрий 2,40

Первые 13 элементов (за исключением титана), наиболее часто встречающиеся в земной коре, входят в состав органического вещества растений, участвуют во всех жизненно необходимых процессах и играют важную роль в плодородии почв. Большое количество элементов, участвующих в химических реакциях в недрах Земли, приводит к образованию самых разнообразных соединений.

3. Что вам известно о роли таких химических элементов, как иод, кальций, железо, в жизнедеятельности организмов?

Биологическая роль кальция. Прежде всего, кальций является важнейшим структурным компонентом костей и зубов. Также кальций регулирует проницаемость клеточных мембран, а также инициирует ответы клеток на различные внешние стимулы. Присутствие кальция в клетки или во внеклеточной среде обуславливает дифференцировку клетки, а также сокращение мышц, секрецию и перистальтику. Кальций регулирует активность многих ферментов (включая ферменты систем свертывания крови). Кальций регулирует работу некоторых эндокринных желез, обладает десенсибилизирующим и противовоспалительным эффектом.

Основные функции кальция в организме:

– структурный компонент костей и зубов

– участвует в мышечных сокращениях

– регулирует проницаемость клеточных мембран

– участвует проводимости сигнала по нервным клеткам

– регулирует сердечную деятельность

– участвует в свертывании крови

Биологическая роль йода. Основная биологическая роль йода заключается в синтезе гормонов щитовидной железы (тироксина и трийодтиронина), через которые он и реализует следующие эффекты:

– стимулирует рост и развитие организма

– регулирует рост и дифференцировку тканей

– повышает артериальное давление, а также частоту и силу сердечных сокращений

– регулирует (увеличивает) скорость протекания многих биохимических реакций

– регулирует обмен энергии, повышает температуру тела

– регулирует белковый, жировой, водно-электролитный обмен

– регулирует обмен витаминов

– повышает потребление тканями кислорода

Железо входит в группу эссенциальных (жизненно важных) микроэлементов.

Ранее из-за относительно высокого содержания его в организме (4,0-4,5 грамма в теле взрослого человека) его относили к макроэлементам. Однако 75-80% железа сосредоточено в гемоглобине крови и еще примерно 20% железа запасается в печени и селезенке. В остальных же тканях его концентрация сопоставима с микроэлементами.

Биологическая роль железа

– обеспечивает транспорт кислорода (входит в состав гемоглобина)

– обеспечивает транспорт электронов в окислительно-восстановительных реакциях организма (входит в состав цитохромов и железосеропротеидов)

– участвует в формировании активных центров окислительно-восстановительных ферментов

Вопросы для повторения и задания

1. В чём заключается сходство биологических систем и объектов неживой природы?

В живой природе обнаружено около 90 химических элементов, т. е. большая часть всех известных на сегодняшний день. Никаких специальных элементов, характерных только для живых организмов, не существует, и это является одним из доказательств общности живой и неживой природы. Но количественное содержание тех или иных элементов в живых организмах и в окружающей их неживой среде существенно отличается. Например, кремния в почве около 33%, а в наземных растениях лишь 0,15%. Подобные различия указывают на способность живых организмов накапливать только те элементы, которые необходимы им для жизнедеятельности.

2. Перечислите биоэлементы и объясните, каково их значение в образовании живой материи.

Макроэлементы. I группа. Главными компонентами всех органических соединений, выполняющих биологические функции, являются кислород, углерод, водород и азот. Все углеводы и липиды содержат водород, углерод и кислород, а в состав белков и нуклеиновых кислот, кроме этих компонентов, входит азот. На долю этих четырёх элементов приходится 98% от массы живых клеток. II группа. К группе макроэлементов относятся также фосфор, сера, калий, магний, натрий, кальций, железо, хлор. Эти химические элементы являются обязательными компонентами всех живых организмов. Содержание каждого из них в клетке составляет от десятых до сотых долей процента от общей массы. Натрий, калий и хлор обеспечивают возникновение и проведение электрических импульсов в нервной ткани. Поддержание нормального сердечного ритма зависит от концентрации в организме натрия, калия и кальция. Железо участвует в биосинтезе хлорофилла, входит в состав гемоглобина (белка-переносчика кислорода в крови) и миоглобина (белка, содержащего запас кислорода в мышцах). Магний в клетках растений входит в состав хлорофилла, а в животном организме участвует в формировании ферментов, необходимых для нормального функционирования мышечной, нервной и костной тканей. В состав белков часто входит сера, а все нуклеиновые кислоты содержат фосфор. Фосфор также является компонентом всех мембранных структур. Среди обеих групп макроэлементов кислород, углерод, водород, азот, фосфор и сера объединяются в группу биоэлементов, или органогенов, на основании того, что они составляют основу большинства органических молекул.

3. Что такое микроэлементы? Приведите примеры и охарактеризуйте биологическое значение этих элементов.

Существует большая группа химических элементов, которые содержатся в организмах в очень низких концентрациях. Это алюминий, медь, марганец, цинк, молибден, кобальт, никель, иод, селен, бром, фтор, бор и многие другие. На долю каждого из них приходится не более тысячных долей процента, а общий вклад этих элементов в массу клетки — около 0,02%. В растения и микроорганизмы микроэлементы поступают из почвы и воды, а в организм животных — с пищей, водой и воздухом. Роль и функции элементов этой группы в различных организмах весьма разнообразны. Как правило, микроэлементы входят в состав биологически активных соединений (ферментов, витаминов и гормонов), и их действие проявляется главным образом в том, как они влияют на обмен веществ. Кобальт входит в состав витамина В12 и принимает участие в синтезе гемоглобина, его недостаток приводит к анемии.

Молибден в составе ферментов участвует в фиксации азота у бактерий и обеспечивает работу устьичного аппарата у растений.

Медь является компонентом фермента, участвующего в синтезе меланина (пигмента кожи), влияет на рост и размножение растений, на процессы кроветворения у животных организмов.

Иод у всех позвоночных животных входит в состав гормона щитовидной железы — тироксина. Бор влияет на ростовые процессы у растений, его недостаток приводит к отмиранию верхушечных почек, цветков и завязей.

Цинк действует на рост животных и растений, а также входит в состав гормона поджелудочной железы — инсулина.

Так, например, марганец улучшает усвоение организмом меди, а фтор влияет на метаболизм стронция. Обнаружено, что некоторые организмы интенсивно накапливают определённые элементы.

Например, многие морские водоросли накапливают иод, хвощи — кремний, лютики — литий, а моллюски отличаются повышенным содержанием меди.

Микроэлементы широко используют в современном сельском хозяйстве в виде микроудобрений для повышения урожайности культур и в качестве добавок к кормам для увеличения продуктивности животных. Применяют микроэлементы и в медицине.

4. Как отразится на жизнедеятельности клетки и организма недостаток какого-либо микроэлемента? Приведите примеры таких явлений.

Нехватка селена приводит к возникновению у человека и животных раковых заболеваний. Каждый элемент играет свою определённую, очень важную роль в обеспечении жизнедеятельности организма. Как правило, биологический эффект того или иного микроэлемента зависит от присутствия в организме других элементов, т. е. каждый живой организм — это уникальная сбалансированная система, нормальная работа которой зависит, в том числе, и правильного соотношения её компонентов на любом уровне организации.

5. Расскажите об ультрамикроэлементах. Каково их содержание в организме? Что известно об их роли в живых организмах?

Существует группа химических элементов, которые содержатся в организмах в следовых, т. е. ничтожно малых, концентрациях. К ним относят золото, бериллий, серебро и другие элементы. Физиологическая роль этих компонентов в живых организмах пока окончательно не установлена.

6. Приведите примеры известных вам биохимических эндемий. Объясните причины их происхождения.

Резкий недостаток или, наоборот, избыток какого-либо химического элемента вызывает в пределах таких зон возникновение биогеохимических эндемий — заболеваний растений, животных и человека. Во многих районах нашей страны — на Урале и Алтае, в Приморье и в Ростовской области количество иода в почве и в воде значительно снижено. Если человек не получает с пищей нужного количества иода, у него снижается синтез тироксина. Щитовидная железа, пытаясь компенсировать нехватку гормона, разрастается, что приводит к образованию так называемого эндемического зоба. Особенно тяжёлые последствия от недостатка иода возникают у детей. Сниженное количество тироксина приводит к резкому отставанию в умственном и физическом развитии. Чтобы предотвратить заболевания щитовидной железы, врачи рекомендуют подсаливать пищу специальной солью, обогащённой иодидом калия, употреблять рыбные блюда и морскую капусту.

7. Составьте схему, иллюстрирующую элементный химический состав живых организмов.

Подумайте! Вспомните!

1. По какому принципу все химические элементы, входящие в состав живой природы, разделяют на макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы? Предложите свою, альтернативную, классификацию химических элементов, основанную на другом принципе.

По процентному содержанию в живых клетках.

Классификация:

— биогенные элементы,

— абиогенные элементы.

Классификация:

— ионы металлов

— ионы неметаллов (бескислородные)

— ионы кислотных остатков кислородсодержащих кислот.

2. Иногда в учебниках и пособиях вместо словосочетания «элементный химический состав» можно встретить выражение «элементарный химический состав». Объясните, в чём некорректность такой формулировки.

Элементный – означает, состоящий из элементов, в данном случае химических, а элементарный – означает, слишком простой, поверхностный, ограниченный.

3. Выясните, существуют ли какие-либо особенности химического состава воды в местности, где вы живёте (например, избыток железа или нехватка фтора и т. д.). Используя дополнительную литературу и ресурсы Интернета, определите, какое влияние это может оказать на организм человека.

Некоторые водные ресурсы Челябинской области

Озеро Смолино. По химическому составу вода в озере относится к хлоридному классу, группе магния. Минерализация озерной воды высокая – 1400–1840 мг/л. Среднегодовые концентрации металлов составили: меди – 5,5 ПДК, цинка – 6,1 ПДК, марганца в северной части акватории – 6,4. Озеро Первое. По химическому составу вода в озере относится к хлоридному классу с переходом в гидрокарбонатный, группу кальция. Минерализация озерной воды повышенная – 602–983 мг/л. Среднегодовые концентрации трудноокисляемых органических соединений (ХПК) составило 1,8 ПДК, фторидов – 2,6 ПДК, меди – 5,3 ПДК, цинка – 5,8 ПДК, марганца в северной части акватории – 5,2 ПДК, в южной – 3,7 ПДК. Озеро Чебаркуль. По химическому составу вода в озере относилась к гидрокарбонатному классу, группе кальция. Среднегодовые концентрации составили: органических соединений по БПК5 – 1 ПДК, ХПК – 2,1 ПДК, азота аммония – 0,7 ПДК, азота нитритов и меди – 2 ПДК, цинка – 2,5 ПДК, марганца – 4,3 ПДК. Озеро Тургояк. Озеро Тургояк не испытывает техногенной нагрузки и используется в рекреационных целях. По химическому составу вода в озере относилась к гидрокарбонатному классу, группе кальция. Содержание в воде биогенных компонентов, нефтепродуктов, СПАВ, фторидов не превышало рыбохозяйственных нормативов, средняя концентрация органических соединений по ХПК превышала ПДК в 1,4 раза, марганца – 1,2 ПДК, меди – 2,8 ПДК, цинка – 3,4 ПДК.

Избыток марганца

Токсической дозой для человека считается 40 мг марганца в день, летальная — не установлена. Не было выявлено фактов отравления человека марганцем из пищевых продуктов, зафиксированы случаи острой интоксикации марганцевой пылью на производстве. Развиваются тяжелые нарушения психики, в том числе галлюцинации – «марганцевое безумие», гипермоторика, гиперраздражительность. Появлению симптомов при хроническом отравлении предшествует несколько лет.

Симптомы избытка марганца:

Упадок сил, повышенная утомляемость, вялость, снижение памяти, депрессивные состояния. Двигательные нарушения: расстройства мышечного тонуса, походки, атрофия мышц, скованность и замедленность движений, парестезии. Энцефалопатия, паркинсонизм. Интерстициальные заболевания лёгких, манганокониоз.

Избыток цинка в организме

Доза цинка свыше 200 мг в сутки является рвотным средством.Продолжительный прием добавок цинка, превышающих 150 мг в день, становится причиной ухудшения работы иммунитета и появления эрозий в желудке. Среди признаков острого отравления цинком отмечались: боли в области эпигастрии, рвота, тошнота, диарея. Хроническая интоксикация приводила к вторичному дефициту меди.

Причины избытка цинка в организме:

Чрезмерное количество поступления цинка в организм, к примеру, в процессе контакта с соединениями микроэлемента в условиях производства.Неконтролируемый прием препаратов цинка, включая цинковые мази.Нарушения цинкового обмена.

Симптомы избытка цинка:

Снижение работы иммунной системы, развитие аутоиммунных реакций. Патологические состояния ногтей, кожи, волос. Боли в области желудка, тошнота. Понижение уровня кадмия, меди, железа в организме. Нарушения работы печени, поджелудочной железы, простаты.

Избыток меди в организме

Токсичной дозой является количество 200 – 250 мг в сутки. Случаи острого отравления медью были зафиксированы: в попытках самоубийства; при наружном использовании; при случайном употреблении детьми; при приеме загрязненной питьевой воды или воды и напитков из медных контейнеров; у рабочих, трудившихся на виноградниках и применяющих соединения из меди в качестве пестицидов.

Причины избытка меди:

Избыточное поступление микроэлемента в организм: в условиях производства через вдыхание пыли и паров соединений меди, в быту — в результате отравлений растворами соединений меди, применения посуды из меди. Нарушения обмена микроэлемента.

Симптомы избытка меди:

Нарушения работы ЦНС: депрессивные состояния, бессонница, снижение памяти. «Медная лихорадка» при вдыхании паров: значительное повышение температуры, обильное потоотделение, озноб, спазмы в икроножных мышцах. Пыль и окись меди провоцирует слезотечение, раздражение слизистых оболочек и конъюнктивы, чихание, жжение в зеве, головную боль, слабость, боли в мышцах, желудочно-кишечные расстройства. Нарушения работы почек и печени. Развитие цирроза печени и вторичное поражение головного мозга, обусловленное наследственным нарушением белкового обмена и обмена меди — болезнь Вильсона-Коновалова. Эта наследственная патология, связанная с процессом накопления меди в печени. Аллергические дерматозы: нейродермит, экземы, крапивница. Повышение вероятности развития атеросклероза. Эритроцитолиз (разрушение эритроцитов с выделением гемоглобина), гемоглобин в моче, малокровие. Отложение избытка микроэлемента в ткани головного мозга, в печени, миокарде, коже, поджелудочной железе.

»Каков элементный состав клетки?

Каков элементный состав клетки?

Reader Mode

Одна из самых интересных химических асимметрий, связанных с жизнью на Земле, — это несоответствие между составом клеток и неодушевленной материей. В результате богатых и разнообразных метаболических процессов, которые заставляют клетки работать, живая химия в значительной степени построена на углероде, кислороде, азоте и водороде, причем эти элементарные компоненты служат ключевыми строительными блоками, составляющими сухой вес клетки.

Рис. 1: Оценка количества атомов в человеческом теле на оборотной стороне конверта. Основываясь на основных элементах тела, масса человека преобразуется в моли атомов, а оттуда в абсолютное число, дающее быструю оценку порядка величины.

Сухая масса E. coli содержит на каждый атом азота примерно 2 атома кислорода, 7 атомов водорода и 4 атома углерода. Следовательно, эмпирический состав может быть аппроксимирован как C ₄ : H ₇ : O ₂ : N _1. Эмпирический состав на основе углерода дает эквивалентный эмпирический состав C: H _1,77 : O _0,49 : N _0,24 (BNID 101800). В абсолютном выражении в клетке E. coli среднего размера (BNID 103010) содержится около ≈10 ¹⁰ атомов углерода, что примерно соответствует количеству людей на Земле и, что интересно, меньше, чем количество транзисторов в ней. современный компьютерный чип. Пропорциональный состав бутоновых дрожжей аналогичен, а именно C: H _1.61 : O _0,56 : N _0,16 (BNID 101801). Сколько атомов в человеческом теле? Можно было бы ответить «это зависит» (например, от веса), но мы предпочитаем оценивать порядок величин, как показано на рисунке 1, думая о взрослом, вес которого несколько меньше 100 кг, и об атоме в человеческом теле. в среднем с массой 10 Да, таким образом достигая примерно 1000 моль или где-то между 10 ²⁷ -10 ²⁸ атомов.

Рис. 2: Сравнение элементного состава по массе в процентах для наиболее распространенных элементов в теле человека (А) и земной коры и (В) океане.Изображены только элементы, концентрация которых в человеческом теле составляет не менее 1 части на миллион. Некоторые элементы, концентрация которых ниже минимального значения на оси абсцисс, обозначены стрелкой. Данные из BNID 110362, 107256, 107257, 107258, 103490.

Как отмечалось выше, интересно сравнить состав ячеек с составом клеток земной коры или океанов, как показано на Рисунке 2 (BNID 101362). Поразительно, но углерод и водород, составляющие большую часть живого вещества, относительно редко встречаются в земной коре.Углерод является только 17 ^-м наиболее распространенным элементом, а водород — чуть более высоким компонентом, занимающим 10 ^-е место, далеко позади основных составляющих, кислорода (60,5%), кремния (20,5%) и алюминия (6,2%). ). Точно так же в атмосфере основное углеродсодержащее соединение CO _2, составляет всего ≈380 частей на миллион, и извлечение этого разбавленного ресурса является основной причиной необходимости поливать растения. Растения теряют воду, открывая устьица — маленькие поры на листьях, через которые проходят молекулы углекислого газа.На этот повседневный процесс приходится две трети потребления воды человечеством (BNID 105887). Водород, который преобладал в ранней атмосфере Земли, был утерян в космосе на протяжении всей истории Земли. Этот процесс потери является результатом низкой массы водорода, поскольку тепловые скорости, которые он достигает при высоких температурах, преобладающих в верхних слоях атмосферы, обеспечивают достаточную кинетическую энергию для преодоления гравитационного притяжения Земли. Эта струйка продолжается сегодня со скоростью ≈3 кг / с из земной атмосферы (Catling 2009).

Рисунок 3: Расчет обратной стороны конверта для оценки соотношения различных элементов в ячейке. Учитываются только доминирующие составляющие, а именно аминокислоты, составляющие белки, и нуклеотиды, составляющие РНК и ДНК.

Можем ли мы сказать что-то еще об элементном составе живого вещества, размышляя о составе основных макромолекулярных компонентов клетки? В частности, как мы можем вывести элементные соотношения на основании нашего знакомства с компонентами клетки, не обращаясь к эмпирическим измерениям? Бактериальная клетка содержит около 55% белка, 20% нуклеиновых кислот, 10% липидов и еще 15% различных других компонентов (по весу, BNID 101436).Используя тот факт, что массовое отношение белков к нуклеиновым кислотам составляет примерно 3: 1, мы исследуем на рисунке 3, как далеко могут уйти несколько простых фактов об этих двух доминирующих компонентах при оценке элементного состава клетки.

Нуклеотид состоит из фосфатного (PO ₄ ) и рибозного (C ₅ H ₈ O ₂ ) каркаса и основания (~ N ₅ C ₅ O ₁ H ₆ — на примере гуанина).Таким образом, общий химический состав P ₁ N ₅ O ₇ C ₁₀ H ₁₄ с общей массой около 350 Дальтон (BNID 104886). Аминокислота состоит из скелета с пептидной связью –RC (O) NH-, где первая группа (R) представляет собой углерод, несущий остаток, который в среднем состоит примерно из 3 атомов углерода, 1 кислорода и 6 атомов водорода, что приводит к общему количеству атомов углерода. элементный состав N ₁ C ₅ O ₂ H ₈ и масса около 110 Дальтон (BNID 104877).Если мы сосредоточим наше внимание только на содержании белков и нуклеиновых кислот в клетках, мы теперь готовы оценить общий состав клетки. Чтобы понять это, напомним, что масса белка в типичной бактерии примерно в 3 раза больше, чем масса нуклеиновых кислот. Кроме того, поскольку нуклеиновые кислоты примерно в три раза превышают массу аминокислот, это означает, что на каждый нуклеотид приходится примерно 10 аминокислот. Нам необходимо оценить химический состав смеси из 10 аминокислот и 1 нуклеиновой кислоты, что приведет к стехиометрическому соотношению 10 × (NC ₅ O ₂ H ₈ ) + 1 × (PN ₅ O ₇ C ₁₀ H ₁₄ ) = (C ₆₀ : O ₂₇ : H ₉₄ : N ₁₅ : P ₁ ).Нормировав по количеству атомов азота, получим C ₄ : H _6,3 : O _1,8 : N ₁ , что довольно близко к эмпирическому значению C ₄ : H ₇ : O ₂ : N ₁ (или C: H _1,77 : O _0,49 : N _0,24 ). Эта оценка может быть уточнена, если мы включим следующий по величине вклад в клеточную массу, а именно липиды, на которые приходится ~ 10% этой массы. Эти молекулы в основном состоят из жирных кислот, которые содержат примерно вдвое больше атомов водорода, чем углерод, и очень мало кислорода.Таким образом, включение липидов в нашу оценку увеличит долю H и уменьшит долю O, что приблизит нашу грубую оценку к измеренной элементной формуле клеточной биомассы. Смысл оценки того, что уже известно с помощью эмпирической формулы, состоит в том, что это служит критической проверкой нашего понимания основных биологических компонентов, определяющих состав клетки.

Почему именно эти элементы были выбраны для выполнения биологических ролей? Почему углерод является основой жизни, какой мы ее знаем? Эти вопросы обсуждаются в подробных книгах по этой теме (фраусто да Силва и Уильямс, Стернер и Эльзер).В заключение мы отметим, что в области элементарной стехиометрии жизни все еще могут быть сюрпризы. Например, в недавней громкой публикации утверждалось, что раскрывается существование бактерий, которые заменяют использование фосфата элементом мышьяка, который находится на одну строчку ниже в периодической таблице и очень распространен в озере Моно, Калифорния. Однако более тщательные исследования показали, что эти организмы обладают высокой устойчивостью к отравлению мышьяком, но по-прежнему нуждаются в фосфате. Активная дискуссия, опровергающая первоначальные утверждения, привела к возобновлению интереса к тому, как свойства элементов сдерживают эволюцию.

56847 Всего просмотров 16 просмотров сегодня

4.1 Химический состав ячейки

4.1 Химический состав ячейки

Химические соединения в клетке можно разделить на две основные группы: органические и неорганические соединения

Органические соединения — это химические соединения, содержащие элемент углерод. Органические соединения в клетке включают углеводы, белки, липиды и нуклеиновые кислоты. Некоторые из этих соединений синтезируются самой клеткой.

Вода — неорганическое соединение, состоящее из водорода и кислорода. Это важное соединение в клетке.

Процент от массы тела	Элемент	Использование
65%	Кислород	Этот элемент, несомненно, является наиболее важным элементом человеческого тела. Атомы кислорода присутствуют в воде, которая является наиболее распространенным в организме соединением, и другими соединениями, из которых состоят ткани. Он также обнаруживается в крови и легких из-за дыхания.
18,6%	Углерод	Углерод содержится в каждой органической молекуле в организме, а также в продукте жизнедеятельности (углекислый газ). Обычно он попадает в пищу, которую едят.
9,7%	Водород	Водород содержится во всех молекулах воды в организме, а также во многих других соединениях, составляющих различные ткани.
3,2%	Азот	Азот очень часто встречается в белках и органических соединениях.Он также присутствует в легких из-за его большого количества в атмосфере.
1,8%	Кальций	Кальций — это основной компонент скелетной системы, включая зубы. Он также содержится в нервной системе, мышцах и крови.
1,0%	фосфор	Этот элемент встречается в костях и зубах, а также в нуклеиновых кислотах.
0,4%	Калий	Калий содержится в мышцах, нервах и некоторых тканях.
0,2%	Натрий	Натрий выделяется с потом, но также содержится в мышцах и нервах.
0,2%	Хлор	Хлор присутствует в коже и способствует поглощению воды клетками.
0,06%	Магний	Магний служит кофактором различных ферментов в организме.
0,04%	сера	Сера присутствует во многих аминокислотах и ​​белках.
0,007%	Утюг	Железо в основном содержится в крови, поскольку оно облегчает транспортировку кислорода.
0,0002%	Йод	Йод содержится в некоторых гормонах щитовидной железы.

Важность органических соединений в клетке

1. Углеводы

• Энергия для клеточных процессов
• Средство хранения энергии
• Обеспечивает структурную поддержку клеточных стенок

2.Липиды

• Хранить большое количество энергии в течение длительного времени
• Действовать как источник энергии
• Играют важную роль в структуре клеточных мембран
• Действовать как источник метаболической воды
• Уменьшить потерю воды за счет испарения

3. Белки

• Действовать как строительные блоки многих структурных компонентов клетки; требуется для роста
• Образует ферменты, катализирующие химические реакции
• Образует гормоны, контролирующие рост и метаболизм

4.Нуклеиновые кислоты

• Содержат генетическую информацию клеток
• Играет жизненно важную роль в синтезе белка

Значение воды в ячейке

• Вода важна для жизни, потому что ее химические и физические свойства позволяют поддерживать жизнь.
• Вода — полярная молекула, состоящая из 2 атомов водорода и 1 атома кислорода. Полярная молекула — это молекула с неравномерным распределением зарядов. Каждая молекула имеет положительно заряженный и отрицательно заряженный конец.Полярные молекулы притягиваются друг к другу так же, как и ионы. Благодаря этому свойству вода считается растворителем жизни.
• Транспортная среда в крови
• Он действует как среда для биохимических реакций.
• Вода помогает поддерживать стабильную внутреннюю среду в живом организме. Концентрация воды и неорганических солей, растворяющихся в воде, важна для поддержания осмотического баланса между кровью и межклеточной жидкостью.
• Помогает при смазке.
• Молекулы воды обладают очень высокой когезией. Молекулы воды имеют тенденцию прилипать друг к другу и перемещаться длинными непрерывными столбиками через сосудистые ткани растений.

Нравится:

Нравится Загрузка …

Связанные

Химический состав клетки, неорганические соединения, органические соединения

Эта запись была опубликована 8 сентября 2011 г., 19:37 и относится к главе 4: Химический состав клетки.Вы можете следить за любыми ответами на эту запись через RSS 2.0. Вы можете оставить отзыв или откликнуться со своего сайта.

Какие основные химические элементы содержатся в клетках в биологии?

Обновлено 30 апреля 2018 г.

Автор: Дэвид Х. Нгуен, Ph.D.

Клетки живых существ состоят в основном из четырех элементов: углерода, водорода, кислорода и азота. Они составляют 96% атомов живых существ, поэтому их можно считать основными химическими веществами.Однако, в зависимости от того, как вы определяете основные, другие элементы, составляющие лишь несколько процентов ячеек, могут возглавлять список. Если «майор» означает также необходимость для жизни, то «микроэлементы» очень важны, хотя они составляют всего 0,5% атомов в организме.

TL; DR (слишком долго; не читал)

Четыре самых важных элемента в клетках — это углерод, водород, кислород и азот. Однако другие элементы, такие как натрий, калий, кальций и фосфор, также важны.

Большая четверка

Углерод, водород, кислород и азот известны как основные «органические» элементы, потому что они образуют строительные блоки, делающие жизнь возможной.Среди этих четырех углерод, пожалуй, самый особенный, поскольку он может образовывать связи с самим собой и создавать молекулы, которые имеют множество различных форм. Молекулы углерода могут быть короткими, длинными, изогнутыми, разветвленными и кольцевыми. Четыре класса макромолекул, которые делают возможной жизнь (белки, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты), состоят из углерода вместе с тремя другими основными органическими элементами.

Основные элементы

Помимо большой четверки, упомянутой выше, следующими основными элементами будут фосфор, сера, натрий, хлор, калий, кальций и магний.Они составляют 3,5% живых существ. Фосфор помогает соединить отдельные звенья ДНК в длинную цепочку. Сера образует мосты между различными частями белка, которые помогают придать белку его трехмерную форму. Натрий, хлор, калий и кальций необходимы нервным клеткам для передачи электрических сигналов другим клеткам. А некоторым ферментам для работы требуется магний.

Микроэлементы

Микроэлементы присутствуют в организмах в небольших количествах и составляют всего 0,5% живых клеток.Однако живые существа не смогли бы выжить без микроэлементов. Микроэлементы включают:

• железо
  
• йод
  
• марганец
  
• молибден
  
• селен
  
• кремний
  
• олово
  
9027 9027 ванадий ванадий 9027
• медь
  
• фтор

Железо содержится в красных кровяных тельцах и помогает переносить кислород в кровоток.Йод важен для выработки различных форм гормона щитовидной железы, который регулирует рост и уровень энергии у людей. Многие из микроэлементов необходимы ферментам для протекания химических реакций.

Важность воды

Вода состоит из двух атомов водорода, связанных с атомом кислорода. Хотя вода существует в виде отдельных молекул и не образует физических связей с белками, липидами, углеводами и нуклеиновыми кислотами, она необходима для жизни. Молекулы, делающие жизнь возможной, работают, только если они растворены в воде.Ферменты ускоряют химические реакции, липиды служат хранилищами энергии, а сахара легко расщепляются для получения энергии, но все это возможно, потому что эти молекулы плавают в водной среде. Водород и кислород в воде — два из четырех больших элементов жизни, но эти два служат определенной цели, как вода, по сравнению с целями, которым они служат, когда они являются частью углеродсодержащих органических молекул.

Химический состав тела

Тело состоит из различных молекул, которые, в свою очередь, состоят из элементов или соединений

Чтобы полностью понять механизмы физиологии человека, важно иметь представление о химический состав тела.Это пригодится при рассмотрении различных взаимодействий между клетками и структурами. Мы замалчиваем основную химию; однако, если есть конкретные вопросы относительно химии и ее влияния на биологическую функцию, не стесняйтесь спрашивать на Forum .

Атомы

Атом — это наименьшая единица вещества с уникальными химическими свойствами. Атомы — это химические единицы клеточной структуры. Они состоят из центрального ядра с протонами и нейтронами и орбиты (орбит) электронов.Протон несет положительный заряд +1, а нейтрон не имеет заряда. Таким образом, ядро ​​имеет чистый положительный заряд. Электроны несут отрицательный заряд –1 и, следовательно, притягиваются к положительному ядру. В общем, количество протонов обычно равно количеству электронов. Напомним, что атомы обладают уникальными (индивидуальными) химическими свойствами, и поэтому каждый тип атома называется химическим элементом или просто элементом.

Атомный номер означает количество протонов в атоме, а атомный вес означает количество протонов и нейтронов в атоме, измеренное в дальтонах.Элементы могут существовать в нескольких формах, называемых изотопами; единственная разница — количество нейтронов в ядре, в то время как протоны и электроны всегда остаются такими же, как и исходный элемент.

Форма и функции человеческого тела зависят от четырех основных элементов: водорода (H), кислорода (O), углерода (C) и азота (N).

Связь

Атомы образуют молекулы, когда два или более соединяются вместе.

A ₁ —связь — A ₂ = Молекула: A ₁ A ₂

Ковалентные связи образуются, когда электроны на внешней орбите разделяются между двумя атомами.Благодаря этому типу связи молекулы могут вращаться вокруг своих общих электронов и изменять форму. Каждый атом образует характерное количество ковалентных связей. Количество связей зависит от количества электронов на внешней орбите.

Например:

• Водород (H) имеет атомный номер 1 с 1 электроном на внешней орбите. Водород образует 1 связь (одинарную), что означает: 1 электрон используется совместно.
• Кислород (O) имеет атомный номер 8 и 6 электронов на внешней орбите.Таким образом, кислород образует 2 связи (двойные связи), что означает: 2 электрона являются общими.
• Азот (N) имеет атомный номер 7 и 5 электронов на внешней орбите. Азот образует 3 связи (тройная связь), что означает: 3 общих электрона.
• Углерод (C) имеет атомный номер 6 с 4 электронами на внешней орбите. Углерод образует 4 связи, что означает: 4 общих электрона.

В целом: количество электронов на внешней орбите + общие электроны = 8 (полный октет)

Обратите внимание, что любой общий электрон пытается достичь стабильного состояния.В большинстве атомов это октет или восемь электронов на внешней орбите. Обратите внимание, что у водорода есть место только для 2 электронов на его внешней орбите, одного присутствующего и одного общего.

Ионы — это атомы с чистым электрическим зарядом из-за усиления или потери одного или нескольких электронов. Ионные связи — это связи, образованные между двумя противоположно заряженными ионами. Катионы — это ионы с чистым положительным зарядом, а анионы — с чистым отрицательным зарядом.

Ионные формы элементов важны для организма, так как они способны проводить электричество при растворении в воде.Эти ионы называются электролитами . Отдельные атомы или атомы, которые ковалентно связаны в молекулах, могут подвергаться ионизации. См. Примеры ниже.

NaCl ↔ Na ⁺ + Cl ^—
R-COOH ↔ R-COO- + H ⁺
R-NH ₂ + H ⁺ ↔ R-NH ₃

Где R представляет собой любую молекулу, присоединенную к показанной функциональной группе .

Атом с единственным электроном на внешней орбитали известен как свободный радикал.Свободные радикалы очень реактивны и недолговечны. С точки зрения организма они ответственны за распад клеток. Поражение солнцем — классический пример действия свободных радикалов на клетки кожи.

Полярные связи — это связи, в которых электроны распределены неравномерно. Неравное распределение дает атому с более высокой долей более отрицательный заряд, а атом с более низкой долей электронов имеет немного более положительный заряд.

Водородные связи — это слабые связи между атомом водорода (более положительный, меньшая доля электрона) в одной полярной связи и атомом кислорода или азота (более отрицательный, большая доля электрона) в другой полярной связи.

H – O- — — — — — — — -H – O – H
|
H
(Молекула 1) (Молекула 2)

Водородная связь между водородом одной молекулы воды и кислородом другой. Эти связи довольно слабые.

Вода

Вода — самая распространенная молекула в организме человека (~ 98-99%). Оба атома водорода прикреплены к одиночному атому кислорода полярными связями. Кислород имеет слегка отрицательный заряд, а каждый атом водорода имеет слегка положительный заряд.Это позволяет образовывать водородные связи между положительными атомами водорода и отрицательными атомами кислорода соседних молекул воды. Состояние воды определяется слабыми водородными связями. Связки остаются нетронутыми при низких температурах, а вода замерзает. При повышении температуры связи ослабевают, и вода становится жидкостью. Если температура будет достаточно высокой, связи полностью разорвутся, и вода превратится в газ.

Растворы

Вещества, растворенные в жидкости, называются растворенными веществами, а сама жидкость называется растворителем.Термин «раствор» относится к конечному продукту, когда растворенные вещества растворяются в растворителе.

Поскольку вода является наиболее распространенной молекулой в организме человека, неудивительно, что вода является самым распространенным растворителем. В организме в большинстве химических реакций участвуют молекулы, растворенные в воде. Гидрофильные (водолюбивые) молекулы — это молекулы, которые легко растворяются в воде. Обычно к гидрофильным молекулам присоединены полярные группы (например, ОН-) и / или ионизированные (например, COO- или NH ²⁺ ) функциональные группы.Напротив, молекулы, которые не притягиваются к воде, называются гидрофобными молекулами (водобоязненными). Это молекулы с электрически нейтральными ковалентными связями (например, молекулы с углеродными цепями). При смешивании неполярных молекул с водой образуются две фазы (слои). Хорошим примером является смешивание масла и воды, а затем дать емкости на некоторое время застыть. Будет видно два отдельных слоя.
Молекулы с полярной / ионизированной областью и одним концом и неполярной областью на другом конце называются амфипатическими , поскольку молекула обладает как гидрофильными, так и гидрофобными характеристиками.Если амфипатические молекулы смешиваются с водой, молекулы образуют кластеры с полярными (гидрофильными) участками на поверхности, где они будут контактировать с водой, и неполярными (гидрофобными) участками, расположенными в центре кластера вдали от контакт с водой. Расположение повысит общую растворимость в воде.

Концентрация

Что касается растворов, концентрация — это количество растворенного вещества, присутствующего в единице объема раствора. Значения концентрации не отражают количество присутствующих молекул.

Кислотность

Кислота — это молекула, которая выделяет протоны (ионы водорода) в растворе. И наоборот, основание — это молекула, которая может принимать протон. Кислоты и основания можно разделить на сильные. Сильная кислота — это кислота, которая выделяет все свои ионы водорода в раствор. Соляная кислота (HCl) — отличный пример сильной кислоты. Слабые кислоты — это кислоты, которые не полностью ионизируются или не теряют свои ионы водорода в растворе. Концентрация свободных ионов водорода (протонов) называется кислотностью раствора.Единица измерения pH = -log [H ⁺ ], где [H ⁺ ] — концентрация свободных ионов водорода. pH является очень важным понятием в биологических системах и, безусловно, имеет большое значение в процессах физиологии человека. Чистая вода называется нейтральным раствором и имеет значение pH 7. Щелочные растворы также известны как щелочные растворы и поэтому имеют более низкую концентрацию ионов водорода [H ⁺ ]. PH щелочных растворов больше 7. Кислые растворы имеют высокую концентрацию ионов водорода [H ⁺ ].PH кислых растворов меньше 7. Каждая цифра на шкале pH указывает на 10-кратное изменение концентрации водорода [H ⁺ ]. Лакмусовая бумага — это тест-полоски, которые определяют pH на основе изменения цвета бумаги после погружения полоски в раствор.

Органические молекулы

Органические молекулы содержат углеродные скелеты. Каждый атом углерода образует 4 ковалентные связи с другими атомами, в частности с другими атомами углерода, а также с атомами водорода, азота, кислорода и серы.Соединяя вместе множество более мелких молекул, углерод может образовывать очень большие полимеры (макромолекулы), многие из которых важны для физиологии человека.

Углеводы

Эти важные молекулы на основе углерода жизненно важны для жизни, поскольку они обеспечивают клетки энергией. Углеводы состоят из углерода, водорода и кислорода в определенной пропорции. Если n — любое целое число, формула имеет следующий вид: Cn (H ₂ O) n.

H — C —OH

Углеводы легко растворимы в воде благодаря полярным гидроксильным (OH-) группам.Большинство из них имеют сладкий вкус и известны под общим названием: сахар.

Моносахариды — это простейшие сахара. Глюкоза (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) является наиболее распространенной и называется сахаром в крови, потому что это основной моносахарид в крови. Обычные моносахариды в организме содержат 5 или 6 атомов углерода и называются пентозами и гексозами соответственно.

Дисахариды — это углеводы, состоящие из двух моносахаридов, связанных вместе. Сахароза состоит из глюкозы и фруктозы.Мальтоза состоит из глюкозы и цепей глюкозы. Лактоза, молочный сахар, состоит из глюкозы и галактозы.

Атом кислорода связывает моносахариды за счет удаления атома водорода с одного конца и гидроксильной группы с другого. Гидроксильная группа и водород объединяются, образуя молекулу воды. Следовательно, гидролиз дисахарида приведет к разрыву образованной связи и разъединению двух моносахаридов.
Полисахариды образуются, когда многие моносахариды соединяются в длинные цепи.Гликоген в клетках животных и крахмал в клетках растений состоят из тысяч молекул глюкозы, связанных вместе.

Липиды

Жиры для неспециалистов. Липиды преимущественно состоят из атомов водорода и углерода, связанных между собой нейтральными ковалентными связями. Липиды неполярны и, следовательно, плохо растворяются в воде. При изучении физиологии человека необходимо знать четыре основных класса липидов.

Жирные кислоты представляют собой цепочки атомов углерода и водорода с карбоксильной группой на одном конце.Как правило, они состоят из четного числа атомов углерода, поскольку синтезируются путем соединения фрагментов, состоящих из двух атомов углерода. Если все атомы углерода связаны одинарными ковалентными связями, цепь называется насыщенной жирной кислотой. Если цепь состоит из двойных связей, она называется ненасыщенной жирной кислотой. Кроме того, если в цепи присутствует только одна двойная связь, то это мононенасыщенная жирная кислота, а если присутствует более одной двойной связи, она называется полиненасыщенной жирной кислотой.

Триацилглицерины или триглицериды составляют большинство липидов в организме. Они образуются путем связывания каждой из 3 гидроксильных групп глицерина с карбоксильными группами трех жирных кислот, отсюда и слово «три» в названии. Когда триацилглицерин гидролизуется, жирные кислоты высвобождаются из глицерина, и продукты могут метаболизироваться, чтобы обеспечить энергию для функций клеток.

Триацилглицерины имеют близких родственников, называемых фосфолипидами. Единственное отличие состоит в том, что одна из гидроксильных групп глицерина связана с фосфатом.Фосфолипид имеет неполярный участок жирной кислоты, поэтому молекула является амфипатической. Фосфолипиды очень важны для построения мембран в организме.
Наконец, стероиды состоят из 4 взаимосвязанных колец атомов углерода. Они могут иметь несколько полярных гидроксильных групп, прикрепленных к кольцам. Стероиды не растворяются в воде из-за их полярности. Половые гормоны, такие как тестостерон и эстроген, являются примерами стероидов, а также холестерина и кортизола.

Белки

Помимо обычных четырех элементов — углерода, водорода, кислорода и азота, белки также содержат серу и другие элементы в небольших количествах.Белки — это очень большие молекулы связанных субъединиц, называемых аминокислотами. Они образуют очень длинные цепочки.

Аминокислоты состоят из амино (NH ₂ ) и карбоксильной (COOH) группы, которые связаны с концевым атомом углерода. Где R представляет собой другую функциональную группу или углеродную цепь, известную как боковая цепь аминокислоты.

H
|
R — C — COOH
|
Nh3

Белки в живых организмах состоят из одного и того же набора из 20 аминокислот.Каждая аминокислота отличается своей боковой цепью ( R ).

Поскольку аминокислоты соединяются вместе пептидными связями, они образуют полипептид или последовательность аминокислот, связанных пептидными связями. Пептидная связь возникает, когда карбоксильные группы одной аминокислоты образуют полярную ковалентную связь с аминогруппой другой аминокислоты. При образовании этой связи высвобождается одна молекула воды. Вновь образованная молекула будет иметь свободную аминогруппу на одном конце и свободную карбоксильную группу на другом, что позволяет связывать дополнительные аминокислоты.

Гликопротеины образуются, когда моносахариды ковалентно связаны с боковыми цепями определенных аминокислот в белке (полипептиде). Конкретные аминокислоты, которые выделяются при образовании гликопротеина, — это серин и треонин.

Структура белка

Две вещи определяют первичную структуру белка.

1. Число аминокислот в цепи
2. Где каждая конкретная аминокислота встречается в цепи.

Важно помнить, что полипептидная цепь гибкая, поскольку каждая аминокислота может вращаться вокруг своих пептидных связей.Следовательно, полипептидные цепи могут быть изогнуты в различные формы или конформации. Трехмерная конформация белка играет важную роль в его функционировании в организме.

Конформация белков определяется несколькими факторами:

• Водородная связь между соседними частями цепи и любыми молекулами воды
• Любые ионные связи между полярными и ионизированными частями вдоль цепи
• Слабые связи, называемые силами Ван-дер-Ваальса между соседними неполярные области цепи
• Ковалентные связи, связывающие боковые цепи двух аминокислот

Конформация альфа-спирали образуется, когда водородные связи образуются между водородом, связанным с азотом в одной пептидной связи, и кислородом с двойной связью в другой .Водородные связи скручивают цепь в клубок. Когда водородные связи образуются между пептидными связями в областях полипептидной цепи, которая проходит параллельно, образуется прямая и протяженная область, называемая конформацией бета-листа. Конформации альфа-спирали и бета-листа очень распространены. Когда между боковыми цепями образуются ионные связи и, таким образом, прерываются повторяющиеся водородные связи, могут возникать нерегулярные области, называемые конформациями петель.
Стоит знать, что мультимерные белки — это белки, состоящие более чем из одной полипептидной цепи.Цепи могут быть похожими или разными.

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты хранят, передают и выражают генетическую информацию. Нуклеиновые кислоты состоят из субъединиц, называемых нуклеотидами. Нуклеотиды содержат фосфатную группу, сахар и кольцо из атомов углерода и азота. Кольцо также известно как основание, потому что оно может принимать ионы водорода (протоны). Нуклеотиды связаны между собой связями между фосфатной группой одного нуклеотида и сахаром следующего. Таким образом, нуклеотиды образуют длинные цепи.ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) хранит генетическую информацию в последовательности нуклеотидных субъединиц. РНК (рибонуклеиновая кислота) использует информацию, хранящуюся в ДНК, для написания инструкций по связыванию вместе определенных последовательностей аминокислот с целью образования полипептидов в соответствии с исходными инструкциями ДНК.

нуклеотидов ДНК содержат пятиуглеродный сахар, называемый дезоксирибозой. ДНК имеет четыре разных нуклеотида, которые соответствуют четырем разным основаниям. Пуриновые основания аденин (A) и гуанин (G) состоят из двух конденсированных колец, состоящих из азота и водорода.Пиримидиновые основания цитозин (C) и тимин (T) состоят только из одного кольца азота и водорода. Пара гуанин и цитозин, а пара тимин и аденин. Один пурин в паре с одним пиримидином.

Молекула ДНК выглядит как двойная спираль. Он состоит из двух цепочек нуклеотидов, намотанных друг на друга водородными связями между пуриновым основанием на одной цепи и пиримидиновым основанием на другой.
РНК немного отличается от ДНК. В частности, РНК представляет собой одну цепь нуклеотидов, содержит сахарную рибозу, а пиримидиновое основание урацил присутствует вместо тимина.Таким образом, урацил может сочетаться с пуриновым аденином.

Следующий

Химия и клетки | Британское общество клеточной биологии

КЛЮЧЕВЫЕ ПОНЯТИЯ:
Не существует такого понятия, как удобный термин «типичная клетка», НО все живые клетки имеют много общих химических реакций и физических свойств.
Химические реакции, происходящие внутри и вокруг живых клеток, подчиняются всем установленным законам химии и физики.

Общность этих свойств в клетках животных и растений во всем мире является очень важной концепцией. Считается, что большинство особенностей сохранилось на протяжении миллионов лет; многие из «предковой клетки» 3 миллиарда лет назад.

Около 99% массы живых клеток состоит из элементов углерода, водорода, азота, кислорода, фосфора и серы. Остающийся 1% включает небольшое количество элементов кальция, железа, цинка, натрия, калия, хлора, селена и йода, а также очень небольшое количество молибдена, фтора марганца и хрома.
Водород и кислород в виде воды составляют примерно 70% массы клетки.

В дополнение к воде присутствующие элементы в основном состоят из четырех основных химических групп: углеводов, белков, жиров и нуклеотидов (нуклеотиды — важные молекулы, используемые в построении РНК, ДНК и молекул передачи энергии, таких как АТФ).
Эти четыре основные группы могут образовывать другие биологически важные химические группы.

1. Углеводы могут связываться с белками с образованием гликопротеинов ( гликопротеинов от греч. Glykis, что означает сладкий).- Гликопротеины широко встречаются у животных и растений, где они помогают клеткам прикрепляться друг к другу через материал, называемый внеклеточным матриксом. У животных гликопротеины тесно связаны с очень важными волокнами коллагена.
2. Углеводы могут связываться с жирами или липидами с образованием гликолипидов — гликолипиды тесно связаны с мембранами мозга и нервных клеток
3. Жиры или липиды могут связываться с белком с образованием липопротеина — эти молекулы используются в строительстве многих биологических мембран и в транспорте пищевых жиров.
4. Нуклеотиды могут связываться с белками с образованием нуклеопротеинов . — Вирусы, рибосома (клеточная органелла) и хроматин в значительной степени являются нуклеопротеинами. Хроматин — это ДНК, связанная с белком, называемым гистоном.

КОНЦЕПЦИЯ СООБЩЕНИЙ:

1. Все живые клетки во всем мире имеют много общих химических и физических свойств. Большинство этих особенностей сохранялось миллионы лет.
2. Химические реакции внутри клеток подчиняются всем установленным законам химии и физики.
3. Большинство химических веществ в клетках представляют собой углеводы, белки, жиры или нуклеотиды, либо их комбинации или производные.

органических молекул | Микробиология

Цели обучения

• Определите общие элементы и структуры, обнаруженные в органических молекулах
• Объясните понятие изомерии
• Определите примеры функциональных групп
• Опишите роль функциональных групп в синтезе полимеров

Клиническое направление: Кристина, часть 1

Кристина, 16-летняя студентка, обратилась к врачу с жалобами на кожную зудящую сыпь.В анамнезе были эпизоды аллергии. Врач посмотрел на ее загорелую кожу и спросил, не перешла ли она на другой солнцезащитный крем. Она сказала, что болела, поэтому врач диагностировал аллергическую экзему. Симптомы были мягкими, поэтому врач посоветовал Кристине избегать использования солнцезащитного крема, который вызвал реакцию, и прописал безрецептурный увлажняющий крем, чтобы сохранить ее кожу увлажненной и уменьшить зуд.

• Какие вещества вы ожидаете найти в увлажняющем креме?
• Какие физические или химические свойства этих веществ помогут облегчить зуд и воспаление кожи?

Мы вернемся к примеру Кристины на следующих страницах.

Биохимия — это дисциплина, изучающая химию жизни, и ее цель — объяснить форму и функции на основе химических принципов. Органическая химия — это дисциплина, посвященная изучению химии на основе углерода, которая является основой для изучения биомолекул и дисциплины биохимии . И биохимия, и органическая химия основаны на концепциях общей химии, некоторые из которых представлены в книге «Основы физики и химии, важные для микробиологии».

Элементы в живых клетках

Самым распространенным элементом в клетках является водород (H), за ним следуют углерод (C), кислород (O), азот (N), фосфор (P) и сера (S). Мы называем эти элементы макроэлементами , и они составляют около 99% от сухой массы клеток. Некоторые элементы, такие как натрий (Na), калий (K), магний (Mg), цинк (Zn), железо (Fe), кальций (Ca), молибден (Mo), медь (Cu), кобальт (Co), марганец (Mn) или ванадий (Va) необходимы некоторым клеткам в очень небольших количествах и называются микроэлементами или микроэлементами .Все эти элементы необходимы для функционирования многих биохимических реакций и, следовательно, необходимы для жизни.

Четыре наиболее распространенных элемента в живом веществе (C, N, O и H) имеют низкие атомные номера и, следовательно, являются легкими элементами, способными образовывать прочные связи с другими атомами для образования молекул (рис. 1). Углерод образует четыре химические связи, азот — три, кислород — две, а водород — одну. Связанные вместе в молекулах кислород, сера и азот часто имеют одну или несколько «неподеленных пар» электронов, которые играют важную роль в определении многих физических и химических свойств молекул (см. «Основы физики и химии, важные для микробиологии»).Эти черты в сочетании позволяют формировать огромное количество разнообразных молекулярных видов, необходимых для формирования структур и обеспечения функций живых организмов.

Рис. 1. Некоторые распространенные молекулы включают углекислый газ, аммиак и кислород, которые состоят из комбинаций атомов кислорода (красные сферы), атомов углерода (серые сферы), атомов водорода (белые сферы) или атомов азота (синие сферы).

Живые организмы содержат неорганических соединений (в основном вода и соли; см. «Основы физики и химии, важные для микробиологии») и органических молекул.Органические молекулы содержат углерод; неорганические соединения — нет. Исключение составляют оксиды углерода и карбонаты; они содержат углерод, но считаются неорганическими, поскольку не содержат водорода. Атомы органической молекулы обычно организованы вокруг цепочек атомов углерода.

Неорганические соединения составляют 1–1,5% от массы живой клетки. Это небольшие простые соединения, которые играют важную роль в клетке, хотя и не образуют клеточных структур. Большая часть углерода, обнаруженного в органических молекулах, происходит из неорганических источников углерода, таких как углекислый газ, захваченный микроорганизмами посредством фиксации углерода .

Подумай об этом

• Опишите наиболее распространенные в природе элементы.
• В чем разница между органическими и неорганическими молекулами?

Органические молекулы и изомерия

Органические молекулы в организмах обычно больше и сложнее неорганических молекул. Их углеродные скелеты скреплены ковалентными связями. Они образуют клетки организма и выполняют химические реакции, облегчающие жизнь. Все эти молекулы, названные биомолекулами , потому что они являются частью живого вещества, содержат углерод, который является строительным блоком жизни.Углерод — очень уникальный элемент, поскольку он имеет четыре валентных электрона на внешних орбиталях и может образовывать четыре одиночные ковалентные связи с четырьмя другими атомами одновременно (см. «Основы физики и химии, важные для микробиологии»). Этими атомами обычно являются кислород, водород, азот, сера, фосфор и сам углерод; простейшее органическое соединение — метан, в котором углерод связывается только с водородом (рис. 2).

Рис. 2. Атом углерода может связываться с четырьмя другими атомами.Самая простая органическая молекула — это метан (CH ₄ ), изображенный здесь.

В результате уникального сочетания размера и связывающих свойств углерода атомы углерода могут связываться вместе в большом количестве, образуя цепь или углеродный скелет . Углеродный скелет органических молекул может быть прямым, разветвленным или кольцевым (циклическим). Органические молекулы построены на цепочках атомов углерода различной длины; большинство из них обычно очень длинные, что позволяет использовать огромное количество и разнообразие соединений.Ни один другой элемент не способен образовывать столько разных молекул, столь разных размеров и форм.

Молекулы с одинаковым атомным составом, но разным структурным расположением атомов называются изомерами . Концепция изомерии очень важна в химии, потому что структура молекулы всегда напрямую связана с ее функцией. Незначительные изменения в структурном расположении атомов в молекуле могут привести к очень разным свойствам. Химики представляют молекулы по их структурной формуле , которая представляет собой графическое представление молекулярной структуры, показывающее, как расположены атомы.Соединения, которые имеют идентичные молекулярные формулы, но различаются последовательностью связывания атомов, называются структурными изомерами . Моносахариды , глюкоза , галактоза и фруктоза имеют одинаковую молекулярную формулу: C ₆ H ₁₂ O ₆ , но из рисунка 3 видно, что атомы связаны друг с другом. иначе.

Глюкоза, галактоза и фруктоза имеют одинаковую химическую формулу (C ₆ H ₁₂ O ₆ ), но эти структурные изомеры различаются по своим физическим и химическим свойствам.

Изомеры, которые различаются пространственным расположением атомов, называются стереоизомерами ; один уникальный тип — это энантиомеров . Свойства энантиомеров были первоначально обнаружены Луи Пастером в 1848 году при использовании микроскопа для анализа кристаллизованных продуктов ферментации вина. Энантиомеры — это молекулы, которые имеют характеристику хиральности , в которой их структуры являются несверхналоженными зеркальными отображениями друг друга. Хиральность является важной характеристикой многих биологически важных молекул, что иллюстрируется примерами структурных различий энантиомерных форм моносахарида глюкозы или аминокислоты аланина (рис. 4).

Многие организмы могут использовать только одну энантиомерную форму определенных типов молекул в качестве питательных веществ и строительных блоков для создания структур внутри клетки. Некоторые энантиомерные формы аминокислот при употреблении в пищу имеют совершенно разные вкус и запах. Например, L-аспартам, обычно называемый аспартамом, имеет сладкий вкус, тогда как D-аспартам безвкусен. Энантиомеры лекарств могут иметь очень разные фармакологические эффекты. Например, соединение меторфан существует в виде двух энантиомеров, один из которых действует как противокашлевое средство ( декстро, меторфан, средство от кашля), тогда как другой действует как анальгетик ( лево меторфан, препарат, аналогичный по действию кодеину). .

Рис. 4. Энантиомеры — это стереоизомеры, обладающие хиральностью. Их химические структуры — несверхналоженные зеркальные отражения друг друга. (а) D-глюкоза и L-глюкоза представляют собой моносахариды, которые являются энантиомерами. (b) Энантиомеры D-аланин и L-аланин являются энантиомерами, обнаруженными в стенках бактериальных клеток и человеческих клетках, соответственно.

Энантиомеры также называют оптическими изомерами, потому что они могут вращать плоскость поляризованного света. Некоторые кристаллы, которые Пастер наблюдал при брожении вина, вращали свет по часовой стрелке, тогда как другие вращали свет против часовой стрелки.Сегодня мы обозначаем энантиомеры, которые вращают поляризованный свет по часовой стрелке (+), как d , образует , а зеркальное отображение той же молекулы, которая вращает поляризованный свет против часовой стрелки (-), как l , образуют . Этикетки d и l образованы от латинских слов dexter (справа) и laevus (слева) соответственно. Эти два разных оптических изомера часто имеют очень разные биологические свойства и активности.Определенные виды плесени, дрожжей и бактерий, такие как Rhizopus , Yarrowia и Lactobacillus spp. Соответственно, могут метаболизировать только один тип оптического изомера; противоположный изомер не подходит в качестве источника питательных веществ. Еще одна важная причина знать об оптических изомерах — это терапевтическое использование этих типов химикатов для лечения лекарств, поскольку на некоторые микроорганизмы может воздействовать только один конкретный оптический изомер.

Подумай об этом

• Мы говорим, что жизнь основана на углероде. Что делает углерод таким подходящим для того, чтобы быть частью всех макромолекул живых организмов?

Биологически значимые функциональные группы

Помимо атомов углерода, биомолекулы также содержат функциональных групп — группы атомов в молекулах, которые классифицируются по их конкретному химическому составу и химическим реакциям, которые они проводят, независимо от молекулы, в которой находится группа.Некоторые из наиболее распространенных функциональных групп перечислены в таблице 1. В формулах символ R обозначает «остаток» и представляет собой остаток молекулы. R может символизировать только один атом водорода или может представлять группу из многих атомов. Обратите внимание, что некоторые функциональные группы относительно простые, состоят всего из одного или двух атомов, а некоторые содержат две из этих более простых функциональных групп. Например, карбонильная группа — это функциональная группа, состоящая из атома углерода, связанного двойной связью с атомом кислорода: C = O.Он присутствует в нескольких классах органических соединений как часть более крупных функциональных групп, таких как кетоны, альдегиды, карбоновые кислоты и амиды. В кетонах карбонил присутствует как внутренняя группа, тогда как в альдегидах он является концевой группой.

Таблица 1. Общие функциональные группы, обнаруженные в биомолекулах
Имя	Функциональная группа	Соединения
Альдегид		Углеводы
Амин		Белки
Амино		Аминокислоты и белки
Карбонил		Кетоны, альдегиды, карбоновые кислоты, амиды
Карбоновая кислота		Аминокислоты, белки и жирные кислоты
Сложный эфир		Липиды и нуклеиновые кислоты
эфир		Дисахариды, полисахариды и липиды
Гидроксил		Спирты, моносахариды, аминокислоты и нуклеиновые кислоты
Кетон		Углеводы
метил		Метилированные соединения, такие как метиловые спирты и сложные метиловые эфиры
Фосфат		Нуклеиновые кислоты, фосфолипиды и АТФ
Сульфгидрил		Аминокислоты и белки
* Функциональные группы представлены розовым цветом.Кетон и альдегид содержат карбонильную группу, выделенную синим цветом.

Макромолекулы

Углеродные цепи образуют скелеты большинства органических молекул. Функциональные группы объединяются с цепочкой, образуя биомолекулы. Поскольку эти биомолекулы обычно большие, мы называем их макромолекулами . Многие биологически релевантные макромолекулы образуются путем соединения большого количества идентичных или очень похожих органических молекул меньшего размера. Меньшие молекулы действуют как строительные блоки и называются мономерами , а макромолекулы, образующиеся в результате их связывания, называются полимерами .Клетки и клеточные структуры включают четыре основные группы углеродсодержащих макромолекул: полисахаридов , белков , липидов и нуклеиновых кислот . В этой главе будут изучаться первые три группы молекул. Биохимия нуклеиновых кислот будет обсуждаться в «Биохимии генома».

Из многих возможных способов объединения мономеров для получения полимеров, один общий подход, встречающийся при образовании биологических макромолекул, — это дегидратационный синтез .В этой химической реакции молекулы мономера соединяются встык, в результате чего в качестве побочного продукта образуются молекулы воды:

[латекс] {\ text {H} — \ text {monomer} — \ text {OH} + \ text {H} — \ text {monomer} — \ text {OH}} \ longrightarrow {\ text {H} — \ text {мономер} — \ text {мономер} — \ text {OH} + \ text {H} _ {2} \ text {O}} [/ latex]

На фиг. 5 показан дегидратационный синтез глюкозы , связывающейся вместе с образованием мальтозы и молекулы воды. В таблице 2 приведены макромолекулы и некоторые их функции.

Рис. 5. В этой реакции синтеза дегидратации две молекулы глюкозы соединяются вместе с образованием мальтозы. В процессе образуется молекула воды.

Таблица 2. Некоторые функции макромолекул
Макромолекула	Функции
Углеводы	Накопление энергии, рецепторы, пища, структурная роль в растениях, клеточные стенки грибов, экзоскелеты насекомых
Липиды	Накопитель энергии, мембранная структура, изоляция, гормоны, пигменты
Нуклеиновые кислоты	Хранение и передача генетической информации
Белки	Ферменты, структура, рецепторы, транспорт, структурная роль в цитоскелете клетки и внеклеточном матриксе

Подумай об этом

• Что является побочным продуктом реакции синтеза дегидратации?

Ключевые концепции и резюме

• Наиболее распространенными элементами в клетках являются водород, углерод, кислород, азот, фосфор и сера.
• Жизнь основана на углероде. Каждый атом углерода может связываться с другим атомом углерода, образуя углеродный скелет , который может быть прямым, разветвленным или кольцевым.
• Одно и то же количество и типы атомов могут связываться друг с другом по-разному, давая разные молекулы, называемые изомерами . Изомеры могут различаться последовательностью связывания своих атомов ( структурных изомеров ) или пространственным расположением атомов, чьи последовательности связывания одинаковы ( стереоизомеров ), а их физические и химические свойства могут незначительно или сильно различаться.
• Функциональные группы наделяют несущие их молекулы определенными химическими свойствами. Общие функциональные группы в биомолекулах — это гидроксил, метил, карбонил, карбоксил, амино, фосфат и сульфгидрил.
• Макромолекулы — это полимеров , собранных из отдельных единиц, мономеров , которые связываются вместе, как строительные блоки. Многие биологически значимые макромолекулы образуются с помощью дегидратационного синтеза , процесса, в котором мономеры связываются вместе путем объединения их функциональных групп и образования молекул воды в качестве побочных продуктов.

Множественный выбор

Какой из этих элементов не является микронутриентом?

1. С
2. Ca
3. Co
4. Cu

Показать ответ

Ответ а. C (углерод) не является микроэлементом.

Какое из перечисленного является названием для молекул, структура которых является несверхналоженным зеркальным отображением?

1. структурные изомеры
2. мономеры
3. полимеры
4. энантиомеры

Показать ответ

Ответ d.Энантиомеры — это молекулы, структуры которых представляют собой несверхналоженные зеркальные изображения.

Верно / Неверно

Альдегиды, амиды, карбоновые кислоты, сложные эфиры и кетоны содержат карбонильные группы.

Две молекулы, содержащие одинаковые типы и числа атомов, но разные связывающие последовательности, называются энантиомерами.

Подумай об этом

1. Почему углерод, азот, кислород и водород являются наиболее распространенными элементами в живом веществе и, следовательно, считаются макроэлементами?
2. Укажите функциональную группу в каждой из изображенных структурных формул.
   
3. Показанная структурная формула соответствует пенициллину G, антибиотику узкого спектра действия, который вводится внутривенно или внутримышечно для лечения нескольких бактериальных заболеваний. Антибиотик продуцируют грибы рода Penicillium .
   
   1. Определите три основные функциональные группы в этой молекуле, каждая из которых включает две более простые функциональные группы.
   2. Назовите две более простые функциональные группы, составляющие каждую из основных функциональных групп, указанных в (а).

Какие химические элементы содержатся в организме человека?

Химические элементы — строительный блок жизни. Они составляют ошеломляющее количество молекул, которые вместе образуют ДНК, клеточные органеллы, клетки, ткани и органы. В этой статье мы обсудим те элементы, которые присутствуют в организме человека, их соотношение и различные важные функции, которые они выполняют.

Изображение предоставлено: bestber / Shutterstock.com

Элементы, из которых состоит человеческое тело

Кузов представляет собой чрезвычайно сложную машину.Для этого требуется множество частей, работающих вместе в сложных отношениях от микро- до макромолекулярного уровня. Структура строительных блоков, составляющих сумму этих частей, таких как белки и нуклеиновые кислоты, определяется соотношением и взаимодействием химических элементов.

Некоторые элементы встречаются гораздо чаще, чем другие. Человеческое тело примерно на 99% состоит всего из шести элементов: кислорода, водорода, азота, углерода, кальция и фосфора. Еще пять элементов составляют около 0.85% от оставшейся массы: сера, калий, натрий, хлор и магний. Все эти 11 элементов являются важными элементами.

Остальные 0,15% человеческого тела состоят из микроэлементов. Суммарная масса микроэлементов не дает в сумме массы магния, который является наименее распространенным из неследных элементов. Согласно лабораторным данным, некоторые из микроэлементов (около дюжины) могут быть необходимы для жизни.

Функция химических элементов в организме

Большинство химических элементов, содержащихся в организме человека, играют жизненно важную роль.Некоторые микроэлементы, такие как титан и цезий, могут быть загрязнителями. Некоторые из них, такие как свинец, ртуть, мышьяк и кадмий, являются активными токсинами в зависимости от их количества.

Функции основных элементов в организме человека в процентном отношении к массе следующие:

Кислород

Кислород — самый распространенный элемент в организме человека, составляющий примерно 65,0% массы тела. Большая часть кислорода находится в форме воды.Кислород играет решающую роль в метаболизме и дыхании, и этот элемент содержится в каждой основной органической молекуле в организме, включая белки, углеводы, жиры и нуклеиновые кислоты.

Углерод

Углерод — следующий по частоте элемент в организме человека, составляющий 18% всего тела по массе. Его роль в основном структурная, составляющая «основу» многих органических молекул.

Водород

Водород является самым распространенным элементом во Вселенной (около 75% общей массы) и составляет около 10% массы тела человека.Он присутствует в форме воды (наряду с кислородом), а также является важным элементом в органических молекулах.

Азот

Азот составляет 3% массы тела человека. Он содержится во всех организмах в таких молекулах, как аминокислоты (из которых состоят белки), нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) и аденозинтрифосфат (АТФ), важная молекула для передачи энергии.

Кальций

Кальций — самый распространенный металл в организме человека, около 1.4% по массе. Возможно, его наиболее известная функция заключается в формировании костей и зубов, а недостаток кальция в рационе может привести к множеству дегенеративных состояний. Другие важные роли в организме человека включают синтез белка, поддержание разности потенциалов на клеточных мембранах и действие в качестве вторичных посредников в путях передачи сигналов.

фосфор

Фосфор обладает высокой реакционной способностью, и из-за этого свойства он никогда не встречается на Земле как свободный элемент.Фосфаты необходимы для жизни, и эта связанная форма фосфора является основным компонентом незаменимых органических молекул, таких как фосфолипиды, АТФ и нуклеиновые кислоты. Он составляет 1,1% от общей массы тела человека.

Калий

Калий составляет менее 1% массы тела. Он играет жизненно важную роль в нервной передаче через перенос ионов калия через мембраны нервных клеток.

сера

Сера, занимающая десятое место по распространенности во Вселенной и пятое по распространенности на Земле, играет важную роль в организме человека.Он находится в организме почти всегда в виде сульфидов металлов и сероорганических соединений. Сера также является основным структурным элементом протеина кератина, который содержится в коже и волосах.

Натрий

Натрий, щелочной металл, обычно содержится в соли. Ионы натрия вносят вклад в осмотическое давление, поскольку они являются основным катионом во внеклеточной жидкости (ВКЖ). Натрий также играет ключевую роль в передаче нервных импульсов.

Хлор

Хлор играет важную роль в поддержании кислотно-щелочного баланса крови, а также в формировании сухожилий, зубов и костей.Обычно он содержится в солях и в сочетании с калием и натрием в организме. Он также способствует работе печени и помогает удалять органические отходы.

Магний

Магний — наименее распространенный из незаменимых элементов в организме человека. Приблизительно 300 ферментам для правильного функционирования требуются ионы магния, а ионы магния взаимодействуют с такими соединениями, как ДНК, РНК и АТФ.

Микроэлементы

Микроэлементы играют множество ролей, некоторые из которых важнее других, в то время как другие не вносят никаких заметных функций.Некоторые из них очень токсичны для человека.

Три самых распространенных незаменимых микроэлемента — это железо, фтор и цинк. Железо играет важную роль в здоровье человека как часть гемоглобина, который переносит кислород по всему телу в крови. Фтор важен для зубов. Цинк необходим более чем 300 ферментам и 1000 факторам транскрипции и жизненно важен для здоровья глаз и роста репродуктивных органов.

Изображение предоставлено: Aldona Griskeviciene / Shutterstock.com

В заключение

Основным источником всех этих элементов является диета.Некоторые элементы более важны, чем другие, и они находятся в огромном количестве соединений и молекул в организме человека.

Некоторые из них могут даже нанести активный вред организму, и уровни их присутствия в организме могут определить, насколько вредны последствия.