11. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ОРГАНИЗМА

химические элементы, неорганические вещества, органические вещества (белки, липиды, углеводы)

• На какие группы разделяют химические элементы в зависимости от их содержания в клетках?
• Каковы особенности химического состава клетки?

Живые организмы состоят из тех же химических элементов, что и неживые объекты (рис. 39). В зависимости от содержания в клетках все элементы разделяют на несколько групп. Согласно одной из современных классификаций выделяют следующие группы элементов.

Органогенные элементы составляют основную массу клетки — 97—99%. Это кислород, водород, углерод и азот.

Макроэлементы — это кальций, фосфор, калий, сера, натрий, хлор, магний. Их около 1,5%.

Микроэлементы составляют всего около 0,01% массы клетки. К ним относят железо, йод, медь, цинк, кобальт, фтор, молибден, бром, марганец, селен, хром и другие элементы Периодической таблицы Д. И. Менделеева.

Всего в состав любой клетки обязательно входит не менее 90 элементов.

Неорганические вещества клетки — это вода и минеральные соли.

Вода составляет 75-85% массы клетки. И чем активнее клетка, тем больше в ней воды. Вода является универсальным растворителем, и почти все реакции в живых организмах происходят в водных растворах; транспорт веществ в организмах также осуществляется в водных растворах; вода обеспечивает тепловое равновесие в клетках и организмах; вода определяет объём клеток и внутриклеточное давление; вода участвует в реакциях обмена веществ.

Минеральные вещества составляют около 1,5% массы клетки, чаще они являются солями серной, фосфорной и соляной кислот. Химические элементы в виде ионов входят в состав самых разных веществ, участвуя в реакциях, происходящих в клетках и организме. Например, калий, натрий и хлор обеспечивают возбудимость клетки; фосфор входит в состав всех костей и зубов; железо — компонент гемоглобина, магний — хлорофилла; йод входит в состав гормонов щитовидной железы; сера — компонент некоторых аминокислот; марганец и железо необходимы для процессов фотосинтеза и т. д.

К органическим веществам клетки относят белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты (рис. 40).

Белки — это полимеры, состоящие из 22 видов мономеров, называемых аминокислотами (рис. 41).

Мономеры создают полимерную цепочку путём образования пептидной связи между аминокислотами с отщеплением воды. Аминокислоты разделяют на заменимые (синтезируются в самом организме) и незаменимые, которые животный организм получает с пищей.

В строении молекулы белка (рис. 42) различают:

1. первичную структуру — последовательность аминокислотных остатков;
2. вторичную структуру — как правило, это спиральная структура, удерживаемая множеством водородных связей, возникающих между находящимися близко друг от друга С=0- и NH-группами;
3. третичную структуру — это пространственная конфигурация, напоминающая компактную глобулу, которая поддерживается ионными, водородными и дисульфидными (S=S) связями;
4. четвертичную структуру, образующуюся при взаимодействии нескольких глобул (например, молекула гемоглобина состоит из четырёх таких субъединиц).

Утрата белковой молекулой своей структуры называется денатурацией; она может быть вызвана высокой температурой, обезвоживанием, облучением и другими сильными воздействиями (рис. 43). Даже если при денатурации первичная структура не разрушилась, то при восстановлении нормальных условий свойственная белку конфигурация самостоятельно не восстанавливается, для этого необходима работа особых ферментов.

Функции белков в клетке очень разнообразны. Они играют роль катализаторов, т. е. ускоряют химические реакции в организме (белки-ферменты ускоряют реакции в десятки и сотни тысяч раз). Белки также выполняют строительную функцию (входят в состав мембран и органоидов клетки, а также в состав внеклеточных структур, например коллаген в соединительной ткани). Движение организмов обеспечивается специальными белками (актином и миозином). Белки выполняют также транспортную функцию (например, гемоглобин транспортирует 02). Белки входят в состав иммунной системы организма (антитела), обеспечивают процесс свёртывания крови (белок плазмы крови фибриноген), т. е. выполняют защитную функцию. Они служат одним из источников энергии (при распаде 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии). Выделяют также регуляторную функцию белков, так как многие гормоны — это белки (например, гормоны гипофиза, поджелудочной железы и т. д.). Связь организма с внешней средой осуществляется через посредство белков, выполняющих рецепторную функцию (родопсин).

Липиды — это группа жироподобных веществ, нерастворимых в воде. Большая часть липидов образована жирными кислотами и спиртом — глицерином. Липиды выполняют в организме строительную, запасающую, регуляторную, защитную функции, функцию теплоизоляции, являются источником энергии (при расщеплении 1 г жира выделяется 38,9 кДж энергии).

Углеводы — это органические соединения, в состав которых входят водород, углерод и кислород (как следует из названия, водород и кислород в их молекуле находятся в том же соотношении, что и в молекуле воды). Углеводы образуются при участии углекислого газа в хлоропластах зелёных растений или в клетках некоторых бактерий.

Различают моносахариды (глюкоза, фруктоза, рибоза), дисахариды (сахароза, мальтоза) и полисахариды (крахмал, гликоген, хитин, клетчатка).

Углеводы выполняют строительную функцию (целлюлозная оболочка в растительных клетках, хитин в скелете насекомых и в стенке клеток грибов), являются источником энергии (при распаде 1 г глюкозы освобождается 17,6 кДж энергии), входят в состав ДНК, РНК и АТФ в виде дезоксирибозы и рибозы. Обычно в клетке животных организмов содержится около 1% углеводов (в клетках печени — до 5%), а в некоторых растительных клетках — до 90%.

Запомнить: органогенные элементы, макроэлементы, микроэлементы; белки, липиды, углеводы.

Выводы

Живые организмы состоят из тех же химических элементов, что и неживые объекты. В зависимости от содержания в клетках элементы разделяют на несколько групп. К неорганическим веществам относят минеральные соли и воду, а к органическим — белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты.

ДУМАЙ, ДЕЛАЙ ВЫВОДЫ, ДЕЙСТВУЙ

Проверь свои знания

1. Какие элементы относятся к органогенным?
2. Какие макро- и микроэлементы входят в состав клеток живых организмов?
3. Какова роль минеральных веществ в клетке?
4. Какую роль играет вода в клетке?
5. Какие вещества относятся к органическим?
6. Что такое мономеры?

Выполни задания

1. Перечислите функции белков.
2. Охарактеризуйте химическую природу липидов.
3. Назовите известные вам углеводы, входящие в состав клеток живых организмов.

Обсуди с товарищами

Что может служить подтверждением единства живой природы и её общности с неживой природой?

Выскажи мнение

Почему кислород, водород, углерод и азот называют органогенными элементами?

ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ

Совсем недавно считалось, что химический элемент селен совершенно не нужен в клетках и даже является ядом. Но в настоящее время стало известно, что при полном отсутствии его в пище и воде у детей развиваются серьёзные расстройства здоровья, поэтому в некоторых областях Поволжья, бедных селеном, пришлось создавать специальные селен содержащие таблетки.