Органические и
неорганические в-ва клетки
I.
Неорганические соединения.
- 1.Вода, её
свойства и значение для биологических процессов.
-
- Вода -
универсальный растворитель. Она имеет высокую
теплоёмкость и одновременно высокую для
жидкостей теплопроводность. Эти свойства делают
воду идеальной жидкостью для подержания
теплового равновесия организма.
- Благодаря
полярности своих молекул вода выступает в роли
стабилизатора структуры.
- Вода -
источник кислорода и водорода , она является
основной средой где протекают биохимические и
химические реакции, важнейшим реагентом и
продуктом биохимических реакций.
- Для воды
характерна полная прозрачность в видимом
участке спектра, что имеет значение для процесса
фотосинтеза, транспирации.
- Вода
практически не сжимается, что очень важно для
придания формы органам, создания тургора и
обеспечения определённого положения органов и
частей организма в пространстве.
- Благодаря
воде возможно осуществление осмотических
реакций в живых клетках.
- Вода -
основное средство передвижения веществ в
организме ( кровообращение, восходящий и
нисходящий токи растворов по телу растения и
т.д.).
-
- 2.
Минеральные вещества.
-
- В составе
живых организмов современными методами
химического анализа обнаружено 80 элементов
периодической системы. По количественному
составу их разделяют на три основные группы.
- Макроэлементы
составляют
основную массу органических и неорганических
соединений, концентрация их колеблется от 60% до
0.001% массы тела (кислород, водород, углерод, азот,
сера, магний, калий, натрий, железо и др.).
- Микроэлементы -
преимущественно ионы тяжёлых металлов.
Содержатся в организмах в количестве 0.001% - 0.000001% (
марганец, бор, медь, молибден, цинк, йод, бром).
- Концентрация
ультрамикроэлементов не превышает 0.000001%.
Физиологическая роль их в организмах полностью
ещё не выяснена. К этой группе относятся уран,
радий, золото, ртуть, цезий, селен и много других
редких элементов.
- Основную
массу тканей живых организмов, населяющих Землю
составляют органогенные элементы : кислород,
углерод, водород и азот, из которых
преимущественно построены органические
соединения - белки, жиры, углеводы.
-
- II. Роль и
функция отдельных элементов.
-
- Азот у
автотрофных растений является исходным
продуктом азотного и белкового обмена. Атомы
азоты входят в состав многих других небелковых,
однако важнейших соединений : пигментов (
хлорофилл, гемоглобин ), нуклеиновых кислот,
витаминов.
- Фосфор входит в
состав многих жизненно важных соединений. Фосфор
входит в состав АМФ, АДФ, АТФ, нуклеотидов,
фосфосфорилированных сахаридов, некоторых
ферментов. Многие организмы содержат фосфор в
минеральной форме ( растворимые фосфаты
клеточного сока, фосфаты костной ткани ).
- После
отмирания организмов фосфорные соединения
минерализуются. Благодаря корневым выделениям,
деятельности почвенных бактерий осуществляется
растворение фосфатов, что делает возможным
усвоение фосфора растительными, а потом и
животными организмами.
- Сера участвует
в построении серусодержащих аминокислот ( цистина, цистеина ),
входит в состав витамина B1 и
некоторых ферментов. Особенно большое значение
имеет сера и её соединения для хемосинтезирующих
бактерий. Соединения серы образуются в печени
как продукты обеззараживания ядовитых веществ.
- Калий
содержится в клетках только в виде ионов.
Благодаря калию цитоплазма имеет определённые
коллоидные свойства; калий активирует ферменты
белкового синтеза обусловливает нормальный ритм
сердечной деятельности, участвует в генерации
биоэлектрических потенциалов, в процессах
фотосинтеза.
- Натрий (
содержится в ионной форме ) составляет
значительную часть минеральных веществ крови и
благодаря этому играет важную роль в регуляции
водного обмена организма. Ионы натрия
способствуют поляризации клеточной мембраны;
нормальный ритм сердечной деятельности зависит
от наличия в питательной среде в необходимом
количестве солей натрия, калия, а также кальция.
- Кальций в ионном
состоянии является антагонистом калия. Он входит
в состав мембранных структур, в виде солей
пектиновых веществ склеивает растительные
клетки. В растительных клетках часто содержится
в виде простых, игловидных или сросшихся
кристаллов оксалата кальция.
- Магний
содержится в клетках в определённом соотношении
с кальцием. Он входит в состав молекулы
хлорофилла, активирует энергетический обмен и
синтез ДНК.
- Железо является
составной частью молекулы гемоглобина. Оно
участвует в биосинтезе
хлорофилла, поэтому при недостатке железа в
почве у растений развивается хлороз. Основная
роль железа - участие в процессах дыхания,
фотосинтеза путём перенесения
электронов в составе окислительных
ферментов - каталазы, ферредоксина. Определённый
запас железа в организме животных и человека
сохраняется в желесодержащем белке ферритине,
содержащемся в печени, селезёнке.
- Медь
встречается в организмах животных и растений, где она играет
важную роль. Медь входит в состав некоторых
ферментов( оксидаз ). Установлено значение меди
для процессов кроветворения, синтеза
гемоглобина и цитохромов.
- Ежесуточно
в организм человека с пищей поступает 2 мг меди. У
растений медь входит в состав многих ферментов,
которые участвуют в темновых реакциях
фотосинтеза и других биосинтезах. У больных
недостатком меди животных наблюдается анемия,
потеря аппетита, заболевания сердца.
- Марганец -
микроэлемент, при недостаточном количестве
которого у растений возникает хлороз. Большая
роль принадлежит марганцу и в процессах
восстановления нитратов в растениях.
- Цинк входит в
состав некоторых ферментов, активизирующих
расщепление угольной кислоты.
- Бор влияет на
ростовые процессы, особенно растительных
организмов. При отсутствии в
почве этого микроэлемента у растений отмирают
проводящие ткани, цветки и завязь.
- При
отсутствии в почве молибдена клубеньковые
бактерии не поселяются на корнях бобовых,
замедляется биосинтез белка, азотное питание
растений. Этот микроэлемент повышает стойкость
растений против грибов-паразитов.
- В последнее
время микроэлементы достаточно широко
применяются в растениеводстве ( предпосевная
обработка семян ), в животноводстве (
микроэлементные добавки к корму ).
- Другие
неорганические компоненты клетки чаще всего
находятся в виде солей, диссоциированных в
растворе на ионы, или в нерастворённом состоянии
( соли фосфора костной ткани, известковые или
кремниевые панцири губок, кораллов, диатомовых
водорослей и др. ).
-
-
-
- III. Органические
соединения.
-
- Углеводы ( сахариды
). Молекулы
этих веществ построены всего из трёх элементов -
углерода, кислорода и водорода. Углероды
являются основным источником энергии для живых
организмов. Кроме того, они обеспечивают
организмы соединениями, которые используются в
дальнейшем для синтеза других соединений.
- Наиболее
известными и распространёнными углеводами
являются растворённые в воде моно- и дисахариды.
Они кристаллизуются, сладкие на вкус.
- Моносахариды
(
монозы ) - соединения, которые не могут
гидролизоваться. Сахариды могут
полимеризоваться, образуя более высокомолекулярные
соединения - ди-, три- , и полисахариды.
- Олигосахариды. Молекулы
этих соединений построены из 2 - 4 молекул
моносахаридов. Эти соединения также могут
кристаллизоваться, легко растворимы в воде,
сладкие на вкус и имеют постоянную молекулярную
массу. Примером олигосахаридов могут быть
дисахариды сахароза, мальтоза, лактоза,
тетрасахарид стахиоза и др.
- Полисахариды
( полиозы ) -
нерастворимые в воде соединения ( образуют
коллоидный раствор ), не имеющие сладкого вкуса,
Как и предыдущая группа углеводов способны
гидролизоваться ( арабаны, ксиланы, крахмал,
гликоген). Основная функция этих соединений -
связывание, склеивание клеток соединительной
ткани, защита клеток от неблагоприятных
факторов.
- Липиды -
группа соединений, которые содержатся во всех
живых клетках, они нерастворимы в воде.
Структурными единицами молекул липидов могут
быть либо простые углеводородные цепи, либо
остатки сложных циклических молекул.
- В
зависимости от химической природы липиды
разделяют на жиры и липоиды.
- Жиры (
триглицериды, нейтральные жиры ) являются
основной группой липидов. Они представляют собой
сложные эфиры трёхатомного спирта глицерина и
жирных кислот или смесь свободных жирных кислот
и триглицеридов.
- Встречаются
в живых клетках и свободные жирные кислоты :
пальмитиновая, стеариновая, рициновая.
- Липоиды - жироподобные вещества.
Имеют большое значение, так как благодаря своему
строению образуют чётко ориентированные
молекулярные слои, а упорядочённое расположение
гидрофильных и гидрофобных концов молекул имеет
первоочередное значение для формирования
мембранных структур с избирательной
проницаемостью.
- Ферменты.
Это биологические катализаторы белковой
природы, способные ускорять биохимические
реакции. Ферменты не разрушаются в процессе
биохимических превращений, поэтому сравнительно
небольшое их количества катализируют реакции
большого количества вещества. Характерным
отличием ферментов от химических катализаторов
является их способность ускорять реакции при
обычных условиях.
- По
химической природе ферменты делятся на две
группы - однокомпонентные ( состоящие только из
белка, их активность обусловлена активным
центром - специфической группы аминокислот в
белковой молекуле ( пепсин, трипсин )) и
двухкомпонентные ( состоящие из белка (
апофермента - носителя белка ) и белкового
компонента ( коферментом ), причём химическая
природа коферментов бывает разной, так как они
могут состоять из органических ( многие витамины,
НАД, НАДФ ) или неорганических ( атомы металлов :
железа, магния, цинка )).
- Функция
ферментов заключается в снижении энергии
активации, т.е. в снижении уровня энергии,
необходимой для придания реакционной
способности молекуле.
- Современная
классификация ферментов основывается на типах
катализируемых ими химических реакций. Ферменты
гидролазы ускоряют реакцию расщепления сложных
соединений на мономеры ( амилаза ( гидролизует
крахмал ), целлюлаза ( разлагает целлюлозу до
моносахаридов ), протеаза ( гидролизует белки до
аминокислот )).
- Ферменты
оксидоредуктазы катализируют
окислительно-восстановительные реакции.
- Трансферазы переносят
альдегидные, кетонные и азотистые группы от
одной молекулы к другой.
- Лиазы отщепляют
отдельные радикалы с образованием двойных
связей или катализируют присоединение групп к
двойным связям.
- Изомеразы
осуществляют изомеризацию.
- Лигазы
катализируют реакции соединения двух молекул,
используя энергию АТФ или другого триофасфата.
- Пигменты -
высокомолекулярные природные окрашенные
соединения. Из нескольких сотен соединений этого
типа важнейшими являются металлопорфириновые и
флавиновые пигменты.
- Металлопорфирин,
в состав которого входит атом магния, образует
основание молекулы зелёных растительных
пигментов - хлорофиллов. Если на месте магния
стоит атом железа, то такой металлопорфирин
называют гемом.
- В состав
гемоглобина эритроцитов крови человека, всех
других позвоночных и некоторых беспозвоночных
входит окисное железо, которое и придаёт крови
красный цвет. Гемеритрин придаёт крови розовый
цвет ( некоторые многощетинковые черви ).
Хлорокруорин окрашивает кровь, тканевую
жидкость в зелёный цвет.
- Наиболее
распространенными дыхательными пигментами
крови являются гемоглобин и гемоциан (
дыхательный пигмент высших ракообразных,
паукообразных, некоторых моллюсков спрутов ).
- К
хромопротеидам относятся также цитохромы,
каталаза, пероксидаза, миоглобин ( содержится в
мышцах и создаёт запас кислорода, что позволяет
морским млекопитающим длительное время
пребывать под водой ).
- Энергию в
клетках и организмах переносят два флавиновых
пигмента : флавинмононуклеотид ( ФМН ) и
флавинадениндинуклотид ( ФАД ). По химической
природе они не относятся к металлопорфиринам,
однако по своим функциям аналогичны им.
- Металлопорфирины
и флавины играют роль коферментов, или
простетических групп ферментов, которые
участвуют в транспорте электронов и кислорода в
живых организмах.
- В
хлоропластах содержится относительно большое
количество жёлтых пластидных пигментов -
каротиноидов. Чаще всего встречаются каротин,
ксантофилл, ликопин, лютеин.
- Витамины
имеют высокую физиологическую активность,
сложное и разнообразное химическое строение. Они
необходимы для нормального роста и развития
организма. Витамины регулируют окисление
углеводов, органических кислот, аминокислот,
некоторые из которых входят в состав НАД, НАДФ.
- Биосинтез
витаминов свойственен преимущественно зелёным
растениям. В животных организмах самостоятельно
синтезируются только витамины D и E. Витамины
делятся на две группы : водо-растворимые ( C, B1, B2, фолиевая
кислота, B5, B12, B6, PP) и жирорастворимые ( A, D, E, K ).
- Гормоны -
специфические биологически активные вещества
белкового или стероидного типа, которые
образуются и выделяются железами внутренней
секреции животных и участвуют в регуляции
жизненных функций их организмов. Известно до 30
гормонов и много гормоноподобных веществ, в том
числе гормон щитовидной железы - тироксин,
гормоны надпочечников - адреналин, норадреналин,
гидрокортизон, гормоны гипофиза - вазопрессин,
окситоцин, гормоны половых желёз - фолликулин,
тестостерон.
- Недостаточное или
чрезмерное образование гормонов вызывает
тяжёлые расстройства в деятельности организма.
- Органические
кислоты - к этой группе относятся органические вешества,
способные образовывать при диссоциации в водных
растворах катионы водорода. Содержатся в
значительном количестве в клетках животных и
особенно растительных организмов. Органические
кислоты являются продуктами превращения
углсврдов; при синтезе белков они обрязуют
углеродную основу аминокислот.
- Самую
многочисленную группу органических кислот
составляют карбоновые кислоты. В составе их
молекул обязательно содержится хотя бы одня
карбоксильная группа - СООН. По количеству
карбоксильных групп различают одноосновные
(мураньиная, уксусная, пропионовая, магляная,
молочная, гликолевая), двухосновные (щавелевая,
яблочная, янтарная, нинная) и многоосновные
(лимонная, аконитовая).
- По
своим свойствам кислоты делятся на летучие и
нелетучие. К летучим относятся уксусная,
пропионовая, масляная и некоторые другие
кислоты. Они легко испаряются, имеют резкий
запах.
-
- Все
другие органические кислоты - нелетучие. Большую
группу органических кислот составляют
карбоновые кетокислоты, которые кроме группы -
СООH содержат карбонильную группу (кетогруппу).
- К
некарбоновым органическим кислотам относятся
также гетероциклические соединения с кислыми
свойствами. Органические кислоты играют
исключительно большую роль в обмене веществ
живых организмов. Они обусловливают необходимое
соотношение катионов и анионов (ионное
равновесие) при поступлении питательных веществ
в корни растений, создают в клетках буферные
смеси с заданными значениями рН, являются
начальными, промежуточными или конечными
продуктами биохимических превращений. В
заметных количествах накапливаются эти кислоты
в свободном состоянии или в виде солей в сочных
плодах (яблоках, лимонах, чернике), в листьях и
стеблях растений (щавеля, ревеня). Содержатся они
также в крови и выделениях (мочевая кислота)
животных организмов.
- Получают
органические кислоты из природных веществ в
результлте брожения сахаристых веществ
(молочнокислое, маслянокислое, уксуснокислое), а
также при окислении альдегидов, спиртов,
некоторых углеводов. Широко используются в
кулинарии, пищевой промышленности, технике,
научных исследованниях.
- Большое
значение в процессах жизнедеятельности
организмов имеют также соли органических кислот,
в частности соли калия, натрия, кальция.
- Продукты
выделения
делятся
на экскреты, секреты, рекреты и инкреты.
- Экскреты
- продукты диссимиляции, неиспользованные,
ненужные или вредные вещества. Бывают
газообразные, жидкие и твёрдые. К этой группе
относятся углекислый газ, вода, этилен, эфирные
масла. К секретам относягся продукты
ассимиляции.
- Вещества,
способные реутилизироваться называются
рекретами.
- Инкреты
-
биологически активные соединения внутреннего
назначения. Это фитогормоны и гормоны
эндокринных желёз животных.
- Экзометаболиты
разделяются на метаболиты, которые влияют на
рецепторы и проявляют информационную, запаховую,
сенсорную функции. С их помощью морские
млекопитающие делают <пахучие метки> в толще воды, рыбы и
млекопитающие объединяются в стада, хищники
отыскивают добычу. Очень высокая
чувствитсльность млекопитающих к запаху самок:
- метаболиты
с трофической функцией, которые включаются н
пищевые цепи: метаболиты лишайников;
- метаболиты,
которые прямым или косвенным образом влияют на
размножение, рост и развитие организмов в
биоценозах: специальные выделения матки
пчелиной семьи;
- метаболиты
токсического действия (биологическое оружие
живых организмов): токсические выделения
синезелёных водорослей, простейших и других
животных, летучие соедииения зелёной массы
высших растений.
- Фитогормоны.
Это
регуляторы роста рястений гормонального типа,
соединения, способные влиять на ростовые
процессы растительных клеток, органов и целых
рястений. Фигогормоны играют важиую роль в
регенерации утраченных органов. Существует
несколько групп фитогормонов.