Биохимия. Химический состав клетки. Вода и неорганические клетки

Биохимия

Биохимия как отрасль биологии. Науку, которая изучает химический состав организмов, строение, свойства, локализацию и роль обнаруженных в них соединений, пути их возникновения и преобразования, которые в совокупности обеспечивают обмен веществ и энергии, называют биологической химией, или биохимией. Биохимия как биологическая дисциплина сформировалась в конце XIX века.

Современная биохимия проводит свои исследования на разных уровнях организации живой материи: молекулярном, клеточном, тканевом-органном, организменном.

Одна из актуальных задач биохимии - выяснение механизмов, регулирующих жизнедеятельность клеток и обеспечивают единство обмена веществ и энергии в организме.

 

Элементарный химический состав жицих организмов. Живые организмы содержат почти все известные в природе химические элементы. Одни из них обнаружены как обязательные во всех без исключения организмах, другие-присущие только отдельным видам и поэтому случаются редко.

В живых организмах в наибольшем количестве присутствуют четыре химические элементы: кислород, углерод, водород и азот. Это так называемые органогенные элементы, на их долю приходится почти 98% химического содержимого клетки. Следующую группу составляют макроэлементы - фосфор, калий, сера, хлор, кальций, магний, натрий, железо, суммарная доля которых составляет до 1,9%. Другие химические элементы (более 50) относятся к микроэлементам (йод, кобальт, марганец, медь, молибден, цинк и др.). Содержание каждого из них в клетке порядка 10-3 - 10-12%. Еще меньше в клетке ультрамикроэлементов (свинца, брома, серебра, золота и др.). Все химические элементы, содержащиеся в клетке, входящих в состав органических и неорганических соединений или находятся в виде ионов. В таблице  приведены содержание основных химических элементов и роль, которую они играют в клетках.
Элемент и его символ
Содержание от массы клеток,%
Значение

Кислород (0)
65-75
Входит в состав воды и био-молекул

Углерод (С)
15-18
Входит в состав биомолекул

Водород (Н)
8-10
Входит в состав воды и биомолекул

Азот (N)
1,5-3,0
Структурный компонент белков, нуклеиновых кислот, АТФ и некоторых других биомолекул

Фосфор (Р)
0,2-1,0
Входит в состав костей, белков, нуклеиновых кислот, АТФ и др..

Калий (К)
0,15-0,4
Основной положительно заряженный ион в организме животных

Сера (S)
0,15-0,2
Входит в состав белков и других биомолекул

Хлор (СИ)
0,05-0,1
Отрицательно заряженный ион в организме животных

Кальций (Са)
0,04-2,0
Основной компонент костей и ракушек, участвует в регуляции метаболических процессов

Магний (Mg)
0,02-0,03
Активирует деятельность ферментов, структурный компонент хлорофилла

Натрий (Na)
0,02-0,03
Главный внутриклеточный положительно заряженный ион

Железо (Fe)
0,01-0,015
Входит в состав многих биомолекул, в том числе гемоглобина

Цинк (Zn)
0,0003
Компонент некоторых ферментов, гормонов

Медь (Си)
0,0002
Есть в составе некоторых ферментов
Йод а)
0,0001
Входит в состав гормонов щитовидной железы

Фтор (F)
0,0001
Входит в состав эмали зубов

 

Если химический состав живых организмов относительно подобный, то в компонентах неживой природы он разный. Например, в водной оболочке Земли (гидросфере) преобладают кислород и водород, в газообразной (атмосфере) - кислород и азот, в твердой (литосфере) - кремний, алюминий, кислород и т.д..

Вода. Ее свойства и функции в клетке. Среди неорганических соединений живых организмов воде принадлежит особая роль. Вода является основной средой, где происходят все процессы обмена. Ее содержание в большинстве живых организмов составляет 60-70%, а в некоторых (медузы) - до 98%.

Вода обладает уникальными химические и физические свойства. По сравнению с другими жидкостями, у нее относительно высокие температуры кипения, плавления и испарения, что обусловлено взаимодействием между соседними молекулами воды. Молекула воды (Н20) полярная. Она состоит из двух атомов водорода, соединенных с атомом кислорода крепким ковалентной связью (рис. 3). Эта связь возникает между атомами водорода и кислорода за счет образования общей пары электронов по одному от каждого атома. В целом молекула воды электронейтральна, но на ее разных полюсах размещены положительный и отрицательный заряды, то есть она полярная. Именно благодаря этому две соседние молекулы воды притяжение друг к другу за счет сил электростатического взаимодействия между частично отрицательным зарядом на атоме кислорода одной молекулы и положительным зарядом на атоме водорода другой. Такой тип связи называется водородным, он в 15-20 раз слабее ковалентной.

Когда вода находится в жидком состоянии, ее молекулы непрерывно движутся и водородные связи постоянно то разрываются, то возникают вновь. Вот почему вода представляет собой не связку, а текучую жидкость.

Вода определяет физические свойства клеток - их объем, внутриклеточное давление (тургор).

Вода формирует водную оболочку вокруг некоторых соединений (например, белков), что препятствует их взаимодействию. Такую воду называют связанной (структурированной), ее доля - 4-5% общего количества в организме. Другая часть воды (95-96%) называется свободной: она является универсальным растворителем.

Вода значительно лучший растворитель, чем большинство других известных жидкостей. Поэтому все вещества делятся на такие, которые способны хорошо растворяться в воде - гидрофильные (от греч. Гидро - вода и филиа - дружба), или полярные, и нерастворимые в ней-гидрофобные (от греч. Фобос-страх), либо неполярные.

К гидрофильных соединений принадлежит много кристаллических солей, например поваренная соль (NaCl). Противоположные электрические заряды молекулы воды притягивают ионы Na + и СИ-, извлекая их из кристаллической решетки. Вода растворяет также много соединений, способных ионизироваться (распадаться на электрически заряженные частицы) при взаимодействии с ней, например, те, что содержат карбоксильные (-СООН) и другие группы.

Гидрофобные вещества (почти все липиды, некоторые белки) содержат неполярные группы, которые не взаимодействуют с молекулами воды (-СН2,-СН2СН3).

Воде как универсальном растворителе принадлежит чрезвычайно важная роль. Большинство химических реакций происходит только в водных растворах. Проникновение веществ в клетку и выведение из нее продуктов жизнедеятельности большей части возможно только в растворенном состоянии. Вода принимает непосредственное участие в биохимических превращениях (реакции гидролиза).

С водой связана также регуляция теплового режима организмов. Ей свойственна большая теплоемкость, то есть способность поглощать тепло при незначительных изменений своей температуры. Именно благодаря этому вода предотвращает резким изменениям температуры в клетках и организме в целом за значительных ее колебаний в окружающей среде. Поскольку на испарение воды расходуется много теплоты, организмы таким образом защищают себя от перегрева (например, транспирация у растений, потоотделение у млекопитающих). Благодаря высокой теплопроводности вода обеспечивает равномерное распределение тепла между тканями организма через систему кровообращения, циркуляции жидкости полости тела подобное.

Под влиянием растворенных веществ вода может менять свои свойства, такие как температуру замерзания и кипения, что имеет важное биологическое значение. Например, в клетках растений и холоднокровных животных с наступлением зимы повышается концентрация растворов углеводов и других соединений, снижает температуру, при которой вода переходит в кристаллическое состояние, и предотвращает замерзание этих организмов.
выводы

Живые организмы, в отличие от неживой природы, имеют относительно устойчивое соотношение химических элементов, разделяющих по процентному содержанию в клетке на органогенные, макро-, микро-и ультрамикроэлементы. Все химические элементы, обнаруженные в живых клетках, присутствуют и в неживой природе.

Среди неорганических соединений живых организмов особое место принадлежит воде, которая составляет в среднем 60-70% их массы. Вода является универсальным растворителем, участвует в биохимических процессах, регулирует тепловой режим, обеспечивает транспорт веществ через мембраны, а также постоянство физико-химических свойств цитоплазмы клетки и внеклеточных жидкостей.

Из неорганических соединений в состав организмов входят также растворимые в воде соли в виде катионов (калия, кальция, натрия и др.) и анионов (преимущественно остатки соляной, серной, фосфорной и угольной кислот).

 


Загрузка...
Яндекс.Метрика Google+