Химический состав клетки вода кратко

Лекция 4. Химический состав клеток. Вода, соли

Цитология. Изучением клетки занимается цитология (от греч. цитос – клетка и логос – наука). Изучается строение клеток, строение и функции клеточных органоидов, процессы жизнедеятельности, протекающие в клетке. Каждая клетка проявляет все свойства живого – обмен веществ, раздражимость, развитие и размножение, является элементарной (наименьшей) единицей строения. Изучение клетки логично начать с изучения химического состава клетки.

Химический состав клеток.

Все клетки, независимо от уровня организации, сходны по химическому составу. В живых организмах обнаружено 86 химических элементов периодической системы Д.И.Менделеева. Для 25 элементов известны функции, которые они выполняют в клетке. Эти элементы называются биогенными. По количественному содержанию в живом веществе элементы делятся на три категории:

Макроэлементы, элементы, концентрация которых превышает 0,001%. Они составляют основную массу живого вещества клетки (около 99%). Макроэлементы делят на элементы 1 и 2 группы. Элементы 1-ой группы – C, N, H, O (на их долю приходится 98% от всех элементов). Элементы 2-ой группы – K, Na, Ca, Mg, S, P, Cl, Fe (1,9%).

Микроэлементы (Zn, Mn, Cu, Co, Mo, и многие другие), доля которых составляет от 0,001% до 0,000001%. Микроэлементы входят в состав биологически активных веществ – ферментов, витаминов и гормонов.

Ультрамикроэлементы (Hg, Au, U, Ra и др.), концентрация которых не превышает 0,000001%. Роль большинства элементов этой группы до сих пор не выяснена.

Макро- и микроэлементы присутствуют в живой материи в виде разнообразных химических соединений, которые подразделяются на неорганические и органические вещества.

К неорганическим веществам относятся: вода и минеральные вещества. К органическим веществам относятся: белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты, АТФ и другие низкомолекулярные органические вещества. Процентное соотношение указано в таблице 1.

Неорганические вещества клетки. Вода.

Вода – самое распространенное в живых организмах неорганическое соединение. Ее содержание колеблется в широких пределах: в клетках эмали зубов вода составляет по массе около 10%, а в клетках развивающегося зародыша – более 90%.

Без воды жизнь невозможна. Она не только обязательный компонент живых клеток, но и среда обитания организмов. Биологическое значение воды основано на ее химических и физических свойствах. Химические и физические свойства воды необычны. Они объясняются, прежде всего, малыми размерами молекул воды, их полярностью и способностью соединяться друг с другом водородными связями.

В молекуле воды один атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода. Молекула полярна: кислородный атом несет частичный отрицательный заряд, а два водородных – частично положительные заряды. Это делает молекулу воды диполем. Поэтому при взаимодействии молекул воды друг с другом между ними устанавливаются водородные связи. Они слабее ковалентной, но, поскольку каждая молекула воды способна образовывать 4 водородные связи, они существенно влияют на физические свойства воды. Большая теплоемкость, теплота плавления и теплота парообразования объясняются тем, что большая часть поглощаемого водой тепла расходуется на разрыв водородных связей между ее молекулами. Вода обладает высокой теплопроводностью, благодаря чему в различных участках клетки поддерживается одинаковая температура. Вода практически не сжимается, прозрачна в видимом участке спектра. Наконец, вода – единственное вещество, плотность которого в жидком состоянии больше, чем в твердом.

Рис. . Вода. Значение воды.

Вода – хороший растворитель ионных (полярных) соединений, а также некоторых не ионных, в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы. Если энергия притяжения молекул воды к молекулам какого-либо вещества больше, чем энергия притяжения между молекулами вещества, то молекулы гидратируются и вещество растворяется. По отношению к воде различают гидрофильные вещества – вещества, хорошо растворимые в воде и гидрофобные вещества – вещества, практически нерастворимые в воде. Есть органические молекулы, у которых один участок – гидрофилен, другой – гидрофобен. Такие молекулы называют амфипатическими, к ним относятся, например, фосфолипиды, образующие основу биологических мембран.

Вода является непосредственным участником многих химических реакций (гиролитическое расщепление белков, углеводов, жиров и др.), необходима как метаболит для реакций фотосинтеза.

Большинство биохимических реакций может идти только в водном растворе; многие вещества поступают в клетку и выводятся из нее в водном растворе. Благодаря большой теплоте испарения воды, происходит охлаждение организма.

Максимальная плотность воды при +4°С, при понижении температуры вода поднимается вверх, а так как плотность льда меньше плотности воды, то лед образуется на поверхности, поэтому при замерзании водоемов подо льдом остается жизненное пространство для водных организмов.

Благодаря силам когезии (электростатическому взаимодействию молекул воды, водородным связям) и адгезии (взаимодействию с окружающими ее стенками) вода обладает свойством подниматься по капиллярам – один из факторов, обеспечивающих движение воды в сосудах растений.

Несжимаемость воды определяет напряженное состояние клеточных стенок (тургор), а также выполняет опорную функцию (гидростатический скелет, например, у круглых червей).

Итак, значение воды для организма заключается в следующем:

1. Является средой обитания для многих организмов;
2. Является основой внутренней и внутриклеточной среды;
3. Обеспечивает транспорт веществ;
4. Обеспечивает поддержание пространственной структуры растворенных в ней молекул (гидратирует полярные молекулы, окружает неполярные молекулы, способствуя их слипанию);
5. Служит растворителем и средой для диффузии;
6. Участвует в реакциях фотосинтеза и гидролиза;
7. При испарении участвует в терморегуляции организма;
8. Обеспечивает равномерное распределение тепла в организме;
9. Максимальная плотность воды при +4°С, поэтому лед образуется на поверхности воды.

Минеральные вещества.

Минеральные вещества клетки в основном представлены солями, которые диссоциируют на анионы и катионы, некоторые используются в неионизированной форме (Fe, Mg, Cu, Co, Ni и др.)

Для процессов жизнедеятельности клетки наиболее важны катионы Na + , Ca 2+ , Mg 2+ , анионы HPO₄ 2- , Cl — , HCO₃ — . Концентрации ионов в клетке и среде ее обитания, как правило, различны. В нервных и мышечных клетках концентрация К + внутри клетки в 30-40 раз больше, чем вне клетки; концентрация Na + вне клетки в 10-12 раз больше, нежели в клетке. Ионов Сl — вне клетки в 30—50 раз больше, чем внутри клетки. Существует ряд механизмов, позволяющих клетке поддерживать определенное соотношение ионов в протопласте и внешней среде.

Табл. 1. Важнейшие химические элементы

Химический элемент

Вещества, в которых химический элемент содержится

Процессы, в которых химический элемент участвует

Углерод, водород, кислород, азот

Белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы и др. органические вещества

Синтез органических веществ и весь комплекс функций, осуществляемых этими органическими веществами

Обеспечивают функции мембран, в частности, поддерживают электрический потенциал клеточной мембраны, работу Na + /Ka + -насоса, проведение нервных импульсов, анионный, катионный и осмотический балансы

Фосфат кальция, карбонат кальция

Участвует в процессе свертывания крови, сокращения мышц, входит в состав костной ткани, зубной эмали, раковин моллюсков

Формирование срединной пластинки и клеточной стенки у растений

Формирование пространственной структуры белка за счет образования дисульфидных мостиков

Нуклеиновые кислоты, АТФ

Синтез нуклеиновых кислот, фосфорилирование белков (их активирование)

Поддерживает электрический потенциал клеточной мембраны, работу Na + /Ka + -насоса, проведение нервных импульсов, анионный, катионный и осмотический балансы

Активизирует пищеварительные ферменты желудочного сока

Перенос электронов при фотосинтезе и дыхании

Окисление жирных кислот, участие в процессах дыхания и фотосинтеза

Транспорт кислорода у некоторых беспозвоночных

Входит в состав более 100 ферментов: Алькогольдегидрогеназа, карбоангидраза

Анаэробное дыхание у растений

Транспорт СО₂ у позвоночных

Костная ткань, зубная эмаль

Регуляция основного обмена

Различные ионы принимают участие во многих процессах жизнедеятельности клетки: катионы К + , Na + , Ca 2+ обеспечивают раздражимость живых организмов; катионы Mg 2+ , Mn 2+ , Zn 2+ , Ca 2+ и др. необходимы для нормального функционирования многих ферментов; образование углеводов в процессе фотосинтеза невозможно без Mg 2+ (составная часть хлорофилла).

От концентрации солей внутри клетки зависят ее буферные свойства. Буферностью называют способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию своего содержимого на постоянном уровне (рН около 7,4). Внутри клетки буферность обеспечивается главным образом анионами H₂PO₄ — и НРО₄ 2- . Во внеклеточной жидкости и в крови роль буфера играют Н₂СО₃ и НСО₃ — .

Фосфатная буферная система:

Низкий pH Высокий pH

Гидрофосфат – ион Дигидрофосфат – ион

Бикарбонатная буферная система:

Низкий pH Высокий pH

Гидрокарбонат – ион Угольная кислота

Некоторые неорганические вещества содержатся в клетке не только в растворенном, но и в твердом состоянии. Например, Са и Р содержатся в костной ткани, в раковинах моллюсков в виде двойных углекислых и фосфорнокислых солей.

Ключевые термины и понятия

1. Общая биология. 2. Тропизмы, таксисы, рефлексы. 2. Биогенные элементы. 3. Макроэлементы. 4. Элементы 1 и 2 групп. 5. Микро- и ультрамикроэлементы. 6. Гидрофильные и гидрофобные вещества. 7. Амфипатические вещества. 8. Гидролиз. 9. Гидратация. 10. Буферность.

Основные вопросы для повторения

1. Строение молекулы воды и ее свойства.
2. Значение воды.
3. Процентное соотношение органических веществ в клетке.
4. Важнейшие катионы клетки и их концентрация в нервных и мышечных клетках.
5. Реакция фосфатной буферной системы при понижении рН.
6. Реакция карбонатной буферной системы при повышении рН.

Источник

Роль воды в клетке: 6 важных функций и схема строения клеток

Роль воды в клетке для живого организма незаменима. Она составляет около 70 процентов от её массы. Остальные 30 процентов занимают органические и неорганические вещества. Недостаток жидкости приводит к истощению или гибели организма.

В данной статье мы узнаем, какие важные функции вода выполняет в клетках.

Какую роль выполняет в клетке вода

Все живые организмы состоят из клеток: человек, растения, животных, бактерии и т.д.

Клетка – это наименьшая единица строения живого организма. Они различаются, но имеют общие признаки.

Источник: Биология, Л.Н Сухорукова, В. С. Кучменко, И. Я. Колесникова

В состав всех клеток входят органические и неорганические вещества. Самое распространенное неорганическое вещество – вода.

Рассмотрим кратко её основные функции.

1. Растворитель. Вода выполняет в клетке функцию растворителя, большинство химических реакций протекают только в водной среде.
2. Транспортная функция. Помогает переносить питательные вещества из одной части в другую.
3. Функция регенерации. С помощью воды удаляются ненужные продукты жизнедеятельности.
4. Вода как реагент. Она участвует во многих химических реакциях: полимеризации, гидролиза, в процессе фотосинтеза.
5. Терморегуляторная. Поглощает большое количество тепловой энергии при минимальном повышении собственной температуры. Таким образом, защищает организм от перегрева и обеспечивает равномерное распределение тепла по всему организму.
6. Придает форму и упругость клетке. Вода практически не сжимается (в жидком состоянии) и служит гидростатическим скелетом. В составе клетке вода занимает 1 место среди всех химических соединений, определяет объем и упругость.

Химическая роль

Вода в качестве реагента участвует во многих химических реакциях:

1. фотосинтеза растений;
2. гидролизе – разрушении веществ с присоединением воды.

Химический состав клетки

Рассмотрим полный состав на рисунке № 2.

Химический состав

Органические вещества

1. Белки – сложные органические соединения. В одном организме может быть несколько тысяч разных видов. Самый известный белок — гемоглобин. Он осуществляет поступление кислорода ко всем клеткам. Благодаря белку Интерферону, организм человека борется с вирусными заболеваниями.
2. Углеводы необходимы, как источник энергии. К ним можно отнести: глюкозы, сахарозу и д. р.
3. Жиры являются запасным источником энергии и воды. Особенно они важны для животных, впадающих в спячку.
4. Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные соединения. Присутствуют во всех живых организмах. Передают наследственную информацию. Они хорошо растворимы в воде, практически нерастворимы в органических растворителях.

Неорганические вещества

1. Вода занимает 70 процентов. Она является непосредственным участником роста, размножения, питания, выделения, передвижения веществ в клетке и организме.
2. Минеральные соли, растворены в воде. Составляют от 1-1,5 процентов. В растворенном виде они образуют необходимую среду для химических процессов.
3. Углекислый газ.
4. Кислоты и основания.

Как образуются органические и неорганические вещества

В природе большое разнообразие клеток. Они могут отличаться размерами, функциям, формой. Могут быть свободноживущими или входить в состав многоклеточного организма. При всем многообразии они состоят из одних и тех же типов химических веществ.

Живую клетку отличают 2 особенности:

1. высокое содержание воды;
2. большое количество сложных органических веществ.

По подсчетам ученых в ней можно встретить около 70 химических элементов, правда, только 24 встречаются постоянно. Рассмотрим рисунок № 3.

По количеству элементы, содержащиеся в клетках, делят на 3 группы.

1. Макроэлементы. Встречаются в большом количестве. К ним относят: Кислород, Углерод, Водород, Азот, Серу, Железо, Фосфор, Кальций и т.д.
2. Микроэлементы. Встречаются в небольшом количестве такие элементы, как: Марганец, Медь, Кобальт, Цинк и т.д. Несмотря на малое содержание, они выполняют большую роль в обмене веществ.
3. Ультрамикроэлементы. Составляют менее 0, 000001 % в организме живых существ. К ним относятся: Золото, Серебро, Платина, Цезий, Селен и т. д.

Процентное содержание элементов не характеризует их важность в организме. Многие элементы входят в состав биологически важных веществ, ферментов, витаминов. Например, Кобальт входит в состав Витамина В12.

Эти 70 элементов могут входить в состав клетки. Они образуют 1000 химических веществ, которые можно разделить на неорганические и органические вещества.

Вода в органах и тканях

Всем живым существам необходима вода. Тело человека состоит из воды на 60-80 процентов. Она необходима каждому органу: коже, головному мозгу, желудку, сердцу, зубной эмали, ногтям и т.д.

При недостатке жидкости происходит обезвоживание организма. В клетке человека в разных органах и тканях содержится разное количество воды.

Для наглядности представлен рисунок № 4.

Примечательной особенностью является то, что с возрастом в теле человека становится меньше жидкости.

Например, у новорожденного — 80 процентов жидкости, у пожилого человека — 60 процентов.

Функции свободной воды в бактериальных клетках

Вода в клетках живых организмах бывает двух видов.

1. Свободная, входит в состав цитоплазмы, заполняет межклеточные пространства, заполняет сосуды, пространства между органами. Она нужна для транспортировки веществ и для поддержания процессов жизнедеятельности
2. Связанная, входит в состав клеточных структур (например, белков, мембран).

Основных различием бактериальной клетки является отсутствие ядра. Вместо него в центральной части находится ядерное вещество, которое выполняет такие же функции. Рассмотрим рисунок № 5.

Бактериальная состоит из 80-90 процентов воды, 10 процентов приходится на долю сухого вещества.

Свободная вода в ее составе выполняет функции:

1. растворителя;
2. транспортировки;
3. обеспечивает процессы метаболизма;
4. способствует размножению.

Существуют организмы, не имеющие клеточного строения. К ним относят вирусы.

Заключение

В жизнедеятельности клетки вода выполняет ключевую роль. Её содержание не редко достигает 70-80 процентов. Вода необходима для каждого процесса в живом организме и содержится в каждом органе. Вода – источник жизни, ее биологическая роль бесценна для живого организма.

Источник