какие химические элементы преобладают в живой природе

Биология. 10 класс

Неорганические соединения клетки

Химические вещества и их роль в живой природе

Органические вещества клетки. Углеводы. Липиды

Необходимо запомнить

Живые системы – клетки, ткани, организмы – состоят из тех же химических элементов, что и объекты неживой природы, что свидетельствует о единстве и взаимосвязи живой и неживой материи. Но соотношение элементов в живом и неживом веществе существенно отличается.

Живые организмы имеют сходный химический состав (одни и те же химические элементы и вещества в близких количествах), что является доказательством родства всего живого на Земле.

К неорганическим соединениям относятся относительно простые соединения, которые встречаются и в неживой природе: вода, минеральные соли, ионы.

Органические соединения, основой строения которых являются атомы углерода, составляют отличительный признак живого. Из органических соединений всеобщее биологическое значение имеют белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды.

Особенности химической организации живой материи:

– 98 % элементного состава приходится на углерод, кислород, водород и азот;

– большое содержание воды;

– наличие органических веществ.

Липиды – органические соединения с различной структурой, нерастворимые в воде, но растворимые в органических растворителях.

Общие функции углеводов и липидов: энергетическая, структурная, запасающая, защитная. Кроме того, липиды выполняют ещё терморегуляторную функцию и являются гормонами.

Источник

Химические элементы в живых организмах. Урок 4

Химические элементы в живых организмах образуют два класса соединений: органические и неорганические, а также находятся в свободном состоянии — в виде ионов. Все 94 элемента естественного происхождения имеют разное число протонов, расположение и количество электронов. Когда в XIX в. Дмитрий Менделеев выстроил их в таблицу согласно номерам, он открыл одну из величайших закономерностей естествознания: элементы демонстрируют химические свойства, которые по повторяемости можно объединить в 8 групп. Эта закономерная картина дала таблице своё название: Периодическая таблица химических элементов.

Периодическая таблица отображает химические элементы согласно атомному номеру и их свойству

Периодичность элементов, найденная Менделеевым, основана на взаимодействии электронов разных атомов на внешнем энергетическом уровне. Эти электроны называются валентными, и их контакты являются основой химических реакций. Для большинства атомов, важных для жизни, внешний энергетический уровень может содержать не более 8 электронов. Химическое поведение элемента зависит от того, сколько из его восьми позиций заполнено.

Элементы, обладающие всеми восьмью электронами внешнего энергетического уровня (у гелия 2) являются инертными, т. е. нереактивными. К ним относятся: гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar) и другие благородные газы. Напротив, элементы с семью электронами внешнего энергетического уровня, такие как фтор (F), хлор (Cl) и бром (Br) реактивны. Как правило, они получают дополнительные электроны, необходимые для заполнения энергетического уровня.

Другие элементы с одним электроном в их внешнем энергетическом уровне: литий (Li), натрий (Na) и калий (K) имеют тенденцию к потере одного своего электрона.

Строение атома лития
Автор: Ahazard.sciencewriter, CC BY-SA 4.0

Таким образом, Периодическая таблица Менделеева демонстрирует правило октета, или правило восьми (лат. Octo – «восемь»): атомы стремятся полностью восстановить свои внешние энергетические уровни, дополнить количество электронов на них до 8.

Химические элементы в составе живых организмов

Отгадайте, о составе какого объекта идёт речь?

Это состав человека среднего размера и веса. В отличие от неживой природы в живых существах химические элементы организованы в клетки.

Химический состав:
1 — земной коры,
2 — живых организмов

В земной коре преобладают кислород, кремний, алюминий и железо. В основе живых организмов находятся 4 элемента: кислород, углерод, водород, азот. Все элементы кроме кислорода, преобладающие в живых организмах, составляют незначительную долю массы земной коры.

Основные химические элементы в живых организмах — это:

Их доля в живых организмах может составлять 0,01% и выше. Все они имеют атомные номера меньше 21, так как их атомная масса низка. Первые 4 элемента: углерод, водород, кислород и азот составляют 96,3% массы любого организма.

Минеральные соли

Функции минеральных веществ

Кроме того, соляная кислота входит в состав желудочного сока животных и человека, ускоряя процесс переваривания белков пищи. Остатки серной кислоты способствуют выведению чужеродных веществ из организма. Натриевые и калиевые соли азотистой и фосфорной кислот, кальциевая соль серной кислоты служат важными компонентами минерального питания растений, их вносят в почву в качестве удобрений.

Органические вещества

Полимер — многозвеньевая цепь, в которой звеном является какое-либо относительно простое вещество — мономер. Полимеры бывают линейные и разветвленные, гомополимеры (все мономеры одинаковые — остатки глюкозы в крахмале) и гетерополимеры (мономеры разные — остатки аминокислот в белках), регулярные (группа мономеров в полимере периодически повторяется) и нерегулярные (в молекулах нет видимой повторяемости мономерных звеньев).
Биологические полимеры — это полимеры, входящие в состав клеток живых организмов и продуктов их жизнедеятельности. Биополимерами являются белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. Свойства биополимеров зависят от числа, состава и порядка расположения составляющих их мономеров. Изменение состава и последовательности мономеров в структуре полимера приводит к значительному числу вариантов биологических макромолекул.

Углеводы

Углеводы — органические соединения, состоящие из одной или многих молекул простых сахаров. Содержание углеводов в животных клетках составляет 1–5 %, а в некоторых клетках растений достигает 70 %.
Выделяют три группы углеводов: моносахариды, олигосахариды (состоят из 2–10 молекул простых сахаров), полисахариды (состоят более чем из 10 молекул сахаров). Соединяясь с липидами и белками, углеводы образуют гликолипиды и гликопротеины.

Характеристика углеводов

Таб. 1. Химические элементы в живых организмах
Органогенные (биоэлементы), или макронутриенты	Макроэлементы	Микроэлементы (от 0,001 % до 0,000001 % массы тела)	Ультрамикроэлементы (менее 0,000001 %)
Кислород — 65 %; Азот — 3 %.	Кальций (Са) – 0,04-2,00 Натрий (Na) – 0,02-0,Ц03	Кремний (Ci) – 0,001(для растений – микроэлемент) Марганец (Mn) – менее 0,0001 Кобальт (Co) – менее 0,0001 Молибден (Мо) – менее 0,0001	Золото Большинство молекул (кроме воды), из которых состоит наше тело, представляют собой соединения углерода, называемые органическими веществами. Органические вещества в основном и состоят из этих первых четырёх макроэлементов, чем и объясняется их распространённость в живых системах. Некоторые микроэлементы, такие как цинк (Zn) и йод (I), хотя и присутствуют в крошечных количествах, играют важнейшую роль в процессах жизнедеятельности. Дефицит йода, например, может привести к увеличению щитовидной железы, образованию так называемого зоба. Таб.2. Роль химических элементов в клетке Название химического элемента Описание роли элемента в клетке 1 Кислород (О) Входит в состав органических молекул и воды, обеспечивает реакцию окисления, в процессе которой выделяется нужная организму энергия 2 Углерод (С) Составляет основу всех органических соединений 3 Водород (Н) Является составной частью всех органических веществ и молекул воды 4 Азот (N) Входит в молекулы белков, нуклеиновых кислот, АТФ 5 Кальций (Са) Является составной частью клеточной стенки растений. У животных входит в состав костной ткани, эмали зубов, участвует в свёртывании крови и сокращении мышц 6 Фосфор (Р) Нужен для формирования зубной эмали и костной ткани. Входит в состав органических молекул, таких как ДНК, РНК, АТФ 7 Калий (К) В качестве катиона участвует в создании биоэлектрического потенциала, регулируя работу клеточной мембраны. Влияет на работу сердца, участвует в процессе фотосинтеза 8 Сера (S) Есть в составе некоторых белков и аминокислот 9 Хлор (Cl) Является основным анионом организма животных. Находится в составе соляной кислоты желудка 10 Натрий (Na) В качестве иона (катиона) участвует в создании биоэлектрического потенциала мембран клеток, в синтезе гормонов и регуляции сердечного ритма 11 Магний (Mg) Входит в состав зубной эмали, костной ткани, некоторых ферментов и хлорофилла 12 Железо (Fe) Необходимый компонент гемоглобина и миоглобина, входит в состав некоторых ферментов, участвует в процессах фотосинтеза и клеточного дыхания 13 Кремний (Si) Компонент клеточной оболочки растений. Принимает участие в образовании коллагена, костной ткани 14 Цинк (Zn) Участвует в синтезе гормонов у растений, находится в составе инсулина и некоторых ферментов 15 Медь (Cu) Принимает участие в процессах синтеза гемоглобина, фотосинтеза, клеточного дыхания. Входит в состав дыхательных пигментов крови (гемоцианинов) и гемолимфы некоторых беспозвоночных 16 Фтор (F) Необходим для формирования костной ткани и зубной эмали 17 Йод (I) Необходимый компонент гормонов щитовидной железы 18 Марганец (Mn) Делает более активными некоторые ферменты, входит в их состав, принимает участие в формировании костной ткани и в процессе фотосинтеза 19 Кобальт (Со) Принимает участие в процессе образования клеток крови, находится в составе витамина B12 20 Молибден (Mo) Помогает клубеньковым бактериям связывать атмосферный азот Таб. 3. Основные ионы в клетках № Название Описание объекта Изображение Роль в клетке 1 Катионы Положительно заряженные ионы. 2 Катионы калия и натрия К + Na + Основные катионы в организме животных. Они создают электрический потенциал клеточной мембраны, регулируют ритм сердечной деятельности. 3 Катионы кальция Ca 2+ Принимает участие в свёртывании крови, отвечает за сократимость мышц, входит в состав клеточной стенки растений. 4 Катион магния Mg 2+ Нужен растениям для осуществления фотосинтеза, так как он входит в состав хлорофилла. Является компонентом некоторых ферментов, есть в костной ткани и эмали зубов. 5 Катионы водорода Н+ Отвечают за кислотность и основность внутренней среды организма (pH). 6 Анионы Отрицательно заряженные ионы 7 Анионы хлора Сl — Хлор – основной анион клетки животных, принимает участие в создании электрического потенциала клеточной мембраны. Присутствует в составе соляной кислоты желудочного сока. 8 ОН — Выполняет ту же роль что и катион водорода Как соединяются химические элементы в живых организмах? Группа атомов, удерживаемых энергией в устойчивой ассоциации, называется молекулой или кристаллом. При изучении веществ в живых организмах нам будут встречаться следующие типы химических связей: Ионные связи образуют кристаллы В обычной поваренной соли – хлориде натрия (NaCl) – атомы удерживаются ионными связями, образуя решётку. Натрий имеет 11 электронов: 2 во внутреннем энергетическом уровне (К), 8 на уровне L и 1 на внешнем уровне М (валентность). Одиночный неспаренный валентный электрон имеет тенденцию к соединению с другим непарным электроном в другом атоме. Стабильная конфигурация достигается за счёт потери электрона одним атомом и приобретения его другим. Натрий, теряя электрон, становится положительно заряженным ионом – катионом (Na+). Минеральные соли в клетке накапливаются в виде кристаллов. У атома хлора 17 электронов: 2 в уровне К, 8 в уровне L и 7 на М-уровне. Одна из орбиталей на внешнем энергетическом уровне содержит неспаренный электрон. Добавление электрона от другого атома превращает атом хлора в отрицательно заряженный хлорид-ион (Cl-). Так как противоположные заряды притягиваются, натрий и хлор остаются связанными нейтральным ионным соединением. Кристаллическая решётка хлорида натрия. Голубой цвет = Na+ Зелёный цвет = Cl− Автор: H Padleckas Если кристаллическую решётку соли поместить в воду, электрическое притяжение молекул воды разрушает силы, удерживающие ионные связи. Раствор соли в воде представляет собой смесь свободных катионов натрия (Na+) и анионов хлора (Cl-). Так как живые системы всегда содержат воду, то ионы для них важнее кристаллов. Многие химические элементы в живых организмах находятся в виде ионов. Необходимые в клеточных системах ионы – это: Если совместить металлический натрий и газообразный хлор, реакция образования хлорида натрия будет экзотермической – быстрой и с выделением тепла. Ковалентные связи соединяют химические элементы в живых организмах и создают стабильные молекулы Ковалентные связи образуются, когда два атома делят одну или несколько пар валентных электронов. В качестве примера рассмотрим газообразный водород (H2). Каждый атом водорода имеет неспаренный электрон, а значит и незаполненный внешний уровень. По этой причине атом водорода нестабилен. Когда два атома водорода образуют тесную связь, оба валентных электрона притягиваются к их ядрам. Они как бы делят между собой электроны, в результате чего получается двухатомная молекула газообразного водорода. Ковалентная связь, формирующая молекулу водорода H2 (справа), где два атома водорода перекрывают два электрона Автор: Jacek FH, CC BY-SA 3.0 Молекула, образованная двумя атомами водорода, стабильна по трём причинам: Многие химические элементы в живых организмах образуют ковалентные связи. Прочность ковалентных связей Прочность ковалентных связей зависит от количества их общих электронов. В прошлом пункте мы рассматривали одинарную связь, двойная же связь объединяет 2 пары электронов, она более крепкая. Чтобы разорвать её, требуется больше энергии. Самые сильные ковалентные связи – тройные, такие которые объединяют два атома в молекулу газообразного азота (N2). Ковалентные связи в химических формулах показывают линиями. Каждая линия между атомами представляет собой совместное использование одной пары электронов. Структурная формула газообразного водорода H–H, кислорода O=O, а их молекулярные формулы H2 и O2. Структурный характер формулы для N2 N ≡ N. Молекулы с несколькими ковалентными связями Огромное количество биологических соединений состоит более чем из двух атомов. Атом, который требует двух, трёх или четырёх дополнительных электронов для заполнения внешнего уровня, может приобрести их путём обмена с двумя и более атомами. Например, атом углерода (С) содержит шесть электронов, четыре из них находятся на его внешнем энергетическом уровне и не имеют пары. Чтобы удовлетворить правилу октета, атом углерода должен образовать 4 ковалентных связи. Так как эти 4 скрепления могут производиться разными путями, углерод образует множество молекул, например: СО2 (углекислый газ), СН4 (метан), С2Н5ОН (этанол). Модель атома углерода Автор: Ahazard.sciencewriter, CC BY-SA 4.0 Полярные и неполярные ковалентные связи Атомы отличаются количеством электронов, это свойство называется электроотрицательностью. В строке Периодической таблицы она увеличивается вправо и уменьшается книзу колонки, то есть элементы в правом верхнем углу имеют наиболее высокую электроотрицательность. Для связи между двумя идентичными атомами, например между двумя атомами водорода или кислорода, электроны делятся поровну. Области их соединения называются неполярными. Таковы, например, молекулы Н2, О2. При соединении значительно отличающихся по электроотрицательности атомов электроны не делятся поровну. Общие электроны, скорее всего, будут ближе к атому с большей отрицательностью, и хотя получившаяся молекула будет электрически нейтральной, заряд в ней распределится неравномерно. Неравномерность заряда приводит к областям частичной отрицательности (в районе наиболее отрицательного атома) и положительного заряда вблизи наименее отрицательного атома. Такие связи называются полярными ковалентными, а молекулы – полярными. На схемах с изображением полярных молекул эти частичные заряды обозначаются греческой буквой Дельта (δ). Интересно, что хотя С и Н немного отличаются по электроотрицательности, связь между ними неполярна. Н2О – полярная молекула, электроны в ней концентрируются около ядра атома кислорода. О воде мы будем говорить более подробно в следующем уроке. Химические реакции взаимосвязаны и обратимы Процессы образования и разрыва связей между атомами называются химическими реакциями. Все химические реакции обозначают перенос атома от одной молекулы в другое соединение, без каких-либо изменений в количестве или идентичности атомов. Для удобства оригинал молекул до начала реакции называют реагентом, а молекулы, образующиеся в результате реакции – продуктами. Например: 6H2O + 6CO2 → C6H12O6 + 6O2, где 6H2O + 6CO2 – реагент, а C6H12O6 + 6O2– продукт. Это упрощённая формула реакции фотосинтеза, где вода и углекислый газ, вступая в реакцию, образуют молекулы глюкозы и кислорода. Все химические реакции происходят под влиянием трёх факторов. Многие реакции в природе обратимы. Это значит, что продукты могут снова стать реагентами, а реагенты – продуктами. Соответственно, мы можем записать предыдущую формулу в обратном порядке: Эта упрощённый вариант окисления глюкозы, протекающего во время клеточного дыхания, когда глюкоза расщепляется на воду и углекислый газ в присутствии кислорода. Почти все живые организмы осуществляют разные формы окисления глюкозы. Организмы – накопители химических элементов Организмы, способные накапливать в своём теле один или несколько химических элементов называют концентраторами. Если элемент составляет 10% от веса их тела или от атомной массы, тогда они относятся к данной группе. Макроэлементы составляют основную массу процентного состава живых организмов. Содержание некоторых химических элементов в природных объектах Организмы-концентраторы Химические элементы, которые они накапливают Подсолнечник, картофель Калий (К) Бобовые, кораллы Кальций (Са) Злаки, диатомовые водоросли Кремний (Si) Плауны, чай Алюминий (Al) Растения засолённых почв (галофиты) Натрий (Na) железобактерии Железо (Fe) Водоросли Йод (I) Пауки, раки Медь (Сu) Серобактерии Сера (S) Морепродукты кальций (Ca) медь (Сu) Наземные растения Марганец (Mn) Наземные животные Фосфор (P) Вам будет интересно При селекционной и экспериментальной работе часто бывает нужно определить генотип особи с доминантными признаками. При… Подумайте! Когда нужно начинать ориентироваться – до похода или тогда, когда уже заблудился? Какие способы… Изменчивость – это совокупность различий по тому или иному признаку между особями одного вида или… Картографические проекции сегодня – это математические способы изображения всего земного эллипсоида или его части на… Источник Клеточная теория, химический состав, строение, функции. Химический состав живых организмов Химический состав живых организмов можно выразить в двух видах — атомном и молекулярном. Атомный (элементный) состав характеризует соотношение атомов элементов, входящих в живые организмы. Молекулярный (вещественный) состав отражает соотношение молекул веществ. Элементарный состав По относительному содержанию элементы, входящие в состав живых организмов, делят на три группы. Группы элементов по их содержанию в живых организмах Группа элементов Элементы Суммарное содержание в клетке, % Макроэлементы O, C, H, N (основные, или органогены) Ca, K, Si, Mg, P, S, Na, Cl, Fe 98–99 1–2 Микроэлементы Mn, Co, Zn, Cu, B, I, F, Mo и др. 0,1 Ультрамикроэлементы Se, U, Hg, Ra, Au, Ag и др. менее 0,01 Элемент В живых организмах, % от сырой массы В земной коре, % В морской воде, % Кислород 65–75 49,2 85,8 Углерод 15–18 0,4 0,0035 Водород 8–10 1,0 10,67 Азот 1,5–3,0 0,04 0,37 Фосфор 0,20–1,0 0,1 0,003 Сера 0,15–0,2 0,15 0,09 Калий 0,15–0,4 2,35 0,04 Хлор 0,05–0,1 0,2 0,06 Кальций 0,04–2,0 3,25 0,05 Магний 0,02–0,03 2,35 0,14 Натрий 0,02–0,03 2,4 1,14 Железо 0,01–0,015 4,2 0,00015 Цинк 0,0003 + и Ca 2+ ), активирует ферменты, участвующие в синтезе белка Кальций Ca Входит в состав костей, зубов, раковин, участвует в регуляции избирательной проницаемости клеточной мембраны, процессах свёртывания крови; поддержании сердечного ритма (вместе с ионами K + и Na 2+ ), образовании желчи, активирует ферменты при сокращении поперечно-полосатых мышечных волокон Магний Mg Входит в состав хлорофилла, многих ферментов Железо Fe Входит в состав гемоглобина, миоглобина, некоторых ферментов Медь Cu Входит в состав некоторых ферментов Цинк Zn Входит в состав некоторых ферментов Марганец Mn Входит в состав некоторых ферментов Молибден Mo Входит в состав некоторых ферментов Кобальт Co Входит в состав витамина В12 Фтор F Входит в состав эмали зубов, костей Йод I Входит в состав гормона щитовидной железы — тироксина Бром Br Входит в состав витамина В1 Бор В Влияет на рост растений Молекулярный состав Химические элементы входят в состав клеток в виде ионов и молекул неорганических и органических веществ. Важнейшие неорганические вещества в клетке — вода и минеральные соли, важнейшие органические вещества — углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты. Содержание в клетке химических веществ Вещество Содержание, % от сырой массы Вода 75–85 Белки 10–15 Жиры 1–5 Углеводы 0,2–2,0 Нуклеиновые кислоты 1–2 Низкомолекулярные органические соединения 0,1–0,5 Неорганические соединения 1,0–1,5 Неорганические вещества Вода — преобладающее вещество всех живых организмов. Она обладает уникальными свойствами благодаря особенностям строения: молекулы воды имеют форму диполя и между ними образуются водородные связи. Среднее содержание воды в клетках большинства живых организмов составляет около 70%. Вода в клетке присутствует в двух формах: свободной (95% всей воды клетки) и связанной (4–5% связаны с белками). Функции воды представлены в таблице. Функции воды
Функция	Характеристика
Вода как растворитель	Вода является лучшим из известных растворителей, в ней растворяется больше веществ, чем в любой другой жидкости. Многие химические реакции в клетке являются ионными, поэтому протекают только в водной среде. Молекулы воды полярны, поэтому вещества, молекулы которых также полярны, хорошо растворяются в воде, а вещества, молекулы которых не полярны, нерастворяются (плохо растворяются) в воде. Вещества, растворяющиеся в воде, называются гидрофильными (спирты, сахара, альдегиды, аминокислоты), нерастворяющиеся — гидрофобными (жирные кислоты, целлюлоза).
Вода как реагент	Вода участвует во многих химических реакциях: реакциях гидролиза, полимеризации, в процессе фотосинтеза и т. д.
Транспортная	Передвижение по организму вместе с водой растворённых в ней веществ к различным его частям и выведение ненужных продуктов из организма.
Вода как термостабилизатор и терморегулятор	Эта функция обусловлена такими свойствами воды, как высокая теплоёмкость (благодаря наличию водородных связей): смягчает влияние на организм значительных перепадов температуры в окружающей среде; высокая теплопроводность (вследствие небольших размеров молекул) позволяет организму поддерживать одинаковую температуру во всем его объёме; высокая теплота испарения (благодаря наличию водородных связей): вода используется для охлаждения организма при потоотделении у млекопитающих и транспирации у растений.
Структурная	Цитоплазма клеток содержит обычно от 60 до 95% воды, и именно она придаёт клеткам их нормальную форму. У растений вода поддерживает тургор (упругость эндоплазматической мембраны), у некоторых животных служит гидростатическим скелетом (медузы, круглые черви). Это возможно благодаря такому свойству воды, как полная несжимаемость.

Группа	Строение	Характеристика
Моносахариды (или простые сахара)	Это кетонные или альдегидные производные многоатомных спиртов.	В зависимости от числа атомов углерода различают триозы, тетрозы, пентозы (рибоза, дезоксирибоза), гексозы (глюкоза, фруктоза) и гептозы. В зависимости от функциональной группы сахара разделяют на альдозы, имеющие в составе альдегидную группу (глюкоза, рибоза, дезоксирибоза), и кетозы, имеющие в составе кетонную группу (фруктоза). Моносахариды — бесцветные твёрдые кристаллические вещества, легко растворимые в воде, имеющие, как правило, сладкий вкус. Моносахариды могут существовать в ациклических и циклических формах, которые легко превращаются друг в друга. Олиго- и полисахариды образуются из циклических форм моносахаридов.
Олигосахариды	Состоят из 2–10 молекул простых сахаров. В природе в большей степени представлены дисахаридами, состоящими из двух моносахаридов, связанных друг с другом с помощью гликозидной связи.	Наиболее часто встречаются мальтоза, или солодовый сахар, состоящий из двух молекул глюкозы; лактоза, входящая в состав молока и состоящая из галактозы и глюкозы; сахароза, или свекловичный сахар, включающий глюкозу и фруктозу. Дисахариды, как и моносахариды, растворимы в воде и обладают сладким вкусом.
Полисахариды	Состоят более чем из 10 молекул сахаров. В полисахаридах простые сахара (глюкоза, галактоза и др.) соединены между собой гликозидными связями. Если присутствуют только 1–4, гликозидные связи, то образуется линейный, неразветвлённый полимер (целлюлоза), если присутствуют и 1–4, и 1–6 связи, полимер будет разветвлённым (крахмал, гликоген). Полисахариды утрачивают сладкий вкус и способность растворяться в воде.	Целлюлоза — линейный полисахарид, состоящий из молекул β-глюкозы, соединённых 1–4 связями. Целлюлоза является главным компонентом клеточной стенки растений. Она нерастворима в воде и обладает большой прочностью. У жвачных животных целлюлозу расщепляют ферменты бактерий, постоянно обитающих в специальном отделе желудка. Крахмал и гликоген являются основными формами запасания глюкозы у растений и животных соответственно. Остатки α-глюкозы в них связаны 1–4 и 1–6 гликозидными связями. Хитин образует у членистоногих наружный скелет (панцирь), у грибов придаёт прочность клеточной стенке.

Функции углеводов представлены в таблице.

Функции углеводов

Функция	Характеристика
Энергетическая	При окислении простых сахаров (в первую очередь глюкозы) организм получает основную часть необходимой ему энергии. При полном расщеплении 1 г глюкозы высвобождается 17,6 кДж энергии.
Запасающая	Крахмал (у растений) и гликоген (у животных, грибов и бактерий) играют роль источника глюкозы, высвобождая её по мере необходимости.
Строительная (структурная)	Целлюлоза (у растений) и хитин (у грибов) придают прочность клеточным стенкам. Рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот. Рибоза также входит в состав АТФ, ФАД, НАД, НАДФ.
Рецепторная	Функция узнавания клетками друг друга обеспечивается гликопротеинами, входящими в состав клеточных мембран. Утрата способности узнавать друг друга характерна для клеток злокачественных опухолей.
Защитная	Хитин образует покровы (наружный скелет) тела членистоногих.

Липиды

Липиды — жиры и жироподобные органические соединения, практически нерастворимые в воде. Их содержание в разных клетках сильно варьируется от 2–3 (в клетках семян растений) до 50–90% (в жировой ткани животных). В химическом отношении липиды, как правило, сложные эфиры жирных кислот и ряда спиртов

Они делятся на несколько классов. Наиболее распространены в живой природе нейтральные жиры, воска, фосфолипиды, стероиды. В состав большинства липидов входят жирные кислоты, молекулы которых содержат гидрофобный длинноцепочечный углеводородный «хвост» и гидрофильную карбоксильную группу.
Жиры — сложные эфиры трёхатомного спирта глицерина и трёх молекул жирных кислот. Воска — это сложные эфиры многоатомных спиртов и жирных кислот. Фосфолипиды имеют в молекуле вместо остатка жирной кислоты остаток фосфорной кислоты. Стероиды не содержат жирных кислот и имеют особую структуру. Также для живых организмов характерны липопротеины — соединения липидов с белками без образования ковалентных связей и гликолипиды — липиды, в которых помимо остатка жирной кислоты содержится одна или несколько молекул сахара.
Функции липидов представлены в таблице.

Функции липидов

Функция	Характеристика
Строительная (структурная)	Фосфолипиды вместе с белками являются основой биологических мембран. Стероид холестерин — важный компонент клеточных мембран у животных. Липопротеины и гликолипиды входят в состав мембран клеток некоторых тканей. Воск входит в состав пчелиных сот.
Гормональная (регуляторная)	Многие гормоны по химической природе являются стероидами. Например, тестостерон стимулирует развитие полового аппарата и вторичных половых признаков, характерных для мужчин; прогестерон (гормон беременности) способствует имплантации яйцеклетки в матке, задерживает созревание и овуляцию фолликулов, стимулирует рост молочных желёз; кортизон и кортикостерон влияют на обмен углеводов, белков, жиров, обеспечивая адаптацию организма к большим мышечным нагрузкам.
Энергетическая	При окислении 1 г жирных кислот высвобождается 38,9 кДж энергии и синтезируется в два раза больше АТФ, чем при расщеплении такого же количества глюкозы. У позвоночных половина энергии, потребляемой в состоянии покоя, образуется за счёт окисления жирных кислот.
Запасающая	В виде жиров хранится значительная часть энергетических запасов организма: твёрдые жиры у животных, жидкие жиры (масла) у растений, например, у подсолнечника, сои, клещевины. Кроме того, жиры служат источником воды (при сгорании 1 г жира образуется 1,1 г воды). Это особенно ценно для пустынных и арктических животных, испытывающих дефицит свободной воды.
Защитная	У млекопитающих подкожный жир выступает в качестве термоизолятора (защита от охлаждения) и амортизатора (защита от механических воздействий). Воск покрывает эпидермис растений, кожу, перья, шерсть, волосы животных, предохраняя от смачивания.

Белки

Белки представляют собой самый многочисленный и наиболее разнообразный класс органических соединений клетки. Белки — это биологические гетерополимеры, мономерами которых являются аминокислоты.

По химическому составу аминокислоты — это соединения, содержащие одну карбоксильную группу (—СООН) и одну аминную (—NH₂), связанные с одним атомом углерода, к которому присоединена боковая цепь — какой-либо радикал R. Именно радикал придаёт аминокислоте её неповторимые свойства.
В образовании белков участвуют только 20 аминокислот. Они называются фундаментальными, или основными: аланин, метионин, валин, пролин, лейцин, изолейцин, триптофан, фенилаланин, аспарагин, глутамин, серин, глицин, тирозин, треонин, цистеин, аргинин, гистидин, лизин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты. Некоторые из аминокислот не синтезируются в организмах животных и человека и должны поступать с растительной пищей. Они называются незаменимыми: аргинин, валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин.
Аминокислоты, соединяясь друг с другом ковалентными пептидными связями, образуют различной длины пептиды
Пептидной (амидной) называется ковалентная связь, образованная карбоксильной группой одной аминокислоты и аминной группой другой.
Белки представляют собой высокомолекулярные полипептиды, в состав которых входят от ста до нескольких тысяч аминокислот.
Выделяют 4 уровня организации белков:

Уровни организации белков

Уровень	Характеристика
Первичная структура	Последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Она образуется за счёт ковалентных пептидных связей между аминокислотными остатками. Первичная структура определяется последовательностью нуклеотидов в участке молекулы ДНК, кодирующем данный белок. Первичная структура любого белка уникальна и определяет его форму, свойства и функции. Молекулы белков могут принимать различные пространственные формы (конформации). Существуют вторичная, третичная и четвертичная пространственные структуры белковой молекулы.
Вторичная структура	Образуется укладкой полипептидных цепей в α-спираль или β-структуру. Она поддерживается за счёт водородных связей между атомами водорода групп NH— и атомами кислорода групп СО—. α-спираль формируется в результате скручивания полипептидной цепи в спираль с одинаковыми расстояниями между витками. Она характерна для глобулярных белков, имеющих сферическую форму глобулы. β-структура представляет собой продольную укладку трёх полипептидных цепей. Она характерна для фибриллярных белков, имеющих вытянутую форму фибриллы.
Третичная структура	Образуется при сворачивании спирали в клубок (глобулу, домен). Домены — глобулоподобные образования с гидрофобной сердцевиной и гидрофильным наружным слоем. Третичная структура формируется за счёт связей, образующихся между радикалами (R) аминокислот, за счёт ионных, гидрофобных и дисперсионных взаимодействий, а также за счёт образования дисульфидных (S — S) связей между радикалами цистеина.
Четвертичная структура	Характерна для сложных белков, состоящих из двух и более полипептидных цепей (глобул), не связанных ковалентными связями, а также для белков, содержащих небелковые компоненты (ионы металлов, коферменты). Четвертичная структура поддерживается в основном силами межмолекулярного притяжения и в меньшей степени водородными и ионными связями.

Конфигурация белка зависит от последовательности аминокислот, но на неё могут влиять и конкретные условия, в которых находится белок.
Утрата белковой молекулой своей структурной организации называется денатурацией.

Денатурация может быть обратимой и необратимой. При обратимой денатурации разрушается четвертичная, третичная и вторичная структуры, но благодаря сохранению первичной структуры при возвращении нормальных условий возможна ренатурация белка — восстановление нормальной (нативной) конформации. При необратимой денатурации происходит разрушение первичной структуры белка. Денатурация может быть вызвана высокой температурой (выше 45 °C), обезвоживанием, ионизирующим излучением и другими факторами. Изменение конформации (пространственной структуры) белковой молекулы лежит в основе ряда функций белков (сигнальные, антигенные свойства и др.).
По химическому составу различают простые и сложные белки. Простые белки состоят только из аминокислот (фибриллярные белки, антитела — иммуноглобулины). Сложные белки содержат белковую часть и небелковую — простетические группы. Различают липопротеины (содержат липиды), гликопротеины (углеводы), фосфопротеины (одну или несколько фосфатных групп), металлопротеины (различные металлы), нуклеопротеины (нуклеиновые кислоты). Простетические группы обычно играют важную роль при выполнении белком его биологической функции.
Функции белков представлены в таблице.

Функции белков

Функция	Характеристика
Каталитическая (ферментативная)	Все ферменты являются белками. Белки-ферменты катализируют протекание в организме химических реакций. Например, каталаза разлагает перекись водорода, амилаза гидролизует крахмал, липаза — жиры, трипсин — белки, нуклеаза — нуклеиновые кислоты, ДНК-полимераза катализирует удвоение ДНК.
Строительная (структурная)	Её осуществляют фибриллярные белки. Например, кератин содержится в ногтях, волосах, шерсти, перьях, рогах, копытах; коллаген — в костях, хрящах, сухожилиях; эластин — в связках и стенках кровеносных сосудов.
Транспортная	Ряд белков способен присоединять и переносить различные вещества. Например, гемоглобин переносит кислород и углекислый газ, белки-переносчики осуществляют облегчённую диффузию через плазматическую мембрану клетки.
Гормональная (регуляторная)	Многие гормоны являются белками, пептидами, гликопептидами. Например, соматропин регулирует рост; инсулин и глюкагон регулируют уровень глюкозы в крови: инсулин повышает проницаемость клеточных мембран для глюкозы, что усиливает её расщепление в тканях, отложение гликогена в печени, глюкагон способствует превращению гликогена печени в глюкозу.
Защитная	Например, иммуноглобулины крови являются антителами; интерфероны — универсальные противовирусные белки; фибрин и тромбин участвуют в свёртывании крови.
Сократительная (двигательная)	Например, актин и миозин образуют микрофиламенты и осуществляют сокращение мышц, тубулин образует микротрубочки и обеспечивает работу веретена деления.
Рецепторная (сигнальная)	Например, гликопротеины входят в состав гликокаликса и воспринимают информацию из окружающей среды; опсин — составная часть светочувствительных пигментов родопсина и йодопсина, находящихся в клетках сетчатки глаза.
Запасающая	Например, альбумин запасает воду в яичном желтке, миоглобин содержит запас кислорода в мышцах позвоночных, белки семян растений бобовых — запас питательных веществ для зародыша.
Энергетическая	При расщеплении 1 г белков высвобождается 17,6 кДж энергии.

Ферменты. Белки-ферменты катализируют протекание в организме химических реакций. Эти реакции, в силу энергетических причин, сами по себе либо вообще не протекают в организме, либо протекают слишком медленно.
Ферментативную реакцию можно выразить общим уравнением:
Е+S → [ES] → E+P,
где субстрат (S) обратимо реагирует с ферментом (Е) с образованием фермент-субстратного комплекса (ES), который затем распадается с образованием продукта реакции (Р). Фермент не входит в состав конечных продуктов реакции.
В молекуле фермента имеется активный центр, состоящий из двух участков — сорбционного (отвечает за связывание фермента с молекулой субстрата) и каталитического (отвечает за протекание собственно катализа). В ходе реакции фермент связывает субстрат, последовательно изменяет его конфигурацию, образуя ряд промежуточных молекул, дающих в конечном итоге продукты реакции.
Отличие ферментов от катализаторов неорганической природы:
1. Один фермент катализирует только один тип реакций.
2. Активность ферментов ограничена довольно узкими температурными рамками (обычно 35–45 о С).
3. Ферменты активны при определенных значениях рН (большинство в слабощелочной среде).

Нуклеиновые кислоты

Мононуклеотиды. Мононуклеотид состоит из одного азотистого основания — пуринового (аденин — А, гуанин — Г) или пиримидинового (цитозин — Ц, тимин — Т, урацил — У), сахара-пентозы (рибоза или дезоксирибоза) и 1–3 остатков фосфорной кислоты.
В зависимости от числа фосфатных групп различают моно-, ди- и трифосфаты нуклеотидов, например, аденозинмонофосфат — АМФ, гуанозиндифосфат — ГДФ, уридинтрифосфат — УТФ, тимидинтрифосфат — ТТФ и т. д.
Функции мононуклеотидов представлены в таблице.

Функции мононуклеотидов

Функция	Характеристика
Строительная (структурная)	Наиболее важная роль нуклеотидов состоит в том, что они служат строительными блоками для сборки полинуклеотидов: ДНК и РНК (дезоксирибонуклеиновых и рибонуклеиновых кислот).
Энергетическая	АТФ является универсальным переносчиком и хранителем энергии в клетке, участвует как источник энергии почти во всех внутриклеточных реакциях.
Транспортная	Производные нуклеотидов служат переносчиками некоторых химических групп, например, НАД (никотинамидадениндинуклеотид) и ФАД (флавинадениндинуклеотид) — переносчики атомов водорода.

Полинуклеотиды. Нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды) — полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Существуют два типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота).
Нуклеотиды ДНК и РНК состоят из следующих компонентов:

​ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — линейный полимер, состоящий из четырёх типов мономеров: нуклеотидов А, Т, Г и Ц, связанных друг с другом ковалентной связью через остатки фосфорной кислоты.

Молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных цепей (двойная спираль). При этом между аденином и тимином образуются две водородные связи, а между гуанином и цитозином — три. Эти пары азотистых оснований называют комплементарными. В молекуле ДНК они всегда расположены друг напротив друга. Цепи в молекуле ДНК противоположно направлены. Пространственная структура молекулы ДНК была установлена в 1953 г. Д. Уотсоном и Ф. Криком.

Связываясь с белками, молекула ДНК образует хромосому. Хромосома — комплекс одной молекулы ДНК с белками. Молекулы ДНК эукариотических организмов (грибов, растений и животных) линейны, незамкнуты, связаны с белками, образуя хромосомы. У прокариот (бактерий) ДНК замкнута в кольцо, не связана с белками, не образует линейную хромосому.

Функция ДНК: хранение, передача и воспроизведение в ряду поколений генетической информации. ДНК определяет, какие белки и в каких количествах необходимо синтезировать.
РНК (рибонуклеиновые кислоты) в отличие от ДНК вместо дезоксирибозы содержат рибозу, а вместо тимина — урацил. РНК, как правило, имеют лишь одну цепь, более короткую, чем цепи ДНК. Двуцепочечные РНК встречаются у некоторых вирусов.
Существует 3 вида РНК.

Виды РНК

Вид	Характеристика	Доля в клетке, %
Информационная РНК (иРНК), или матричная РНК (мРНК)	Имеет незамкнутую цепь. Служит в качестве матриц для синтеза белков, перенося информацию об их структуре с молекулы ДНК к рибосомам в цитоплазму.	Около 5
Транспортная РНК (тРНК)	Доставляет аминокислоты к синтезируемой молекуле белка. Молекула тРНК состоит из 70–90 нуклеотидов и благодаря внутрицепочечным комплементарным взаимодействиям приобретает характерную вторичную структуру в виде «клеверного листа». 1 — 4 — участки комплементарного соединения внутри одной цепочки РНК; 5 — участок комплементарного соединения с молекулой мРНК; 6 — участок (активный центр) соединения с аминокислотой	Около 10
Рибосомная РНК (рРНК)	В комплексе с рибосомными белками образует рибосомы — органоиды, на которых происходит синтез белка.	Около 85

Функции РНК: участие в биосинтезе белков.
Самоудвоение ДНК. Молекулы ДНК обладают способностью, не присущей ни одной другой молекуле, — способностью к удвоению. Процесс удвоения молекул ДНК называется репликацией.

В основе репликации лежит принцип комплементарности — образование водородных связей между нуклеотидами А и Т, Г и Ц.
Репликацию осуществляют ферменты ДНК-полимеразы. Под их воздействием цепи молекулы ДНК разделяются на небольшом отрезке молекулы. На цепи материнской молекулы достраиваются дочерние цепи. Затем расплетается новый отрезок, и цикл репликации повторяется.
В результате образуются дочерние молекулы ДНК, ничем не отличающиеся друг от друга и от материнской молекулы. В процессе деления клетки дочерние молекулы ДНК распределяются между образующимися клетками. Так осуществляется передача информации из поколения в поколение.
Под воздействием различных факторов внешней среды (ультрафиолетового излучения, различных химических веществ) молекула ДНК может повреждаться. Происходят разрывы цепей, ошибочные замены азотистых оснований нуклеотидов и др. Кроме того, изменения в ДНК могут происходить самопроизвольно, например, в результате рекомбинации — обмена фрагментами ДНК. Произошедшие изменения в наследственной информации также передаются потомству.
В некоторых случаях молекулы ДНК способны «исправлять» возникающие в её цепях изменения. Эта способность называется репарацией. В восстановлении исходной структуры ДНК участвуют белки, которые узнают изменённые участки ДНК и удаляют их из цепи, тем самым восстанавливая правильную последовательность нуклеотидов, сшивая восстановленный фрагмент с остальной молекулой ДНК.
Сравнительная характеристика ДНК и РНК представлена в таблице.

Сравнительная характеристика ДНК и РНК

ПризнакиДНКРНКМестонахождение в клеткеЯдро, митохондрии, пластиды. Цитоплазма у прокариотЯдро, рибосомы, цитоплазма, митохондрии, хлоропластыМестонахождение в ядреХромосомыКариоплазма, ядрышко (рРНК)Строение макромолекулыДвуцепочечный (как правило) линейный полинуклеотид, свёрнутый правозакрученной спиралью, с водородными связями между двумя цепямиОдноцепочечный (как правило) полинуклеотид. Некоторые вирусы имеют двуцепочечную РНКМономерыДезоксирибонуклеотидыРибонуклеотидыСостав нуклеотидаАзотистое основание (пуриновое — аденин, гуанин, пиримидиновое — тимин, цитозин); углевод (дезоксирибоза); остаток фосфорной кислотыАзотистое основание (пуриновое — аденин, гуанин, пиримидиновое — урацил, цитозин); углевод (рибоза); остаток фосфорной кислотыТипы нуклеотидовАдениловый (А), гуаниловый (Г), тимидиловый (Т), цитидиловый (Ц)Адениловый (А), гуаниловый (Г), уридиловый (У), цитидиловый (Ц)СвойстваСпособна к самоудвоению (репликации) по принципу комплементарности: А=Т, Т=А, Г=Ц, Ц=Г. СтабильнаНе способна к самоудвоению. Лабильна. Генетическая РНК вирусов способна к репликацииФункцииХимическая основа хромосомного генетического материала (гена); синтез ДНК; синтез РНК; информация о структуре белковИнформационная (иРНК) — переносит информацию о структуре белка с молекулы ДНК к рибосомам в цитоплазму; транспортная (тРНК) — переносит аминокислоты к рибосомам; рибосомальная (рРНК) — входит в состав рибосом; митохондриальная и пластидная — входят в состав рибосом этих органелл

Строение клетки Клеточная теория

Становление клеточной теории:

Основные положения клеточной теории:

Типы клеточной организации

Прокариотические клетки устроены сравнительно просто. Они не имеют ядра, область расположения ДНК в цитоплазме называется нуклеоид, единственная молекула ДНК кольцевая и не связана с белками, клетки меньше эукариотических, в состав клеточной стенки входит гликопептид — муреин, мембранные органоиды отсутствуют, их функции выполняют впячивания плазматической мембраны (мезосомы), рибосомы мелкие, микротрубочки отсутствуют, поэтому цитоплазма неподвижна, а реснички и жгутики имеют особую структуру.

Источник