Что значит химическая организация
Лекция по Биологии на тему «Химическая организация клетки»
УЧЕБНАЯ ДИСЦИПЛИНА: БИОЛОГИЯ
Тема: Химическая организация клетки.
1.Клетка — элементарная живая система и основная структурно-функциональная единица всех живых организмов.
2.Краткая история изучения клетки.
3.Химическая организация клетки.
4.Органические и неорганические вещества клетки и живых организмов.
5.Белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и их роль в клетке.
Заполнить таблицу №1, охарактеризовав органические вещества.
Клетка – элементарная структурно-функциональная единица всех живых организмов Она может существовать как отдельный организм (бактерии, простейшие, водоросли, грибы), так и в составе тканей многоклеточных животных, растений и грибов.
Жизнедеятельность организмов на клеточном уровне изучает наука цитология или биология клетки. Возникновение цитологии как науки тесно связано с созданием клеточной теории, самого широкого и фундаментального из всех биологических обобщений.
КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ КЛЕТКИ.
Обнаружил клетку и дал ей название.
Впервые описали и подтвердили клеточное строение органов растений.
Описал хроматофоры у спирогиры и хромопласты у высших растений.
Жизненные свойства клетки предписывались ее стенке, а содержимому отводилась второстепенная роль растительной слизи.
Дал слизистому содержимому клетки название «протоплазма».
Сформулировали клеточную теорию.
Открыл деление ядра.
Продолжил изучение кариокинеза.
Обосновал принцип преемственности клеток путем деления.
Открыли хромосомы, хлоропласты, митохондрии, аппарат Гольджи.
Появление электронного микроскопа.
Органические и неорганические вещества клетки и живых организмов.
В состав живой клетки входят те же химические элементы, которые входят в состав неживой природы. Из 104 элементов периодической системы Д. И. Менделеева в клетках обнаружено 60.
Их делят на три группы:
1. Основные элементы — кислород, углерод, водород и азот (98% состава клетки);
2. Элементы, составляющие десятые и сотые доли процента,— калий, фосфор, сера, магний, железо, хлор, кальций, натрий (в сумме 1,9%);
3. Все остальные элементы, присутствующие в еще более малых количествах,— микроэлементы.
Молекулярный состав клетки сложный и разнородный. Отдельные соединения — вода и минеральные соли — встречаются также в неживой природе; другие — органические соединения: углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты и др.— характерны только для живых организмов.
Вода составляет около 80% массы клетки; в молодых быстрорастущих клетках — до 95%, в старых — 60%.
Роль воды в клетке велика.
Она является основной средой и растворителем, участвует в большинстве химических реакций, перемещении веществ, терморегуляции, образовании клеточных структур, определяет объем и упругость клетки. Большинство веществ поступает в организм и выводится из него в водном растворе. Биологическая роль воды определяется специфичностью строения: полярностью ее молекул и способностью образовывать водородные связи, за счет которых возникают комплексы из нескольких молекул воды. Если энергия притяжения между молекулами воды меньше, чем между молекулами воды и вещества, оно растворяется в воде. Такие вещества называют гидрофильными (от греч. «гидро» — вода, «филее» — люблю). Это многие минеральные соли, белки, углеводы и др. Если энергия притяжения между молекулами воды больше, чем энергия притяжения между молекулами воды и вещества, такие вещества нерастворимы (или слаборастворимы), их называют гидрофобными (от греч. «фобос» — страх) — жиры, липиды и др.
Органические вещества в комплексе образуют около 20—30% состава клетки.
Химическая организация природы
В химии веществом называют вид материи, обладающий при определённых условиях постоянными физическими и химическими свойствами.
Химический элемент – это вид атомов, имеющих определённый заряд ядра и определённые (химические) свойства. В настоящее время известно 120 химических элементов.
Атом состоит из положительно заряженного ядра, состоящего в свою очередь из протонов, имеющих положительней заряд и нейтронов, не имеющих заряда, вокруг ядра на определённых расстояниях от ядра движутся электроны, образуя электронные оболочки. Атом нейтрален, заряд ядра равен общему заряду электронов, в ядре сосредоточена практически вся масса атома. Заряд электрона равен единице, заряд протона равен единице.
А = Z + N, где
А – атомный вес, определяется по таблице Д.И. Менделеева и указан в левом углу ячейки элемента
Z – заряд ядра атома, определяется по таблице Д.И. Менделеева и равен его порядковому номеру
N – число нейтронов. Число нейтронов определяется как разность между атомным весом и зарядом ядра.
Химический элемент может иметь или не иметь изотопы. Изотопами называют ядра атомов химического элемента, имеющие одинаковый заряд, и обладающие одинаковыми химическими свойствами, но разную массу; например водород в природе встречается в виде трёх изотопов: водорода – атомная масса 1 а.е.м.; дейтерия – атомная масса 2 а.е.м. и трития атомная масса – 3 а.е.м.. Изотопы других элементов не имеют названий. Известно примерно 1600 изотопов химических элементов природных и искусственно полученных.
Существуют химические элементы, которые называют изобары – это элементы, у которых заряд ядра разный, химические (и физические) свойства различны, но атомная масса одинакова: например известен изотоп калия с атомной массой 39 а.е.м и изотоп аргона с такой же атомной массой, но калий – это щелочной металл, а аргон – благородный газ.
Молекула – наименьшая частица вещества, сохраняющая состав и химические свойства данного вещества. молекулы могут состоять из одного атома (металлы, благородные газы) и множества атомов (сложные молекулы, полимеров и биополимеров).
Химическая связь
Химическая связь – это взаимодействие между атомами, приводящее к образованию более устойчивых квантово-механических систем(молекул, ионов, монокристаллов).
Вид химической связи
между атомом металла и неметалла между атомами неметаллов
электрон(ы) полностью смещается
к наиболее электроотрицательному
атому неметалла, а атом металла
превращается в положительно заря- неполярная полярная
женный ион количество отданных атомами одного разных элемен- электронов равно их количеству элемента, элек- тов, электрон-
на последнем электронном уровне тронная пара в ная пара в неко-
(пример связь в молекуле – NaCl) равной степени торой степени
Глава 2. ХИМИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЖИЗНИ
Элементарный и молекулярный состав живого вещества
Сравнение элементарного состава живой и неживой природы
Без знания химического состава клетки – основной единицы жизни – нельзя понять механизмы сложнейших процессов, которые протекают в живых организмах всех царств природы. Поэтому изучение общебиологических закономерностей мы начинаем с изучения химической организации жизни. Вначале сравним элементарный, т.е. атомарный, состав живой и неживой природы.
Самыми распространенными элементами земной коры, на долю которых приходится 90% ее атомарного состава, являются: О, Si, Al и Na. Далее следуют Са, Fe, Mg, P и другие элементы.
В живых организмах обнаружено около 80 химических элементов. Но достоверно известно о функциях в организмах лишь в отношении 27 из них. В состав живых организмов входят атомы тех же элементов, что и в состав неживой природы, но их содержание иное.
По количественному содержанию в живом веществе элементы делятся на три группы.
Органогенные (биофильные) элементы – С, Н, N, О. На их долю приходится 98% элементарного состава всех живых организмов.
Макроэлементы – Na, К, Са, Cl, P, S, Fe, Mg. Их концентрация превышает 0,001%.
Микроэлементы – Zn, I, Cu, F, Мn, Мо, Со и многие другие. Их доля составляет менее 0,001%. Таким образом, элементарный состав живой и неживой природы одинаков, что свидетельствует об их материальном единстве. Провести четкую грань между живым и неживым на уровне атомов не представляется возможным.
Несмотря на низкое содержание в живых организмах, макро- и микроэлементы играют чрезвычайно важную роль: они входят в состав различных ферментов, гормонов, витаминов и обусловливают тем самым нормальное развитие и функционирование структур клетки и организма в целом. Так, например, медь является составной частью ряда ферментов, занятых в процессах тканевого дыхания. Цинк — необходимый компонент почти ста ферментов, в частности ДНК- и РНК-полимераз; он содержится также в гормоне поджелудочной железы — инсулине; кобальт входит в состав витамина B12, регулирующего кроветворную функцию. Железо является компонентом гемоглобина, а йод — гормона щитовидной железы — тироксина.
Роль ряда микроэлементов в организме еще не уточнена или даже неизвестна (мышьяк). При недостатке этих элементов в почве, а следовательно, в воде и пищевых продуктах снижается их содержание в организме. При этом развиваются различные патологические состояния (сахарный диабет, эндемический зоб, злокачественная анемия и др.).
Дата добавления: 2015-02-10 ; просмотров: 6 ; Нарушение авторских прав
Химическая организация клетки. Неорганические вещества. Органические вещества
В состав живой клетки входят те же химические элементы, которые входят в состав неживой природы. Из 104 элементов периодической системы Д. И. Менделеева в клетках обнаружено 60.
Их делят на три группы:
Молекулярный состав клетки сложный и разнородный. Отдельные соединения — вода и минеральные соли — встречаются также в неживой природе; другие — органические соединения: углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты и др.— характерны только для живых организмов.
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА
Вода составляет около 80% массы клетки; в молодых быстрорастущих клетках — до 95%, в старых — 60%.
Роль воды в клетке велика.
Она является основной средой и растворителем, участвует в большинстве химических реакций, перемещении веществ, терморегуляции, образовании клеточных структур, определяет объем и упругость клетки. Большинство веществ поступает в организм и выводится из него в водном растворе. Биологическая роль воды определяется специфичностью строения: полярностью ее молекул и способностью образовывать водородные связи, за счет которых возникают комплексы из нескольких молекул воды. Если энергия притяжения между молекулами воды меньше, чем между молекулами воды и вещества, оно растворяется в воде. Такие вещества называют гидрофильными (от греч. «гидро» — вода, «филее» — люблю). Это многие минеральные соли, белки, углеводы и др. Если энергия притяжения между молекулами воды больше, чем энергия притяжения между молекулами воды и вещества, такие вещества нерастворимы (или слаборастворимы), их называют гидрофобными (от греч. «фобос» — страх) — жиры, липиды и др.
ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА
Органические вещества в комплексе образуют около 20—30% состава клетки.
Углеводы — органические соединения, состоящие из углерода, водорода и кислорода. Их делят на простые — моносахариды (от греч. «монос» — один) и сложные — полисахариды (от греч. «поли» — много).
Моносахариды (их общая формула СnН2nОn) — бесцветные вещества с приятным сладким вкусом, хорошо растворимы в воде. Они различаются по количеству атомов углерода. Из моносахаридов наиболее распространены гексозы (с 6 атомами С): глюкоза, фруктоза (содержащиеся в фруктах, меде, крови) и галактоза (содержащаяся в молоке). Из пентоз (с 5 атомами С) наиболее распространены рибоза и дезоксирибоза, входящие в состав нуклеиновых кислот и АТФ.
Полисахариды относятся к полимерам — соединениям, у которых многократно повторяется один и тот же мономер. Мономерами полисахаридов являются моносахариды. Полисахариды растворимы в воде, многие обладают сладким вкусом. Из них наиболее просты дисахариды, состоящие из двух моносахаридов. Например, сахароза состоит из глюкозы и фруктозы; молочный сахар — из глюкозы и галактозы. С увеличением числа мономеров растворимость полисахаридов падает. Из высокомолекулярных полисахаридов наиболее распространены у животных гликоген, у растений — крахмал и клетчатка (целлюлоза). Последняя состоит из 150—200 молекул глюкозы.
Углеводы — основной источник энергии для всех форм клеточной активности (движение, биосинтез, секреция и т. д.). Расщепляясь до простейших продуктов СO2 и Н2O, 1 г углевода освобождает 17,6 кДж энергии. Углеводы выполняют строительную функцию у растений (их оболочки состоят из целлюлозы) и роль запасных веществ (у растений — крахмал, у животных — гликоген).
Липиды — это нерастворимые в воде жироподобные вещества и жиры, состоящие из глицерина и высокомолекулярных жирных кислот. Животные жиры содержатся в молоке, мясе, подкожной клетчатке. При комнатной температуре это твердые вещества. У растений жиры находятся в семенах, плодах и других органах. При комнатной температуре это жидкости. С жирами по химической структуре сходны жироподобные вещества. Их много в желтке яиц, клетках мозга и других тканях.
Роль липидов определяется их структурной функцией. Из них состоят клеточные мембраны, которые вследствие своей гидрофобности препятствуют смешению содержимого клетки с окружающей средой. Липиды выполняют энергетическую функцию. Расщепляясь до СO2 и Н2O, 1 г жира выделяет 38,9 кДж энергии. Они плохо проводят тепло, накапливаясь в подкожной клетчатке (и других органах и тканях), выполняют защитную функцию и роль запасных веществ.
Белки — наиболее специфичны и важны для организма. Они относятся к непериодическим полимерам. В отличие от других полимеров их молекулы состоят из сходных, но нетождественных мономеров — 20 различных аминокислот.
Каждая аминокислота имеет свое название, особое строение и свойства. Их общую формулу можно представить в следующем виде
Молекула аминокислоты состоит из специфической части (радикала R) и части, одинаковой для всех аминокислот, включающей аминогруппу (— NH2) с основными свойствами, и карбоксильную группу (СООН) с кислотными свойствами. Наличие в одной молекуле кислотной и основной групп обусловливает их высокую реактивность. Через эти группы происходит соединение аминокислот при образовании полимера — белка. При этом из аминогруппы одной аминокислоты и карбоксила другой выделяется молекула воды, а освободившиеся электроны соединяются, образуя пептидную связь. Поэтому белки называют полипептидами.
Молекула белка представляет собой цепь из нескольких десятков или сотен аминокислот.
Молекулы белков имеют огромные размеры, поэтому их называют макромолекулами. Белки, как и аминокислоты, обладают высокой реактивностью и способны реагировать с кислотами и щелочами. Они различаются по составу, количеству и последовательности расположения аминокислот (число таких сочетаний из 20 аминокислот практически бесконечно). Этим объясняется многообразие белков.
В строении молекул белков различают четыре уровня организации (59)
Такая сложность структуры белковых молекул связана с разнообразием функций, свойственных этим биополимерам. Однако строение белковых молекул зависит от свойств окружающей среды.
Роль белка в жизни клетки огромна.
Белки — это строительный материал организма. Они участвуют в построении оболочки, органоидов и мембран клетки и отдельных тканей (волос, сосудов и др.). Многие белки выполняют в клетке роль катализаторов — ферментов, ускоряющих клеточные реакции в десятки, сотни миллионов раз. Известно около тысячи ферментов. В их состав, кроме белка, входят металлы Mg, Fe, Мn, витамины и т. д.
Каждая реакция катализируется своим особым ферментом. При этом действует не весь фермент, а определенный участок — активный центр. Он подходит к субстрату, как ключ к замку. Действуют ферменты при определенной температуре и рН среды. Особые сократительные белки обеспечивают двигательные функции клеток (движение жгутиковых, инфузорий, сокращение мышц и т. д.). Отдельные белки (гемоглобин крови) выполняют транспортную функцию, доставляя кислород ко всем органам и тканям тела. Специфические белки — антитела — выполняют защитную функцию, обезвреживая чужеродные вещества. Некоторые белки выполняют энергетическую функцию. Распадаясь до аминокислот, а затем до еще более простых веществ, 1 г белка освобождает 17,6 кДж энергии.
Нуклеиновые кислоты (от лат. «нуклеус» — ядро) впервые обнаружены в ядре. Они бывают двух типов — дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК). Биологическая роль их велика, они определяют синтез белков и передачу наследственной информации от одного поколения к другому.
Фосфорная кислота и углевод одинаковы у всех нуклеотидов, а азотистые основания бывают четырех типов: аденин, гуанин, цитозин и тимин. Они и определяют название соответствующих нуклеотидов:
Каждая цепь ДНК представляет полинуклеотид, состоящий из нескольких десятков тысяч нуклеотидов. В ней соседние нуклеотиды соединены прочной ковалентной связью между фосфорной кислотой и дезоксирибозой.
При огромных размерах молекул ДНК сочетание в них из четырех нуклеотидов может быть бесконечно большим.
При образовании двойной спирали ДНК азотистые основания одной цепи располагаются в строго определенном порядке против азотистых оснований другой. При этом против А всегда оказывается Т, а против Г — только Ц. Это объясняется тем, что А и Т, а также Г и Ц строго соответствуют друг другу, как две половинки разбитого стекла, и являются дополнительными или комплементарными (от греч. «комплемент» — дополнение) друг другу. Если известна последовательность расположения нуклеотидов в одной цепи ДНК, то по принципу комплементарности можно установить нуклеотиды другой цепи (см. приложение, задача 1). Соединяются комплементарные нуклеотиды при помощи водородных связей.
Между А и Т возникают две связи, между Г и Ц — три.
Удвоение молекулы ДНК — ее уникальная особенность, обеспечивающая передачу наследственной информации от материнской клетки дочерним. Процесс удвоения ДНК называется редупликацией ДНК. Он осуществляется следующим образом. Незадолго перед делением клетки молекула ДНК раскручивается и ее двойная цепочка под действием фермента с одного конца расщепляется на две самостоятельные цепи. На каждой половине из свободных нуклеотидов клетки, по принципу комплементарности, выстраивается вторая цепь. В результате вместо одной молекулы ДНК возникают две совершенно одинаковые молекулы.
РНК — полимер, по структуре сходный с одной цепочкой ДНК, но значительно меньших размеров. Мономерами РНК являются нуклеотиды, состоящие из фосфорной кислоты, углевода (рибозы) и азотистого основания. Три азотистых основания РНК — аденин, гуанин и цитозин — соответствуют таковым ДНК, а четвертое — иное. Вместо тимина в РНК присутствует урацил. Образование полимера РНК происходит через ковалентные связи между рибозой и фосфорной кислотой соседних нуклеотидов. Известны три вида РНК: информационная РНК (и-РНК) передает информацию о структуре белка с молекулы ДНК; транспортная РНК (т-РНК) транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка; рибосомная РНК (р-РНК) содержится в рибосомах, участвует в синтезе белка.
АТФ — аденозинтрифосфорная кислота — важное органическое соединение. По структуре это нуклеотид. В его состав входит азотистое основание аденин, углевод — рибоза и три молекулы фосфорной кислоты. АТФ — неустойчивая структура, под влиянием фермента разрывается связь между «Р» и «О», отщепляется молекула фосфорной кислоты и АТФ переходит в АДФ (аденозин-дифосфорную кислоту).
Эта реакция сопровождается выделением 40 кДж энергии, поэтому фосфорнокислородную связь называют макроэнергетической связью и обозначают знаком [бесконечность]. В АТФ имеются две такие связи. Если отщепляются две молекулы фосфорной кислоты, то АТФ переходит в АМФ (аденозинмонофосфорную кислоту).
АТФ играет центральную роль в превращении энергии в клетке.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Химическая организация веществ и её уровни
Каждое вещество представляет собой единство микромира и макромира. Микромир его представлен элементарными частицами: атомами, ионами и другими мельчайшими объектами, которые подчиняются законам микромира. Вместе с тем, работая в химической лаборатории, мы имеем дело с реальными видимыми веществами, можем наглядно изучать их свойства, наблюдать реакции, в которые вступает вещество. Это макроформа вещества, это видимая часть айсберга, называемого веществом. Микроформа — его внутренняя невидимая часть. Мы представляем её с помощью моделей строения.
Совокупность всех частиц (малых и больших), составляющих вещество, их разные комплексы, их взаимосвязи определяют химическую организацию вещества.
Можно условно выделить следующие уровни химической организации веществ.
Любую частицу, любой уровень организации вещества и вещество в целом следует рассматривать и описывать с позиций идеи взаимосвязи состава, строения и свойств.
Субатомный уровень вещества — это преимущественно объект изучения физики. Остальные уровни изучает как физика, так и химия. Наиболее значима для химика электронная структура атома, так как именно ею обусловлена его способность образовывать химические связи с другими атомами.
Энергия ионизации, сродство к электрону, атомная масса, валентность, степень окисления, электроотрицательность — эти характеристики атома элемента необходимы для описания его состава, строения и свойств как вещества.
Молекулярный уровень характеризует состав, строение и свойства отдельных молекул и других атомных частиц. При характеристике химической организации веществ на этом уровне главное значение придаётся их составу и химическим связям, лежащим в основе образования химического соединения. В зависимости от них рассматриваются реакционная способность молекулярных частиц и их свойства.
На макроуровне химической организации вещества рассматриваются с позиции их агрегатного состояния. Ведущее значение здесь имеет кристалл, кристаллическая решётка. В зависимости от агрегатного состояния и кристаллической структуры описываются свойства веществ. Агрегатные состояния и переходы веществ влияют на их свойства. Так, например, в парообразном состоянии некоторые металлы и химические соединения — молекулярные вещества, а при конденсации их в твёрдую форму меняются их структура и свойства. Пары́ металлов конденсируются в металлические кристаллы с характерными для этих веществ свойствами (металлический блеск, электрическая проводимость и др.), а молекулы хлорида фосфора(V) РСl5 — в ионные соединения с новыми свойствами, присущими последним.
От уровня к уровню наблюдается усложнение химической организации веществ (см. рис. 81).
Для твёрдых кристаллических веществ характерна плотная упаковка их частиц (молекул, атомов, ионов) в кристалле, т. е. эти частицы упорядочены в пространственной структуре кристалла.
Однако существуют и такие твёрдые вещества, у которых составляющие их частицы недостаточно упорядочены. Такие твёрдые вещества называются аморфными. Примером их служат стекло и многие известные вам полимеры.
Методы исследования структуры кристаллов — предмет науки кристаллографии. Наиболее распространённым экспериментальным методом установления их структуры является рентгеноструктурный анализ. Он основан на изучении характера рассеивания (дифракции) рентгеновских лучей, направляемых на исследуемый кристалл, которые частично поглощаются кристаллом и, попадая на его плоскости, отражаются в определённых направлениях, другие проходят насквозь. С помощью прибора — рентгеновского спектрометра R-лучи направляются на кристалл, укреплённый на вращающемся столике. Отражённые от него лучи фиксируются с помощью фотографической пластинки или другими способами. Полученная дифракционная картина (картина рассеивания лучей) позволяет путём расчётов получить подробные сведения о расположении узлов в кристаллической решётке, о расстояниях между её плоскостями, о структуре кристалла в целом (рис. 82).
Анализ дифракционной картины кристалла и расчёты по ней довольно сложны, и потому в этом методе широко используют компьютеры.