В вашей корзине: 0 тов.
оформить | очистить
Отдел сбыта: +7 (8453) 76-35-48
+7 (8453) 76-35-49
Не определен

Лекция № 1. Введение. Химические элементы клетки. Вода и другие неорганические соединения

Введение

Биология — наука о жизни. Важнейшая задача биологии — изучение многообразия, строения, жизнедеятельности, индивидуального развития и эволюции живых организмов, их взаимоотношений со средой обитания.

Живые организмы имеют ряд особенностей, отличающих их от неживой природы. По отдельности каждое из отличий достаточно условно, поэтому их следует рассматривать в комплексе.

Признаки, отличающие живую материю от неживой:

  1. способность к размножению и передаче наследственной информации следующему поколению;
  2. обмен веществ и энергии;
  3. возбудимость;
  4. адаптированность к конкретным условиям обитания;
  5. строительный материал — биополимеры (важнейшие из них — белки и нуклеиновые кислоты);
  6. специализация от молекул до органов и высокая степень их организации;
  7. рост;
  8. старение;
  9. смерть.

Уровни организации живой материи:

  1. молекулярный,
  2. клеточный,
  3. тканевой,
  4. органный,
  5. организменный,
  6. популяционно-видовой,
  7. биогеоценотический,
  8. биосферный.

Многообразие жизни

Живые организмы, имеющие клеточное строение, подразделяются на две группы: 1) прокариоты (отсутствует структурно оформленное ядро), 2) эукариоты (имеется структурно оформленное ядро). К прокариотам относятся бактерии, к эукариотам — растения, животные, грибы. Кроме выше перечисленных, существует группа организмов, не имеющих клеточного строения, — вирусы, которые могут размножаться, только паразитируя или в прокариотических, или в эукариотических клетках.

Первыми на нашей планете появились безъядерные клетки. Большинством ученых принимается, что ядерные организмы появились в результате симбиоза древних архебактерий с синезелеными водорослями и бактериями-окислителями (теория симбиогенеза).

Цитология

Цитология — наука о клетке. Изучает строение и функции клеток одноклеточных и многоклеточных организмов. Клетка является элементарной единицей строения, функционирования, роста и развития всех живых существ. Поэтому процессы и закономерности, характерные для цитологии, лежат в основе процессов, изучаемых многими другими науками (анатомия, генетика, эмбриология, биохимия и др.).

Химические элементы клетки

Химический элемент — определенный вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра. В клетках обнаружено около 80 химических элементов. Их можно разделить на четыре группы:
1 группа — углерод, водород, кислород, азот (98% от содержимого клетки),
2 группа — калий, натрий, кальций, магний, сера, фосфор, хлор, железо (1,9%),
3 группа — цинк, медь, фтор, йод, кобальт, молибден и др. (меньше 0,01%),
4 группа — золото, уран, радий и др. (меньше 0,00001%).

Элементы первой и второй групп в большинстве пособий называют макроэлементами, элементы третьей группы — микроэлементами, элементы четвертой группы — ультрамикроэлементами. Для макро- и микроэлементов выяснены процессы и функции, в которых они участвуют. Для большинства ультрамикроэлементов биологическая роль не выявлена.

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
Калий, натрий Na+ и K+ Обеспечивание функции мембран, в частности, поддержание электрического потенциала клеточной мембраны, работы Na+/Ka+-насоса, проведение нервных импульсов, анионный, катионный и осмотический балансы
Кальций Са+2 Участие в процессе свертывания крови
Фосфат кальция, карбонат кальция Костная ткань, зубная эмаль, раковины моллюсков
Пектат кальция Формирование срединной пластинки и клеточной стенки у растений
Магний Хлорофилл Фотосинтез
Сера Белки Формирование пространственной структуры белка за счет образования дисульфидных мостиков
Фосфор Нуклеиновые кислоты, АТФ Синтез нуклеиновых кислот
Хлор Cl- Поддержание электрического потенциала клеточной мембраны, работы Na+/Ka+-насоса, проведение нервных импульсов, анионный, катионный и осмотический балансы
HCl Активизация пищеварительных ферментов желудочного сока
Железо Гемоглобин Транспорт кислорода
Цитохромы Перенос электронов при фотосинтезе и дыхании
Марганец Декарбоксилазы, дегидрогеназы Окисление жирных кислот, участие в процессах дыхания и фотосинтеза
Медь Гемоцианин Транспорт кислорода у некоторых беспозвоночных
Тирозиназа Образование меланина
Кобальт Витамин В12 Формирование эритроцитов
Цинк Алькогольдегидрогеназа Анаэробное дыхание у растений
Карбоангидраза Транспорт СО2 у позвоночных
Фтор Фторид кальция Костная ткань, зубная эмаль
Йод Тироксин Регуляция основного обмена
Молибден Нитрогеназа Фиксация азота

 

Атомы химических элементов в живых организмах образуют неорганические (вода, соли) и органические соединения (белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы). На атомном уровне различий между живой и неживой материей нет, различия появятся на следующих, более высоких, уровнях организации живой материи.

Вода

Вода — самое распространенное неорганическое соединение. Содержание воды составляет от 10% (зубная эмаль) до 90% массы клетки (развивающийся эмбрион). Без воды жизнь невозможна, биологическое значение воды определяется ее химическими и физическими свойствами.

Молекула воды имеет угловую форму: атомы водорода по отношению к кислороду образуют угол, равный 104,5°. Та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, часть, где находится кислород, — отрицательно, в связи с этим молекула воды является диполем. Между диполями воды образуются водородные связи. Физические свойства воды: прозрачна, максимальная плотность — при 4 °С, высокая теплоемкость, практически не сжимается; чистая вода плохо проводит тепло и электричество, замерзает при 0 °С, кипит при 100 °С и т.д. Химические свойства воды: хороший растворитель, образует гидраты, вступает в реакции гидролитического разложения, взаимодействует со многими оксидами и т.д. По отношению к способности растворяться в воде различают: гидрофильные вещества — хорошо растворимые, гидрофобные вещества — практически нерастворимые в воде.

Гидратация катиона и аниона

Биологическое значение воды:

  1. является основой внутренней и внутриклеточной среды,
  2. обеспечивает поддержание пространственной структуры,
  3. обеспечивает транспорт веществ,
  4. гидратирует полярные молекулы,
  5. служит растворителем и средой для диффузии,
  6. участвует в реакциях фотосинтеза и гидролиза,
  7. способствует охлаждению организма,
  8. является средой обитания для многих организмов,
  9. способствует миграциям и распространению семян, плодов, личиночных стадий,
  10. является средой, в которой происходит оплодотворение,
  11. у растений обеспечивает транспирацию и прорастание семян,
  12. способствует равномерному распределению тепла в организме и мн. др.

Купить проверочные работы
по биологии

Биология. Растения. Бактерии. Грибы. Лишайники. Работаем по новым стандартам. Проверочные работы   Биология. Животные. Работаем по новым стандартам. Проверочные работы

Биология. Человек. Работаем по новым стандартам. Проверочные работы   Биология. Общие закономерности. Работаем по новым стандартам. Проверочные работы

Другие неорганические соединения клетки

Другие неорганические соединения представлены в основном солями, которые могут содержаться или в растворенном виде (диссоциированными на катионы и анионы), или твердом. Важное значение для жизнедеятельности клетки имеют катионы K+, Na+, Ca2+, Mg2+ (см. таблицу выше) и анионы HPO42—, Cl, HCO3, обеспечивающие буферные свойства клетки. Буферность — способность поддерживать рН на определенном уровне (рН — десятичный логарифм величины, обратной концентрации водородных ионов). Величина рН, равная 7,0, соответствует нейтральному, ниже 7,0 — кислому, выше 7,0 — щелочному раствору. Для клеток и тканей характерна слабощелочная среда. За поддержание этой слабощелочной реакции отвечают фосфатная (1) и бикарбонатная (2) буферные системы:

Низкий рН   ⇔   Высокий рН (1)
НРО42— + Н+ Н2РО4
Гидрофосфат Дигидрофосфат
 
Низкий рН   ⇔   Высокий рН (2)
НCО3 + Н+ Н23
Гидрокарбонат Угольная кислота

В твердом нерастворенном состоянии находятся в костной ткани, в раковинах моллюсков карбонаты и фосфаты кальция и магния, в зубной эмали — фторид кальция и т.д.