Биология в лицее. Цитоплазма.Химический состав,физические свойства

Вопрос 1. Каковы особенности пространствен­ной организации молекул воды, обуславливающие ее биологическое значение?

Молекулы воды представляют собой дипо­ли — структуры, на положительном полюсе которых находятся два атома водорода, а на отрицательном полюсе — атом кислорода. По­ложительные и отрицательные полюса разных молекул воды притягиваются друг к другу. Это приводит к образованию так называемых водородных связей, что обеспечивает высо­кую теплоемкость воды, а также особенности процессов смены ее агрегатного состояния (плавление, испарение). Кроме того, Н20-ди- поли активно взаимодействуют с любыми мо­лекулами, имеющими заряженные участки. Это обуславливает важнейшее свойство воды как универсального растворителя органиче­ских и неорганических веществ.

Вопрос 2. В чем заключается биологическая роль воды?

Вода выполняет в клетке множество важ­ных функций:

служит универсальным растворителем;
является средой для большинства процес­сов, протекающих в клетке;
сама участвует во многих биохимических реакциях — гидролизе органических веществ, высвобождении энергии при распаде АТФ, фо­тосинтезе и др.;
высокая теплоёмкость и теплопровод­ность воды облегчает организмам (в том числе теплокровным) процесс поддержания теплово­го равновесия с окружающей средой;
высокая интенсивность испарения защи­щает живые существа от перегрева;
почти полная несжимаемость воды обес­печивает поддержание формы отдельных кле­ток и целых организмов;
вязкость придает воде свойства смазки;
высокая сила поверхностного натяжения облегчает транспорт веществ в сосудах расте­ний.Вопрос 3. Какие вещества называют гидро­фильными? Гидрофобными?

Гидрофильными называют вещества, ко­торые хорошо растворяются в воде. К ним от­носят соли, аминокислоты, сахара, белки, простые спирты. Как правило, в составе их молекул присутствуют заряженные участки (спиртовые группы, аминогруппы и т. п.); не­редко при растворении гидрофильных веществ образуются заряженные частицы — ионы. Гидрофобные вещества, напротив, плохо или совсем не растворяются в воде. В их число вхо­дят в первую очередь жиры и жироподобные соединения, а также полисахариды (хитин, целлюлоза).

Вопрос 4. Какие вещества поддерживают pH клетки на постоянном уровне?

Способность сохранять кислотно-щелоч­ной баланс, т. е. поддерживать постоянное значение pH, обеспечивается так называемы­ми буферными свойствами клетки. Это означа­ет, что при добавлении небольших количеств кислот или щелочей концентрация ионов во­дорода (иначе — pH) в цитоплазме практиче­ски не изменяется. Такой эффект достигается благодаря присутствию в клетке отрицательно заряженных ионов — остатков слабых кислот (в первую очередь НСО3 и НРО2|4). При закислении (избытке ионов Н +) эти ионы могут пре­вращаться в Н 2 С0 3 и Н 2 Р0 4 соответственно. Напротив, при дефиците Н + (защелачивание цитоплазмы) НСО3 и НРО2|4 способны отдавать часть своих ионов водорода. Буферные свой­ства клетки очень важны, поскольку боль­шинство биологически активных веществ (в частности, белки-ферменты) могут вступать в реакции только при строго определенном уровне pH.

Вопрос 5. Расскажите о роли минеральных со­лей в жизнедеятельности клетки.

Минеральные соли и входящие в их состав элементы участвуют во многих процессах жиз­недеятельности клетки. Так, остатки слабых кислот (НСО3, НРО2|4) обеспечивают ее буфер­ные свойства. Движение ионов Na + , К + , Са 2+ , С1 через мембраны клеток лежит в основе всех электрических явлений, наблюдаемых в живых организмах (вплоть до разрядов элект­рических рыб); без этого мышечные волокна не способны сокращаться, а нервная ткань — про­водить сигналы. Остатки фосфорной кислоты нужны для синтеза нуклеотидов и фосфолипи­дов. Фосфаты кальция и магния участвуют в об­разовании костей, а карбонат кальция является основой раковины моллюсков.

Тестовые задания по теме

«НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА КЛЕТКИ»

Выберите один правильный ответ из предложенных вариантов:

1. Какие химические элементы, содержащиеся в клетке, относят к макроэлементам?
а) Zn , I, F, Br;

в) Ni, Cu, I, Br.

г) Au, Ag, Ra, U.

2. Каковы функции воды в клетке?


в) источник энергии.

г) передача нервного импульса

3. Какие ионы входят в состав гемоглобина?
а) Mg 2+ ;

4. Передача возбуждения по нерву или мышце объясняется:

а) разностью концентраций ионов натрия и калия внутри и вне клетки

б) разрывом водородных связей между молекулами воды

в) изменением концентрации водородных ионов

г) теплопроводностью воды

5 . Из перечисленных веществ является гидрофильными:

а) крахмал

г) целлюлоза

6. В состав молекулы хлорофилла входят ионы

г) Na +
7. Одновременно входит в состав костной ткани и нуклеиновых кислот:

б) фосфор

в) кальций

8 . У детей развивается рахит при недостатке:

а) марганца и железа

б) кальция и фосфора

в) меди и цинка

г) серы и азота

9 . В состав желудочного сока входит:

10. Больше всего воды содержится в клетках:
а) эмбриона;

б) молодого человека;

в) старика.

г) взрослого человека

11. Какие химические элементы, содержащиеся в клетке, относят к микроэлементам?
а) S, Na, Ca, K;

в) Ni, Cu, I, Br.

г) Р, S, Cl, Nа

12. В состав желудочного сока входит
а) серная кислота;

б) соляная кислота;

в) угольная кислота.

г) фосфорная кислота

13. Каковы функции минеральных веществ в клетке?
а) передача наследственной информации;
б) среда для химических реакций;
в) источник энергии;

г) поддержание осмотического давления клетки.

14. Какие ионы влияют на свёртываемость крови?
а) Mg 2+ ;

15 . Железо входит в состав:

в) гемоглобина

г) хлорофилла

16. Меньше воды содержится в клетках:
а) костной ткани;

б) нервной ткани;

в) мышечной ткани.

г) жировой ткани

17. Вещества, плохо растворимые в воде, называются:
а) гидрофильными;

б) гидрофобными;

в) амфифильными.

г) амфотерными

18. Буферность в клетке обеспечивают ионы:
а) Na + , K + ;

б) SO 4 2- , Cl - ;

в) HCO 3 - , CO 3 2-.

г) Mg 2+ ; Fe 2+

19. Вода – основа жизни, т.к. она:
а) может находиться в трех состояниях (жидком, твердом и газообразном);
б) является растворителем, обеспечивающим как приток веществ в клетку, так и удаление из нее продуктов обмена;
в) охлаждает поверхность при испарении.

г) обладает свойством теплопроводности

20 . Из перечисленных веществ является гидрофобным:

г) перманганат калия

Эталоны ответов

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.

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 HPO 4 2- , Cl - , HCO 3 - . 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

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 H 2 PO 4 - и НРО 4 2- . Во внеклеточной жидкости и в крови роль буфера играют Н 2 СО 3 и НСО 3 - .

Фосфатная буферная система:

Низкий pH Высокий pH

НРО 4 2- + Н + H 2 PO 4 -

Гидрофосфат – ион Дигидрофосфат – ион

Бикарбонатная буферная система:

Низкий pH Высокий pH

НСО 3 - + Н + H 2 СO 3

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.

Буферы представляют собой химические вещества, такие как фосфор, калий, магний, селен, цинк которые помогают жидкости сопротивляться изменению ее кислотных свойств при добавлении других химических веществ, которые обычно вызывают изменение этих свойств. Буферы необходимы для живых клеток. Это связано с тем, что буферы поддерживают правильный рН жидкости.

Что такое рН

Это показатель того, насколько кислая жидкость. Например, лимонный сок имеет низкий рН от 2 до 3 и очень кислый - так же, как сок в вашем желудке, который переваривает пищу. Поскольку кислотные жидкости могут разрушать белки, а клетки заполнены белками, клеткам необходимо иметь буферы внутри и снаружи, чтобы защитить свои белковые свойства.

• Противоположностью химического вещества, которое является кислотой, является химическое вещество, которое является основанием, и оба могут существовать в жидкости. Кислота высвобождает ион водорода в жидкость, а основание выталкивает из него ион водорода. Чем больше свободно плавающих ионов водорода присутствует в жидкости, тем более кислой становится жидкость.
• Буферы представляют собой химические вещества, которые могут легко выделять или поглощать ионы водорода в жидкости, то есть они способны противостоять изменению рН, контролируя количество свободных ионов водорода. Шкала рН находится в диапазоне от 0 до 14. Значение pH от 0 до 7 считается кислотным, а рН от 7 до 14 считается основным. PH 7, посередине, нейтрален и представляет собой чистую воду.
• Опасность изменения рН внутри клетки заключается в том, что рН резко влияет на структуру белков.

Клетка состоит из различных типов белков, и каждый белок работает только тогда, когда у него есть правильная трехмерная форма. Форма белка удерживается на месте силами притяжения внутри белка, как и многие мини-магниты здесь и там, которые соединяются, чтобы удерживать весь протеин на месте. Поэтому, если внутри клетки становится слишком кислым или слишком основным, тогда белки начинают терять форму и больше не работают. Клетка становится как фабрика без рабочих и без ремонтников. Поэтому буферы внутри ячейки предотвращают это.

Вопрос 1. Каковы особенности пространствен-ной организации молекул воды, обуславливающие ее биологическое значение?

Молекулы воды представляют собой дипо-ли — структуры, на положительном полюсе которых находятся два атома водорода, а на отрицательном полюсе — атом кислорода. По-ложительные и отрицательные полюса разных молекул воды притягиваются друг к другу. Это приводит к образованию так называемых водородных связей, что обеспечивает высо-кую теплоемкость воды, а также особенности процессов смены ее агрегатного состояния (плавление, испарение). Кроме того, Н20-ди- поли активно взаимодействуют с любыми мо-лекулами, имеющими заряженные участки. Это обуславливает важнейшее свойство воды как универсального растворителя органиче-ских и неорганических веществ.

Вопрос 2. В чем заключается биологическая роль воды?

Вода выполняет в клетке множество важ-ных функций:

• служит универсальным растворителем;
• является средой для большинства процес-сов, протекающих в клетке;
• сама участвует во многих биохимических реакциях — гидролизе органических веществ, высвобождении энергии при распаде АТФ, фо-тосинтезе и др.;
• высокая теплоёмкость и теплопровод-ность воды облегчает организмам (в том числе теплокровным) процесс поддержания теплово-го равновесия с окружающей средой;
• высокая интенсивность испарения защи-щает живые существа от перегрева;
• почти полная несжимаемость воды обес-печивает поддержание формы отдельных кле-ток и целых организмов;
• вязкость придает воде свойства смазки;
• высокая сила поверхностного натяжения облегчает транспорт веществ в сосудах расте-ний.

Вопрос 3. Какие вещества называют гидро-фильными? Гидрофобными?

Гидрофильными называют вещества, ко-торые хорошо растворяются в воде. К ним от-носят соли, аминокислоты, сахара, белки, простые спирты. Как правило, в составе их молекул присутствуют заряженные участки (спиртовые группы, аминогруппы и т. п.); не-редко при растворении гидрофильных веществ образуются заряженные частицы — ионы. Гидрофобные вещества, напротив, плохо или совсем не растворяются в воде. В их число вхо-дят в первую очередь жиры и жироподобные соединения, а также полисахариды (хитин, целлюлоза).

Вопрос 4. Какие вещества поддерживают pH клетки на постоянном уровне?

Способность сохранять кислотно-щелоч-ной баланс, т. е. поддерживать постоянное значение pH, обеспечивается так называемы-ми буферными свойствами клетки. Это означа-ет, что при добавлении небольших количеств кислот или щелочей концентрация ионов во-дорода (иначе — pH) в цитоплазме практиче-ски не изменяется. Такой эффект достигается благодаря присутствию в клетке отрицательно заряженных ионов — остатков слабых кислот (в первую очередь НСО3 и НРО2|4). При закислении (избытке ионов Н +) эти ионы могут пре-вращаться в Н 2 С0 3 и Н 2 Р0 4 соответственно. Напротив, при дефиците Н + (защелачивание цитоплазмы) НСО3 и НРО2|4 способны отдавать часть своих ионов водорода. Буферные свой-ства клетки очень важны, поскольку боль-шинство биологически активных веществ (в частности, белки-ферменты) могут вступать в реакции только при строго определенном уровне pH. Материал с сайта

Вопрос 5. Расскажите о роли минеральных со-лей в жизнедеятельности клетки.

Минеральные соли и входящие в их состав элементы участвуют во многих процессах жиз-недеятельности клетки. Так, остатки слабых кислот (НСО3, НРО2|4) обеспечивают ее буфер-ные свойства. Движение ионов Na + , К + , Са 2+ , С1 через мембраны клеток лежит в основе всех электрических явлений, наблюдаемых в живых организмах (вплоть до разрядов элект-рических рыб); без этого мышечные волокна не способны сокращаться, а нервная ткань — про-водить сигналы. Остатки фосфорной кислоты нужны для синтеза нуклеотидов и фосфолипи-дов. Фосфаты кальция и магния участвуют в об-разовании костей, а карбонат кальция является основой раковины моллюсков.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском

На этой странице материал по темам:

• характеристика молекулы общая