Методическая разработка на тему " Химический состав клетки"

2.3. Химический состав клетки. Макро- и микроэлементы. Взаимосвязь строения и функций неорганических и органических веществ (белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, АТФ), входящих в состав клетки. Обоснование родства организмов на основе анализа химического состава их клеток

Химические элементы клетки

В живых клетках обнаруживаются следы почти всех химических элементов, присутствующих в окружающей среде, однако для жизни необходимы около 20 — это постоянно входящие в состав организмов биогенные элементы. Жирным шрифтом в таблице 1 выделены универсальные биогенные элементы, присутствующие во всех живых существах (из них кислород составляет около 70% массы организмов, углерод — 18%, водород — 10%). Необходимые для нормальной жизнедеятельности элементы, содержащиеся в организмах в низких концентрациях (обычно тысячные доли процента и ниже), называютмикроэлементами. Иногда выделяют группу ультрамикроэлементов. Несколько подходов к классификации элементов, входящих в состав клеток, см. в таблице 1.

Это важно

В состав живой и неживой природы входят одни и те же химические элементы, но в разных соотношениях, что свидетельствует о единстве живого и неживого.

Роль химических элементов в организме человека см. в блоке 5.

Таблица 1

Химические элементы в живых существах

Группировка			Элемент	Ассоциативный ряд
Главные элементы органических молекул (см. табл. 3)	Макроэлементы I группы		H	вода (см. табл. 2), белки, жиры, углеводы, ДНК
			C	белки, жиры, углеводы, ДНК
			O	вода, белки, жиры, углеводы, ДНК
			N	белки, ДНК, NН3, мочевина, клубеньки*
	Макроэлементы II группы		S	белки III. структуры, цистеин, хемосинтез
			P	ДНК, АТФ, H2PO- буфер (см. задание 3, стр. 1.2), Ca3(PO4)2кости
Присутствуют в основном в виде ионов			K	насос, нервный импульс, осмос, почки, курага
			Na	насос, нервный импульс (см. задание 5), осмос, почки
			Ca	CaСО3 раковины, кости, свёртывание крови
			Mg	пигмент хлорофилл
			Cl	HCl, желудок, осмос, NaCl, тургор (см. задания 1 и 3, стр. 2.4)
Присутствуют в основном в виде ионов			Fe	гемоглобин, миоглобин, эритроциты
			Cu	гемоцианин ряда беспозвоночных
			Zn	инсулин, гормон поджелудочной железы, диабет
			Co	витамин В12, анемия
			Mn	ферменты темновых реакций фотосинтеза
			I	тироксин, щитовидная железа, обмен веществ
Химические вещества клетки
Неорганические (минеральные) вещества — простые и сложные вещества, которые встречаются в живой и неживой природе, за исключением ряда соединений углерода: ·         оксиды: вода, углекислый газ и др. ·         соли: хлорид натрия, карбонат кальция и др. ·         вещества других классов: соляная и ортофосфорная кислоты, кислород и др.		Органические вещества — соединения углерода с другими элементами, которые образуются только при участии живых существ, обладают способностью к горению: ·         биополимеры (макромолекулы): белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и др. ·         неполимерные вещества: липиды, моно- и дисахариды, АТФ и др.

Основные минеральные вещества клетки — вода и минеральные соли. Биологические функции минеральных солей и кислот см. в табл. 1, стр. 2.3. Вода — важнейшее для жизни вещество.

Атом водорода Н состоит из ядра, образованного одним протоном, и одного неспаренного электрона, движущегося вокруг ядра (1). У атома кислорода на внешнем уровне 2 неспаренных электрона. При образовании молекулы воды каждый из электронов кислорода спаривается с электроном атома водорода (2). Общие пары электронов смещаются к кислороду, и он приобретает частичный отрицательный заряд, а атомы водорода — частичный положительный. Угол между связями 104,5°, т. е. атомы водорода находятся в молекуле с одной стороны и образуют её положительный полюс. С другой стороны кислородом образован отрицательный полюс. Молекула полярна, имеет 2 полюса, т. е. является диполем (3).

Между молекулами возникают водородные связи — взаимодействие между положительно заряженным водородом одной молекулы и отрицательно заряженным кислородом или азотом другой молекулы.

Водородные связи очень важны и для других веществ, входящих в состав клеток. Принцип комплементарности (лежащий в основе удвоения ДНК, взаимодействия ферментов с субстратами, антител с антигенами и др.) заключается в том, что форма одной макромолекулы подходит к форме другой, как ключ к замку: напротив положительно заряженного элемента одной молекулы оказывается отрицательно заряженный элемент другой молекулы. При этом, как правило, возникают несколько водородных связей.

Таблица 2

Свойства воды, её биологическое значение

Свойства воды		Процессы, для которых важно данное свойство
Химическая активность		Участие в реакциях гидролиза биополимеров, световой фазы фотосинтеза и др.
Высокая теплоёмкость, теплопроводность, способность снижать температуру при испарении, обусловленные водородными связями		Теплорегуляция, потоотделение, транспирация, круговорот воды в природе
Прозрачность		Фотосинтез в водоёмах
Несжимаемость		Тургор (см. задание 1, стр. 2.4), работа гидростатического скелета, защитные свойства околоплодной жидкости
Подвижность молекул, связанная с их малым размером		Осмос, плазмолиз
Вязкость, связанная с наличием водородных связей		Смазочные свойства синовиальной жидкости
Полярный растворитель, как вещество, в молекулах которого 2 полюса: положительный связан с водородом, отрицательный — с кислородом		Растворами являются цитоплазма клеток, клеточный сок, кровь и другие жидкости организма
Высокое поверхностное натяжение		Капиллярный кровоток, восходящие и нисходящие токи в растениях
Расширение при замерзании		Теплоизоляция водоёмов
Образует гидратные оболочки макромолекул		Принимает студнеобразную консистенцию, хорошо удерживается
Таблица 3

Органические вещества клетки

Вещества	Примеры, строение	Функции
Углеводы: 1) моносахариды  2) дисахариды  3) полисахариды	1) пентозы: а) рибоза С5Н10О5 и дезоксирибоза С5Н10О4; б) гексозы: глюкоза С6Н12О6, галактоза, фруктоза; 2) сахароза (глюкоза + фруктоза), лактоза 3) полимеры: а) из глюкозы: крахмал, гликоген, целлюлоза (клетчатка); б) хитин, муреин	Энергетическая17,6 кДж/г (2800 кДж/моль) (глюкоза, сахароза и др.). Структурная (клеточные стенки: у растений из целлюлозы, у бактерий из муреина, у грибов из хитина, покровы членистоногих из хитина). Резервная, запасающая (крахмал у растений, гликоген у животных). Сигнальная — углеводы входят в состав белково-углеводных комплексов, которые: а) служат для распознавания клеток при межклеточных контактах; б) служат для восприятия клеткой раздражений (рецепции); в) являются антигенами. Пентозы входят в составДНК, РНК, АТФ и др.
Липиды: 1) простые  2) сложные	1) Жиры — соединения глицерина  и 3 высших карбоновых кислот:  а) растительные жидкие, ненасыщенные; б) животные твёрдые, насыщенные; 2) фосфолипиды — соединения глицерина, 2 высших карбоновых кислот и фосфорной кислоты	Энергетическая38,9 кДж/г. Структурная: а) фосфолипиды образуют билипидный слой — основу мембран, непроницаемую для водорастворимых веществ; б) воск составляет основу пчелиных сот, содержится в покрове листьев. Резервная: а) масла в плодах и семенах; б) жир животных (также резерв воды). Регуляторная: гормон тестостерон. Функции растворениядля витаминов А, D, E, K. Защитная: а) теплоизоляция (подкожный жир теплокровных); б) водоотталкивание (смазка перьев, шерсти, кожи); в) сохранение от испарения влаги (воск на листьях).
Белки (полипептиды): 1) протеины (простые) 2) протеиды (липопротеиды, гликопротеиды и др.)	Полимеры из 20 видов α-аминокислот  I структура (первичная) — цепь (последовательность) аминокислот, пептидные связи; II — спираль, свёрнутая из цепи, водородные связи; III — глобула, свёрнутая из спирали, гидрофильные и гидрофобные взаимодействия, дисульфидные мостики; IV — комплекс нескольких белковых цепей III структуры Сложные белки, содержащие небелковый компонент: липидный, углеводный и др.	Энергетическая17,6 кДж/г. Структурная: а) оболочки вирусов; б) компоненты клеточных мембран; в) коллаген соединительных тканей; г) кератин перьев, волос, рогов. Запасающая (казеин, ферритин). Регуляторная(большинство гормонов). Транспортная: а) поры и насосы в мембранах; б) гемоглобин. Двигательная (тубулин микротрубочек, актин и миозин мышц). Рецепторная: а) см. сигнальная функция углеводов; б) опсин — светочувствительный белок клеток сетчатки глаза. Защитная (антитела связывают чужеродные белки). Ферментативная, каталитическая (пищеварительные ферменты, АТФ-синтетаза и др.)
АТФ (аденозин- трифосфорная кислота)	Нуклеотид из трёх компонентов: 1) аденин  2) углевод рибоза  3) три остатка фосфорной кислоты	АТФ — универсальный аккумулятор энергии в клетках за счёт реакции АТФ + Н2О ↔ АДФ + Ф + 40 кДж/моль Энергия выделяется (поглощается) при разрыве (образовании) макроэргической связи ~.
РНК (рибонуклеиновая кислота)	Полимер из нуклеотидов. Нуклеотид включает: 1) азотистое основание — аденин, гуанин, цитозин или урацил (АЦГУ); 2) рибозу; 3) остаток фосфорной кислоты. Нуклеотиды соединены ковалентными связями	Все виды РНК участвуют в биосинтезе белка: ·         иРНК (информационная) переносит информацию из ядра в цитоплазму, служит матрицей для трансляции; ·         тРНК (транспортная; в форме листа клевера) доставляет аминокислоты к рибосомам, обеспечивает распознавание аминокислоты; ·         рРНК (рибосомальная) — структурный компонент рибосомы
ДНК (дезоксирибо- нуклеиновая кислота)	Полимер, спираль из двух цепей нуклеотидов, включающих: 1) азотистое основание АЦГ или Т (тимин); 2) дезоксирибозу; 3) остаток фосфорной кислоты. Две цепи связаны водородными связями между комплементарными основаниями (А = Т; Ц ≡ Г)	·         хранение наследственной информации; ·         участие в биосинтезе белков (матрица для транскрипции, матрица для синтеза всех видов РНК); ·         передача генетической информации дочерним клеткам (путём репликации); ·         структурная:молекула ДНК — основа построения хромосомы

Задание с выбором ответа (часть А)

Подсказка

далее

Вес: 0

Задание

1. В молекуле ДНК 300 нуклеотидов с цитозином, что составляет 20% от общего числа. Сколько нуклеотидов с аденином в этой молекуле?

300

600

450

900

Начало формы

Результат: 100%
Последняя попытка: 100% Чтв 30 Окт 2014 18:40:10
Попыток: 1
Подробнее »

Ответить

Конец формы

Задание с кратким ответом (часть В)

Подсказка

далее

Вес: 0

Задание

2. Установите последовательность процессов в ходе удвоения (репликации, редупликации) ДНК.

1) к каждому нуклеотиду каждой из нитей (нити служат матрицами) пристраиваются комплементарные нуклеотиды

2) с помощью ферментов разрываются водородные связи между цепями (нитями) ДНК

3) формируется спиральная укладка 2 дочерних двухцепочечных молекул

4) с помощью ферментов нуклеотиды соединяются друг с другом, образуются новые цепи ДНК, комплементарные каждой из разошедшихся цепей

5) одноцепочечные нити расходятся

Ответ:

Начало формы

Результат: 100%
Последняя попытка: 100% Чтв 30 Окт 2014 18:41:36
Попыток: 2
Подробнее »

Ответить

Конец формы

Подсказка

далее

Вес: 0

Задание

3. Установите соответствие между рисунками и названиями веществ или их классов.

А) Б) В) Г) Д) Е)

1) глюкоза 2) рибоза 3) целлюлоза (фрагмент) 4) фосфолипид 5) АТФ 6) ДНК (фрагмент)

Ответ:

Начало формы

Ответить

Конец формы

Задание с развёрнутым ответом (часть С)

Подсказка

далее

Вес: 0

Задание с открытым ответом

4. Найдите ошибки в приведённом тексте. Укажите номера предложений, в которых они сделаны, объясните их.

1. Белки относятся к гомополимерам. 2. При осуществлении каталитической реакции фермент должен подходить к субстрату. 3. Многообразие белков обеспечивается многообразием аминокислот, возможностью строить из них цепи различной длины и располагать аминокислоты в разном порядке. 4. Антителами называют белки на поверхности клеток, служащие сигналом принадлежности этой клетки к данному организму. 5. Каталитическая активность ферментов не зависит от кислотности среды и температуры.

Начало формы

Добавить файлОтметка: %

Конец формы

Подсказка

далее

Вес: 0

Задание с открытым ответом

5. Какие особенности фосфолипидов обеспечивают непроницаемость клеточных мембран для большинства водорастворимых веществ?