Всі організми на планеті складаються з клітин, які схожі між собою хімічним складом. У цій статті ми коротко розповімо про хімічний склад клітини, його роль життєдіяльності всього організму, дізнаємося, яка наука вивчає це питання.

Групи елементів хімічного складу клітини

Наука, яка вивчає складові та будову живої клітини, називається цитологією.

Всі елементи, що входять до хімічної структури організму, можна умовно поділити на три групи:

• макроелементи;
• мікроелементи;
• ультрамікроелементи.

До макроелементів відносяться водень, вуглець, кисень та азот. На їхню частку припадає майже 98% всіх складових елементів.

Мікроелементи є в кількості десятих і сотих часток відсотка. І зовсім малий вміст ультрамікроелементів – соті та тисячні частки відсотка.

ТОП-4 статтіякі читають разом з цією

У перекладі з грецької "макрос" - великий, а "мікро" - маленький.

Вчені встановили, що будь-яких особливих елементів, які притаманні тільки живим організмам, немає. Тому, що жива, що нежива природа складається з тих самих елементів. Цим доводиться їхній взаємозв'язок.

Незважаючи на кількісний вміст хімічного елемента, відсутність або зменшення хоча б одного з них призводить до загибелі всього організму. Адже кожен з них має своє значення.

Роль хімічного складу клітини

Макроелементи є основою біополімерів, а саме білків, вуглеводів, нуклеїнових кислот та ліпідів.

Мікроелементи входять до складу життєво важливих органічних речовин, беруть участь у обмінних процесах. Вони є складовими компонентами мінеральних солей, які у вигляді катіонів і аніонів, їх співвідношення визначає лужне середовище. Найчастіше вона слаболужна, адже співвідношення мінеральних солей не змінюється.

Гемоглобін містить залізо, хлорофіл - магній, білки - сірку, нуклеїнові кислоти - фосфор, обмін речовин відбувається за достатньої кількості кальцію.

Рис. 2. Склад клітини

Деякі хімічні елементи є компонентами неорганічних речовин, наприклад води. Вона грає велику роль у життєдіяльності як рослинної, і тваринної клітини. Вода є хорошим розчинником, тому всі речовини всередині організму діляться на:

• Гідрофільні - Розчиняються у воді;
• Гідрофобні - не розчиняються у воді.

Завдяки наявності води клітина стає пружною, вона сприяє переміщенню органічних речовин у цитоплазмі.

Рис. 3. Речовини клітини.

Таблиця "Властивості хімічного складу клітини"

Щоб наочно зрозуміти, які хімічні елементи входять до складу клітини, ми внесли в наступну таблицю:

Що ми дізналися?

Кожна клітина живої природи має власний набір хімічних елементів. За своїм складом предмети живої та неживої природи мають подібності, це доводить тісний їхній зв'язок. Кожна клітина складається з макроелементів, мікроелементів та ультрамікроелементів, у кожного з яких є своя роль. Відсутність хоч одного з них веде до захворювання і навіть загибелі всього організму.

Тест на тему

Оцінка доповіді

Середня оцінка: 4.5. Усього отримано оцінок: 1509.

У клітинах різних організмів виявлено близько 70 елементів періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва, але лише 24 їх мають цілком встановлене значення і зустрічаються постійно у всіх типах клітин.

Найбільша питома вага в елементному складі клітини посідає кисень, вуглець, водень і азот. Це так звані основніабо біогенніелементів. Перед цих елементів припадає понад 95 % маси клітин, причому їх відносне вміст у живому речовині набагато вище, ніж у земної корі. Життєво важливими є також кальцій, фосфор, сірка, калій, хлор, натрій, магній, йод та залізо. Їх вміст у клітині обчислюється десятими та сотими частками відсотка. Перелічені елементи складають групу макроелементів.

Інші хімічні елементи: мідь, марганець, молібден, кобальт, цинк, бор, фтор, хром, селен, алюміній, йод, залізо, кремній містяться у виключно малих кількостях (менше 0,01 % маси клітин). Вони відносяться до групи мікроелементів.

Відсотковий вміст в організмі того чи іншого елемента жодним чином не характеризує міру його важливості та необхідності в організмі. Так, наприклад, багато мікроелементів входять до складу різних біологічно активних речовин - ферментів, вітамінів (кобальт входить до складу вітаміну B12), гормонів (йод входить до складу тироксину); впливають на ріст і розвиток організмів (цинк, марганець, мідь), кровотворення (залізо, мідь), процеси клітинного дихання (мідь, цинк) і т. д. Зміст та значення для життєдіяльності клітин та організму загалом різних хімічних елементів наведено у таблиці:

У живих організмах виявлено понад 70 хімічних елементів. Вони є складовою певних речовин, що утворюють структури організму і що у хімічних реакціях. Одних хімічних елементів в організмах міститься більше, інших менше, треті присутні у незначних кількостях.

Макроелементи.Хімічні елементи, вміст яких у живих організмах становить від десятків до сотих часток відсотка, називаються макроелементів.Живі організми більш ніж на 98% складаються з чотирьох хімічних елементів: кисню (О), вуглецю (С), водню (Н) та азоту (N). Водень та кисень - складові елементи води. Поряд із вуглецем і азотом ці елементи є основними складовими органічних сполук живих організмів.

До складу молекул багатьох органічних речовин також входять сірка (S) та фосфор (Р). Крім того, до макроелементів належать натрій (Na), калій. (К),магній (Mg), кальцій (Са), хлор (С1) та ін.

Найважливішим макроелементом організму людини є кальцій. Його сполуки, зокрема ортофосфат, становлять мінеральну основу кісток та зубів. Інші сполуки кальцію беруть участь у нервовій та м'язовій діяльності, входять до складу клітин та тканинної рідини організму. Добова потреба дорослої людини в кальції становить від 0,8 до 2 г. Основні джерела цього елемента – молоко, кефір, сир, риба, квасоля, петрушка, зелена цибуля, а також яйця, гречка, вівсянка, морква та горох.

Однак у їжі можуть також міститися речовини, що перешкоджають засвоєнню кальцію, наприклад, щавлева кислота і фітин. Зі щавлевою кислотою кальцій утворює малорозчинну сіль, фітин теж досить міцно утримує кальцій. Тому важливо не зловживати стравами із щавлю та шпинату, у листі яких міститься 0,1-0,5 % щавлевої кислоти. Фітин, присутній в овочах та злаках, руйнується при нагріванні, тому менш шкідливий. Житній хліб корисніший за пшеничний — у ньому менше фітину.

Мікроелементи.Життєво важливі елементи, які у живих організмах у винятково малих кількостях (менше 0,01 %) становлять групу мікроелементів. Доцій групі відносяться деякі метали, наприклад залізо (Fe), цинк (Zn), мідь (Сі), марганець (Мп), кобальт (Со), молібден (Мо), а також неметали фтор (F), йод (I) та ін.

Відсотковий зміст тієї чи іншої елемента не характеризує ступінь його важливості в організмі. Наприклад, йод, вміст якого в нормі в організмі людини не перевищує 0,0001%, входить до складу гормонів щитовидної залози тироксину і т р і й т і р о н і н а. Ці гормони регулюють обмін речовин, впливають на зростання, розвиток та диференціювання тканин, на діяльність нервової системи.

Залізо та мідь входять до складу ферментів, що беруть участь у клітинному диханні. Разом із кобальтом вони відіграють важливу роль у процесах кровотворення. Цинк і марганець впливають на зростання та розвиток організмів. Фтор входить до складу кісткової тканини та емалі зубів. Більш детальна інформація про зміст та біологічну роль хімічних елементів у живих організмах наведена в таблиці 1.

Таблиця 1. Біологічно важливі хімічні елементи

* Для рослин - макроелемент

Для людини джерелами макро- та мікроелементів є продукти харчування та вода. Тому для повного задоволення потреб у макро- та мікроелементах необхідне повноцінне та різноманітне харчування, що включає продукти тваринного та рослинного походження. Для Білорусі та деяких інших регіонів Землі характерний недолік йоду та фтору у природній воді. Тому дуже важливо частіше вживати в їжу морепродукти, а також заповнювати цей недолік вживанням фторованої та йодованої кухонної солі, виробництво та продаж якої налагоджені в нашій країні.

1. У якій групі всі елементи належать до макроелементів? До мікроелементів?

а) Залізо, сірка, кобальт; в) натрій, кисень, йод;

б) фосфор, магній, азот; г) фтор, мідь, марганець.

2. Які хімічні елементи називають макроелементами? Перерахуйте їх. Яке значення макроелементів у живих організмах?

3. Які елементи називають мікроелементами? Наведіть приклади. У чому полягає роль мікроелементів для життєдіяльності організмів?

4. Встановіть відповідність між хімічним елементом та його біологічною функцією:

1) кальцій

3) кобальт

4) йод 5) цинк 6) мідь

а) бере участь у синтезі гормонів рослин, входить до складу інсуліну; б) входить до складу гормонів щитовидної залози.

в) є компонентом хлорофілу.

г) входить до складу гемоціанінів деяких безхребетних тварин.

д) необхідний для м'язового скорочення та згортання крові; е) входить до складу вітаміну В 12 .

5. На підставі матеріалу про біологічну роль макро- та мікроелементів та знань, отриманих при вивченні організму людини в 9-му класі, поясніть, до яких наслідків може призвести нестача тих чи інших хімічних елементів в організмі людини.

6. У таблиці зазначено зміст основних хімічних елементів у земній корі (за масою, %). Порівняйте склад земної кори та живих організмів. У чому полягають особливості елементарного складу живих організмів? Які факти дозволяють зробити висновок про єдність живої та неживої природи?

Розділ 1. Хімічні компоненти живих організмів

• § 1. Зміст хімічних елементів у організмі. Макро- та мікроелементи
• § 2. Хімічні сполуки у живих організмах. Неорганічні речовини

Глава 2. Клітина - структурна та функціональна одиниця живих організмів

• § 10. Історія відкриття клітини. Створення клітинної теорії
• § 15. Ендоплазматична мережа. Комплекс Гольджі Лізосоми

Глава 3. Обмін речовин та перетворення енергії в організмі

Біологія- Наука про життя. Найважливіше завдання біології — вивчення різноманіття, будови, життєдіяльності, індивідуального розвитку та еволюції живих організмів, їхніх взаємин із довкіллям.

Живі організмимають низку особливостей, що відрізняють їх від неживої природи. Окремо кожна з відмінностей є досить умовною, тому їх слід розглядати в комплексі.

Ознаки, що відрізняють живу матерію від неживої:

1. здатність до розмноження та передачі спадкової інформації наступному поколінню;
2. обмін речовин та енергії;
3. збудливість;
4. адаптованість до конкретних умов проживання;
5. будівельний матеріал - біополімери (найважливіші з них - білки та нуклеїнові кислоти);
6. спеціалізація від молекул до органів та високий рівень їх організації;
7. зріст;
8. старіння;
9. смерть.

Рівні організації живої матерії:

1. молекулярний,
2. клітинний,
3. тканинний,
4. органний,
5. організменний,
6. популяційно-видовий,
7. біогеоценотичний,
8. біосферний.

Різноманітність життя

Першими на планеті з'явилися без'ядерні клітини. Більшістю вчених сприймається, що ядерні організми з'явилися в результаті симбіозу стародавніх архебактерій із синьо-зеленими водоростями та бактеріями-окислювачами (теорія симбіогенезу).

Цитологія

Цитологія- наука про клітці. Вивчає будову та функції клітин одноклітинних та багатоклітинних організмів. Клітина є елементарною одиницею будови, функціонування, зростання та розвитку всіх живих істот. Тому процеси та закономірності, характерні для цитології, лежать в основі процесів, що вивчаються багатьма іншими науками (анатомія, генетика, ембріологія, біохімія та ін.).

Хімічні елементи клітини

Хімічний елемент- Певний вид атомів з однаковим позитивним зарядом ядра. У клітинах виявлено близько 80 хімічних елементів. Їх можна розділити на чотири групи:
1 група - вуглець, водень, кисень, азот (98% від вмісту клітини),
2 група – калій, натрій, кальцій, магній, сірка, фосфор, хлор, залізо (1,9%),
3 група - цинк, мідь, фтор, йод, кобальт, молібден та ін. (менше 0,01%),
4 група - золото, уран, радій та ін (менше 0,00001%).

Елементи першої та другої груп у більшості посібників називають макроелементами, елементи третьої групи мікроелементами, елементи четвертої групи ультрамікроелементами. Для макро- та мікроелементів з'ясовані процеси та функції, в яких вони беруть участь. Для більшості ультрамікроелементів біологічної ролі не виявлено.

Атоми хімічних елементів у живих організмах утворюють неорганічні(вода, солі) та органічні сполуки(Білки, нуклеїнові кислоти, ліпіди, вуглеводи). На атомному рівні відмінностей між живою і неживою матерією немає, відмінності з'являться на наступних, вищих рівнях організації живої матерії.

Вода

Вода- Найпоширеніша неорганічна сполука. Вміст води становить від 10% (зубна емаль) до 90% маси клітини (ембріон, що розвивається). Без води життя неможливе, біологічне значення води визначається її хімічними та фізичними властивостями.

Молекула води має кутову форму: атоми водню стосовно кисню утворюють кут, що дорівнює 104,5°. Та частина молекули, де є водень, заряджена позитивно, частина, де є кисень, — негативно, у зв'язку з цим молекула води є диполем. Між диполями води утворюються водневі зв'язки. Фізичні властивості води:прозора, максимальна щільність - при 4 ° С, висока теплоємність, практично не стискається; чиста вода погано проводить тепло та електрику, замерзає при 0 ° С, кипить при 100 ° С тощо. Хімічні властивості води:хороший розчинник, утворює гідрати, входить у реакції гідролітичного розкладання, взаємодіє з багатьма оксидами тощо. По відношенню до здатності розчинятися у воді розрізняють: гідрофільні речовини- добре розчинні, гідрофобні речовини- практично нерозчинні у воді.

Біологічне значення води:

1. є основою внутрішнього та внутрішньоклітинного середовища,
2. забезпечує підтримку просторової структури,
3. забезпечує транспорт речовин,
4. гідратує полярні молекули,
5. служить розчинником та середовищем для дифузії,
6. бере участь у реакціях фотосинтезу та гідролізу,
7. сприяє охолодженню організму,
8. є середовищем проживання для багатьох організмів,
9. сприяє міграціям та поширенню насіння, плодів, личинкових стадій,
10. є середовищем, в якому відбувається запліднення,
11. у рослин забезпечує транспірацію та проростання насіння,
12. сприяє рівномірному розподілу тепла в організмі та багато інших. ін.

Інші неорганічні сполуки клітини

Інші неорганічні сполуки представлені в основному солями, які можуть бути у розчиненому вигляді (дисоційованими на катіони та аніони), або твердому. Важливе значення для життєдіяльності клітини мають катіони K + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+ (див. таблицю вище) та аніони HPO 4 2- , Cl - , HCO 3 - , Що забезпечують буферні властивості клітини. Буферність- Здатність підтримувати рН на певному рівні (рН - десятковий логарифм величини, зворотної концентрації водневих іонів). Величина рН, що дорівнює 7,0, відповідає нейтральному, нижче 7,0 - кислому, вище 7,0 - лужному розчину. Для клітин і тканин характерне слаболужне середовище. За підтримку цієї слаболужної реакції відповідають фосфатна (1) та бікарбонатна (2) буферні системи.

Клітини живих організмів за своїм хімічним складомзначно відрізняються від навколишнього їх неживого середовища і структурою хімічних сполук, і з набору і змісту хімічних елементів. Загалом у живих організмах присутні (виявлено на сьогодні) близько 90 хімічних елементів, які, залежно від їх вмісту, поділяють на 3 основні групи: макроелементи , мікроелементи і ультрамікроелементи .

Макроелементи.

Макроелементи у значних кількостях представлені в живих організмах, починаючи від сотих часток відсотка до десятків відсотків. Якщо вміст будь-якої хімічної речовини в організмі перевищує 0.005% маси тіла, така речовина відносять до макроелементів. Вони входять до складу основних тканин: крові, кісток та м'язів. До них належать, наприклад, такі хімічні елементи: водень, кисень, вуглець, азот, фосфор, сірка, натрій, кальцій, калій, хлор. Макроелементи у сумі становлять близько 99% від маси живих клітин, причому більшість (98%) посідає саме водень, кисень, вуглець і азот.

У таблиці нижче представлені основні макроелементи в організмі:

Для всіх чотирьох найпоширеніших у живих організмах елементів (це водень, кисень, вуглець, азот, як було зазначено раніше) характерна одна загальна властивість. Цим елементам не вистачає одного або кількох електронів на зовнішній орбіті для створення стабільних електронних зв'язків. Так, атому водню для утворення стабільного електронного зв'язку не вистачає одного електрона на зовнішній орбіті, атомів кисню, азоту та вуглецю — двох, трьох та чотирьох електронів відповідно. У зв'язку з цим, ці хімічні елементи легко утворюють ковалентні зв'язки за рахунок парування електронів, і можуть легко взаємодіяти один з одним, заповнюючи зовнішні електронні оболонки. Крім цього, кисень, вуглець і азот можуть утворювати як одинарні, а й подвійні зв'язку. Внаслідок чого суттєво збільшується кількість хімічних сполук, які можуть утворюватися з цих елементів.

Крім того, вуглець, водень та кисень - найлегші серед елементів, здатних утворювати ковалентні зв'язки. Тому вони виявилися найбільш підходящими для утворення сполук, що входять до складу живої матерії. Необхідно відзначити окремо ще одну важливу властивість атомів вуглецю — здатність утворювати ковалентні зв'язки разом із чотирма іншими атомами вуглецю. Завдяки цій можливості створюються каркаси з безлічі різноманітних органічних молекул.

Мікроелементи.

Хоча зміст мікроелементів не перевищує 0,005% для кожного окремого елемента, а в сумі вони становлять лише близько 1% маси клітин, мікроелементи необхідні для життєдіяльності організмів. За їх відсутності чи недостатньому змісті можуть виникати різні захворювання. Багато мікроелементів входять до складу небілкових груп ферментів і необхідні для здійснення їхньої каталітичної функції.
Наприклад, залізо є складовою гема, який входить до складу цитохромів, що є компонентами ланцюга переносу електронів, і гемоглобіну - білка, який забезпечує транспорт кисню від легень до тканин. Дефіцит заліза в людини викликає розвиток анемії. А нестача йоду, що входить до складу гормону щитовидної залози - тироксину, призводить до виникнення захворювань, пов'язаних із недостатністю цього гормону, таких як ендемічний зоб або кретинізм.

Приклади мікроелементів представлені у таблиці нижче:

Ультрамікроелементи.

До складу групи ультрамікроелементів входять елементи, вміст яких у організмі вкрай мало (менше 10 -12 %). До них відносяться бром, золото, селен, срібло, ванадій та багато інших елементів. Більшість із них також потрібні для нормального функціонування живих організмів. Наприклад, брак селену може призвести до ракових захворювань, а недолік бору — причина деяких захворювань у рослин. Багато елементів цієї групи, як і мікроелементи, входять до складу ферментів.