Как известно, все вещества могут быть поделены на две большие категории - минеральные и органические. Можно привести большое количество примеров неорганических, или минеральных, веществ: соль, сода, калий. Но какие типы соединений попадают во вторую категорию? Органические вещества представлены в любом живом организме.
Белки
Важнейшим примером органических веществ являются белки. В их состав входит азот, водород и кислород. Помимо них, иногда в некоторых белках также можно обнаружить атомы серы.
Белки являются одними из важнейших органических соединений, и они наиболее часто встречаются в природе. В отличие от других соединений, белкам свойственны некоторые характерные черты. Главное их свойство - это огромная молекулярная масса. Например, молекулярный вес атома спирта составляет 46, бензола - 78, а гемоглобина - 152 000. По сравнению с молекулами других веществ, белки являются настоящими великанами, содержащими в себе тысячи атомов. Иногда биологи называют их макромолекулами.
Белки являются самыми сложными из всех органических строений. Они относятся к классу полимеров. Если рассмотреть молекулу полимера под микроскопом, то можно увидеть, что она представляет собой цепь, состоящую из более простых структур. Они носят название мономеров и повторяются в полимерах множество раз.
Помимо белков существует большое количество полимеров - каучук, целлюлоза, а также обычный крахмал. Также немало полимеров создано и руками человека - капрон, лавсан, полиэтилен.
Образование белка
Как же образуются белки? Они представляют собой пример органических веществ, состав которых в живых организмах определяется генетическим кодом. При их синтезе в подавляющем большинстве случаев используются различные комбинации 20 аминокислот.
Также новые аминокислоты могут образовываться уже когда белок начинает функционировать в клетке. При этом в нем встречаются только альфа-аминокислоты. Первичная структура описываемого вещества определяется последовательностью остатков аминокислотных соединений. И в большинстве случаев полипептидная цепь при образовании белка закручивается в спираль, витки которой располагаются тесно друг к другу. В результате образования водородных соединений она имеет достаточно прочную структуру.
Видео по теме
Жиры
Другим примером органических веществ могут послужить жиры. Человеку известно немало видов жиров: сливочное масло, говяжий и рыбий жир, растительные масла. В больших количествах жиры образуются в семенах растений. Если очищенную семечку подсолнечника положить на лист бумаги и придавить, то на листе останется маслянистое пятно.
Углеводы
Не менее важными в живой природе являются углеводы. Они содержатся во всех органах растений. К классу углеводов относится сахар, крахмал, а также клетчатка. Богаты ими клубни картофеля, плоды банана. Очень легко обнаружить крахмал в картофеле. При реакции с йодом этот углевод окрашивается в синий цвет. В этом можно убедиться, если капнуть на срез картофелины немного йода.
Также несложно обнаружить и сахара - они все имеют сладкий вкус. Много углеводов этого класса содержится в плодах винограда, арбузов, дыни, яблони. Они представляют собой примеры органических веществ, которые также производятся в искусственных условиях. Например, из сахарного тростника добывается сахар.
А как образуются углеводы в природе? Самым простым примером является процесс фотосинтеза. Углеводы представляют собой органические вещества, в которых содержится цепь из нескольких углеродных атомов. Также в их состав входит несколько гидроксильных групп. В процессе фотосинтеза сахар неорганических веществ образуется из оксида углерода и серы.
Клетчатка
Еще одним примером органических веществ является клетчатка. Больше всего ее содержится в семенах хлопка, а также стеблях растений и их листьях. Клетчатка состоит их линейных полимеров, ее молекулярная масса составляет от 500 тысяч до 2 млн.
В чистом виде она представляет собой вещество, у которого отсутствует запах, вкус и цвет. Применяется оно при изготовлении фотопленки, целлофана, взрывчатки. В организме человека клетчатка не усваивается, однако является необходимой частью рациона, поскольку стимулирует работу желудка и кишечника.
Вещества органические и неорганические
Можно привести немало примеров образования органических и неорганических веществ. Вторые всегда происходят из минералов - неживых природных тел, которые образуются в глубинах земли. Они входят и в состав различных горных пород.
В естественных условиях неорганические вещества образуются в процессе разрушения минералов либо органических веществ. С другой стороны, из минералов постоянно образуются вещества органические. Например, растения поглощают воду с растворенными в ней соединениями, которые в дальнейшем переходят из одной категории в другую. Живые организмы используют для питания главным образом органические вещества.
Причины разнообразия
Нередко школьникам или студентам нужно ответить на вопрос о том, в чем заключаются причины многообразия органических веществ. Главный фактор состоит в том, что атомы углерода соединяются между собой при помощи двух типов связей - простых и кратных. Также они могут образовывать цепи. Еще одной причиной является разнообразие различных химических элементов, которые входят в органические вещества. Кроме того, многообразие обусловлено и аллотропией - явлением существования одного и того же элемента в различных соединениях.
А как образуются неорганические вещества? Природные и синтетические органические вещества и их примеры изучаются как в старших классах школы, так и в профилированных высших учебных заведениях. Образование неорганических веществ - это не такой сложный процесс, как образование белков или углеводов. Например, соду с незапамятных времен люди добывали из содовых озер. В 1791 году ученый-химик Николя Леблан предложил синтезировать ее в лабораторных условиях с использованием мела, соли, а также серной кислоты. Когда-то всем привычная сегодня сода была достаточно недешевым продуктом. Для проведения опыта было необходимо прокалить поваренную соль вместе с кислотой, а затем образовавшийся сульфат прокалить вместе с известняком и древесным углем.
Другим примером неорганических веществ является марганцовка, или перманганат калия. Это вещество получают в промышленных условиях. Процесс образования заключается в электролизе раствора гидроксида калия и марганцевого анода. При этом анод постепенно растворяется с образованием раствора фиолетового цвета - это и есть всем известная марганцовка.
В истории развития органической химии выделяют два периода: эмпирический (с середины XVII до конца XVIII века), в который познание органических веществ, способов их выделения и переработки происходило опытным путем и аналитический (конец XVIII – середина XIX века), связанный с появлением методов установления состава органических веществ. В аналитический период было установлено, что все органические вещества содержат углерод. Среди, других элементов, входящих в состав органических соединений были обнаружены водород, азот, сера, кислород и фосфор.
Важное значение в истории органической химии имеет структурный период (вторая половина XIX – начало XX века), ознаменовавшийся рождением научной теории строения органических соединений, основоположником которой был А.М. Бутлеров.
Основные положения теории строения органических соединений:
- атомы в молекулах соединены между собой в определенном порядке химическими связями в соответствии с их валентностью. Углерод во всех органических соединениях четырехваленнтен;
- свойства веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от порядка соединения атомов;
- атомы в молекуле взаимно влияют друг на друга.
Порядок соединения атомов в молекуле описывается структурной формулой, в которой химические связи изображаются черточками.
Характерные свойства органических веществ
Существует несколько важных свойств, которые выделяют органические соединения в отдельный, ни на что не похожий класс химических соединений:
- Органические соединения обычно представляют собой газы, жидкости или легкоплавкие твердые вещества, в отличие неорганических соединений, которые в большинстве своём представляют собой твердые вещества с высокой температурой плавления.
- Органические соединения большей частью построены ковалентно, а неорганические соединения - ионно.
- Различная топология образования связей между атомами, образующими органические соединения (прежде всего, атомами углерода), приводит к появлению изомеров - соединений, имеющих один и тот же состав и молекулярную массу, но обладающих различными физико-химическими свойствами. Данное явление носит название изомерии.
- Явление гомологии - существование рядов органических соединений, в которых формула любых двух соседей ряда (гомологов) отличается на одну и ту же группу - гомологическую разницу CH 2 . Органические вещества горят.
Классификация органических веществ
В классификации принимают за основу два важных признака – строение углеродного скелета и наличие в молекуле функциональных групп.
В молекулах органических веществ атомы углерода соединяются друг с другом, образуя т.н. углеродный скелет или цепь. Цепи бывают открытыми и замкнутыми (циклическими), открытые цепи могут быть неразветвленными (нормальными) и разветвленными:
По строению углеродного скелета различают:
— алициклические органические вещества, имеющие открытую углеродную цепь как разветвленную, так и неразветвленную. Например,
СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 3 (бутан)
СН 3 -СН(СН 3)-СН 3 (изобутан)
— карбоциклические органические вещества, в которых углеродная цепь замкнута в цикл (кольцо). Например,
— гетероциклические органические соединения, содержащие в цикле не только атомы углерода, но и атомы других элементов, чаще всего азота, кислорода или серы:
Функциональная группа – атом или группа атомов неуглеводородного характера, которые определяют принадлежность соединения к определенному классу. Признаком, по которому органическое вещество относят к тому или иному классу, является природа функциональной группы (табл. 1).
Таблица 1. Функциональные группы и классы.
Соединения могут содержать не одну, а несколько функциональных групп. Если эти группы одинаковые, то соединения называют полифункциональными, например хлороформ, глицерин. Соединения, содержащие различные функциональные группы, называют гетерофункциональными, их можно одновременно отнести к нескольким классам соединений, например молочную кислоту можно рассматривать, как карбоновую кислоту и как спирт, а коламин – как амин и спирт.
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:
- основные элементы - кислород, углерод, водород и азот (98% состава клетки);
- элементы, составляющие десятые и сотые доли процента,- калий, фосфор, сера, магний, железо, хлор, кальций, натрий (в сумме 1,9%);
- 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.
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.
Минеральные соли в водных растворах клетки диссоциируют на катионы и анионы, обеспечивая устойчивое количество необходимых химических элементов и осмотическое давление. Из катионов наиболее важны К + , Na + , Са 2+ , Mg + . Концентрация отдельных катионов в клетке и во внеклеточной среде неодинакова. В живой клетке концентрация К высокая, Na + - низкая, а в плазме крови, наоборот, высокая концентрация Na + и низкая К + . Это обусловлено избирательной проницаемостью мембран. Разность в концентрации ионов в клетке и среде обеспечивает поступление воды из окружающей среды в клетку и всасывание воды корнями растений. Недостаток отдельных элементов - Fe, Р, Mg, Со, Zn - блокирует образование нуклеиновых кислот, гемоглобина, белков и других жизненно важных веществ и ведет к серьезным заболеваниям. Анионы определяют постоянство рН-клеточной среды (нейтральной и слабощелочной). Из анионов наиболее важны НРО 4 2- , Н 2 РO 4 — , Cl — , HCO 3 —
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 С n Н 2n О n) - 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 СO 2 и Н 2 O, 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 СO 2 и Н 2 O, 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 (- NH 2) 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)
- Первичная структура - полипептидная цепь из аминокислот, связанных в определенной последовательности ковалентными (прочными) пептидными связями.
- Вторичная структура - полипептидная цепь, закрученная в тугую спираль. В ней между пептидными связями соседних витков (и другими атомами) возникают малопрочные водородные связи. В комплексе они обеспечивают довольно прочную структуру.
- Третичная структура представляет собой причудливую, но для каждого белка специфическую конфигурацию - глобулу. Она удерживается малопрочными гидрофобными связями или силами сцепления между неполярными радикалами, которые встречаются у многих аминокислот. Благодаря их многочисленности они обеспечивают достаточную устойчивость белковой макромолекулы и ее подвижность. Третичная структура белков поддерживается также за счет ковалентных S - S (эс - эс) связей, возникающих между удаленными друг от друга радикалами серосодержащей аминокислоты - цистеина.
- Четвертичная структура типична не для всех белков. Она возникает при соединении нескольких белковых макромолекул, образующих комплексы. Например, гемоглобин крови человека представляет комплекс из четырех макромолекул этого белка.
Такая сложность структуры белковых молекул связана с разнообразием функций, свойственных этим биополимерам. Однако строение белковых молекул зависит от свойств окружающей среды.
Нарушение природной структуры белка называют денатурацией . Она может возникать под воздействием высокой температуры, химических веществ, лучистой энергии и других факторов. При слабом воздействии распадается только четвертичная структура, при более сильном - третичная, а затем - вторичная, и белок остается в виде первичной структуры - полипептидной цепи, Этот процесс частично обратим, и денатурированный белок способен восстанавливать свою структуру.
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.
Молекула ДНК имеет сложное строение. Она состоит из двух спирально закрученных цепей. Ширина двойной спирали 2 нм 1 , длина несколько десятков и даже сотен микромикрон (в сотни или тысячи раз больше самой крупной белковой молекулы). ДНК - полимер, мономерами которой являются нуклеотиды - соединения, состоящие из молекулы фосфорной кислоты, углевода - дезоксирибозы и азотистого основания. Их общая формула имеет следующий вид:
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:
- адениловый (А),
- гуаниловый (Г),
- цитозиловый (Ц),
- тимидиловый (Т).
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
Органические вещества
Химический состав клетки
В земной коре встречается около 100 химических элементов, но только 16 из них необходимы для жизни. Наиболее распространены в живых организмах четыре элемента: водород, углерод, кислород и азот (на их долю приходится около 98% массы клеток. Важные функции в клетке выполняют такие элементы, как натрий, кальций, хлор, фосфор, сера, железо, магний. На их долю приходится около 1% массы клетки – это макроэлементы . Остальные элементы, такие как цинк, медь, йод, фтор содержатся в живых организмах в очень малых количествах (не более 0,02%) и относятся к группе микроэлементов.
Все химические элементы в организме находятся в виде ионов или входят в состав неорганических или органических веществ.
Неорганические вещества
Из неорганических соединений больше всего в организме находится воды – от 60 до 95% общей массы (содержание воды зависит от типа клеток: в клетках эмали зубов около 10%, а в клетках медузы до 98%) . В среднем, в клетках многоклеточного организма вода составляет около 80% массы тела.
Вода является хорошим растворителем и большинство химических реакций в клетке протекает между растворенными в воде веществами. Проникновение веществ в клетку и выведение продуктов метаболизма возможно только в растворенном виде.
Большая часть неорганических веществ в клетке находится в виде ионов или солей. Важнейшее значение в жизнедеятельности клетки имеют такие ионы как К + , Na + , Са 2+ . Нерастворимые минеральные соли, например соли кальция и кремния, обеспечивают прочность костной ткани позвоночных и раковин моллюсков.
Органические вещества
Органические вещества составляют в среднем 20-30% массы клетки живого организма. К ним относятся биологические полимеры – белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры, а также целый ряд небольших молекул – гормонов, витаминов, пигментов, аминокислот, АТФ и др.
Белки
Белки составляют 50-80% сухой массы клетки. Несмотря на свое разнообразие, все белки построены всего из 20 различных аминокислот.
По своему составу белки делятся на простые и сложные. Простые белки состоят только из аминокислот. Сложные белки помимо аминокислот имеют в своем составе другие органические соединения: белки содержащие нуклеиновые кислоты называются нуклеопротеиды, липиды – липопротеиды, углеводы – гликопротеиды
Функции белков:
1. Строительная функция: белки входят в состав всех клеточных мембран и органоидов клетки.
2. Каталитическая (ферментативная) функция: практически все химические реакции, протекающие в клетке, катализируются ферментами. По своей природе все ферменты являются белками и, таким образом, именно белки определяют течение всех химических реакций, необходимых для существования организма.
3. Двигательная функция живых организмов обеспечивается специальными сократительными белками (мерцание ресничек, биение жгутиков, сокращение мышц).
4. Транспортная функция белков заключается в переносе химических элементов или биологически активных веществ к различным тканям и органам (белки переносчики обеспечивают перенос необходимых клетке веществ через мембрану, гемоглобин переносит кислород с током крови по всему организму).
5. Защитная функция белков заключается в связывании и обезвреживании чужеродных организму веществ. Например, при поступлении в организм чужеродных веществ или микроорганизмов белые кровяные тельца (лейкоциты) образуют специальные белки – антитела, способные к обезвреживанию чужеродных агентов.
6. Энергетическая функция: белки служат источником энергии в клетке. При расщеплении 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии, необходимой для большинства жизненно важных процессов, протекающих в клетке.
7. Регуляторная функция: некоторые гормоны имеют белковую природу (инсулин, тироксин). Гормоны оказывают влияние на обмен веществ в организме, развитие тканей и органов. На клеточном уровне многие процессы регулируются специальными регуляторными белками.
8. Токсическая функция: биологические яды (токсины), имеют белковую природу. Токсины вырабатываются некоторыми микроорганизмами, растениями и животными (змеиный яд, дифтерийный токсин).
Углеводы
Углеводы построены всего из трех элементов – О, С, Н.
В животных клетках углеводы составляют всего 1-5%, тогда как в растительных их содержание может достигать 90% сухой массы (клубни картофеля).
Углеводы подразделяются на простые и сложные. Простые углеводы называются моносахаридами . Если в одной молекуле объединяются два моносахарида, то такое соединение называют дисахаридом . К дисахаридам относится сахар, состоящий из двух молекул – глюкозы и фруктозы. Сложные углеводы, образованные многими моносахаридами, называются полисахаридами. Мономером таких полисахаридов как крахмал, гликоген, целлюлоза, является моносахарид – глюкоза.
Функции углеводов:
1. Строительная. Например, целлюлоза образует стенки растительных клеток, сложный полисахарид хитин – структурный компонент наружного скелета членистоногих.
2. Энергетическая. Углеводы играют роль основного источника энергии в клетке (при окислении 1 г углеводов освобождается 17,6 кДж энергии). Такие полисахариды как крахмал и гликоген откладываются в клетках в качестве запасных веществ и служат энергетическим резервом.
| Общая функция | Углевод | Функция углевода |
| Энергетическая | Глюкоза | Служит источником энергии для клеточного дыхания. |
| Мальтоза | Служит источником энергии в прорастающих семенах. | |
| Сахароза | Основной продукт фотосинтеза в растениях (источник энергии). | |
| Фруктоза | Обеспечивает энергией многие биологические процессы, протекающие в организме. | |
| Структурная (пластическая) | Целлюлоза | Обеспечивает устойчивость оболочек растительных клеток. |
| Хитин | Обеспечивает прочность покровных структур грибов и членистоногих. | |
| Рибоза и дезоксирибоза | Являются структурными элементами нуклеиновых кислот ДНК, РНК. | |
| Защитная | Гепарин | Препятствует свертыванию крови в животных клетках. |
| Камедь и слизь | У растений образуются при повреждении тканей, выполняют защитную функцию. | |
| Запасающая | Лактоза | Входит в состав молока млекопитающих. |
| Крахмал | Образует запасные вещества в тканях растений. | |
| Гликоген | Образует запас полисахаридов в животных клетках. |
Липиды
Липиды (жиры) – это соединения высокомолекулярных жирных кислот и трехатомного спирта глицерина. Жиры не растворяются в воде – они гидрофобны. Содержание жиров в клетке составляет 5-15% от массы сухого вещества (в клетках жировой ткани до 90%).
К молекулам липидов могут присоединяться функциональные группировки: остатки фосфорной кислоты (фосфолипиды), углеводы (гликолипиды), белки (липопротеиды). Вещества близкие по свойствам к липидам, но не содержащие жирных кислот, называют липоидами. К ним относятся стероиды (входят в состав желчи, выполняют функции половых гормонов) и терпены (входят в состав эфирных масел растений, хлорофилла и др.).
Функции липидов:
1. Строительная функция: липиды являются основой клеточных мембран (75-95% из них составляют фосфолипиды).
2. Энергетическая функция: накапливаясь в клетках жировой ткани животных, в семенах и плодах растений, жиры служат запасным источником энергии. При расщеплении 1 г жира освобождается 38,9 кДж.
3. Запасающая функция (в пустыне для многих животных жиры – источник воды: при окислении 100 г жира выделяется 107 г воды).
4. Функция терморегуляции. Жир обладает плохой теплопроводностью. У некоторых животных (тюлени, киты) он откладывается в подкожной жировой ткани и защищает организм от переохлаждения.
5. Регуляторная функция: некоторые липиды принимают участие в регуляции обменных процессов (витамины, предшественники гормонов).
Биология Лекция 4-5
Строение клетки
Все живые существа состоят из клеток, либо являются одноклеточными организмами. Слово «клетка» - это перевод с латинского слова cellula (клетка, комната). Термин ввел Р. Гук для обозначения ячеек, которые он наблюдал под микроскопом в срезе пробки. Лишь позднее клетками стали называть живое содержимое таких ячеек.
Клетка – это элементарная структурная и функциональная единица живых организмов, потому, что в природе нет более мелких систем, которым были бы присущи все без исключения признаки живого:
· Обмен веществ
· Рост, развитие
· Воспроизведение себе подобных
· Реагирование на внешние воздействия (раздражимость)
· Способность к движению
Таким образом, клетка является низшей ступенью организации живой материи.
К началу 19 в. представления о клеточном строении получили широкое распространение и признание. В 30-х годах 19 в. Роберт Броун – шотландский ученый обнаружил в растительных клетках ядро. Затем ядра были обнаружены и в других клетках. Сопоставление наблюдений за растительными и животными клетками обнаружило сходство в их строении и организации. В это же время были сформулированы основные положения клеточной теории.
В настоящее время положения клеточной тео рии формулируются так:
1. Клетка является основной структурной и функциональной единицей жизни. Все организмы состоят из клеток, жизнь организма обусловлена взаимодействием составляющих его клеток.
2. Клетки всех организмов сходны по своему химическому составу, строению и функциям
3. Все новые клетки образуются путем деления исходных клеток.
4. Все клетки состоят из 3-х основных частей:
· Клеточная мембрана
· Цитоплазма
· Клеточное ядро или его функциональный аналог.
Существуют два основных типа клеточного строения, которые отличаются друг от друга рядом фундаментальных признаков. Это прокариотические и эукариотические клетки.
Микроорганизмы, имеющие истинное ядро называются эукариоты. К ним относят микроскопические грибы, дрожжи, водоросли и простейшие. Микроорганизмы, не имеющие четко выраженного ядра, называются прокариотами. К ним относятся бактерии и сине-зеленые водоросли (цианобактерии).
ТЕСТЫ ПО ОБМЕНУ ВЕЩЕСТВ ДЛЯ 10 КЛАССА. 1 ВАРИАНТ.1А. Организмы, образующие органические вещества из неорганических:
1.гетеротрофы
2.автотрофы
2А. В темновую фазу фотосинтеза происходит:
1.образование АТФ
2.образование НАДФ Н
3.выделение кислорода
4.образование углеводов
3А. При фотосинтезе происходит образование кислорода, выделяющегося при разложении молекул:
1.углекислого газа
2.глюкозы
4.углекислого газа и воды
4А. В результате фотосинтезе происходит превращение энергии света в:
1.электрическую энергию
2.химическую энергию органических соединений
3.тепловую энергию
4.химическую энергию неорганических соединений
5А. Фотолиз воды в живых организмах протекает в процессе:
1.дыхания
2.фотосинтеза
3.брожения
4.хемосинтеза
6А. Конечными продуктами окисления органических веществ в клетке являются:
1.АДФ и вода
2.аммиак и углекислый газ
3.вода и углекислый газ
1.белков до аминокислот
2.крахмала до глюкозы
3.ДНК до нуклеотидов
8А. Обеспечивают гликолиз ферменты:
2.цитоплазмы
3.митохондрий
4.пластид
9А. При гликолизе моль глюкозы запасает в форме АТФ:
10А.Три моль глюкозы подверглось полному окислению в клетке животного, при этом выделилось углекислого газа:
11А. В процессе хемосинтеза организмы преобразуют энергию химических связей:
1.липидов
2.полисахаридов
4.неорганических веществ
12А. Каждой белковой молекуле в ДНК соответствует:
1.триплет
4.нуклеотид
13А.Генетический код является общим для всех живых организмов, это свойство:
1.непрерывность
2.избыточность
3.универсальность
4.специфичность
14А. В генетическом коде один триплет соответствует только одной аминокислоте, в этом проявляется его:
1.непрерывность
2.избыточность
3.универсальность
4.специфичность
15А. Если нуклеотидный состав ДНК – АТТ-ГЦГ-ТАТ, то нуклеотидный состав и-РНК:
1.ТАА-ЦГЦ-УТА
2.ТАА-ГЦГ-УТУ
3.УАА-ЦГЦ-АУА
4.УАА-ЦГЦ-АТА
1.возбудителя туберкулеза
2.мухомора
4.бактериофага
17А. Антибиотик:
1.подавляет синтез белка возбудителя болезни
4.является защитным белком крови
18А. Участок молекулы ДНК, с которого происходит транскрипция, имеет 30.000 нуклеотидов(обе цепи). Для транскрипции потребуется:
1.всегда одну
2.всегда две
3.всегда три
20А. Участок и-РНК, с которого происходит трансляция, содержит 153 нуклеотида, на данном участке закодирован полипептид из:
1.153 аминокислот
2.51 аминокислоты
3.49 аминокислот
4.459 аминокислот
В1.Установите соответствие между характеристикой и видом обмена веществ в клетке:
В.удваиваются молекулы ДНК
1)пластический обмен
2)энергетический обмен
В2. Установите соответствие между характеристикой и фазой процесса фотосинтеза:
Б.используется энергия АТФ
Г.происходит фотолиз воды
1)световая
2)темновая
В3. Кислородный этап энергетического обмена характеризуется:
А.синтезом энергии в виде АТФ
В.расщеплением глюкозы
Г.расщеплением молекул жиров
Д.образованием углекислого газа
Е.осуществлением в цитоплазме
В4. Постройте последовательность реакций биосинтеза белка, выписав цифры в необходимом порядке:
1)снятие информации с ДНК
4)поступление и-РНК на рибосомы
2 ВАРИАНТ
1А. Организмы, образующие органические вещества только из органических:
1.гетеротрофы
2.автотрофы
3.хемотрофы
4.миксотрофы
2А. В световую фазу фотосинтеза происходит:
1.образование АТФ
2.образование глюкозы
3.выделение углекислого газа
4.образование углеводов
3А. При фотосинтезе происходит образование кислорода, выделяющегося в процессе:
1.биосинтеза белка
2.фотолиза
3.возбуждения молекулы хлорофилла
4.соединения углекислого газа и воды
4А. В результате фотосинтеза энергии света превращается в:
1. тепловую энергию
2.химическую энергию неорганических соединений
3. электрическую энергию тепловую энергию
4.химическую энергию органических соединений
5А. Дыхание у анаэробов в живых организмах протекает в процессе:
1.кислородного окисления
2.фотосинтеза
3.брожения
4.хемосинтеза
6А. Конечными продуктами окисления углеводов в клетке являются:
1.АДФ и вода
2.аммиак и углекислый газ
3.вода и углекислый газ
4.аммиак, углекислый газ и вода
7А. На подготовительном этапе расщепления углеводов происходит гидролиз:
1. целлюлозы до глюкозы
2. белков до аминокислот
3.ДНК до нуклеотидов
4.жиров до глицерина и карбоновых кислот
8А. Обеспечивают кислородное окисление ферменты:
1.пищеварительного тракта и лизосом
2.цитоплазмы
3.митохондрий
4.пластид
9А. При гликолизе 3моль глюкозы запасает в форме АТФ:
10А.Два моль глюкозы подверглось полному окислению в клетке животного, при этом выделилось углекислого газа:
11А. В процессе хемосинтеза организмы преобразуют энергию окисления:
1.соединений серы
2.органических соединений
3.крахмала
12А. Одному гену соответствует информация о молекуле:
1.аминокислоты
2.крахмала
4.нуклеотида
13А.Генетический код состоит из трех нуклеотидов, значит он:
1. специфичен
2.избыточен
3.универсален
4.триплетен
14А. В генетическом коде одной аминокислоте соответствует 2-6 триплетов, в этом проявляется его:
1.непрерывность
2.избыточность
3.универсальность
4.специфичность
15А. Если нуклеотидный состав ДНК – АТТ-ЦГЦ-ТАТ, то нуклеотидный состав и-РНК:
1.ТАА-ЦГЦ-УТА
2.УАА-ГЦГ-АУА
3.УАА-ЦГЦ-АУА
4.УАА-ЦГЦ-АТА
16А. Синтез белка не происходит на собственных рибосомах у:
1.вируса табачной мозаики
2.дрозофилы
3.муравья
4.холерного вибриона
17А. Антибиотик:
1. является защитным белком крови
2.синтезирует новый белок в организме
3.является ослабленным возбудителем болезни
4.подавляет синтез белка возбудителя болезни
18А. Участок молекулы ДНК, на котором происходит репликация, имеет 30.000 нуклеотидов (обе цепи). Для репликации потребуется:
19А.Сколько разных аминокислот может транспортировать одна т-РНК:
1.всегда одну
2.всегда две
3.всегда три
4.некоторые могут транспортировать одну, некоторые – несколько.
20А. Участок ДНК, с которого происходит транскрипция, содержит 153 нуклеотида, на данном участке закодирован полипептид из:
1.153 аминокислот
2.51 аминокислоты
3.49 аминокислот
4.459 аминокислот
В1. Установите соответствие между характеристикой и фазой процесса фотосинтеза:
А.молекула углекислого газа образует глюкозу
Б.используется энергия АТФ
В.возбуждается молекула хлорофилла
Г.происходит фотолиз воды
Д.из молекул АДФ образуется АТФ
1)световая
2)темновая
В2. Постройте последовательность реакций биосинтеза белка, выписав цифры в необходимом порядке:
1)транскрипция на ДНК
2)узнавание антикодоном т-РНК своего кодона на и-РНК
3)отщепление аминокислоты от т-РНК
4)соединение и-РНК с рибосомой
5)присоединение аминокислоты к белковой цепи.
В3. Бескислородный этап энергетического обмена характеризуется:
А.синтезом энергии в виде АТФ
Б.осуществлением в митохондриях
В.расщеплением глюкозы
Г.расщеплением молекул жиров
Д.образованием ПВК
Е.осуществлением в цитоплазме
В4.Установите соответствие между характеристикой и видом обмена веществ в клетке:
А.осуществляется биосинтез белка
Б.фотосинтез в клетках растений
В.удваиваются молекулы ДНК
Г.жиры расщепляются до глицерина и жирных кислот
Д.конечными продуктами обмена являются углекислый газ и вода
1)пластический обмен
2)энергетический обмен
ОТВЕТЫ: 1 ВАРИАНТ
В3 – А,Б,Д
В4 – 1,4,2,5,3
ОТВЕТЫ: 2 ВАРИАНТ
В2 – 1,4,2,5,3
