Текст книги "Биология. Общая биология. 10 класс. Базовый уровень"

6. Неорганические вещества клетки

Вспомните!

Что такое неорганические вещества?

Какими физическими и химическими свойствами обладает вода?

Что называют ионами, анионами и катионами?

Значительная часть соединений, входящих в состав клетки, встречается в больших количествах только в живой природе. Это органические вещества. Однако есть соединение, которое одинаково характерно как для живой, так и для неживой природы. Это вода (рис. 9).

Вода. Считается, что миллиарды лет тому назад в первичном океане на нашей планете зародилась жизнь и вся дальнейшая эволюция природы была неразрывно связана с водой. Уникальные свойства этой относительно небольшой молекулы позволили нашей планете стать такой, какая она есть сейчас. Все жители Земли, растения и животные, грибы и бактерии, обязаны воде жизнью. В чём же заключается особенность этого вещества?

Молекула воды – это диполь, т. е. на одной стороне молекулы сосредоточен частичный положительный заряд, а на другом конце – частичный отрицательный (рис. 10). Именно эта особенность строения молекулы воды определяет её свойство универсального растворителя. Любые вещества, имеющие заряженные группы, растворяются в воде (рис. 11). Такие соединения называют гидрофильными (от греч. hydros – вода и phileo – люблю). Большинство веществ, присутствующих в клетке, относится к этой группе, например соли, аминокислоты, сахара, белки, простые спирты. Когда вещество переходит в раст вор, его реакционная способность увеличивается. Однако есть соединения, которые в воде растворяются очень плохо или вовсе не растворяются. Такие вещества называют гидрофобными (от греч. hydros – вода и phobos – страх), к ним относятся, в частности, жиры (липиды), жироподобные вещества (липоиды), полисахариды и некоторые белки.

Рис. 9. Вещества, входящие в состав живых организмов

Рис. 10. Диполь. Схематичное изображение молекулы воды

Рис. 11. Растворение в воде хлорида натрия

Большинство процессов, которые протекают внутри клетки, могут осуществляться только в водной среде. Но вода не только обеспечивает условия химических реакций, она сама участвует во многих метаболических процессах. В реакциях гидролиза[1]1
  Гидролиз – реакции ионного обмена между различными веществами и водой.


[Закрыть] белки расщепляются до аминокислот, а крахмал – до глюкозы. Высвобождение энергии в организме происходит при взаимодействии с водой главной энергетической молекулы – АТФ. Вода участвует в реакциях фотосинтеза и в синтезе АТФ в митохондриях.

Отрицательные и положительные полюсы разных молекул воды притягиваются друг к другу, что приводит к образованию водородных связей. Наличие этих связей придаёт воде структурированность, что объясняет многие её необычные свойства: высокую температуру кипения, плавления, высокую теплоёмкость.

Сочетание высокой теплоёмкости и теплопроводности делает воду идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия. Тепло быстро и равномерно распределяется между всеми частями организма.

Рис. 12. Уменьшение количества воды в клетках приводит к увяданию растений

Высокая интенсивность испарения приводит к быстрой потере тепла и предохраняет от перегрева: испарение у растений и потоотделение у животных являются защитными реакциями и позволяют при минимальной потере воды существенно снизить температуру тела.

Практически полная несжимаемость воды обеспечивает поддержание формы клетки (рис. 12), а вязкость придаёт воде свойства смазки.

Высокая сила поверхностного натяжения воды обеспечивает восходящий и нисходящий транспорт веществ в растениях и движение крови в капиллярах. Многие мелкие организмы легко удерживаются и передвигаются по поверхности воды благодаря наличию плёнки поверхностного натяжения.

Полость тела круглых червей заполнена жидкостью, находящейся под давлением и образующей гидроскелет, что придаёт этим организмам постоянную форму. Свойство несжимаемости воды используется медузами, чьё тело на 95 % состоит из этого вещества.

Жидкость в подчерепном пространстве предохраняет от сотрясения головной мозг, а околоплодные воды в матке защищают и поддерживают плод у млекопитающих.

Жидкость в околосердечной сумке – перикарде – облегчает движения сердца при его сокращениях, а в плевральной полости снижает трение при дыхании.

Благодаря высокому тургорному давлению растительные ткани обладают упругостью, а стебли травянистых растений поддерживают вертикальное положение.

Соли. Важную роль в жизнедеятельности клетки играют минеральные соли, представленные в основном катионами калия (K⁺), натрия (Na⁺), кальция (Ca²⁺), магния (Mg²⁺) и анионами соляной (Сl^–), угольной (HCO₃^–), фосфорной (HPO₄^2–, H₂PO₄^–) и некоторых других кислот. Многие ионы неравномерно распределены между клеткой и окружающей средой, так, например, в цитоплазме концентрация ионов калия в 20–30 раз выше, чем снаружи, а концентрация ионов натрия внутри клетки, наоборот, в 10 раз ниже. Именно благодаря существованию подобных градиентов концентраций осуществляются многие важные процессы жизнедеятельности, такие как возбуждение нервных клеток, сокращение мышечных волокон. После гибели клетки концентрация катионов снаружи и внутри быстро выравнивается.

Анионы слабых кислот (HCO₃^–, HPO₄^2–) участвуют в поддержании кислотно-щелочного баланса (рН) клетки. Анионы фосфорной кислоты необходимы для синтеза нуклеотидов и нуклеиновых кислот.

Минеральные соли в живых организмах находятся не только в виде ионов, но и в твёрдом состоянии. Кости нашего скелета в основном состоят из фосфатов кальция и магния. Раковины моллюсков формируются из карбоната кальция.

Вопросы для повторения и задания

1. Каковы особенности пространственной организации молекул воды, обусловливающие её биологическое значение?

2. В чём заключается биологическая роль воды?

3. Какие вещества называют гидрофильными; гидрофобными? Приведите примеры.

4. Какие вещества поддерживают pH клетки на постоянном уровне? Объясните, почему жизнедеятельность клетки возможна только при определённом значении pH.

5. Расскажите о роли минеральных солей в жизнедеятельности клетки.

Подумайте! Выполните!

1. Почему при работе в горячих цехах для утоления жажды рекомендуют пить минеральную или подсоленную воду?

2. Известно, что ионный состав внутреннего содержимого клетки имеет большое сходство с ионным составом морской воды. Какой вывод можно из этого сделать?

3. Как изменяется количество воды в теле человека с возрастом?

4. Вспомните из курса биологии растений, какие структуры покровной ткани растений обеспечивают испарение воды. Каков принцип их работы?

5. Выполните исследовательскую работу «Изучение процесса осмоса в растительных клетках». Исследуйте влияние гипо– и гипертонических растворов на мембрану типичной вакуолизированной растительной клетки.

Работа с компьютером

Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал и выполните задания.

Повторите и вспомните!

Растения

Поглощение корнями воды и минеральных веществ. Большая часть воды с растворёнными в ней минеральными веществами поглощается корнем с помощью корневых волосков в зоне всасывания. Всасывание воды происходит пассивно, посредством осмоса, так как концентрация осмотически активных веществ (минеральных солей и органических веществ) в клетках корня больше, чем в почвенном растворе. Интенсивность поглощения воды корневыми волосками называют сосущей силой (S). Она равна разнице между осмотическим (P) и тургорным (T) давлением: S = P – T. Когда осмотическое давление равно тургорному (P = T), то S = 0 и вода перестаёт поступать в корневой волосок. Если же концентрация веществ в почвенном растворе будет выше, чем внутри клеток корня, то вода будет выходить из клеток и растение завянет (см. рис. 12). Такое явление наблюдается при засухе или при неумеренном внесении удобрения в почву.

Животные

Первично– и вторичноводные животные. Кроме систематического деления на классы, подтип Позвоночные обычно условно подразделяют ещё на две группы, не имеющие таксономического значения: первичноводные (анамнии) и первичноназемные (амниоты). Жизнь и размножение животных, относящихся к анамниям, неразрывно связаны с водой. В качестве органов дыхания у них в течение всей жизни или на личиночной стадии функционируют жабры. При развитии оплодотворённой яйцеклетки не образуются защитные зародышевые оболочки. К этой группе относят классы Круглоротые, Хрящевые рыбы, Костные рыбы, Земноводные.

Размножение первичноназемных животных не связано с водой. Жаберного дыхания нет ни на одной из жизненных стадий. При развитии зародыша формируются зародышевые оболочки. К группе амниот относят классы Пресмыкающиеся, Птицы, Млекопитающие.

Вторичноводными называют амниот, которые вернулись к обитанию в воде. Такими животными, например, являются китообразные, которые полностью перешли к водному образу жизни. Их передние конечности превратились в ласты, задние – редуцированы.

Человек

Водный и минеральный обмены. Ткани взрослого человека содержат в среднем до 60 % воды. В сутки организм человека теряет около 2,0–2,5 л воды. В составе мочи выводится 1,2–1,5 л, с потом – около 0,5–0,7 л, с парами воздуха через лёгкие – 0,3–0,5 л, через кишечник с калом – около 0,1 л. Столько же воды в сумме организм получает с питьём (1,0 л) и пищей (1,0 л), а часть воды образуется при обмене белков, жиров, углеводов (0,3–0,4 л). Для нормальной жизнедеятельности важно, чтобы поступление воды полностью покрывало её расход. Отношение количества потреблённой воды к количеству выделенной называют водным балансом. Обезвоживание организма приводит к быстрой гибели, без воды человек может прожить не более 5–6 дней. Однако обильное избыточное питьё тоже вредно, оно повышает нагрузку на организм и нарушает работу сердца и почек.

Минеральные соли поступают в организм человека с пищей и водой. И хотя они составляют не более 4 % от массы тела, набор их очень разнообразен. В сутки в организм человека должно поступать не менее 4,4 г натрия, 5 г хлора, 2 г калия, 1 г кальция, 1 г фосфора, 0,2 г железа. Из различных минеральных солей специально в пищу мы добавляем только поваренную соль (NaCl), около 10 г в сутки. Все остальные минеральные соли содержатся в натуральных продуктах. Вода и растворённые в ней минеральные соли всасываются по всему желудочно-кишечному тракту, но больше всего в тонком кишечнике.

7. Органические вещества. Общая характеристика. Липиды

Вспомните!

В чём особенность строения атома углерода?

Какую связь называют ковалентной?

Какие вещества называют органическими?

Какие продукты питания содержат большое количество жира?

Общая характеристика органических веществ. Среди всех химических элементов есть один, который наиболее тесно связан с живыми организмами. Это углерод. Известно уже более миллиона различных молекул, построенных на его основе. Наиболее интересна уникальная способность атомов углерода вступать в ковалентную связь друг с другом, образуя длинные цепи, сложные кольца и иные структуры. Органические вещества – это сложные углеродсодержащие соединения. Прежде считали, что только живые организмы способны их синтезировать. Однако сейчас путём химического синтеза уже получено огромное число различных органических соединений.

Простейшие углеродные соединения – это углеводороды, молекулы которых состоят из атомов только углерода и водорода. Самый простой углеводород – метан. В ранний период истории Земли метан входил в состав её первичной атмосферы. Возможно, именно он и положил начало бесчисленному разнообразию углеродсодержащих соединений, которые возникали по мере развития жизни и которые сейчас являются основой жизни.

В современных живых ор га низ мах углеводороды встречаются нечасто.

Сорок атомов углерода входит в состав углеводорода каротина – оранжево-жёлтого пигмента. Богаты каротином плоды шиповника и смородины, морковь и томаты, яичный желток. Очень важен для полноценного питания животных и человека β-каротин – провитамин А, который в организме превращается в витамин А.

Некоторые млекопитающие способны избирательно накапливать провитамин А в жировой клетчатке и молоке. При недостатке витамина А снижается сопротивляемость к инфекционным заболеваниям, страдает репродуктивная функция, возникают проблемы с кожей и развивается так называемая куриная слепота – нарушается темновая адаптация.

Однако подавляющее большинство органических соединений устроено гораздо более сложно, нежели углеводороды.

Органические вещества живой природы чрезвычайно разнообразны по своим размерам, строению и функциям. Поэтому создать единую классификацию, которая учитывала бы все характерные особенности каждого соединения, практически невозможно. Наиболее распространено деление всех органических соединений на низкомолекулярные (аминокислоты, липиды, органические кислоты и др.) и высокомолекулярные, или биополимеры. Полимеры – это молекулы, состоящие из повторяющихся структурных единиц – мономеров. В свою очередь, все биополимеры подразделяют на две группы: гомополимеры, или регулярные, построенные из мономеров одного типа (например, гликоген, крахмал и целлюлоза состоят из молекул глюкозы), и гетерополимеры, или нерегулярные, в состав которых входят отличающиеся друг от друга мономеры (например, белки состоят из 20 типов аминокислот, а нуклеиновые кислоты – из 8 типов нуклеотидов: ДНК – из 4 типов, РНК – из 4 типов (см. § 8, 9)).

Рассмотрим наиболее важные группы органических соединений, которые определяют основные свойства клеток и организмов (рис. 13).

Липиды. Среди низкомолекулярных органических соединений, входящих в состав живых организмов, важную роль играют липиды, к которым относят жиры, воски и разнообразные жироподобные вещества. Это гидрофобные соединения, нерастворимые в воде. Обычно общее содержание липидов в клетке колеблется в пределах 5–15 % от массы сухого вещества.

Рис. 13. Основные группы органических веществ

Рис. 14. Модель (А) и схема строения (Б) молекулы нейтрального жира

Однако в клетках подкожной жировой клетчатки их количество возрастает до 90 %.

Широко распространены в природе нейтральные жиры, которые представляют собой соединения высокомолекулярных жирных кислот и трёхатомного спирта глицерина (рис. 14). В цитоплазме клеток нейтральные жиры откладываются в виде жировых капель.

Жиры являются источником энергии. При окислении 1 г жира до углекислого газа и воды выделяется 38,9 кДж энергии (при окислении 1 г глюкозы – всего 17 кДж).

Жиры служат источником метаболической воды, из 1 г жира образуется 1,1 г воды. Используя свои жировые запасы, верблюды или впадающие в зимнюю спячку суслики могут обходиться без воды длительное время.

Жиры в основном откладываются в клетках жировой ткани. Эта ткань служит энергетическим депо организма, предохраняет его от потери тепла и выполняет защитную функцию. В полости тела между внутренними органами у позвоночных животных формируются упругие жировые прокладки, которые защищают органы от повреждений, а подкожная жировая клетчатка создаёт теплоизоляционный слой.

Воски – пластичные вещества, обладающие водоотталкивающими свойствами. У насекомых они служат материалом для постройки сот. Восковой налёт на поверхности листьев, стеблей, плодов защищает растения от механических повреждений, ультрафиолетового излучения и играет важную роль в регуляции водного баланса.

Не менее важное значение в организме имеют жироподобные вещества.

Представители этой группы – фосфолипиды – формируют основу всех биологических мембран. По своей структуре фосфолипиды сходны с жирами, но в их молекуле один или два остатка жирных кислот замещены остатком фосфорной кислоты.

Важную роль в жизнедеятельности всех живых организмов, особенно животных, играет жироподобное вещество – холестерин. В корковом слое надпочечников, в половых железах и в плаценте из него образуются стероидные гормоны (кортикостероиды и половые гормоны). В клетках печени из холестерина синтезируются желчные кислоты, необходимые для нормального переваривания жиров.

При неправильном питании, если рацион человека чрезмерно богат жирами, содержание холестерина в крови резко возрастает. Это может привести к образованию на стенках кровеносных сосудов холестериновых бляшек, которые сужают и даже полностью перекрывают просвет сосудов, тем самым нарушая кровоснабжение органов и тканей. Развивается заболевание – атеросклероз.

К жироподобным веществам относят также жирорастворимые витамины А, D, E, K, обладающие высокой биологической активностью.

Вопросы для повторения и задания

1. Какие органические вещества входят в состав клетки?

2. Что такое липиды? Опишите их химический состав.

3. Какова роль липидов в обеспечении жизнедеятельности организма?

4. В чём заключается биологическое значение жироподобных веществ?

5. Вспомните из курса «Человек и его здоровье» функции витаминов; симптомы их недостаточности.

6. Составьте схемы – классификации органических веществ. На основе каких критериев созданы ваши схемы?

Подумайте! Выполните!

1. Какие вы знаете биологически активные вещества в организме человека, относящиеся к группе липидов? Каковы их функции?

2. Объясните, как восковой слой на поверхности листьев участвует в регуляции водного баланса растений.

3. В организме может существовать запас витаминов. Подумайте, какие витамины – жирорастворимые или водорастворимые – могут депонироваться в тканях. Объясните свою точку зрения.

Работа с компьютером

Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал и выполните задания.

Повторите и вспомните!

Человек

Обмен липидов. В организм человека липиды поступают с разнообразной животной и растительной пищей. Потребность в липидах (жирах) определяется общей интенсивностью процессов энергетического и пластического обмена, составляя в среднем 80–100 г в сутки. Избыток липидов откладывается в подкожной жировой клетчатке и стенках внутренних органов. В результате образуются депо, способные покрывать наши затраты энергии в течение многих суток. Как и углеводы, липиды с участием кислорода распадаются до CO₂ и H₂O.

Наибольшую ценность имеют липиды растительного происхождения. Молекулы, подобные растительным липидам, наш организм не способен синтезировать самостоятельно. Следовательно, они относятся к разряду незаменимых компонентов питания. Важно, чтобы доля растительных липидов (подсолнечное, оливковое, кукурузное, соевое масло) в пище была не ниже 30–40 %. При их дефиците страдают в первую очередь органы и ткани, где происходит интенсивное образование новых клеток (кожа, слизистые, красный костный мозг). Избыток гликогена, хранящегося в печени, может превращаться в жиры. В результате чрезмерное поступление углеводов и липидов с пищей приводит к накоплению жировых запасов, росту массы тела, увеличению риска многих заболеваний.

Жирорастворимые витамины. Жирорастворимые витамины необходимы для нормального функционирования организма. Витамин А (ретинол) выполняет в организме две группы функций. Первая связана со зрением, вторая – с общим состоянием клеточных мембран. Ретинол входит в состав родопсина – вещества, обеспечивающего работу части рецепторов глаза (палочек; чёрно-белое зрение). Информация от палочек особенно важна для нас в сумерках, когда рецепторы цветового зрения не работают. Следовательно, первым признаком дефицита витамина А является ухудшение сумеречного зрения («куриная слепота»).

Кроме этого ретинол обнаруживается практически во всех клеточных мембранах. Совместно с липидами растительного происхождения он обеспечивает их гибкость и эластичность. Недостаток ретинола приводит к шелушению кожи, помутнению роговицы глаз, быстрому ухудшению состояния слизистых и красного костного мозга.

Суточная потребность в ретиноле составляет у человека около 1–1,5 мг. Источником витамина А служат сливочное масло, молоко, желтки яиц. Больше всего ретинола в печени – около 4 мг на 100 г. Витамин А может образовываться в нашем организме из каротина – оранжевого пигмента растений. При этом в ретинол превращается примерно треть каротина. Каротина много в красных овощах (томаты, перец); «рекордсменом» является морковь – около 9 мг на 100 г.

Витамин D (кальциферол) регулирует обмен кальция и фосфора и необходим для нормального развития костной ткани. Суточная доза витамина D для детей выше, чем для взрослых, и составляет 10–25 мг. При недостатке кальциферола в детском возрасте развивается рахит: кости конечностей искривляются, снижается тонус мышц, организм становится менее устойчив к инфекционным заболеваниям. Витамин D содержится в рыбьем жире, печени, яичном желтке. Это один из немногих витаминов, который может синтезироваться в организме человека. Он образуется в коже под действием ультрафиолетовых лучей солнечного спектра. Для предупреждения и лечения рахита детей не только кормят продуктами, богатыми витамином D, но и облучают специальной кварцевой лампой.

Витамин K (филлохинон) участвует в образовании протромбина, без которого невозможно свёртывание крови, и играет важную роль в формировании и восстановлении костей, обеспечивая синтез белка костной ткани. Витамин K доставляется в организм с пищей и частично образуется микрофлорой толстого кишечника. Витамином K богаты многие продукты: говяжья печень, цветная капуста, кабачки, салат. Суточная потребность в витамине K взрослых людей невелика, ориентировочно она составляет 600–800 мкг, т. е. меньше миллиграмма.

Витамин Е (токоферол) входит в состав клеточных мембран и защищает их от окисления. Основные источники витамина Е – это зёрна злаков, растительные масла, яйца, салат-латук, печень. Суточная потребность в токофероле – 10–15 мг. Витамин Е нетоксичен, однако его избыточное содержание повышает кровяное давление.