Блог з біології для учнів 9 класу: Тема 1.Хімічний склад клітини

Урок 3: Будова, властивості та функції води

Води в живих організмах міститься дуже багато. У більшості випадків вона становить більше половини маси живого організму, а інколи її частка в організмі сягає 95-99%. Усе це обумовлено надзвичайно великою роллю води для життєдіяльності живих організмів. Своїми особливими властивостями вода завдячує своїй будові.

Молекула води складається із двох атомів гідрогену й одного атома оксигену. Ці атоми утворюють полярні полюси молекули (позитивний полюс – атоми Гідрогену, а негативний полюс – атом Оксигену).

Існування полюсів робить можливим утворення водневих зв’язків, які дозволяють молекулам води утворювати між собою та з іншими речовинами різноманітні комплекси.

Водневі зв'язки між молекулами води

Подібні комплекси молекул суттєво підвищують температури кипіння і танення води (порівняно зі схожими молекулами) та збільшують її теплоємність. Вони також роблять воду дуже гарним розчинником і сприятливим середовищем для перебігу цілого ряду реакцій.

Найважливішими для живих організмів властивостями води можна назвати такі:

1. Вода є чудовим розчинником для полярних і неполярних речовин, які мають заряджені ділянки.

2. Вода здатна утворювати агрегатні групи молекул між своїми молекулами та з молекулами інших речовин. Це значно посилює силу поверхневого натягу, що дозволяє воді підійматися по капілярах ґрунту й судинах рослин.

3. Через наявність між молекулами води водневих зв’язків її випаровування потребує великої кількості енергії, а в разі її замерзання виділяється тепло. Тому наявність на нашій планеті води у трьох агрегатних станах значно пом’якшує її клімат. Крім того, багато організмів використовує випаровування води за умов високих температур для охолодження свого організму.

4. Найбільшої густини вода досягає за 4°С. Лід має меншу густину, ніж вода. Тому взимку він розміщається на поверхні водойм і захищає організми, які в них живуть, від переохолодження. Молекули органічних або неорганічних речовин, які є полярними або мають заряджені ділянки, легко взаємодіють з молекулами води та, відповідно, легко в ній розчиняються. Такі речовини називають гідрофільними. Якщо ж молекули органічних або неорганічних речовин не є полярними й не мають заряджених ділянок, то вони мало взаємодіють з молекулами води та, відповідно, у ній не розчиняються. Такі речовини називають гідрофобними.

Олія - гідрофобна речовина, оцет - гідрофільна

Через те що вода в рідкому стані все ж таки не має жорсткої внутрішньої структури, тепловий рух молекул призводить до постійного перемішування молекул водного розчину. Це явище називають дифузією. Внаслідок дифузії концентрації розчинених речовин у різних частинах розчину вирівнюються.

Наявність у живих організмах біологічних мембран призводить до появи явища осмосу. Внаслідок того, що біологічні мембрани є напівпроникними, через них не можуть проходити великі органічні молекули, але можуть проходити молекули води. У випадку, коли концентрація великих молекул по різні боки мембрани є різною, молекули води починають інтенсивно переміщуватися на той бік, де концентрація розчинених речовин є вищою. Внаслідок цього й виникає надлишок речовин по один бік мембрани, що можна спостерігати у вигляді осмотичного тиску.

Осмотичний тиск є дуже важливим для живих організмів. Завдяки йому виникає тургор (пружність рослинних тканин) та відбувається клітинний транспорт.

Вміст води в організмах становить 60-70%. Вода утворює основу внутрішнього середовища живих організмів, у якому відбуваються процеси обміну речовин і перетворення енергії. Вода бере безпосередню участь у реакціях розщеплення органічних сполук.

Водний баланс – це певне співвідношення між надходженням і витрачанням води живою системою.

Вода визначає фізичні властивості клітин – їхній об’єм і внутрішньоклітинний тиск (тургор).

Вода – універсальний розчинник. Речовини, здатні добре розчинятися у воді, називають гідрофільними (полярними), нерозчинні – гідрофобними (неполярними).

Вода відіграє надзвичайно важливу роль у транспорті різних сполук у живих організмах. Вона бере участь у складних біохімічних реакціях і процесах теплорегуляції організмів.

Основні свої потреби людина задовольняє за рахунок питної води певних стандартів якості. Перед споживанням вода має бути очищена. Методи очищення стічних вод поділяють на механічні, фізико-хімічні та біологічні.

ХІМІЧНИЙ СКЛАД КЛІТИНИ – сукупність хімічних елементів й хімічних речовин, що містяться у клітині й забезпечують її життєдіяльність чи організму в цілому. Умовно хімічний склад клітини можна вивчати на елементному та молекулярному рівнях. Наука, що вивчає хімічний склад живого, значення й перетворення його компонентів, називається біохімією.

Елементний склад визначається хімічними елементами, що беруть участь в життєдіяльності клітини. Їх називають біоелементами. Ці елементи наявні й у неживій природі, але у клітинах вони мають відносно стале співвідношення.

Усі біоелементи за вмістом у живій клітині поділяють на три групи: макроелементи, мікроелементи й ультрамікроелементи.

Елементи O, C, H, N інколи розглядають як окрему групу органогенних елементів через те, що вони входять до складу всіх органічних речовин і складають до 98% маси живої клітини.

Молекулярний склад живого пов’язаний з наявністю в клітинах неорганічних й органічних сполук. З неорганічних речовин у клітині найбільший вміст припадає на воду й мінеральні солі.

Органічними речовинами клітин є білки, вуглеводи, ліпіди й нуклеїнові кислоти.

Ці молекули утворюють складові частини клітин, забезпечують потребу клітин в енергії, захищають від чужорідних впливів середовища, беруть участь у регуляції життєдіяльності, зберігають й передають спадкову інформацію.

Урок 4: Органічні молекули

ОРГАНІЧНІ МОЛЕКУЛИ ЖИВОГО,або БІОМОЛЕКУЛИ – це речовини, що мають скелети з ковалентно зв’язаних атомів Карбону і синтезуються клітинами організмів. Біомолекули належать до органічних сполук. Їх вивчають біохімія та молекулярна біологія. Вміст біомолекул у клітинах становить близько 30 %. Основною причиною їхньої різноманітності є властивості Карбону, серед яких виокремлюють здатність атомів сполучатись між собою з утворенням карбонових скелетів. Завдяки ковалентним зв’язкам біомолекули достатньо міцні, стійкі до нагрівання, дії світла, впливу агресивного хімічного середовища. Карбоновий каркас є рухливим, і тому ланцюги здатні вигинатися, скручуватися, можуть бути відкритими (лінійна форма) і замикатися в кільця (циклічна форма).

Біомолекулам властиві міцні ковалентні(наприклад, дисульфідний, пептидний) і слабкі нековалентні(наприклад, водневий, йонний) хімічні зв’язки. Ці зв’язки визначають існування біомолекул та їх короткочасну взаємодію між собою. Завдяки енергії своїх зв’язків біомолекули мають високу енергоємкість і здатність до окиснення з виділенням великої кількості теплоти. Кінцевими продуктами цього окиснення є СО₂, Н₂О, NН₃, що видаляються з клітин.

Хімічна активність біомолекул може змінюватись, що є суттєвим для виконання ними своїх функцій в різних умовах. На активність молекул у клітинах впливають йони металів (наприклад, йони Магнію, Феруму), деякі неорганічні сполуки (наприклад, кисень, вуглекислий газ), біологічно активні речовини (вітаміни, гормони та ін.).

Біомолекули мають відносно велику молекулярну масу, яка вимірюється в даль тонах (1 дальтон дорівнює 1/12атомної маси Карбону). Так, у деяких нуклеїнових кислот вона досягає кількох мільярдів.

За молекулярною масою біомолекули умовно поділяють на малі біомолекули (жирні кислоти, моносахариди, амінокислоти) і макробіомолекули (білки, полісахариди, нуклеїнові кислоти).

Отже, біомолекули є органічними сполуками, що синтезуються в клітинах живих організмів і мають ряд особливостей будови й функціонування.

Малі біомолекули– це молекули з відносно невеликою молекулярною масою від 100 до 1000 а. о. м., що містять до 30 атомів Карбону.

На частку малих молекул припадає до 5 % від маси клітини. У малих біомолекулах містяться характеристичні (функціональні) групи (наприклад, СООН, ОН, NH₂, СH₃), властивості яких і визначають їхню поведінку. Так, аміногрупа NH2 визначає лужні властивості амінокислот, а карбоксильна група СООН – кислотні. До малих біомолекул належать жирні кислоти, мономерні біомолекули (моносахариди, амінокислоти й нуклеотиди), біорегуляторні молекули (гормони, нейромедіатори, вітаміни, алкалоїди), енергетичні біомолекули (АТФ, ГТФ).

Малі біомолекули містяться у вільному стані в цитоплазмі клітини і завдяки дифузії можуть швидко переміщуватися, що робить їх незамінними в процесах передачі інформації та саморегуляції клітин й організму. Так, гормони здійснюють гуморальну регуляцію процесів, нейромедіатори – передають інформацію між нейронами.

Малі біомолекули досить часто виконують роль простих сполук, з яких утворюються складні, тобто є мономерами. Наприклад, з амінокислот утворюються білки, з моносахаридів – полісахариди, а з нуклеотидів – нуклеїнові кислоти.

Малі біомолекули не лише беруть участь у побудові макромолекул, а й можуть розпадатися з вивільненням енергії. Так, під час розщеплення 1 г глюкози вивільняється 17,6 кДж, а під час гідролізу 1 моль АТФ до АДФ – близько 40 кДж.

БІОПОЛІМЕРИ – це високомолекулярні органічні сполуки, що складаються з великої кількості однакових чи різних за хімічною будовою мономерів й утворюються в клітинах. До біополімерів належать білки, полісахариди і нуклеїнові кислоти. На їх частку припадає близько 25% від маси клітини. Унікальною властивістю макромолекул є те, що їхні мономери утворюють певну структуру (конформацію), яка й визначає їхні властивості та функції.

Біополімери (від грец. біос– життя, полі– численний, мерос –частина) мають велику молекулярну масу (зазвичай від 10 000 до 1 млн), тому розташовуються в ядрі чи цитоплазмі у прикріпленому стані або переміщуються дуже повільно. З них будуються хромосоми, клітинні стінки рослин, грибів й прокаріотів, рибосоми тощо (будівельна функція). Розпад макромолекул здійснюється внаслідок руйнування ковалентних зв’язків під час реакцій гідролізу з виділенням великої кількості енергії (енергетична функція). Поєднання макромолекул та їх взаємодія відбуваються на основі відповідності поверхні просторової структури. Ця інформаційна особливість має назву структурної комплементарності. Так, комплекси фермент/субстрат забезпечують клітинну регуляцію процесів життя (регуляторна функція), білкові комплекси антиген/антитіло є основою гуморального імунітету (захисна функція). Комплементарність нуклеотидів у побудові ДНК забезпечує їхню унікальну здатність до самоподвоєння й передачі спадкової інформації наступному поколінню (інформаційна функція). Розгалуженість структури, велика кількість мономерів, інертність молекул сприяє тому, що полісахаридні макромолекули відкладаються в клітинах про запас (наприклад, крохмаль у рослин, глікоген – у тварин, грибів, архей) (запаслива функція).