Выделительная система. Неорганические вещества: примеры и свойства

Ежедневно человек взаимодействует с большим количеством предметов. Они изготовлены из разных материалов, имеют свою структуру и состав. Все, что окружает человека можно разделить на органическое и неорганическое. В статье рассмотрим, что представляют собой такие вещества, приведем примеры. Также определим, какие встречаются неорганические вещества в биологии.

Описание

Неорганическими называются такие вещества, в составе которых нет углерода. Они противоположны органическим. Также к этой группе относят несколько углеродосодержащих соединений, например:

• цианиды;
• оксиды углерода;
• карбонаты;
• карбиды и другие.

• вода;
• разные кислоты (соляная, азотная, серная);
• соль;
• аммиак;
• углекислый газ;
• металлы и неметаллы.

Неорганическая группа отличается отсутствием углеродного скелета, который характерен для органических веществ. по составу принято делить на простые и сложные. Простые вещества составляют немногочисленную группу. Всего их насчитывается примерно 400.

Простые неорганические соединения: металлы

Металлы - простые атомов которых основывается на металлической связи. Эти элементы имеют характерные металлические свойства: теплопроводность, электропроводность, пластичность, блеск и другие. Всего в этой группе выделяют 96 элементов. К ним относятся:

• щелочные металлы: литий, натрий, калий;
• щелочноземельные металлы: магний, стронций, кальций;
• медь, серебро, золото;
• легкие металлы: алюминий, олово, свинец;
• полуметаллы: полоний, московий, нихоний;
• лантаноиды и лантан: скандий, иттрий;
• актиноиды и актиний: уран, нептуний, плутоний.

В основном в природе металлы встречаются в виде руды и соединений. Чтобы получить чистый металл без примесей, проводится его очистка. При необходимости возможно проведение легирования или другой обработки. Этим занимается специальная наука - металлургия. Она подразделяется на черную и цветную.

Простые неорганические соединения: неметаллы

Неметаллы - химические элементы, которые не обладают металлическими свойствами. Примеры неорганических веществ:

• вода;
• азот;
• сера;
• кислород и другие.

Неметаллы отличаются большим числом электронов на их атома. Это обуславливает некоторые свойства: повышается способность присоединять дополнительные электроны, проявляется более высокая окислительная активность.

В природе можно встретить неметаллы в свободном состоянии: кислород, хлор, А также твердые формы: йод, фосфор, кремний, селен.

Некоторые неметаллы имеют отличительное свойство - аллотропию. То есть они могут существовать в различных модификациях и формах. Например:

• газообразный кислород имеет модификации: кислород и озон;
• твердый углерод может существовать в таких формах: алмаз, графит, стеклоуглерод и другие.

Сложные неорганические соединения

Эта группа веществ более многочисленна. Сложные соединения отличаются наличием в составе вещества нескольких химических элементов.

Рассмотрим подробнее сложные неорганические вещества. Примеры и классификация их представлены ниже в статье.

1. Оксиды - соединения, одним их элементов которых является кислород. В группу входят:

• несолеобразующие (например, азота);
• солеобразующие оксиды (например, оксид натрия, оксид цинка).

2. Кислоты - вещества, в состав которых входят ионы водорода и кислотные остатки. Например, азотная сероводород.

3. Гидроксиды - соединения, в составе которых присутствует группа -ОН. Классификация:

• основания - растворимые и нерастворимые щелочи - гидроксид меди, гидроксид натрия;
• кислородосодержащие кислоты - диводород триоксокарбонат, водород триоксонитрат;
• амфотерные - гидроксид хрома, гидроксид меди.

4. Соли - вещества, в составе которых есть ионы металла и кислотные остатки. Классификация:

• средние: хлорид натрия, сульфид железа;
• кислые: гидрокарбонат натрия, гидросульфаты;
• основные: нитрат дигидроксохрома, нитрат гидроксохрома;
• комплексные: тетрагидроксоцинкат натрия, тетрахлороплатинат калия;
• двойные: алюмокалиевые квасцы;
• смешанные: сульфат алюминия калия, хлорид меди калия.

5. Бинарные соединения - вещества, состоящие из двух химических элементов:

• бескислородные кислоты;
• бескислородные соли и другие.

Неорганические соединения, содержащие углерод

Такие вещества традиционно относятся к группе неорганических. Примеры веществ:

• Карбонаты - эфиры и соли угольной кислоты - кальцит, доломит.
• Карбиды - соединения неметаллов и металлов с углеродом - карбид бериллия, карбид кальция.
• Цианиды - соли цианистоводородной кислоты - цианид натрия.
• Оксиды углерода - бинарное соединение углерода и кислорода - угарный и углекислый газы.
• Цианаты - являются производными от циановой кислоты - фульминовая кислота, изоциановая кислота.
• Карбонильные металлы - комплекс металла и монооксида углерода - карбонил никеля.

Все рассмотренные вещества отличаются индивидуальными химическими и физическими свойствами. В общем виде можно выделить отличительные черты каждого класса неорганических веществ:

1. Простые металлы:

• высокая тепло- и электропроводность;
• металлический блеск;
• отсутствие прозрачности;
• прочность и пластичность;
• при комнатной температуре сохраняют твердость и форму (кроме ртути).

2. Простые неметаллы:

• простые неметаллы могут быть в газообразном состоянии: водород, кислород, хлор;
• в жидком состоянии встречается бром;
• твердые неметаллы имеют немолекулярное состояние и могут образовывать кристаллы: алмаз, кремний, графит.

3. Сложные вещества:

• оксиды: вступают в реакцию с водой, кислотами и кислотными оксидами;
• кислоты: вступают в реакцию с водой, и щелочами;
• амфотерные оксиды: могут вступать в реакции с кислотными оксидами и основаниями;
• гидроксиды: растворяются в воде, имеют широкий диапазон температур плавления, могут менять цвет при взаимодействии с щелочами.

Клетка любого живого организма состоит из множества компонентов. Некоторыми из них являются неорганические соединения:

• Вода. Например, количество воды в клетке составляет от 65 до 95%. Она необходима для осуществления химических реакций, перемещения компонентов, процесса терморегуляции. Также именно вода определяет объем клетки и степень ее упругости.
• Минеральные соли. Могут присутствовать в организме как в растворенном виде, так и в нерастворенном. Важную роль в процессах клетки играют катионы: калий, натрий, кальций, магний - и анионы: хлор, гидрокарбонаты, суперфосфат. Минералы необходимы для поддержания осмотического равновесия, регуляции биохимических и физических процессов, образования нервных импульсов, поддержания уровня свертываемости крови и многих других реакций.

Для поддержания жизнедеятельности важны не только неорганические вещества клетки. Органические компоненты занимают 20-30 % ее объема.

Классификация:

• простые органические вещества: глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты;
• сложные органические вещества: белки, нуклеиновые кислоты, липиды, полисахариды.

Органические компоненты необходимы для выполнения защитной, энергетической функции клетки, они служат источником энергии для клеточной активности и запасают питательные вещества, проводят синтез белков, передают наследственную информацию.

В статье были рассмотрены сущность и примеры неорганических веществ, их роль в составе клетки. Можно сказать, что существование живых организмов было бы невозможным без групп органических и неорганических соединений. Они важны в каждой сфере человеческой жизни, а также в существовании каждого организма.

Немного химии

Из 92 химических элементов, известных науке в настоящее время, 81 элемент обнаружен в организме человека. Среди них выделяют 4 основных: С (углерод), Н (водород), О (кислород), N (азот), а также 8 макро- и 69 микроэлементов .

Макроэлементы

Макроэлементы - это вещества, содержание которых превышает 0,005% массы тела. Это Ca (кальций), Cl (хлор), F (фтор). K (калий), Mg (магний), Na (натрий), P (фосфор) и S (сера). Они входят в состав основных тканей - костей, крови, мышц. В сумме основные и макроэлементы составляют 99% массы тела человека.

Микроэлементы

Микроэлементы - это вещества, содержание которых не превышает 0,005% для каждого отдельно взятого элемента, а их концентрация в тканях не превышает 0,000001%. Микроэлементы также очень важны для нормальной жизнедеятельности.

Особой подгруппой микроэлементов являются ультрамикроэлементы , содержащиеся в организме в исключительно малых количествах, это золото, уран, ртуть и др.

На 70-80% организм человека состоит из воды, остальную долю составляют органические и минеральные вещества.

Органические вещества

Органические вещества могут быть образованы (или синтезированы искусственным путем) из минеральных. Основным компонентом всех органических веществ является углерод (изучение структуры, химических свойств, способов получения и практического использования различных соединений углерода составляет предмет органической химии). Углерод является единственным химическим элементом, способным образовывать огромное количество различных соединений (число этих соединений превышает 10 миллионов!). Он присутствует в составе белков, жиров и углеводов, определяющих питательную ценность нашей пищи; входит в состав всех животных организмов и растений.

Помимо углерода органические соединения часто содержат кислород, азот, иногда - фосфор, серу и другие элементы, однако многие из таких соединений обладают свойствами неорганических. Резкой грани между органическими и неорганическими веществами не существует. Основными признаками органических соединений обладают углеводороды - различные соединения углерода с водородом и их производные. Молекулы любых органических веществ содержат углеводородные фрагменты.

Изучением различных типов органических соединений, обнаруженных в живых организмах, их структуры и свойств занимается специальная наука - биохимия .

В зависимости от своей структуры органические соединения подразделяются на простые - аминокислоты, сахара и жирные кислоты, более сложные - пигменты, а также витамины и коферменты (небелковые компоненты ферментов), и самые сложные - белки и нуклеиновые кислоты.

Свойства органических веществ определяются не только строением их молекул, но и числом и характером их взаимодействий с соседними молекулами, а также взаимным пространственным расположением. Наиболее ярко эти факторы проявляются в различии свойств веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях .

Процесс превращения веществ, сопровождающийся изменением их состава и (или) строения, называется химической реакцией . Суть этого процесса заключается в разрыве химических связей в исходных веществах и образовании новых связей в продуктах реакции. Реакция считается законченной, если вещественный состав реакционной смеси больше не изменяется.

Реакции органических соединений (органические реакции ) подчиняются общим закономерностям протекания химических реакций. Однако их ход часто более сложен, чем в случае взаимодействия неорганических соединений. Поэтому в органической химии большое внимание уделяется изучению механизмов реакций.

Минеральные вещества

Минеральных веществ в организме человека меньше, чем органических, но они также жизненно необходимы. К таким веществам относятся железо, йод, медь, цинк, кобальт, хром, молибден, никель, ванадий, селен, кремний, литий и др. Несмотря на малую потребность в количественном отношении, качественно они оказывают влияние на активность и скорость всех биохимических процессов. Без них невозможны нормальное усвоение пищи и синтез гормонов. При дефиците указанных веществ в организме человека возникают специфические нарушения, приводящие к характерным заболеваниям. Особенно важны микроэлементы детям в период интенсивного роста костей, мышц и внутренних органов. С возрастом потребность человека в минеральных веществах несколько уменьшается.

Весь наш мир: растения, животный мир, все, что нас окружает, состоит из одних и тех же микроэлементов, которые присутствуют в разных концентрациях во всем и, конечно же, в нашей пище.

Каждый элемент влияет на наше здоровье. Содержание элементов в продуктах питания величина очень изменчивая. Более стабильной и постоянной величиной является содержание элементов в организме здорового человека, хотя и оно может иметь вариабельность (изменчивость).

Для организма человека определенно установлена роль около 30 химических элементов, без которых он не может нормально существовать. Эти элементы называют жизненно необходимыми. Кроме них, имеются элементы, которые в малых количествах не сказываются на функционировании организма, но при определенном содержании являются ядами.

Макроэлементы - содержание в организме более одного грамма: фосфор, калий, сера, натрий, хлор, магний, железо, фтор, цинк, кремний, цирконий - 11 элементов.

Микроэлементы - содержание в организме более одного миллиграмма: рубидий, стронций, бром, свинец, ниобий, медь, алюминий, кадмий, барий, бор (первая десятка микроэлементов), теллур, ванадий, мышьяк, олово, селен, титан, ртуть, марганец, йод, никель, золото, молибден, сурьма, хром, иттрий, кобальт, цезий, германий - 28 элементов. Каждый элемент влияет на наше здоровье. Содержание элементов в продуктах питания величина очень изменчивая. Более стабильной и постоянной величиной является содержание элементов в организме здорового человека, хотя и оно может иметь вариабельность (изменчивость).

Предположения некоторых ученых идут дальше. Они считают, что в живом организме не только присутствуют все химические элементы, но каждый из них выполняет определенную биологическую функцию. Вполне возможно, что эта гипотеза не подтвердится. Однако, по мере того, как развиваются исследования в данном направлении, выявляется биологическая роль все большего числа химических элементов.

Организм человека состоит на 60% из воды, 34% приходится на органические вещества и 6% - на неорганические. Основными компонентами органических веществ являются углерод, водород, кислород, в их состав входят также азот, фосфор и сера. В неорганических веществах организма человека обязательно присутствуют 22 химических элемента: Ca, P, O, Na, Mg, S, B, Cl, K, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cr, Si, I, F, Se.

Например, если вес человека составляет 70 кг, то в нем содержится (в граммах): кальция - 1700, калия - 250, натрия - 70, магния - 42, железа - 5, цинка - 3.

Ученые договорились, что если массовая доля элемента в организме превышает 10-2%, то его следует считать макроэлементом. Доля микроэлементов в организме составляет 10-3-10-5%.

Имеется большое число химических элементов, особенно среди тяжелых, являющихся ядами для живых организмов, - они оказывают неблагоприятное биологическое воздействие. К этим элементам можно отнести: Ba, Ni, Pd, Pt, Au, Ag, Hg, Cd, Tl, Pb, As, Sb, Se.

Встречаются элементы, которые в относительно больших количествах являются ядами, а в низких концентрациях оказывают полезное влияние. Например, мышьяк - сильный яд, нарушающий сердечно-сосудистую систему и поражающий почки и печень, в небольших дозах полезен, и врачи прописывают его для улучшения аппетита. Кислород, необходимый человеку для дыхания, в высокой концентрации (особенно под давлением) оказывает ядовитое действие. Среди примесных элементов имеются и такие, которые в малых дозах обладают эффективными лечащими свойствами. Так, давно было замечено бактерицидное (вызывающее гибель различных бактерий) свойство серебра и его солей. Например, в медицине раствор коллоидного серебра (колларгол) применяют для промывания гнойных ран, мочевого пузыря, при хронических циститах и уретритах, а также в виде глазных капель при гнойных конъюктивитах и бленнорее. Карандаши из нитрата серебра применяют для прижигания бородавок, грануляций. В разбавленных растворах (0,1-0,25%) нитрат серебра используют как вяжущее и противомикробное средство для примочек, а также в качестве глазных капель. Ученые считают, что прижигающее действие нитрата серебра связано с его взаимодействием с белками тканей, что приводит к образованию белковых солей серебра - альбуминатов. Серебро пока не относят к жизненно необходимым элементам, однако уже экспериментально установлено его повышенное содержание в мозгу человека, в железах внутренней секреции, печени. В организм серебро поступает с растительной пищей, например с огурцами и капустой.

Весьма интересен вопрос о принципах отбора природой химических элементов для функционирования живых организмов. Не вызывает сомнения, что их распространенность не является решающим фактором. Здоровый организм сам способен регулировать содержание отдельных элементов. При наличии выбора (пищи и воды) животные инстинктивно могут вносить лепту в это регулирование. Возможности растений в данном процессе ограничены.

Органические вещества клетки. Основные жизненно необходимые соединения – белки, жиры и углеводы. Биополимеры.

Органические соединения составляют в среднем 20-30% массы клетки живого организма. К ним относятся биологические полимеры, белки, углеводы, липиды, гормоны, нуклеиновые кислоты, витамины.

Биологические полимеры – органические соединения, входящие в состав клеток живых организмов. Полимер – многозвенная цепь простых веществ – мономеров (n ÷ 10тыч. – 100тыс. мономеров.

Свойства биополимеров зависят от строения их молекул, от числа и разнообразия мономерных звеньев. Если мономеры разные, то повторяющиеся чередования их в цепи создают регулярный полимер.

…А – А – В – А – А – В… регулярный

…А – А – В – В – А – В – А… нерегулярный

Углеводы

Общая формула Сn(H 2 O)m

Углеводы в организме человека играют роль энергетических веществ. Самые важные из них – сахароза, глюкоза, фруктоза, а также крахмал. Они быстро усваиваются ("сгорают") в организме. Исключение составляет клетчатка (целлюлоза), которой особенно много в растительной пище. Она практически не усваивается организмом, но имеет большое значение: выступает в роли балласта и помогает пищеварению, механически очищая слизистые оболочки желудка и кишечника. Углеводов много в картофеле и овощах, крупах, макаронных изделиях, фруктах и хлебе.

Пример: глюкоза, рибоза, фруктоза, дезоксирибоза – моносахариды. Сахароза – дисахариды. Крахмал, гликоген, целлюлоза - полисахариды

Нахождение в природе : в растениях, фруктах, в цветочной пыльце, овощах (чеснок, свекла), картофеле, рисе, кукурузе, зерне пшеницы, древесине…

Их функции:

1) энергетическая: при окислении до СО2 и Н2О высвобождается энергия; избыток энергии запасается в клетках печени и мышц в виде гликогена;

2) строительная: в растительной клетке – прочная основа клеточных стенок (целлюлоза);

3) структурная: входят в состав межклеточного вещества кожи сухожилий хрящей;

4) узнавание клетками др.: в составе клеточных мембран, если разделённые клетки печени смешать с клетками почек, то они самостоятельно разойдутся на две группы благодаря взаимодействию однотипных клеток.

Липиды (липоиды, жиры)

К липидам относятся разнообразные жиры, жироподобные вещества, фосфорлипиды… Все они нерастворимы в воде, но растворимы в хлороформе, эфире…

Нахождение в природе : в клетках животных и человека в клеточной мембране; между клетками – подкожный слой жира.

Функции:

1) теплоизоляционная (у китов, ластоногих …);

2) запасное питательное вещество;

3) энергетическая: при гидролизе жиров выделяется энергия;

4) структурная: некоторые липиды служат составной частью клеточных мембран.

Жиры тоже служат для человеческого организма источником энергии. Их организм откладывает "про запас" и они служат энергетическим источником долговременного пользования. Кроме того, жиры обладают низкой теплопроводностью и предохраняют организм от переохлаждения. Неудивительно, что в традиционном рационе северных народов так много животных жиров. Для людей, занятых тяжелым физическим трудом, затраченную энергию тоже проще всего (хотя и не всегда полезней) компенсировать жирной пищей. Жиры входят в состав клеточных стенок, внутриклеточных образований, в состав нервной ткани. Еще одна функция жиров – поставлять в ткани организма жирорастворимые витамины и другие биологически активные вещества.

Белки

Рисунок - Молекула белка

Белки – биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты.

Образование линейных молекул белков происходит в результате реакций аминокислот др. с др.

Источниками белков могут служить не только животные продукты (мясо, рыба, яйца, творог), но и растительные, например, плоды бобовых (фасоль, горох, соя, арахис, которые содержат до 22–23% белков по массе), орехи и грибы. Однако больше всего белка в сыре (до 25 %), мясных продуктах (в свинине 8–15 %, баранине 16–17 %, говядине 16–20 %), в птице (21 %), рыбе (13–21 %), яйцах (13 %), твороге(14 %). Молоко содержит 3 % белков, а хлеб 7–8 %. Среди круп чемпион по белкам – гречневая крупа (13 % белков в сухой крупе), поэтому именно ее рекомендуют для диетического питания. Чтобы избежать "излишеств" и в то же время обеспечить нормальную жизнедеятельность организма, надо, прежде всего, дать человеку с пищей полноценный по ассортименту набор белков. Если белков в питании недостает, взрослый человек ощущает упадок сил, у него снижается работоспособность, его организм хуже сопротивляется инфекции и простуде. Что касается детей, то они при неполноценном белковом питании сильно отстают в развитии: дети растут, а белки – основной "строительный материал" природы. Каждая клетка живого организма содержит белки. Мышцы, кожа, волосы, ногти человека состоят главным образом из белков. Более того, белки – основа жизни, они участвуют в обмене веществ и обеспечивают размножение живых организмов.

Строение:

первичная структура – линейная, с чередованием аминокислот;

вторичная – в виде спирали со слабыми связями между витками (водородными);

третичная – спираль свёрнутая в клубок;

четвертичная – при объединении нескольких цепей, различных по первичной структуре.

Функции:

1) строительная: белки являются обязательным компонентом всех клеточных структур;

2) структурная: белки в соединении с ДНК составляют тело хромосом, а с РНК – тело рибосом;

3) ферментативная: катализатором хим. реакций выступает любой фермент – белок, но очень специфичный;

4) транспортная: перенос О 2 , гормонов в теле животных и человека;

5) регуляторная: белки могут выполнять регуляторную функцию, если они являются гормонами. Например инсулин (гормон, поддерживающий работу поджелудочной железы) активизирует захват клетками молекул глюкозы и расщепление или запасание их внутри клетки. При недостатке инсулина глюкоза накапливается в крови, развивая диабет;

6) защитная: при попадании инородных тел в организме вырабатываются защитные белки – антитела, которые связываются с чужеродными, соединяются и подавляют их жизнедеятельность. Такой механизм сопротивления организма называют иммунитетом;

7) энергетическая: при недостатке углевода и жиров могут окислиться молекулы аминокислот.

Понятие «жизнь». Основные признаки живого: питание, дыхание, выделение, раздражимость, подвижность, размножение, рост и развитие.

Биология – наука о происхождении и развитии живого, его строении, формах организации и способах активности. В настоящее время насчитывается более 50 наук внутри комплекса биологического знания, среди них: ботаника, зоология, анатомия, морфология, биофизика, биохимия, экология и т.д. Такое многообразие научных дисциплин объясняется сложностью объекта исследования – живой материи .

С этой точки зрения особенно важно понять, какие критерии лежат в основе разделения материи - на живую и неживую.

В классической биологии соперничали две противоположные позиции, объяснявшие сущность живого принципиально различным образом, - редукционизм и витализм.

Сторонники редукционизма считали, что все процессы жизнедеятельности организмов можно свести к совокупности определенных химических реакций. Термин «редукционизм» происходит от латинского слова redaction – отодвигать назад, возвращать. Идеи биологического редукционизма опирались на представления вульгарного механистического материализма, получившего наибольшее распространение в философии 17 – 18 вв. Механистический материализм все процессы, происходящие в природе, объяснял с точки зрении законов классической механики. Адаптация механистической материалистической позиции к биологическому познанию привела к формированию биологического редукционизма. С точки зрения современного естествознания, редукционистическое объяснение не может быть признано удовлетворительным, поскольку выхолащивает саму сущность живого. Наиболее широкое распространение редукционизм получил в 18 веке.

Противоположностью редукционизма является витализм , сторонники которого объясняют специфику живых организмов присутствием в них особой жизненной силы. Термин «витализм» происходит от латинского слова vita – жизнь. Философской базой витализма является идеализм. Витализм не объяснял специфики и механизмов функционирования живого, сводя все отличия органического от неорганического к действию таинственной и непознанной «жизненной силы».

Современная биология основными свойствами живого считает:

1)самостоятельный обмен веществ,

2) раздражимость,

4) способность к размножению,

5) подвижность,

6) приспособляемость к среде

По совокупности этих свойств живое отличается от неживого. Биологические системы – это целостные открытые системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой веществом, энергией, информацией и способные к самоорганизации. Живые системы активно реагируют на изменения окружающей среды, приспосабливаются к новым условиям. Отдельные качества живого могут быть присущи и неорганическим системам, но ни одна из неорганических систем не обладает совокупностью перечисленных свойств.

Существуют переходные формы, которые объединяют в себе свойства живого и неживого, например вирусы. Слово «вирус» образовано от латинского virus – яд. Вирусы были открыты в 1892 году русским ученым Д.Ивановским. С одной стороны, они состоят из белков и нуклеиновых кислот и способны к самовоспроизводству, т.е. имеют признаки живых организмов, но с другой стороны, вне чужого организма или клетки они не проявляют признаков живого – не имеют собственного обмена веществ, не реагируют на раздражители, не способны к росту и размножению.

Все живые существа на Земле имеют одинаковый биохимический состав: 20 аминокислот, 5 азотистых оснований, глюкоза, жиры. Современной органической химии известно более 100 аминокислот. По-видимому, такое небольшое число соединений, образующих все живое, является результатом отбора, который происходил на этапе предбиологической эволюции. Белки, из которых состоят живые системы, представляют собой высокомолекулярные органические соединения. В каждом конкретном белке порядок аминокислот всегда один и тот же. Большинство белков выступает в качестве ферментов – катализаторов химических реакций, происходящих в живых системах.

Значительным достижением классической биологии стало создание теории клеточного строения живых организмов. В комплексе современных биологических знаний существует отдельная дисциплина, занимающаяся изучением клетки – цитология.

Понятие «клетка» было введено в научных обиход английским ботаником Р.Гуком в 1665 году. Рассматривая среды высушенной пробки, он обнаружил множество ячеек, или камер, которые назвал клетками. Однако с момента этого открытия до создания клеточной теории прошло два столетия.

В 1837 году немецкий ботаник М.Шлейден предложил теорию образования растительных клеток. По мнению Шлейдена, важную роль в размножении и развитии клеток играет клеточное ядро, существование которого было устновлено в 1831 году Р.Броуном.

В 1839 году соотечественник М.Шлейдена анатом Т.Шванн, опираясь на экспериментальные данные и теоретические выводы создал клеточную теориюстроения живых организмов. Создание в середине 19 века клеточной теории стало существенным шагом в становлении биологии как самостоятельной научной дисциплины.

Основные положения клеточной теории

1. Клетка – это элементарная биологическая единица, структурно-функциональная основа всего живого.

2. Клетка осуществляет самостоятельный обмен веществ, способны к делению и саморегуляции.

3. Образование новых клеток из неклеточного материала невозможно, размножение клеток происходит только благодаря их делению.

Клеточная теория строения живых организмов стала убедительным аргументом в пользу идеи единства происхождения жизни на Земле и оказала существенное влияние на формирование современной научной картины мира.

Выделительные функции осуществляются желудочно- кишечным трактом; органами внешнего дыхания; потовыми, сальными, слезными, молочными и другими железами, а также почками (рис. 1.14), с помощью которых из организма удаляются продукты распада.

Рис. 1.14.

Важным органом выделительной системы являются почки, которые непосредственно участвуют в регуляции водного и минерального обменов, обеспечивают кислотно-щелочное равновесие (баланс) в организме, образуют биологически активные вещества, например ренин, влияющий на уровень артериального давления.

Химическое строение организма человека

В состав организма человека входят органические и неорганические вещества. Вода составляет 60% массы тела, а минеральные вещества - в среднем 4%. Органические вещества представлены в основном белками (18%), жирами (15%), углеводами (2-3%). Все вещества организма, как и неживой природы, построены из атомов различных химических элементов.

В состав организма человека из 110 известных химических элементов входит в основном 24 (табл. 1.2). В зависимости от их количества в организме химические элементы делятся на основные, макро-, микро- и ультрамикроэлементы.

Отметим, что отдельные химические элементы неравномерно накапливаются в различных органах и тканях организма человека. Так, например, костная ткань накапливает кальций и фосфор, кровь - железо, щитовидная железа - йод, печень - медь, кожа - стронций и т.д.

Количественный и качественный состав химических элементов организма зависит как от внешних факторов среды (питание, экология и др.), так и функций отдельных органов.

Макроэлементы и их значимость в организме определяются тем, что они необходимы для осуществления многих био-

Таблица 1.2

Химические элементы, входящие в состав организма человека

(по Н. И. Волкову)

	Химический элемент
Основные	Кислород (О)		Всего 99,9%
элементы	Углерод (С)
	Водород (Н) Азот (N)
Макроэлементы	Кальций (Са)
	Фосфор (Р)
	Натрий (Na)
	Магний (Mg)
Микро- и ультра-
микроэлементы	Фтор (F) Кремний (Si) Ванадий (V) Хром (Сг) Марганец (Мп) Железо (Fe) Кобальт (Со) Медь (Си) Цинк (Zn) Селен (Se)
	Молибден (Мо) Йод (J)

химических процессов. Они являются незаменимыми факторами питания, так как в организме не образуются. Содержание минеральных веществ относительно невелико (4-10% сухой массы тела) и зависит от функционального состояния организма, его возраста, характера питания и условий внешней среды.

Кальций в организме человека составляет 40% общего количества всех минеральных веществ. Он входит в состав зубов и костей, придавая им прочность. Снижение поступления кальция в ткани организма приводит к выходу его из костей, что вызывает снижение их прочности (остеопороз), а также нарушение функций нервной системы, кровообращения, в том числе мышечной деятельности.

Фосфор составляет 22% от количества всех минеральных веществ. Около 80% его количества находится в тканях в виде фосфата кальция. Фосфор играет важную роль в процессах энергообразования, так как в виде остатков фосфорной кислоты входит в состав источников энергии - АТФ, АДФ, КрФ, различных нуклеотидов, а также в состав переносчиков водорода и некоторых продуктов обмена.

Натрий и калий содержатся во всех тканях и жидкостях организма. Калий преимущественно внутри клеток, натрий - во внеклеточном пространстве. Оба участвуют в проведении нервного импульса, возбуждении тканей, создании осмотического давления крови (осмотические активные ионы), поддержании кислотно-основного равновесия, а также влияют на активность ферментов Na f , K f , АТФазы. Эти элементы регулируют обмен воды в организме: ионы натрия удерживают воду в тканях и вызывают набухание белков (образование коллоидов), что приводит к появлению отеков; ионы калия, наоборот, усиливают выведение натрия и воды из организма. Недостаточность натрия и калия в организме вызывает нарушение деятельности ЦНС, сократительного аппарата мышц, сердечно-сосудистой и пищеварительной систем, что приводит к снижению физической работоспособности.

Магний в тканях организма находится в определенном соотношении с кальцием. Он влияет на энергетический обмен, синтез белка, поскольку является активатором многих ферментов, которые называются киназами и выполняют функцию переноса фосфатной группы от молекулы АТФ на различные субстраты. Магний влияет также на возбудимость мышц, способствует выведению холестерина из организма.

Недостаточность его приводит к повышению нервно-мышечной возбудимости, появлению судорог и мышечной слабости.

Хлор относится к осмотическим активным веществам и участвует в регуляции осмотического давления и водного обмена клеток организма, используется для образования соляной кислоты (НС1) - обязательного компонента желудочного сока. Недостаточность хлора в организме может привести к снижению артериального давления, способствует заболеванию инфарктом миокарда, вызывает утомляемость, раздражительность, сонливость.

Микро- и улътрамикроэлемепты. Железо играет очень важную роль в процессах аэробного энергообразования в организме. Оно входит в состав белков гемоглобина, миоглоби- на, которые осуществляют транспорт 0 2 и С0 2 в организме, а также в состав цитохромов - компонентов дыхательной цепи, в которой протекают процессы биологического окисления и образования ЛТФ. Недостаточность железа в организме приводит к нарушению образования гемоглобина и снижению его концентрации в крови. Это может привести к развитию железодефицитной анемии, снижению кислородной емкости крови и резкому снижению физической работоспособности.

Цинк входит в состав многих ферментов энергетического обмена, а также ферментов карбоангидразы, которые катализирует обмен Н 2 С0 3 и лакгатдегидрогеназы, регулирующих окислительный распад молочной кислоты. Он участвует в создании активной структуры белка инсулина - гормона поджелудочной железы, усиливает действие гормонов гипофиза (гонадотропного) и половых желез (тестостерона, эстрогена) на процессы синтеза белка. Недостаточность цинка может привести к ослаблению иммунитета, потере аппетита, замедлению процессов роста.

Медь способствует росту организма, усиливает процессы кроветворения, влияет на скорость окисления глюкозы и распад гликогена. Она входит в состав ферментов дыхательной цепи, повышает активность липазы, пепсина и других ферментов.

Марганец , кобальт , хром используются организмом как активаторы многих ферментов, принимающих участие в обмене углеводов, белков, липидов, синтезе холестерина, влияют на процессы кроветворения, повышают защитные силы организма. Хром также усиливает синтез белков, проявляя анаболическое действие. Марганец участвует в синтезе витамина С, что весьма существенно для спортсменов.

Йод необходим для построения гормонов щитовидной железы - тироксина и его производных. Недостаточность его в организме приводит к заболеваниям щитовидной железы (эндемический зоб): 150 мкг удовлетворяют суточную потребность организма в йоде.

Фтор входит в состав зубной эмали и дентина. Избыток его подавляет процессы тканевого дыхания и окисления жирных кислот. Недостаточность фтора вызывает заболевание зубов (кариес), а избыток - пятнистость эмали (флюороз).

Селен оказывает антиоксидантное действие, т.е. защищает клетки от чрезмерного перекисного окисления липидов, которое приводит к накоплению в тканях вредных перекисей водорода. Последнее исследование свидетельствует о том, что селен укрепляет иммунную систему и препятствует возникновению раковых клеток, участвует в передаче генетической информации.

Неорганические вещества и их роль в клетке

Вода. Из неорганических веществ, входящих в состав клетки, важнейшим является вода. Количество ее составляет от 60 до 95% общей массы клетки. Вода играет важнейшую роль в жизни клеток и живых организмов в целом. Помимо того что она входит в их состав, для многих организмов это еще и среда обитания.

Роль воды в клетке определяется ее уникальными химическими и физическими свойствами, связанными главным образом с малыми размерами молекул, с полярностью ее молекул и с их способностью образовывать друг с другом водородные связи.

Вода как компонент биологических систем выполняет следующие важнейшие функции:

Вода-универсальный растворитель для полярных веществ, например солей, Сахаров, спиртов, кислот и др. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными. Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы получают возможность двигаться более свободно; соответственно возрастает реакционная способность вещества. Именно по этой причине большая часть химических реакций в клетке протекает в водных растворах. Ее молекулы участвуют во многих химических реакциях, например при образовании или гидролизе полимеров. В процессе фотосинтеза вода является донором электронов, источником ионов водорода и свободного кислорода.

Неполярные вещества вода не растворяет и не смешивается с ними, поскольку не может образовывать с ними водородные связи. Нерастворимые в воде вещества называются гидрофобными. Гидрофобные молекулы или их части отталкиваются водой, а в ее присутствии притягиваются друг к другу. Такие взаимодействия играют важную роль в обеспечении стабильности мембран, а также многих белковых молекул, нуклеинов вых кислот и ряда субклеточных структур.

Вода обладает высокой удельной теплоемкостью. Для разрыва водородных связей, удерживающих молекулы воды, требуется поглотить большое количество энергии. Это свойство обеспечивает поддержание теплового баланса организма при значительных перепадах температуры в окружающей среде. Кроме того, вода отличается высокой теплопроводностью, что позволяет организму поддерживать одинаковую температуру во всем его объеме.

Вода характеризуется высокой теплотой парообразования, т. е. способностью молекул уносить с собой значительное количество тепла при одновременном охлаждении организма. Благодаря этому свойству воды, проявляющемуся при потоотделении у млекопитающих, тепловой одышке у крокодилов и других животных, транспирации у растений, предотвращается их перегрев.

Для воды характерно исключительно высокое поверхностное натяжение. Это свойство имеет очень важное значение для адсорбционных процессов, для передвижения растворов по тканям (кровообращение, восходящий и нисходящий токи в растениях). Многим мелким организмам поверхностное натяжение позволяет удерживаться на воде или скользить по ее поверхности.

Вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма.

У растений вода определяет тургор клеток, а у некоторых животных выполняет опорные функции, являясь гидростатическим скелетом (круглые и кольчатые черви, иглокожие).

Вода - составная часть смазывающих жидкостей (синовиальной - в суставах позвоночных, плевральной - в плевральной полости, перикардиальной - в околосердечной сумке) и слизей (облегчают передвижение веществ по кишечнику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей). Она входит в состав слюны, желчи, слез, спермы и др.

Минеральные соли. Неорганические вещества в клетке, кроме воды, прецспавлевы минеральными солями. Молекулы солей в водном растворе распадаются на катионы и анионы. Наибольшее значение имеют катионы (К+, Na+, Са2+, Mg:+, NH4+) и анионы (С1, Н2Р04 -, НР042-, НС03 -, NO32--, SO4 2-) Существенным является не только содержание, но и соотношение ионов в клетке.

Разность между количеством катионов и анионов на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникновение потенциала действия, что лежит в основе возникновения нервного и мышечного возбуждения. Разностью концентрации ионов по разные стороны мембраны обусловлен активный перенос веществ через мембрану, а также преобразование энергии.

Анионы фосфорной кислоты создают фосфатную буферную систему, поддерживающую рН внутриклеточной среды организма на уровне 6,9.

Угольная кислота и ее анионы формируют бикарбонатную буферную систему, поддерживающую рН внеклеточной среды (плазма крови) на уровне 7,4.

Некоторые ионы участвуют в активации ферментов, создании осмотического давления в клетке, в процессах мышечного сокращения, свертывании крови и др.

Ряд катионов и анионов необходим дпясинтеза важных органических веществ (например, фосфолипидов, АТФ, нуклеоти-дов, гемоглобина, гемоцианина, хлорофилла и др.), а также аминокислот, являясь источниками атомов азота и серы.