Біологія. Повторне видання. 9 клас. Андерсон

Тема 1. Хімічний склад клітини

З історії відкриттів

Людина здавна залежала від довкілля, а тому спостерігала, експериментувала, вивчала речовини, що утворюють живе.

Перші речовини, що їх описав середньовічний перський філософ і лікар Авіценна, належали до ліків. Ян Баптист ван Гельмонт - голландський хімік - описав процеси травлення й утворення сечі.

Початок ХІХ ст. ознаменувався відкриттям органічних сполук. Пошуки вели німецькі хіміки: у 1828 р. Фрідріх Велер уперше синтезував органічну речовину - сечовину з неорганічних речовин, а Юстус фон Лібіх першим схарактеризував основні речовини тканин організмів - білки, вуглеводи, ліпіди.

Основні досягнення біохімії кінця ХІХ - першої половини ХХ ст. пов’язані з дослідженнями білків та нуклеїнових кислот. У 1868 р. швейцарський біохімік Йоганн Фрідріх Мішер відкрив нуклеїнові кислоти. Німецький хімік Еміль Фішер з'ясував, що білки складаються з амінокислот. Відомий український біохімік Яків Оскарович Парнас досліджує питання ферментативних процесів під час скорочення м’язів. За вивчення природи хімічного зв’язку, у тому числі й тих, що утворюють біополімерні сполуки, Нобелівську премію в 1954 р. отримав американський хімік і фізик Лайнус Карл Полінг, а в 1958 р. - англійський біохімік Фредерік Сенгер за визначення структури білків, зокрема інсуліну. Важливий внесок у вивчення структури нуклеїнових кислот зробили британські вчені - дослідниця в галузі біофізики Розалінд Франклін, молекулярний біолог і нейробіолог Френсіс Крік, фізик і молекулярний біолог Моріс Вілкінс, американці - біохімік Ервін Чаргафф, біолог Джеймс Вотсон. Троє з цих учених - Д. Вотсон, Ф. Крік і М. Вілкінс у 1962 р. стали лауреатами Нобелівської премії за відкриття просторової структури молекули ДНК. В Україні найбільшим науковим центром біохімічних досліджень є Інститут біохімії ім. О. В. Палладіна Національної академії наук України. Олександр Володимирович Палладін був його засновником, а основні наукові праці видатного українського вченого присвячені біохімії нервової системи, м’язової діяльності.

Розалінд Франклін (1920-1958)

Інститут біохімії ім. О. В. Палладіна Національної академії наук України

§ 2. Хімічний склад клітини. Неорганічні сполуки

Які речовини входять до складу клітини? Якої речовини найбільше в клітині? Які компоненти їжі засвоюються в організмі людини внаслідок процесів травлення?

Хімічний склад клітини. Ви вже знаєте, що всі організми складаються з клітин. Деякі організми складаються з однієї клітини, інші - з багатьох. Процеси, які відбуваються всередині клітин, є основою функціонування як одноклітинних, так і багатоклітинних організмів. Різноманітність сполук в організмах набагато більша, ніж в об’єктах неживої природи. Внутрішньоклітинні процеси забезпечуються взаємодією багатьох хімічних речовин. Для того щоб зрозуміти, як побудована й функціонує клітина, ознайомимося спочатку з її хімічним складом (іл. 7). Типова клітина організму людини містить як органічні, так і неорганічні речовини: 65 % води, 1,5 % інших неорганічних сполук, 20 % білків, 12 % ліпідів, близько 1 % нуклеїнових кислот й менше 0,5 % вуглеводів та інших органічних речовин (за масою).

Іл. 7. Хімічний склад клітини

Елементний склад клітин. З курсу хімії вам уже відомо, що хімічні речовини складаються з молекул, а ті, у свою чергу, з атомів хімічних елементів. В організмах виявлено майже всі хімічні елементи, які є в об’єктах неживої природи, що свідчить про єдність живої і неживої природи. Вони утворені однаковими атомами, проте їх кількість може суттєво різнитися. Як доказ цього розглянемо схему вмісту деяких хімічних елементів в організмі людини (іл. 8). Він дещо подібний (але не ідентичний) до складу морської води, проте суттєво відрізняється від складу земної кори. В організмі людини наявні атоми 60 хімічних елементів, але лише на чотири із них - Гідроген, Оксиген, Карбон і Нітроген припадає близько 99 % кількості атомів та 96 % маси організму людини.

Іл. 8. Уміст деяких хімічних елементів в організмі людини, морській воді та земній корі

Проаналізуйте схему.

• 1. Визначте хімічні елементи, за вмістом яких організм людини подібний до морської води.
• 2. Визначте хімічний елемент, якого найбільше в складі всіх трьох об’єктів.

Нестача тих чи інших елементів може призвести до обмеження росту та розвитку, а інколи - навіть до загибелі організму. Адже хімічні елементи утворюють органічні й неорганічні сполуки, які забезпечують життєдіяльність клітини та організму в цілому. Тож ознайомимося із значенням основних хімічних елементів для живого.

Значення хімічних елементів для живого. За значенням для живого хімічні елементи поділяють на кілька груп.

1. Карбон, Гідроген, Оксиген і Нітроген формують 98 % маси організмів. Ці чотири елементи називаються органогенними. Перші три елементи є обов’язковими складниками всіх органічних сполук. Нітроген є складником білків і нуклеїнових кислот, а також інших речовин.

Крім того, Гідроген й Оксиген складають молекулу води, яка є обов’язковим компонентом живого. Для дихання аеробним організмам необхідний кисень (O₂), утворений двома атомами Оксигену. Карбон є складником неорганічних сполук - вуглекислого газу (CO₂), карбонатів та гідрогенкарбонатів, що мають важливе значення для живих організмів.

2. На сім інших хімічних елементів припадає близько 1,9 % кількості атомів. Незважаючи на відносно невелику кількість, вони необхідні для функціонування всіх відомих організмів:

• Натрій, Калій і Хлор у вигляді відповідних йонів (Na⁺, K⁺, Cl^-) необхідні для нормального функціонування кожної клітини. У тварин ці йони беруть участь у забезпеченні здатності нервових і м’язових клітин до подразливості й збудження. Хлоридна кислота забезпечує активність ферментів шлункового соку.

• Кальцій у складі карбонатів, сульфатів і фосфатів забезпечує міцність кісток, зубів, черепашок, яєчної шкаралупи тощо (іл. 9). Як йон Ca²⁺ він бере участь у регуляції багатьох внутрішньоклітинних функцій. Зокрема, він є необхідним для забезпечення процесів виділення (секреції) з клітини багатьох гормонів, ферментів, медіаторів, потрібен для скорочення м’язів. В організмі людини йон Ca²⁺ бере участь у зсіданні крові.

Іл. 9. Черепашки молюсків і форамініфер, складником яких є Ca²⁺

Поясніть функції зображених компонентів організму тварин.

• Фосфор у вигляді ортофосфат-аніона (PO₄^3-) є складником багатьох життєво важливих органічних сполук, зокрема ортофосфатної кислоти, необхідної для синтезу АТФ та нуклеїнових кислот.

• Магній є складником деяких ферментів, активуючи їх. У рослин цей елемент є обов’язковим компонентом молекули хлорофілу в хлоропластах (іл. 10).

Іл. 10. Рослинні клітини з хлоропластами

Який процес відбувається за участю хлорофілу?

• Сульфур є складником деяких амінокислот, що утворюють білки в усіх живих організмах.

3. Наступні елементи є в живому в загальній кількості 0,1 %. Вони потрібні для життєдіяльності багатьох, але не всіх організмів. До цієї групи належать Бор, Флуор, Силіцій, Ванадій, Хром, Манган, Ферум, Кобальт, Нікель, Купрум, Цинк, Йод, Молібден, Селен. Вони є складниками деяких життєво необхідних речовин у певних видів або груп організмів. Наприклад, Йод є складником гормонів щитоподібної залози хребетних тварин, а Силіцій - складником опорних структур деяких організмів: клітинних стінок хвощів, панцирів діатомових водоростей, внутрішньоклітинного скелета радіолярій, скелета деяких губок.

За допомогою мікроскопа можна побачити еритроцити червоного кольору, що зумовлений наявністю гемоглобіну, до складу якого входить Ферум.

Екологічні та ендемічні захворювання людини. Ще понад 2000 років тому Гіппократ та інші мислителі зазначали, що чинники навколишнього середовища впливають на виникнення захворювань людини. Завдяки дослідженням вчені нині виокремлюють екологічні й ендемічні захворювання.

Екологічні захворювання спричиняються шкідливим впливом хімічних і фізичних чинників середовища. Такий вплив мають деякі речовини, які надходять в організм з водою та їжею. Наприклад, для організму людини небезпечне надходження солей важких металів, як-то Плюмбуму, Хрому та радіонуклідів. Ці сполуки можуть відігравати роль канцерогенних, тобто таких, що сприяють утворенню в організмі злоякісних пухлин. Для організму людини небезпечні радіоактивні ізотопи багатьох хімічних елементів: Йоду, Цезію, Стронцію, Урану тощо. Радіоактивний ізотоп Стронцій може відкладатися в кістках, заміщуючи Кальцій, унаслідок чого кістки стають крихкими. Радіоактивний ізотоп Йоду порушує функції щитоподібної залози. Значні концентрації радіонуклідів можуть накопичувати рослини. З рослинною їжею вони згодом потрапляють в організм людини.

Ендемічні захворювання - захворювання, характерні для певної місцевості, пов’язані з нестачею або надмірним умістом у середовищі якого-небудь хімічного елемента. Прикладом може слугувати ендемічний зоб - захворювання, яке характеризується збільшенням щитоподібної залози. Розвиток захворювання спричиняє нестача Йоду - йододефіцит. Добова потреба організму людини в цьому елементі становить 150 мкг, а в ендемічних районах організм отримує лише до 50 мкг Йоду на добу. Йод міститься у воді, йодованій солі, харчових продуктах (іл. 11). Раціональне харчування знижує ризик виникнення ендемічних захворювань.

Іл. 11. Уміст Йоду в харчових продуктах, мкг/100 г продукту

Обчисліть кількість кожного продукту в раціоні людини, що може забезпечити добову потребу в Йоді.

Вода та її біологічна роль. Вода належить до найпоширеніших речовин на Землі. Вона займає близько ²/₃ поверхні планети, у вигляді льоду й снігу вкриває високі гори й величезні простори Арктики й Антарктиди. Багато води є в атмосфері. Це пара, туман і хмари. Значна кількість води міститься й у земній корі у вигляді підземних вод. У природі вода перебуває не лише у вільному стані, а й у хімічно зв’язаному. Вона є складником багатьох гірських порід і всіх організмів. Це основна неорганічна речовина, що входить до складу живих організмів. Уміст води в них становить 60-70 %, а в деяких випадках - до 98 %. Цитоплазма більшості клітин містить приблизно 80 % води, кров і лімфа людини - понад 80 %.

Молекула води складається з двох атомів Гідрогену, сполучених з атомом Оксигену ковалентними зв’язками. Молекула води є полярною - атом Оксигену в її складі має частково негативний заряд, тоді як атоми Гідрогену - частково позитивний. Завдяки цьому дві сусідні молекули взаємно притягуються. Так виникає водневий зв’язок (іл. 12). Цим пояснюється головна особливість води - вона є розчинником для інших речовин полярної будови. У розчині молекули води орієнтовані так, що негативно заряджений атом Оксигену спрямований до позитивних зарядів розчинених частинок, а позитивно заряджені атоми Гідрогену - до негативних. Залежно від розчинності у воді сполуки поділяють на гідрофільні (добре розчинні) і гідрофобні (поганорозчинні). До гідрофільних належать більшість солей, глюкоза, деякі амінокислоти й білки. Гідрофобними є жири та інші подібні до них речовини. Як розчинник вода є середовищем для перебігу багатьох хімічних реакцій. Крім того, вона може сама вступати в певні реакції або утворюватися як продукт їх перебігу. Завдяки добрій розчинності різних речовин вода бере участь у їх транспортуванні, переносячи поживні речовини, продукти обмінних процесів тощо (наприклад, з кров’ю в організмі людини або в судинах рослин). В організмі вода розподілена нерівномірно. Це залежить від інтенсивності процесів обміну речовин між органами й тканинами. Як приклад наводимо схему розподілу води в різних органах і тканинах організму людини (іл. 13).

Іл. 12. Моделі будови молекули води: а - кулестержнева; б - масштабна; в - схема утворення водневого зв’язку

Іл. 13. Розподіл води в органах і тканинах організму людини (у відсотках)

Проаналізуйте діаграму. У яких складниках організму людини води міститься найбільше, а в яких - найменше? Чим це можна пояснити?

Як й інші рідини, вода погано стискається, а тому може виконувати механічну функцію. Заповнені рідиною порожнини в тілі тварин працюють як гідроскелет (пригадайте, яким тваринам він властивий). У рослин вода забезпечує пружність клітин та частин тіла (пригадайте, що таке тургор). Рідина, яка заповнює простір між головним мозком та кістками черепа, забезпечує амортизацію під час ударів. Завдяки воді послаблюється тертя між різними поверхнями (наприклад, у суглобах).

З курсу фізики доцільно пригадати, що вода має порівняно високі питому теплоємність і теплоту випаровування. Унаслідок цього вона виконує терморегуляторну функцію. Під час випаровування води з поверхні організму він втрачає велику кількість теплоти (пригадайте, як у спеку охолоджуються коти або собаки). Вода переносить теплоту від більш нагрітих органів до холодніших. Наприклад, під час інтенсивної фізичної роботи кров нагрівається в м’язах й охолоджується в шкірі.

Вода може змінювати свої властивості, зокрема температури замерзання й кипіння, залежно від кількості розчинених у ній речовин. Унаслідок збільшення концентрації розчинених речовин знижується температура, за якої вода переходить у твердий стан, і організми мають змогу пристосовуватися до змін температури навколишнього середовища. Наприклад, із настанням зими в клітинах рослин підвищується вміст вуглеводів у розчині, у членистоногих - гліцеролу, у риб - білків.

Повторіть, поміркуйте

1. Назвіть хімічні складники клітини. 2. Які хімічні елементи називають органогенними й чому? 3. Поясніть на прикладах значення неорганічних сполук у життєдіяльності організмів. 4. Схарактеризуйте будову молекули води. 5. Обґрунтуйте взаємозв’язок властивостей та функцій води.