Elementos químicos nas células dos organismos vivos - Hipermercado do Conhecimento. A composição química da célula – o que é isso?

Nas condições modernas, um dos problemas mais urgentes no ensino de química é garantir a orientação prática do conhecimento da disciplina. Isto significa a necessidade de esclarecer a estreita relação entre os princípios teóricos em estudo e a prática de vida, para demonstrar a natureza aplicada do conhecimento químico. Os alunos começam a estudar química com interesse. Para manter o interesse cognitivo dos alunos, é necessário convencê-los da eficácia do conhecimento químico e formar uma necessidade pessoal de domínio do material didático.

O objetivo desta lição: ampliar os horizontes dos alunos e aumentar o interesse cognitivo no estudo do assunto, formar conceitos ideológicos sobre a cognoscibilidade da natureza. Esta aula é proposta para ser ministrada no 8º ano após o estudo dos elementos químicos da Tabela Periódica, quando as crianças já têm uma ideia da sua diversidade.

DURANTE AS AULAS

Professor:

Não há mais nada na natureza
Nem aqui nem ali, nas profundezas do espaço:
Tudo – desde pequenos grãos de areia até planetas –
Consiste em elementos uniformes.
Como uma fórmula, como um horário de trabalho,
A estrutura do sistema Mendeleev é rígida.
O mundo vivo está acontecendo ao seu redor,
Entre, inspire, toque com as mãos.

A aula começa com uma peça teatral “Quem é mais importante na mesa?” (cm. Anexo 1).

Professor: O corpo humano contém 81 elementos químicos dos 92 encontrados na natureza. O corpo humano é um laboratório químico complexo. É difícil imaginar que o nosso bem-estar diário, o nosso humor e até o nosso apetite possam depender dos minerais. Sem eles, as vitaminas são inúteis, a síntese e degradação de proteínas, gorduras e carboidratos são impossíveis.

Nas carteiras dos alunos estão tabelas “Papel biológico dos elementos químicos” (ver. Apêndice 2). É dado tempo para conhecê-la. O professor e os alunos analisam a tabela fazendo perguntas.

Professor: A base da vida é composta por seis elementos dos três primeiros períodos (H, C, N, O, P, S), que representam 98% da massa da matéria viva (os demais elementos da tabela periódica constituem não mais que 2%).
Três características principais dos nutrientes (H, C, N, O, P, S):

• tamanho atômico pequeno,
• pequena massa atômica relativa,
• a capacidade de formar ligações covalentes fortes.

Os alunos recebem textos (ver Apêndice 3). Tarefa: leia o texto com atenção; identificar os elementos necessários à vida e os elementos perigosos para os organismos vivos; encontre-os na Tabela Periódica e explique seu papel.
Após completar a tarefa, vários alunos analisam diferentes textos.

Professor: Elementos análogos no ambiente natural entram em competição e podem ser trocados nos organismos vivos, afetando-os negativamente.
A substituição de sódio e potássio em animais e humanos por lítio causa distúrbios no sistema nervoso, pois neste caso as células não conduzem impulsos nervosos. Tais distúrbios levam à esquizofrenia.
O tálio, concorrente biológico do potássio, substitui-o nas paredes celulares e afeta o sistema nervoso central e periférico, o trato gastrointestinal e os rins.
O selênio pode substituir o enxofre nas proteínas. Este é o único elemento que, quando presente em níveis elevados nas plantas, pode causar morte súbita em animais e humanos que os comem.
Quando o cálcio é deficiente no solo, o corpo o substitui por estrôncio, o que perturba gradualmente a estrutura normal do esqueleto. Particularmente perigosa é a substituição do cálcio pelo estrôncio-90, que se acumula em grandes quantidades em locais de explosões nucleares (durante testes de armas nucleares) ou durante acidentes em centrais nucleares. Este radionuclídeo destrói a medula óssea.
O cádmio compete com o zinco. Este elemento reduz a atividade das enzimas digestivas, interrompe o processo de formação de glicogênio no fígado, causa deformação esquelética, inibe o crescimento ósseo e também causa fortes dores na região lombar e nos músculos das pernas e fragilidade óssea (por exemplo, costelas fraturadas quando tosse). Outras consequências negativas são câncer de pulmão e retal e disfunção pancreática. Danos renais, diminuição dos níveis de ferro, cálcio e fósforo no sangue. Este elemento inibe os processos de autopurificação em plantas aquáticas e terrestres (por exemplo, é observado um aumento de 20-30 vezes no teor de cádmio nas folhas de tabaco).
Os halogênios podem ser facilmente trocados no corpo. O excesso de flúor no meio ambiente (água fluoretada, contaminação do solo com compostos de flúor ao redor de uma planta de produção de alumínio e outros motivos) impede a entrada de iodo no corpo humano. Nesse sentido, ocorrem doenças da glândula tireóide e do sistema endócrino como um todo.

Mensagens dos alunos preparadas com antecedência.

1º aluno:

Os alquimistas medievais consideravam o ouro uma perfeição e outros metais um erro no ato da criação e, como se sabe, fizeram grandes esforços para eliminar esse erro. A ideia de introduzir o ouro na prática médica é atribuída a Paracelso, que declarou que o objetivo da química não deveria ser a transformação de todos os metais em ouro, mas sim a preparação de medicamentos. Medicamentos feitos de ouro e seus compostos têm sido testados para tratar muitas doenças. Eles foram usados ​​​​para tratar lepra, lúpus e tuberculose. Em pessoas sensíveis ao ouro, pode causar distúrbios na composição do sangue, reação nos rins, fígado, afetar o humor, o crescimento dos dentes e do cabelo. O ouro garante o funcionamento do sistema nervoso. É encontrado no milho. E a força dos vasos sanguíneos depende do germânio. O único produto alimentar que contém germânio é o alho.

2º aluno:

No corpo humano, a maior quantidade de cobre é encontrada no cérebro e no fígado, e esta circunstância por si só indica sua importância na vida. Verificou-se que a dor aumenta a concentração de cobre no sangue e no líquido cefalorraquidiano. Na Síria e no Egito, os recém-nascidos recebem pulseiras de cobre para prevenir o raquitismo e a epilepsia.

3º aluno:

ALUMÍNIO

As panelas de alumínio são chamadas de panelas do pobre, pois esse metal contribui para o desenvolvimento da aterosclerose senil. Ao cozinhar alimentos nesses recipientes, o alumínio passa parcialmente para o corpo, onde se acumula.

4º aluno:

• Qual elemento está contido nas maçãs? (Ferro.)
• Qual é o seu papel biológico? (O corpo contém 3 g de ferro, dos quais 2 g estão no sangue. O ferro faz parte da hemoglobina. O teor insuficiente de ferro causa dores de cabeça e fadiga.)

Em seguida, os alunos realizam um experimento de laboratório, cujo objetivo é comprovar experimentalmente o efeito dos sais de certos metais nas proteínas. Eles misturam a proteína com soluções de álcali e sulfato de cobre e observam a formação de um precipitado roxo. Eles concluem que a proteína foi destruída.

5º aluno:

O homem também é natureza.
Ele também é um pôr do sol e um nascer do sol.
E há quatro temporadas nele.
E há um jeito especial de música nisso.

E o mistério especial da cor,
Às vezes com fogo cruel, às vezes com fogo gentil.
O homem é inverno. Ou verão.
Ou outono. Com trovões e chuva.

Continha tudo – milhas e tempo.
E ele ficou cego por causa das tempestades atômicas.
O homem é solo e semente.
E uma erva daninha no meio do campo. E pão.

E como é o clima lá?
Quanta solidão há nele? Encontros?
O homem também é natureza...
Então vamos salvar a natureza!

(S. Ostrovoy)

Para consolidar os conhecimentos adquiridos na aula, é realizado o teste “Sorriso” (ver. Apêndice 4).
Em seguida, você deverá preencher as palavras cruzadas “Caleidoscópio Químico” (ver. Apêndice 5).
O professor resume a aula, destacando os alunos mais ativos.

6º aluno:

Mude, mude!
A chamada está tocando.
Finalmente terminou
Lição irritante!

Puxando enxofre pelo rabo de cavalo,
O magnésio passou correndo.
O iodo da aula evaporou,
Era como se eu nunca tivesse estado lá.

O flúor acidentalmente incendiou a água,
O cloro comeu o livro de outra pessoa.
Carbono repentinamente com hidrogênio
Conseguiu ficar invisível.

Potássio e bromo estão lutando no canto:
Eles não compartilharão o elétron.
Oxygen é um menino travesso na floresta
Ele galopou a cavalo.

Livros usados:

1. O.V. Baidalina Sobre o aspecto aplicado do conhecimento químico. “Química na escola” nº 5, 2005
2. Química e ecologia no curso escolar. “Primeiro de setembro” nº 14, 2005
3. I. N. Pimenov, A. V. Pimenov“Palestras sobre biologia geral”, livro didático, Saratov, JSC Publishing House “Lyceum”, 2003.
4. Sobre química em verso, Quem é o mais importante na mesa? “Primeiro de Setembro”, nº 15, 2005
5. Metais no corpo humano. “Química na escola”, nº 6, 2005.
6. Palavras cruzadas “Caleidoscópio Químico”. “Primeiro de Setembro”, nº 1 4, 2005
7. “Vou para a aula de química.” Livro para professores. M. “Primeiro de Setembro”, 2002, p. 12.

Todos os organismos vivos, com exceção dos vírus, são compostos de células. Vamos descobrir o que é e qual é sua estrutura.

O que é uma célula?

É a unidade estrutural básica dos seres vivos. Ela tem seu próprio metabolismo. Uma célula também pode existir como um organismo independente: exemplos disso são ciliados, amebas, clamidomonas, etc. Esta estrutura consiste em uma variedade de substâncias, tanto orgânicas quanto inorgânicas. Todas as substâncias químicas de uma célula desempenham uma determinada função na sua estrutura e metabolismo.

Elementos químicos

Existem cerca de 70 elementos químicos diferentes na célula, mas os principais são oxigênio, carbono, hidrogênio, potássio, fósforo, nitrogênio, enxofre, cloro, sódio, magnésio, cálcio, ferro, zinco, cobre. Os três primeiros representam a base de todos os compostos orgânicos. Todos os elementos químicos da célula desempenham um determinado papel.

Oxigênio

A quantidade desse elemento é de 65 a 75 por cento da massa de toda a célula. Faz parte de quase todos os compostos orgânicos, assim como da água, por isso seu conteúdo é tão elevado. Este elemento desempenha uma função muito importante nas células dos organismos: o oxigênio atua como agente oxidante no processo de respiração celular, a partir do qual a energia é sintetizada.

Carbono

Este elemento, assim como o hidrogênio, é encontrado em todas as substâncias orgânicas. A composição química da célula contém cerca de 15 a 18 por cento dela. O carbono na forma de CO participa dos processos de regulação das funções celulares e também da fotossíntese na forma de CO 2.

Hidrogênio

A célula contém aproximadamente 8 a 10 por cento deste elemento. Sua maior quantidade é encontrada nas moléculas de água. As células de algumas bactérias oxidam o hidrogênio molecular para sintetizar energia.

Potássio

A composição química da célula inclui cerca de 0,15-0,4% deste elemento químico. Desempenha um papel muito importante, participando nos processos de geração de impulsos nervosos. É por isso que é recomendado o uso de medicamentos que contenham potássio para fortalecer o sistema nervoso. Este elemento também ajuda a manter o potencial de membrana da célula.

Fósforo

A quantidade deste elemento na célula é de 0,2-1% do seu peso total. Faz parte das moléculas de ATP, assim como de alguns lipídios. O fósforo está presente na substância intercelular e no citoplasma na forma de íons. Sua alta concentração é observada nas células do tecido muscular e ósseo. Além disso, compostos inorgânicos que incluem esse elemento são utilizados pela célula para sintetizar substâncias orgânicas.

Azoto

Este elemento está incluído na composição química da célula na quantidade de 2-3%. É encontrado em proteínas, ácidos nucléicos, aminoácidos e nucleotídeos.

Enxofre

Faz parte de muitas proteínas, pois é encontrado em aminoácidos contendo enxofre. Está presente em baixas concentrações no citoplasma e na substância intercelular na forma de íons.

Cloro

Contém na quantidade de 0,05-0,1%. Mantém a neutralidade elétrica da célula.

Sódio

Este elemento está presente na célula na quantidade de 0,02-0,03%. Desempenha as mesmas funções do potássio e também participa dos processos de osmorregulação.

Cálcio

A quantidade deste elemento químico é de 0,04-2%. O cálcio está envolvido no processo de manutenção do potencial de membrana da célula e na exocitose, ou seja, na liberação de certas substâncias (hormônios, proteínas, etc.).

Magnésio

A composição química da célula inclui 0,02-0,03% deste elemento. Participa do metabolismo energético e da síntese de DNA, é componente de enzimas, clorofila e é encontrado em ribossomos e mitocôndrias.

Ferro

A quantidade deste elemento é 0,01-0,015%. No entanto, há muito mais nos glóbulos vermelhos, uma vez que é a base da hemoglobina.

Zinco

Contido na insulina, bem como em muitas enzimas.

Cobre

Este elemento é um dos componentes das enzimas oxidativas que participam da síntese dos citocromos.

Esquilos

Estes são os compostos mais complexos da célula, cujas principais substâncias a constituem. Eles consistem em aminoácidos conectados em uma determinada ordem em uma cadeia e depois torcidos em uma bola, cujo formato é específico para cada tipo de proteína. Essas substâncias desempenham muitas funções importantes na vida celular. Uma das mais importantes é a função enzimática. As proteínas atuam como catalisadores naturais, acelerando o processo de reação química centenas de milhares de vezes - a quebra e a síntese de qualquer substância são impossíveis sem elas. Cada tipo de enzima participa apenas de uma reação específica e não pode participar de outra. As proteínas também desempenham uma função protetora. As substâncias desse grupo que protegem a célula da entrada de proteínas estranhas são chamadas de anticorpos. Essas substâncias também protegem todo o corpo contra vírus e bactérias patogênicas. Além disso, essas conexões desempenham uma função de transporte. Está no fato de que nas membranas existem proteínas transportadoras que transportam certas substâncias para fora ou para dentro da célula. A função plástica destas substâncias também é muito importante. Eles são o principal material de construção que compõe a célula, suas membranas e organelas. Às vezes, as proteínas também desempenham uma função energética - na falta de gorduras e carboidratos, a célula decompõe essas substâncias.

Lipídios

Este grupo de substâncias inclui gorduras e fosfolipídios. Os primeiros são a principal fonte de energia. Eles também podem se acumular como substâncias de reserva em caso de fome do corpo. Estes últimos servem como o principal componente das membranas celulares.

Carboidratos

A substância mais comum neste grupo é a glicose. Ele e carboidratos simples semelhantes desempenham uma função energética. Os carboidratos também incluem polissacarídeos, cujas moléculas consistem em milhares de moléculas unidas - monossacarídeos. Desempenham principalmente uma função estrutural, fazendo parte de membranas. Os principais polissacarídeos das células vegetais são o amido e a celulose, e os dos animais são o glicogênio.

Ácidos nucleicos

Este grupo de compostos químicos inclui DNA, RNA e ATP.

ADN

Esta substância desempenha a função mais importante - é responsável pelo armazenamento e transmissão hereditária da informação genética. O DNA é encontrado nos cromossomos do núcleo. As macromoléculas dessa substância são formadas a partir de nucleotídeos, que, por sua vez, são constituídos por uma base nitrogenada representada por purinas e pirimidinas, hidrocarbonetos e resíduos de ácido fosfórico. Eles vêm em quatro tipos: adenil, guanil, timidil e citidil. O nome do nucleotídeo depende de quais purinas estão incluídas em sua composição, podendo ser adenina, guanina, timina e citosina. A molécula de DNA tem a forma de duas cadeias torcidas em espiral.

ARN

Este composto desempenha a função de implementar a informação que está no DNA através da síntese de proteínas, cuja composição é criptografada. Esta substância é muito semelhante ao ácido nucleico descrito acima. A principal diferença é que o RNA consiste em uma cadeia, não em duas. Os nucleotídeos do RNA também contêm a base nitrogenada uracila em vez de timina e ribose. Portanto, esta substância é formada a partir de nucleotídeos como adenil, guanil, uridil e citidil.

ATP

Qualquer energia obtida pelas células vegetais durante a fotossíntese ou pelos animais devido à oxidação de gorduras e carboidratos é, em última análise, armazenada em ATP, de onde a célula a recebe quando necessária.

Todos os organismos do nosso planeta consistem em células de composição química semelhante. Neste artigo falaremos brevemente sobre a composição química da célula, seu papel na vida de todo o organismo e descobriremos o que a ciência estuda sobre esse assunto.

Grupos de elementos da composição química da célula

A ciência que estuda os componentes e a estrutura de uma célula viva é chamada de citologia.

Todos os elementos incluídos na estrutura química do corpo podem ser divididos em três grupos:

• macroelementos;
• microelementos;
• ultramicroelementos.

Os macroelementos incluem hidrogênio, carbono, oxigênio e nitrogênio. Eles representam quase 98% de todos os elementos constituintes.

Os microelementos estão presentes em décimos e centésimos de por cento. E um teor muito baixo de ultramicroelementos - centésimos e milésimos de um por cento.

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Traduzido do grego, “macro” significa grande e “micro” significa pequeno.

Os cientistas descobriram que não existem elementos especiais exclusivos dos organismos vivos. Portanto, tanto a natureza viva quanto a inanimada consistem nos mesmos elementos. Isso prova o relacionamento deles.

Apesar do conteúdo quantitativo de um elemento químico, a ausência ou redução de pelo menos um deles leva à morte de todo o organismo. Afinal, cada um deles tem seu significado.

O papel da composição química da célula

Os macroelementos são a base dos biopolímeros, nomeadamente proteínas, hidratos de carbono, ácidos nucleicos e lípidos.

Os microelementos fazem parte de substâncias orgânicas vitais e participam de processos metabólicos. São componentes constituintes de sais minerais, que se apresentam na forma de cátions e ânions, sua proporção determina o ambiente alcalino. Na maioria das vezes é ligeiramente alcalino, porque a proporção de sais minerais não muda.

A hemoglobina contém ferro, clorofila - magnésio, proteínas - enxofre, ácidos nucléicos - fósforo, o metabolismo ocorre com quantidade suficiente de cálcio.

Arroz. 2. Composição celular

Alguns elementos químicos são componentes de substâncias inorgânicas, como a água. Desempenha um papel importante na vida das células vegetais e animais. A água é um bom solvente, por isso todas as substâncias dentro do corpo são divididas em:

• Hidrofílico - dissolve-se em água;
• Hidrofóbico - não dissolva em água.

Graças à presença de água, a célula torna-se elástica e promove a movimentação de substâncias orgânicas no citoplasma.

Arroz. 3. Substâncias celulares.

Tabela “Propriedades da composição química da célula”

Para entender claramente quais elementos químicos fazem parte da célula, nós os incluímos na tabela a seguir:

O que aprendemos?

Cada célula da natureza viva possui seu próprio conjunto de elementos químicos. Em termos de composição, os objetos da natureza viva e inanimada apresentam semelhanças, o que comprova a sua estreita relação. Cada célula consiste em macroelementos, microelementos e ultramicroelementos, cada um com sua função. A ausência de pelo menos um deles leva ao adoecimento e até à morte de todo o organismo.

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Avaliação do relatório

Classificação média: 4.5. Total de avaliações recebidas: 807.

Células de organismos vivos de acordo com sua composição química diferem significativamente do ambiente inanimado circundante, tanto na estrutura dos compostos químicos quanto no conjunto e conteúdo dos elementos químicos. No total, cerca de 90 elementos químicos estão presentes (descobertos até o momento) nos organismos vivos, que, dependendo do seu conteúdo, são divididos em 3 grupos principais: macronutrientes , microelementos E ultramicroelementos .

Macroelementos.

Macronutrientes estão presentes em quantidades significativas nos organismos vivos, variando de centésimos de um por cento a dezenas de por cento. Se o conteúdo de qualquer substância química no corpo exceder 0,005% do peso corporal, tal substância é classificada como macronutriente. Fazem parte dos principais tecidos: sangue, ossos e músculos. Estes incluem, por exemplo, os seguintes elementos químicos: hidrogénio, oxigénio, carbono, azoto, fósforo, enxofre, sódio, cálcio, potássio, cloro. Os macroelementos no total constituem cerca de 99% da massa das células vivas, sendo a maioria (98%) hidrogênio, oxigênio, carbono e nitrogênio.

A tabela abaixo mostra os principais macronutrientes do corpo:

Todos os quatro elementos mais comuns nos organismos vivos (hidrogênio, oxigênio, carbono, nitrogênio, como mencionado anteriormente) são caracterizados por uma propriedade comum. Esses elementos carecem de um ou mais elétrons na órbita externa para formar ligações eletrônicas estáveis. Assim, o átomo de hidrogênio carece de um elétron em sua órbita externa para formar uma ligação eletrônica estável; os átomos de oxigênio, nitrogênio e carbono precisam de dois, três e quatro elétrons, respectivamente. Nesse sentido, esses elementos químicos formam facilmente ligações covalentes devido ao emparelhamento de elétrons e podem interagir facilmente entre si, preenchendo suas camadas eletrônicas externas. Além disso, o oxigênio, o carbono e o nitrogênio podem formar não apenas ligações simples, mas também ligações duplas. Como resultado, o número de compostos químicos que podem ser formados a partir desses elementos aumenta significativamente.

Além disso, carbono, hidrogênio e oxigênio são os mais leves entre os elementos que podem formar ligações covalentes. Portanto, revelaram-se os mais adequados para a formação dos compostos que constituem a matéria viva. É necessário observar separadamente outra propriedade importante dos átomos de carbono - a capacidade de formar ligações covalentes com quatro outros átomos de carbono ao mesmo tempo. Graças a esta capacidade, estruturas são criadas a partir de um grande número de moléculas orgânicas diferentes.

Microelementos.

Embora o conteúdo microelementos não excede 0,005% para cada elemento individual e, no total, constituem apenas cerca de 1% da massa celular; os microelementos são necessários para a vida dos organismos. Na sua ausência ou conteúdo insuficiente, podem ocorrer várias doenças. Muitos microelementos fazem parte de grupos não proteicos de enzimas e são necessários para sua função catalítica.
Por exemplo, o ferro é um componente do heme, que faz parte dos citocromos, que são componentes da cadeia de transporte de elétrons, e da hemoglobina, uma proteína que transporta oxigênio dos pulmões para os tecidos. A deficiência de ferro no corpo humano causa o desenvolvimento de anemia. E a falta de iodo, que faz parte do hormônio tireoidiano - tiroxina, leva a doenças associadas à deficiência desse hormônio, como bócio endêmico ou cretinismo.

Exemplos de microelementos são apresentados na tabela abaixo:

Ultramicroelementos.

Para o grupo ultramicroelementos inclui elementos cujo conteúdo no corpo é extremamente baixo (menos de 10-12%). Estes incluem bromo, ouro, selênio, prata, vanádio e muitos outros elementos. A maioria deles também é necessária para o funcionamento normal dos organismos vivos. Por exemplo, a falta de selênio pode levar ao câncer, e a falta de boro é a causa de algumas doenças nas plantas. Muitos elementos deste grupo, assim como microelementos, fazem parte de enzimas.

A célula é a unidade elementar da vida na Terra. Possui todas as características de um organismo vivo: cresce, reproduz-se, troca substâncias e energia com o meio ambiente e reage a estímulos externos. O início da evolução biológica está associado ao aparecimento de formas de vida celular na Terra. Organismos unicelulares são células que existem separadamente umas das outras. O corpo de todos os organismos multicelulares - animais e plantas - é constituído por um maior ou menor número de células, que são uma espécie de blocos que constituem um organismo complexo. Independentemente de uma célula ser um sistema vivo integral - um organismo separado ou constituir apenas uma parte dele, ela é dotada de um conjunto de características e propriedades comuns a todas as células.

Composição química da célula

Cerca de 60 elementos da tabela periódica de Mendeleev, também encontrados na natureza inanimada, foram encontrados nas células. Esta é uma das provas da comunhão da natureza viva e inanimada. Nos organismos vivos, os mais abundantes são o hidrogênio, o oxigênio, o carbono e o nitrogênio, que constituem cerca de 98% da massa das células. Isso se deve às propriedades químicas peculiares do hidrogênio, oxigênio, carbono e nitrogênio, pelas quais se revelaram mais adequados para a formação de moléculas que desempenham funções biológicas. Esses quatro elementos são capazes de formar ligações covalentes muito fortes ao emparelhar elétrons pertencentes a dois átomos. Átomos de carbono ligados covalentemente podem formar estruturas de inúmeras moléculas orgânicas diferentes. Como os átomos de carbono formam facilmente ligações covalentes com oxigênio, hidrogênio, nitrogênio e enxofre, as moléculas orgânicas alcançam complexidade e diversidade estrutural excepcionais.

Além dos quatro elementos principais, a célula contém quantidades perceptíveis (10ª e 100ª frações de um por cento) de ferro, potássio, sódio, cálcio, magnésio, cloro, fósforo e enxofre. Todos os outros elementos (zinco, cobre, iodo, flúor, cobalto, manganês, etc.) são encontrados na célula em quantidades muito pequenas e, portanto, são chamados de oligoelementos.

Os elementos químicos fazem parte de compostos inorgânicos e orgânicos. Os compostos inorgânicos incluem água, sais minerais, dióxido de carbono, ácidos e bases. Os compostos orgânicos são proteínas, ácidos nucléicos, carboidratos, gorduras (lipídios) e lipóides. Além de oxigênio, hidrogênio, carbono e nitrogênio, podem conter outros elementos. Algumas proteínas contêm enxofre. O fósforo é um componente dos ácidos nucléicos. A molécula de hemoglobina inclui ferro, o magnésio está envolvido na construção da molécula de clorofila. Os microelementos, apesar de seu conteúdo extremamente baixo nos organismos vivos, desempenham um papel importante nos processos vitais. O iodo faz parte do hormônio tireoidiano - tiroxina, o cobalto faz parte da vitamina B 12, o hormônio da parte das ilhotas do pâncreas - insulina - contém zinco. Em alguns peixes, o cobre substitui o ferro nas moléculas de pigmento que transportam oxigênio.

Substâncias inorgânicas

Água. H 2 O é o composto mais comum nos organismos vivos. Seu conteúdo nas diferentes células varia bastante: de 10% no esmalte dos dentes a 98% no corpo de uma água-viva, mas em média representa cerca de 80% do peso corporal. O papel extremamente importante da água no apoio aos processos vitais deve-se às suas propriedades físico-químicas. A polaridade das moléculas e a capacidade de formar ligações de hidrogênio fazem da água um bom solvente para um grande número de substâncias. A maioria das reações químicas que ocorrem em uma célula só podem ocorrer em solução aquosa. A água também está envolvida em muitas transformações químicas.

O número total de ligações de hidrogênio entre as moléculas de água varia dependendo de t °. Em t ° Quando o gelo derrete, aproximadamente 15% das ligações de hidrogênio são destruídas, a uma temperatura de 40°C - metade. Após a transição para o estado gasoso, todas as ligações de hidrogênio são destruídas. Isso explica a alta capacidade térmica específica da água. Quando a temperatura do ambiente externo muda, a água absorve ou libera calor devido à ruptura ou nova formação de ligações de hidrogênio. Dessa forma, as flutuações de temperatura no interior da célula acabam sendo menores do que no ambiente. O alto calor de evaporação é a base do mecanismo eficiente de transferência de calor em plantas e animais.

A água como solvente participa dos fenômenos de osmose, que desempenha um papel importante na vida das células do corpo. Osmose é a penetração de moléculas de solvente através de uma membrana semipermeável em uma solução de uma substância. Membranas semipermeáveis ​​são aquelas que permitem a passagem de moléculas de solvente, mas não permitem a passagem de moléculas de soluto (ou íons). Portanto, osmose é a difusão unilateral de moléculas de água na direção da solução.

Sais minerais. A maioria das substâncias inorgânicas nas células está na forma de sais em estado dissociado ou sólido. A concentração de cátions e ânions na célula e em seu ambiente não é a mesma. A célula contém bastante K e muito Na. No meio extracelular, por exemplo no plasma sanguíneo, na água do mar, ao contrário, há muito sódio e pouco potássio. A irritabilidade celular depende da proporção das concentrações de íons Na +, K +, Ca 2+, Mg 2+. Nos tecidos de animais multicelulares, o K faz parte da substância multicelular que garante a coesão das células e seu arranjo ordenado. A pressão osmótica na célula e suas propriedades tampão dependem em grande parte da concentração de sais. Tamponamento é a capacidade de uma célula de manter a reação ligeiramente alcalina de seu conteúdo em um nível constante. O tamponamento dentro da célula é fornecido principalmente pelos íons H 2 PO 4 e HPO 4 2-. Nos fluidos extracelulares e no sangue, o papel de tampão é desempenhado por H 2 CO 3 e HCO 3 -. Os ânions ligam-se aos íons H e aos íons hidróxido (OH -), devido aos quais a reação dos fluidos extracelulares dentro da célula permanece praticamente inalterada. Sais minerais insolúveis (por exemplo, fosfato de Ca) fornecem força ao tecido ósseo de vertebrados e conchas de moluscos.

Matéria celular orgânica

Esquilos. Entre as substâncias orgânicas da célula, as proteínas estão em primeiro lugar tanto em quantidade (10–12% da massa total da célula) quanto em importância. As proteínas são polímeros de alto peso molecular (com peso molecular de 6.000 a 1 milhão e superior), cujos monômeros são aminoácidos. Os organismos vivos utilizam 20 aminoácidos, embora existam muitos mais. A composição de qualquer aminoácido inclui um grupo amino (-NH 2), que possui propriedades básicas, e um grupo carboxila (-COOH), que possui propriedades ácidas. Dois aminoácidos são combinados em uma molécula estabelecendo uma ligação HN-CO, liberando uma molécula de água. A ligação entre o grupo amino de um aminoácido e o grupo carboxila de outro é chamada de ligação peptídica. As proteínas são polipeptídeos contendo dezenas e centenas de aminoácidos. Moléculas de várias proteínas diferem umas das outras em peso molecular, número, composição de aminoácidos e sequência de sua localização na cadeia polipeptídica. É portanto claro que as proteínas são extremamente diversas; o seu número em todos os tipos de organismos vivos é estimado em 10 10 - 10 12.

Uma cadeia de unidades de aminoácidos conectadas covalentemente por ligações peptídicas em uma sequência específica é chamada de estrutura primária de uma proteína. Nas células, as proteínas parecem fibras ou bolas (glóbulos) torcidas em espiral. Isso se explica pelo fato de que nas proteínas naturais a cadeia polipeptídica é disposta de forma estritamente definida, dependendo da estrutura química dos aminoácidos constituintes.

Primeiro, a cadeia polipeptídica se dobra em espiral. A atração ocorre entre átomos de espiras vizinhas e ligações de hidrogênio são formadas, em particular, entre grupos NH e CO localizados em espiras adjacentes. Uma cadeia de aminoácidos, torcida em forma de espiral, forma a estrutura secundária da proteína. Como resultado do dobramento adicional da hélice, surge uma configuração específica para cada proteína, chamada estrutura terciária. A estrutura terciária se deve à ação de forças coesivas entre radicais hidrofóbicos presentes em alguns aminoácidos e ligações covalentes entre os grupos SH do aminoácido cisteína (ligações S-S). O número de aminoácidos com radicais hidrofóbicos e cisteína, bem como a ordem de sua disposição na cadeia polipeptídica, são específicos de cada proteína. Consequentemente, as características da estrutura terciária de uma proteína são determinadas pela sua estrutura primária. A proteína exibe atividade biológica apenas na forma de uma estrutura terciária. Portanto, a substituição de até mesmo um aminoácido em uma cadeia polipeptídica pode levar a uma mudança na configuração da proteína e à diminuição ou perda de sua atividade biológica.

Em alguns casos, as moléculas de proteínas combinam-se entre si e só podem desempenhar a sua função na forma de complexos. Assim, a hemoglobina é um complexo de quatro moléculas e somente nesta forma é capaz de se ligar e transportar oxigênio.Tais agregados representam a estrutura quaternária da proteína. Com base na sua composição, as proteínas são divididas em duas classes principais - simples e complexas. As proteínas simples consistem apenas em aminoácidos, ácidos nucléicos (nucleotídeos), lipídios (lipoproteínas), Me (metaloproteínas), P (fosfoproteínas).

As funções das proteínas em uma célula são extremamente diversas. Uma das mais importantes é a função de construção: as proteínas estão envolvidas na formação de todas as membranas celulares e organelas celulares, bem como nas estruturas intracelulares. O papel enzimático (catalítico) das proteínas é extremamente importante. As enzimas aceleram as reações químicas que ocorrem na célula em 10 e 100 milhões de vezes. A função motora é fornecida por proteínas contráteis especiais. Essas proteínas estão envolvidas em todos os tipos de movimentos que as células e os organismos são capazes de realizar: o movimento dos cílios e o batimento dos flagelos nos protozoários, a contração muscular nos animais, o movimento das folhas nas plantas, etc. anexar elementos químicos (por exemplo, hemoglobina adiciona O) ou substâncias biologicamente ativas (hormônios) e transferi-los para os tecidos e órgãos do corpo. A função protetora é expressa na forma de produção de proteínas especiais, chamadas anticorpos, em resposta à penetração de proteínas ou células estranhas no corpo. Os anticorpos ligam-se e neutralizam substâncias estranhas. As proteínas desempenham um papel importante como fontes de energia. Com divisão completa 1g. São liberados 17,6 kJ (~4,2 kcal) de proteínas.

Carboidratos. Carboidratos, ou sacarídeos, são substâncias orgânicas com fórmula geral (CH 2 O) n. A maioria dos carboidratos tem o dobro do número de átomos de H do que o número de átomos de O, como nas moléculas de água. É por isso que essas substâncias foram chamadas de carboidratos. Em uma célula viva, os carboidratos são encontrados em quantidades não superiores a 1-2, às vezes 5% (no fígado, nos músculos). As células vegetais são as mais ricas em carboidratos, onde seu conteúdo em alguns casos chega a 90% da massa da matéria seca (sementes, tubérculos de batata, etc.).

Os carboidratos são simples e complexos. Os carboidratos simples são chamados de monossacarídeos. Dependendo do número de átomos de carboidratos na molécula, os monossacarídeos são chamados trioses, tetroses, pentoses ou hexoses. Dos seis monossacarídeos de carbono - hexoses - os mais importantes são a glicose, a frutose e a galactose. A glicose está contida no sangue (0,1-0,12%). As pentoses ribose e desoxirribose são encontradas em ácidos nucléicos e ATP. Se dois monossacarídeos são combinados em uma molécula, o composto é chamado de dissacarídeo. O açúcar de mesa, obtido da cana ou da beterraba sacarina, consiste em uma molécula de glicose e uma molécula de frutose, açúcar do leite - de glicose e galactose.

Os carboidratos complexos formados a partir de muitos monossacarídeos são chamados de polissacarídeos. O monômero de polissacarídeos como amido, glicogênio e celulose é a glicose. Os carboidratos desempenham duas funções principais: construção e energia. A celulose forma as paredes das células vegetais. O complexo polissacarídeo quitina serve como o principal componente estrutural do exoesqueleto dos artrópodes. A quitina também desempenha uma função de construção em fungos. Os carboidratos desempenham o papel de principal fonte de energia na célula. Durante a oxidação de 1 g de carboidratos, são liberados 17,6 kJ (~4,2 kcal). O amido nas plantas e o glicogênio nos animais são depositados nas células e servem como reserva de energia.

Ácidos nucleicos. A importância dos ácidos nucléicos em uma célula é muito grande. As peculiaridades de sua estrutura química proporcionam a possibilidade de armazenar, transferir e herdar para as células-filhas informações sobre a estrutura das moléculas de proteínas que são sintetizadas em cada tecido em um determinado estágio do desenvolvimento individual. Como a maioria das propriedades e características das células são determinadas pelas proteínas, é claro que a estabilidade dos ácidos nucléicos é a condição mais importante para o funcionamento normal das células e de organismos inteiros. Quaisquer alterações na estrutura das células ou na atividade dos processos fisiológicos nelas, afetando assim a atividade vital. O estudo da estrutura dos ácidos nucléicos é extremamente importante para a compreensão da herança de características nos organismos e dos padrões de funcionamento das células individuais e dos sistemas celulares - tecidos e órgãos.

Existem 2 tipos de ácidos nucléicos – DNA e RNA. O DNA é um polímero que consiste em duas hélices de nucleotídeos dispostas para formar uma dupla hélice. Os monômeros das moléculas de DNA são nucleotídeos constituídos por uma base nitrogenada (adenina, timina, guanina ou citosina), um carboidrato (desoxirribose) e um resíduo de ácido fosfórico. As bases nitrogenadas na molécula de DNA estão conectadas entre si por um número desigual de ligações H e estão dispostas em pares: adenina (A) é sempre contra timina (T), guanina (G) contra citosina (C). Esquematicamente, o arranjo dos nucleotídeos em uma molécula de DNA pode ser representado da seguinte forma:

Figura 1. Localização dos nucleotídeos em uma molécula de DNA

Da Fig.1. é claro que os nucleotídeos estão conectados entre si não aleatoriamente, mas seletivamente. A capacidade de interação seletiva da adenina com a timina e da guanina com a citosina é chamada de complementaridade. A interação complementar de certos nucleotídeos é explicada pelas peculiaridades do arranjo espacial dos átomos em suas moléculas, que permitem que eles se aproximem e formem ligações H. Numa cadeia polinucleotídica, os nucleótidos vizinhos estão ligados entre si através de um açúcar (desoxirribose) e um resíduo de ácido fosfórico. O RNA, assim como o DNA, é um polímero cujos monômeros são nucleotídeos. As bases nitrogenadas dos três nucleotídeos são as mesmas que constituem o DNA (A, G, C); o quarto - uracila (U) - está presente na molécula de RNA em vez da timina. Os nucleotídeos de RNA diferem dos nucleotídeos de DNA na estrutura do carboidrato que contêm (ribose em vez de desoxirribose).

Numa cadeia de RNA, os nucleotídeos são unidos formando ligações covalentes entre a ribose de um nucleotídeo e o resíduo de ácido fosfórico de outro. A estrutura difere entre o RNA de fita dupla. Os RNAs de fita dupla são os guardiões da informação genética em vários vírus, ou seja, Eles desempenham as funções dos cromossomos. O RNA de fita simples transfere informações sobre a estrutura das proteínas do cromossomo para o local de sua síntese e participa da síntese protéica.

Existem vários tipos de RNA de fita simples. Seus nomes são determinados por sua função ou localização na célula. A maior parte do RNA no citoplasma (até 80-90%) é RNA ribossômico (rRNA), contido nos ribossomos. As moléculas de rRNA são relativamente pequenas e consistem em uma média de 10 nucleotídeos. Outro tipo de RNA (mRNA) que transporta informações sobre a sequência de aminoácidos nas proteínas que devem ser sintetizadas nos ribossomos. O tamanho desses RNAs depende do comprimento da região do DNA a partir da qual foram sintetizados. Os RNAs de transferência desempenham diversas funções. Eles entregam aminoácidos ao local de síntese protéica, “reconhecem” (pelo princípio da complementaridade) o tripleto e o RNA correspondente ao aminoácido transferido e realizam a orientação precisa do aminoácido no ribossomo.

Gorduras e lipóides. As gorduras são compostos de ácidos graxos de alto peso molecular e álcool tri-hídrico glicerol. As gorduras não se dissolvem na água - são hidrofóbicas. Sempre existem outras substâncias hidrofóbicas complexas semelhantes à gordura, chamadas lipóides, na célula. Uma das principais funções das gorduras é a energia. Durante a decomposição de 1 g de gordura em CO 2 e H 2 O, uma grande quantidade de energia é liberada - 38,9 kJ (~ 9,3 kcal). O teor de gordura na célula varia de 5 a 15% da massa de matéria seca. Nas células dos tecidos vivos, a quantidade de gordura aumenta para 90%. A principal função das gorduras no mundo animal (e parcialmente vegetal) é o armazenamento.

Quando 1 g de gordura é completamente oxidado (em dióxido de carbono e água), são liberadas cerca de 9 kcal de energia. (1 kcal = 1000 cal; caloria (cal) é uma unidade extra-sistema da quantidade de trabalho e energia, igual à quantidade de calor necessária para aquecer 1 ml de água em 1 °C à pressão atmosférica padrão de 101,325 kPa; 1 kcal = 4,19kJ). Quando 1 g de proteínas ou carboidratos é oxidado (no corpo), apenas cerca de 4 kcal/g são liberados. Em uma variedade de organismos aquáticos - desde diatomáceas unicelulares até tubarões-frade - a gordura "flutuará", reduzindo a densidade corporal média. A densidade das gorduras animais é de cerca de 0,91-0,95 g/cm³. A densidade do tecido ósseo dos vertebrados é próxima de 1,7-1,8 g/cm³, e a densidade média da maioria dos outros tecidos é próxima de 1 g/cm³. É claro que você precisa de muita gordura para “equilibrar” um esqueleto pesado.

As gorduras e os lipídios também desempenham uma função de construção: fazem parte das membranas celulares. Devido à baixa condutividade térmica, a gordura é capaz de desempenhar uma função protetora. Em alguns animais (focas, baleias) deposita-se no tecido adiposo subcutâneo, formando uma camada de até 1 m de espessura.A formação de alguns lipóides precede a síntese de vários hormônios. Consequentemente, essas substâncias também têm a função de regular os processos metabólicos.