1.2.1 Хімічний склад клітини. Вода, вуглеводи, ліпіди

Класифікація хімічних елементів за їх вмістом в організмах 

Науку, яка вивчає хімію живих організмів називають біохімією. Елементи, що беруть участь у життєдіяльності клітини називають біоелементами. Біоелементи в залежності від кількісного складу поділяються на органогени, макро- і мікроелементи.

До елементів органогенів відносять - Н, С, О та N.

До макроелементів відносять Калій, Кальцій, Натрій, Магній, Ферум, що є металами, і Фосфор, Хлор, Сульфур, що належать до неметалів. Мікроелементами є Цинк, Йод, Флуор, Купрум, Манган, Кобальт та ін. 

Нижче наведено біологічне значення окремих макро- і мікроелементів:

Натрий (Na) - забезпечує транспорт речовин в клітину і з неї, регулює серцеву діяльності, здійснює процеси подразливості організму тварин.

Кальций (Са) - у вигляді іонів бере участь в регуляції ритму серцевої діяльності, згортанні крові, здійснення м'язового скорочення, забезпечує рух компонентів клітин і самих клітин. У вигляді солей входить до складу кісток і раковин тварин, оболонок деяких водоростей, міжклітинної речовини і ін.

Магній (Mg) - в складі хлорофілу бере участь у фотосинтезі.

Ферум (Fe) - у складі гемоглобіну і міоглобіну забезпечує транспорт газів; у складі ферментів (цитохроми, каталаза) забезпечує перенесення електронів в процесах дихання і фотосинтезу; необхідний для утворення хлорофілу.

Фтор (F) - у тварин входить до складу кісток і емалі зубів.

Купрум (Сu) - входить до складу гемоціану (транспортний білок молюскюсків).

Йод (I)  - входить до складу гормонів щитоподібної залози.

Наслідки недостатнього або надлишкового надходження в організм людини хімічних елементів 

За нестачі певних елементів у людини можуть виникати різноманітні патологічні стани. Ендемічні хвороби - характерне для певної місцевості захворювання, що пов'язане з нестачею або надлишком вмісту певного хімічного елементу в середовищі.

За нестачі йоду (І) у дорослої людини спостерігається збільшення щитоподібної залози і розвивається ендемічний зоб. Якщо нестача йоду спостерігається у дитинстві, то є вірогідність розвитку ендемічного кретинізму. Основою профілактики даних захворювань є компенсація йодного дефіциту. Найбільш ефективним та природним є включення до раціону морської риби та інших морепродуктів (ламінарії, креветок, тощо). Гарні результати також показує вживання йодованої солі.

Ендемічний карієс - внаслідок нестачі фтору (F), або флюороз - внаслідок його надлишку. Найбільше флуору в чаї, чорному та зеленому, в морепродуктах, в волоських горіхах. Цим мікроелементом багаті, крупи, молоці, м'ясі, печінці, яйцях, цибулі, картоплі. З питною водою в організм надходить до 70% добової норми флуору.

Нестача заліза (Fe) зменшує рівень гемоглобіну в крові, в наслідок чого клітини зазнають дефіцит кисню. Залізодефіцитні анемії зустрічаються досить часто у дітей. Причиною цього є відсутність в раціоні достатньої кількості продуктів, які містять залізо. 

При недостатньому находженні кальцію (Са) з їжею все одно продовжується його виведення з організму у попередніх обсягах за рахунок його попередніх запасів. Зниження концентрації кальцію у крові призводить до порушення функціїї нервової системи аж до виникнення судом. Нестача кальцію у дитячому віці зумовлює дефекти росту. Для засвоєння кальцію необхідною умовою є достатній рівень вітаміну D, за нестачі якого у дитячому віці розвивається рахіт.

За нестачі в організмі калію (К) може виявлятись аритмія (порушення серцево-судинної діяльності), загальна слабкість, висока стомлюваність та безсоння; м'язова слабкість, судоми, спрага та непереносимість цукру. Компенсувати нестачу калію можна споживаючи наступні продукти харчування: горіхи, морську капусту, мед, яблука, горох, оливи, фініки, печениу картоплю, банани, томатний та апельсиновий сік.

Вода, її основні властивості та роль в організмі. Вода як розчинник, гідрофобні і гідрофільні сполуки

В клітині містяться органічні і неорганічні речовини. За відсотковим вмістом в живих клітинах переважає вода.

Вміст води в організмі  дорослої людини в середньому складає більше 60%. Мозок та серце на 73% складаються з води, тоді як легені на 83%. Шкіра містить 64% води, м'язи та нирки - 79%, і навіть в кістках води близько 31%. Відсотковий вміст води в організмі різних людей коливається. Так немовляти містять найбільше - близько 78%. У віці одного року ця кількість знижується до 65%. У дорослої людини близько 60% води в організмі. Однак жирова тканина містить меньше води, ніж, скажімо, м'язова. В організмі дорослої жінки жирової тканини більше, ніж в організмі чоловіка, тому вміст води в жіночому організмі менший - 55%.(с) 

В організмі вода виконує ряд важливих функцій. Властивості води досить незвичайні і обумовлені головним чином незначними розмірами, полярністю її молекул, а також здатністю молекул води об'єднуватись водневими зв'язками.

Полярність представляє собою нерівномірний розподіл зарядів в молекулі. Вода - проста молекула, що складається з двох невеликих, позитивно заряджених атомів Гідрогену та одного великого негативно зарядженого атому Оксигену. Коли атоми Гідрогену приєднуються до Оксигену, вони створюють асиметричну молекулу з позитивним зарядом на одному кінці (полюсі) та негативним - на іншому (с). Така молекула називається диполем. 

Вода виконує ряд основних функцій, що забезпечують нашу життєдіяльність:

• Життєво важливий компонент кожної клітини, в першу чергу являє собою будівельний матеріал.
• Регулює температуру нашого тіла шляхом потовиділення та дихання.
• Вуглеводи та білки, головні енергетичні субстрати, метаболізуються та транспортуються водою у кров'яному руслі.
• Бере участь у виділенні, головним чином підчас сечовипускання.
• Слугує амортизатором для головного, спиного мозку та плоду.
• Утворює слину.
• Змащує суглоби.

Більше про біологічну роль води, гідрофобність та гідрофільність можна знайти в оригінальній статті або її українському перекладі.

Вуглеводи

Вуглеводами називають речовини, що складаються з Гідрогену, Оксигену і Карбону, з загальною формулою С_х(Н₂О)_у .

Моносахариди - це прості цукри, в залежності від кількості атомів Карбону в молекулі розрізняють триози (3С), тетрози (4С), пентози (5С), гексози (6С) та гептози (7С). В природі найбільш поширені пентози та гексози.

Прикладом пентоз можуть слугувати рибоза та дезоксирибоза. Вони беруть участь у синтезі нуклеїнових кислот. Рибоза входить до складу РНК, а дезоксирибоза - ДНК.

До гексоз належать глюкоза та фруктоза. Вони слугують джерелом енергії, що виділяється шляхом окиснення підчас дихання. Глюкоза - звичайний дихальний субстрат і найбільш поширений моносахарид.

Дисахариди - цукри, які утворюються в результаті конденсації двох моносахаридів, зазвичай гексоз. Пічля того як моносахаридні одиниці  з'єднуються один з одним, їх називають залишками. Таким чином сахароза (буряковий цукор) складається з залишків глюкози і фруктози, а лактоза (молочний цукор) з двох залишків глюкози. 

Сахароза - найпоширеніший в природі дисахарид. Найчастіше вона зустрічається в рослинах, де у великих кількостях транспортується по флоеме. Завдяки високій розчинності сахароза може транспортуватися у вигляді досить концентрованих розчинів. У хімічному відношенні вона досить інертна, тому при переміщенні з одного місця в інше вона практично не залучається до метаболізму. З цієї ж причини сахароза іноді відкладається в якості запасної речовини. 

Лактоза, міститься тільки в молоці і слугує важливим джерелом енергії для дитинчат ссавців. Вона перетравлюється повільно і тому здатна забезпечувати постійний стабільний приплив енергії.

Полісахариди - це полімери, що побудовані з моносахаридів. Ці сполуки відіграють головним чином слугують джерелом поживних речовин і енергії (наприклад, крохмаль і глікоген), а також використовуються в якості будівельних матеріалів (наприклад, целюлоза і хітин). Полісахариди дуже зручні в якості запасних речовин. Вони мають великі розміри молекул, що роблить їх практично нерозчинними в воді, тому вони не чинять на клітку ні осмотичного, ні хімічного впливу; їх ланцюги можуть компактно згортатися; за необхідності шляхом гідролізу вони можуть легко перетворюватись на цукри. 

Крохмаль - слугує запасним вуглеводом рослин. У тварин крохмаль відсутній. Крохмаль легко розщеплюється до глюкози, яка може використовуватись в процесі дихання. Крохмаль виєвляється розчином йоду, з яким дає фіолетове забарвлення. 

Джерело: https://www.vedantu.com/question-answer/happens-when-two-or-more-drops-of-iodine-class-11-biology-cbse-5f9b947bdce72708e4780ee5

В клітинах крохмаль запасається в вигляді крохмальних зерен, що у великій кількості містяться у бульбах картоплі, насінні злаків та ін.

Глікоген - еквівалент крохмалю, що синтезується в клітинах тварин. Цей резервний полісахарид зустрічається також в клітинах грибів. У хребетних головним чином міститься в м'язах і печінці, тобто в місцях високої метаболічної активності, де слугує важливим джерелом енергії. Молекула глікогену на відміну від крохмалю дуже розгалуджена, що надає можливість ферментам за необхідності одночасно відщеплювати велику кількість одиниць глюкози.

Целюлоза - виконує структурну фцнкцію. За загальною масою целюлоза займає перше місце серед інших органічних речовин на Землі . Целюлоза входить до складу клітинних стінок рослин. Вона захищає клітини від розриву, коли в них поступає вода, а також певним чином визначає їх форму. З надходженням води у рослинну клітину, тиск в ній зростає і клітина стає тургосцентною. Тургор клітин забезпечує рослину опорою. 

Хітин за своєю структурою і функцією подібний до целюлози, однак містить Нітроген. Це тако структурний полісахарид. Хітин зустрічається у деяких грибів, де він завдяки своїй волокнистій структурі грає в клітинних стінках опорну роль, а також у деяких груп тварин (особливо у членистоногих) в якості важливого компонента їх зовнішнього скелета. 

Муреїн - полісахарид, що виконує опорну функцію в оболонках бактеріальних клітин. За своєю структурою вона схожа на хітин і в його молекулі також міститься Нітроген.

Ліпіди

Ліпіди представляють собою доволі різнорідну групу органічних речовин, які об'єднуються гідрофобними властивостями. Тому ліпіди нерозчинні у воді, однак добре розчиняються у неполярних розчинниках (бензин, ефір, хлороформ). Можно все ж сказати, що справжні ліпіди  - це складні ефіри, які утворені в результаті реакції конденсаціїї між жирними кислотами і яким-небудь спиртом.

Таким чином одним з компонентів ліпідів є жирні кислоти. Жирні кислоти містять в своїй молекулі карбоксильну групу (-СООН). 

Будова двох поширених жирних кислот. Ліворуч: стеаринова кислота - насичена жирна кислота. Праворуч: олеїнова кислота - ненасичена жирна кислота 

Вуглеводневі хвости молекул визначають багато властивостей ліпідів, в тому числі і нерозчинність ліпідів у воді. Вуглеводневі хвости гідрофобні.

Іноді в жирних кислотах є один або декілька подвійних зв'язків (С == С) (наприклад, в олеїновій кислоті). В цьому випадку жирні кислоти, а також ліпіди, що їх містять називаються ненасиченими. Жирні кислоти і ліпіди, в молекулах яких немає подвійних зв'язків, називаються насиченими. Ненасичені жирні кислоти плавляться при значно нижчих температурах, ніж насичені. Олеїнова кислота - основний компонент оливкової олії - при звичайних температурах рідка (Тпл = 13,4 ° C), тоді як стеаринова кислота (Тпл = 69,6 ° C) при таких температурах залишається твердою.

Завдання. У клітинах пойкілотермних («холоднокровних») тварин вміст ненасичених жирних кислот зазвичай вище, ніж в клітинах гомойотермних («теплокровних») тварин. Як ви це поясните?

У складі тригліциридів (найбільш поширені ліпіди) спирт представлений - гліцеролом.

Класифікація ліпідів (натисни для збільшення)

Тригліцериди - представляють собою складні ефіри гліцеролу і жирних кислот. При цьому всі три гідрокисльні групи гліцеролу заміщуються залишком жирної кислоти. У тварин цей процес відбувається в клітинах ворсинок тонкого кишечника, печінки і жирової тканини. У рослин - у клітинах насіння.

Утворення тригліцериду з гліцеролу та трьох жирних кислот шляхом трох реакцій конденсації

Основна функція тригліцеридів - слугувати енергетичним депо (1 г - 38,9 кДж). Калорійність їх вища, ніж у вуглеводі, тобто данна маса тригліцериду при окисненні виділяє більше енергії, ніж рівна їй маса вуглеводів. Жир запасається у тварин, які впадають в сплячку. У хребетних жир відкладається в підшкірно-жировій клітковині і виконує теплоізоляційну функцію. У водних ссавців (наприклад, китів) жир забезпечує високу плавучість.

Фосфоліпіди - це ліпіди, якім містять фосфатну групу. Найбільше біологінне значення відіграють фосфогліцериди, у яких одна з трьох гідроксильних груп гліцеролу етерифікована не жирною, а фосфорною кислотою.

Утворення фосфоліпіду

Таким чином молекула фосфоліпіду складається з головки, роль якої грає фосфатна група (гідрофільні властивості) і двох хвостів - залишки жирних кислот, які мають гідрофобні властивості.

Гліколіпідами називають речовини, утворюються результаті з'єднання ліпідів з вуглеводами. Гліколіпіди не тільки входять до складу клітинних мембран, а й компонентом їх зовнішнього шару (глікокалікс тварин), тому беруть участь у міжклітинних взаємодіях. Крім того вони є головним компонентом нервової тканини.

Ліпопротеїди - це комплекс ліпідів з білками. Вони транспортують ліпіди кров'ю та лімфою, а також входять до складу клітинних мембран.

Воски - речовини, що представлені складними естерами вищих жирних кислот і одно- або двоосновних спиртів, причому поряд зі складними естерами в восках містяться вільні жирні кислоти, вільні спирти і вуглеводні. Воски утворюють захисне водовідштовхувальне покриття. (Приклади: ланолін - жир шерсті вівці; спермацет - жир з порожнини черепа кашалота; бджолиний віск; рослинний віск на поверхні листків, плодів, насіння).

Стероїди - це група природних ліпідів, що містять в своєму складі циклопентанпергідрофенантренове ядро, отже мають циклічну будову. Стероїди можуть бути рослинного і тваринного походження. (Приклади: холестерол - стабілізує клітинну мембрану тваринної клітини; жовчні кислоти - сприяють перетравленню жирів; статеві гормони - регулюють статеве дозрівання і функції; гормони кори надників - впливають на обмін речовин; компоненти вітаміну D; рослинні глікозиди - впливають на роботу серця).

Каротиноїди - оліїсті речовини добре розчинні в органічних розчинниках. (Приклади: каротини - пігменти надає плодам червоного та жовтого забарвлення, провітамін А; ксантофіли - пігменти міститься у листках і плодах та обумовлює жовте забарвлення, прикладом є лютеїн жовтка і сітківки ока).

Класифікація і біологічне значення ліпідів (натисни для збільшення)