Химический состав клетки, роль воды

Никель — относится к числу микроэлементов, необходимых для нормального развития организмов. Известно, что никель принимает участие в ферментативных реакциях. В организме он накапливается в ороговевших тканях. Повышенное содержание никеля в почвах приводят к эндемическим заболеваниям, у животных — заболевания глаз, связанные с накоплением никеля в роговице. Токсическая доза (для крыс) — 50 мг. Особенно вредны летучие соединения никеля, в частности, его тетракарбонил Ni(CO)4. ПДК соединений никеля в воздухе составляет от 0,0002 до 0,001 мг/м3 (для различных соединений).

Мышьяк — все его соединения ядовиты. При остром отравлении мышьяком наблюдаются рвота, боли в животе, понос, угнетение центральной нервной системы. Помощь и противоядия при отравлении мышьяком: прием водных растворов Na2S2O3. Промывание желудка, прием молока и творога; специфическое противоядие — унитиол. ПДК в воздухе для мышьяка 0,5мг/м3. Работают с мышьяком в герметичных боксах, используя защитную спецодежду. Из—за высокой токсичности соединения мышьяка использовались Германией как отравляющие вещества в Первую мировую войну. 
На территориях, где в почве и воде избыток мышьяка, он накапливается в щитовидной железе у людей и вызывает эндемический зоб.

Селен — массовая доля в организме 10–5–10–7%. В организм человека селен поступает с пищей (55–110 мг в год). Концентрируется в печени и почках. При больших дозах в первую очередь накапливается в ногтях и волосах, основу которых составляют серосодержащие аминокислоты. Атомы селена замещают атомы серы: R–S–S_–R + 2Se = R–Se–Se_–R + 2S. Селен входит в состав активных центров ферментов: формиатдегидрогеназы, глутатионредуктазы и глутатионпероксидазы, в активном центре которой содержится остаток аминокислоты — селеноцистеина. Селен способен предохранять организм от отравления ртутью и кадмием, так как связывает их. Существует взаимосвязь между высоким содержанием селена в рационе и низкой смертностью от рака. Пары селена ядовиты. ПДК аморфного селена в воздухе 2 мг/м3, SeO2, Na2SeO3 — 0,1 мг/м3. ПДК селена в воде 0,01 мг/м3.

Бром — при работе с бромом следует пользоваться защитной спецодеждой, противогазом, перчатками. ПДК паров брома 0,5 мг/м3. Уже при содержании брома в воздухе в концентрации около 0,001% (по объему) наблюдается раздражение слизистых оболочек, головокружение, а при более высоких концентрациях — спазмы дыхательных путей, удушье. При попадании в организм токсическая доза составляет 3 г, летальная — от 35 г. При отравлении парами брома пострадавшего нужно немедленно вывести на свежий воздух, для восстановления дыхания можно на небольшое время пользоваться тампоном, смоченным нашатырным спиртом, на короткое время периодически поднося его к носу пострадавшего. Дальнейшее лечение должно проводиться под наблюдением врача. Жидкий бром при попадании на кожу вызывает болезненные ожоги.

Стронций — его соединения токсичны. При попадании в организм возможно поражение костной ткани и печени. ПДК стронция в воде 8 мг/л, в воздухе для гидроксида, нитрата и оксида 1 мг/м3, для сульфата и фосфата 6 мг/м3.

Рутений — летучие и растворимые соединения вызывают аллергию, раздражают слизистые оболочки, вызывают их изъязвление. ПДК для содержания аэрозоля RuO2 в воздухе рабочих помещений 1 мг/м3. 
Индий — токсичен. ПДК в воздухе 0,1 мг/м3. Индиевая пыль вызывает воспалительные и склеротические воспаления легких, поражает печень и другие внутренние органы. Растворимые соединения индия раздражают кожу, глаза, слизистые оболочки.

Серебро — примесный микроэлемент растительных и животных организмов. В организме человека общее содержание серебра составляет несколько десятых грамма. Физиологическая роль серебра неясна. Соединения серебра токсичны. При попадании в организм больших доз растворимых солей серебра наступает острое отравление, сопровождающееся некрозом слизистой желудочно— кишечного тракта. Первая помощь при отравлении — промывание желудка раствором хлорида натрия NaCl, при этом образуется нерастворимый хлорид серебра AgCl, который и выводится из организма. Ион Ag+, попадая на тело, вызывает ожог. Серебро бактерицидно, при 40-200 мкг/л погибают неспоровые бактерии, а при более высоких концентрациях — споровые. ПДК серебра в воздухе 0,1–0,5 мг/м3.

Кадмий — его пары и соединения токсичны, причем кадмий может накапливаться в организме. В питьевой воде ПДК для кадмия 10 мг/м3. Симптомы острого отравления солями кадмия — рвота и судороги. Растворимые соединения кадмия после всасывания в кровь поражают центральную нервную систему, печень и почки, нарушают фосфорно-кальциевый обмен. Хроническое отравление приводит к анемии и разрушению костей.

Индий — токсичен. ПДК в воздухе 0,1 мг/м3. Индиевая пыль вызывает воспалительные и склеротические воспаления легких, поражает печень и другие внутренние органы. Растворимые соединения индия раздражают кожу, глаза, слизистые оболочки.

Олово — в теле человека содержится примерно (1-2)• 10–4% олова, а его ежедневное поступление с пищей составляет 0,2-3,5 мг. Олово представляет опасность для человека в виде паров и различных аэрозольных частиц, пыли. При воздействии паров или пыли олова может развиться стеноз — поражение легких. Очень токсичны некоторые оловоорганические соединения. Временно допустимая концентрация соединений олова в атмосферном воздухе 0,05 мг/м3, ПДК олова в пищевых продуктах 200 мг/кг, в молочных продуктах и соках — 100 мг/кг. Токсическая доза олова для человека — 2 г.

Сурьма — относится к микроэлементам, содержание в организме человека 10–6% по массе. Постоянно присутствует в живых организмах, физиологическая и биохимическая роль не выяснена. Накапливается в щитовидной железе, угнетает ее функцию и вызывает эндемический зоб. Однако, попадая в пищеварительный тракт, соединения сурьмы не вызывают отравления, так как соли Sb(III) там гидролизуются с образованием малорастворимых продуктов. Пыль и пары Sb вызывают носовые кровотечения, сурьмяную «литейную лихорадку», пневмосклероз, поражают кожу, нарушают половые функции. Для аэрозолей сурьмы ПДК в воздухе рабочей зоны 0,5 мг/м3, в атмосферном воздухе 0,01 мг/м3. ПДК в почве 4,5 мг/кг, в воде 0,05 мг/л.

Теллур — его летучие соединения токсичны. Попадание в организм вызывает тошноту, бронхиты, пневмонию. ПДК в воздухе 0,01 мг/м3, в воде 0,01 мг/л. При отравлениях теллур выводится из организма в виде отвратительно пахнущих теллуроорганических соединений.

Ртуть — в книге Инка Гарсиласо де ла Вега есть строки: «Короли инков знали о ртути и восхищались ее подвижностью и движением, однако они не знали, что можно из нее и с ее помощью делать. Они не нашли полезного применения ей в своих службах, скорее они почувствовали, что ртуть причиняет вред жизни тех, кто ее добывал и занимался ею, ибо они видели, что она вызывала у них дрожь и потерю сознания. По этой причине... они запретили законом добывать и вспоминать о ней; и индейцы выполнили это столь усердно, что даже имя ее было стерто в их памяти и исчезло из языка»².

Ртуть и ее соединения высоко - токсичны. Пары и соединения ртути накапливаясь в организме человека, сорбируются легкими, попадают в кровь, нарушают обмен веществ и поражают нервную систему. Признаки ртутного отравления проявляются уже при содержании ртути в концентрации 0.0002–0.0003 мг/л. Пары ртути фито—токсичны, ускоряют старение растений. 
Но вот интересный факт: ртуть обнаружена в молекулах ДНК. Возможно, она участвует в передаче наследственной информации.

Сулема — HgCl2— важнейший антисептик, применяют при разбавлениях 1:1000. Оксид ртути(II), киноварь HgS применяются для лечения глазных и кожных и венерических заболеваний. Киноварь также используют для приготовления чернил и красок. В древности из киновари готовили румяна. Каломель Hg2Cl2 используется в ветеринарии в качестве слабительного средства.

Рений — его растворимые соединения мало - токсичны, однако его металлическая пыль может вызывать интоксикации и заболевания дыхательных путей.

Осмий — его соединения, особенно легколетучие, сильно ядовиты. Тетраоксид — OsO4 — раздражает слизистые, поражает органы дыхания. ПДК в воздухе 0,002 мг/м3.

Радий — сильно токсичен. Около 80% поступившего в организм радия накапливается в костной ткани. Большие концентрации радия вызывают остеопороз, самопроизвольные переломы и опухоли. Соли радия используются в медицине для приготовления радоновых ванн.

Уран — в микро количествах (10-5-10-8 %) обнаруживается в тканях человека. Соединения урана всасываются в желудочно-кишечном тракте (около 1%), в легких — 50%. Основные депо в организме: селезенка, почки, скелет, печень, легкие и бронхолегочные лимфатические узлы. Содержание в органах и тканях человека не превышает 10-7 гг. Уран и его соединения высоко токсичны. Особенно опасны аэрозоли урана и его соединений. Для аэрозолей растворимых в воде соединений урана ПДК в воздухе 0,015 мг/м3, для нерастворимых форм урана ПДК 0,075 мг/м3. При попадании в организм уран действует на все органы, являясь обще клеточным ядом. Молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов. В первую очередь поражаются почки (появляются белок и сахар в моче, олигурия). При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения и нервной системы.

Радон — радионуклиды радона обусловливают более половины всей дозы радиации, которую в среднем получает организм человека от природных и техногенных радионуклидов окружающей среды. Распад ядер радона в легочной ткани вызывает микроожог. Если концентрация радона в воздухе значительна, то попадание его в легкие может вызвать онкологическое заболевание. ПДК радона в воздухе помещений 100 Бк/м3. Предельно допустимое поступление Rn через органы дыхания 146 Мбк/год.

Свинец — его соединения токсичны. Попадая в организм, свинец накапливается в костях, вызывая их разрушение. ПДК в атмосферном воздухе соединений свинца 0,003 мг/м3, в воде 0,03 мг/л, почве 20,0 мг/кг. Выброс свинца в Мировой океан 430-650 тысяч т/год.

Таллий — его соединения высокотоксичны вследствие того, что катион Tl+ образует прочные соединения с серосодержащими лигандами:

Tl++R–SH=R–S–TI+Н+. Поэтому соединения Tl+ подавляют активность ферментов, содержащих тиогруппы SH. Вследствие близости радиусов K+ и Tl+ эти ионы обладают сходными свойствами и способны замещать друг друга в ферментах. Попадание в организм даже очень незначительных количеств соединений Tl+ вызывает выпадение волос, поражение нервной системы, почек, желудка. ПДК в воде 0,0001 мг/л, для соединений таллия в воздухе рабочих помещений 0,01 мг/м3, в атмосферном воздухе 0.004 мг/м3. В качестве противоядия используют серосодержащую аминокислоту цистеин HS–CH2CH(NH2)COOH.

 

2. Роль воды и неорганических веществ в жизнедеятельности клетки.

Вода  содержание в клетке — от 40 до 98% ее массы. Роль воды в клетке:   

— обеспечивает  объем, форму, упругость клетки. Последствия потери клеткой воды — увядание листьев, высыхание плодов;

— ускорение  химических реакций за счет растворения веществ в воде; 
— обеспечение перемещения веществ: поступление большинства веществ в клетку и удаление их из клетки в виде растворов;

— обеспечение растворения многих химических веществ (ряда солей, сахаров);

— участвует в образовании структурных молекул органических веществ

—  участие в ряде химических реакций;

—  участие в процессе теплорегуляции благодаря способности к медленному нагреванию и медленному остыванию.

Биологическая роль воды определяется особенностью ее молекулярной структуры, полярностью  молекул воды. Молекулярный состав клетки. Неорганические соединения: вода 70—80 %;  минеральные соли 1,0—1,5 %. Органические соединения:  белки 10—20 %;

углеводы 0,2—2,0 %; жиры 1—5 %; нуклеиновые кислоты 1,0—2,0 %;  АТФ, соли и др. вещества 0,1—0,5 %. Частица воды - диполь: в области атомов водорода (протона) преобладает положительный заряд, а в области атомов кислорода - отрицательный. Много веществ способно растворяться в воде: соли, кислоты, щелочи, а из органических веществ - многие спирты, амины, углеводы, белки и др. Данные вещества, называются гидрофильными (греч.“гидрос” - вода, “филео” - люблю). Жиры, клетчатка и другие вещества плохо или вовсе не растворяются в воде, их называют гидрофобными (греч. “гидрос” - вода, “фобос” - страх, ненависть).

Гидрофильные  вещества - это соли, углеводы, белки, низкомолекулярные органические соединения. Многие жиры - гидрофобны.

Гидрофобные вещества входят в состав клеточных мембран, обусловливая их полупроницаемость.

Для процессов  жизнедеятельности клетки наиболее важны такие катионы, как K+, Na+, Ca2+, Mg2+, из анионов - HPO42-, Cl-, HCO3-.

В норме реакция  клеток слабощелочная, почти нейтральная, обеспечиваемая содержащимися в клетке анионами слабых кислот (НСО3-, НРО4-) и слабыми кислотами (Н2СО3), которые связывают и отдают ионы водорода, в результате чего реакция внутренней среды клетки практически не изменяется. Некоторые неорганические вещества содержатся в клетке не только в растворенном, но и в твердом состоянии.

Сходство химического  состава клеток разных организмов как  доказательство их родства. Основные химические элементы, входящие в состав клетки: кислород, углерод, водород, азот, калий, сера, фосфор, хлор, магний, натрий, кальций, железо.  

Роль различных  химических элементов в клетке.

Кислород, углерод, водород и азот — основные химические элементы, из которых состоят молекулы органических веществ. Такие элементы, как калий, натрий и хлор, — входят в состав плазмы крови, участвуют в обмене веществ и обеспечивают постоянство внутренней среды организма — гомеостаз.  

Сера — элемент, входящий в состав некоторых белков.

Фосфор входит в состав всех нуклеиновых кислот.

Магний —  хлорофилла.

Железо — гемоглобина (гемоглобин — белок, входящий в состав эритроцитов и обеспечивающий перенос кислорода и углекислого газа в организме).

Кальций — костей, раковин моллюсков.

Химические  вещества, входящие в состав клетки:

— неорганические (вода, минеральные соли)

— органические (углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты, АТФ).

Минеральные соли, их роль в клетке. Содержание минеральных  солей в клетке в виде катионов (К+, Na+, Ca2+, Mg2+) и анионов (—НРО~, — Н2РС>4, —СГ, —НСС*з). Уравновешенность содержания катионов и анионов в клетке, обеспечивающая постоянство внутренней среды организма. Примеры: в клетке среда слабощелочная, внутри клетки высокая концентрация ионов К+, а в окружающей клетку среде — ионов Na+.

Участие минеральных солей в обмене веществ.

 

Глава 2

1. Учение Ч. Дарвина об эволюции органического мира.

Наблюдения, сделанные  во время кругосветного путешествия, явились первым толчком к зарождению у Дарвина мысли об изменяемости видов. Под углом зрения идеи преемственной, исторической связи между различными видами организмов Дарвин начал изучать данные, накопленные до него в палеонтологии, биогеографии, сравнительной анатомии, систематике, эмбриологии и других биологических дисциплинах. И в каждой из них он находил обильный материал, подтверждающий его взгляд на развитие живой природы.