Większość spotykana w organizmach żywych pierwiastki chemiczne Odkryty dotychczas układ okresowy pierwiastków D.I. Mendelejewa. Z jednej strony nie zawierają one ani jednego pierwiastka, który nie występowałby w przyrodzie nieożywionej, a z drugiej strony ich stężenia w organizmach przyrody nieożywionej i organizmach żywych znacznie się różnią.
Te pierwiastki chemiczne tworzą substancje nieorganiczne i organiczne. Pomimo tego, że w organizmach żywych przeważają substancje nieorganiczne, to właśnie substancje organiczne decydują o ich wyjątkowości skład chemiczny oraz zjawisko życia w ogóle, ponieważ są syntetyzowane głównie przez organizmy w procesie życia i odgrywają istotną rolę w reakcjach.
Nauka bada skład chemiczny organizmów i zachodzące w nich reakcje chemiczne. biochemia.
Należy zauważyć, że zawartość substancji chemicznych w różnych komórkach i tkankach może się znacznie różnić. Na przykład, jeśli w komórkach zwierzęcych wśród związków organicznych dominują białka, to w komórkach roślinnych dominują węglowodany.
| Pierwiastek chemiczny | Skorupa ziemska | woda morska | Organizmy żywe |
| O | 49.2 | 85.8 | 65–75 |
| C | 0.4 | 0.0035 | 15–18 |
| H | 1.0 | 10.67 | 8–10 |
| N | 0.04 | 0.37 | 1.5–3.0 |
| P | 0.1 | 0.003 | 0.20–1.0 |
| S | 0.15 | 0.09 | 0.15–0.2 |
| K | 2.35 | 0.04 | 0.15–0.4 |
| Ok | 3.25 | 0.05 | 0.04–2.0 |
| kl | 0.2 | 0.06 | 0.05–0.1 |
| Mg | 2.35 | 0.14 | 0.02–0.03 |
| Nie | 2.4 | 1.14 | 0.02–0.03 |
| Fe | 4.2 | 0.00015 | 0.01–0.015 |
| Zn | < 0.01 | 0.00015 | 0.0003 |
| Cu | < 0.01 | < 0.00001 | 0.0002 |
| I | < 0.01 | 0.000015 | 0.0001 |
| F | 0.1 | 2.07 | 0.0001 |
Makro- i mikroelementy
W organizmach żywych występuje około 80 pierwiastków chemicznych, ale tylko 27 z nich ma ustalone funkcje w komórce i organizmie. Pozostałe pierwiastki występują w małych ilościach i najwyraźniej dostają się do organizmu z pożywieniem, wodą i powietrzem. Zawartość pierwiastków chemicznych w organizmie jest bardzo zróżnicowana. W zależności od stężenia dzielimy je na makroelementy i mikroelementy.
Stężenie każdego makroelementy w organizmie przekracza 0,01%, a ich łączna zawartość wynosi 99%. Do makroelementów zaliczamy tlen, węgiel, wodór, azot, fosfor, siarkę, potas, wapń, sód, chlor, magnez i żelazo. Nazywa się również pierwsze cztery z wymienionych pierwiastków (tlen, węgiel, wodór i azot). organogeniczne, ponieważ są częścią głównych związków organicznych. Fosfor i siarka są również składnikami tej serii materia organiczna takie jak białka i kwasy nukleinowe. Fosfor jest niezbędny do budowy kości i zębów.
Bez pozostałych makroelementów normalne funkcjonowanie organizmu nie jest możliwe. Zatem potas, sód i chlor biorą udział w procesach wzbudzenia komórek. Potas jest także niezbędny do funkcjonowania wielu enzymów oraz zatrzymywania wody w komórce. Wapń znajduje się w ścianach komórkowych roślin, kościach, zębach i muszlach mięczaków i jest niezbędny do skurczu komórek mięśniowych i ruchu wewnątrzkomórkowego. Magnez jest składnikiem chlorofilu – pigmentu zapewniającego zajście fotosyntezy. Bierze także udział w biosyntezie białek. Żelazo oprócz tego, że wchodzi w skład hemoglobiny przenoszącej tlen we krwi, jest niezbędne w procesach oddychania i fotosyntezy, a także w funkcjonowaniu wielu enzymów.
Mikroelementy zawarte są w organizmie w stężeniach mniejszych niż 0,01%, a ich całkowite stężenie w komórce nie osiąga 0,1%. Do mikroelementów zaliczamy cynk, miedź, mangan, kobalt, jod, fluor itp. Cynk wchodzi w skład cząsteczki hormonu trzustki – insuliny, miedź jest niezbędna w procesach fotosyntezy i oddychania. Kobalt jest składnikiem witaminy B12, której brak prowadzi do anemii. Jod jest niezbędny do syntezy hormonów tarczycy, które zapewniają prawidłowy metabolizm, a fluor jest związany z powstawaniem szkliwa zębów.
Zarówno niedobór, jak i nadmiar lub zaburzenie metabolizmu makro- i mikroelementów prowadzą do rozwoju różnych chorób. W szczególności brak wapnia i fosforu powoduje krzywicę, brak azotu - poważny niedobór białka, niedobór żelaza - anemię, a brak jodu - naruszenie tworzenia hormonów tarczycy i zmniejszenie tempa metabolizmu. Zmniejszenie spożycia fluoru z wody i pożywienia w dużej mierze determinuje zaburzenie odnowy szkliwa zębów i w konsekwencji predyspozycję do próchnicy. Ołów jest toksyczny dla prawie wszystkich organizmów. Jej nadmiar powoduje nieodwracalne uszkodzenia mózgu i ośrodkowego układu nerwowego układ nerwowy, która objawia się utratą wzroku i słuchu, bezsennością, niewydolnością nerek, drgawkami, a także może prowadzić do paraliżu i chorób takich jak nowotwory. Ostremu zatruciu ołowiem towarzyszą nagłe halucynacje, które kończą się śpiączką i śmiercią.
Brak makro- i mikroelementów można zrekompensować zwiększając ich zawartość w pożywieniu woda pitna a także poprzez przyjmowanie leków. Zatem jod znajduje się w owocach morza i soli jodowanej, wapń w skorupkach jaj itp.
Związek między strukturą i funkcjami substancji nieorganicznych i organicznych (białka, kwasy nukleinowe, węglowodany, lipidy, ATP) tworzących komórkę. Rola substancji chemicznych w komórce i organizmie człowieka
Substancje nieorganiczne
Elementy chemiczne formy komórkowej różne połączenia- nieorganiczne i organiczne. Substancje nieorganiczne komórki obejmują wodę, sole mineralne, kwasy itp., A substancje organiczne obejmują białka, kwasy nukleinowe, węglowodany, lipidy, ATP, witaminy itp.
Woda(H 2 O) jest najczęstszą substancją nieorganiczną komórki, która ma unikalne właściwości właściwości fizyczne i chemiczne. Nie ma smaku, koloru ani zapachu. Gęstość i lepkość wszystkich substancji ocenia się za pomocą wody. Podobnie jak wiele innych substancji, woda może występować w trzech stanach skupienia: stałym (lód), ciekłym i gazowym (para). Temperatura topnienia wody wynosi 0°C, temperatura wrzenia 100°C, jednak rozpuszczenie innych substancji w wodzie może zmienić te właściwości. Pojemność cieplna wody jest również dość wysoka - 4200 kJ/mol K, co daje jej możliwość wzięcia udziału w procesach termoregulacji. W cząsteczce wody atomy wodoru są ułożone pod kątem 105°, a wspólne pary elektronów są odrywane przez bardziej elektroujemny atom tlenu. Determinuje to właściwości dipolowe cząsteczek wody (jeden koniec jest naładowany dodatnio, a drugi ujemnie) oraz możliwość tworzenia się wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczkami wody. Spójność cząsteczek wody leży u podstaw zjawiska napięcia powierzchniowego, kapilarności i właściwości wody jako uniwersalnego rozpuszczalnika. W rezultacie wszystkie substancje dzielą się na te rozpuszczalne w wodzie (hydrofilowe) i nierozpuszczalne w niej (hydrofobowe). Dzięki tym wyjątkowym właściwościom z góry wiadomo, że woda stała się podstawą życia na Ziemi.
Średnia zawartość wody w komórkach organizmu jest zmienna i może zmieniać się wraz z wiekiem. Zatem w półtoramiesięcznym zarodku ludzkim zawartość wody w komórkach sięga 97,5%, u ośmiomiesięcznego - 83%, u noworodka spada do 74%, a u u osoby dorosłej średnio 66%. Jednakże komórki organizmu różnią się zawartością wody. Tak więc kości zawierają około 20% wody, wątroba - 70%, a mózg - 86%. Generalnie można tak powiedzieć stężenie wody w komórkach jest wprost proporcjonalne do tempa metabolizmu.
Sole mineralne może występować w stanie rozpuszczonym lub nierozpuszczonym. Rozpuszczalne sole dysocjują na jony - kationy i aniony. Najważniejszymi kationami są jony potasu i sodu, które ułatwiają przenikanie substancji przez błonę oraz biorą udział w powstawaniu i przewodzeniu impulsów nerwowych; a także jony wapnia, które biorą udział w procesach skurczu włókien mięśniowych i krzepnięcia krwi; magnez, który jest częścią chlorofilu; żelazo, które jest częścią wielu białek, w tym hemoglobiny. Najważniejsze aniony to anion fosforanowy, będący częścią ATP i kwasów nukleinowych, oraz reszta kwasu węglowego, która łagodzi wahania pH środowiska. Jony soli mineralnych zapewniają wnikanie samej wody do wnętrza komórki i jej zatrzymywanie w niej. Jeśli stężenie soli w środowisku jest niższe niż w komórce, wówczas woda wnika do komórki. Jony decydują także o właściwościach buforujących cytoplazmy, czyli o jej zdolności do utrzymywania stałego, lekko zasadowego pH cytoplazmy, pomimo ciągłego tworzenia się w komórce produktów kwaśnych i zasadowych.
Nierozpuszczalne sole(CaCO 3, Ca 3 (PO 4) 2 itp.) Są częścią kości, zębów, muszli i skorup zwierząt jednokomórkowych i wielokomórkowych.
Ponadto organizmy mogą wytwarzać inne związki nieorganiczne, takie jak kwasy i tlenki. W ten sposób komórki okładzinowe ludzkiego żołądka wytwarzają kwas solny, który aktywuje enzym trawienny pepsynę, a tlenek krzemu przenika ściany komórkowe skrzypy i tworzy skorupy okrzemek. W ostatnich latach badano także rolę tlenku azotu (II) w sygnalizacji w komórkach i organizmie.
Materia organiczna
Związki organiczne stanowią średnio 20-30% masy komórkowej żywego organizmu. Należą do nich polimery biologiczne – białka, kwasy nukleinowe i węglowodany, a także tłuszcze i szereg małych cząsteczek – hormony, pigmenty, ATP i wiele innych.
W różne typy komórki zawierają nierówne ilości związków organicznych. Przeważa w komórkach roślinnych węglowodany złożone- polisacharydy, u zwierząt - więcej białek i tłuszczów. Jednak każda z grup substancji organicznych w dowolnym typie komórki pełni podobne funkcje.
Lipidy - tak nazywa się tłuszcze i substancje tłuszczopodobne (lipoidy). Substancje tu zawarte charakteryzują się rozpuszczalnością w rozpuszczalnikach organicznych i nierozpuszczalnością (względną) w wodzie.
Istnieją tłuszcze roślinne, które w temperaturze pokojowej mają konsystencję płynną i tłuszcze zwierzęce, które mają konsystencję stałą.
Funkcje lipidów:
Strukturalny - fosfolipidy są częścią błon komórkowych;
Przechowywanie - tłuszcze gromadzą się w komórkach kręgowców;
Energia - jedna trzecia energii zużywanej przez komórki kręgowców w spoczynku powstaje w wyniku utleniania tłuszczów, które są również wykorzystywane jako źródło wody;
Ochronne – podskórna warstwa tłuszczu chroni organizm przed uszkodzeniami mechanicznymi;
Izolacja termiczna - tłuszcz podskórny pomaga zatrzymać ciepło;
Izolacja elektryczna - mielina wydzielana przez komórki Schwanna izoluje niektóre neurony, co wielokrotnie przyspiesza przekazywanie impulsów nerwowych;
Odżywcze - kwasy żółciowe i witamina D powstają ze steroidów;
Smarowanie – woski pokrywają skórę, sierść, pióra zwierząt i chronią je przed wodą; liście wielu roślin pokryte są woskową powłoką; wosk jest używany przez pszczoły do budowy plastrów miodu;
Hormonalne – hormony nadnerczy – kortyzon i hormony płciowe mają charakter lipidowy, ich cząsteczki nie zawierają kwasów tłuszczowych.
Podczas rozkładu 1 g tłuszczu uwalniane jest 38,9 kJ energii.
Węglowodany
Węglowodany zawierają węgiel, wodór i tlen. Wyróżnia się następujące węglowodany. Podczas rozkładu 1 g substancji wydziela się 17,6 kJ energii.
Monosacharydy, czyli proste węglowodany, które w zależności od zawartości atomów węgla nazywane są triozami, pentozami, heksozami itp. Pentozy - ryboza i deoksyryboza - są częścią DNA i RNA. Heksoza – glukoza – służy jako główne źródło energii w komórce.
Polisacharydy- polimery, których monomerami są monosacharydy heksozowe. Najbardziej znane disacharydy (dwa monomery) to sacharoza i laktoza. Najważniejszymi polisacharydami są skrobia i glikogen, które służą jako substancje rezerwowe dla komórek roślinnych i zwierzęcych, a także celuloza, najważniejszy składnik strukturalny komórek roślinnych.
Rośliny mają większą różnorodność węglowodanów niż zwierzęta, ponieważ są w stanie je syntetyzować w świetle podczas procesu fotosyntezy. Najważniejsze funkcje węglowodanów w komórce: energetyczna, strukturalna i magazynująca.
Rola energetyczna polega na tym, że węglowodany służą jako źródło energii w komórkach roślinnych i zwierzęcych; strukturalny - ściana komórkowa roślin składa się prawie wyłącznie z polisacharydu celulozy; przechowywanie - skrobia służy jako produkt rezerwowy dla roślin. Gromadzi się w procesie fotosyntezy w okresie wegetacyjnym i u wielu roślin odkłada się w bulwach, cebulach itp. W komórkach zwierzęcych rolę tę pełni glikogen, który odkłada się głównie w wątrobie.
Wiewiórki
Wśród substancji organicznych komórek białka zajmują pierwsze miejsce, zarówno pod względem ilości, jak i znaczenia. U zwierząt stanowią około 50% suchej masy komórki. W organizmie człowieka występuje około 5 milionów rodzajów cząsteczek białek, które różnią się nie tylko między sobą, ale także od białek innych organizmów. Pomimo takiej różnorodności i złożoności struktury, białka zbudowane są jedynie z 20 różnych aminokwasów. Część białek budujących komórki narządów i tkanek, a także aminokwasy, które dostają się do organizmu, ale nie są wykorzystywane w syntezie białek, ulegają rozkładowi, uwalniając 17,6 kJ energii na 1 g substancji.
Białka pełnią w organizmie wiele różnych funkcji: budowę (wchodzą w skład różnych formacji strukturalnych); ochronne (specjalne białka - przeciwciała - są w stanie wiązać i neutralizować mikroorganizmy i obce białka) itp. Ponadto białka biorą udział w krzepnięciu krwi, zapobiegając ciężkim krwawieniom, pełnią funkcje regulacyjne, sygnalizacyjne, motoryczne, energetyczne, transportowe (przenoszenie niektórych substancji w organizmie).
Funkcja katalityczna białek jest niezwykle ważna. Termin „kataliza” oznacza „rozwiązanie”, „wyzwolenie”. Substancje zaliczane do katalizatorów przyspieszają przemiany chemiczne, a skład samych katalizatorów po reakcji pozostaje taki sam jak przed reakcją.
Enzymy
Wszystkie enzymy pełniące rolę katalizatorów są substancjami o charakterze białkowym, przyspieszają reakcje chemiczne zachodzące w komórce dziesiątki i setki tysięcy razy. O aktywności katalitycznej enzymu nie decyduje cała jego cząsteczka, a jedynie jej niewielka część – centrum aktywne, którego działanie jest bardzo specyficzne. Jedna cząsteczka enzymu może mieć kilka centrów aktywnych.
Niektóre cząsteczki enzymów mogą składać się wyłącznie z białka (na przykład pepsyny) - jednoskładnikowej lub prostej; inne zawierają dwa składniki: białko (apoenzym) i małą cząsteczkę organiczną - koenzym. Ustalono, że witaminy pełnią w komórkach rolę koenzymów. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że żadna pojedyncza reakcja w komórce nie może przebiegać bez udziału enzymów, staje się oczywiste, że witaminy mają ogromne znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania komórki i całego organizmu. Brak witamin zmniejsza aktywność enzymów je zawierających.
Aktywność enzymów jest bezpośrednio zależna od działania szeregu czynników: temperatury, kwasowości (pH środowiska), a także od stężenia cząsteczek substratu (substancji, na którą działają), samych enzymów i koenzymów ( witaminy i inne substancje tworzące koenzymy).
Określony proces enzymatyczny może być stymulowany lub hamowany przez działanie różnych substancji biologicznie aktywnych, takich jak hormony, leki, stymulatory wzrostu roślin, substancje toksyczne itp.
Witaminy
Witaminy - biologicznie aktywne drobnocząsteczkowe substancje organiczne - uczestniczą w metabolizmie i przemianie energii najczęściej jako składniki enzymów.
Dzienne zapotrzebowanie człowieka na witaminy wynosi miligramy, a nawet mikrogramy. Znanych jest ponad 20 różnych witamin.
Źródłem witamin dla człowieka są produkty spożywcze, głównie pochodzenia roślinnego, a w niektórych przypadkach pochodzenia zwierzęcego (witaminy D, A). Niektóre witaminy są syntetyzowane w organizmie człowieka.
Brak witamin powoduje chorobę - hipowitaminozę, ich całkowity brak - awitaminozę, a nadmiar - hiperwitaminozę.
Hormony
Hormony - substancje wytwarzane przez gruczoły wydzielania wewnętrznego i niektóre komórki nerwowe - neurohormony. Hormony mogą brać udział w reakcjach biochemicznych, regulując procesy metaboliczne (metabolizm i energię).
Charakterystycznymi cechami hormonów są: 1) wysoka aktywność biologiczna; 2) wysoka specyficzność (sygnały hormonalne w „komórce docelowej”); 3) zasięg działania (przenoszenie hormonów przez krew na odległość 4) względny; krótki czas życia w organizmie (kilka minut lub godzin).
Kwasy nukleinowe
Istnieją 2 rodzaje kwasów nukleinowych: DNA (kwas deoksyrybonukleinowy) i RNA (kwas rybonukleinowy).
ATP - kwas adenozynotrifosforowy, nukleotyd składający się z zasady azotowej adeniny, węglowodanowej rybozy i trzech cząsteczek kwasu fosforowego.
Struktura jest niestabilna, pod wpływem enzymów zamienia się w ADP – kwas adenozynodifosforowy (odszczepia się jedna cząsteczka kwasu fosforowego) z wyzwoleniem energii 40 kJ. ATP jest jedynym źródłem energii dla wszystkich reakcji komórkowych.
Specyfika struktury chemicznej kwasów nukleinowych zapewnia możliwość przechowywania, przenoszenia i dziedziczenia do komórek potomnych informacji o strukturze cząsteczek białka syntetyzowanych w każdej tkance na pewnym etapie indywidualnego rozwoju.
Kwasy nukleinowe zapewniają stabilne zachowanie informacji dziedzicznej i kontrolują tworzenie odpowiednich białek enzymatycznych, a białka enzymatyczne determinują główne cechy metabolizmu komórkowego.
Związki organiczne stanowią średnio 20-30% masy komórkowej żywego organizmu. Należą do nich polimery biologiczne – białka, kwasy nukleinowe i węglowodany, a także tłuszcze i szereg małych cząsteczek – hormony, pigmenty, ATP i wiele innych.
Różne typy komórek zawierają różną ilość związków organicznych. W komórkach roślinnych dominują węglowodany złożone – polisacharydy, natomiast w komórkach zwierzęcych jest więcej białek i tłuszczów. Jednak każda z grup substancji organicznych w dowolnym typie komórki pełni podobne funkcje.
Aminokwasy, zasady azotowe, lipidy, węglowodany itp. dostają się do komórki wraz z pożywieniem lub powstają w niej z prekursorów. Służą jako produkty wyjściowe do syntezy szeregu polimerów niezbędnych dla komórki.
Białka z reguły są potężnymi, wysoce specyficznymi enzymami i regulują metabolizm komórkowy.
Kwasy nukleinowe służą jako magazyny informacji dziedzicznej. Ponadto kwasy nukleinowe kontrolują tworzenie odpowiednich białek enzymatycznych w odpowiedniej ilości i we właściwym czasie.
Lipidy
Lipidy to nazwa nadana tłuszczom i substancjom tłuszczopodobnym (lipidom). Substancje tu zawarte charakteryzują się rozpuszczalnością w rozpuszczalnikach organicznych i nierozpuszczalnością (względną) w wodzie.
Istnieją tłuszcze roślinne, które w temperaturze pokojowej mają konsystencję płynną i tłuszcze zwierzęce, które mają konsystencję stałą.
Lipidy są częścią wszystkich błon plazmatycznych. Pełnią w komórce rolę energetyczną oraz aktywnie uczestniczą w procesach metabolizmu i reprodukcji komórek.
Węglowodany
Węglowodany zawierają węgiel, wodór i tlen. Wyróżnia się następujące węglowodany.
- Monosacharydy, czyli proste węglowodany, które w zależności od zawartości atomów węgla nazywane są triozami, pentozami, heksozami itp. Pentozy - ryboza i deoksyryboza - są częścią DNA i RNA. Heksoza – glukoza – służy jako główne źródło energii w komórce. Ich wzór empiryczny można przedstawić jako Cn(H2O)n.
- Polisacharydy- polimery, których monomerami są monosacharydy heksozowe. Najbardziej znane disacharydy (dwa monomery) to sacharoza i laktoza. Najważniejszymi polisacharydami są skrobia i glikogen, które służą jako substancje rezerwowe dla komórek roślinnych i zwierzęcych, a także celuloza, najważniejszy składnik strukturalny komórek roślinnych.
Rośliny mają większą różnorodność węglowodanów niż zwierzęta, ponieważ są w stanie je syntetyzować w świetle podczas procesu fotosyntezy. Najważniejsze funkcje węglowodanów w komórce: energetyczna, strukturalna i magazynująca.
Rola energetyczna polega na tym, że węglowodany służą jako źródło energii w komórkach roślinnych i zwierzęcych; strukturalny - ściana komórkowa roślin składa się prawie wyłącznie z polisacharydu celulozy; przechowywanie - skrobia służy jako produkt rezerwowy dla roślin. Gromadzi się w procesie fotosyntezy w okresie wegetacyjnym i u wielu roślin odkłada się w bulwach, cebulach itp. W komórkach zwierzęcych rolę tę pełni glikogen, który odkłada się głównie w wątrobie.
Wiewiórki
Wśród substancji organicznych komórek białka zajmują pierwsze miejsce, zarówno pod względem ilości, jak i znaczenia. U zwierząt stanowią około 50% suchej masy komórki. W organizmie człowieka występuje około 5 milionów rodzajów cząsteczek białek, które różnią się nie tylko między sobą, ale także od białek innych organizmów. Pomimo takiej różnorodności i złożoności struktury, białka zbudowane są jedynie z 20 różnych aminokwasów.
Rozważmy bardziej szczegółowo właściwości białek. Do najważniejszych z nich zalicza się denaturację i renaturację.
Denaturacja to utrata organizacji strukturalnej cząsteczki białka. Denaturacja może być spowodowana zmianami temperatury, odwodnieniem, ekspozycją na promieniowanie rentgenowskie i innymi czynnikami. Na początku niszczona jest najsłabsza struktura - czwartorzędowa, następnie trzeciorzędowa, wtórna i, w najcięższych warunkach, pierwotna.
Jeśli zmiana warunków środowiskowych nie prowadzi do zniszczenia pierwotnej struktury cząsteczki, to po przywróceniu normalne warunkiŚrodowisko i struktura białka są całkowicie odtworzone. Proces ten nazywa się renaturacją. Ta właściwość białek polegająca na całkowitym przywróceniu utraconej struktury jest szeroko stosowana w przemyśle medycznym i spożywczym do wytwarzania niektórych preparatów medycznych, na przykład antybiotyków, w celu uzyskania koncentratów spożywczych konserwujących długo w postaci suszonej składniki odżywcze. W niektórych organizmach żywych zwykła częściowa odwrotna denaturacja białek jest związana z ich funkcjami (motorycznymi, sygnalizacyjnymi, katalitycznymi itp.). Proces niszczenia pierwotnej struktury białka jest zawsze nieodwracalny i nazywany jest niszczeniem.
Chemiczne i właściwości fizyczne białka są bardzo różnorodne: hydrofilowe, hydrofobowe; Niektóre z nich łatwo zmieniają swoją strukturę pod wpływem czynników, inne są bardzo stabilne. Białka dzielą się na proste - białka składające się wyłącznie z reszt aminokwasowych i złożone - białka, które oprócz reszt kwasowych aminokwasów zawierają także inne substancje o charakterze niebiałkowym (reszty kwasów fosforowych i nukleinowych, węglowodany, lipidy itp.).
Białka pełnią w organizmie wiele różnych funkcji: budowę (wchodzą w skład różnych formacji strukturalnych); ochronne (specjalne białka - przeciwciała - są w stanie wiązać i neutralizować mikroorganizmy i obce białka) itp. Ponadto białka biorą udział w krzepnięciu krwi, zapobiegając ciężkim krwawieniom, pełnią funkcje regulacyjne, sygnalizacyjne, motoryczne, energetyczne, transportowe (przenoszenie niektórych substancji w organizmie).
Funkcja katalityczna białek jest niezwykle ważna. Przyjrzyjmy się tej funkcji bardziej szczegółowo. Termin „kataliza” oznacza „rozwiązanie”, „wyzwolenie”. Substancje zaliczane do katalizatorów przyspieszają przemiany chemiczne, a skład samych katalizatorów po reakcji pozostaje taki sam jak przed reakcją.
Enzymy
Wszystkie enzymy pełniące rolę katalizatorów są substancjami o charakterze białkowym, przyspieszają reakcje chemiczne zachodzące w komórce dziesiątki i setki tysięcy razy. O aktywności katalitycznej enzymu nie decyduje cała jego cząsteczka, a jedynie jej niewielka część – centrum aktywne, którego działanie jest bardzo specyficzne. Jedna cząsteczka enzymu może mieć kilka centrów aktywnych.
Niektóre cząsteczki enzymów mogą składać się wyłącznie z białka (na przykład pepsyny) - jednoskładnikowej lub prostej; inne zawierają dwa składniki: białko (apoenzym) i małą cząsteczkę organiczną - koenzym. Ustalono, że witaminy pełnią w komórkach rolę koenzymów. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że żadna pojedyncza reakcja w komórce nie może przebiegać bez udziału enzymów, staje się oczywiste, że witaminy mają ogromne znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania komórki i całego organizmu. Brak witamin zmniejsza aktywność enzymów je zawierających.
Aktywność enzymów jest bezpośrednio zależna od działania szeregu czynników: temperatury, kwasowości (pH środowiska), a także od stężenia cząsteczek substratu (substancji, na którą działają), samych enzymów i koenzymów ( witaminy i inne substancje tworzące koenzymy).
Określony proces enzymatyczny może być stymulowany lub hamowany przez działanie różnych substancji biologicznie aktywnych, takich jak hormony, leki, stymulatory wzrostu roślin, substancje toksyczne itp.
Witaminy
Witaminy – biologicznie aktywne, drobnocząsteczkowe substancje organiczne – biorą udział w metabolizmie i przetwarzaniu energii w większości przypadków jako składniki enzymów.
Dzienne zapotrzebowanie człowieka na witaminy wynosi miligramy, a nawet mikrogramy. Znanych jest ponad 20 różnych witamin.
Źródłem witamin dla człowieka jest przede wszystkim żywność pochodzenie roślinne, w niektórych przypadkach - i zwierzęta (witamina D, A). Niektóre witaminy są syntetyzowane w organizmie człowieka.
Brak witamin powoduje chorobę - hipowitaminozę, ich całkowity brak - awitaminozę, a nadmiar - hiperwitaminozę.
Hormony
Hormony to substancje wytwarzane przez gruczoły wydzielania wewnętrznego i niektóre komórki nerwowe - neurohormony. Hormony mogą brać udział w reakcjach biochemicznych, regulując procesy metaboliczne (metabolizm i energię).
Charakterystycznymi cechami hormonów są:
- wysoka aktywność biologiczna;
- wysoka specyficzność (sygnały hormonalne w „komórkach docelowych”);
- działanie zdalne (przenoszenie hormonów przez krew na odległość do komórek docelowych);
- stosunkowo krótki czas istnienia w organizmie (kilka minut lub godzin).
Substancje hormonopodobne (neurohormony) są syntetyzowane przez zakończenia nerwowe. Komórki nerwowe syntetyzują także neuroprzekaźniki – substancje zapewniające przekazywanie impulsów do komórek. Istnieją hormony o charakterze lipidowym - steroidy (hormony płciowe). Podwzgórze koordynuje pracę układu gruczołów dokrewnych.
Wzrost poszczególnych roślin jest regulowany i koordynowany przez fitohormony, które działają jako przyspieszacze wzrostu i podziału komórek (stymulują podział kambium itp.).
Alkaloidy
W roślinach i niektórych innych organizmach zidentyfikowano inną grupę substancji biologicznie czynnych – alkaloidy. Te związki organiczne są trujące dla ludzi i zwierząt. Niektóre z nich mają działanie narkotyczne, ponieważ zawierają nikotynę, morfinę itp.
Alkaloidy występują u około 2500 gatunków okrytozalążkowe, głównie z rodziny psiankowatych, liliowych, makowych, konopnych i innych. Według wielu naukowców alkaloidy w roślinach pełnią funkcję ochronną - adaptacje chroniące je przed zjedzeniem przez zwierzęta. Alkaloid kolchicyna jest stosowany w medycynie, a także w eksperymentalnej mutagenezie.
Kwasy nukleinowe
Podobnie jak białka, kwasy nukleinowe są heteropolimerami. Ich monomery, nukleotydy, które tworzą cząsteczki kwasu nukleinowego, znacznie różnią się od aminokwasów. Istnieją 2 rodzaje kwasów nukleinowych: DNA (kwas dezoksyrybonukleinowy) i RNA (kwas rybonukleinowy).
ATP to kwas adenozynotrifosforowy, nukleotyd składający się z zasady azotowej adeniny, węglowodanowej rybozy i trzech cząsteczek kwasu fosforowego.
Struktura jest niestabilna, pod wpływem enzymów zamienia się w ADP – kwas adenozynodifosforowy (odszczepia się jedna cząsteczka kwasu fosforowego) z wyzwoleniem energii 40 kJ. ATP jest jedynym źródłem energii dla wszystkich reakcji komórkowych. Jego przekształcenie następuje według następującego schematu:
Zatrzymajmy się bardziej szczegółowo na znaczeniu kwasów nukleinowych, które w komórce działają bardzo ważne funkcje. Specyfika struktury chemicznej kwasów nukleinowych zapewnia możliwość przechowywania, przenoszenia i dziedziczenia do komórek potomnych informacji o strukturze cząsteczek białka syntetyzowanych w każdej tkance na pewnym etapie indywidualnego rozwoju.
Ponieważ większość właściwości organizmu zależy od białek, jasne jest, że stabilność kwasów nukleinowych jest najważniejszym warunkiem życia komórek i całych organizmów. Wszelkie zmiany w strukturze kwasów nukleinowych pociągają za sobą zmiany w strukturze komórek lub działaniu zachodzących w nich procesów fizjologicznych, wpływając tym samym na ich żywotność. Badanie struktury kwasów nukleinowych, które zostało założone po raz pierwszy przez amerykańskiego biologa Watsona i angielskiego fizyka Cricka, jest niezwykle ważne dla zrozumienia dziedziczenia cech w organizmach oraz wzorców funkcjonowania zarówno pojedynczych komórek, jak i układów komórkowych – tkanek i narządy.
Badania biochemików wykazały, że biosynteza białek w organizmach żywych odbywa się pod kontrolą kwasów nukleinowych.
Zatem kwasy nukleinowe zapewniają stabilne zachowanie informacji dziedzicznej i kontrolują tworzenie odpowiednich białek enzymatycznych, a białka enzymatyczne determinują główne cechy metabolizmu komórkowego. Wszystko to jest bardzo ważne dla utrzymania stabilności chemicznej organizmów i ma kluczowe znaczenie dla istnienia życia na Ziemi.
Związki organiczne stanowią średnio 20-30% masy komórkowej żywego organizmu. Należą do nich polimery biologiczne – białka, kwasy nukleinowe i węglowodany, a także tłuszcze i szereg małych cząsteczek – hormony, pigmenty, ATP i wiele innych.
Różne typy komórek zawierają różną ilość związków organicznych. W komórkach roślinnych dominują węglowodany złożone – polisacharydy, natomiast w komórkach zwierzęcych jest więcej białek i tłuszczów. Jednak każda z grup substancji organicznych w dowolnym typie komórki pełni podobne funkcje.
Białka z reguły są potężnymi, wysoce specyficznymi enzymami i regulują metabolizm komórkowy.
Kwasy nukleinowe służą jako magazyny informacji dziedzicznej. Ponadto kwasy nukleinowe kontrolują tworzenie odpowiednich białek enzymatycznych w odpowiedniej ilości i we właściwym czasie.
Lipidy . Wśród niskocząsteczkowych związków organicznych tworzących organizmy żywe ważną rolę odgrywają lipidy, do których zaliczają się tłuszcze, woski i różne substancje tłuszczopodobne. Są to związki hydrofobowe, nierozpuszczalne w wodzie. Zazwyczaj całkowita zawartość lipidów w komórce waha się od 5–15% masy suchej masy.
Natomiast w komórkach podskórnej tkanki tłuszczowej ich liczba wzrasta do 90%.
Tłuszcze obojętne, będące związkami kwasów tłuszczowych o dużej masie cząsteczkowej i alkoholu trójwodorotlenowego, gliceryny, są szeroko rozpowszechnione w przyrodzie.
Model (A) i schemat strukturalny (B) cząsteczki tłuszczu obojętnego
W cytoplazmie komórek tłuszcze obojętne odkładają się w postaci kropelek tłuszczu.
Tłuszcze są źródłem energii. Podczas utleniania 1 g tłuszczu do dwutlenku węgla i wody uwalnia się 38,9 kJ energii (przy utlenieniu 1 g glukozy - tylko 17 kJ).
Tłuszcze służą jako źródło wody metabolicznej; 1 g tłuszczu wytwarza 1,1 g wody. Wykorzystując swoje rezerwy tłuszczu, wielbłądy lub wpadając do nich hibernacja Susły mogą obejść się bez wody przez długi czas.
Tłuszcze magazynowane są głównie w komórkach tkanki tłuszczowej. Tkanka ta pełni funkcję magazynu energii organizmu, zabezpiecza go przed utratą ciepła oraz pełni funkcję ochronną. W jamie ciała pomiędzy narządy wewnętrzne u kręgowców tworzą się elastyczne poduszki tłuszczowe, które chronią narządy przed uszkodzeniem, a podskórna tkanka tłuszczowa tworzy warstwę termoizolacyjną.
Woski – substancje plastikowe o właściwościach hydrofobowych. U owadów służą jako materiał do budowy plastrów miodu. Woskowa powłoka na powierzchni liści, łodyg i owoców chroni rośliny przed uszkodzeniami mechanicznymi i promieniowaniem ultrafioletowym oraz odgrywa ważną rolę w regulacji gospodarki wodnej.
Nie mniej ważne w organizmie są substancje tłuszczopodobne.
Przedstawiciele tej grupy – fosfolipidy – stanowią podstawę wszystkich błon biologicznych. Fosfolipidy swoją budową przypominają tłuszcze, jednak w ich cząsteczce jedną lub dwie reszty kwasu tłuszczowego zastąpiono resztą kwasu fosforowego.
Substancja tłuszczopodobna odgrywa ważną rolę w życiu wszystkich żywych organizmów, zwłaszcza zwierząt. cholesterolu. W warstwie korowej nadnerczy, w gonadach i w łożysku powstają z niego hormony steroidowe (kortykosteroidy i hormony płciowe). W komórkach wątroby kwasy żółciowe są syntetyzowane z cholesterolu, który jest niezbędny do prawidłowego trawienia tłuszczów.
Do substancji tłuszczopodobnych zalicza się także rozpuszczalne w tłuszczach witaminy A, D, E, K, które wykazują wysoką aktywność biologiczną.
Węglowodany to substancje o ogólnym wzorze Cn (H2 O) m. Węglowodany stanowią jedną z głównych grup substancji organicznych występujących w komórkach. Są podstawowymi produktami fotosyntezy i początkowymi produktami biosyntezy innych substancji organicznych w roślinach (kwasy organiczne, alkohole, aminokwasy itp.), A także wchodzą w skład komórek wszystkich innych organizmów. Komórka zwierzęca zawiera 1-2% węglowodanów, komórka roślinna w niektórych przypadkach zawiera 85-90%.
Wyróżnia się trzy grupy węglowodanów:
- monosacharydy lub cukry proste;
- oligosacharydy – związki składające się z 2-10 cząsteczek cukrów prostych połączonych szeregowo;
- polisacharydy składające się z więcej niż 10 cząsteczek cukrów prostych lub ich pochodnych.
Monosacharydy, są to związki oparte na nierozgałęzionym łańcuchu węglowym, w których jeden z atomów węgla posiada grupę karbonylową (C=0), a wszystkie pozostałe posiadają jedną grupę hydroksylową. W zależności od długości szkieletu węglowego (liczby atomów węgla) monosacharydy dzielą się na triozy (C3), heterozy (C4), pentozy (C5), heksozy (C6), heptozy (C7). Przykładami pentoz są ryboza, deoksyryboza, heksoza-glukoza, fruktoza, galaktoza.
Monosacharydy są dobrze rozpuszczalne w wodzie i mają słodki smak. W roztworze wodnym monosacharydy, począwszy od pentoz, przyjmują kształt pierścienia.
Oligosacharydy. Podczas hydrolizy oligosacharydy tworzą kilka cząsteczek cukrów prostych. W oligosacharydach cząsteczki cukrów prostych połączone są tzw. wiązaniami glikozydowymi, łączącymi atom węgla jednej cząsteczki poprzez tlen z atomem węgla drugiej cząsteczki, na przykład:
Do najważniejszych oligosacharydów zalicza się maltozę (cukier słodowy), laktozę (cukier mleczny) i sacharozę (cukier trzcinowy lub buraczany):
glukoza + glukoza = maltoza;
glukoza + galaktoza - laktoza;
glukoza + fruktoza = sacharoza.
Cukry te nazywane są również disacharydy.
Polisacharydy. Są to biopolimery wielkocząsteczkowe (do 10 000 000 Da), składające się z dużej liczby monomerów – cukrów prostych i ich pochodnych.
Polisacharydy mogą składać się z monosacharydów jednego lub różne typy. W pierwszym przypadku nazywane są homopolisacharydami (skrobia, celuloza, chityna itp.), W drugim - heteropolisacharydami (heparyna).
Polisacharydy mogą mieć strukturę liniową, nierozgałęzioną (celuloza) lub strukturę rozgałęzioną (glikogen). Wszystkie polisacharydy są nierozpuszczalne w wodzie i nie mają słodkiego smaku. Niektóre z nich są zdolne do obrzęku i śluzu.
Do najważniejszych polisacharydów należą:
- Celuloza jest liniowym polisacharydem składającym się z kilku prostych równoległych łańcuchów połączonych wiązaniami wodorowymi.
- Skrobia (w roślinach) i glikogen (u zwierząt, ludzi i grzybów) są głównymi polisacharydami magazynującymi z wielu powodów: ponieważ są nierozpuszczalne w wodzie, nie mają działania osmotycznego ani chemicznego na komórkę, co jest ważne, gdy pozostają w żywej komórce przez długi czas.
- Chitynę tworzą cząsteczki pVD-glukozy, w których grupę hydroksylową przy drugim atomie węgla zastąpiono grupą zawierającą azot NHCOCH3. Jest długi obwody równoległe podobnie jak łańcuchy celulozowe, są one zebrane w pęczki. Chityna jest głównym elementem strukturalnym powłok stawonogów i ścian komórkowych grzybów.
Funkcje węglowodanów:
Energia. Glukoza jest głównym źródłem energii uwalnianej w komórkach organizmów żywych podczas oddychania komórkowego. Skrobia i glikogen stanowią rezerwy energetyczne w komórkach.
Strukturalny. Celuloza jest częścią ścian komórkowych roślin; Chityna służy jako składnik strukturalny powłoki stawonogów i ścian komórkowych wielu grzybów. Niektóre oligosacharydy stanowią integralną część błony cytoplazmatycznej komórki (w postaci glikoprotein i glikolipidów), tworząc glikokaliks. Pentozy biorą udział w syntezie kwasów nukleinowych (ryboza jest częścią RNA, deoksyryboza jest częścią DNA), niektórych koenzymów (na przykład NAD, NADP, koenzym A, FAD), AMP; biorą udział w fotosyntezie (difosforan rybulozy jest akceptorem CO2 w ciemnej fazie fotosyntezy).
Ochronny. U zwierząt heparyna zapobiega krzepnięciu krwi; w roślinach dziąsła i śluz powstający w wyniku uszkodzenia tkanki pełnią funkcję ochronną.
Zwierzęta, grzyby i bakterie
| Podpisać | Bakteria | Zwierzęta | Grzyby | Rośliny |
| Metoda odżywiania | Heterotroficzny lub autotroficzny | Heterotroficzny | Heterotroficzny | Autotroficzny |
| Organizacja dziedziczny informacja | Prokarioty | Eukarionty | Eukarionty | Eukarionty |
| Lokalizacja DNA | Nukleoid, plazmidy | Jądro, mitochondria | Jądro, mitochondria | Jądro, mitochondria, plastydy |
| Membrana plazmowa | Jeść | Jeść | Jeść | Jeść |
| Ściana komórkowa | Mureinowa | - | Chitynowy | Miąższ |
| Cytoplazma | Jeść | Jeść | Jeść | Jeść |
| Organoidy | Rybosomy | Błonowe i niebłonowe, łącznie z centrum komórkowym | Membranowe i niemembranowe | Błonowe i niebłonowe, w tym plastydy |
| Organoidy ruchu | Wici i kosmki | Wici i rzęski | Wici i rzęski | Wici i rzęski |
| Wakuole | Rzadko | Skurczowy, trawienny | Czasami | Centralna wakuola z sokiem komórkowym |
| Inkluzje | Wolutin | Glikogen | Glikogen | Skrobia |
Różnice w budowie komórek przedstawicieli różnych królestw żywej przyrody pokazano na ryc. 2.3.
Ryż. 2.3. Budowa komórek bakteryjnych (A), zwierząt (B), grzybów (C) i roślin (D)
2.3. Chemiczna organizacja komórki. Związek między strukturą i funkcjami substancji nieorganicznych i organicznych (białka, kwasy nukleinowe, węglowodany, lipidy, ATP) tworzących komórkę. Uzasadnienie pokrewieństwa organizmów na podstawie analizy składu chemicznego ich komórek.
Skład chemiczny komórki.
Większość odkrytych do tej pory pierwiastków chemicznych z układu okresowego pierwiastków D.I. Mendelejewa została znaleziona w organizmach żywych. Z jednej strony nie zawierają one ani jednego pierwiastka, który nie występowałby w przyrodzie nieożywionej, a z drugiej strony ich stężenia w organizmach przyrody nieożywionej i organizmach żywych znacznie się różnią (tabela 2.2).
Te pierwiastki chemiczne tworzą substancje nieorganiczne i organiczne. Pomimo tego, że w organizmach żywych dominują substancje nieorganiczne (ryc. 2.4), to substancje organiczne decydują o wyjątkowości ich składu chemicznego i fenomenu życia jako całości, ponieważ są syntetyzowane głównie przez organizmy w procesie życia i odgrywają kluczową rolę w reakcjach.
Nauka bada skład chemiczny organizmów i zachodzące w nich reakcje chemiczne. biochemia.
Należy zauważyć, że zawartość substancji chemicznych w różnych komórkach i tkankach może się znacznie różnić. Na przykład, jeśli w komórkach zwierzęcych wśród związków organicznych dominują białka, to w komórkach roślinnych dominują węglowodany.
Tabela 2.2
Zawartość niektórych pierwiastków chemicznych w przyrodzie nieożywionej i organizmach żywych, %
| Pierwiastek chemiczny | Skorupa ziemska | woda morska | Organizmy żywe |
| O | 49,2 | 85,8 | 65-75 |
| Z | 0,4 | 0,0035 | 15-18 |
| N | 1,0 | 10,67 | 8-10 |
| N | 0,04 | 0,37 | 1,5-3,0 |
| R | 0,1 | 0,003 | 0,20-1,0 |
| S | 0,15 | 0,09 | 0,15-0,2 |
| DO | 2,35 | 0,04 | 0,15-0,4 |
| Sa | 3,25 | 0,05 | 0,04-2,0 |
| C1 | 0,2 | 0,06 | 0,05-0,1 |
| Mg | 2,35 | 0,14 | 0,02-0,03 |
| Nie | 2,4 | 1.14 | 0,02-0,03 |
| Fe | 4,2 | 0,00015 | 0,01-0,015 |
| Zn | | 0,00015 | 0,0003 |
| Cu | | | 0,0002 |
| I | | 0,000015 | 0,0001 |
| F | 0,1 | 2,07 | 0,0001 |
Makro- i mikroelementy
W organizmach żywych występuje około 80 pierwiastków chemicznych, ale tylko 27 z nich ma ustalone funkcje w komórce i organizmie. Pozostałe pierwiastki występują w małych ilościach i najwyraźniej dostają się do organizmu z pożywieniem, wodą i powietrzem. Zawartość pierwiastków chemicznych w organizmie jest bardzo zróżnicowana (patrz tabela 2.2). W zależności od stężenia dzielimy je na makroelementy i mikroelementy.
Stężenie każdego makroelementy w organizmie przekracza 0,01%, a ich łączna zawartość wynosi 99%. Do makroelementów zaliczamy tlen, węgiel, wodór, azot, fosfor, siarkę, potas, wapń, sód, chlor, magnez i żelazo. Nazywa się również pierwsze cztery z wymienionych pierwiastków (tlen, węgiel, wodór i azot). organogenne, ponieważ są częścią głównych związków organicznych. Fosfor i siarka są także składnikami wielu substancji organicznych, takich jak białka i kwasy nukleinowe. Fosfor jest niezbędny do budowy kości i zębów.
Bez pozostałych makroelementów normalne funkcjonowanie organizmu nie jest możliwe. Zatem potas, sód i chlor biorą udział w procesach wzbudzenia komórek. Potas jest także niezbędny do funkcjonowania wielu enzymów oraz zatrzymywania wody w komórce. Wapń znajduje się w ścianach komórkowych roślin, kościach, zębach i muszlach mięczaków i jest niezbędny do skurczu komórek mięśniowych i ruchu wewnątrzkomórkowego. Magnez jest składnikiem chlorofilu – pigmentu zapewniającego zajście fotosyntezy. Bierze także udział w biosyntezie białek. Żelazo oprócz tego, że wchodzi w skład hemoglobiny przenoszącej tlen we krwi, jest niezbędne w procesach oddychania i fotosyntezy, a także w funkcjonowaniu wielu enzymów.
Mikroelementy zawarte są w organizmie w stężeniach mniejszych niż 0,01%, a ich całkowite stężenie w komórce nie osiąga 0,1%. Do mikroelementów zaliczamy cynk, miedź, mangan, kobalt, jod, fluor itp. Cynk wchodzi w skład cząsteczki hormonu trzustki – insuliny, miedź jest niezbędna w procesach fotosyntezy i oddychania. Kobalt jest składnikiem witaminy B12, której brak prowadzi do anemii. Jod jest niezbędny do syntezy hormonów tarczycy, które zapewniają prawidłowy metabolizm, a fluor jest związany z powstawaniem szkliwa zębów.
Zarówno niedobór, jak i nadmiar lub zaburzenie metabolizmu makro- i mikroelementów prowadzą do rozwoju różnych chorób. W szczególności brak wapnia i fosforu powoduje krzywicę, brak azotu - poważny niedobór białka, niedobór żelaza - anemię, a brak jodu - naruszenie tworzenia hormonów tarczycy i zmniejszenie tempa metabolizmu. Zmniejszenie spożycia fluoru z wody i pożywienia w dużej mierze determinuje zaburzenie odnowy szkliwa zębów i w konsekwencji predyspozycję do próchnicy. Ołów jest toksyczny dla prawie wszystkich organizmów. Jej nadmiar powoduje nieodwracalne uszkodzenia mózgu i ośrodkowego układu nerwowego, co objawia się utratą wzroku i słuchu, bezsennością, niewydolnością nerek, drgawkami, a także może prowadzić do paraliżu i chorób takich jak nowotwory. Ostremu zatruciu ołowiem towarzyszą nagłe halucynacje, które kończą się śpiączką i śmiercią. 
Ryż. 2.4. Zawartość substancji chemicznych w komórce
Braki makro- i mikroelementów można uzupełniać poprzez zwiększenie ich zawartości w żywności i wodzie pitnej, a także przyjmowanie leków. Zatem jod znajduje się w owocach morza i soli jodowanej, wapń w skorupkach jaj itp.
2.3.1. Substancje nieorganiczne komórki.
Pierwiastki chemiczne komórki tworzą różne związki - nieorganiczne i organiczne. Do substancji nieorganicznych komórki zalicza się wodę, sole mineralne, kwasy itp., a do substancji organicznych zalicza się białka, kwasy nukleinowe, węglowodany, lipidy, ATP, witaminy itp. (ryc. 2.4).
Woda (H 2 0) jest najczęstszą substancją nieorganiczną komórki, która ma unikalne właściwości fizykochemiczne. Nie ma smaku, koloru ani zapachu. Gęstość i lepkość wszystkich substancji ocenia się za pomocą wody. Podobnie jak wiele innych substancji, woda może występować w trzech stanach skupienia: stałym (lód), ciekłym i gazowym (para). Temperatura topnienia wody wynosi 0°C, temperatura wrzenia 100°C, jednak rozpuszczenie innych substancji w wodzie może zmienić te właściwości. Pojemność cieplna wody jest również dość wysoka - 4200 kJ/mol. K, co daje mu możliwość wzięcia udziału w procesach termoregulacji. W cząsteczce wody atomy wodoru są ułożone pod kątem 105°, a wspólne pary elektronów są odrywane przez bardziej elektroujemny atom tlenu. Decyduje to o właściwościach dipolowych cząsteczek wody (jeden koniec jest naładowany dodatnio, a drugi ujemnie) oraz o możliwości tworzenia się wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczkami wody (ryc. 2.5). Spójność cząsteczek wody leży u podstaw zjawiska napięcia powierzchniowego, kapilarności i właściwości wody jako uniwersalnego rozpuszczalnika. W rezultacie wszystkie substancje są podzielone na rozpuszczalny w wodzie (hydrofilowej) i nierozpuszczalny w nim (hydrofobowy). Dzięki tym wyjątkowym właściwościom z góry wiadomo, że woda stała się podstawą życia na Ziemi.
Średnia zawartość wody w komórkach organizmu jest zmienna i może zmieniać się wraz z wiekiem. Zatem w półtoramiesięcznym zarodku ludzkim zawartość wody w komórkach sięga 97,5%, u ośmiomiesięcznego - 83%, u noworodka spada do 74%, a u u osoby dorosłej średnio 66%. Jednakże komórki ciała różnią się zawartością wody. Tak więc kości zawierają około 20% wody, wątroba - 70%, a mózg - 86%. Generalnie można tak powiedzieć stężenie wody w komórkach jest wprost proporcjonalne do tempa metabolizmu.
Sole mineralne mogą występować w stanie rozpuszczonym lub nierozpuszczonym. Rozpuszczalne sole dysocjują na jony - kationy i aniony. Najważniejszymi kationami są jony potasu i sodu, które ułatwiają przenikanie substancji przez błonę oraz biorą udział w powstawaniu i przewodzeniu impulsów nerwowych; a także jony wapnia, które biorą udział w procesach skurczu włókien mięśniowych i krzepnięcia krwi; magnez, który jest częścią chlorofilu; żelazo, które jest częścią wielu białek, w tym hemoglobiny. Najważniejsze aniony to anion fosforanowy, będący częścią ATP i kwasów nukleinowych, oraz reszta kwasu węglowego, która łagodzi wahania pH środowiska. Jony soli mineralnych zapewniają wnikanie samej wody do wnętrza komórki i jej zatrzymywanie w niej. Jeśli stężenie soli w środowisku jest niższe niż w komórce, wówczas woda wnika do komórki. Jony decydują także o właściwościach buforujących cytoplazmy, czyli o jej zdolności do utrzymywania stałego, lekko zasadowego pH cytoplazmy, pomimo ciągłego tworzenia się w komórce produktów kwaśnych i zasadowych.
Nierozpuszczalne sole(CaC0 3, Ca 3 (P0 4) 2 itd.) są częścią kości, zębów, muszli i skorup zwierząt jednokomórkowych i wielokomórkowych.
Ponadto organizmy mogą wytwarzać inne związki nieorganiczne, takie jak kwasy i tlenki. W ten sposób komórki okładzinowe ludzkiego żołądka wytwarzają kwas solny, który aktywuje enzym trawienny pepsynę, a tlenek krzemu przenika przez ściany komórkowe skrzypu i tworzy skorupy okrzemek. W ostatnich latach badano także rolę tlenku azotu (II) w sygnalizacji w komórkach i organizmie.