Основні теми НМТ з біології — тема 2: неорганічні сполуки

Корисні матеріали

Конспект теми 2 до НМТ: вода, мінеральні елементи, мембранні процеси, гемоглобін, нуклеотиди й задачі за правилом Чаргаффа.

Конспект до НМТ з біології про воду, мінеральні елементи та інші важливі сполуки клітини. Тут зібрано причини дефіцитних станів, властивості води, мембранні процеси, роль хімічних елементів і покрокові приклади задач із ДНК.

Тема 2. Неорганічні сполуки та хімічний склад клітини

1. Дефіцитні стани й захворювання: що з чим пов’язано

Карликовість (гіпофізарний нанізм) найчастіше пов’язана з нестачею соматотропного гормону в дитячому віці, а не з нестачею мінерального елемента. За недостатності гормонів щитоподібної залози в дитинстві також затримуються ріст і розвиток.
Флюороз виникає за тривалого надлишкового надходження фтору, зазвичай із питною водою. Характерна ознака — плямистість і пошкодження емалі; за тяжкого впливу уражається кісткова тканина.
Ендемічний зоб найчастіше пов’язаний із нестачею йоду в їжі та воді. Щитоподібна залоза збільшується, намагаючись підтримати утворення гормонів.
Поліомієліт спричиняє поліовірус. Це інфекційне захворювання, а не наслідок нестачі вітаміну чи елемента; основа профілактики — вакцинація.

Схема карликовості, флюорозу зубів, ендемічного зоба та вакцинації проти поліомієліту — Карликовість, флюороз, ендемічний зоб і профілактика поліомієліту

2. Кальцій, фосфор і вітаміни

Кальцій входить до мінеральної основи кісток і зубів, бере участь у скороченні м’язів, зсіданні крові, передаванні сигналів між клітинами та роботі ферментів. Йони Ca²⁺ є важливими внутрішньоклітинними посередниками.

Фосфор входить до складу фосфатів кісткової тканини, нуклеотидів ДНК і РНК, АТФ, фосфоліпідів мембран і багатьох коферментів.

Жиророзчинні вітаміни: A, D, E, K. Вони можуть накопичуватися в організмі, тому небезпечна не лише нестача, а й надлишок.
Водорозчинні вітаміни: C і група B. Більшість із них входить до складу коферментів або необхідна для обміну речовин.

Кістка, зуб, м’яз, кров, клітинна мембрана, молекули ДНК і продукти з вітамінами — Роль кальцію, фосфору та вітамінів в організмі

3. Висока теплоємність води та її значення для клітини

Висока питома теплоємність означає, що для підвищення температури води потрібно багато енергії. Водневі зв’язки між молекулами поглинають частину тепла, тому вода повільно нагрівається і повільно охолоджується.

вода згладжує різкі коливання температури всередині клітини й організму;
підтримує стабільні умови для роботи ферментів;
переносить тепло кров’ю та тканинною рідиною;
охолоджує організм під час випаровування поту або води з поверхні листків.

Молекули води навколо клітини між джерелами тепла й холоду та випаровування води з листка — Вода пом’якшує перепади температури й захищає клітину

4. Плазмоліз, деплазмоліз, піноцитоз і фагоцитоз

Плазмоліз — відокремлення протопласта рослинної клітини від клітинної стінки через втрату води в гіпертонічному розчині.
Деплазмоліз — зворотний процес: вода входить у клітину, вакуоля збільшується, протопласт знову прилягає до клітинної стінки.
Піноцитоз — поглинання клітиною рідини й розчинених речовин у дрібних мембранних пухирцях.
Фагоцитоз — захоплення клітиною великих частинок, бактерій або клітинних решток з утворенням пухирця — фагосоми.

Як розрізняти: плазмоліз і деплазмоліз пов’язані з осмосом та рухом води, а піноцитоз і фагоцитоз — це види ендоцитозу з витратою енергії.

Чотири схеми плазмолізу, деплазмолізу, піноцитозу та фагоцитозу — Осмос і різні види поглинання речовин клітиною

5. Гідрофільні, гідрофобні й амфіфільні речовини

Гідрофільні речовини добре взаємодіють із водою: це йони, цукри, багато амінокислот.
Гідрофобні речовини майже не взаємодіють із водою і погано в ній розчиняються: наприклад, жири та вуглеводневі ланцюги.
Амфіфільні молекули мають водночас гідрофільну й гідрофобну частини. Так побудовані фосфоліпіди: їхні полярні «головки» повернуті до води, а неполярні «хвости» — усередину мембрани.

Гідрофільні частинки у воді, гідрофобна крапля й амфіфільний шар фосфоліпідів — Як різні речовини взаємодіють із водою

6. Магній у хлорофілі та рекомендації за флюорозу

Йон магнію Mg²⁺ розташований у центрі молекули хлорофілу. Він допомагає пігменту поглинати світло; тому нестача магнію часто проявляється хлорозом — пожовтінням листків.

За підозри на флюороз потрібно визначити вміст фтору в питній воді та звернутися до стоматолога або лікаря. Основний захід — зменшити надлишкове надходження фтору: використовувати безпечне джерело води або відповідну систему очищення за результатами аналізу. Самостійно призначати препарати кальцію чи інші засоби не слід.

Молекула хлорофілу з магнієм у зеленому листку, фільтр для води та здоровий зуб — Магній у центрі хлорофілу й безпечна питна вода

7. Задача з ДНК: гуанін становить 42%

Умова: гуанілові нуклеотиди становлять 42% усіх нуклеотидів ділянки дволанцюгової ДНК. Знайти відсоток аденілових нуклеотидів.

За правилом Чаргаффа G = C, отже C = 42%.
Разом G + C = 42% + 42% = 84%.
На A + T залишається 100% − 84% = 16%.
Оскільки A = T, частка A дорівнює 16% ÷ 2 = 8%.

Відповідь: аденілових нуклеотидів 8%. Формула для подібних задач: A = T = (100% − 2G) ÷ 2.

Подвійна спіраль ДНК і рівні групи комплементарних нуклеотидів різного розміру — Рівність пар нуклеотидів допомагає обчислити їхні частки в ДНК

8. Йод, тироксин та ендемічний зоб

Йод входить до складу гормонів щитоподібної залози тироксину T₄ і трийодтироніну T₃. Ці гормони регулюють інтенсивність обміну речовин, ріст і розвиток. За тривалої нестачі йоду синтез гормонів зменшується, гіпофіз посилює стимуляцію щитоподібної залози, і вона збільшується — виникає ендемічний зоб.

Джерела йоду, здорова щитоподібна залоза та її збільшення за нестачі йоду — Йод необхідний для гормонів щитоподібної залози

9. Вітаміни, гормони, ферменти й фітонциди: функції

Вітаміни потрібні в малих кількостях і беруть участь у регуляції обміну речовин; багато з них входить до складу коферментів.
Гормони — сигнальні речовини, що забезпечують гуморальну регуляцію функцій організму.
Ферменти — біологічні каталізатори, які прискорюють хімічні реакції.
Фітонциди — речовини рослин, які пригнічують ріст або знищують бактерії, гриби та інші мікроорганізми.

Чотири схеми роботи вітамінів, гормонів, ферментів і рослинних фітонцидів — Регуляція, каталіз і захист від мікроорганізмів

10. Формули арабінози, глюкози, фруктози й дезоксирибози

Арабіноза — пентоза C₅H₁₀O₅.
Глюкоза — гексоза C₆H₁₂O₆, зазвичай альдоза.
Фруктоза — гексоза C₆H₁₂O₆, ізомер глюкози, зазвичай кетоза.
Дезоксирибоза — пентоза C₅H₁₀O₄, цукор у складі ДНК.

Глюкоза і фруктоза мають однакову молекулярну формулу, але різну будову та властивості. У дезоксирибози на один атом Оксигену менше, ніж у рибози C₅H₁₀O₅.

Чотири молекулярні моделі пентоз і гексоз із різною будовою — Моделі молекул чотирьох моносахаридів

11. З чого складається нуклеотид ДНК і як знайти частку тиміну

Нуклеотид ДНК містить три частини: залишок ортофосфатної кислоти, дезоксирибозу й одну нітрогеновмісну основу — аденін, тимін, гуанін або цитозин.

Якщо G = 42%, то C = 42%, а A + T = 16%. За правилом A = T, тому T = 8%. Алгоритм той самий, що й для аденіну: спочатку подвоїти частку G, відняти її від 100%, потім поділити залишок навпіл.

Складники нуклеотиду, подвійна спіраль ДНК і комплементарні пари основ — Фосфат, дезоксирибоза й нітрогеновмісна основа утворюють нуклеотид

12. Де міститься гемоглобін і з чим він сполучається

Гемоглобін міститься в еритроцитах крові. Він складається з білкової частини глобіну та гемів, кожний із яких містить йон Fe²⁺.

з киснем утворює оксигемоглобін — оборотну сполуку для перенесення O₂;
гемоглобін без зв’язаного кисню називають дезоксигемоглобіном;
частина вуглекислого газу зв’язується з глобіном з утворенням карбаміногемоглобіну;
із чадним газом CO утворюється дуже міцний карбоксигемоглобін, який блокує перенесення кисню;
за окиснення Fe²⁺ до Fe³⁺ утворюється метгемоглобін, що погано переносить кисень.

Еритроцити, гемоглобін із Ферумом і зв’язування кисню, вуглекислого та чадного газу — Гемоглобін переносить гази завдяки Феруму у складі гему

13. Масові частки хімічних елементів в організмі людини

Значення в навчальних таблицях трохи різняться, тому для НМТ важливо насамперед пам’ятати порядок величин.

Елемент	Приблизна масова частка	Роль
Оксиген O	близько 65%	вода й органічні речовини
Карбон C	близько 18%	основа органічних молекул
Кальцій Ca	близько 1,5%	кістки, зуби, сигнали клітини
Фтор F	соті–тисячні частки відсотка	емаль і кісткова тканина; надлишок токсичний
Йод I	близько 0,00004%	гормони щитоподібної залози

Серед перелічених елементів: Карбону найбільше, далі Кальцій; Фтор і особливо Йод належать до мікроелементів.

Силует людини з частинок різного розміру з виділенням скелета, зубів і щитоподібної залози — Макроелементи й мікроелементи розподілені в організмі нерівномірно

14. Що таке біогеохімічний цикл

Біогеохімічний цикл — колообіг хімічного елемента між живими організмами та неживими компонентами середовища: атмосферою, водою і ґрунтом.

Карбон входить до складу білків, глюкози, глікогену та жирних кислот; переходить в органічні речовини під час фотосинтезу й повертається як CO₂ під час дихання та розкладання.
Нітроген особливо важливий для амінокислот, білків і нітрогеновмісних основ; до циклу входять фіксація азоту, нітрифікація, засвоєння і денітрифікація.
Фосфор входить до нуклеотидів, АТФ і фосфоліпідів; його цикл переважно проходить через гірські породи, ґрунт, воду й організми.

Колообіги речовин між атмосферою, рослинами, тваринами, ґрунтом, водою та гірськими породами — Колообіги Карбону, Нітрогену й Фосфору поєднують живу та неживу природу

15. Значення йонів Феруму для організму людини

Fe²⁺ входить до гему гемоглобіну й забезпечує перенесення кисню;
Ферум міститься в міоглобіні м’язів;
йони Феруму входять до цитохромів дихального ланцюга та низки ферментів;
нестача Феруму може спричинити залізодефіцитну анемію, слабкість і зниження працездатності;
надлишок також шкідливий, тому препарати заліза приймають за показаннями.

Ферум у гемі, еритроцитах, м’язах і мітохондріях поруч із продуктами харчування — Ферум необхідний гемоглобіну, міоглобіну, цитохромам і ферментам

16. Де одночасно трапляються атоми Нітрогену й Фосфору

Атоми Нітрогену N і Фосфору P одночасно є в нуклеотидах: Нітроген входить до нітрогеновмісної основи, а Фосфор — до фосфатної групи. Тому обидва елементи містяться в ДНК, РНК, АТФ та інших нуклеотидах. У звичайних вуглеводах і нейтральних жирах такої пари зазвичай немає.

Модель нуклеотиду з нітрогеновмісною основою, цукром і фосфатом поруч із ДНК, РНК та молекулою енергії — Нітрогеновмісна основа та фосфатна група входять до складу нуклеотиду

17. У якій органелі міститься гексозамінідаза

Гексозамінідаза — гідролітичний фермент лізосом. Лізосоми мають кисле середовище й розщеплюють макромолекули та зношені компоненти клітини. Спадкова нестача гексозамінідази A призводить до накопичення GM2-гангліозиду в нервових клітинах і пов’язана з хворобою Тея — Сакса.

Тваринна клітина зі збільшеною лізосомою, травними ферментами й частинками, що розщеплюються — Лізосомні ферменти розщеплюють речовини та зношені частини клітини

Коротко для повторення перед НМТ

Флюороз — надлишок фтору, ендемічний зоб — зазвичай дефіцит йоду, поліомієліт — вірусна інфекція.
Вода стабілізує температуру завдяки високій теплоємності.
Плазмоліз пов’язаний із втратою води, деплазмоліз — з її надходженням; піноцитоз поглинає рідину, фагоцитоз — великі частинки.
Фосфоліпіди амфіфільні; Mg міститься у хлорофілі, Fe — у гемі гемоглобіну.
Для дволанцюгової ДНК A = T і G = C; якщо G = 42%, частки A і T дорівнюють по 8%.
Гексозамінідаза міститься в лізосомах.

← Тема 1: клітина та загальні засади біології