Какими связями способны соединяться атомы углерода.

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 4Следующая ⇒

Органическими соединениями называются химические соединения, основу которых составляют атомы углерода. Атомы углерода обладают способностью вступать друг с другом в прочную ковалентную связь и образуют много разнообразных цепочечных или кольцевых молекул. Углеводороды являются самыми простыми углеродсодержащими соединениями. Они содержат в своем составе только углерод и водород. В большинство органических соединений в состав входят и другие элементы, такие например, как кислород, азот, фосфор и сера.

1) Ядро наиболее стабильного изотопа углерода массой 12 (распространенность 98,9%) имеет 6 протонов и 6 нейтронов (12 нуклонов), расположенных тремя квартетами, каждый содержит два протона и два нейтрона аналогично ядру гелия.

2) В основном состоянии 6 электронов углерода образуют электронную конфигурацию 1s²2s²2p_x¹2p_y¹2p_z⁰. Четыре электрона второго уровня являются валентными, что соответствует положению углерода в IV группе периодической системы.

3) Углерод имеет 2 электронных уровня.

4) На внешнем электронном уровне 4 электрона.

5) Электронная структура невозбужденного атома углерода может быть выражена формулой 1 s ²2 s ²2 p ², т. е. во втором (внешнем) электронном слое у него два спареных (с противоположными спинами) s-электрона и только два неспареных р -электрона, которые могут участвовать в образовании ковалентных связей. Следовательно, углерод должен был бы проявлять валентность, равную двум; однако в большинстве своих соединений он четырехвалентен — образует четыре ковалентные связи.

6) При затрате некоторой энергии происходит «распаривание» 2 p -электронов: один из них переводится на свободную орбиту подуровня 2 р, и атом переходит в возбужденное состояние 2 s ² p² → 2 sp ³

или графически

а)

нормальное состояние →

б)

возбужденное состояние

7) кислород, азот, фосфор и сера.

12,8 Какие химические элементы, являются самыми главными для жизни и почему? Поясните. Напишите о значении для организмов каждого химического элемента, приведенного в таблице.

водород

молибденн

железо

фтор

азот

углерод

Углерод

Углерод - важнейший биогенный элемент, составляющий основу жизни на Земле, структурная единица огромного числа органических соединений, участвующих в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности (биополимеры, а также многочисленные низкомолекулярные биологически активные вещества - витамины, гормоны, медиаторы и другие). Значительная часть необходимой организмам энергии образуется в клетках за счет окисления Углерода. Возникновение жизни на Земле рассматривается в современное науке как сложный процесс эволюции углеродистых соединений.

Уникальная роль Углерода в живой природе обусловлена его свойствами, которыми в совокупности не обладает ни один других элемент периодической системы. Между атомами Углерода, а также между Углеродом и другими элементами образуются прочные химические связи, которые, однако, могут быть разорваны в сравнительно мягких физиологических условиях (эти связи могут быть одинарными, двойными и тройными). Способность Углерода образовывать 4 равнозначные валентные связи с других атомами Углерода создает возможность для построения углеродных скелетов различных типов - линейных, разветвленных, циклических. Показательно, что всего три элемента - С, О и Н - составляют 98% общей массы живых организмов. Этим достигается определенная экономичность в живой природе: при практически безграничном структурном разнообразии углеродистых соединений небольшое число типов химических связей позволяет намного сократить количество ферментов, необходимых для расщепления и синтеза органических веществ. Особенности строения атома Углерода лежат в основе различных видов изомерии органических соединений (способность к оптической изомерии оказалась решающей в биохимической эволюции аминокислот, углеводов и некоторых алкалоидов).

Согласно общепринятой гипотезе А. И. Опарина, первые органических соединения на Земле имели абиогенное происхождение. Источниками Углерода служили метан (СН₄) и цианистый водород (HCN), содержавшиеся в первичной атмосфере Земли. С возникновением жизни единственным источником неорганического Углерода, за счет которого образуется все органическое вещество биосферы, является оксид углерода (IV) (СО₂), находящийся в атмосфере, а также растворенный в природных водах в виде НСО₃. Наиболее мощный механизм усвоения (ассимиляции) Углерода (в форме СО₂) - фотосинтез - осуществляется повсеместно зелеными растениями (ежегодно ассимилируется около 100 млрд. т СО₂). На Земле существует и эволюционно более древний способ усвоения СО₂ путем хемосинтеза; в этом случае микроорганизмы-хемосинтетики используют не лучистую энергию Солнца, а энергию окисления неорганических соединений. Большинство животных потребляют Углерод с пищей в виде уже готовых органических соединений. В зависимости от способа усвоения органических соединений принято различать автотрофные организмы и гетеротрофные организмы. Применение для биосинтеза белка и других питательных веществ микроорганизмов, использующих в качестве единственного источника Углерода углеводороды нефти, - одна из важных современное научно-технических проблем.

Содержание Углерода в живых организмах в расчете на сухое вещество составляет: 34,5-40% у водных растений и животных, 45,4-46,5% у наземных растений и животных и 54% у бактерий. В процессе жизнедеятельности организмов, в основные за счет тканевого дыхания, происходит окислительный распад органических соединений с выделением во внешнюю среду СО₂. Углерод выделяется также в составе более сложных конечных продуктов обмена веществ. После гибели животных и растений часть Углерода вновь превращается в СО₂ в результате осуществляемых микроорганизмами процессов гниения. Таким образом происходит круговорот Углерода в природе. Значительная часть Углерода минерализуется и образует залежи ископаемого Углерода: каменные угли, нефть, известняки и другие. Помимо основной функции - источника Углерода - СО₂, растворенная в природных водах и в биологических жидкостях, участвует в поддержании оптимальной для жизненных процессов кислотности среды. В составе СаСО₃ Углерод образует наружный скелет многих беспозвоночных (например, раковины моллюсков), а также содержится в кораллах, яичной скорлупе птиц и других Такие соединения Углерода, как HCN, СО, ССl₄, преобладавшие в первичной атмосфере Земли в добиологический период, в дальнейшем, в процессе биологической эволюции, превратились в сильные антиметаболиты обмена веществ.

Помимо стабильных изотопов Углерода, в природе распространен радиоактивный 14С (в организме человека его содержится около 0,1 мккюри). С использованием изотопов Углерода в биологических и медицинских исследованиях связаны многие крупные достижения в изучении обмена веществ и круговорота Углерод в природе. Так, с помощью радиоуглеродной метки была доказана возможность фиксации Н₁₄СО₃- растениями и тканями животных, установлена последовательность реакций фотосинтеза, изучен обмен аминокислот, прослежены пути биосинтеза многих биологически активных соединений и т. д. Применение 14С способствовало успехам молекулярной биологии в изучении механизмов биосинтеза белка и передачи наследственной информации. Определение удельной активности 14С в углеродсодержащих органических остатках позволяет судить об их возрасте, что используется в палеонтологии и археологии.

Водород

Водород широко распространен в природе, его содержание в земной коре (литосфера и гидросфера) составляет по массе 1%, а по числу атомов 16%. Водород входит в состав самого распространенного вещества на Земле - воды (11,19% Водорода по массе), в состав соединений, слагающих угли, нефть, природные газы, глины, а также организмы животных и растений (то есть в состав белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов и других).

Железо

Железо необходимо главным образом для кислородного обмена и окислительных процессов. Существуют организмы (так называемые концентраторы), способные накапливать его в больших количествах (например, железобактерии - до 17-20% Железа). Почти все Железо в организмах животных и растений связано с белками. Недостаток Железа вызывает задержку роста и явления хлороза растений, связанные с пониженным образованием хлорофилла. Вредное влияние на развитие растений оказывает и избыток Железа, вызывая, например, стерильность цветков риса и хлороз. В щелочных почвах образуются недоступные для усвоения корнями растений соединения Железа, и растения не получают его в достаточном количестве; в кислых почвах Железо переходит в растворимые соединения в избыточном количестве. При недостатке или избытке в почвах усвояемых соединений Железа заболевания растений могут наблюдаться на значительных территориях.

Всасывание поступившего с пищей Железа происходит в верхнем отделе тонких кишок, откуда оно в связанной с белками форме поступает в кровь и разносится с кровью к различным органам и тканям, где депонируется в виде Железо-белкового комплекса - ферритина. Основное депо Железа в организме - печень и селезенка. За счет ферритина происходит синтез всех железосодержащих соединений организма: в костном мозге синтезируется дыхательный пигмент гемоглобин, в мышцах - миоглобин, в различных тканях цитохромы и других железосодержащие ферменты. Выделяется Железо из организма главным образом через стенку толстых кишок (у человека около 6-10 мг в сутки) и в незначительной степени почками. Потребность организма в Железе меняется с возрастом и физическим состоянием. На 1 кг веса необходимо детям - 0,6, взрослым-0,1 и беременным - 0,3 мг Железа в сутки. У животных потребность в Железе ориентировочно составляет (на 1 кг сухого вещества рациона): для дойных коров - не менее 50 мг, для молодняка - 30-50 мг; для поросят - до 200 мг, для супоросных свиней - 60 мг.

Молибден

Молибден в организме растений, животных и человека это микроэлемент, который участвует преимущественно в азотном обмене. Молибден необходим для активности ряда окислительно-восстановительных ферментов (флавопротеидов), катализирующих восстановление нитратов и азотфиксацию у растений (много Молибдена в клубеньках бобовых), а также реакции пуринового обмена у животных. В растениях Молибден стимулирует биосинтез нуклеиновых кислот и белков, повышает содержание хлорофилла и витаминов. При недостатке Молибдена бобовые, овес, томаты, салат и другие растения заболевают особым видом пятнистости, не плодоносят и погибают. Поэтому растворимые молибдаты в небольших дозах вводят в состав микроудобрений. Животные обычно не испытывают недостатка в Молибдене. Избыток же Молибдена в корме жвачных животных (биогеохимические провинции с высоким содержанием Молибдена известны в Кулундинской степи, на Алтае, Кавказе) приводит к хроническим молибденовым токсикозам, сопровождающимся поносом, истощением, нарушением обмена меди и фосфора. Токсическое действие Молибдена снимается введением соединений меди. Избыток Молибден в организме человека может вызвать нарушение обмена веществ, задержку роста костей, подагру и т. п.

Фтор

Фтор (F) - важный элемент для жизнедеятельности зубов формирования зубной ткани и эмали. Кроме того, фтор, совместно с кальцием и фосфором, участвует в образовании костной ткани.

Недостаток фтора способствует развитию кариеса зубов и снижению прочности костей, а избыток ведет к тяжелым поражениям костной, нервной, эндокринной и других систем организма.
Обычно основная доля фтора (60-65%) поступает в организм с питьевой водой, а остальное - с пищей.

Азот

Азот – это необходимый для жизнедеятельности элемент. В белке животных и человека содержится 16-17% Азота. В организмах плотоядных животных белок образуется за счет потребляемых белковых веществ, имеющихся в организмах травоядных животных и в растениях. Растения синтезируют белок, усваивая содержащиеся в почве азотистые вещества, главным образом неорганические. На почвах, бедных доступным Азотом, растения плохо развиваются. Азотные удобрения и белковая подкормка животных - важнейшее средство подъема сельского хозяйства.

16. Дайте сравнительные характеристики ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) и РНК (рибонуклеиновой кислоты) по следующим признакам:

Признаки	ДНК	РНК
Локализация в клетке	Хромосомы клеточного ядра	Цитоплазма, матрикс пластид и митохондрий
Строение мономера нуклеотида	Аденин, гуанин, тимин, цитозин	Вместо дизоксирибозы входит рибоза, вместо тимидилового нуклеотида (Т) входит уридиловый (У)
Строение молекул	Состоит из двух полинуклеотидных, закрученных в спирали относительно друг друга цепочек	Молекула представляет одну цепь
Функции	Хранение, передача воспроизведение в ряду поколений генетической информации	Служит в качестве матрицы для синтеза белков, передавая информацию об их строении с молекулы ДНК

Хранение и передачу наследственной информации в живых организмах обеспечивают природные органические полимеры — нуклеиновые кислоты. Различают их две разновидности — дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и рибонуклеиновую кислоту (РНК). В состав ДНК входят азотистые основания (аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц)), дезоксирибоза С₅Н₁₀О₄ и остаток фосфорной кислоты. В состав РНК вместо тимина входит урацил (У), а вместо дезоксирибозы — рибоза (С5Н10О5). Мономерами ДНК и РНК являются нуклеотиды, которые состоят из азотистых, пуриновых (аденин и гуанин) и пиримидиновых (урацил, тимин и цитозин) оснований, остатка фосфорной кислоты и углеводов (рибозы и дезоксирибозы).

Молекулы ДНК содержатся в хромосомах ядра клетки живых организмов, в эквивалентных структурах митохондрий, хлоропластов, в прокариотных клетках и во многих вирусах. По своей структуре молекула ДНК похожа на двойную спираль. Структурная модель ДНК в
виде двойной спирали впервые предложена в 1953 г. американским биохимиком Дж. Уотсоном (р. 1928) и английским биофизиком и генетиком Ф. Криком (р. 1916), удостоенными вместе с английским биофизиком М. Уилкинсоном (р. 1916), получившим рентгенограмму ДНК, Нобелевской премии 1962 г.

Нуклеотиды соединяются в цепь посредством ковалентнйх связей. Образованные таким образом цепи нуклеотидов объединяется в одну молекулу ДНК по всей длине водородными связями: адениновый нуклео-тид одной цепи соединяется с тиминовым нуклеотидом другой цепи, а гуаниновый — с цитозиновым. При этом аденин всегда распознает только тимин и связывается с ним и наоборот. Подобную пару образуют гуанин и цитозин. Такие пары оснований, как и нуклеотиды, называются комплементарными, а сам принцип формирования двухцепочной молекулы ДНК — принципом комплементарности. Число нуклеотидных пар, например, в организме человека составляет 3 — 3,5 млрд.

ДНК — материальный носитель наследственной информации, которая кодируется последовательностью нуклеотидов. Расположение четырех типов нуклеотидов в цепях ДНК определяет последовательность аминокислот в молекулах белка, т.е. их первичную структуру. От набора белков зависят свойства клеток и индивидуальные признаки организмов. Определенное сочетание нуклеотидов, несущих информацию о структуре белка, и последовательность их расположения в молекуле ДНК образуют генетический код. Ген (от греч. genos — род, происхождение) — единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо признака. Он занимает участок молекулы ДНК, определяющий структуру одной молекулы белка. Совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данного организма, называется геномом, а генетическая конституция организма (совокупность всех его генов) — генотипом. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК, а следовательно, в генотипе приводит к наследственным изменениям в организме—мутациям.

Генетический код обладает удивительными свойствами. Главное из них — триплетность: одна аминокислота кодируется тремя рядом распо ложенными нуклеотидами — триплетом, называемым кодоном. При этом каждый кодон кодирует только одну аминокислоту. Другое не менее важное свойство — код един для всего живого на Земле. Это свойство генетического кода вместе со сходством аминокислотного состава всех белков свидетельствует о биохимическом единстве жизни, которое, по-видимому, отражает происхождение всех живых существ от единого предка.

Для молекул ДНК характерно важное свойство удвоения — образования двух одинаковых двойных спиралей, каждая из которых идентична исходной молекуле. Такой процесс удвоения молекулы ДНК называется репликацией. Репликация включает в себя разрыв старых и формирование новых водородных связей, объединяющих цепи нуклеотидов. В начале репликации две старые цепи начинают раскручиваться и отделяться друг от друга. Затем по принципу комплементарности к двум старым цепям пристраиваются новые. Так образуются две идентичные двойные спирали. Репликация обеспечивает точное копирование генетической информации, заключенной в молекулах ДНК, и передает ее по наследству от поколения к поколению.

17,8 Приведите пример биогеоценоза (экосистемы) вашей местности – Реки. Перечислите важнейшие компоненты экосистемы и раскройте роль каждого из них. Являются ли экосистемы - открытыми системами? Обоснуйте ответ.

Биогеоценоз представляет собой систему, состоящую из сообщества живых организмов и непосредственно связанных с этим сообществом абиотических факторов среды в пределах одной территории, которые связаны между собой круговоротом вещества и потоков энергии. Это устойчивая саморегулирующаяся экологическая система, Где органические составляющие, такие как животные, растения неразрывно связаны с неорганической составляющей в виде почвы, воды. Близко по значению другое понятие – экосистема. Экосистема это более широкое понятие, которое относится к любой системе. Биогеоценоз представляет собой класс экосистемы, который занимает определенный участок суши с растительным покровом, почву, подпочву, приземный слой атмосферы. Биоценозами не являются водные экосистемы и большая часть искусственных экосистем. В качестве характеристики биогеоценоза используют два понятия: экотоп и биотоп. Биотоп представляет совокупность абиотических факторов на территории занимаемой биогеоценозом. А экотоп является в свою очередь биотопом, на который воздействуют компоненты других биогеоценозов.

Экосистема это совокупность состоящая из продуцентов, консументов и детритофагов, которые взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой путем обмена веществ, энергией и информацией. Это взаимодействие осуществляется так, что система остается устойчивой продолжительное время.

Следовательно, естественная экосистема обладает тремя характерными признаками:

- экосистема это обязательно совокупность живых и неживых компонентов;

- внутри экосистемы происходит полный цикл от создания органического вещества до разложения его на неорганические составляющие;

-экосистема устойчива некоторый промежуток времени соответствующий ее структуре и абиотическим компонентам.

Более простые экосистемы образуют более сложные, в этих случаях соблюдается иерархия организации системы. Например, множество тоненьких ручейков сливаются в одну большую реку, которая течет вдоль лесов и степей и впадает в море. Весной во время ледоходов и таяния снегов происходит разлив рек и затопление низких прибрежных мест. Такие подтопления являются настоящим бедствием для животных населяющих эти места, а также и для растений. Сами реки также населены рыбами, среди которых есть рыбы живущие в пресной воде и в морской воде тоже. К таким рыбам относятся лосось, осетр, севрюга.

Экосистемы – реки – имеют 3 отличительных признака от стоячих водоемов:

- они обладают течением, которое является контролирующим и лимитирующим фактором;

- у рек более активный обмен между водой и сушей;

- в воде распределение кислорода более равномерное.

Большое влияние на распределение рыб в реках оказывает скорость течения. Рыбы живут в заводях, но они могут жить и под камнями, под перекатами, это различные виды рыб адаптированные к конкретным условиям. Многие речные растения и животные по своей морфологии и физиологическим особенностям приспособлены сохранять свое положение в потоке воды.

Река представляет собой открытую экосистему, потому что в нее с прилегающих территорий поступает большое количество органического вещества. Детритное питание служит основой трофических цепей экосистем: почти 60% энергии консументами получается от привнесенного материала. А кислородом, наоборот, реки богаты и содержание его в воде постоянно. Среди всей экосистемы выделяются отдельные сообщества плесов и перекатов. На перекатах селятся нитчатые водоросли, которые способны прикрепиться к субстрату, а также такие пловцы как форель. Сообщества плесов напоминают прудовые. Для больших рек характерна продольная зональность. Так в верховьях встречаются сообщества перекатов, а в дельте реки и низовьях сообщества плесов, в средине реки могут встречаться и те и другие. Видовой состав рыб также находится в зависимости от продольной зональности. Видовой состав в низовьях рек гораздо беднее, но размер рыбы возрастает.

Водная среда значительно отличается от наземной среды обитания организмов. В первую очередь плотность воды примерно в 800 раз превышает плотность воздуха, а вязкость более чем в 55 раз. Кроме того, такое физико-химическое свойство воды как стратификация, т.е. изменение температуры воды по глубине реки и периодически по времени. Еще одно свойство это прозрачность, от которого зависит фотосинтез зеленых и пурпурных водорослей, фитопланктона.

Таким образом, экосистема это важнейшая структурная единица окружающего мира. Основой экосистем являются живые организмы, которые имеют биотическую структуру и среда обитания, характеризующаяся рядом экологических факторов. Иначе можно сказать, что это единение живого и неживого вещества.

18 От каких факторов зависит климат на планете Земля? Почему климат глобальная характеристика? Какие космические факторы определяют изменения климата планеты? Какое влияние на климат и оболочки Земли оказывает деятельность человека?

Дата добавления: 2015-12-17; просмотров: 120; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 4 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!