§ 8. Химические элементы клетки

Определения и обозначения

Химический элемент — это вид атомов с одинаковым строением. Например, все атомы кислорода относятся к одному химическому элементу. В клетках живых организмов встречаются многие химические элементы, поэтому знание их названий помогает описывать состав клетки.

Макроэлементы — химические элементы, которые содержатся в клетке в сравнительно больших количествах. К ним относятся, например, кислород, углерод, водород, азот, фосфор и кальций. Название группы подсказывает, что таких элементов в клетке больше, чем микроэлементов.

Микроэлементы — элементы, необходимые клетке в очень малых количествах. Примеры — железо, йод и цинк. Хотя их содержание невелико, они помогают организму выполнять важные задачи, поэтому термин «микро» означает малое количество, а не малую пользу.

Ультрамикроэлементы — элементы, которые присутствуют в клетке в исключительно малых количествах. Их содержание ещё меньше, чем у микроэлементов. Это название помогает отметить особую малость количества, но само по себе не сообщает, насколько элемент важен или необходим организму.

Как это устроено

Клетка не является сплошным веществом: в ней есть разные вещества, а каждое из них состоит из атомов. Атомы могут относиться к одному или к разным химическим элементам. Поэтому, когда говорят о химическом составе клетки, имеют в виду, какие элементы входят в её вещества и в каком количестве.

В живых организмах встречаются многие элементы, которые можно найти и в неживой природе. Однако совпадение набора элементов не означает одинакового состава: в клетке одних элементов больше, других меньше. Соотношение зависит от того, о какой клетке и организме идёт речь, а также от веществ, из которых клетка построена.

Кислород, углерод, водород и азот составляют основную долю вещества клетки. Эти элементы широко распространены в природе и входят в состав многих веществ, в том числе воды и веществ, образующих живые клетки. Благодаря сочетанию их атомов клетка может создавать большое разнообразие веществ, нужных для её строения и работы.

Макроэлементы и микроэлементы различают прежде всего по количеству в клетке. Если одного элемента много, это не значит, что он важнее всех остальных; если другого мало, это не делает его ненужным. Для жизни могут быть важны и элементы, которые присутствуют лишь в небольших количествах.

Малое количество некоторых элементов объясняется тем, что они участвуют в отдельных процессах и не нужны для построения большей части вещества клетки. Например, железо помогает переносить кислород в организме человека, йод нужен для образования гормонов щитовидной железы, а цинк участвует в работе некоторых ферментов. Поэтому недостаток даже небольшого количества нужного элемента способен нарушить работу организма.

Химические элементы клетки и их значение

Сначала найдите в таблице группу, а затем сравните примеры и количество элементов. Столбец о значении показывает, что количество и роль — разные характеристики. Для конкретного элемента стоит уточнять его функцию: не всякий обнаруженный в клетке элемент обязательно необходим организму.

Разбор задач

Задача 1. Распределите кислород, углерод, железо и йод на макроэлементы и микроэлементы. Нужно определить группу каждого элемента по тому, в каком количестве он обычно содержится в клетке. Не следует решать задачу по признаку важности элемента.

1. Сначала вспомним, что кислород и углерод входят в число особенно распространённых элементов клетки. Поэтому относим их к макроэлементам, содержащимся сравнительно в больших количествах.
2. Затем рассмотрим железо и йод: организму нужны они в очень малых количествах. Значит, в этой задаче оба элемента относятся к микроэлементам, хотя их функции важны.

Ответ: кислород и углерод — макроэлементы, железо и йод — микроэлементы. Основание для распределения — количество в клетке, а не степень пользы. Железо и йод не становятся менее значимыми из-за малого содержания.

Задача 2. В клетке обнаружены углерод, водород, кислород и азот. Объясните, почему эти элементы называют основными. Важно не просто перечислить их, а указать, чем они отличаются от многих других элементов по содержанию и роли в составе клетки.

1. Сравним их количество с содержанием микроэлементов: углерод, водород, кислород и азот широко представлены в веществе клетки. Поэтому их относят к наиболее распространённым элементам живого организма.
2. Вспомним, что атомы этих элементов входят в состав многих клеточных веществ. Их сочетания позволяют образовывать вещества, из которых построены клетки и которые необходимы для их работы.

Ответ: эти элементы называют основными, потому что они составляют значительную долю вещества клетки. Они также входят в состав множества клеточных веществ. Название связано и с их распространённостью, и с участием в образовании этих веществ.

Задача 3. В организме не хватает элемента, необходимого в малом количестве для нормальной работы. Можно ли считать его неважным? Обоснуйте ответ и приведите пример. Для ответа нужно отдельно оценить количество элемента и его функцию.

1. Малое содержание показывает, сколько элемента присутствует, но не объясняет, насколько он нужен организму. Поэтому по одному количеству нельзя делать вывод о важности.
2. В качестве примера возьмём железо: оно требуется в небольшом количестве, но помогает переносить кислород в организме человека. При нехватке железа эта функция может нарушаться, значит, элемент нельзя назвать неважным.

Ответ: нет, считать такой элемент неважным нельзя. Например, железо нужно в малом количестве, но участвует в переносе кислорода. Количество элемента и его значение для организма — не одно и то же.

Типичные ошибки

Первая ошибка — считать микроэлементы ненужными, потому что их мало. Так думают, когда смешивают количество элемента с его значением для организма. Проверьте себя: можете ли вы назвать важную функцию железа или йода? Если можете, значит, малое содержание не означает отсутствия пользы.

Вторая ошибка — путать химический элемент и вещество. Такое смешение возникает потому, что названия элементов часто встречаются в описаниях состава веществ. Помните: элемент — это вид атомов, а вещество состоит из атомов одного или нескольких элементов; например, вода включает атомы водорода и кислорода.

Третья ошибка — полагать, что во всех клетках одинаковое соотношение элементов. Это кажется логичным, если представлять клетку как одинаковую «порцию» вещества, но клетки и организмы различаются. Проверяйте себя вопросом: выполняют ли все клетки одну и ту же работу? Разные задачи и состав могут быть разными.

Четвёртая ошибка — считать любой найденный в клетке элемент необходимым. Её допускают, когда принимают факт обнаружения за доказательство функции. Чтобы проверить вывод, спросите: известно ли, какую роль элемент выполняет? Самого обнаружения недостаточно, чтобы утверждать, что он нужен организму.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в составе клетки, полезно знать, что такое атом и химический элемент. Название указывает на вид атомов, а обозначение элемента помогает коротко записывать его в схемах и формулах. Эти сведения позволяют отличать, например, атомы кислорода от вещества, в котором они находятся.

Знание химических элементов пригодится при изучении органических и неорганических веществ клетки. Вещество может состоять из атомов одного элемента или из атомов разных элементов, соединённых вместе. Поэтому сначала выясняют, какие элементы входят в состав вещества, а затем изучают его свойства и значение для клетки.

Что запомнить

• Клетка состоит из атомов химических элементов.
• В живых организмах встречаются многие элементы, известные и по неживой природе.
• Кислород, углерод, водород и азот особенно распространены в клетках.
• Макроэлементы содержатся в клетке в сравнительно больших количествах.
• Микроэлементы нужны в малых количествах, но могут быть важны для организма.
• Количество элемента и его значение для жизни — не одно и то же.