§6. Особенности химического состава клетки

Определения и обозначения

Химический элемент клетки — это вид атомов, входящих в состав клеток. Элементы присутствуют в определённых количествах и участвуют в образовании клеточных веществ. Одни атомы входят в состав большого числа молекул, другие нужны лишь для отдельных процессов. Поэтому состав клетки описывают не только перечнем элементов, но и их соотношением.

Макроэлемент — химический элемент, содержание которого в организме сравнительно велико. К таким элементам относят, например, кислород, углерод, водород и азот. Они образуют основу многих органических веществ клетки и входят в состав воды. Знание этой группы помогает понять, из каких элементов построена значительная часть клеточного вещества.

Микроэлемент — элемент, необходимый организму в малом количестве. Примеры — железо и йод: их содержание невелико по сравнению с содержанием макроэлементов, но они нужны для нормальной работы организма. Малое количество не означает малую значимость. Такое понятие помогает отличать потребность в элементе от его роли.

Ультрамикроэлемент — элемент, присутствующий в организме в следовых количествах, то есть в чрезвычайно малом содержании. Некоторые ультрамикроэлементы также необходимы клетке, хотя их доля очень мала. Их нельзя считать случайными примесями только на основании количества. Это понятие подчёркивает, что классификация отражает содержание, а не степень полезности элемента.

Как это устроено

Клетки состоят из тех же химических элементов, которые встречаются в неживой природе, потому что атомы не становятся другими при включении в живой организм. Однако свойства клетки определяет не один список элементов, а их соединения и соотношения. В горной породе и клетке могут быть атомы одних и тех же элементов, но они входят в разные вещества. Поэтому клетка обладает особыми свойствами и способна поддерживать жизненные процессы.

Элементы распределяют по группам в зависимости от того, сколько их содержится в организме. Если элемента сравнительно много, его относят к макроэлементам; при малом содержании говорят о микроэлементах, а при следовом — об ультрамикроэлементах. Эти группы нужны, чтобы упорядочить сведения о составе клетки и потребностях организма. Границы между ними условны: содержание может различаться у разных организмов и в зависимости от того, какой объект рассматривают.

Углерод, водород, кислород и азот составляют основу многих органических веществ клетки, потому что их атомы способны соединяться в разнообразные молекулы. Особенно важен углерод: он образует прочные связи с другими атомами и с самим собой, создавая основу сложных молекулярных структур. Водород и кислород входят, в частности, в состав воды и многих органических соединений. Азот присутствует в ряде важных органических молекул.

В клетке есть не только органические вещества, но и неорганические, прежде всего вода и минеральные соли. Вода составляет значительную часть клеточного содержимого: в ней растворяются многие вещества и протекают реакции. Минеральные соли поддерживают условия, необходимые для работы клетки, и входят в её состав в виде ионов или соединений. Благодаря этому неорганические вещества помогают сохранять строение клетки и обеспечивают протекание процессов жизнедеятельности.

Химические элементы входят в состав органических и неорганических веществ, а уже из этих веществ построены клеточные структуры. Например, углерод, водород, кислород и азот присутствуют в составе многих органических молекул. Другие элементы входят в состав отдельных веществ или нужны для работы клеточных систем. Поэтому элементы участвуют и в построении клетки, и в обмене веществ — совокупности превращений, которые обеспечивают её жизнедеятельность.

Химические элементы клетки и их значение

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, о каком организме или объекте идёт речь, а затем сопоставьте содержание элемента с группой. Примеры показывают типичные случаи, но роль элемента не следует выводить только из его количества. Для объяснения значения важно учитывать, в состав каких веществ он входит и в каких процессах участвует.

Разбор задач

Задача 1. Распределите кислород, углерод, железо и йод по группам химических элементов клетки. Здесь нужно классифицировать элементы по содержанию, а не по тому, насколько они важны. Сначала отделим элементы, которые составляют основу многих веществ клетки, от элементов, присутствующих в малых количествах. Затем проверим, какой из оставшихся примеров относится к микроэлементам.

1. Кислород и углерод — макроэлементы: их содержание сравнительно велико, и они входят в состав многих клеточных веществ.
2. Железо и йод — микроэлементы: организму они нужны в малых количествах.
3. Ультрамикроэлемент среди перечисленных не указан; не нужно относить к этой группе элемент лишь потому, что он важен.

Ответ: кислород и углерод — макроэлементы, железо и йод — микроэлементы. При классификации важно опираться на содержание элемента в организме. Значимость сама по себе не определяет группу.

Задача 2. В клетке обнаружены элементы, составляющие основу органических веществ, и элементы, присутствующие в малых количествах. Приведите примеры обеих групп и объясните различие. Сначала вспомним, какие атомы часто входят в состав органических молекул, а затем подберём пример элемента с малым содержанием. После этого сравним не важность, а количество и роль элементов.

1. К элементам основы органических веществ относятся углерод, водород, кислород и азот; это макроэлементы.
2. Пример элемента, присутствующего в малом количестве, — железо; его относят к микроэлементам.
3. Различие состоит в содержании и характерных ролях: одни элементы входят во множество веществ, другие необходимы в небольших количествах для отдельных процессов.

Ответ: примеры макроэлементов — углерод и кислород, микроэлемента — железо. Макроэлементы составляют основу многих веществ клетки, тогда как микроэлементы нужны в меньшем количестве. Однако обе группы могут быть необходимы для жизнедеятельности.

Задача 3. В образце клетки выявлен дефицит железа, хотя его содержание в норме невелико. Объясните, почему это может нарушить жизнедеятельность клетки. Нельзя рассуждать так: «железа мало, значит, его можно не учитывать». Нужно выяснить, требуется ли оно клетке и что произойдёт, если необходимого элемента станет недостаточно.

1. Железо относят к микроэлементам, потому что его содержание сравнительно мало.
2. Малое содержание не означает, что клетка может обходиться без элемента: железо необходимо для нормальной работы организма.
3. При дефиците нарушаются процессы, в которых оно участвует, поэтому ухудшается жизнедеятельность клетки.

Ответ: дефицит железа способен нарушить работу клетки, несмотря на его малое количество. Для оценки важны и содержание, и необходимость элемента для процессов организма. Поэтому микроэлементы должны поступать в достаточном количестве.

Типичные ошибки

Ошибка — считать микроэлементы и ультрамикроэлементы неважными из-за их малого содержания. Такое рассуждение путает количество с ролью: малое количество необходимого элемента может быть критичным для процессов клетки. Чтобы проверить себя, спросите, говорится ли в задании о содержании или о значении элемента. Не делайте вывод о важности только по его доле.

Другая ошибка — путать химический элемент и вещество. Например, кислород как элемент может входить в состав воды, а молекулярный кислород O₂ является веществом. Путаница возникает потому, что для обоих используют одно слово. Проверка: уточните, идёт ли речь о виде атомов или о конкретном веществе.

Неверно считать, что клетка отличается от неживой природы набором химических элементов. Многие элементы общие, а различаются прежде всего их сочетания и соотношения. Такую ошибку легко допустить, если воспринимать клетку как объект с совершенно особым набором атомов. Для самопроверки сравните не только перечень элементов, но и вещества, которые они образуют.

Также ошибочно относить элемент к одной и той же группе независимо от организма и контекста. Деление на группы связано с содержанием, а оно может зависеть от рассматриваемого объекта; границы групп условны. Причина ошибки — воспринимать классификацию как неизменную таблицу без условий. Проверьте, для какого организма и по какому признаку дана классификация.

Связь с другими темами

Для понимания состава клетки нужно знать, что атомы химических элементов образуют молекулы и вещества. Эти знания связывают химию с биологией: периодическая система помогает объяснять свойства атомов, входящих в состав клетки. Понимание элементного состава пригодится при изучении органических веществ, обмена веществ и строения клеточных структур. Так можно проследить путь от атома к молекуле, а затем к клеточной системе.

Что запомнить

• Клетки состоят из химических элементов, встречающихся и в неживой природе.
• Особенность клетки — характерные сочетания и соотношения элементов.
• По содержанию различают макро-, микро- и ультрамикроэлементы.
• Углерод, водород, кислород и азот входят в состав многих органических веществ клетки.
• Микроэлементы необходимы клетке, несмотря на малое содержание.
• Химические элементы входят в состав неорганических и органических веществ клетки.