§ 28. Основные химические соединения живой материи

Определения и обозначения

Химический состав живого вещества — это набор химических элементов и соединений, из которых состоят организмы. Соотношение этих веществ неодинаково у разных организмов и связано с их строением и образом жизни. Понятие помогает перейти от перечня атомов к пониманию того, из каких веществ построены клетки.

Биоэлементы — химические элементы, входящие в состав живых организмов. Особенно важны углерод, водород, кислород и азот: они входят в состав многих клеточных молекул. Зная, какие элементы преобладают, можно понять, из каких атомов построены вещества организма.

Неорганические вещества клетки — прежде всего вода и минеральные соли, необходимые для её строения и жизнедеятельности. Они не образуют главные группы сложных органических молекул, но без них не поддерживаются нормальные условия работы клетки. Их выделяют в отдельную группу, чтобы не сводить химический состав клетки только к веществам, содержащим углерод.

Органические вещества клетки — соединения углерода; к важнейшим группам относятся углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты. Их молекулы могут быть крупными и иметь сложное строение. Это деление помогает сопоставлять вещества по их составу и клеточным функциям.

Как это устроено

В живом веществе присутствуют и химические элементы, и соединения, образованные их атомами. Одни и те же элементы могут входить в состав разных молекул, а свойства соединений зависят от того, как именно соединены атомы. Поэтому значение имеет не только перечень элементов, но и соотношение веществ в организме: оно связано с его особенностями и потребностями.

Вода составляет значительную часть клетки, а её свойства объясняются строением молекулы. Электрический заряд в ней распределён неравномерно, поэтому вода полярна и может образовывать водородные связи — слабые взаимодействия между молекулами. Благодаря этому в воде растворяются многие вещества, а раствор становится средой для реакций; вода также непосредственно участвует в некоторых химических процессах и влияет на свойства клетки.

Минеральные соли в клетке могут быть растворены в воде или находиться в твёрдом состоянии. Растворённые соли распадаются на ионы — заряженные частицы, поэтому способны влиять на кислотность и другие свойства внутренней среды. Поддержание подходящего соотношения ионов необходимо для нормальной работы клеток и протекания процессов в них.

Органические соединения различаются по строению, и это определяет их функции. Углеводы и липиды могут быть источниками и запасами энергии, однако липиды также входят в состав мембран. Белки выполняют множество задач: могут ускорять реакции, участвовать в строении клеток и переносе веществ. Нуклеиновые кислоты хранят и передают наследственную информацию, что связывает их с воспроизведением и работой клетки.

Свойства крупной органической молекулы определяются тем, какие атомы в неё входят и в каком порядке они соединены. Многие такие молекулы — биополимеры, то есть соединения из повторяющихся звеньев, мономеров; примеры — белки и нуклеиновые кислоты. Однако не всякая крупная молекула является биополимером: липиды устроены иначе и не представляют собой цепь одинаковых повторяющихся мономеров.

Основные химические соединения живой материи и их роль

Сначала определите группу вещества, затем сопоставьте его строение с функцией. В таблице указаны главные роли, но у некоторых групп их несколько, а конкретная функция зависит от вида вещества.

Разбор задач

Задача 1. Распределите воду, глюкозу, белок и минеральную соль на органические и неорганические вещества. Нужно классифицировать каждое вещество, а не только искать в названии слово «органическое». Для проверки вспомните, к каким группам соединений относится каждый пример.

1. Воду относим к неорганическим веществам: это соединение водорода и кислорода.
2. Глюкоза — углевод, а белок — органическое соединение, поэтому оба вещества относим к органическим.
3. Минеральная соль относится к неорганическим веществам; в растворе она обычно представлена ионами.

Ответ: органические — глюкоза и белок; неорганические — вода и минеральная соль. Такой способ классификации показывает, что в клетке есть обе группы веществ.

Задача 2. В клетке обнаружены соединения, состоящие из аминокислот. Определите группу веществ и назовите одну из её функций. Ищем характерное строительное звено: аминокислоты соединяются в цепи, из которых формируются белки. Затем выбираем одну функцию белков из множества возможных.

1. Определяем, что аминокислоты служат мономерами белков.
2. Следовательно, обнаруженные соединения относятся к белкам.
3. Называем функцию: белок-фермент ускоряет химические реакции в клетке. Также белки могут выполнять структурную или транспортную роль.

Ответ: это белки; одна из их функций — ускорение химических реакций. Не следует приписывать эту роль всем белкам без уточнения: конкретная функция зависит от строения и типа молекулы.

Задача 3. Сравните роль воды, липидов и нуклеиновых кислот в клетке и объясните, почему одно из этих веществ нельзя заменить другим. Здесь нужно сопоставить функции, а не просто перечислить названия веществ. Если функции связаны с разными процессами, их выполняют разные по строению соединения.

1. Вода растворяет многие вещества, создаёт среду для реакций и участвует в некоторых из них.
2. Липиды запасают энергию и входят в состав клеточных мембран.
3. Нуклеиновые кислоты хранят и передают наследственную информацию.
4. Сравниваем эти роли: они не совпадают, а строение молекул приспособлено к разным задачам.

Ответ: заменить одно другим нельзя, потому что вода, липиды и нуклеиновые кислоты выполняют разные функции и имеют разное строение. Например, липид не может хранить наследственную информацию так, как это делает ДНК.

Типичные ошибки

Ошибка — считать все вещества клетки органическими. Её допускают, потому что внимание сосредоточено на сложных соединениях, характерных для живого. Проверьте себя: вода и минеральные соли относятся к неорганическим веществам, поэтому в клетке представлены обе группы.

Ошибка — сводить роль воды только к растворению. Это упрощение возникает из-за её роли как основной среды для многих веществ. Чтобы проверить ответ, вспомните и другие функции воды: участие в химических реакциях и влияние на свойства клетки.

Ошибка — приписывать белкам только энергетическую и запасающую функции или путать их с углеводами и липидами. Такие роли часто первыми приходят на ум при разговоре об органических веществах. Проверьте себя: белки также могут ускорять реакции, участвовать в строении клетки и переносе веществ.

Ошибка — считать любую крупную органическую молекулу биополимером. Так рассуждают, потому что и полимеры, и липиды могут быть сложными молекулами. Проверка проста: полимер построен из повторяющихся мономерных звеньев, а липиды не образуют цепи из одинаковых повторов.

Связь с другими темами

Для понимания состава клетки нужно знать, что атомы химических элементов соединяются и образуют молекулы и ионы. Это помогает различать строение воды, органических соединений и растворённых минеральных солей. Далее тема связывается с химическим строением клетки: свойства её компонентов объясняют, как работают клеточные структуры.

Знание состава веществ пригодится при изучении обмена веществ, потому что реакции идут с участием конкретных соединений. Оно также помогает понять, как организм получает и использует питательные вещества и каким образом хранится наследственная информация. Так химический состав связывает строение клетки с её жизнедеятельностью.

Что запомнить

• Живые организмы состоят из неорганических и органических веществ.
• Вода — важнейшая составляющая клетки и среда многих реакций.
• Минеральные соли участвуют в поддержании свойств внутренней среды и работе клеток.
• Углеводы и липиды имеют энергетическое и запасающие значение.
• Белки выполняют множество функций, зависящих от их строения.
• Нуклеиновые кислоты связаны с хранением и передачей наследственной информации.