§ 7. Особенности химического состава живых организмов. Неорганические и органические вещества, их роль в живом организме

Определения и обозначения

Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра. В организмах обнаруживают кислород, углерод, водород, азот и многие другие элементы, которые есть и в неживой природе. Однако доли элементов в живом веществе неодинаковы: клетки используют одни элементы для воды и органических молекул, другие — для солей и отдельных структур. Поэтому состав организма зависит от его строения и условий жизни.

Неорганические вещества — вещества, к которым относят воду и минеральные соли в составе организма. Вода служит средой для многих процессов, а растворённые соли помогают поддерживать условия, необходимые клеткам. Некоторые соли находятся в виде ионов, другие образуют твёрдые структуры. По их присутствию и состоянию можно понять, как вещество участвует в работе организма.

Органические вещества — сложные соединения, характерные для живых организмов и построенные на основе углеродных цепей. К основным группам относятся углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты. Они дают энергию, создают клеточные структуры, регулируют процессы и обеспечивают хранение наследственной информации. Слово «органические» обозначает химическую группу, а не просто вещество, найденное в организме.

Микроэлементы — химические элементы, необходимые организму в очень малых количествах. К ним относят, например, железо, цинк, медь и йод. Железо важно для переноса кислорода, йод нужен для образования некоторых гормонов. Малое содержание не означает малой важности: нехватка микроэлемента способна нарушить работу организма.

Как это устроено

В живых организмах есть те же химические элементы, что и в неживой природе, потому что живое вещество состоит из атомов, а не создаёт отдельный набор элементов. Отличие возникает из-за соотношения атомов и способов их соединения. Клетки избирательно поглощают вещества и используют их в обмене веществ — совокупности химических превращений. Поэтому одни элементы становятся частью многочисленных молекул, а другие встречаются лишь в небольших количествах.

Атомы объединяются в молекулы и другие химические соединения. Их делят на неорганические и органические: к первым относятся вода и минеральные соли, ко вторым — основные углеродсодержащие вещества клетки. Углерод способен образовывать прочные цепи и сложные молекулы, поэтому его наличие обычно указывает на органическое соединение. Но это не универсальное правило: углекислый газ и некоторые соли угольной кислоты содержат углерод, однако относятся к неорганическим веществам.

Вода составляет значительную часть клеток, потому что многие вещества растворяются в ней и могут вступать в реакции. Растворённые частицы перемещаются с водой между клетками и внутри организма. Вода также расходуется или образуется в химических реакциях, а её присутствие помогает клеткам сохранять форму. Нагревание воды требует много энергии, поэтому она сглаживает колебания температуры и участвует в терморегуляции.

Минеральные соли могут находиться в растворе в виде заряженных частиц — ионов — или входить в твёрдые структуры. Их концентрация внутри и вне клеток влияет на водно-солевой баланс, то есть распределение воды и растворённых веществ. Некоторые соли помогают поддерживать кислотность среды, от которой зависит работа клеточных белков. Другие служат материалом для костей, зубов и иных структур организма.

Органические вещества различаются строением и задачами. Углеводы состоят из сравнительно простых углеродных соединений и часто быстро дают клетке энергию; часть из них служит запасом или строительным материалом. Липиды, в том числе жиры, плохо смешиваются с водой, запасают энергию и входят в состав мембран. Белки состоят из цепочек аминокислот и могут быть строительными, ферментативными или регуляторными, а нуклеиновые кислоты построены из нуклеотидов и хранят либо передают наследственную информацию.

Неорганические и органические вещества живого организма

Сначала определите группу вещества, затем сопоставьте его состав, распространённость и функции с данными строки. Таблица показывает общие свойства: конкретное содержание и роль могут различаться у разных организмов и клеток.

Разбор задач

Задача 1. Распределите воду, белки, минеральные соли и углеводы на неорганические и органические вещества. Обоснуйте классификацию, учитывая, что одного присутствия углерода не всегда достаточно для определения группы. Полезно сначала вспомнить основные группы веществ клетки, а затем проверить каждое название. Так решение будет опираться на химическую природу, а не на то, где вещество обнаружено.

1. Вспоминаем, что вода и минеральные соли относятся к неорганическим веществам.
2. Белки и углеводы — основные группы органических веществ, построенных на основе соединений углерода.
3. Проверяем, что классификация определяется видом соединения: наличие вещества в организме само по себе не делает его органическим.

Ответ: вода и минеральные соли — неорганические вещества; белки и углеводы — органические.

Задача 2. Какое вещество запасает энергию, входит в состав клеточных мембран и плохо растворяется в воде? Нужно выбрать ответ по сочетанию признаков, поскольку один из них может быть свойственен разным веществам. Запас энергии встречается и у углеводов, поэтому решающими будут мембранная роль и плохая растворимость. Сопоставим все три характеристики с группами органических соединений.

1. Отмечаем признак запаса энергии: он подходит, в частности, жирам.
2. Проверяем мембранную функцию: липиды, особенно фосфолипиды, входят в состав клеточных мембран.
3. Сопоставляем растворимость: липиды плохо смешиваются с водой, что согласуется с описанием.

Ответ: липиды. Вывод основан на совокупности свойств и функций, а не только на способности запасать энергию.

Задача 3. В организме обнаружено вещество, содержащее углерод, водород, кислород и азот; оно выполняет ферментативную и строительную функции. Определите группу и объясните, почему состава элементов недостаточно для безошибочного ответа. Надо соотнести состав с типичными элементами разных органических веществ, а затем проверить функции. Одних атомов в составе недостаточно: свойства и роль тоже помогают установить группу.

1. Замечаем, что сочетание углерода, водорода, кислорода и азота характерно для многих белков.
2. Учитываем ферментативную функцию: ферменты являются белками и ускоряют химические реакции.
3. Проверяем строительную функцию: многие белки образуют структуры клеток и тканей, что поддерживает вывод.

Ответ: это белок. Элементный состав согласуется с ответом, но более убедительно его подтверждает сочетание состава и характерных функций.

Типичные ошибки

Ошибка: считать органическим любое соединение с углеродом. Так думают, потому что углерод — основа большинства органических молекул, но существуют и неорганические соединения углерода. Проверяйте не один элемент, а химическую природу вещества: углекислый газ, например, не относят к органическим.

Ошибка: называть минеральные соли органическими из-за их присутствия в организме. Путаница возникает, когда группу определяют по месту нахождения или происхождению, а не по строению вещества. Проверьте себя: соли остаются неорганическими соединениями, даже если входят в состав клеток и тканей.

Ошибка: сводить роль воды только к растворению веществ. Этот ответ кажется достаточным, потому что растворение — заметное свойство воды, но оно не объясняет все её функции. Вспомните также перенос веществ, участие в реакциях, поддержку формы клеток и терморегуляцию.

Ошибка: считать микроэлементы незначимыми из-за их малой доли. Количество вещества легко спутать с его важностью, однако некоторые процессы зависят от очень малого количества конкретного элемента. Чтобы проверить ответ, приведите пример функции микроэлемента: железо необходимо для переноса кислорода, а йод — для образования некоторых гормонов.

Связь с другими темами

Для изучения химического состава нужно знать, что клетка — основная структурная и функциональная единица живого, а вещества состоят из атомов и молекул. Эти представления помогают понять, как элементы образуют соединения и как вещества участвуют в работе клетки. Далее тема пригодится при изучении строения клетки и обмена веществ. Она также связана с питанием и пищеварением, работой ферментов, наследственной информацией и составом пищи.

Что запомнить

• Живые организмы состоят из химических элементов, но их соотношение отличается от неживой природы.
• Вода и минеральные соли относятся к неорганическим веществам.
• Углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты — основные группы органических веществ клетки.
• Вода служит средой для реакций, переносит вещества и участвует в терморегуляции.
• Минеральные соли важны для водно-солевого баланса и ряда функций организма.
• Органические вещества выполняют энергетические, строительные, регуляторные и наследственные функции.
• Микроэлементы нужны в малых количествах, но имеют существенное значение.