2.2. Химический состав клетки

Определения и обозначения

Химический элемент клетки — вид атомов, входящих в её состав. По количеству различают макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы: первых сравнительно много, вторых мало, а третьи присутствуют в следовых количествах. Такое деление помогает описать состав клетки и не путать количество элемента с его значимостью.

Неорганические вещества клетки — прежде всего вода и минеральные соли. Вода служит средой для многих процессов, а соли поддерживают необходимые свойства клеточной среды и могут входить в состав структур. Их изучение показывает, что для работы клетки важны не только сложные органические соединения.

Органические вещества клетки — характерные для живых организмов соединения углерода. К основным группам относятся углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты. Они различаются строением и выполняют разные задачи: от получения энергии до хранения наследственной информации.

Биополимеры — крупные органические молекулы, построенные из повторяющихся звеньев. Белки состоят из аминокислот, нуклеиновые кислоты — из нуклеотидов, а многие сложные углеводы — из моносахаридов. Понимание состава таких молекул помогает объяснить, как их строение связано с функциями.

Как это устроено

Клетки состоят из тех же химических элементов, что и неживая природа, потому что живые организмы построены из атомов, а не из особого набора «живого» вещества. Отличие проявляется в соотношениях элементов и в том, как атомы соединены друг с другом. Например, углерод образует разнообразные соединения, которые становятся основой многих органических молекул; сочетание веществ и их организация обеспечивают свойства живой клетки.

Содержание элемента связано с его ролью, но малое количество не означает малую важность. Кислород, углерод, водород и азот входят в состав множества клеточных соединений, поэтому относятся к наиболее распространённым макроэлементам. Микроэлементы нужны в меньших количествах, поскольку участвуют в отдельных процессах или входят в состав специальных молекул. Ультрамикроэлементы обнаруживаются в крайне малых концентрациях; классификация отражает именно содержание, а не пользу для клетки.

Вода составляет значительную часть клетки, потому что молекулы многих веществ способны в ней растворяться, а клеточные реакции обычно протекают в водной среде. Благодаря этому реагенты могут перемещаться и взаимодействовать. Вода также участвует в некоторых химических превращениях и помогает поддерживать объём и форму клетки. Если водный баланс нарушается, меняются условия протекания процессов и состояние клеточных структур.

Минеральные соли влияют на свойства клеточной среды и участвуют в работе клеточных структур. В растворённом виде они существуют главным образом как ионы, которые могут влиять на распределение воды и условия протекания реакций. Нерастворимые соединения солей служат материалом твёрдых структур, например опорных образований. Поэтому соли в клетке представлены не только раствором, но и структурными компонентами.

Основные органические вещества различаются составом, строением и задачами. Белки — цепи аминокислот; среди них есть ферменты, ускоряющие реакции, и вещества, образующие структуры. Углеводы включают простые сахара и более крупные молекулы, служат источником энергии и могут входить в состав клеточных структур. Липиды плохо растворяются в воде, входят в состав мембран и запасают энергию, а нуклеиновые кислоты состоят из нуклеотидов и связаны с хранением и передачей наследственной информации.

Основные группы веществ клетки

Сначала определите, к какой группе относится вещество, затем сопоставьте его строение с функцией. Таблица помогает увидеть общие черты групп, но приведённые примеры не исчерпывают всё разнообразие клеточных соединений.

Разбор задач

Задача 1. Распределите элементы O, C, H, N, Fe и I на макроэлементы и микроэлементы. Решать нужно по содержанию в клетке, а не по тому, насколько элемент важен для организма. Для этого сравним элементы с типичными представителями двух групп.

1. O, C, H и N входят в число основных элементов клетки и содержатся в ней в значительном количестве.
2. Fe и I присутствуют в гораздо меньших количествах, хотя необходимы для работы организма.
3. Следовательно, первые четыре относим к макроэлементам, а Fe и I — к микроэлементам.

Ответ: макроэлементы — O, C, H, N; микроэлементы — Fe, I.

Задача 2. В клетке обнаружены вода, растворённые ионы кальция и фосфат кальция в составе твёрдой структуры. Определите группы веществ. Ориентируемся на химическую природу компонентов и форму, в которой соли находятся в клетке.

1. Вода — неорганическое вещество, отдельное от минеральных солей.
2. Ионы кальция в растворе относятся к растворённой форме минеральных солей.
3. Фосфат кальция также является минеральной солью, но здесь он входит в состав твёрдой структуры.

Ответ: вода — неорганическое вещество; ионы кальция и фосфат кальция — минеральные соли. Первые находятся в растворе, второй образует часть твёрдой структуры.

Задача 3. В образце выявлены белок, глюкоза и ДНК. Для каждого вещества укажите группу, возможные составные звенья и основную роль. Сначала определим группу по названию, затем свяжем строение с тем, какую работу выполняет вещество. Указанные функции — типичные примеры, а не единственно возможные варианты.

1. Белок относится к белкам и построен из аминокислот. Он может выполнять каталитическую функцию, если является ферментом, или входить в состав клеточных структур.
2. Глюкоза — простой углевод; она не является полимером из множества повторяющихся звеньев. Её основная роль — быть доступным источником энергии.
3. ДНК относится к нуклеиновым кислотам и состоит из нуклеотидов. Она хранит наследственную информацию.

Ответ: белок — аминокислотные звенья, структурная или каталитическая роль; глюкоза — простой углевод, источник энергии; ДНК — нуклеотиды, хранение наследственной информации.

Типичные ошибки

Ошибка: считать микроэлементы неважными, потому что их мало. Такое заключение возникает из-за смешения количества вещества с его значением для клетки. Проверьте себя: классификация по содержанию не отменяет того, что микроэлемент может быть необходим для нормальной работы организма.

Ошибка: понимать органические вещества как только искусственно полученные человеком. В бытовой речи «органический» иногда связывают с происхождением продукта, но в биологии речь идёт прежде всего о характерных для живых организмов соединениях углерода. Проверка простая: белки, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты — органические вещества клетки.

Ошибка: считать, что минеральные соли всегда растворены. Так думают, если представляют соли только как части раствора, однако некоторые из них входят в твёрдые структуры. Проверьте, указана ли форма существования: ионы в растворе или соединение в составе структуры.

Ошибка: называть биополимерами все органические вещества. Это происходит из-за того, что многие крупные молекулы действительно состоят из повторяющихся звеньев. Но липиды обычно не построены как цепь повторяющихся мономеров, поэтому при проверке строения не следует автоматически относить каждое органическое соединение к биополимерам.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в составе клетки, нужно знать, что атомы химических элементов образуют молекулы и химические соединения. Эта основа позволяет понимать, почему одни вещества состоят из повторяющихся звеньев, а другие имеют иное строение. Представление о воде, солях и органических соединениях пригодится при изучении органоидов, обмена веществ и процессов жизнедеятельности клетки. Знания о белках, углеводах, липидах и нуклеиновых кислотах станут опорой для дальнейшего изучения их строения и функций в организме.

Что запомнить

• Клетка состоит из тех же химических элементов, что и неживая природа.
• В клетке преобладают кислород, углерод, водород и азот.
• Микроэлементы нужны в малых количествах, но выполняют важные функции.
• Вода — важнейшая составляющая клетки и среда для многих химических реакций.
• Минеральные соли могут быть растворены в клетке или входить в состав её структур.
• К основным органическим веществам клетки относятся белки, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты.