3.2. Органические вещества, входящие в состав клетки

Определения и обозначения

Белки — органические вещества, молекулы которых построены из аминокислот. Они служат строительными и функциональными компонентами клетки: входят в её структуры, ускоряют реакции и помогают переносить вещества. Разнообразие белков позволяет клетке выполнять множество задач.

Углеводы — органические вещества, среди которых различают простые сахара и полисахариды, состоящие из многих сахарных звеньев. Они дают клетке энергию, могут служить её запасом или входить в состав структур. Поэтому углеводы нужны не только для питания.

Липиды — гидрофобные органические вещества, то есть плохо смешивающиеся с водой. Они формируют основу мембран, накапливают энергию и участвуют в защите клетки. Их свойства помогают отделять внутреннюю среду клетки от внешней.

Нуклеиновые кислоты — биополимеры, которые хранят и передают наследственную информацию. К ним относятся ДНК и РНК. Благодаря этим молекулам клетка может сохранять инструкции и использовать их при создании белков.

Как это устроено

В органических веществах клетки преобладают углерод, водород, кислород и азот; в некоторых молекулах присутствуют также фосфор и сера. Углерод лежит в основе их строения, потому что каждый его атом может образовать четыре прочные связи. Углеродные атомы соединяются друг с другом в цепи и кольца, а к таким каркасам присоединяются другие элементы. Это даёт возможность создавать молекулы разной формы и свойств.

Белки, полисахариды и нуклеиновые кислоты — биополимеры, то есть крупные молекулы, собранные из повторяющихся звеньев. Мономерами белков служат аминокислоты, полисахариды складываются из остатков простых сахаров, а нуклеиновые кислоты — из нуклеотидов. Связи между звеньями образуют длинные цепи, которые могут нести информацию или выполнять определённую работу. Липиды отличаются: это группа неодинаковых по строению веществ, и они не представляют собой типичные цепочки повторяющихся мономеров.

Работа белка зависит от его пространственной структуры — формы, которую принимает аминокислотная цепь. Порядок аминокислот влияет на то, как цепь свернётся и какие участки окажутся доступны для взаимодействия с другими молекулами. Например, фермент связывает определённые вещества благодаря подходящей форме своего активного участка. Если строение белка изменяется, его функция может ослабнуть или исчезнуть.

Органические вещества выполняют разные, но связанные функции. Углеводы и липиды могут служить источниками и запасами энергии, а белки и некоторые углеводы входят в состав клеточных структур. Белки-ферменты обеспечивают каталитическую функцию — ускоряют химические реакции; отдельные белки участвуют в регуляции процессов. Нуклеиновые кислоты выполняют информационную функцию, сохраняя инструкции, необходимые клетке.

Клетка работает не благодаря отдельным веществам, а благодаря их взаимодействию. Мембрана образована главным образом липидным слоем, в который встроены белки: липиды создают барьер, а белки помогают переносить вещества и распознавать сигналы. Информация ДНК используется при синтезе белка с участием РНК. Поэтому свойства одной молекулы влияют на работу целых клеточных структур и процессов.

Основные классы органических веществ клетки

Сначала определите, из каких звеньев или компонентов состоит вещество, а затем сопоставьте это с его функциями. Примеры помогают проверить, верно ли вы определили класс: крахмал — углевод, фосфолипид — липид, а фермент — белок. У одного класса может быть несколько функций.

Разбор задач

Задача 1. Вещество из аминокислот

В клетке обнаружено вещество, состоящее из аминокислот. Определите класс вещества и назовите две возможные функции. Нужно сначала установить, какие молекулы могут быть мономерами этого класса, а затем вспомнить разнообразие его задач. Аминокислоты не являются отдельной функцией вещества, а служат его строительными единицами.

1. Сопоставляем аминокислоты с классами органических соединений: из них построены белки.
2. Значит, обнаруженное вещество относится к белкам, если аминокислоты соединены в белковую цепь.
3. Выбираем две возможные функции: например, фермент ускоряет реакцию, а белок мембраны участвует в переносе вещества.

Ответ: это белок; возможны каталитическая и транспортная функции. Также белки могут выполнять строительную или регуляторную роль.

Задача 2. Глюкоза, крахмал и целлюлоза

Сопоставьте глюкозу, крахмал и целлюлозу с их строением и ролью в клетке или организме. Чтобы не смешать эти вещества, выясним, какое из них состоит из одной простой молекулы сахара, а какие представляют собой длинные цепи. Затем свяжем строение с тем, где и для чего они используются. Все три вещества относятся к углеводам, но выполняют разные задачи.

1. Глюкоза — моносахарид, то есть простая молекула сахара; она может использоваться клеткой как источник энергии.
2. Крахмал — полисахарид из сахарных звеньев; растения откладывают его как запас питательного вещества.
3. Целлюлоза — также полисахарид, но её цепи образуют прочный материал клеточных стенок растений.

Ответ: глюкоза связана с быстрым обеспечением энергией, крахмал — с запасанием, целлюлоза — со структурной прочностью. Значит, одинаковая принадлежность к углеводам не означает одинаковую роль.

Задача 3. Синтез белка и наследственная информация

В клетке нарушилось образование белка по наследственной информации. Объясните, какие типы нуклеиновых кислот участвуют в процессе и какова их роль. Важно проследить путь информации: где она хранится и каким образом используется при сборке белка. Для ответа нужно различить функции ДНК и РНК, а не считать их взаимозаменяемыми.

1. ДНК содержит наследственную информацию и служит её долговременным хранилищем.
2. На основе участка ДНК создаётся молекула РНК, которая участвует в передаче инструкции к месту синтеза белка.
3. Другие виды РНК помогают распознавать инструкцию и доставлять аминокислоты для сборки цепи.
4. Если процесс нарушен, следует выяснить, на каком этапе не сработала передача или реализация информации.

Ответ: в синтезе белка участвуют ДНК и разные виды РНК. ДНК хранит инструкцию, а РНК обеспечивает её передачу и использование при соединении аминокислот.

Типичные ошибки

Ошибка — считать все органические вещества полимерами. Такое впечатление возникает потому, что белки и нуклеиновые кислоты часто описывают через мономеры; однако липиды не имеют типичного строения из повторяющихся звеньев. Проверка: спросите себя, можно ли указать для вещества один повторяющийся мономер.

Не следует смешивать белок и аминокислоту. Аминокислота — строительная единица, а белок — цепь аминокислот; путаница появляется, когда называют состав и забывают о целом веществе. Проверка проста: если речь идёт об одной отдельной молекуле-кирпичике, это не целый белок.

Неверно приписывать всем углеводам только энергетическую функцию. Простые сахара могут использоваться для получения энергии, но полисахариды также запасают вещества или образуют структуры. Проверяйте ответ по конкретному примеру: крахмал — запас, целлюлоза — опора, глюкоза — источник энергии.

Липиды нельзя считать растворимыми в воде так же, как многие сахара. Это заблуждение возникает из-за того, что все вещества рассматривают как одинаково смешивающиеся с клеточной жидкостью. Гидрофобность липидов — их слабое взаимодействие с водой — помогает им формировать мембранный слой; проверяйте, не приписываете ли вы им свойства сахаров.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о химических элементах клетки, химических связях и строении молекул. Состав и свойства липидов и белков объясняют, как устроена клеточная мембрана и почему она избирательно пропускает вещества. Позже эти знания пригодятся при изучении обмена веществ, клеточного дыхания и синтеза белка. Роль ДНК и РНК станет основой темы о хранении и реализации наследственной информации.

Что запомнить

• Углерод составляет основу большинства органических веществ клетки.
• Белки построены из аминокислот.
• Углеводы выполняют энергетическую, запасающую и структурную функции.
• Липиды входят в состав мембран и служат запасом энергии.
• ДНК и РНК относятся к нуклеиновым кислотам.
• Строение органического вещества связано с выполняемой им функцией.