Химический состав живого

Определения и обозначения

Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Именно атомы разных элементов образуют вещества клетки, поэтому состав организма описывают через элементы. Основу живого составляют кислород, углерод, водород и азот, но нужны и другие элементы.

Макроэлементы — элементы, содержание которых в организме относительно велико. К ним относятся, например, кислород, углерод, водород, азот, кальций и фосфор. Они входят в состав воды, органических молекул, костей и других частей организма.

Микроэлементы — элементы, необходимые в очень малых количествах. Железо, йод, медь и цинк участвуют в работе клеток и органов, хотя их доля невелика. Если такого элемента не хватает, некоторые процессы нарушаются, поэтому малое содержание не означает малую значимость.

Органические вещества — соединения углерода, характерные для живых организмов. К основным группам относят углеводы, жиры, белки и нуклеиновые кислоты. Они различаются строением и выполняют энергетическую, строительную, регуляторную и информационную функции.

Как это устроено

Живые организмы используют ограниченный набор химических элементов, потому что клетки строятся из веществ, способных образовываться и работать в условиях живой природы. Одни и те же элементы можно соединять разными способами, получая множество молекул с неодинаковыми свойствами. По составу вещества делят на неорганические и органические: к первым относят воду и минеральные соли, к основным органическим — углеводы, жиры, белки и нуклеиновые кислоты.

Элементы различают по их относительному содержанию в организме: те, которых сравнительно много, называют макроэлементами, а присутствующие в следовых количествах — микроэлементами. Такое деление описывает количество, а не степень важности для жизни. Микроэлемент может входить в состав вещества, необходимого для конкретной реакции, поэтому его нехватка способна повлиять на работу целого органа или системы.

Вода составляет значительную часть клетки и служит средой для многих процессов, потому что хорошо растворяет множество веществ. В растворённом виде молекулы и ионы могут перемещаться, встречаться и вступать в химические реакции. Вода участвует в переносе веществ, а её способность медленно нагреваться и остывать помогает сглаживать перепады температуры в клетках и организме.

Минеральные соли присутствуют в клетках как растворённые ионы и как твёрдые вещества, например в составе костей. Ионы натрия, калия и других элементов помогают поддерживать водно-солевой баланс и создавать условия для работы клеток. Некоторые соли участвуют в поддержании кислотности среды: от неё зависит, смогут ли клеточные молекулы нормально выполнять свои функции.

Строение органического вещества связано с его ролью. Углеводы состоят из атомов углерода, водорода и кислорода; простые углеводы, например глюкоза, быстро используются клеткой для получения энергии. Жиры образованы глицерином и жирными кислотами, запасают энергию и входят в состав мембран. Белки состоят из аминокислот и могут быть строительными, транспортными или ферментами, ускоряющими реакции. Нуклеиновые кислоты построены из нуклеотидов и обеспечивают хранение и передачу наследственной информации.

Химические вещества живого организма и их биологическая роль

Сначала найдите в таблице группу вещества, затем сопоставьте её состав с функциями. Примеры в последнем столбце показывают, как общая функция проявляется в организме. У одной группы может быть несколько функций, поэтому не сводите её роль к одному примеру.

Разбор задач

Задача 1. Распределите элементы кислород, углерод, водород, азот, кальций, железо и йод на макроэлементы и микроэлементы. Нужно ориентироваться не на то, насколько элемент важен, а на его относительное содержание в организме. Железо и йод необходимы, но требуются в малых количествах.

1. Сначала выделяем элементы, составляющие основу веществ организма: кислород, углерод, водород и азот.
2. Относим их к макроэлементам, как и кальций, который содержится в заметном количестве, в частности в костях.
3. Железо и йод записываем в микроэлементы: их доля мала, хотя они выполняют важные функции.

Ответ: макроэлементы — кислород, углерод, водород, азот и кальций; микроэлементы — железо и йод. Не следует делать вывод о значимости элемента только по его количеству.

Задача 2. Определите, какие вещества выполняют преимущественно энергетическую, строительную и информационную функции: глюкоза, жир, белок, ДНК. Здесь нужно соотнести каждое вещество с группой органических соединений, а затем — с её ведущей ролью. Учитывайте, что белки могут выполнять разные функции, но в этой задаче для них требуется основное обобщение.

1. Глюкоза — углевод, который клетка может быстро использовать для получения энергии.
2. Жир — запасное энергетическое вещество; белок прежде всего относим к строительным веществам, хотя отдельные белки работают как ферменты или переносят вещества.
3. ДНК — нуклеиновая кислота, которая хранит наследственную информацию.

Ответ: энергетическую функцию связываем с глюкозой и жиром, строительную — преимущественно с белком, информационную — с ДНК. Указание «преимущественно» важно: одна группа веществ может выполнять несколько ролей.

Задача 3. Объясните, почему недостаток железа нарушает перенос кислорода, а недостаток йода — работу щитовидной железы. Чтобы ответить, нужно проследить связь от элемента к веществу, в состав которого он входит, а затем к функции этого вещества. Так становится понятным, почему малое количество микроэлемента имеет заметные последствия.

1. Железо входит в состав гемоглобина — белка эритроцитов, который связывает и переносит кислород.
2. При нехватке железа организму сложнее поддерживать нормальный перенос кислорода к тканям.
3. Йод нужен щитовидной железе для образования её гормонов, регулирующих процессы в организме.

Ответ: недостаток железа затрудняет перенос кислорода, а дефицит йода может нарушать образование гормонов и работу щитовидной железы.

Типичные ошибки

Ошибочно считать микроэлементы несущественными из-за их малого содержания. Так думают, потому что слово «микро» указывает на количество, но оно не показывает биологическую роль. Проверьте себя: спросите, какой процесс нарушится при дефиците; например, нехватка железа влияет на перенос кислорода.

Неверно относить все вещества клетки к органическим: вода и минеральные соли — неорганические. Путаница возникает из-за того, что и те и другие входят в состав клетки. Проверка простая: вспомните основные группы органических веществ — углеводы, жиры, белки и нуклеиновые кислоты.

Углерод характерен для органических соединений, но не является единственным признаком, по которому описывают их строение. Если запомнить только наличие углерода, можно упустить другие элементы и разнообразие молекул. Проверяя ответ, называйте и группу вещества, и особенности её строения, а не только один входящий элемент.

Нельзя считать, что все белки выполняют только строительную функцию. Это упрощение возникает, когда свойство одного примера переносят на всю группу. Чтобы проверить себя, вспомните разные белки: одни образуют структуры, другие ускоряют реакции, переносят вещества или защищают организм.

Связь с другими темами

Для изучения состава живого пригодятся знания о строении атома, химическом элементе, химической связи, а также о классах неорганических и органических веществ. Далее эта тема помогает понять устройство клетки, обмен веществ, питание, работу ферментов и молекулярные основы наследственности. Связь с химией объясняет свойства клеточных веществ, а связь с экологией — последствия дефицита элементов и значение минерального питания организмов.

Что запомнить

• Живые организмы состоят из химических элементов, соединённых в различные вещества.
• Основу химического состава живого составляют углерод, водород, кислород и азот.
• Макроэлементы содержатся в организме в относительно больших количествах, а микроэлементы — в очень малых.
• Вода участвует в большинстве процессов жизнедеятельности и составляет значительную часть клетки.
• Органические вещества клетки включают углеводы, жиры, белки и нуклеиновые кислоты.
• Белки выполняют множество функций, углеводы и жиры служат источниками энергии, а нуклеиновые кислоты хранят и передают наследственную информацию.