22. Органические вещества, входящие в состав клетки

Определения и обозначения

Углеводы — органические вещества, в состав которых входят углерод, водород и кислород. Среди них есть простые сахара и крупные молекулы из множества звеньев. Углеводы дают клетке энергию, а некоторые из них служат строительным материалом. Поэтому глюкоза и целлюлоза относятся к одной группе, но выполняют разные задачи.

Липиды — разнообразные гидрофобные органические вещества, то есть вещества, плохо смешивающиеся с водой. К ним относят жиры и некоторые другие соединения. Липиды могут запасать энергию и входят в состав клеточных мембран. Их свойства позволяют клетке создавать границы между водными средами.

Белки — полимеры, построенные из аминокислот. Полимером называют крупную молекулу, состоящую из повторяющихся звеньев, а аминокислоты — её строительные блоки. Белки могут ускорять реакции, переносить вещества и образовывать структуры клетки. Разнообразие их функций связано с тем, что аминокислотные цепи складываются по-разному.

Нуклеиновые кислоты — полимеры из нуклеотидов; к ним относятся ДНК и РНК. ДНК хранит наследственную информацию, а РНК участвует в её реализации. Нуклеотиды — звенья этих молекул, и их порядок имеет значение. Благодаря нуклеиновым кислотам клетка сохраняет и использует сведения о строении белков.

Как это устроено

Органические вещества содержат углерод и образуются в живых организмах, но в клетке есть и неорганические вещества, например вода и минеральные соли. Углерод способен образовывать устойчивые цепи и кольца, поэтому на его основе возникают молекулы сложного строения. Неорганические вещества тоже необходимы: вода служит средой для реакций, а соли участвуют в поддержании свойств клетки. Значит, органические и неорганические компоненты дополняют друг друга, но различаются составом и ролью.

Многие крупные органические молекулы образуются из небольших молекул-мономеров. При соединении мономеров возникают полимеры, а последовательность звеньев задаёт особенности молекулы. Это можно сравнить с цепочкой, в которой замена порядка деталей меняет итоговую конструкцию. Поэтому важны не только состав вещества, но и то, как именно расположены его части.

Углеводы делят на моносахариды, дисахариды и полисахариды. Моносахариды, например глюкоза, состоят из одной простой единицы и могут быстро использоваться в клеточных процессах; дисахариды образованы двумя такими единицами. Полисахариды — длинные цепи: крахмал служит запасом питательных веществ у растений, а целлюлоза образует прочные клеточные стенки. Такое различие строения объясняет, почему одни углеводы легко доступны для использования, а другие выполняют запасную или опорную роль.

Белок начинает формироваться как цепь аминокислот, но затем сворачивается в определённую пространственную форму. Сначала на свойства влияет набор аминокислот, затем — их порядок в цепи: даже изменение последовательности может изменить сворачивание. Форма молекулы определяет, с какими веществами она взаимодействует и какую работу выполняет. Например, фермент — белок, ускоряющий химическую реакцию, — действует благодаря соответствию своего участка молекуле-партнёру.

Липиды запасают энергию и входят в состав мембран, где создают барьер между клеткой и внешней средой. ДНК хранит наследственные сведения, а РНК помогает использовать их при создании белков. АТФ не хранит наследственную информацию: эта молекула переносит энергию и делает её доступной для клеточных процессов. Разделение таких задач позволяет клетке одновременно сохранять информацию, строить свои части и обеспечивать реакции энергией.

Основные органические вещества клетки и их функции

Чтобы пользоваться таблицей, сначала найдите вещество и определите его группу по составу или строительным звеньям. Затем сопоставьте группу с примерами и функциями: это помогает не путать, например, белки и нуклеиновые кислоты. У одного вещества может быть несколько функций, поэтому в таблице приведены основные.

Разбор задач

Задача 1. Определите, к какой группе органических веществ относятся глюкоза, крахмал, жир и гемоглобин. Здесь нужно распознать знакомые примеры, а не сравнивать их внешний вид. Удобно идти от известного названия к группе и её типичному строению. Сначала определим каждое вещество отдельно.

1. Глюкоза — простой сахар, значит, это углевод.
2. Крахмал — полисахарид, то есть сложный углевод.
3. Жир относится к липидам.
4. Гемоглобин — белок, построенный из аминокислот.

Ответ: глюкоза и крахмал — углеводы, жир — липид, гемоглобин — белок. Сходство глюкозы и крахмала по группе не означает одинакового строения: глюкоза — небольшая молекула, а крахмал состоит из множества звеньев.

Задача 2. В клетке обнаружено вещество, построенное из аминокислот и ускоряющее химические реакции. Назовите группу вещества и объясните обе подсказки. В условии дано сразу два признака, и каждый проверяет отдельную часть знания. Сначала используем сведения о составе, а затем — о функции.

1. Аминокислоты являются строительными звеньями белков, следовательно, вещество относится к белкам.
2. Ускорение химических реакций — функция фермента.
3. Многие ферменты имеют белковую природу, поэтому признаки согласуются между собой.

Ответ: это белок-фермент. Первая подсказка указывает на группу вещества, а вторая помогает назвать его возможную функцию.

Задача 3. Сравните ДНК, крахмал и липид по строительным звеньям и главным функциям; объясните, почему эти вещества нельзя считать взаимозаменяемыми. Необходимо проверить два признака каждого вещества: из чего оно построено и какую задачу выполняет. Даже если два вещества связаны с запасанием или передачей веществ, их состав не становится одинаковым. Сравним их по очереди.

1. ДНК состоит из нуклеотидов и хранит наследственную информацию.
2. Крахмал — полисахарид из сахарных звеньев; он служит запасом углеводов и может использоваться как источник энергии.
3. Липиды — гидрофобные вещества; они запасают энергию и входят в состав мембран.
4. Сопоставление показывает, что различаются и строительные компоненты, и задачи этих молекул.

Ответ: ДНК — носитель наследственной информации, крахмал — запасной углевод, липиды — энергетический запас и компонент мембран. Они не взаимозаменяемы, потому что устроены по-разному и выполняют разные клеточные функции.

Типичные ошибки

Ошибочно считать все углеводы сладкими и растворимыми. Такое впечатление возникает из-за знакомых сахаров, но крахмал и целлюлоза — полисахариды с другими свойствами. Проверьте себя: если вещество построено из множества сахарных звеньев, это ещё не означает, что оно сладкое или хорошо растворяется в воде. Крахмал служит запасом, а целлюлоза — строительным материалом.

Неверно сводить роль липидов только к запасанию энергии. Жиры часто приводят как пример энергетического запаса, поэтому другие функции могут забываться. Вспомните устройство мембраны: в ней есть липиды, образующие барьер между средами. Если в ответе указана только энергия, проверьте, не пропущена ли структурная роль.

Белки не являются цепочками нуклеотидов: их звенья — аминокислоты. Путаница возникает потому, что и белки, и нуклеиновые кислоты представляют собой крупные молекулы. Чтобы проверить ответ, спросите себя, какие именно мономеры образуют вещество: аминокислоты указывают на белок, нуклеотиды — на ДНК или РНК.

Нельзя смешивать хранение наследственной информации и обеспечение клетки энергией. ДНК и РНК связаны с наследственной информацией, а АТФ переносит энергию для клеточных процессов. Их относят к органическим веществам, но это не делает их функции одинаковыми. При проверке ответа уточните, что именно переносится или сохраняется: информация либо энергия.

Связь с другими темами

Для изучения состава клетки нужно знать химические элементы и различать атом и молекулу: из атомов образуются молекулы веществ. Представление о клетке и её органоидах помогает понять, где находятся мембраны и ядро и почему их состав важен. Эти знания понадобятся при изучении обмена веществ, фотосинтеза и клеточного дыхания, где вещества превращаются и энергия используется клеткой. Они также связаны с наследственностью и синтезом белка: наследственная информация задаёт последовательность аминокислот, а значит, влияет на свойства белка.

Что запомнить

• Органические вещества клетки содержат углерод и выполняют разные клеточные функции.
• Углеводы служат источником энергии и могут выполнять строительную функцию.
• Липиды входят в состав мембран и могут запасать энергию.
• Белки построены из аминокислот; их строение связано с их функциями.
• ДНК и РНК состоят из нуклеотидов и участвуют в хранении и реализации наследственной информации.
• АТФ служит переносчиком энергии в клетке.