§ 5. Химический состав клетки

Определения и обозначения

Химический элемент клетки — это элемент, атомы которого входят в состав клеточных веществ. Элемент обозначает вид атомов, а вещество — то, что образовано атомами и имеет определённый состав и свойства. Например, кислород является элементом, а вода — веществом из атомов кислорода и водорода. Это различие помогает не смешивать состав клетки с перечнем её веществ.

Макроэлементы — химические элементы, содержащиеся в клетке в сравнительно больших количествах. К ним относятся, например, углерод, кислород, водород, азот, фосфор и сера. Эти элементы входят в состав основных клеточных соединений и нужны для построения структур и протекания жизненных процессов. Поэтому их значительное содержание связано с широким участием в работе клетки.

Микроэлементы — химические элементы, необходимые клетке в малых количествах. Среди примеров — железо, цинк и медь. Некоторые микроэлементы входят в состав молекул или помогают клеточным реакциям протекать нормально. Их количество невелико, но без нужного микроэлемента отдельные процессы могут нарушиться.

Органические вещества клетки — соединения, в основе молекул которых лежат углеродные цепи. К главным группам относят углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты. Молекулы этих веществ различаются составом, размером и строением, поэтому могут выполнять разные задачи: запасать энергию, строить клеточные структуры, участвовать в реакциях или хранить наследственную информацию. Понимание их строения помогает объяснить разнообразие функций.

Как это устроено

В клетке обнаруживаются атомы разных химических элементов, но их набор и соотношение не одинаковы. Одни элементы нужны в больших количествах, потому что они входят во множество клеточных соединений; другие требуются только для отдельных важных процессов. Нельзя заменить любой редкий элемент более распространённым: у атомов разных элементов разные свойства. Поэтому клетке необходимы и многочисленные, и малочисленные элементы.

К главным неорганическим веществам клетки относятся вода и минеральные соли. Молекулы многих веществ могут растворяться в воде, поэтому она становится средой для химических реакций и перемещения соединений внутри клетки. Растворённые соли обеспечивают наличие ионов — заряженных частиц, которые участвуют в клеточных процессах. Значит, вода создаёт условия для реакций, а соли помогают поддерживать работу клеточной системы.

Углеводы и липиды связаны с энергетическими и структурными задачами, но устроены и ведут себя по-разному. Многие углеводы доступны клетке как источник энергии, а некоторые входят в состав её структур; среди них есть и запасные вещества. Липиды плохо смешиваются с водой, поэтому подходят для образования клеточных мембран и создания энергетических запасов. Различия в свойствах определяют, где и как клетка использует эти соединения.

Белки состоят из аминокислот, соединённых в цепи; порядок аминокислот влияет на форму и свойства белковой молекулы. Благодаря разнообразию строения белки могут образовывать клеточные структуры, переносить вещества и ускорять химические реакции. Нуклеиновые кислоты построены из нуклеотидов, а их последовательность связана с наследственной информацией. Так особенности строения позволяют белкам выполнять множество задач, а нуклеиновым кислотам — хранить и передавать сведения о признаках организма.

Клеточные вещества не действуют изолированно. Вода и растворённые соли создают условия, в которых идут реакции и перемещаются вещества, а органические соединения образуют структуры и участвуют в обмене веществ. Белки помогают осуществлять многие клеточные процессы, а нуклеиновые кислоты хранят информацию, необходимую для их организации. Слаженная работа этих компонентов поддерживает жизнедеятельность клетки.

Основные группы веществ клетки и их функции

Сначала определите, к какой группе относится вещество, затем сопоставьте его свойства и функции. Таблица показывает основные роли, но не означает, что каждая группа выполняет только одну задачу. Используйте сведения из последнего столбца, чтобы объяснить, почему вещество важно для клетки.

Разбор задач

Задача 1. Распределите вещества на органические и неорганические: вода, белок, минеральная соль, жир, углевод. Здесь требуется определить принадлежность к группе, а не угадывать назначение каждого вещества. Удобно сначала вспомнить две основные группы неорганических веществ, а затем перечислить основные органические соединения.

1. Вода — неорганическое вещество, поэтому записываем её в первую группу.
2. Минеральная соль также относится к неорганическим веществам клетки.
3. Белок, жир и углевод — органические вещества; они входят в основные группы органических соединений.

Ответ: неорганические — вода и минеральная соль; органические — белок, жир и углевод. Решение опирается на принадлежность веществ к группам, а не на то, какую функцию они выполняют. Например, энергетическая роль жира не меняет его классификацию.

Задача 2. В клетке обнаружено небольшое количество железа. Объясните, почему нельзя считать его ненужным компонентом. В условии указано малое содержание элемента, но ничего не сказано о его роли. Значит, нужно отделить количество вещества от его значения для клеточных процессов.

1. Сначала определяем, что железо — химический элемент, а малое содержание позволяет отнести его к микроэлементам.
2. Вспоминаем, что микроэлементы необходимы клетке в малых количествах, но могут участвовать в важных процессах или входить в состав необходимых соединений.
3. Делаем вывод: по одному только количеству нельзя заключить, что элемент бесполезен.

Ответ: железо нельзя считать ненужным, поскольку это микроэлемент, а микроэлементы могут быть необходимы для нормальной работы клетки даже при малом содержании. Чтобы оценить его значение, учитывают его функции, а не только долю в составе.

Задача 3. В образце клетки выявлены вода, минеральные соли, углеводы, липиды и белки. Составьте краткое объяснение, какие клеточные процессы и функции связаны с этими веществами. Здесь перечислено несколько групп, поэтому каждый компонент нужно соотнести со своей основной ролью. В завершение следует показать, как их функции дополняют друг друга.

1. Вода служит средой для реакций и перемещения веществ, а растворённые минеральные соли участвуют в клеточных процессах.
2. Углеводы могут использоваться как источник или запас энергии и участвовать в построении структур; липиды входят в состав мембран и служат энергетическим запасом.
3. Белки образуют структуры клетки и выполняют другие задачи, например ускоряют реакции; их функции зависят от строения.

Ответ: перечисленные вещества связаны с реакциями, обменом веществ, получением и запасанием энергии, а также построением клеточных структур. Вода и соли создают условия для многих процессов, а органические вещества участвуют в их выполнении. Следовательно, жизнедеятельность клетки зависит от совместной работы разных групп веществ.

Типичные ошибки

Ошибка — считать химический элемент и химическое вещество одним и тем же. Её допускают, потому что оба понятия описывают состав материи, однако элемент обозначает вид атомов, а вещество состоит из атомов или их соединений. Проверьте себя: элементом будет кислород, а веществом — вода, в состав которой кислород входит вместе с водородом.

Ошибка — считать микроэлементы несущественными из-за их малого количества. Обычно количество принимают за показатель важности, но для клетки важна ещё и конкретная роль элемента. Проверьте себя вопросом: может ли без него нарушиться необходимый процесс? Если может, малое содержание не делает его ненужным.

Ошибка — приписывать каждому веществу только одну функцию. Так рассуждают, когда запоминают упрощённые пары «вещество — роль» и забывают, что соединение может участвовать в нескольких процессах. Проверьте себя: назовите не только главную функцию, но и другие возможные роли, например структурную или связанную с обменом веществ.

Ошибка — делить вещества на органические и неорганические по их происхождению. Такое деление кажется удобным, но классификация опирается на химические особенности веществ, а не на то, где они образовались. Проверьте себя, определяя группу по самим веществам: вода и минеральные соли неорганические, а углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты — органические.

Связь с другими темами

Для понимания состава клетки нужно знать, что такое атом, химический элемент, молекула и химическое соединение. Эти понятия позволяют различать отдельные частицы, виды атомов и вещества, которые из них образуются. Без такого различия трудно описать, из чего состоит клетка.

Знание о веществах клетки пригодится при изучении её строения и обмена веществ. Роль воды, солей, углеводов и липидов помогает объяснить, как клетка получает вещества, использует энергию и строит свои структуры. Поэтому химический состав связан с питанием и получением энергии организмами.

Белки и нуклеиновые кислоты понадобятся при изучении наследственности и реализации наследственной информации. Строение нуклеиновых кислот связано с хранением и передачей сведений, а белки участвуют в работе клетки. Эти темы показывают, как информация связана с жизненными процессами.

Что запомнить

• Клетка состоит из атомов разных химических элементов.
• Макроэлементы содержатся в клетке в сравнительно больших количествах, микроэлементы — в малых.
• Вода и минеральные соли относятся к неорганическим веществам клетки.
• К основным органическим веществам клетки относят углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты.
• Функции вещества связаны с особенностями его строения и свойств.
• Даже вещества, присутствующие в клетке в малых количествах, могут быть необходимы для её жизнедеятельности.