§ 11. Химический состав организма: химические элементы, неорганические вещества, органические вещества (белки, липиды, углеводы)

Определения и обозначения

Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра. В организме есть кислород, углерод, водород, азот, кальций, фосфор, железо, йод и другие элементы. Их делят на макроэлементы, которых в теле сравнительно много, и микроэлементы, присутствующие в очень малых количествах, но необходимые для работы клеток.

Неорганические вещества организма — прежде всего вода и минеральные соли. Вода состоит из молекул H₂O, а соли в растворе распадаются на заряженные частицы — ионы. Эти вещества не являются органическими, но без них невозможны обмен веществ, поддержание постоянства внутренней среды и работа клеток.

Органические вещества — соединения углерода, входящие в состав живых организмов. В данном параграфе к основным группам относятся белки, липиды и углеводы. Они образуют структуры клеток, участвуют в реакциях и обеспечивают организм энергией.

Белок — органическое вещество, молекулы которого построены из аминокислот. Белки отличаются последовательностью аминокислот и формой свернутой цепи, поэтому выполняют разные задачи. Они могут быть ферментами, строительными материалами, переносчиками веществ, антителами и регуляторами.

Как это устроено

В организмах встречаются многие химические элементы, потому что клеткам нужны разные материалы для построения молекул и регулирования реакций. Кислород, углерод, водород и азот составляют основную массу органических веществ и воды, поэтому их особенно много. Макроэлементы содержатся в заметных количествах, а микроэлементы — в следовых, однако малое содержание не означает малую значимость: железо нужно для переноса кислорода, а йод — для образования гормонов.

Вода занимает большую часть содержимого многих клеток благодаря особым свойствам своих молекул. Она растворяет соли, сахара и другие вещества, поэтому реакции могут происходить в растворе, а вещества — перемещаться по организму. Вода непосредственно участвует в некоторых реакциях и помогает сохранять температуру и условия, при которых работают клеточные структуры.

Минеральные соли в жидкостях организма существуют главным образом в виде ионов. Ионы натрия, калия, кальция и других элементов поддерживают состав внутренней среды, участвуют в передаче нервных импульсов и сокращении мышц. Нерастворимые соли кальция и фосфора образуют твёрдую основу костей и зубов, поэтому соли нужны не только для регулирования процессов.

Белковая молекула представляет собой цепь аминокислот, а порядок этих звеньев задаёт её сворачивание в определённую форму. Форма позволяет белку избирательно взаимодействовать с другими веществами: фермент ускоряет реакцию, транспортный белок переносит молекулы, а структурный укрепляет клетку или ткань. Защитные белки распознают чужеродные частицы, а некоторые белки регулируют работу организма.

Липиды построены иначе, чем белки и углеводы, и обычно плохо растворяются в воде. Они образуют основу клеточных мембран, защищают органы и откладываются как долгосрочный запас энергии. Углеводы часто состоят из небольших сахарных звеньев или их цепей, поэтому быстро используются клетками как источник энергии, а некоторые сложные углеводы входят в состав опорных структур.

Основные вещества организма и их значение

Таблицу удобно читать по строкам: сначала определить группу, затем связать её состав со свойствами и функциями. При сравнении обращайте внимание не только на энергетическую роль веществ, но и на их участие в строении клеток и регуляции процессов.

Разбор задач

Задача 1

Распределите кислород, углерод, железо и йод на макроэлементы и микроэлементы. Нужно определить не полезность элементов, а их относительное содержание в организме.

1. Кислород и углерод входят в состав воды и большинства органических молекул, поэтому их содержание велико.
2. Железо и йод нужны для важных процессов, но присутствуют в теле в значительно меньших количествах.
3. Кислород и углерод относим к макроэлементам, а железо и йод — к микроэлементам.

Ответ: макроэлементы — кислород и углерод; микроэлементы — железо и йод.

Задача 2

Для воды, минеральных солей, белков, липидов и углеводов укажите по одному примеру функции. Решение строится на связи свойств каждой группы с её ролью в организме.

1. Вода является растворителем, поэтому её функция — растворение и перенос веществ.
2. Минеральные соли существуют в виде ионов или входят в твёрдые структуры, поэтому они регулируют внутреннюю среду или укрепляют кости.
3. Белки ускоряют реакции, липиды запасают энергию, а углеводы снабжают клетки энергией.

Ответ: вода — перенос веществ; соли — поддержание внутренней среды; белки — ферментативная функция; липиды — запас энергии; углеводы — источник энергии.

Задача 3

В рационе обнаружены белок, жир и крахмал. Определите группы веществ и объясните их значение для организма.

1. Белок относится к белкам, так как построен из аминокислот; он нужен для построения тканей и работы ферментов.
2. Жир относится к липидам; он служит запасом энергии, входит в состав мембран и помогает сохранять тепло.
3. Крахмал является сложным углеводом; при расщеплении он даёт глюкозу, используемую для получения энергии.

Ответ: белок — белок, жир — липид, крахмал — углевод; их роли различаются, хотя белок и жир также входят в состав клеток.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что микроэлементы не нужны организму. Так происходит из-за путаницы между количеством и значением вещества. Проверка простая: вспомните, что недостаток железа или йода нарушает работу организма.

Ошибка: относить воду и соли к органическим веществам только потому, что они есть в живом теле. Органическое вещество определяют по химическому составу и строению, а не по месту нахождения. Вода и минеральные соли относятся к неорганическим веществам.

Ошибка: сводить роль белков только к построению тканей. Белковые молекулы имеют разные формы, поэтому могут ускорять реакции, переносить вещества и защищать организм. Проверьте ответ, назвав хотя бы одну функцию белка, не связанную со строительством.

Ошибка: считать липиды и углеводы полностью одинаковыми. Обе группы участвуют в энергетическом обмене, но липиды особенно важны для мембран и долгого запаса, а углеводы чаще дают быстро доступную энергию. Сравнивайте не одну общую функцию, а строение и весь набор ролей.

Связь с другими темами

Перед изучением темы полезно вспомнить строение атома и различие между химическим элементом и веществом. Это помогает понять, почему один элемент может входить в состав разных веществ, а свойства вещества зависят от соединения атомов.

Тема связана со строением клетки: вода и соли находятся во внутренней среде, белки выполняют работу клеточных структур, а липиды образуют мембраны. Позже эти знания пригодятся при изучении обмена веществ, питания и пищеварения.

Что запомнить

• Организм состоит из химических элементов, образующих неорганические и органические вещества.
• Кислород, углерод, водород и азот относятся к наиболее распространённым в организме элементам.
• Макро- и микроэлементы различаются прежде всего содержанием в организме, а не важностью.
• Вода и минеральные соли необходимы для нормального протекания жизненных процессов.
• Белки построены из аминокислот и выполняют множество функций.
• Липиды входят в состав мембран и служат энергетическим запасом.
• Углеводы участвуют в обеспечении энергией и могут выполнять структурную функцию.