§16. Химические соединения, обеспечивающие функционирование живой системы

Определения и обозначения

Неорганические вещества — вода и минеральные соли, не образующие характерных углеродных скелетов органических молекул. Они нужны для растворения и переноса веществ, поддержания постоянства внутренней среды и протекания реакций.

Органические вещества — углеродсодержащие соединения живых организмов. Они дают энергию, образуют клеточные структуры, регулируют процессы и участвуют в хранении наследственной информации.

Биополимеры — крупные органические молекулы, построенные из повторяющихся структурных единиц. К ним относятся белки и нуклеиновые кислоты; их размеры и сложное строение позволяют выполнять разнообразные задачи.

Мономер — небольшая молекула, из множества которых образуется биополимер. Вид, количество и порядок мономеров влияют на форму полимера, поэтому определяют его свойства и функции.

Как это устроено

Вода составляет значительную часть клетки, потому что именно в водной среде происходят почти все клеточные реакции. Её молекулы полярны: один участок имеет частичный отрицательный заряд, другой — частичный положительный. Поэтому вода хорошо растворяет ионы и многие полярные соединения, переносит их и сама участвует в реакциях обмена веществ.

Минеральные соли в растворе распадаются на положительно и отрицательно заряженные ионы. Разное содержание ионов внутри клетки и снаружи влияет на движение воды через полупроницаемую мембрану, то есть поддерживает осмотическое давление. Кроме того, ионы помогают сохранять нужную кислотность среды и необходимы для работы нервных клеток, мышц и ферментов.

Углеводы и липиды служат источниками энергии, потому что при их расщеплении и окислении освобождается энергия химических связей. Глюкоза используется быстро, а крахмал и другие запасные углеводы позволяют хранить её в менее растворимой форме. Липиды особенно выгодны для длительного запаса энергии, а фосфолипиды дополнительно образуют основу клеточных мембран.

Белок состоит из цепи аминокислот, соединённых в определённой последовательности. Цепь сворачивается в пространственную форму, и именно расположение её участков определяет, с какими веществами белок сможет взаимодействовать. Поэтому одни белки ускоряют реакции как ферменты, другие переносят вещества, защищают организм или входят в состав клеточных структур.

Нуклеиновые кислоты построены из нуклеотидов, каждый из которых включает углевод, остаток фосфорной кислоты и азотистое основание. Последовательность оснований образует запись наследственной информации. ДНК хранит её, а РНК помогает передавать эту информацию и использовать её при синтезе белков.

Химические соединения клетки и их функции

Сначала определите группу вещества по его составу и строению, затем найдите функции, связанные с этими особенностями. Таблица помогает сравнить вещества, но одно соединение может выполнять несколько функций одновременно.

Разбор задач

Задача 1

Нужно распределить воду, глюкозу, крахмал, жир, белок и ДНК по группам органических и неорганических веществ. Затем требуется назвать их основные функции. Определять группу удобнее по строению, а не по тому, встречается ли вещество в живом организме.

1. Воду относим к неорганическим веществам, потому что её молекула не содержит углеродного скелета.
2. Глюкозу, крахмал, жир, белок и ДНК относим к органическим соединениям, содержащим углерод и имеющим сложное углеродное строение.
3. Связываем вещества с функциями: вода растворяет вещества; глюкоза даёт быструю энергию; крахмал запасает её; жир запасает энергию и входит в мембраны; белок выполняет структурные и рабочие функции; ДНК хранит наследственную информацию.

Ответ: вода — неорганическое вещество, остальные перечисленные соединения — органические. Их функции различаются из-за состава и строения молекул.

Задача 2

Клетку поместили в слишком концентрированный раствор, и она уменьшилась в объёме. Нужно объяснить это явление с помощью осмоса. Осмос — переход воды через полупроницаемую мембрану в сторону раствора с большей концентрацией растворённых веществ.

1. Сравниваем среды: снаружи клетки раствор содержит больше солей, чем внутри.
2. Мембрана пропускает воду лучше, чем крупные растворённые частицы, поэтому вода выходит из клетки.
3. Потеря воды уменьшает объём клетки и повышает концентрацию веществ внутри неё.

Ответ: клетка теряет воду из-за осмоса, так как внешняя среда гипертоническая, то есть более концентрированная. Если клетка растительная, её содержимое может отойти от клеточной стенки.

Задача 3

Нужно сравнить белок и ДНК, указав их мономеры, строение и функции. Сравнение следует начинать с составных единиц, потому что именно они задают особенности крупной молекулы. Затем нужно связать строение с выполняемой работой.

1. Белок состоит из аминокислот, соединённых в цепь; ДНК состоит из нуклеотидов и обычно образует двойную спираль.
2. У белка важны последовательность аминокислот и сворачивание цепи в пространственную форму; у ДНК важен порядок азотистых оснований.
3. Белок непосредственно выполняет рабочие функции клетки, а ДНК хранит и передаёт наследственную информацию, задавая программу синтеза белков.

Ответ: разные мономеры и способы организации молекул приводят к разным свойствам. Поэтому белки преимущественно действуют как рабочие и структурные молекулы, а ДНК служит носителем наследственной информации.

Типичные ошибки

Ошибка: считать все вещества клетки органическими. Её допускают, смешивая понятия «вещество живого организма» и «органическое вещество». Проверка простая: вспомните, что вода и минеральные соли относятся к неорганическим соединениям.

Ошибка: называть минеральные соли только строительным материалом. На самом деле их ионы поддерживают водно-солевой баланс, кислотность и работу клеток. Проверьте себя вопросом: какую роль соль играет в растворе, даже если не входит в твёрдую структуру?

Ошибка: отождествлять углеводы и липиды. Оба класса могут давать энергию, но углеводы обычно используются быстрее, а липиды лучше подходят для длительного запаса и образуют мембраны. Сравнивайте не одну общую функцию, а строение и дополнительные роли.

Ошибка: считать белки и нуклеиновые кислоты одинаковыми носителями наследственности. Наследственная информация хранится и передаётся нуклеиновыми кислотами, тогда как белки в основном реализуют клеточные процессы. Проверьте, какие мономеры входят в состав каждой молекулы.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о химических элементах, атомах, молекулах, ионах, растворах и концентрации. Эти понятия объясняют, почему вещества имеют разные свойства и как они взаимодействуют в клетке.

Дальше знания пригодятся при изучении строения клетки, обмена веществ, ферментов, фотосинтеза, клеточного дыхания и передачи наследственной информации. Состав молекул помогает связать строение клетки с её работой.

В быту тема связана с составом пищи, энергетической ценностью продуктов, водно-солевым балансом и действием растворов на клетки. Например, избыток солей снаружи клетки изменяет движение воды через мембрану.

Что запомнить

• Вода — основной растворитель и среда большинства реакций в клетке.
• Минеральные соли поддерживают ионный состав, осмотическое давление и кислотно-щелочное равновесие.
• Углеводы служат главным быстрым источником энергии и могут запасаться в клетках.
• Липиды запасают энергию и входят в состав клеточных мембран.
• Белки состоят из аминокислот, а их функции зависят от пространственной структуры.
• Нуклеиновые кислоты состоят из нуклеотидов и связаны с хранением и передачей наследственной информации.