Раздел 3. Вещества живых клеток

Определения и обозначения

Биогенные элементы — химические элементы, входящие в состав живых организмов. К основным относят углерод, водород, кислород, азот, фосфор и серу; нужны также, например, кальций, натрий, калий, магний и железо. Из этих элементов построены молекулы клетки, а некоторые из них участвуют в поддержании её работы.

Неорганические вещества клетки — прежде всего вода и минеральные соли. Вода составляет основную часть многих клеток, растворяет вещества и служит средой для реакций. Минеральные соли в растворённом состоянии дают ионы, необходимые для водно-солевого баланса и нормальной работы клетки.

Органические вещества клетки — соединения углерода, которые выполняют структурные, энергетические и регуляторные функции. К ним относят углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты. Одни служат материалом для клеточных структур, другие дают энергию или помогают управлять процессами.

Биополимеры — крупные органические молекулы, состоящие из повторяющихся структурных единиц, то есть мономеров. Белки построены из аминокислот, полисахариды — из простых сахаров, а нуклеиновые кислоты — из нуклеотидов. Свойства таких молекул зависят и от состава звеньев, и от порядка их соединения.

Как это устроено

Химический состав клетки разнообразен, но строится из ограниченного набора биогенных элементов. Эти элементы способны образовывать устойчивые соединения и сочетаться в определённых пропорциях, поэтому из них складываются молекулы разного размера и назначения. Особенно важен углерод: его атом может образовывать несколько прочных связей, в том числе с другими атомами углерода. Так возникают цепи и кольца, к которым присоединяются разные группы атомов и которые дают разнообразие органических веществ.

Молекула воды состоит из атома кислорода и двух атомов водорода, причём электронная плотность распределена неравномерно. Поэтому у кислородной части возникает небольшой отрицательный заряд, а у водородных — небольшой положительный: вода полярна. Заряженные участки притягиваются к ионам и полярным молекулам, окружая их и помогая растворяться. Вода также участвует в некоторых химических реакциях, а для её нагревания требуется много энергии — это помогает сглаживать температурные колебания клетки.

Минеральные соли в клетке часто не образуют заметных кристаллов, а растворяются и распадаются на ионы. Разница в концентрации растворённых частиц по разные стороны мембраны влияет на движение воды и осмотическое давление. Ионы водорода и другие частицы участвуют в поддержании кислотно-щелочного равновесия, от которого зависит работа многих клеточных молекул. Ионы натрия, калия, кальция и других элементов также нужны для электрических сигналов, сокращения мышц и работы ферментов.

Мономерное строение помогает понять свойства крупных органических молекул. Аминокислоты соединяются пептидными связями в белковые цепи, которые затем сворачиваются; связи между сахарами образуют углеводные цепи, а нуклеотиды соединяются в цепи ДНК и РНК. Липиды устроены иначе: многие из них состоят из глицерина и жирных кислот и не являются полимерами с длинной цепью одинаковых мономеров. Строение и тип связей влияют на форму, растворимость и прочность веществ.

Разные группы органических веществ выполняют разные, но часто пересекающиеся функции. Углеводы быстро используются как источник энергии, а крахмал и гликоген подходят для её запаса; целлюлоза образует прочные растительные стенки. Липиды запасают энергию, входят в мембраны и уменьшают потерю тепла. Белки могут быть строительными, каталитическими и транспортными, а нуклеиновые кислоты обеспечивают хранение и использование наследственной информации.

Основные вещества живых клеток и их функции

Сначала определите группу вещества по его составу и строению, затем соотнесите её с представителями в таблице. Функций может быть несколько: таблица показывает основные, но не исчерпывает все роли вещества в организме. Примеры помогают связать молекулы клетки с тканями и органами.

Разбор задач

1. Распределение веществ по группам

Условие. Распределите H₂O, NaCl, C₆H₁₂O₆, C₁₇H₃₅COOH и белок по группам веществ клетки и укажите основную функцию. Чтобы не ошибиться, сначала выясним, есть ли в составе углеродный скелет, а затем учтём особые группы органических соединений.

1. H₂O не содержит углерода, поэтому это неорганическое вещество; вода служит растворителем и средой для реакций.
2. NaCl — минеральная соль. В воде она даёт ионы Na⁺ и Cl⁻, важные для водно-солевого баланса.
3. C₆H₁₂O₆ — глюкоза, углевод и доступный источник энергии для клетки.
4. C₁₇H₃₅COOH — жирная кислота, компонент липидов; липиды запасают энергию и входят в состав мембран.
5. Белок — органическое вещество из аминокислот; конкретная функция зависит от его строения, например фермент ускоряет реакцию.

Ответ. H₂O — вода, растворитель; NaCl — минеральная соль, источник ионов; C₆H₁₂O₆ — углевод, источник энергии; C₁₇H₃₅COOH — жирная кислота, компонент липидов; белок — биополимер, который может выполнять каталитическую, строительную и другие функции. Один только факт наличия углерода не заменяет определение класса вещества по его строению.

2. Сравнение полисахаридов

Условие. Сравните крахмал, гликоген и целлюлозу: назовите мономер, различия строения и функций. Все три вещества относятся к полисахаридам, но одинаковые мономеры ещё не означают одинаковые свойства. Нужно связать устройство цепей с тем, как организм использует каждое вещество.

1. Мономер всех трёх полисахаридов — глюкоза.
2. В крахмале цепи могут быть разветвлёнными или почти прямыми; он служит запасом глюкозы у растений.
3. Гликоген сильно разветвлён, поэтому его можно быстро расщеплять; это запас углеводов у животных и грибов.
4. Целлюлоза образует длинные прочные цепи, которые соединяются в волокна; она выполняет строительную роль в клеточных стенках растений.

Ответ. У веществ один мономер, но различаются связи между звеньями и организация цепей. Разветвлённость гликогена удобна для быстрого получения глюкозы, а прямые цепи целлюлозы образуют прочные волокна. Поэтому крахмал и гликоген преимущественно запасают питательное вещество, а целлюлоза укрепляет структуру.

3. Определение белка по строению

Условие. Молекула состоит из аминокислот и свёрнута в пространственную структуру. Определите класс вещества, тип связи между мономерами и возможные функции. Здесь решающими признаками служат состав цепи и её укладка, а не название конкретного белка.

1. Повторяющиеся аминокислоты указывают на белок — биополимер.
2. Аминокислоты соединяются пептидными связями, образуя полипептидную цепь.
3. Цепь сворачивается за счёт взаимодействий между её участками и боковыми группами аминокислот.
4. Пространственная форма позволяет белку связываться с определёнными молекулами; поэтому он может быть ферментом, транспортным или структурным белком.

Ответ. Описана молекула белка с пептидными связями между аминокислотами. По одной лишь общей характеристике нельзя установить конкретную функцию, но можно назвать возможные роли: каталитическую, строительную, транспортную, защитную и другие. Чтобы определить функцию точнее, нужно знать свойства и форму данного белка.

Типичные ошибки

Ошибка — считать все вещества клетки органическими, потому что они находятся в живом организме. Так смешивают биологическое происхождение и химический класс: вода и минеральные соли тоже входят в клетку, но относятся к неорганическим веществам. Проверьте себя: задайте вопрос не о том, где вещество встречается, а о его составе и строении.

Минеральные соли иногда представляют только как твёрдые кристаллы, похожие на поваренную соль. В клеточной жидкости многие соли растворены и существуют в виде ионов, поэтому их нельзя увидеть как отдельные кристаллики. Чтобы проверить ответ, вспомните, что NaCl в воде распадается на Na⁺ и Cl⁻, а ионы участвуют в клеточных процессах.

Аминокислоты иногда называют разновидностями белков, хотя это их структурные единицы. Путаница появляется из-за того, что аминокислоты и белки тесно связаны, но занимают разные уровни строения: отдельные звенья и собранная цепь. Проверка простая: белок состоит из аминокислот, так же как полимер состоит из мономеров.

Неверно приписывать каждой группе веществ только одну функцию. Например, белки бывают ферментами, но также строят структуры, переносят вещества и защищают организм. Уточняйте, о каком конкретном веществе идёт речь, и учитывайте его строение: именно оно помогает понять, какие функции возможны.

Связь с другими темами

Для понимания состава клетки пригодятся знания о строении атома углерода, химических связях, растворах и ионах. На их основе объясняют, как формируются молекулы и почему вещества ведут себя по-разному в водной среде. Далее эти знания помогают разбирать строение клетки и обмен веществ, включая фотосинтез, дыхание и пищеварение. Они также нужны при изучении генетики, ферментов, энергетического обмена и основ здорового питания.

Что запомнить

• В состав клетки входят неорганические и органические вещества.
• Вода — главный компонент клетки и универсальный растворитель.
• Минеральные соли поддерживают водно-солевой баланс и постоянство внутренней среды клетки.
• Углеводы выполняют энергетическую, запасающую и структурную функции.
• Липиды служат источником энергии, входят в состав мембран и участвуют в теплоизоляции.
• Белки построены из аминокислот и выполняют множество функций, включая каталитическую.
• Нуклеиновые кислоты хранят, передают и реализуют наследственную информацию.