Біологія · Розділ

Хімічний склад клітини

Це перша тема розділу 1 програми НМТ з біології, і вона працює як фундамент для всього подальшого: без розуміння того, що таке органогени, вода, білок і нуклеотид, ви не візьмете ні клітину, ні обмін речовин, ні спадкову інформацію. Наука, що вивчає хімічний склад живого, значення й перетворення його компонентів, називається біохімією. Коментар викладачки. Не лякайтеся слова «біохімія». Тема насправді дуже логічна: спочатку елементи, потім із них молекули, потім із молекул уся клітина. Розберемось по цій сходинці, і далі буде значно легше.

📚 5 підтем ✍ Автор: Соня
Коротко

Хімічний склад клітини – це сукупність хімічних елементів і хімічних речовин, що містяться у клітині й забезпечують її життєдіяльність. Вивчають його на двох рівнях: елементному (біоелементи) і молекулярному (неорганічні та органічні молекули). Цю тему розбирають на курсі біології KEVIN.

🔑 Головні правила

Загальна формула вуглеводів

\(C_n(H_2O)_m\). Позначення: \(n\) означає кількість атомів Карбону, \(m\) означає кількість молекул води у формальному записі, а сама назва «вуглеводи» походить від слів «вуглець» і «вода».

Органогени

Карбон (\(C\)), Оксиген (\(O\)), Гідроген (\(H\)), Нітроген (\(N\)). У клітинах організму людини їхній сумарний вміст становить понад 90 %.

Кінцеві продукти окиснення біомолекул

\(CO_2\), \(H_2O\), \(NH_3\).

Продукти повного розщеплення вуглеводів

\(CO_2\) і \(H_2O\).

Вміст органічних сполук у клітині людини

близько \(23{,}5\ \%\), з них білків близько \(15\ \%\), ліпідів близько \(4{,}5\ \%\), вуглеводів близько \(2{,}5\ \%\), нуклеїнових кислот близько \(1{,}5\ \%\).

Вміст неорганічних речовин

близько \(76{,}5\ \%\), з них води близько \(75\ \%\), мінеральних солей і кислот близько \(1{,}5\ \%\).

Вміст біомолекул у клітинах загалом

близько \(30\ \%\).

Вуглеводи в клітинах

у рослинних близько \(80\ \%\), у тваринних близько \(2\ \%\).

Енергія з вуглеводів

понад \(\dfrac{2}{3}\) енергетичних потреб організму задовольняється саме за рахунок вуглеводів.

Правило комплементарності для задач на ДНК

\(A = T\), \(G = C\), звідси \(A + T + G + C = 100\ \%\).

🗺 Оберіть підтему для детального розбору

Кожна підтема — окрема сторінка з реальними завданнями НМТ, покроковим методом та шпаргалкою.

Білки й ферменти: НМТ біологія, структура і функції →
Будова, структури й функції білків, властивості ферментів і задачі НМТ
Середньо
Вода й неорганічні речовини - завдання НМТ →
Вода й неорганічні речовини на НМТ з біології: властивості й функції води, гідрофільні та гідрофобні сполуки, макро- і мікроелементи, розбір реальних завдань.
Середньо
Вуглеводи: будова, функції і завдання НМТ →
Вуглеводи на НМТ з біології: моно-, оліго- і полісахариди, функції, крохмаль проти глікогену, розбір реальних завдань і типові помилки учнів.
Середньо
Ліпіди - будова, функції та завдання НМТ →
Ліпіди на НМТ: будова, гідрофобність, прості й складні ліпіди, фосфоліпіди, стероїди, жиророзчинні вітаміни, розбір реальних завдань і типові помилки.
Середньо
Нуклеїнові кислоти й АТФ: НМТ біологія, задачі →
ДНК і РНК, комплементарність, типи РНК і АТФ: формули й задачі НМТ
Середньо

📆 План підготовки — План підготовки, 3 тижні від нуля

Елементи і неорганіка 1

Розберіть поділ біоелементів на органогени, макро- і мікроелементи, вивчіть конкретні приклади: Йод у гормонах щитоподібної залози, Цинк в інсуліні, Кальцій у зсіданні крові, Натрій і Калій у транспортуванні речовин. Далі вода: розчинник, тургор, гідрофільні й гідрофобні сполуки. У кінці тижня прорішайте тестові завдання саме на елементи, бо їх упізнають за описом функції.

Вуглеводи і ліпіди 2

Загальна формула \(C_n(H_2O)_m\), поділ на моно-, оліго- і полісахариди, конкретні представники з програми: рибоза, дезоксирибоза, глюкоза, фруктоза, сахароза, лактоза, крохмаль, целюлоза, хітин, глікоген. Потім ліпіди: жири, воски, стероїди, фосфоліпіди та їхні функції. Тут же запамʼятайте цифри вмісту: у рослинних клітинах вуглеводів близько \(80\ \%\), у тваринних близько \(2\ \%\).

Білки, нуклеїнові кислоти й АТФ 3

Найважчий тиждень, тому й останній. Амінокислоти як мономери, чотири рівні структури білка, денатурація і ренатурація, ферменти. Далі будова нуклеотида, ДНК і РНК, принцип комплементарності, типи РНК і роль АТФ в енергозабезпеченні. Завершіть тиждень задачами на комплементарність, бо це найтиповіший обчислювальний формат теми.

Як розв'язувати завдання теми — загальний метод

  1. 1 Упізнати елемент або речовину за описом функції

    Читаєте опис і шукаєте в ньому слово-маркер: «нерозчинні солі», «кістки», «скорочення мʼязів» вказують на Кальцій; «гормони щитоподібної залози» на Йод; «інсулін» на Цинк. Спочатку відкидайте явно чужі варіанти, а потім із двох схожих обирайте той, у якого збігаються ВСІ рядки опису, а не один.

  2. 2 Класифікувати сполуку

    Питання «органічна чи неорганічна», «моно-, оліго- чи полісахарид», «макро- чи мікроелемент» вирішується формальною ознакою. Є карбоновий скелет – органічна. Не гідролізується – моносахарид. Головне не плутати рівень поділу: органоген це теж елемент, просто окрема група за вмістом.

  3. 3 Порахувати за комплементарністю

    Пишете рівності \(A = T\) і \(G = C\), додаєте, що сума всіх чотирьох дає \(100\ \%\), і далі це проста арифметика. Якщо в завданні питають про дезоксирибозу або фосфатні залишки, згадуйте будову нуклеотида: на кожен нуклеотид припадає одна молекула цукру.

⚠️ Типові помилки по темі

✗
Органогени - це окрема група, а не елементи

Неправильно. Органогени це така сама група біоелементів за кількісним вмістом, як макро- і мікроелементи. Карбон, Оксиген, Гідроген і Нітроген просто мають найбільший відсотковий вміст, тому їх виділили окремо.

✗
У складі клітини найбільше органічних речовин, бо клітина жива

Неправильно. У клітинах людини вміст неорганічних речовин близько 76,5 %, з них самої лише води близько 75 %. На всі органічні сполуки разом припадає близько 23,5 %.

✗
Вуглеводів у будь-якій клітині приблизно порівну

Неправильно. У рослинних клітинах вуглеводів близько 80 %, а у тваринних лише близько 2 %. Різниця в сорок разів, і на тесті це прямо перевіряють.

✗
Мікроелементи менш важливі, бо їх мало

Неправильно. Кількість і значення це різні речі: мікроелементи входять до складу гормонів і ферментів, тобто здійснюють регуляторну функцію. Йод у гормонах щитоподібної залози й Цинк в інсуліні впливають на весь організм, хоча за масою їх мізерно мало.

✗
Комплементарний нуклеотид до аденіну - цитозин

Неправильно. Аденін парується з тиміном, а гуанін із цитозином: (A = T), (G = C). Саме на цій підміні будують дистрактори в задачах на нуклеотидний склад ДНК.

✗
У задачі на ДНК рахуємо тільки те, що дано в умові

Неправильно. Якщо в умові молекула ДНК, а не окремий ланцюг, ви завжди добудовуєте другий ланцюг за комплементарністю. Саме через пропуск цього кроку в завданні про дезоксирибозу зʼявляється хибна відповідь 150 замість 300.

Довший опис теми

Що таке біоелементи і як їх класифікують

Біоелементи – це хімічні елементи, що беруть участь у життєдіяльності клітини. Ці самі елементи є й у неживій природі, але у клітинах вони мають відносно стале співвідношення. За кількісним вмістом їх поділяють на три групи: органогени, макроелементи і мікроелементи.

Органогени – це Карбон, Оксиген, Гідроген і Нітроген. На них припадає найбільший відсотковий вміст. Вони відрізняються від інших елементів малими розмірами і незначною відносною атомною масою, і саме це зумовлює їхню участь у побудові багатьох сполук живого, тобто структурну функцію. Карбон входить до складу всіх органічних сполук, Нітроген є складником амінокислот, білків, нуклеїнових кислот, вітамінів.

Макроелементи – це Калій, Кальцій, Натрій, Магній, Ферум (метали) і Фосфор, Хлор, Сульфур (неметали). Крім структурної, вони здійснюють ще й регуляторну функцію: Кальцій забезпечує зсідання крові, а Натрій і Калій регулюють транспортування речовин у клітину і з клітини.

Мікроелементи – це Цинк, Йод, Флуор, Купрум, Манган, Кобальт та інші. Вони входять до складу біологічно активних речовин, зокрема гормонів і ферментів, і виконують регуляторну функцію. Йод входить до складу гормонів щитоподібної залози, Цинк – до складу інсуліну.

Коментар викладачки. Калій і Кальцій плутають постійно, бо назви схожі. Розводьте їх так: Калій в організмі є переважно у вигляді йона \(K^+\), він працює в натрій-калієвому насосі й повʼязаний із роботою серця. Кальцій буває або йоном \(Ca^{2+}\), або у складі нерозчинних структур: кістки, черепашки. Побачили в описі «нерозчинна сіль» чи «опорна функція» – це Кальцій.

Чим неорганічні речовини клітини відрізняються від органічних

Молекулярний склад живого поділяють на дві великі групи: неорганічні молекули (оксиди, кислоти, основи, мінеральні солі) і органічні молекули (білки, жири, вуглеводи, нуклеїнові кислоти). З неорганічних речовин у клітині найбільший вміст припадає на воду й мінеральні солі.

Вода – це універсальний розчинник і середовище для перебігу багатьох біохімічних процесів. Вона забезпечує пружність (тургор) клітин, тому наявність води є обовʼязковою умовою функціонування клітини. Детальніше про це в підтемі Вода й неорганічні речовини.

Органічні молекули живого, або біомолекули, – це речовини, що мають скелети з ковалентно звʼязаних атомів Карбону і синтезуються клітинами організмів. Основна причина їхньої різноманітності саме у властивостях Карбону: його атоми здатні сполучатися між собою з утворенням карбонових скелетів. Карбоновий каркас рухливий, тому ланцюги можуть вигинатися, скручуватися, бути відкритими (лінійна форма) або замикатися в кільця (циклічна форма).

Біомолекулам властиві міцні ковалентні звʼязки (наприклад, дисульфідний, пептидний) і слабкі нековалентні (наприклад, водневий, йонний). Ковалентні звʼязки зумовлюють тривале існування молекул, а нековалентні визначають структуру і взаємодію молекул між собою. Через енергію своїх звʼязків біомолекули мають високу енергоємкість і здатність до окиснення з виділенням великої кількості теплоти.

Як повʼязані хімічний склад клітини і молекулярний рівень життя

Молекулярний рівень життя – це рівень організації, існування й властивості якого визначаються хімічними елементами й молекулами та їхньою участю в процесах перетворення енергії, речовин та інформації. Тобто хімічний склад клітини – це і є структурний бік молекулярного рівня, а перетворення енергії, речовин та інформації – його функціональний бік.

Для підтримання упорядкованості хімічного складу в мінливих умовах клітині потрібне безперервне надходження енергії ззовні. Джерело цієї енергії – світло для клітин автотрофів або хімічна енергія органічних сполук для клітин гетеротрофів. Перший закон термодинаміки вказує, що енергія не може бути ні створена, ні знищена: вона лише переходить з однієї форми в іншу. У рослинних клітинах світлова енергія перетворюється на хімічну енергію звʼязків глюкози, у клітинах тварин хімічна енергія вуглеводів перетворюється на механічну енергію руху, а частка енергії втрачається у вигляді теплоти.

На НМТ це виходить у завданнях на рівні організації живого і на фундаментальні властивості живого. Далі ця логіка продовжується в темах Будова клітини і Обмін речовин.

Коментар викладачки. На молекулярному рівні є одна пастка, яку люблять на НМТ: віруси. Вірус – це по суті нуклеїнова кислота в білковій оболонці, тобто щось значно простіше за клітину. Тому віруси розглядають окремо від клітинних форм життя.

❓ Часті запитання про тему

Скільки хімічних елементів виявлено в клітинах людини?

Понад 60 хімічних елементів. Серед них переважають Карбон, Гідроген, Оксиген і Нітроген, чий сумарний вміст становить понад 90 %.

Чим органогени відрізняються від макроелементів?

Вмістом і набором функцій. Органогени (Карбон, Оксиген, Гідроген, Нітроген) мають найбільший відсотковий вміст і виконують передусім структурну функцію. Макроелементи (Калій, Кальцій, Натрій, Магній, Ферум, Фосфор, Хлор, Сульфур) крім структурної здійснюють ще й регуляторну.

Чому саме Карбон є основою органічних молекул?

Через здатність його атомів сполучатися між собою з утворенням карбонових скелетів. Карбоновий каркас рухливий, тому ланцюги можуть вигинатися, скручуватися, бути лінійними або замикатися в кільця. Саме це дає величезну різноманітність біомолекул.

Яка загальна формула вуглеводів?

\(C_n(H_2O)_m\), звідки й пішла назва «вуглеводи», тобто вуглець і вода. Деякі вуглеводи можуть додатково містити Нітроген (хітин), Сульфур (пектини) або Фосфор.

Скільки енергії організм отримує з вуглеводів?

Понад \(\dfrac{2}{3}\) енергетичних потреб організму задовольняється саме за рахунок вуглеводів. Продуктами повного розщеплення вуглеводів є \(CO_2\) і \(H_2O\).

З чого починати підготовку до цієї теми?

З класифікації біоелементів, бо на ній тримається все інше. Далі йдіть за підтемами в порядку від неорганіки до нуклеїнових кислот: вода, вуглеводи, ліпіди, білки, нуклеїнові кислоти й АТФ.

🔗 Схожі теми: з Біології

Безкоштовна консультація з експертом

Готуєтесь до НМТ з Біології? Запишіться на безкоштовну онлайн-діагностику з викладачем KEVIN — визначимо ваш рівень і складемо план підготовки.

Отримати план підготовки

Або зателефонуйте: +38 (073) 304 64 49