Молекулярный уровень. Вода, соли и биополимеры

1. Общая характеристика молекулярного уровня

Молекулярный уровень — это уровень организации живой природы, на котором изучают:

• атомы и химические элементы;
• молекулы и ионы;
• химические связи между атомами;
• взаимодействие веществ;
• химические реакции в организме.

Именно на молекулярном уровне происходят процессы, обеспечивающие жизнь:

• обмен веществ и энергии;
• хранение и передача наследственной информации;
• образование клеточных структур;
• рост и развитие организма;
• работа ферментов.

Основные химические элементы живых организмов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Их называют элементами-органогенами.

Вещества клетки делятся на:

1. Неорганические — вода, минеральные соли.
2. Органические — белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты.

---

2. Биополимеры

Биополимеры — это крупные органические молекулы, состоящие из повторяющихся структурных единиц — мономеров.

Биополимер	Мономеры	Основные функции
Белки	аминокислоты	строительная, ферментативная, транспортная, защитная
Полисахариды	моносахариды	запас энергии, образование клеточных структур
Нуклеиновые кислоты	нуклеотиды	хранение и передача наследственной информации

Белки

Белки состоят из аминокислот. Примеры белков:

• гемоглобин;
• ферменты;
• антитела;
• кератин.

Полисахариды

К ним относятся:

• крахмал — запасное вещество растений;
• гликоген — запасное вещество животных и грибов;
• целлюлоза — входит в состав клеточной стенки растений;
• хитин — входит в состав покровов членистоногих и клеточных стенок грибов.

Нуклеиновые кислоты

• ДНК хранит наследственную информацию;
• РНК участвует в реализации наследственной информации и синтезе белка.

Липиды не считают настоящими биополимерами, потому что они не состоят из большого количества одинаковых повторяющихся мономеров.

---

3. Вода

Вода — главное неорганическое вещество клетки. Она составляет примерно 60–90 % массы организма, хотя её количество зависит от возраста, вида организма и типа ткани.

Строение молекулы воды

Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода:

\[ H_2O \]

Молекула воды полярная:

• атом кислорода имеет частичный отрицательный заряд;
• атомы водорода — частичный положительный заряд.

Поэтому молекулы воды притягиваются друг к другу и образуют водородные связи.

Свойства и функции воды

1. Хороший растворитель

Вода растворяет:

• минеральные соли;
• сахара;
• некоторые белки;
• другие полярные вещества.

Благодаря этому в клетке могут происходить химические реакции и транспорт веществ.

2. Среда для химических реакций

Большинство реакций в клетке происходит в водном растворе.

Вода также участвует в реакции гидролиза — расщепления сложных веществ с присоединением молекулы воды.

Например, при расщеплении белков образуются аминокислоты.

3. Транспортная функция

Вода переносит:

• питательные вещества;
• минеральные соли;
• гормоны;
• продукты обмена.

Например, кровь и сок растений в значительной степени состоят из воды.

4. Терморегуляторная функция

Вода медленно нагревается и медленно остывает. Поэтому она помогает поддерживать постоянную температуру организма.

Испарение воды с поверхности тела способствует охлаждению.

5. Структурная функция

Вода поддерживает объём и форму клеток. Благодаря воде растения сохраняют упругость — тургор.

---

4. Гидрофильные и гидрофобные вещества

Гидрофильные вещества

Гидрофильные вещества — это вещества, которые хорошо взаимодействуют с водой и обычно растворяются в ней.

Название происходит от греческих слов:

• «гидро» — вода;
• «филос» — любящий.

К гидрофильным веществам относятся:

• минеральные соли;
• глюкоза;
• аминокислоты;
• некоторые белки;
• ионы.

Гидрофильность связана с наличием:

• электрического заряда;
• полярных участков в молекуле.

Например, ионы соли притягиваются к полярным молекулам воды и окружаются ими.

Гидрофобные вещества

Гидрофобные вещества плохо взаимодействуют с водой и почти не растворяются в ней.

«Гидрофобный» означает «боящийся воды».

Примеры:

• жиры;
• масла;
• воски;
• углеводороды.

Гидрофобные вещества обычно состоят из неполярных молекул. В воде они не растворяются, а отделяются от неё.

Амфифильные вещества

Некоторые молекулы имеют одновременно:

• гидрофильную часть;
• гидрофобную часть.

Такие вещества называют амфифильными.

Например, молекула фосфолипида имеет:

• гидрофильную «головку», обращённую к воде;
• гидрофобные «хвосты», отталкивающие воду.

Благодаря этому фосфолипиды образуют двойной слой клеточной мембраны.

---

5. Минеральные соли

Минеральные соли — это неорганические вещества, содержащие положительно и отрицательно заряженные частицы.

В организме соли могут находиться:

1. В растворённом виде — в виде ионов.
2. В нерастворённом виде — в составе костей, зубов, раковин.

Например, соли кальция придают костям прочность.

---

6. Электролитическая диссоциация

Электролитическая диссоциация — это распад вещества на ионы при растворении в воде.

Вещества, растворы которых проводят электрический ток благодаря наличию ионов, называют электролитами. К ним относятся соли, кислоты и основания.

Диссоциация хлорида натрия

При растворении поваренной соли в воде происходит реакция:

\[ NaCl \rightarrow Na^+ + Cl^- \]

Образуются:

• положительно заряженный ион натрия \(Na^+\);
• отрицательно заряженный ион хлора \(Cl^-\).

Диссоциация хлорида кальция

\[ CaCl_2 \rightarrow Ca^{2+} + 2Cl^- \]

Одна частица хлорида кальция образует один ион кальция и два иона хлора.

Как вода помогает диссоциации

Полярные молекулы воды окружают ионы:

• отрицательно заряженная часть молекул воды притягивается к \(Na^+\) или \(Ca^{2+}\);
• положительно заряженная часть воды притягивается к \(Cl^-\).

Вокруг ионов образуется гидратная оболочка. Ионы становятся подвижными и могут переноситься раствором.

---

7. Значение ионов в организме

Ион	Значение
\(Na^+\)	поддерживает водный баланс, участвует в проведении нервных импульсов
\(K^+\)	необходим для работы нервной системы и мышц
\(Ca^{2+}\)	входит в состав костей и зубов, участвует в сокращении мышц и свёртывании крови
\(Mg^{2+}\)	входит в состав хлорофилла, активирует ферменты
\(Cl^-\)	участвует в поддержании водно-солевого баланса, входит в состав соляной кислоты желудка
\(PO_4^{3-}\)	входит в состав костей, АТФ, ДНК и РНК
\(HCO_3^-\)	участвует в поддержании постоянной кислотности внутренней среды

---

8. Функции минеральных солей

Минеральные соли:

• поддерживают водно-солевой баланс;
• создают и регулируют осмотическое давление;
• участвуют в проведении нервных импульсов;
• обеспечивают сокращение мышц;
• входят в состав костей и зубов;
• участвуют в работе ферментов;
• помогают поддерживать постоянный уровень кислотности — pH.

Осмотическое давление

Растворённые соли влияют на движение воды через клеточную мембрану. Вода перемещается туда, где больше растворённых частиц.

Это явление называется осмосом.

Если раствор снаружи клетки слишком концентрированный, вода выходит из клетки, и она сжимается. Если раствор слишком разбавленный, вода поступает в клетку, и она может набухнуть.

---

Главное для запоминания

• Вода — растворитель, среда реакций, транспортное вещество и регулятор температуры.
• Соли в воде распадаются на ионы — происходит диссоциация.
• Гидрофильные вещества взаимодействуют с водой и обычно растворяются в ней.
• Гидрофобные вещества не растворяются в воде.
• Биополимеры состоят из мономеров: белки — из аминокислот, полисахариды — из моносахаридов, нуклеиновые кислоты — из нуклеотидов.
• Фосфолипиды имеют гидрофильную и гидрофобную части и образуют клеточные мембраны.