Основным химическим веществом, содержащимся в живой клетке, является вода. Взрослый человек более чем на 60 % состоит из воды. У эмбрионов и детей эта доля ещё больше. Вода является необходимым веществом для любых форм жизнедеятельности. Главная её особенность – способность хорошо растворять в себе многие вещества, в том числе сахара, спирты, аминокислоты и соли, которые при этом распадаются на ионы. Вещества, хорошо растворимые в воде, называют гидрофильными (от греч. «гидро» – вода и «филео» – любовь). Практически все химические реакции в клетке протекают в водных растворах. Однако в воде растворяются не все вещества. Например, жиры, некоторые белки и нуклеиновые кислоты в воде нерастворимы. Такие вещества называют гидрофобными (от греч. «гидро» – вода и «фобос» – боязнь). В водной среде организма присутствуют в виде ионов многие неорганические соли. Основными катионами (положительно заряженными ионами) являются ионы калия, натрия, кальция и магния, а среди анионов преобладают ионы соляной, угольной, фосфорной и азотной кислот.

Главными органическими соединениями, играющими ключевую роль в живой клетке, являются нуклеиновые кислоты, белки, углеводы и жиры. Их строение вам уже известно. Давайте теперь поговорим о функциях, которые они выполняют в организме.

ДНК служит хранилищем наследственной информации (рис. 42). В ней записана инструкция о построении будущего организма. В этой инструкции сказано, к какому виду принадлежит данный организм, где будут расположены все его органы и как они будут работать.

Рис. 42. Образование водородных связей между комплементарными основаниями двух цепей ДНК

Рис. 43. Строение молекулы РНК

Во взрослом организме ДНК также продолжает контролировать всю деятельность его клеток, определяя, какие именно белки и в каком количестве требуются в данный момент. Для этого на ДНК синтезируется информационная РНК (иРНК). Строится она по тому же принципу, по которому происходит самоудвоение ДНК, с той только разницей, что против аденина становится не тимин, а урацил (рис. 43). Кроме того, в отличие от ДНК, РНК является одноцепочечной молекулой. Последовательность нуклеотидов в молекуле РНК определяет последовательность аминокислот в будущем белке. Такой синтез называют матричным (РНК строится на матрице ДНК). Подробнее о процессе синтеза белка будет рассказано в одном из следующих параграфов.

Функции белков в клетке чрезвычайно разнообразны. Многие из них являются ферментами, т. е. катализаторами биологических реакций. Мы уже знаем, что химические катализаторы способны во много раз увеличивать скорость химических реакций. Эффективность ферментов в этом отношении является рекордной: если небелковые катализаторы способны ускорять реакции самое большее в несколько тысяч раз, то под влиянием ферментов скорость реакций возрастает в миллиарды раз. Вещества, на которые действуют ферменты, называют субстратами (рис. 44). При этом некоторые ферменты (их называют протеолитическими) расщепляют субстрат, «разрывая» его на две или более частей (так, например, действуют пищеварительные ферменты), а другие, наоборот, соединяют различные вещества, образуя из них более сложное соединение.

Рис. 44. Схема образования комплекса «фермент – субстрат»

Белки в организме выполняют также много других жизненно необходимых функций. Одной из этих функций является защитная. Она заключается в том, что при попадании в организм возбудителя какой– либо болезни или вредного вещества организм начинает вырабатывать специфические белки – антитела, которые способны связывать и уничтожать вредное чужеродное вещество. Кроме того, защитная функция белков проявляется также в их участии в свёртывании крови, благодаря чему происходит остановка кровотечения при травмах. Белки выполняют транспортную функцию, например гемоглобин транспортирует кислород, а белки, встроенные в клеточную мембрану, переносят различные соединения в клетку или из неё (рис. 45).

Рис. 45. Строение молекулы гемоглобина

Специальные сократительные белки находятся в мышцах, именно при их непосредственном участии осуществляются все произвольные и непроизвольные движения. Многие белки и небольшие цепочки аминокислот (пептиды) могут выполнять регуляторные функции в организме, например белком является гормон роста.

При необходимости белки могут быть использованы и в качестве источника энергии, хотя это происходит только в крайних случаях при нехватке других веществ. Из-за того, что белки выполняют в организме множество жизненно важных функций, тратить их на производство энергии представляется расточительной роскошью – это всё равно, что топить печь мебелью.

Главные источники энергии в организме – это углеводы и жиры. Углеводы, в основном глюкоза, обеспечивают основную потребность в энергии. Кроме того, велика роль углеводов в построении различных структур организма. Так, из клетчатки (целлюлозы) состоят клеточные стенки растительных клеток. Хитин входит в состав клеточных стенок грибов и внешних покровов членистоногих животных.

Нейтральные жиры, помимо непосредственной энергетической функции, играют также запасающую роль в организме. Именно они откладываются под кожей и на внутренних органах при избыточном питании, когда потребление питательных веществ превышает их расход. Кроме того, жиры способствуют защите животных от переохлаждения (вспомним толстый подкожный жировой слой у китов и тюленей, позволяющий им обитать в ледяной морской воде) и от механических повреждений. Некоторые жироподобные вещества выполняют в организме функции гормонов. Фосфолипиды входят в состав всех клеточных мембран, регулируя их проницаемость.

1. Что такое гидрофильные и гидрофобные вещества?

2. Используя дополнительные источники информации, составьте и заполните таблицу «Ионы и их значение в живом организме».

3. Перечислите функции белков в организме.

4. Какие структуры в растительном и животном организмах образованы углеводами?

1. Фрагмент РНК имеет строение: АУУЦГАЦЦУГ. Какова последовательность нуклеотидов на отрезке матрицы ДНК, где он был построен?

2. Вспомните из курса «Человек и его здоровье», какие белки участвуют в свёртывании крови.