Химический состав живых организмов
Основу живого составляют два класса химических соединений - белки и нуклеиновые кислоты . Причем в живых организмах, в отличие от неживого вещества, эти соединения характеризуются так называемой хиральной чистотой. В частности, белки построены только на основе левовращающих (поляризующих свет влево) аминокислот , а нуклеиновые кислоты состоят исключительно из правовращающих сахаров . Эта хиральная чистота сложилась на самых начальных этапах эволюции живого вещества. Считается, что минимальное время глобального перехода от полного хаоса к хиральной чистоте составляет от 1 до 10 млн. лет. Следовательно, в этом смысле зарождение жизни могло произойти на Земле относительно мгновенно за отрезок времени, в 5 тыс. раз меньший предполагаемого возраста планеты.
Белки ответственны прежде всего за обмен веществ и энергии в живой системе, т.е. за все реакции синтеза и распада, осуществляющиеся в любом организме от рождения и до смерти. Нуклеиновые кислоты обеспечивают способность живых систем к самовоспроизведению. Они - основа матрицы, удивительного "изобретения" природы. Матрица представляет своего рода чертеж, т. е. полный набор информации, на основе которого синтезируются видоспецифические молекулы белка.
Помимо белков и нуклеиновых кислот, в состав живых организмов входят липиды (жиры) , углеводы и очень часто аскорбиновая кислота .
В живых системах найдены многие химические элементы, присутствующие в окружающей среде, однако необходимы для жизни лишь около 20 из них. Эти элементы получили название биогенных. В среднем около 70% массы организмов составляет кислород , 18% - углерод , 10% - водород (вещества-органогены). Далее идут азот , фосфор , калий , кальций , сера , магний , натрий , хлор ,железо . Эти так называемые универсальные биогенные элементы, присутствующие в клетках всех организмов, нередко называют макроэлементами .
Часть элементов содержится в организмах в крайне низких концентрациях (не выше тысячной доли процента), но они также необходимы для нормальной жизнедеятельности. Это биогенные микроэлементы . Их функции и роль весьма разнообразны. Многие микроэлементы входят в состав ряда ферментов , витаминов , дыхательных пигментов , некоторые влияют на рост, скорость развития, размножение и т. д.
Присутствие в клетках целого ряда элементов зависит не только от особенностей организма, но и от состава среды, пищи, экологических условий, в частности от растворимости и концентрации солей в почвенном растворе. Резкая недостаточность или избыточность биогенных элементов приводит к ненормальному развитию организма или даже к его гибели. Добавки биогенных элементов в почву для создания их оптимальных концентраций широко используются в сельском хозяйстве.
Минеральные элементы, называемые также биоэлементами, в организме человека играют важную роль:
• являются строительным материалом (кальций, фосфор, железо);
• регулируют многие биохимические процессы в ходе обмена веществ (калий, натрий, йод, хлор, медь, марганец, селен и другие);
• принимают участие в процессе свертывания крови (кальций);
• поддерживают водный баланс организма (натрий, калий);
• влияют на сохранение кислотно-щелочного равновесия;
• входят в состав ферментов (энзимов).
Биоэлементы подразделяются на две группы:
• Макроэлементы, присутствующие в больших количествах в пище (до нескольких процентов сухой массы) и необходимые организму в конкретных весовых количествах для правильного его функционирования.
• Микроэлементы, необходимые организму в следовых количествах (порядка от 10-2 до 10-11% живой массы организма). Они очень важны для метаболических процессов и выработки гормонов и энзимов.
( дополнительно еще материал) Все живые организмы избирательно относятся к окружающей среде. Состав химических элементов живых систем отличаются от химических элементов земной коры. В земной коре O,Si,Al,Na,Fe,K,в живых организмах H,O,C,N. Всех других элементов менее 1%. В любом живом организме можно найти все элементы окружающей среды, правда, в разном количестве. Однако это не означает, что они необходимы. Необходимы 20 химических элементов – тех, без которых живая система обойтись не может. В зависимости от окружающей среды и обмена веществ набор этих веществ разный. Некоторые химические элементы входят в состав всех живых организмов (универсальные химические элементы) H,C,N,O.Na,Mg,P,S,Ca,K,Cl,Fe,Cu,Mn,Zn,B,V,Si,Co,Mo. Кремний входит в состав мукополисахаридов соединительной ткани.
В состав живых организмов входят 4 элемента, которые удивительно подошли для выполнения функций живого: О,С,Н,N. Они обладают общим свойством: они легко образуют ковалентные связи посредством спаривания электронов. Атомы С обладают свойством: могут соединяться в длинные цепи и кольца, с которыми могут связываться другие химические элементы. Соединений С очень много. Ближе всего к углероду кремний, но С образует СО2, который широко распространен в природе и доступен всем, а оксид кремния - элемент песка (нерастворим).
Макромолекулы – нуклеиновые кислоты, белки, полипептиды, липиды, полисахариды – полимеры, образованные мономерами, соединенными ковалентными связями. Любой живой организм на 90% состоит из 6 химических элементов – С,О,Н,Р,N,S – биоэлементы (биогенные элементы).
Клетка
| Органеллы - | Ядро, митохондрии, хлоропласты |
| Надмолекулярные комплексы | Ферментные комплексы, рибосомы, сократительные системы |
| Макромолекулы | Полисахариды НК АК и др. |
| Строительные структуры | моносахариды простые кислоты |
| Предшественники | биоэлементы, вода |
Все живые организмы используют общие материалы для жизнедеятельности. Используются около 120 (20 аминокислот, 5 азотистых оснований, 4 класса липидов, малых молекул – простых кислот, воды, фосфатов – 70). Это продукты химической эволюции (органические соединения живых систем и компоненты неживой материи).
Биологическая роль воды
Без воды жизнь на нашей планете не могла бы существовать. Вода важна для живых организмов по двум причинам. Во-первых, она является необходимым компонентом живых клеток, и, во-вторых, для многих организмов она служит еще и средой обитания. Именно поэтому следует сказать несколько слов о ее химических и физических свойствах.
Свойства эти довольно необычны и обусловлены главным образом малыми размерами молекул воды, их полярностью и способностью соединяться друг с другом водородными связями. Под полярностью подразумевают неравномерное распределение зарядов в молекуле. У воды один конец молекулы («полюс») несет небольшой положительный заряд, а другой — отрицательный. Такую молекулу называют диполем. У атома кислорода способность притягивать электроны выражена сильнее, чем у водородных атомов, поэтому атом кислорода в молекуле воды стремится оттянуть к себе электроны двух водородных атомов. Электроны заряжены отрицательно, в связи с чем атом кислорода приобретает небольшой отрицательный заряд, а водородные атомы — положительный.
В результате между молекулами воды возникает слабое электростатическое взаимодействие и, поскольку противоположные заряды притягиваются, молекулы как бы «склеиваются». Эти взаимодействия, более слабые, чем обычные ионные или ковалентные связи, называются водородными связями. Водородные связи постоянно образуются, распадаются и вновь возникают в толще воды. И хотя это слабые связи, но их совокупный эффект обусловливает многие необычные физические свойства воды. Учитывая данную особенность воды, мы можем теперь перейти к рассмотрению тех ее свойств, которые важны с биологической точки зрения.
Водородные связи между молекулами воды. А. Две молекулы воды, соединенные водородной связью-6+ — очень маленький положительный заряд; 6~ — очень маленький отрицательный заряд. Б. Сеть из молекул воды, удерживаемых вместе водородными связями. Такие структуры постоянно образуются, распадаются и вновь возникают в воде, находящейся в жидком состоянии.