 |
3.Элементарный состав живых организмов. Свойства углерода.
|
|
|
|
Элементарный состав
Всего в живых организмах открыто около 70 химических элементов. Более 40 из них присутствуют в составе любого организма, независимо от видовой принадлежности и уровня организации. Такие химические элементы называют биогенными.
Прямой зависимости между распространением химических элементов в неорганической и органической природе нет, но определенные закономерности существуют.
Решающее значение в построении живой материи играют те элементы, которые доступны для биосферы. Они образуют растворимые в воде и газообразные соединения. К таким элементам относятся С, N, Н, О, S, Р.
Полагают, что С, N, Н, О, S, Р составляют вместе более 99% живого вещества благодаря наличию у них особых свойств. Во-первых, эти элементы, за исключением водорода, образуют кратные связи, что значительно увеличивает разнообразие возникающих соединений и их уникальные качества. Во-вторых, атомы этих элементов имеют достаточно малые размеры и, следовательно, образуют относительно плотные молекулы с минимальными межатомными расстояниями. В результате такие молекулы более устойчивы к действию внешних реагентов. Третья особенность касается в основном Р, S и в некоторой степени N. С участием этих элементов образуются особые макроэргические связи, при расщеплении которых выделяется повышенное количество энергии.
Атомы водорода также не инертные элементы в оганических молекулах. Они могут перемещаться в виде протонов (Н+) от одного соединения к другому, изменяя его свойства. Могут отдавать электроны в электронотранспортных цепях (ЭТЦ), где образуется энергия. Наконец, атомы водорода участвуют в образовании водородных связей.
|
|
|
Водородные связи образуются атомом водорода и более электроотрицательным элементом.
Электроотрицательность — это сила, с которой атом притягивает к себе электроны, участвующие в образовании связи. Большей электроотрицательностью, чем водород, обладают С, О, N, S и другие элементы.
Электроотрицательности Н и С близки и в органических соединениях не играют решающей роли в смещении электронной плотности, поэтому связь, образованную этими элементами, обычно считают неполярной.
Энергия водородной связи (16—20 кДж/моль) почти в 20 раз меньше углерод-углеродной сигма-связи (347 кДж/моль), поэтому водородная связь разрушается при незначительных изменениях внешнего окружения (температура, pH, ионная сила раствора и др. ). Однако число водородных связей в биомолекулах может быть огромно, поэтому их влияние на структуры и свойства органических соединений не просто ощутимо, а очень значительно.
Также прослеживается ряд взаимосвязей между биологической ролью элементов и строением атома и, следовательно, их местом в периодической системе Менделеева.
Органический мир построен главным образом из сравнительно легких элементов. Как правило, с увеличением атомных масс элементов в пределах одной подгруппы токсичность элементов возрастает, а их содержание в биомассе снижается. Например, Zn необходим для функционирования некоторых биомолекул, a Cd и Hg — это яды живого организма.
| Роль биогенных элементов в живых организмах | ||
| Элемент | Символ элемента | Роль в живых организмах |
| Углерод | C | Входит в состав органических веществ, в форме карбонатов входит в состав раковин моллюсков, коралловых полипов, покровов тела простейших, бикарбо-натной буферной системы (HCO3—, Н2CO3) |
| Кислород | O | Входит в состав воды и органических веществ |
| Водород | H | То же |
| Азот | N | Входит в состав всех аминокислот, нуклеиновых кислот, АТФ, НАД, НАДФ, ФАД |
| Фосфор | P | Входит в состав нуклеиновых кислот, АТФ, НАД, НАДФ, ФАД, фосфолипидов, костной ткани, эмали зубов, фосфатной буферной системы (HPO42-, H2PO4—) |
| Сера | S | Входит в состав серосодержащих аминокислот (цистина, цистеина, метионина), инсулина, витамина B1, кофермента A, многих ферментов, участвует в формировании третичной структуры белка (образование дисульфидных связей), в бактериальном фотосинтезе (сера входит в состав бактериохлорофилла, H2S являются источником водорода), окислении соединений серы — источник энергии в хемосинтезе |
| Хлор | Cl | Преобладающий отрицательный ион в организме, участвует в создании мембранных потенциалов клеток, осмотического давления для поглощения растениями воды из почвы и тургорного давления для поддержания формы клетки, процессах возбуждения и торможения в нервных клетках; входит в состав соляной кислоты желудочного сока |
| Натрий | Na | Главный внеклеточный положительный ион, участвует в создании мембранных потенциалов клеток (в результате работы натрий-калиевого насоса), осмотического давления для поглощения растениями воды из почвы и тургорного давления для поддержания формы клетки, в поддержании сердечного ритма (вместе с ионами К+ и Са2+) |
| Калий | K | Преобладающий положительный ион внутри клетки, участвует в создании мембранных потенциалов клеток (в результате работы натрий-калиевого насоса), поддержании сердечного ритма (вместе с ионами Na+ и Ca2+); активирует ферменты, участвующие в синтезе белка |
| Кальций | Ca | Входит в состав костей, зубов, раковин; участвует в регуляции избирательной проницаемости клеточной мембраны, процессах свертывания крови, поддержании сердечного ритма (вместе с ионами K+ и Na2+), образовании желчи; активирует ферменты при сокращении поперечно-полосатых мышечных волокон |
| Магний | Mg | Входит в состав хлорофилла, многих ферментов |
| Железо | Fe | Входит в состав гемоглобина, миоглобина, некоторых ферментов |
| Медь | Cu | Входит в состав некоторых ферментов |
| Цинк | Zn | То же |
| Марганец | Mn | — |
| Молибден | Mo | — |
| Кобальт | Co | Входит в состав витамина B12 |
| Фтор | F | Входит в состав эмали зубов, костей |
| Йод | I | Входит в состав гормона щитовидной железы — тироксина |
| Бром | Br | Входит в состав витамина B1 |
| Бор | B | Влияет на рост растений |
|
|
|
Свойства углерода
|
|
|
В свободном виде встречается в виде аллотропных модификаций (алмаз, графит, карбин и пр. ). Однако нам интересны его свойства в органических молекулах. Углерод в невозбужденном состоянии имеет электронную конфигурацию 1s22s22p2. В таком состоянии углерод малоактивен, в соединениях проявляет степень окисления +4, отдавая электроны. В возбужденном состоянии имеет электронную конфигурацию 1s22s12p3 и при этом его внешние орбитали начинают гибридизоваться и выравнивать электронную плотность по типам sp, sp2, sp3. При этом углерод имеет валентность IV и образует в основном C-C, C=C и C≡ C связи. Таким образом обеспечивается разнообразие углеродных структур в живых организмах, что дает возможность построения каркаса всех биомолекул из углеродных цепей, разветвленных структур и циклов.
|
|
|
