Каких веществ содержится в живых организмах больше всего после воды
Для того чтобы понять, как устроены и как функционируют живые организмы, необходимо прежде всего знать, из каких веществ они построены, как эти вещества образуются и как молекулы этих веществ объединяются, чтобы образовать те или иные части живого организма. Эти вопросы изучает биохимия. Подробное изучение биохимии невозможно без знания химии, особенно органической и физической, и не входит в задачи школьного курса биологии. Мы рассмотрим здесь лишь наиболее важные группы веществ, входящих в состав живого, их функции в живых организмах и основные пути обмена этих веществ.
Клетки большинства живых организмов имеют сходный химический состав, но он существенно отличается от химического состава окружающей неживой среды. В первую очередь эти различия касаются структуры химических соединений, входящих в состав клеток. Кроме того, хотя в клетках можно обнаружить многие из 92 природных химических элементов, они представлены там в других пропорциях, чем в неживой природе.
Среди неорганического материала поверхностного слоя нашей планеты 98 % массы составляют кислород (О), кремний (Si), алюминий (Al), железо (Fe).
Однако в живой материи те же 98 % массы всех элементов составляют кислород (О), углерод (С), водород (Н), азот (N).
Сравнение состава земной коры и живых организмов приведено на рисунке.
Еще около 1,8 % составляют в сумме такие элементы. как фосфор (Р), сера (S), натрий (Na), калий (K), кальций (Ca), магний (Мg) и хлор (Сl). Все эти одиннадцать элементов относят к макроэлементам:
O, C, H, N, P, S — органогенные элементы + Na, K, Ca, Mg, Cl = макроэлементы.
Первые шесть элементов (водород, кислород, углерод, азот, фосфор и сера) входят в состав органических веществ и называются органогенными элементами. Они составляют основную массу органических веществ клетки — белков, углеводов, липидов и нуклеиновых кислот.
На долю всех макроэлементов приходится примерно 99,9 % массы тела человека.
Кроме того, два из них, водород и кислород, входят в состав воды — соединения, которое содержится в клетках в наибольшем количестве из всех (70–90 %) и без которого жизнь невозможна. Остальные макроэлементы (натрий, калий, кальций, магний, хлор) в основной своей массе находятся не в составе органических соединений, а присутствуют в организме в виде солей как в растворенном, так и в твердом состоянии.
Примерный элементный состав тела человека показан на рисунке.
Микроэлементы. Эти элементы составляют менее 0,01 % от сухой массы организмов. К этой группе элементов относят железо (Fe), цинк (Zn), медь (Сu), кобальт (Co), марганец (Mn), молибден (Mo), хром (Cr), йод (I) (йод), фтор (F). Каждый из них составляет менее сотой доли процента, а в сумме они представляют около 0,2 % массы живых клеток. Хотя содержание микроэлементов в клетке чрезвычайно мало, они необходимы для жизнедеятельности живых организмов.
Примеры функций микроэлементов
При недостаточном содержании или отсутствии этих элементов могут возникнуть тяжелые нарушения обмена веществ. Это связано с тем, что большая часть микроэлементов, в частности железо, цинк, медь, кобальт, марганец, являются кофакторами ферментов или входят в состав таких кофакторов, вследствие чего они необходимы для осуществления каталитической функции ферментов.
Например, железо является составной частью гема — органической молекулы небелковой природы, которая входит в состав цитохромов — компонентов цепи переноса электронов, и гемоглобина — белка, который обеспечивает транспорт кислорода от легких к тканям. Медь также обнаруживается в составе многих белков, среди которых важный компонент дыхательной цепи цитохромоксидаза, гемоцианин — белок, содержащийся в гемолимфе и переносящий кислород у многих моллюсков и членистоногих. Молибден вместе с железом представлен в активном центре фермента нитрогеназы, обеспечивающего фиксацию атмосферного азота у азотфиксирующих бактерий. Кобальт входит в состав витамина $B_12$ (цианокобаламин), который является коферментом белков, участвующих в синтезе гема.
Цинк обнаруживается в составе более 300 различных ферментов. Йод входит в состав гормонов щитовидной железы тироксина и трийодтиронина, поэтому нехватка йода приводит к возникновению заболеваний, связанных с недостаточностью этого гормона, таких как эндемичный зоб у взрослых и кретинизм у детей.
Ультрамикроэлементы. В состав этой группы входят элементы, содержание которых в организме крайне мало — менее $10^{-6}$% от сухой массы (иногда менее $10^{-12}$ %), но которые существенны для жизни. К этим элементам относятся селен (Se), бор (B), ванадий (V) и некоторые другие. Некоторые элементы этой группы, как и микроэлементы, входят в состав ферментов и существенны для проявления их активности. В частности, селен обнаружен в составе глутатионредуктазы — фермента, от которого зависит окислительно-восстановительные процессы в клетке.
Неорганические вещества
Хотя основу живых организмов составляют органические соединения, в ней также встречаются соединения, которые присутствуют в неживой природе. Из всех органических и неорганических веществ живые организмы в наибольшем количестве содержат воду. Ее содержание колеблется от 60 до 95 %. Оно зависит от вида и возраста организма, может быть различным в разных частях организма. Например, семена растений содержат лишь 10–15 % воды. В сердце человека вода составляет около 80 %, а медуза на 95 % состоит из воды. Вода важна для всех живых организмов по двум причинам. Во-первых, составляя основную массу организма, она является той средой, в которой существуют все другие компоненты живого. Во-вторых, вода участвует во многих биохимических реакциях, приводящих к образованию или распаду многих органических соединений. Кроме того, для многих организмов вода является средой обитания.
физико-химические свойства воды
Вода — полярная молекула: так как кислород более электроотрицателен, чем водород, и стягивает на себя электронную плотность, на атоме О имеется частичный отрицательный (δ–), а на атомах Н — частичный положительный (δ+) заряд.
Между О одной молекулы воды и Н другой молекулы воды возникает водородная связь. В жидкой воде водородные связи образуются между всеми молекулами, однако молекулы перемещаются, что может сопровождаться разрывом водородных связей и образованием новых.
Когда вода кипит, все водородные связи между молекулами воды должны быть разорваны, чтобы молекулы по отдельности «улетали» в пар. На разрыв водородных связей тратится энергия. Поэтому по сравнению с неполярными веществами примерно той же молекулярной массы, например метаном $CH_4$, вода имеет высокую температуру плавления и кипения, высокую теплоемкость.
Эти свойства важны для живых систем: благодаря высокой теплоемкости воды живые организмы, а также водоемы медленно нагреваются и медленно остывают, а внутри них тепло успевает равномерно распределяться по всему объему (все части нашего тела имеют близкую температуру).
В структуре льда молекулы воды также связаны водородными связями. Лед легче воды и плавает над ее поверхностью. Это защищает водоемы от полного промерзания зимой, так что организмы могут выживать подо льдом.
гидрофильность и гидрофобность
Вода играет в живых системах роль универсального растворителя. По принципу «подобное растворяется в подобном» в ней растворяются вещества полярной или ионной природы, так как частицы этих веществ содержат частичные или полные заряды и могут взаимодействовать с молекулами воды. Например, к ионам притягиваются противоположно заряженные части молекул воды, в результате чего ион гидратируется, приобретая гидратную оболочку — оболочку из молекул воды (см. рис.). Полярные молекулы, такие как этиловый спирт, тоже образуют водородные связи и гидратируются. На рисунке показано растворение поваренной соли NaCl в воде и гидратация соответствующих ионов.
Если полярные или ионные вещества не растворяются в воде, они ею тем не менее смачиваются (идет взаимодействие воды с поверхностью). Растворяющиеся в воде или смачиваемые ею вещества называются гидрофильными. Примеры гидрофильных веществ — соли, этанол, соляная и уксусная кислоты, сахары, растворимые белки и др.
Вещества, молекулы которых неполярны, плохо растворяются в воде и не смачиваются ею. Их молекулы не способны взаимодействовать с молекулами воды и образовывать водородные связи. Нахождение их молекул среди молекул воды энергетически невыгодно. Они как бы стремятся минимизировать площадь поверхности контакта с водой, то есть «избегают воды» — это гидрофобные вещества (от греч. «гидрос» — вода, «фобео» — боюсь). Эти вещества обычно образуют в воде отдельную фазу — взвесь капелек (эмульсию, например, молочный жир в молоке) или отдельный слой, который в зависимости от плотности тонет (например, фенол) или всплывает (например, растительное масло или бензин) в воде.
Поскольку разность электроотрицательностей углерода и водорода низка, к гидрофобным веществам относятся углеводороды — органические молекулы, построенные только из атомов С и Н, например парафин, бензин, керосин (это смеси природных углеводородов нефти).
Схема расслаивания эмульсии масла в воде приведена на рисунке.
ионы
Неорганические вещества в живых клетках помимо воды представлены в основном в виде растворенных солей. Их содержание в живых организмах составляет около 1 %. В наибольших количествах присутствуют катионы $mathrm{Na^+, K^+, Ca^{2+}, Mg^{2+}}$ и анионы хлорид $Cl^-$, фосфаты $mathrm{PO_4^{2-}}$, карбонаты $mathrm{CO_3^{2-}}$. Важно отметить, что содержание ионов в клетке и окружающей ее среде значительно различаются. Так, в клетках всегда значительно выше содержание калия, магния и ниже содержание натрия и кальция. Это обеспечивается активным переносом этих ионов через клеточную мембрану, который осуществляется специальными белками — ионными насосами. Многие катионы, особенно $mathrm{Mg^{2+}}$, находятся в клетке не в свободном состоянии, а в виде солей нуклеиновых кислот и нуклеотидов. Анионы фосфорной и угольной кислоты играют в живых организмах важную роль буферных систем, поддерживающих постоянное значение кислотности (концентрации ионов водорода $H^+$) в цитоплазме и внеклеточных жидкостях организма.
Определение
Кислотность — это концентрация ионов водорода ($H^+$). Чем больше ионов водорода, тем больше кислотность (тем более кислой считается среда).
Показателем кислотности является рН. рН чистой воды равен 7, кислых сред — меньше 7, щелочных — больше 7. Чем больше кислотность среды, тем больше в ней ионов $H^+$ и тем меньше рН. рН можно измерить при помощи индикаторной бумаги (на рисунке) или специального прибора — рН-метра.
Другие неорганические вещества образуют комплексы с белками, например входят в состав ферментов, играя важную роль в процессах катализа. В такой форме участвуют в жизнедеятельности клеток соединения железа, серы, марганца, меди, цинка, кальция, кобальта и др. Некоторые неорганические компоненты входят в состав важных органических веществ, например магний — в состав хлорофилла, а йод — в состав гормонов щитовидной железы. Особо следует отметить остатки фосфорной кислоты, входящие в состав нуклеотидов и нуклеиновых кислот и играющие важную роль в энергетических и генетических процессов в клетке.
Неорганические вещества содержатся в некоторых живых организмах в виде нерастворимых твердых веществ. Это прежде всего скелетные образования: кости позвоночных, состоящие в основном из фосфата кальция, раковины моллюсков и фораминифер, построенные из углекислого кальция, панцири диатомовых водорослей, образованные из окиси кремния. Кроме того, неорганические соли, главным образом кальциевые, входят в качестве компонентов, повышающих прочность и жесткость, в ряд структурных образований, построенных в основном из органических веществ, например в хитиновые покровы членистоногих, в межклеточное вещество растений.
Источник
Для веществ, входящих в состав живых организмов характерен высокий уровень структурной организации. В состав живых организмов входят не только органические, но и неорганические низкомолекулярные вещества. Это вода, углекислый газ, молекулярный кислород и азот, неорганические ионы, некоторые химические элементы. Это самый низкий уровень организации.
2-ой уровень структурной организации занимают промежуточные химические соединения: аммиак, органические кислоты и их производные, моносахариды и др.
Соединение 1-го и 2-го уровней организации – это биологические мономеры, из которых строятся биополимеры – вещества 3-го уровня структурной организации, из которых в свою очередь строятся надмолекулярные структуры: гликопротеины, нуклеопротеины, липопротеины – своеобразные композиционные материалы.
4-ый уровень организации – клеточные органеллы (ядра, митохондрии и т.д.)
5-ый уровень – собственно сама клетка, то есть система этих органелл.
Неорганические вещества клетки
Из неорганических веществ, входящих в состав живых организмов, главными являются водаисоли.
Вода
В среднем в клетках содержится около 80% воды. Чем больше в клетке воды, тем интенсивнее в ней происходит обмен веществ. Содержание воды зависит от возраста организма. 95%-в клетке эмбриона, 60%-у пожилых людей.
При потере организмом порядка 20% воды может наступить смерть. Без воды человек может прожить порядка 14 дней.
Функции воды
1) Вода определяет объем клетки и ее упругость ее оболочки (тургор ткани).
2) Вода – это среда, где происходят биохимические процессы. Практически все биохимические реакции – это реакции жидкофазные.
3) Вода – участник многих биохимических процессов, таких как гидролиз белков, жиров, полисахаридов и т.д.
4) Вода участвует в терморегуляции, т.к. имеет высокую теплоемкость и теплопроводность за счет наличия между молекулами воды водородных связей.
5) Вода – хороший растворитель и поскольку молекулы ее полярны, то она хорошо растворяет полярные (гидрофильные) вещества. Гидрофобные же (неполярные) вещества взаимодействуют между собой быстрее, нежели с водой и поэтому нерастворимы в ней. Они входят в состав биомембран.
Молекулы некоторых веществ содержат как полярные, так и неполярные группы-амфифильные (двоякие) ~~~~~С=О
|
Н
6) в суставах вода выполняет роль смазки;
7) твердая вода защищает водоемы от замерзания и таким образом защищает живые организмы.
Неорганические соли
В живых организмах неорганические соли находятся в виде ионов и образуются катионами К⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ и анионами HPO₄²⁻, H₂PO₄⁻, Cl⁻, HCO₃⁻, HSO₄ˉ
Основным является Na+ – вне клетки , К+ – внутри клетки. Из анионов вне клетки Сl⁻, внутри клетки ион HPO₄²⁻, PO₃²⁻.
Суммы положительных и отрицательных зарядов катионов и анионов должны быть равны. Однако в живом организме неорганических катионов (+) больше, чем анионов (-).
Их недостаток восполняют анионы органических кислот и белков.
Роль солей в организме.
Внутри клетки много ионов К+, мало Na+. За счет разности концентраций этих ионов по разные стороны поддерживается трансмембранный потенциал (ТМ)~100мВ. Это разность электрических потенциалов между внутренней и внешней стенками мембранных клеток.
ТМ необходим для процессов возбуждения клетки. Если разность потенциалов нарушается, то клетка может погибнуть.
Остатки фосфорной и серной кислот могут присоединяться к различным молекулам в реакции фосфорилирования и сульфатирования, делая их более гидрофильными, а потому более активными.
От наличия анионов HPO₄²⁻, HCO₃⁻, H₂PO₄⁻ зависят буферные свойства биологических сред (способность поддерживать рН на одном уровне при разбавлении растворов или при добавлении к ним небольших количеств кислоты или щелочи).
Соляная кислота НСL создает кислую реакцию среды в желудке для активирования ферментов, которые расщепляют белки пищи и уничтожают вредные организмы.
От наличия солей зависят и осмотические свойства клетки. Осмос – одностороннее проникновение через мембрану клетки молекул воды. Вода при этом выполняет роль полупроводника, выравнивающего концентрацию. Если концентрация солей в клетке меньше, чем в окружающем пространстве, то вода будет выходить из клетки. В результате
изменяется объем клетки вследствие изменения в ней концентрации ионов или других гидрофильных веществ, не проникающих через мембрану.
Осмотическое давление в клетке равно осмотическому давлению физиологического раствора (0,9% Na). Клетки в нем не набухают и не сморщиваются, обеспечивается тургор клеток.
Росм = СRТ.
Нерастворимые соли (карбонаты и фосфаты), входят в состав костей, зубов, раковин.
Zn, Mn, CО – входят в состав активных центров ферментов, I-гормон щитовидной железы, Со – в состав витамина В₁₂.
Органические вещества клетки.
Из органических веществ в состав клетки входят биополимеры (белки, углеводы, нуклеиновые кислоты и композиционные материалы (гликопротеины, липопротеины)).
Углеводы.
Состоят из углерода и воды.
Сn(Н₂О)m
С₅Н₁₀О₅- рибоза
С₅Н₁₀О₄- дезоксирибоза
Классификация углеводов.
Углеводы– обширный класс природных соединений, входящих в состав живых организмов и играющих важную роль в жизни животных, растений, человека.
Углеводы– это самый распространенный класс органических соединений.
Целлюлоза – самая распространенная в мире.
Углеводы образуются в процессе фотосинтеза.
6СО₂ + 6Н₂О → С₆Н₁₂О₆+6О₂
nСО₂ + nН₂О → Сn (Н₂О)n + nО₂
При полном окислении углеводов в процессе дыхания выделяется энергия, необходимая для функционирования организма. Некоторое количество превращается в тепло, но большая часть запасается в АТФ и других трифосфатах и затем расходуется в процессе жизнедеятельности.
Углеводы:
∕
Простые Сложные
(моносахариды)
∕
Олигосахариды полисахариды
(« олигос» -немного), ди, три, тетра….до 10 («поли» -много)
Моносахариды – гетерофункциональные соединения (полигидроксиальдегиды или полигидроксикетоны).
В природе существуют моносахариды, состоящие из 3-х, 4-х, 5-ти, 6-ти атомов углерода (триозы, тетрозы, пентозы, гексозы)
Те моносахариды, которые содержат альдегидную группу называются – альдозы, кеторгуппу – кетозы.
Альдозы и кетозы с одним и тем же числом атомов «С» являются изомерами. В природе наибольшее значение имеют гексозы и пентозы.
Для изображения формулы моносахаридов используют несколько способов:
Проекционные формулы Фишера. В них цепь расположена в одну линию, нумерация цепи начинается с атома С альдегидной группы или с того конца, к которому ближе кето-группа.
‖ Атом водорода и гидроксогруппы у
Н- С ассиметричного атома С располагаются
| слева и справа от углеродной цепи.
Н- С*- ОН
| С*- ассиметричный атом.
НО-С* –Н
|
Н- С* -ОН
|
Н- С* -ОН
|
СН₂ОН
D-глюкоза
‖
Н- С
|
НO- С- Н
|
Н- С -ОН
|
НО- С -Н
|
НО-С -Н
|
СН₂ОН
L-глюкоза
Принадлежность к D и L ряду определяется по положению гидроксильных групп и водорода в сравнении с простейшим моносахаридом – триозой (глицериновым альдегидом).
Рассмотренные формулы Фишера характерны для изображения моносахаридов в ациклических формах, однако моносахариды могут существовать в циклических формах, которые образуются при взаимодействии кислорода карбонильных групп и одной из гидроксогрупп у опорного атома С. Опорным называется ассиметричный атом углерода, наиболее удаленный от карбонильной группы (С=О).
Как известно альдегиды и кетоны могут взаимодействовать со спиртами с образованием полуацеталей или полукеталей.
Образуется новая гидроксильная группа в той же молекуле.
Приведенная циклическая формула – формула Тойленса.
Образовавшийся 6-ти членный цикл гетероцикл (т.к. в цепи есть атом О) похож на пиран:
(пиранозный цикл)
(фуранозный цикл)
В циклической форме глюкозы образуется новый гидроксил, которого не было в открытой форме: при замыкании цикла в молекуле альдоз – у 1-го атома углерода Он называется полуацетальным или гликозидным гидроксилом.
Циклические формы моносахаридов можно изображать с помощью проекционных перспективных формул Хеуорса. Они изображаются в виде плоского многогранника, который расположен перпендикулярно плоскости изображения.
Из двух формул β является более устойчивой. В ней гидроксогруппы у первого и второго атомов углерода находятся дистанцированно друг от друга, и взаимное отталкивание атомов О этих групп меньше.
Между ациклическими и циклическими формами существует равновесие, и переход одной формы в другую может происходить только при раскрытии цикла.
α – D- глюкоза ↔ ациклическая ↔ β – D – глюкоза
36% 1% 63%
В формулах Хеуорса циклы изображаются в виде плоских. Однако на самом деле необходимо иметь ввиду, что эти циклы не плоские.
кресло
ванна
Для D-глюкозы наиболее вероятна структура кресла:
В живых организмах моносахариды в основном находятся в циклической форме. В твердом виде сахара также имеют циклическое строение.
В химическом отношении для них характерны химические свойства, обусловленные:
1) наличием карбонильных групп.
2) наличием открытых спиртовых групп.
3) наличием полуацетальной гидроксогруппы.
Источник