ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЖИВОГО

§5 ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЖИВОГО. ВОДА И
МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА
Живые тела природы состоят из неорганических и органических веществ. К первым
относятся вода и минеральные вещества. Основную массу органических веществ
составляют четыре класса химических соединений — липиды, углеводы, белки и нуклеиновые
кислоты.
Химический состав живого. Все организмы имеют сходный химический состав. В них
встречается около 60 (по другим данным более 80) элементов периодической системы Д.И.
Менделеева. При этом каких-либо специальных элементов, характерных только для живых
организмов, не выявлено. Однако, если сравнить количественное содержание этих элементов
в живой и неживой природе, то оно существенно различается. В земной коре 75% от общей
массы элементов приходится на долю кислорода и кремния. Основу живого составляют
четыре элемента — кислород, углерод, водород и азот, на долю которых приходится около
95%.
В организмах наиболее распространены 12 химических элементов, которые называют
макроэлементами. К ним относят водород, кислород, углерод, азот, серу, фосфор,
кальций, магний, натрий, калий, хлор, железо. Их содержание в разных организмах
колеблется от 2 до 0,01% . Вместе они составляют 99% всей массы клетки. Особенно высока
концентрация четырех элементов: кислорода, углерода, азота и водорода (98% от
макроэлементов). Их называют органогены. Многие элементы встречаются в живой природе в
микроколичествах - микроэлементы. К ним относят йод, фтор, бром, цинк, медь, марганец
и многие другие.
Элемент
Роль в клетке
Роль в организме
растительном
животном
Магний
Кофактор
Входит
в
состав Входит
в
состав
(«помощник»)многих
молекула
ферментов,
ферментов,
хлорофилла; образует необходимых
для
участвующих
в соли с пектиновыми функционирования
энергетическом обмене веществами.
мышечной, нервной и
и синтезе ДНК.
костной тканей.
+
Натрий
Ионы Na+ участвуют Ионы Na влияют на
почек;
Участвует в создании и в
поддержании работу
участвуют
в
поддержании
осмотического
поддержании
биоэлектрического
потенциала клеток,
ритма;
потенциала на мембране что
обеспечивает сердечного
составляют
большую
(работа натриевого и поглощение воды из
часть
минеральных
калий-натриевого
почвы.
веществ
крови;
насосов).
участвуют
в
регулировании
кислотно-щелочного
равновесия организма,
входя
в
состав
буферной системы.
Нерастворимые
соли
Кальций
Ионы Ca+ , образуя кальция входят в состав
Ионы Ca+ участвуют в соли
пектиновых костей
позвоночных,
регуляции
веществ,
придают раковин
моллюсков,
избирательной
твердость
коралловых полипов.
проницаемости
межклеточному
Ионы Ca+ участвуют в
клеточной
мембраны; веществу,
образовании
желчи;
участвуют в процессах соединяющему
повышают
соединения
ДНК
с растительные клетки.
рефлекторную
белками.
возбудимость спинного
мозга; участвуют в
синаптической
передаче
нервного
импульса; в процессах
Железо
Входит
в
состав
цитохромов-ферментов
переносчиков
электронов в процессах
дыхания и фотосинтеза.
Калий
Сера
Фосфор
Хлор
Участвует
в
поддержании
коллоидных
свойств
цитоплазмы,
биоэлектрического
потенциала на мембране
(работа
натрийкалиевого
насоса);
активирует ферменты,
участвующие в синтезе
белка; входит в состав
ферментов,
участвующих
в
гликолизе.
Входит
в
состав
аминокислот, участвует
в
формировании
третичной
структуры
белка, входит в состав
некоторых ферментов;
участвует
в
бактериальном
фотосинтезе.
Соединения
серы
–
источник энергии при
хемосинтезе.
В
виде
остатков
фосфорной
кислоты
входит в состав АТФ,
нуклеотидов, ДНК, РНК,
фосфолипидов, многих
ферментов, в состав всех
мембранных структур.
Анионы
хлора
поддерживают
электронейтральность
клетки.
Участвует
в
биосинтезе
хлорофилла; входит в
состав
ферментов,
участвующих
в
дыхании; в состав
цитохромов
–
переносчиков
электронов в ходе
фотосинтеза.
Участвует
в
регуляции
водного
режима; входит в
состав
ферментов,
участвующих
в
фотосинтезе.
Компонент
клеточного сока в
вакуолях.
свертывания
крови;
активируют ферменты
при
сокращении
поперечнополосатых
мышечных волокон.
Входит в состав гемма
белка гемоглобина и
миоглобина(белка,
содержащего кислород
в мышцах) Находится в
железосодержащем
белке феррине в печени
и селезенке).
Участвует
в
поддержании
сердечного ритма, в
проведении нервного
импульса.
Входит
в
состав
инсулина, витамина В1,
биотина.
В виде фосфатов в
состав костной ткани,
зубной
эмали.
У
млекопитающих
в
состав
буферных
систем.
Анионы
хлора
участвуют
в
регуляции тургорного
давления.
Анионы
хлора
участвуют
в
формировании
осмотического
потенциала
плазмы
крови, в процессах
возбуждения
и
торможения в нервных
клетках,
входят
в
Цинк
Входит
в
состав
ферментов,
участвующих
в
спиртовом брожении.
Входит
в
состав
ферментов,
участвующих
в
расщеплении
угольной кислоты и в
синтезе растительных
гормонов – ауксинов.
состав
Входит
в
состав
ферментов темновой
фазы фотосинтеза.
Входит
в
дыхательных
ферментов.
состав
Входит
в
состав
ферментов темновой
фазы фотосинтеза.
Входит
в
ферментов
участвующих
фиксации азота.
состав
,
в
Медь
Входит
в
окислительных
ферментов.
Йод
Фтор
Марганец
Бор
Молибден
Бром
Кобальт
Входит
в
состав
витамина В1, который
участвует
в
расщеплении
пировиноградной
кислоты у животных,
растений,
микроорганизмов.
состав
соляной
кислоты в желудочном
соке.
Входит
в
состав
фермента,
участвующего
в
транспорте углекислого
газа
в
крови
позвоночных; фермента
разрушающего
пептидные связи при
переваривании белков;
ферментов,
необходимых
для
нормального роста.
Участвует
в
кроветворении,синтезе
гемоглобина;
у
беспозвоночных входит
в состав белков –
переносчиков
кислорода
–
гемоцианов. У человека
входит
в
состав
фермента,
участвующего
в
синтезе меланина.
У позвоночных входит
в
состав
гормрна
щитовидной железы –
тироксина.
Входит в состав костей,
эмали зубов.
Входит
в
состав
ферментов,
необходимых для роста
костей.
Влияет на ростовые
процессы.
Входит
в
состав
ферментов,
регулирующих
работу
устьичного
аппарата, ферментов
участвующих
в
синтезе аминокислот.
Входит
в
состав
витамина
В12,
принимает участие в
синтезе гемоглобина.
Вода. Самым распространенным веществом в живых телах природы является вода. Ее
содержание колеблется от 60 до 98% от общей массы, что зависит от типа клеток, тканей и
организмов.
Биологическое значение воды связано с уникальными свойствами: полярностью и
способностью ее молекул образовывать водородные связи, большим поверхностным натяжением
и высокими температурами плавления и кипения.
Наличием водородных связей объясняется и тот факт, что при обычных условиях вода —
жидкость. Благодаря водородным связям при замерзании около 0°С расстояние между
молекулами воды слегка увеличивается. В результате плотность льда уменьшается, и он
оказывается легче, чем жидкая вода. Превращаясь в лед в живых клетках и увеличиваясь
в объеме, вода может разорвать их стенки и разрушить клетки.
С водородными связями связано и высокое поверхностное натяжение воды. Вода способна
слипаться и с другими веществами, чем объясняются ее капиллярные свойства. Вода
обладает высокой теплопроводностью. Благодаря этому свойству тепло быстро и равномерно
распределяется по всему объему воды, находящейся в живых клетках, предотвращая
перегрев в отдельных местах. При испарении воды происходит существенное охлаждение
поверхности, с которой она испаряется. Участие в терморегуляции живых организмов —
еще одна биологическая функция воды.
Вода — универсальный растворитель. Растворимые в воде вещества называют
гидрофильными (от греч. гидор — вода, филео— люблю). Неполярные вещества, например
бензин, жиры, масла, в воде нерастворимы. Такие вещества называют гидрофобными (от греч.
гидор — вода, фобос — страх, боязнь).
Вода служит катализатором (ускорителем) многих реакций и средой, где протекают все
химические реакции живого. Водные растворы веществ образуют внутреннюю среду клетки. С
водой связан и тургор (от лат. тургере — быть набухшим, наполненным) клетки, т. е. напряженное состояние клеточной мембраны, создаваемое давлением внутриклеточной
жидкости, которая на 70— 90% состоит из воды. Все свойства и биологические функции воды
имеют важное значение для жизни на Земле.
Физические свойства воды и их значение для биологических процессов.
физическое свойство
значение
Сочетание
высокой
1. Идеальная жидкость
теплоемкости (благодаря
для
поддержания
наличию
водородных
теплового
связей)
и
высокой
равновесия
теплопроводности
(из-за
организма
–
небольших размеров самих
большое количество
молекул.
воды в клетках
придает организму
термостабильность
и дает возможность
значительно
охладиться
при
минимальной
потере воды.
2. Круговорот воды в
природе – один из
элементов
формирования
погоды и климата.
примеры
Транспирация у растений,
потоотделение
у
млекопитающих.
Периодичность выпадения
осадков.
Исторически сложившиеся
условия увлажнения в
различных
природных
зонах.
Прозрачность в видимом Возможность фотосинтеза Высокопродуктивные
участке спектра.
на небольшой глубине, а биогеоценозы водоемов.
значит и возможность
связанных с ним пищевых
цепей.
Практически
полная Поддержание
формы Тургорное
давление
несжимаемость (благодаря организмов.
придает форму сочным
силам межмолекулярного
органам и тканям растений,
сцепления)
Подвижность молекул ( Возможность осмоса.
вследствие
слабости
водородных связей).
Вязкость
(благодаря Смазывающие свойства.
наличию
водородных
связей).
Хороший
(благодаря
молекул)
растворитель Самый распространенный
полярности в природе растворитель.
Среда протекания многих
химических реакций.
Способность образовывать Является дисперсионной
гидратационную оболочку средой
в
коллоидной
вокруг молекул (благодаря системе цитоплазмы.
полярности молекул).
Оптимальное
для
биологических
систем
значение
силы
поверхностного натяжения
(определяемого
силами
межмолекулярного
сцепления).
Расширение
при
замерзании
(благодаря
образованию
молекулой
максимального
числа-4водородных связей).
Водные растворы являются
средством передвижении
веществ в организме.
обеспечивая положение в
пространстве.
Гидростатический скелет у
круглых червей, медуз.
Амниотическая жидкость
поддерживает и защищает
плод млекопитающих.
Поступление
воды
из
почвы. Плазмолиз.
Внутрисуставная жидкость
облегчает
скольжение
суставов,
плевральная
жидкость
уменьшает
трение между легкими и
грудной клеткой.
Кровь, тканевая жидкость,
клеточный сок растений и
другие
жидкости
организмов растворы
белков,
сахаров,
органических
веществ.
Водные
организмы
используют для дыхания
растворенный
в
воде
кислород.
Гиалоплазма представляет
собой коллоидный раствор
белков,
в
котором
молекулы
белков
окружены
чехлом
из
определенным
образом
ориентированных молекул
воды.
Капиллярный
кровоток.
Восходящий и нисходящий
токи
растворов
в
растениях.
Лед легче воды, выполняет Сохранение
зимой
функцию теплоизолятора и биоценозов замерзающих
защищает
от
холода водоемов.
находящиеся
в
воде
организмы.
Роль воды в обмене веществ.
функция
Участие
в
гидролиза.
примеры
1. белки + вода = аминокислоты
крахмал + вода = глюкоза
жир + вода = глицерин и жирные кислоты.
2. Высвобождение энергии АТФ
АТФ + H2O = АДФ + H3PO4 + Е (40 кДж)
Донор электронов
в световую фазу фотосинтеза
Источник
атомарного в темновую фазу фотосинтеза
водорода
Источник протонов для синтез АТФ при дыхании и синтез АТФ
работы протонных насосов фотосинтезе.
реакциях
при
Минеральные вещества. Эти вещества в клетках присутствуют в виде ионов
или твердых нерастворимых солей. Они создают кислую либо щелочную
реакцию среды в клетках, входят в состав некоторых структур влияют на
протекание в живом различных процессов. Так, ионы кальция (Са+2) в
растениях входят в состав оболочек клеток, у животных — в состав костей и
зубов , влияют на свертывание крови. Ионы калия (К+) и натрия (Na+)
содействуют проведению нервных импульсов, активизируют деятельность
ферментов, влияют на рост растений. Ионы хлора (С1-) входят в состав
желудочного сока. Ионы магния (Mg+2) содержатся в молекулах хлорофилла. Йод
является компонентом гормона щитовидной железы — тироксина. Он влияет на
обмен веществ в организме. Ионы железа (Fe +2) входят в состав гемоглобина и
участвуют в переносе кислорода. Медь, марганец, бор участвуют в процессах
кроветворения, фотосинтеза, повышают урожайность и влияют на ростовые
процессы растений. Фтор входит в состав эмали зубов, при его недостатке
развивается кариес, а при избытке — флюороз — размягчение костной ткани.
Ионы молибдена, хрома, кобальта, цинка активизируют работу ферментов,
влияют на обмен веществ. При нехватке этих элементов могут нарушаться
процессы жизнедеятельности организмов.