Химический состав живых организмов является предметом такой биологической науки как биохимия. Как мы уже знаем, все живые организмы состоят из клеток. Клетки, в свою очередь состоят из химических элементов. Химические элементы, без которых была бы невозможна жизнь на Земле, называются биогенными элементами.
Биогенные элементы – это химические элементы, которые входят в состав клеток организма, а также те элементы, без которых невозможна жизнедеятельность клеток: органические и неорганические вещества, полимерные и низкомолекулярные. Каждый из нас с детства знает, что человек более чем наполовину состоит из воды. Соответственно, первым и самым главным биогенным веществом является вода.
Основные химические элементы организмов:
-водород;
-кислород;
-фосфор;
-сера;
-азот;
-углерод.
Неорганические соединения в составе живых организмов:
-карбонаты;
-фосфаты;
-соли аммония;
-сульфаты.
Также к биогенным элементам можно отнести следующие неметаллы:
1) Йод и йодные соединения очень важны для организма, играют большую роль в обменных процессах. Йод входит в состав тироксина – гормона щитовидной железы.
2) Хлор. Анионы этого элемента поддерживают солевую среду организма на уровне, необходимом для правильной жизнедеятельности. Также входит в состав некоторых органических соединений.
3) Кремний. Входит в состав связок и хрящей (ортокремниевая кислота), служит в качестве связки в некоторых полисахаридных цепях.
4) Селен и его производные. Входят в состав некоторых ферментов (селеноцестеин).
Другие органические вещества, входящие в состав живого организма:
• Уксусный альдегид;
• Уксусная кислота;
• Этанол – является продуктом и субстратом биохимических реакций.
Не менее важными являются следующие соединения:
-ГЕМ – это соединение железа с молекулой парафина;
-кобаламин – кобальтовое соединение (витамин В 12).
Кальций и магний – основные металлы, которые наряду с железом чаще всего встречаются в биологических системах. Магний и его ионы играют важную роль для функционирования клетки, точнее, рибосом и синтеза белка в клетке. Также магний является частью хлорофилла. Кальций в живом организме может присутствовать в виде нерастворимых солей:
-карбонат кальция – вещество, из которого состоят раковины моллюсков;
-фосфат кальция – участвует в построении скелета.
В состав ферментов входят многие металлы 4 периода периодической системы:
1) Железо участвует в процессе насыщения клеток кислородом, являясь частью гемоглобина.
2) Ионы цинка содержатся почти во всех ферментах.
3) Марганец также входит в состав некоторых ферментов, но более важную роль играет для поддержания нормальной внешней биосферы: обеспечивает выделение кислорода в атмосферу, а также участвует в фотохимическом восстановлении воды.
4) Молибден является составной частью нитродиназа - фермента азотфиксирующих бактерий, который способствует восстановлению азота извне до аммиака.
5) Кобальт – как мы уже сказали, является частью кобаламина или витамина В 12.
Низкомолекулярные соединения, которые входят в состав живых организмов:
• Аминокислоты – из них состоят белки.
• Моно и алигосахариды – из них состоят структурные ткани организмов.
• Нуклеамиды – из них состоят нуклеиновые кислоты.
• Липиды – составляющие клеточных оболочек.
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), углеводы и очень часто 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. Затем азот, фосфор, калий, кальций, сера, магний, натрий, хлор. 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, 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.
Химический состав живых организмов можно выразить в двух видах: атомный и молекулярный. Атомный (элементный) состав характеризует соотношение атомов элементов, входящих в живые организмы. Молекулярный (вещественный) состав отражает соотношение молекул веществ.
По относительному содержанию элементы, входящие в состав живых организмов, принято делить на три группы:
1. Макроэлементы - О, С, Н, N (в сумме около 98-99%, их
еще называют основные), Са, К, Si, Mg, P, S, Na, Cl, Fe (в
сумме около 1-2%). Макроэлементы составляют основную мас¬су процентного состава живых организмов.
2. Микроэлементы - Мn, Со, Zn, Cu, В, I, F и др. Их суммарное содержание в живом веществе составляет порядка 0,1 %
3. Ультрамикроэлементы — Se, U, Hg, Rа, Au, Ag и др. Их содержание в живом веществе очень незначительно (менее 0,01%), а физиологическая роль для большинства из них не раскрыта.
Также существует множество других веществ, которые активно участвуют в жизнедеятельности живых организмов: коферменты, терпены и многие другие.
