Химические особенности живых организмов

Из известных 90 природных химических элементов в элементном составе клеток присутствуют более 70 элементов. Однако 99 % состава всех живых существ (от вирусов до человека) приходится только на 7 элементов: C, O, H, N, S, P, Ca. Первые шесть слагают всю органику земной природы и называются биогенными (лежащими в основе жизни). Кроме этих элементов в состав живых организмов входят макроэлементы: Mg, K, Na, Cl. В меньших количествах встречаются микроэлементы, также необходимые для жизни: Fe, Cu, Zn, Mn, Co и др.

Содержание химических элементов в человеке, в атомных %

C …………………………….	10,68
Н …………………………….	60,56
N …………………………….	2,44
O …………………………….	25,67
P ……………………………..	0,13
S ……………………………..	0,13
Na ……………………………	0,08
K …………………………….	0,04
Mg …………………………...	0,01
Cl ……………………………	0,03
Fe, Zn, Cu, Co, F, I ……………	<0,03

Клетки построены как из неорганических, так и органических соединений. Неорганическими соединениями являются вода и минеральные соли. Вода имеет исключительно важное значение для жизнедеятельности клеток, представляя собой среду, в которой осуществляются важнейшие реакции, лежащие в основе синтеза и распада веществ. Кроме того, она является растворителем различных химических веществ, таких как хлористый натрий, сахара, простые спирты, альдегиды, кетоны. Под влиянием растворённых веществ водный раствор может изменять свои свойства, в частности, могут изменяться температура замерзания, температура кипения, осмотическое давление. Эта особенность воды имеет очень важное биологическое значение. Например, рыбы в пресной воде при температуре её замерзания сохраняют свою активность. Причиной этого является более высокая концентрация растворённых веществ в крови рыб, чем в воде, и это исключает переохлаждение и замерзание их крови.

Вода обладает способностью к обратимой ионизации, в ходе которой она распадается на ионы H⁺ и OH^-, поэтому для всех внутриклеточных и внеклеточных жидкостей в организме характерны определённые величины рН. Изменения величины рН чрезвычайно неблагоприятны для организмов, поскольку даже небольшие её сдвиги характеризуются значительным падением каталитической активности ферментов. Постоянство концентрации ионов водорода поддерживается буферными системами, которые у млекопитающих представлены фосфатной и бикарбонатной системами.

В воде под влиянием ферментов происходят реакции гидролиза (расщепления) белков и других соединений. Она принимает участие также в выведении из клеток продуктов обмена. Наконец, вода поддерживает тепловой режим клетки.

Большое значение имеют соли минеральных кислот и соответствующие им катионы и анионы:

Ионы Na, K обеспечивают электрический разряд на мембранах клеток и передачу электрических импульсов по нервам и мышцам, т. е. управляют их работой;

Ca (более 90 %) находится в костях, участвует в сокращении мышц;

C, H, O входят в состав всех органических веществ;

N – в состав белков и аминокислот;

P – составная часть аминокислот – биологических аккумуляторов энергии (АТФ – аденозинтрифосфорная кислота); вместе с Ca входит в состав костей скелета;

S входит в состав белка;

Fe содержится в гемоглобине крови, который является переносчиком кислорода;

Mg составляет основу молекулы хлорофилла и обеспечивает фотохимическую реакцию в живых организмах – синтез органических веществ из углекислого газа в воды;

Zn входит в состав инсулина;

I входит в состав гормона щитовидной железы;

Co – в состав витамина В₁₂.

Эти элементы образуют несколько десятков низкомолекулярных соединений (аминокислот, сахаров и т. д.), которые в свою очередь дают огромное число высокомолекулярных соединений. Органические соединения живых организмов в основном принадлежат к 4 классам: белкам, липидам (или жирам), углеводам и нуклеиновым кислотам. У животных преобладают белки, у растений – углеводы.

Основные химические соединения в клетках человека, % к сырой массе

Вода …………………………	75-85
Белки ………………………...	10-20
Нуклеиновые кислоты.……….	1-2
Липиды...…………………….	1-5
Углеводы...…………………..	0,2-2,0

Белки являются прежде всего строительным материалом (входят в состав практически всех клеточных структур), катализаторами, гормонами, защитными веществами и пр.

Большинство реакций распада и синтеза сложных органических веществ в живых клетках идет с участием биологических катализаторов – ферментов. Все ферменты – белки. Для каждой группы реакций имеется свой белковый катализатор. Считают, что ферменты повышают скорость реакции минимум в 1 млн раз.

У животных имеются железы внутренней секреции, клетки которых производят гормоны. По своей природе большинство гормонов являются белками, регулируют важные процессы в клетках, но по своему действию отличаются от ферментов, хотя обеспечивают их синтез, тормозят или активизируют их работу. Например, инсулин, продуцируемый клетками поджелудочной железы, регулирует в организме метаболизм глюкозы. При недостатке гормонов может задерживаться рост животных и человека, при избытке – появляются великаны.

Белки также участвуют в процессах трансформации энергии. Белки мышц реагируют с молекулами АТФ и расщепляют в них богатую энергией химическую связь. Под воздействием высвобождающейся энергии происходит сокращение мышечного белка. Таким образом, химическая энергия при участии белков мышц превращается в энергию механическую.

Если в организм животных или человека попадают вирусы или бактерии, то для защиты от них вырабатываются особые белки – антитела. Эти белки обезвреживают возбудителей болезни, задерживая их размножение в организме. На каждый чужеродный белок организм вырабатывает специальные антитела, которые реагируют только с тем возбудителем, против которого они созданы. Такой механизм сопротивления заболеваниям называется иммунитетом. От лат. immunitas – освобождение от чего-либо. Можно сказать, что иммунитет представляет собой способность организма различать чужеродный материал и свой. Организм может синтезировать гигантское разнообразие антител. Например, мышцы могут синтезировать ≈ 2∙10⁵ антител [4].

Нуклеиновые кислоты – хранители генетической информации. Они участвуют, как и белки, в передаче наследственных признаков, а также в синтезе белков.

Большую роль в жизни организмов играют углеводы: простые сахара (моносахариды), дисахариды и полисахариды. Моносахариды глюкоза, фруктоза, галактоза имеют одну химическую формулу (С₆Н₁₂О₆) и отличаются пространственной структурой молекулы. Глюкоза и фруктоза содержатся в составе фруктов и ягод. Галактоза – молочного сахара (лактозы). Молекулы глюкозы под действием ферментов могут соединяться в дисахариды или в длинные и разветвленные цепочки – полисахариды – крахмал и гликоген. Крахмал – форма хранения запаса питательных веществ в растительных клетках. Высоко содержание крахмала в пшенице, рисе, картофеле, кукурузе. В клетках животных и человека накапливается гликоген – полисахарид, отличающийся от крахмала большей разветвленностью молекул. Содержится гликоген в клетках печени и мышцах. Расщепление и окисление углеводов позволяет клетке получать большое количество химической энергии.

Липиды (жиры) являются для клеток, как и углеводы, хранителями запасов питательных веществ и источниками энергии. При необходимости липиды расщепляются ферментами, составляющие их жирные кислоты окисляются, выделяя большое количество энергии. Конечными продуктами окисления являются углекислый газ и вода.

В состав клеток входит небольшое количество витаминов, регулирующих работу клетки. В организм они попадают с пищей, т. к. могут синтезироваться только растениями и бактериями, живущими в организме человека. Витамины входят в состав ферментов. Известно более 20 витаминов, необходимых человеку. При их недостатке или отсутствии нарушается работа ферментов, ход биохимических реакций и нормальная жизнедеятельность клеток. Авитаминоз может вызвать даже гибель организма. Многие витамины разрушаются при кипячении. Это нужно учитывать при приготовлении пищи.

Дата добавления: 2014-01-04