В составе живой клетки, как и любого другого объекта материального мира, нет ничего, кроме атомов и молекул. Органический и неорганический мир по набору химических элементов отличаются незначительно, поскольку неживая природа поставляет исходный материал для построения молекул живого организма. В организме человека обнаружено около 70 элементов таблицы Д.И.Менделеева. Такие элементы, как кислород, углерод, водород, азот, кальций, фосфор, калий, сера, хлор, натрий, магний, цинк, железо, медь, йод, молибден, кобальт, селен, постоянно содержатся в организме человека, входят в состав ферментов, гормонов, витаминов и являются незаменимыми. Однако количественное содержание химических элементов в организме не одинаково.
По современным данным, биомасса единовременно живущих на Земле организмов составляет 1,8×1012-2,4×1012 т в пересчете на сухое вещество, причем ежегодно ими продуцируется около 1011 т сухого вещества.
По количественному содержанию в организме все элементы можно разделить 4 группы. Первая группа-макробиогенные элементы (главные): кислород, углерод, азот, водород; их содержание в организме составляет 1% и выше. Вторая группа-олигобиогенные элементы, доля которых от 0,01 до 1%; к ним относят кальций, фосфор, калий, хлор, сера, железо, магний. Третья группа-микробиогенные элементы, содержание которых ниже 0,1%(цинк, марганец, кобальт, медь, бром, йод, молибден и др.). Четвертая группа-ультрамикробиогенные элементы, концентрация в организме элементов этой группы не превышает 0,000001%; к ним относятся литий, кремний, олово, кадмий, селен, титан, ванадий, хром, никель, ртуть, золото и многие другие. Для некоторых ультрамикробиогенных элементов установлено биологическое значение в жизнедеятельности организма, для других-нет. Вероятно, загрязнение окружающей среды этими элементами приводит к аккумуляции их в живой природе, в том числе и в организме человека. Из макроэлементов в наибольшем количестве в биомассе содержатся О, С, Н, N и Са. Из них только О и Са широко представлены в земной коре. Многие элементы, содержаться в литосфере в значительном количестве (Si, Al, Fe и др.), в органическом мире встречаются сравнительно в невысоких концентрациях. Аналогичная картина свойственна, по данным академика А.Д.Виноградова, количественным соотношениям элементов в гидросфере и живых существах, ее населяющих, хотя качественный состав первой и вторых почти совпадает. Таким образом, прямой зависимости между распространением химических элементов в неорганической и органической природе нет, однако это не означает, что между первой и второй отсутствует какая-либо связь. Наоборот, установлено, что между организмом и средой существует тонкая взаимозависимость. Те элемент, которые легко образуют растворимые и газообразные соединения, составляют основную массу биосферы (С, N, P, S), хотя в земной коре их содержание относительно невелико. Элементы, которые не дают водорастворимых соединений, широко распространены в неорганической природе, а в составе организмов встречаются в ничтожных количествах (Si, Fe, Al). Таким образом, доступность элементов для биосферы играет решающую роль в построении живого вещества.
Отмечена определенная зависимость между биологической ролью элементов и их положением периодической системе Менделеева. Органический мир построен главным образом из легких элементов. В подавляющем большинстве случаев при переходе от легких к тяжелым элементам в пределах одной и той же подгруппы возрастает токсичность элементов и параллельно этому падает содержание их в биомассе. Элементы некоторых подгрупп взаимозаменяют друг друга в биологических объектах (Са, Ва, Sr). Функциональное значение элементов ряда подгрупп своеобразно: элементы восьмой подгруппы (Fe, Co, Ni) являются преимущественно компонентами биоактивных соединений.
Полагают, что Н, О, С, Р и N, составляющие вместе более 99% живого вещества, играют выдающуюся роль в явлениях жизни благодаря наличию у них комплекса особых качеств. Первое из них состоит в способности образовывать кратные связи. Вследствие этого С превосходит Si в отношении числа и разнообразия возможных соединений, обладающих уникальными свойствами. Второе качество заключается в то, что атомы упомянутых элементов, отличаясь малыми размерами, образуют относительно плотные молекулы с минимальными межмолекулярными расстояниями. Такие молекулы более устойчивы к действию тех или иных химических агентов. И, наконец, третье качество присуще в основном Р и S и лишь в небольшой мере N. Оно сводится к возникновению на базе указанных элементов некоторых специфических соединений, при расщеплении которых выделяется повышенное количество энергии, используемой для процессов жизнедеятельности. Молекулы газов О2 и СО2 участвуют в окислительных процессах, протекающих в клетке. Растворимые соли, особенно соли К+ и Na+, определяют возбудимость и электрические свойства клеток. Нерастворимые соли, главным образом фосфаты кальция, придают устойчивость и прочность таким структурам, как кость. И, наконец, универсальный растворитель-вода-является той общей средой, в которой растворены все компоненты происходящих в клетке химических реакций, и при участии которой в клетку поступают питательные вещества и выводятся конечные продукты.
Химический состав клетки живого организма отражает такой важный признак живой материи, как высокий уровень структурной организации. Если все биологические вещества, функционирующие в клетке, расположить по сложности их строения, то получатся определенные уровни организации клетки.
Первый уровень занимают низкомолекулярные предшественники клеточных компонентов, к которым относятся вода (Н2О), углекислый газ (СО2), Молекулярные кислород (О2) и азот (N2), неорганические ионы, ряд химических элементов. На втором уровне стоят промежуточные химические соединения, такие как аммиак (NН3), органические кислоты и их производные, карбамилфосфат, рибоза. Из соединений первого и второго уровней в ходе жизнедеятельности клеток образуются биологические мономеры, которые являются строительным материалом для биополимеров, имеющих большую молекулярную массу и отличающихся огромным разнообразие. Промежуточное положение между биомономерами и биополимерами занимают витамины и коферменты, которые по молекулярной массе ближе к мономерам, но не являются строительным материалом для биополимеров. Биополимеры способны ковалентно соединяться друг с другом, образуя сложные макромолекулы: липопротеины, нуклеопротеины, гликопротеины, гликолипиды и т.д. Взаимодействием простых и сложных макромолекул создаются надмолекулярные структуры (мультиэнзимы). Следующий уровень организации клетки-клеточные органеллы: митохондрии, ядра, рибосомы, лизосомы и др. Система органелл образует клетку. Рассмотрим, что же представляют собой биополимеры.
Вторым по количественному содержанию в биологических объектах (после воды), но, несомненно, первым и главным по значению классом соединений являются белки. В среднем можно принять, что в сухом веществе организмов содержится 40-50% белка. Почти столетие назад Ф.Энгельс сформулировал положение о выдающейся роли белка в осуществлении жизненных функций. Обладая рядом специфических качеств, которые подробно будут рассмотрены ниже, белковые тела являются субстратом жизни, ибо сама жизнь представляет, в конечном счете, не что иное, как «способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел». Следует только иметь в виду, что речь здесь идет не об отдельно взятом изолированном белке, а о живой системе, принципиальной составной частью являются белковые тела. Остальные 50% сухого вещества организмов составлены соединениями других классов: нуклеиновые кислоты, жиры, углеводы и минеральные вещества. Кроме перечисленных выше веществ в составе организма найдены в незначительных количествах углеводороды, спирты, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, кетокислоты, аминокислоты, эфиры, амины и др. Многие из упомянутых соединений обладают мощным физиологическим действием и выполняют роль ускорителей или замедлителей жизненных процессов. Их иногда объединяют под названием биологически активных соединений, хотя химически они очень разнообразны. Это-витамины, гормоны, ростовые вещества, биостимуляторы, коэнзимы, антибиотики, фитонциды и т.п. Сюда же относят вещества, возникающие в качестве промежуточных продуктов при тех или иных химических реакциях в организме. Эти соединения называются метаболитами. Среди соединений, входящих в состав организмов, принято выделять пластические и энергетические вещества. К пластическим веществам относят белки, углеводы, нуклеиновые кислоты, некоторые виды липидов, высокомолекулярные углеводы. К энергетическим веществам относят низкомолекулярные и некоторые высокомолекулярные углеводы, отдельные виды липидов.
Процессы выработки энергии зависят от катализируемых ферментами окислительных реакций. Отдельные органы и типы клеток существенно различаются по окислительному потенциалу, но во всех случаях абсолютно необходим молекулярный кислород. Среди огромного разнообразия дегидрогеназ и переносчиков электронов не следует терять из виду основной факт, касающийся биолого-окислительных процессов. А именно то обстоятельство, что их значение в первую очередь заключается в выработке энергии для работы клетки либо непосредственно путем предоставления подвижных водородных ионов для восстановительных синтезов глюкозы, жирных кислот, стероидов и т.д. Либо косвенно, путем соединения этих водородных атомов с кислородом в процессе образования воды, в ходе сопряженного образования АТФ при окислительном фосфолировании.
В неживой природе окислительно-восстановительные реакции чрезвычайно распространены. Так, «жизнь вулкана» сопровождается окислительнно-восстановительными процессами. В районах действия вулканов и на дне кратерных озер можно наблюдать отложение самородной серы, которая образуется в результате следующих процессов:
2Н2S+О2→ 2Н2О+2S
Н2S+2SО2→Н2S+2S
Во время грозовых разрядов происходит связывание атмосферного азота:
N2+O2→2NO
2NO+O2→2NO2
2NO2+H2O→HNO3+HNO2
Образовавшиеся кислоты попадают с атмосферными осадками в почву, где и превращаются в нитриты и нитраты. Таким путем в почву попадает от 4 до 15 кг азота на гектар в год. Весь окружающий нас мир можно рассматривать как гигантскую химическую лабораторию, в которой ежесекундно протекают химические реакции, преимущественно окислительно-восстановительные. ОВР играют большую роль в биохимических процессах: дыхании, обмене веществ, нервной деятельности человека. Проявление различных жизненных функций организма связано с затратой энергии, которую наш организм получает из пищи в результате ОВР.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему