Общие представления о химическом составе живых организмов

В живых организмах присутствует более 70 химических элементов. В.И.Вернадский в книге «Биосфера» (1926) писал, что жизнь теснейшим образом связана с химическим строением земной коры. Высказано предположение, что химический состав живых организмов может явиться таксономическим признаком.

Существует определенная зависимость между распространением элементов в биосфере, их биологической ролью и положением в периодической системе Менделеева. Вещества живых организмов более чем на 99% состоят из элементов первых трех периодов этой системы. Как правило, при переходе от легких к тяжелым элементам в пределах одной и той же подгруппы (например, Zn→Cd→Hg) возрастает токсичность элементов и одновременно уменьшается содержание их в биомассе. Высокой биологической активностью обладают многие соединения переходных металлов, к которым относятся элементы 4-го периода (с 21 по 30): Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn и др., поскольку они способны к образованию комплексов, играя в них роль центральных атомов. Элементы некоторых подгрупп периодической системы могут в той или иной степени заменять друг друга в биологических процессах (например, кальций и барий, хлор и бром). Одним из последствий глобальной катастрофы – аварии на Чернобыльской атомной электростанции – оказалось проявление биологического антагонизма элементов в парах цезий – калий, стронций – кальций, трансурановые элементы – железо.

Около 98% массы биосферы составляют четыре элемента – водород, кислород, углерод и азот. Они легко спаривают электроны и образуют прочные ковалентные связи. Малые размеры атомов этих элементов также способствуют образованию коротких, прочных химических связей. Молекулы с такими связями более устойчивы к действию физических и химических факторов. Большое значение имеет также способность перечисленных элементов образовывать кратные связи (двойные, тройные), благодаря чему они превосходят многие элементы по числу и разнообразию соединений с уникальными свойствами.

В пересчете на сухую массу в организме человека содержится С -50%, О – 20%, Н – 10%, N – 8,5%, Са – 4%, P – 2,5%, K – 1%, S – 0,8%, Na – 0,4%, Cl – 0,4%, Mg – 0,1%, Fe – 0,01%, Mn – 0,001%, J -0,00005%. При недостатке йода и фтора в воде и пище возникают гипотиреоз (эндемический зоб) и кариес зубов. При недостатке железа – железодефицитная анемия.

Элементы-органогены (С, О, N, H, P, S) образуют две группы органических веществ живых организмов – биополимеры и низкомолекулярные биорегуляторы.

По химическому составу тело человека и животных включает 5 основных классов веществ (для человека массой 65 кг): 1) белки 11 кг (17%); 2) жиры 9 кг (13,8%); 3) углеводы 1 кг (1,5%); 4) вода 40 кг (61,6%); 5) минералы 4 кг (6,1%).

В составе организмов присутствуют карбоновые кислоты, углеводороды, амины, спирты альдегиды. Есть вещества, характерные только для растительных тканей: эфирные масла, алкалоиды, дубильные вещества. В отдельные группы должны быть выделены вещества, присутствующие в тканях живых организмов в небольших количествах, но играющих первостепенную роль в регуляции обмена веществ: гормоны, витамины, антибиотики, фитонциды, ферменты и др.

Глава 2. БЕЛКИ: СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА, ФУНКЦИИ

Белки являются наиболее важными органическими молекулами живой материи. Белки встречаются в различных частях клетки животных и составляют около 50% сухого остатка клетки; в растениях содержится меньшее количество белков – 20-35%. Белки являются структурной и функциональной основой жизни. Термин «protein» происходит от греч. слова «proteios» (первичный). Берцелиус предложил называть протеинами группу органических веществ, наиболее важных для жизни. Мульдер в 1838 г. использовал термин протеин для высокомолекулярных азотсодержащих и наиболее распространенных веществ, присутствующих у животных и растениях.

Белки являются линейными неразветвленными полимерами построенными из аминокислот. Информация о структуре белка закодирована в ДНК. Все живые организмы используют 20 идентичных аминокислот и, за некоторым исключением, имеют одинаковый генетический код.