Важные для жизни химические элементы и соединения

В состав живых организмов в основном входят 22 химических элемента:

1) водород, кислород, азот и углерод – наиболее распространены и составляют 99% массы всего живого. Биологическое значение этих элементов связано с их валентностью (1, 2, 3 и 4, соответственно) и способностью образовывать ковалентные связи, более прочные, чем связи, образуемые другими элементами той же валентности.

2) следующими по важности являются фосфор, сера, ионы Mg²⁺, Ca²⁺, K⁺, Na⁺, Cl^-.

3) микроэлементы: железо, кобальт, медь, цинк, бор, алюминий, кремний, ванадий, молибден, йод, марганец.

С точки зрения химии жизнь – это превращение разнообразных крупных и сложных молекул, главным элементом которых является углерод. Все биологически функциональные соединения, кроме некоторых неорганических солей и воды, содержат углерод: белки, жиры, углеводы, гормоны и витамины. Количество соединений углерода огромно, хотя в земной коре его всего 0,055%, а в атмосфере – 0,008%. Все они называются органическими соединениями, поскольку раньше считалось, что такие вещества могут образовываться только в живых организмах.

В химических реакциях углерод способен присоединять 4 электрона (валентность равна 4) и способен к прочной ковалентной связи с водородом, кислородом, азотом, фосфором, серой и друг с другом. Уникальное свойство углерода – это способность образовывать стабильные цепи и кольца, которые обеспечивают разнообразие органических соединений, причем эти связи могут быть кратными. Кроме углерода кратные связи могут образовывать кислород, азот и фосфор.

Известная нам форма жизни на Земле также невозможна без воды. Это одно из самых распространенных веществ на нашей планете.

Уникальные свойства воды связаны со структурой ее молекулы: малыми размерами; атом кислорода связан ковалентно с двумя атомами водорода; молекула изогнута под углом.

Из-за того, что кислород притягивает электроны сильнее, чем водород, молекула воды всегда полярна, поэтому молекулы воды связаны между собой водородной межмолекулярной связью. Когда вода находится в жидкой фазе, эти связи легко разрушаются при столкновении молекул, но они делают воду превосходным растворителем, особенно для полярных молекул: солей, сахаров, простых спиртов и др. (гидрофильные свойства)

Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы получают возможность двигаться более свободно и возрастает реакционная способность, поэтому основная часть реакций в клетке идет в водном растворе. Такие гидрофильные свойства полярных молекул важны для обеспечения стабильности мембран, белков, нуклеиновых кислот и других клеточных структур.

Свойства воды как растворителя также важны для транспортировки по организму различных веществ (кровь, лимфа, пищеварительный тракт и пр.).

Соединения, не имеющие заряда, в воде не растворяются, и между ними образуется поверхность раздела (гидрофобные свойства).

Вода обладает большим поверхностным натяжением, поскольку ее молекулы слипаются друг с другом посредством межмолекулярных водородных связей (когезия). Полярные молекулы притягиваются любой поверхностью, несущей электрический заряд, поэтому вода способна подниматься по тонкой трубке или порам (капиллярность или адгезия).

Из-за большой теплоемкость воды требуется большое количество энергии даже для незначительного повышения ее температуры, так как энергия расходуется на разрыв водородных связей между молекулами. Поэтому биохимические процессы протекают в небольшом интервале температур с постоянной скоростью. Вода служит стабильной средой обитания для многих клеток и организмов, обеспечивая значительное постоянство внешних условий.

Тепловые свойства воды уникальны для обеспечения жизни. Испарение воды требует значительной траты энергии вследствие высокой температуры кипения. Поскольку эту энергию приходится брать из окружающей среды, то испарение воды сопровождается охлаждением (потоотделение у млекопитающих, тепловая отдышка у рептилий и т.д.).

Значительная энергия требуется и при плавлении льда, а при замерзании вода должна отдать большое количество тепловой энергии. Это уменьшает вероятность замерзания клеток и их окружения. Кристаллизация воды в клетках губительна для жизни, а высокая теплота плавления обеспечивает стабильность внешних условий.

Плотность воды максимальна при +4⁰С, что выше ее температуры замерзания, то есть при охлаждении от 4 до 0⁰С вода расширяется, и лед легче жидкой воды. Низкая плотность люда спасает водные организмы, поскольку лед плавает на поверхности и не пропускает холодный воздух.

Вода является активным участником процессов обмена веществ (метаболизма), при фотосинтезе служит источником водорода, она одновременно и среда для химических реакций, и их участник. Вода имеет огромное значение при естественном отборе и видообразовании в живой природе. Все наземные организмы приспособились к добыванию и сбережению воды. Жизнь зародилась на Земле в водной среде.

Свойства, характеризующие живую материю:

1) Способность обмениваться веществом с окружающей средой.

2) Способность воспринимать информационные сигналы из окружающей среды (раздражимость).

3) Способность преобразовывать внешнюю энергию в полезную форму и использовать ее для построения сложных молекул, характерных для данной системы.

4) Способность к самокопированию или размножению.

Классификация живых организмов по строению клетки:

1) Акариоты – структуры, лишенные клеточного строения (вирусы).

2) Прокариоты – клеточные организмы, не имеющие оформленного ядра (бактерии и сине-зеленые водоросли).

3) Эукариоты – клеточные организмы, имеющие оформленное ядро (растения, животные, грибы).

Уровни организации живой материи:

1) Молекулярный уровень.

2) Уровень надмолекулярных комплексов, которые формируются путем самосборки из крупных биополимерных молекул (например, мембраны клетки).

3) Клеточный уровень (надмолекулярные комплексы, взаимодействуя между собой, образуют клетку).

4) Тканевый уровень (группы клеток образуют ткани).

5) Органный уровень.

6) Организменный уровень.

7) Надорганизменный уровень (сообщество).