Ботаніка - Неведомська Є.О. - 1. Хімічні елементи, які входять до складу живих організмів

План

1. Хімічні елементи, які входять до складу живих організмів.

2. Неорганічні сполуки: вода і мінеральні солі.

3. Органічні сполуки: ліпіди.

4. Органічні сполуки: вуглеводи.

5. Органічні сполуки: білки.

6. Органічні сполуки: нуклеїнові кислоти.

Основні поняття: біохімія, макроелементи, мікроелементи, ультрамікроелементи, органогени, неорганічні сполуки: вода і мінеральні солі, гідрофільні речовини, гідрофобні речовини, органічні сполуки, ліпіди, жири, емульсії, фосфоліпіди, воски, стероїди, ліпопротеїди, гліколіпіди, вуглеводи, макромолекули, біополімери, мономер, білки, амінокислоти, структура білка, нуклеїнові кислоти, нуклеотид, ДНК, РНК, біосинтез білку.

1. Хімічні елементи, які входять до складу живих організмів

Науку, яка вивчає хімічні речовини, що входять до складу живих організмів, їх структуру, розподіл, перетворення і функції називають біологічною хімією, або біохімією (від грецьк. bios - життя, хімія). Ця наука почала формуватися наприкінці ХІХ ст. До середини ХХ ст. були відкриті основні класи речовин, що входять до складу живих організмів.

Клітини живих організмів містять майже всі відомі в природі хімічні елементи. За кількісним складом у клітині їх можна розділити на три основні групи: макроелементи, мікроелементи, ультрамікроелементи.

Макроелементи складають основну масу органічних і неорганічних речовин. Чотири хімічні елементи, зокрема оксиген (О), гідроген (Н), карбон (С), нітроген (N), становлять майже 98% і входять до складу органічних сполук. Тому їх ще називають органогенними. Із чим пов'язано кількісне переважання цієї "четвірки"? Організми - складні системи. Це означає, що хімічні сполуки, з яких вони утворені, мають бути дуже різноманітними. Щоб ці сполуки зберігали свої властивості, їм треба мати стійку структуру. Таким чином, зв' язки, за допомогою яких утворюються ці речовини, мають бути міцними. Хімічний зв' язок, який відповідає цим вимогам, ковалентний. Ковалентні зв'язки утворюються внаслідок усуспільнювання двох електронів зовнішнього рівня, по одному від кожного атома. Чим менше діаметр атомів, які утворюють ковалентний зв' язок, тим сильніше взаємодія між ядром та усуспільненими електронами, і тим міцніший цей зв'язок. Саме тому в живих організмах переважають О, С, Н, N1, які легко утворюють ковалентні зв'язки.

До макроелементів також належать фосфор (Р), калій (К), кальцій (Са), магній (М§), натрій (ТЧа), хлор (СІ), сульфур (Б), ферум (Бе). Їхня сумарна частка становить 1,9%.

Мікроелементи є складовими компонентами ферментів, гормонів. Це понад 50 хімічних елементів (бор (В), кобальт (Со), купрум (Си), молібден (Мо), цинк (2п), ванадій (V), іод (I), бром (Бг), манган (Мп)). Вміст їх у клітині - 10^- - 10^- %.

Вміст ультрамікроелементів ще менший у клітині. Це аурум (Аи), аргентум (А§), платина (Рі), плюмбум (РЬ) тощо.

Усі хімічні елементи, що містяться в клітині живих організмів, входять до складу органічних і неорганічних сполук або перебувають у вигляді йонів. Вони відіграють велику роль у живленні клітин, їхньому рості, побудові тканин та органів, підтримують кислотно-лужну рівновагу, беруть участь в обміні речовин та енергії, у процесах подразнення та збудження клітини.

2. Неорганічні сполуки: вода і мінеральні солі

Елементи, що входять до складу організмів, можуть бути або складовими частинами різноманітних неорганічних (вода і мінеральні солі) і органічних сполук (білки, вуглеводи, жири, нуклеїнові кислоти, гормони, вітаміни), або знаходитись у формі йонів (К , № , Са , М§ , СІ^-, Н2РО4^- та ін.).

Найважливішою з неорганічних речовин, що входять до складу живих організмів, є вода - Н2О. Вода є основним середовищем, у якому відбуваються процеси обміну речовин та перетворення енергії.

Виняткове значення води для живих систем пов' язане з будовою її молекул. Молекула води (Н₂О) складається з двох атомів гідрогену, які пов'язані міцним полярним ковалентним зв 'язком з атомом оксигену. О - сильніший від Н неметал, через що спільні пари електронів зміщені в молекулі води в його бік. Тому, хоча молекула води загалом незаряджена, біля атома О збирається негативний заряд, а біля атомів Н - позитивний. Молекула води поляризована і є диполем (має і позитивний, і негативний заряди). Протилежні полюси сусідніх молекул води притягуються, утворюючи водневі зв' язки. Це відносно слабкі зв' язки, в 15-20 разів слабші за ковалентні. Саме вони визначають особливе значення води для життя. Молекули води в рідині зв' язані одна з одною і з молекулами розчинених речовин водневими зв' язками. Енергія цих зв' язків невелика, і тому вони швидко руйнуються та легко відновлюються. Завдяки утворенню водневих зв' язків пояснюється сила поверхневого натягу і підняття води по щілинах ґрунту та судинах рослин.

Через те що молекули води є диполями, вони мають унікальну властивість - розчиняти полярні речовини, до яких відносяться іонні сполуки: солі, кислоти, основи (до відома: до неіонних сполук відносяться спирти, цукор). Молекули води ніби "розтягують" молекули полярних речовин. При цьому зростає реакційна здатність розчинених речовин, оскільки їхні молекули або іони набувають можливості вільно рухатись. Речовини, здатні розчинятися у воді, називаються гідрофільними (від грецьк. hydor - вода, phileo - люблю).

Вода як універсальний розчинник відіграє надзвичайно важливу роль у живих організмах, оскільки більшість біохімічних реакцій відбувається у водних розчинах. Надходять речовини у клітини та виводяться з них продукти життєдіяльності також переважно в розчиненому вигляді. Вода бере безпосередню участь у реакціях гідролізу (від грецьк. hydor - вода, lysis - розкладання) - розщеплення органічних сполук з приєднанням до місця розриву іонів молекули води (Н та ОН^-).

Речовини, які не взаємодіють з водою, а тому в ній не розчиняються, називаються гідрофобними (від грецьк. hydor - вода, phobos - страх). До гідрофобних речовин належать майже всі жири, деякі білки.

З водою пов'язана також регуляція теплового режиму організмів. їй притаманна велика теплоємність, тобто здатність поглинати тепло за незначних змін власної температури. Завдяки цьому вода запобігає різким змінам температури в клітинах і в організмі в цілому за значних її коливань у навколишньому середовищі. Під час випаровування води організми витрачають багато тепла. Так вони захищають себе від перегрівання. Завдяки високій теплопровідності, вода забезпечує рівномірний розподіл теплоти між тканинами організму, циркулюючи по порожнинах органів і тіла.

Вода може бути в трьох агрегатних станах - твердому (лід), газоподібному (пара), рідкому (рідина). При випаровуванні води багато енергії витрачається на розрив водневих зв' язків між її молекулами. При замерзанні води тепло виділяється. Тому запаси води істотно пом' якшують клімат нашої планети.

Густина води найбільша при 4 С, а густина льоду менша за густину води. Тому водойми промерзають дуже повільно: зверху їх закриває лід, а біля дна довго зберігається шар води з температурою 4 С. Це рятує взимку життя багатьом водним організмам.

Важливе біологічне значення для функціонування організмів має і те, що вода під впливом розчинених у ній речовин може змінювати свої властивості, зокрема температуру замерзання і кипіння. Так, із настанням зими у клітинах морозостійких рослин підвищується концентрація розчинних вуглеводів та інших сполук (наприклад, гліцерину, гліколіпідів). Це перешкоджає переходу води в організмах у кристалічний стан і таким чином запобігає їхній загибелі.

На перебіг біохімічних реакцій у водних розчинах істотно впливає концентрація іонів гідрогену у воді. її оцінюють за водневим показником - рН (значення від'ємного десяткового логарифму концентрації іонів Н ).

У чистій воді концентрація йонів Н становить 1Т0^- моль/л. Для чистої води рН = - log (10^-7) = 7.

Розчини бувають кислі (рН<7), нейтральні (рН=7), основні (рН>7). Протяжність шкали рН - від 0 до 14. Це логарифмічна шкала, тобто зміна рН на одну одиницю відповідає зміні концентрації іонів Н+ вдесятеро.

Значення рН у клітинах живих організмів близько 7,0. Зміна його на одну-дві одиниці згубна для клітин. Насамперед сталість рН у клітинах підтримується за рахунок буферних властивостей їхнього вмісту. Буферним називають розчин, який містить суміш якоїсь слабкої кислоти та її розчинної солі. Коли кислотність (концентрація йонів Н+) збільшується, вільні аніони, джерелом яких є сіль, легко з' єднуються з вільними іонами Н і видаляють їх із розчину. Коли кислотність знижується, вивільняються додаткові йони Н+. У такий спосіб у буферному розчині підтримується відносно стала концентрація йонів Н+.

Крім води, в організмах є ще неорганічні сполуки - мінеральні солі.

Вони знаходяться у дисоційованому (розчиненому) стані у вигляді катіонів (К+, №⁺, Са²+, М§²⁺ та ін.) та аніонів (СІ^-, НСО3^-, Н2РО 4 , БС^^2- та ін.) або перебувають у вигляді твердих сполук (СаСО₃, Са₃(РО₄)₂). Різна концентрація К і № поза клітинами та всередині них спричинює виникнення різниці електричних потенціалів на плазматичних мембранах клітини. Це забезпечує транспорт речовин через мембрани.