ХІМІЧНИЙ СКЛАД ЖИВИХ ОРГАНІЗМІВ

Згадаєте! Що загального між живою й неживою природою? Які основні класи неорганічних з'єднань входять до складу організмів? Які їхні загальні характеристики?

Наука, що вивчає хімічний склад живих організмів, будова, властивості, розташування й роль виявлених у них з'єднань, шляхи їхніх перетворень, які в сукупності забезпечують обмін речовин і енергії, називається біологічною хімією, або біохімією. Ця наука як галузь біології сформувалася в другій половині XIX ст.

Сучасна біохімія досліджує живу матерію на різних рівнях організації: молекулярному, клітинному, тихорєцькому, организменном. Одне з основних завдань біохімії - з'ясування механізмів регуляції життєдіяльності клітин і організму в цілому, що забезпечують єдність обміну речовин і енергії в організмі.

Елементарний хімічний склад живих ог,т~ --• — -- - Живі організми містять майже всі відомі в природі хімічні елементи. Одні з них обов'язкові для всіх без винятку організмів, інших - властиві тільки певним видам і тому зустрічаються в організмах рідко.

У живих організмах у найбільшій кількості присутні чотири хімічних елементи: водень, вуглець, азот і кисень. Це так звані органогенні елементи, на їхню частку доводиться майже 98% хімічного складу клітин. Наступну групу становлять макроелементи: фосфор, калій, сірка (сульфур), хлор, кальцій, магній, натрій і залізо (феррум), сумарна частка яких становить до 1,9%. Більше 50 хімічних елементів належить до групи мікроелементів [йод, кобальт, мар-

ганец (манган), мідь (купрум), молібден, цинк і ін.], содержа-щихся в клітині від 10~¹² до 10~³ %. Ще менше в клітині ультрамікроелементів - свинцю (плюмбума), брому, срібла (аргенту-ма), золота (аурума) і ін.

Хімічні елементи, які втримуються в клітині, входять до складу органічних і неорганічних з'єднань або перебувають у вигляді іонів. Якщо хімічний склад всіх живих організмів відносно однаковий, то в компонентів неживої природи він різний. Наприклад, у водній оболонці Землі (гідросфері) переважають водень і кисень, у газоподібній (атмосфері) - кисень і азот, у твердій (літосфері) - кремній і кисень.

Неорганічні з'єднання.Серед неорганічних з'єднань живих організмів особлива роль належить воді. Вона є основним середовищем, у якій відбуваються процеси обміну речовин і енергії. Зміст води в більшості живих організмів становить 60-70%, а в деяких (напр., медузи) - до 98%.

Вода має унікальні хімічні й фізичні властивості. У порівнянні з іншими рідинами в неї відносно високі температури кипіння й випару, що обумовлено взаємодією молекул води між собою. Молекула води (Н₂ПРО) складається із двох атомів водню, з'єднаних ковалентним зв'язком з атомом кисню {мал. 2). Цей зв'язок обумовлений виникненням загальної пари електронів між кожним атомом водню

і атомом кисню. Молекула води электронейтральна, але на її різних полюсах розташовані позитивні й негативний електричні заряди, тобто вона полярна. Тому сусідні молекули можуть притягатися одна до іншої за рахунок сил електростатичної взаємодії, що виникають між негативним зарядом на атомі кисню однієї молекули й позитивним зарядом на атомі водню іншої. Такий тип зв'язку називається водневим, він в 15-20 разів слабкіше, ніж ковалентний зв'язок.

Коли вода перебуває в рідкому стані, її молекули безупинно перебувають у русі й водневих зв'язках те розриваються, то виникають знову. Завдяки цьому вода являє собою не грузлу, а текучу рідину.

Вода визначає обсяг і внутрішньоклітинний тиск (тургор) клітин. Вона здатна формувати водну оболонку навколо деяких з'єднань (напр., білків), чим перешкоджає їхній взаємодії. Таку воду називають зв'язаною {структурованої). Вона становить 4-5% загальної кількості води в організмі. Інша частина води (95-96%) називається вільної. Саме вона є універсальним розчинником, кращим, чим більшість інших відомих рідин.

Всі речовини умовно ділять на добре розчинні у воді -полярні, або гідрофільні (від греч. гидро - вода й філія -дружба), і нерозчинні в ній - неполярні, або гідрофобні (від греч. фобос - страх).

До гідрофільних речовин належить більшість солей, наприклад, поварена сіль (NaCl). Вода розчиняє речовини, які містять групи (-ВІН, -СООН і ін.), здатні іонізуватися (розпадатися на электрически заряджені частки) під час взаємодії з нею.

Гідрофобні речовини (майже всі ліпіди, деякі білки й ін.) містять неполярні групи (-СН₂, -СН₂СН₃ і ін.), які не взаємодіють із водою.

Воді як універсальному розчиннику належить надзвичайно важлива роль. Більшість хімічних реакцій в організмі відбувається тільки у водяних розчинах. Речовини проникають у клітини, а продукти життєдіяльності виводяться з її в основному в розчиненому виді. Вода бере безпосередню участь у біохімічних перетвореннях.

З водою зв'язана також регуляція теплового режиму організмів. Їй властива висока теплоємність, тобто здатність поглинати тепло при незначних змінах власної температури. Завдяки цьому вода запобігає різким змінам температури в клітинах і в організмі в цілому при значних її коливаннях у навколишнім середовищі. При випарі води організмами затрачається багато теплоти, що захищає їх від перегріву (напр., випар води в рослин, потоотделение в ссавців тварин і людини). Завдяки високої теп-

лопроводности вода забезпечує рівномірний розподіл теплоти між тканинами організму (напр., через систему кровообігу, циркуляцію рідини в порожнинах тіла).

Розчинені у воді речовини можуть змінювати її властивості, зокрема, температури замерзання й кипіння, що має важливе біологічне значення. Так, у клітинах і тканинах морозотривких рослин і холоднокровних тварин з настанням зими підвищується концентрація розчинних вуглеводів і інших з'єднань, що знижують температуру переходу води в кристалічний стан, що й запобігає замерзанню цих організмів.

На протікання біохімічних реакцій у водяних розчинах істотно впливає концентрація іонів водню у воді, що оцінюється по водневому показнику - рн (значення негативного десяткового логарифма концентрації іонів водню).

Для підтримки життєдіяльності клітин і організму в цілому важливе значення мають солі неорганічних (мінеральних) речовин. У живих організмах вони перебувають у вигляді твердих з'єднань або розчинені у воді (у вигляді іонів). Іони утворяться катіонами металів (калію, натрію, кальцію, магнію й ін.) і аніонами кислот [хлористоводородной (соляний) - З1~, сарною - HSO₄~, SO₄"²; вугільної - НСО₃ , фосфорної - Н₂РО ⁴, НРО"⁴, РО₃ ⁴ і ін.].

Різна концентрація ДО⁺ і Na⁺ зовні й усередині клітин приводить до виникнення різниці електричних потенціалів на плазматичних мембранах, що дуже важливо для передачі нервових імпульсів, а також для транспорту речовин через мембрани. Регуляторну функцію й активізацію багатьох ферментів здійснюють Са²⁺ і Mg²⁺. З'єднання кальцію (СаСО₃) входять до складу кістяка хребетних тварин і людини, раковин молюсків і форамініфер, панцирів ракоподібних і ін. тварин. У деяких найпростіших (радіолярій) внутрішньоклітинний кістяк побудований із двоокису кремнію (Si₂) або сірчанокислий стронції (SrSO₄).

Важливі функції в організмі виконують також неорганічні кислоти. Так, соляна кислота створює кисле середовище в шлунку хребетних тварин і людини, забезпечуючи тим самим активність ферментів шлункового соку. Залишки сірчаної кислоти, приєднуючись до нерозчинного у воді речовинам, забезпечують їхня розчинність, що сприяє виведенню цих з'єднань із клітин і організму з водою.

Загальний зміст неорганічних речовин у різних клітинах варіює в межах від одного до декількох відсотків.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ:

1. Що вивчає біохімія? 2. Який хімічний склад мають живі організми? 3. Які основні функції води в живих організмах? 4. У якому стані в клітині втримуються мінеральні речовини? Яка їхня роль?

Подумайте! Які особливості будови молекул води забезпечують її властивості?