Химический состав организмов

Химический состав организмов.

1.      Общий химический состав организмов.

2.       Химический состав клеток.

Общий химический состав. По современным данным, биомасса единовременно живущих на Земле организмов (а их насчитывается около 2 млн. видов) составляет 1,8х10¹²-2,4х10¹²т в пересчете на сухое вещество. Ежегодно ими продуцируется около 10 т сухого вещества.

В организмах, составляющих биомассу Земли, обнаружено свыше 60 химических элементов. Среди них условно выделяют группу элементов, встречающихся в составе любого организма

 их числу относят С, N, Н, О, S, P, Na, К, Са, Mg, Zn, Fe, Mn, Cu, Co, Mo, В, V, I и С1.

С, N, Н, О, S, P -   играют исключительную роль в биосистемах, так как из них построены важнейшие соединения, составляющие основу живой материи— белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды и др.;

Na, К, Са, Mg, Zn, Fe, Mn, Cu, Co, Mo -  называют «металлами жизни»—они важны для поддержания структуры и функциональной активности биополимеров;

бор и ванадий большое значение имеют для растительных и животных объектов соответственно;

хлор образует наиболее распространенный анион.

Биологическое значение остальных элементов, встречающихся в живой природе, во многих случаях еще не выяснено.

По количественному содержанию в живом веществе элементы делят на три категории:

макроэлементы, концентрация которых превышает 0,001% (О, С, Н, Са, N, P, S, Mg, Na, CI, Fe),

микроэлементы, доля которых составляет от 0,001 до 0,000001% (Mn, Zn, Cu, В, Мо, Со и многие другие),

ультрамикроэлементы, содержание которых не превышает 0,000001% (Hg, Au, U, Ra и др.).

Наибольшее количество из макроэлементов в биомассе содержатся О, С,  Н, N и Са. (О и Са широко представлены и в земной коре). Многие элементы, содержащиеся в литосфере в значительном количестве (Si, Al, Fe и др.), в органическом мире встречаются сравнительно в невысоких концентрациях.

Известно, что прямой зависимости между распространением химических элементов в неорганической и органической природе нет, но между организмом и средой существует тонкая взаимозависимость.

Например, элементы, входящие в состав растворимых и газообразных соединений составляют основную массу биосферы (С, N, P, S), хотя в земной коре их содержание невелико. Элементы, которые не дают водорастворимых соединений, широко распро­странены в неорганической природе, а в составе организмов встречаются в ничтожных количествах (Si, Fe, А1).

Таким образом, доступность элементов для биосферы играет решающую роль в построении живого вещества.

Биологическая роль элемен­тов находится в определенной зависимости от их места в периодической системе Менделеева. Органический мир построен главным образом из легких элементов. Во многих случаях при переходе от легких к тяжелым элементам в пределах одной и той же подгруппы возрастает токсичность элементов и падает содержание их в биомассе (Zn Cd Hg).

Элементы некоторых подгрупп могут взаимно заменять друг друга в биологических объектах (Са, Sr, Ва).

Элементы различаются по функциональному значению. Например, элементы восьмой подгруппы (Fе, Со, Ni) являются преимущественно компонентами биоактивных соединений. В последнее время ведутся исследования по вопросам биологического значения Sе, F, Si Sn Аs, Сr, Рb, W и других элементов.

Роль в явлениях жизни Н, О, С, N и Р, составляющие вместе более 99% живого вещества, связывают с их определенными   качествами:

1. Способность образовывать кратные связи. Вследствие этого С, например, превосходит Si  в отношении числа и разнообразия возможных соединений, обладающих уникальными свойствами.

2. атомы этих элементов, отличаясь малыми размерами, образуют относительно плотные молекулы с минимальными межатомными расстояниями. Такие молекулы более устойчивы к действию тех или иных химических агентов.

3. Образование некоторых соединений с участием элементов (в основном P, S, N), при расщеплении которых выделяется повышенное количество энергии, используемой для процессов жизнедеятельности.

Многочисленные макро- и микроэлементы, образующие живую материю, присутствуют в виде разнообразных химических соединений.

Вода. Содержание воды в организмах различных видов сильно колеблется (от 40—60% у древесных растений до 99% у медузы). Вода играет огромную роль в создании условий для жизнедеятельности. Она образует ту среду, в которой протекают физико-химические процессы, обеспечивающие постоянное возобновление живого вещества, а также участвует в реакциях гидролиза.

Белки. Занимают второе место по количественному содержанию в биологических объектах и являются  главным по значению классом соединений. В среднем можно в сухом веществе организмов содержится 40—50% белка.

В растительной биомассе ниже средней величины, в биомассе животного происхождения —выше.

Микроорганизмы богаче белком (некоторые вирусы являются почти чистыми белками).

Таким образом, в среднем можно принять, что 10% биомассы на Земле представлено белком, т. е. его количество измеряется величинами порядка (0,9—1,2) х 10¹² т.

Нуклеиновые кислоты - их доля в сухом веществе довольно стабильна и равна нескольким процентам 2-10%.

Углеводы и липиды - их содержание в организмах сильно варьирует, причем в растительном мире преобладают углеводы, а в животном—липиды.

Минеральные вещества составляют в среднем около 10% от сухого вещества биомассы.

В составе организмов входят в незначительных количествах углеводороды, спирты, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, кетокислоты, аминокислоты, эфиры, амины и разнообразные другие соединения. У некоторых видов животных, растений и микроорганизмов такие вещества накапливаются в значительных количествах и могут служить систематическим признаком (например, некоторые аминокислоты). Многие из этих соединений обладают мощным физиологическим действием и выполняют роль ускорителей или замедлителей жизненных процессов. Их иногда называют биологически активными соединениями.

К ним относятся витамины, гормоны, ростовые вещества, биостимуляторы, коэнзимы, антибиотики, фитонциды и т. п. А также вещества, возникающие в качестве промежуточных продуктов при тех или иных химических реакциях в организме. Эти соединения называются метаболитами.

Соединения, входящие в состав организмов, подразделяют на пласти­ческие и энергетические вещества.

Пластические вещества служат строительным материалом при формировании внутриклеточных структур, клеток и тканей. Это - белки, нуклеиновые кислоты, некоторые виды липидов и высокомолекулярных углеводов.

Энергетические вещества выполняют роль поставщиков энергии для процессов жизнедеятельности, распадаясь при этом до С0₂ и воды. К ним относятся низкомолекулярные и некоторые высокомолекуляр­ные (гликоген, крахмал) углеводы и отдельные группы липидов (в основном жиры).

Классификация носит условный характер, т.к. многие биоактивные соединения несут в организме пластическую функцию (некоторые ферменты); вместе с тем в определенных условиях пластические соединения могут использоваться как субстрат для окисления, т. е. играют энергетическую роль. Достаточно сложно классифицировать соединения, вырабатываемые для осуществления специфических функций (яды, пигменты, ароматические вещества, алкалоиды и т. п.)

Изучение потребности животных, растений и микроорганизмов в определенных элементах показало, что организмам необходимы в первую очередь С, Н, N. О, Р и S.

Все живые существа нуждаются в Mg Na, К, Са, Fе, Zn, Мn, Сu, Со и Мо. Велика роль таких элементов, как Сd, Sе, Li, В, С1, Вr, I и V.

В то же время значение А1, Аs, Si Сr, F, Rb и W для жизнедеятельности органических форм выяснено еще недостаточно. С новых позиций рассматривают биологическую роль лантанидов и ряда других элементов, обсуждается проблема антагонизма и синергизма в действии микроэлементов.

Химический состав клетки. Химический состав бактериальной клетки.

Примерный химический состав клетки кишечной палочки

¹ Согласно Международной системе единиц СИ молекулярная масса (М) измеряется в атомных единицах массы (а.е.м.) ; 1 а.е.м ≈ 1,66057 х 10^-27 кг. В биохимии молекулярную массу макромолекул принято выражать в дальтонах;  (Да).

1 дальтон =1 а.е.м

Строение клетки

В клетках более высокоорганизованных форм число макромолекул измеряется сотнями миллионов и даже миллиардами, а общее число молекул достигает 10¹³—10¹⁵. Считают, что 1 мкм³ протоплазмы содержит около 40 млрд. молекул.

При помощи обычной и сканирующей электронной микроскопии получены детальные данные о внутреннем строении клеток: обнаружена тонкая структура, представленная субклеточными образованиями, каждому из которых присуща определенная функция или ряд функций.

Многочисленные и разнообразные биополимеры, входящие в состав живого вещества, в значительной мере реально существуют в виде биокомплексов:

соединений нуклеиновых кислот и белков, полисахаридов и белков, липидов и белков, полисахаридов и липидов, различных белков друг с другом и т. п.

Благодаря этому возникают новые свойства и качества, не присущие биополимерам в свободном состоянии. Поэтому изучению структуры и функциональной активности биокомплексов в современной биохимии уделяют большое внимание.

Высшей ступенью надмолекулярной организации биополимеров в клетке являются субклеточные частицы.

Сочетание белков с липидами дает начало мембранам эндоплазматическои сети, митохондрий, лизосом и т. п. Соединение белков с полисахаридами характерно для клеточных стенок. Рибонуклеиновые кислоты, взаимодействуя с белками, образуют рибонуклео-протеиновые частицы, в том числе, рибосомы. Комплексирование ДНК с белками и небольшим количеством РНК приводит к образованию хроматина, а на его основе—хромосомного и, в конечном счете, ядерного аппарата клетки.

Закономерное сочетание деятельности субклеточных частиц лежит в основе жизнедеятельности клетки, регуляции обмена веществ в ней, быстрой перестройки клетки на новые стационарные режимы функционирования, обеспечивает экономное расходование вещества и существенное увеличение скорости многоступенчатых биохимических превращений.

Благодаря этому в природе осуществляются непрерывное обновление и саморепродукция живого вещества, непрерывный и пока еще во многом таинственный процесс жизни.