Химический состав живых организмов
Химический состав живых организмов можно выразить в двух видах — атомном и молекулярном.
Атомный (элементный) состав характеризует соотношение атомов элементов, входящих в живые организмы.
Молекулярный (вещественный) состав отражает соотношение молекул веществ.
Элементарный состав
По относительному содержанию элементы, входящие в состав живых организмов, делят на три группы.
Группы элементов по их содержанию в живых организмах
Группа элементов
|
Элементы
|
Суммарное содержание в клетке, %
|
Макроэлементы
|
O, C, H, N (основные, или органогены)
Ca, K, Si, Mg, P, S, Na, Cl, Fe
|
98–99
1–2
|
Микроэлементы
|
Mn, Co, Zn, Cu, B, I, F, Mo и др.
|
0,1
|
Ультрамикроэлементы
|
Se, U, Hg, Ra, Au, Ag и др. менее
|
0,01
|
Макроэлементы составляют основную массу процентного состава живых организмов.
Содержание некоторых химических элементов в природных объектах
Элемент
|
В живых организмах, % от сырой массы
|
В земной коре, %
|
В морской воде, %
|
Кислород
|
65–75
|
49,2
|
85,8
|
Углерод
|
15–18
|
0,4
|
0,0035
|
Водород
|
8–10
|
1,0
|
10,67
|
Азот
|
1,5–3,0
|
0,04
|
0,37
|
Фосфор
|
0,20–1,0
|
0,1
|
0,003
|
Сера
|
0,15–0,2
|
0,15
|
0,09
|
Калий
|
0,15–0,4
|
2,35
|
0,04
|
Хлор
|
0,05–0,1
|
0,2
|
0,06
|
Кальций
|
0,04–2,0
|
3,25
|
0,05
|
Магний
|
0,02–0,03
|
2,35
|
0,14
|
Натрий
|
0,02–0,03
|
2,4
|
1,14
|
Железо
|
0,01–0,015
|
4,2
|
0,00015
|
Цинк
|
0,0003
|
< 0,01
|
0,00015
|
Медь
|
0,0002
|
< 0,01
|
< 0,00001
|
Йод
|
0,0001
|
< 0,01
|
0,000015
|
Фтор
|
0,0001
|
0,1
|
2,07
|
Химические элементы, которые входят в состав живых организмов и при этом выполняют биологические функции, называются биогенными. Даже те из них, которые содержатся в клетках в ничтожно малых количествах, ничем не могут быть заменены и совершенно необходимы для жизни. В основном это макро- и микроэлементы. Физиологическая роль большинства микроэлементов не раскрыта.
Роль биогенных элементов в живых организмах
Название элемента
|
Символ элемента
|
Роль в живых организмах
|
Углерод
|
С
|
Входит в состав органических веществ, в форме карбонатов входит в состав раковин моллюсков, коралловых полипов, покровов тела простейших, бикарбонатной буферной системы (HCO3-, Н2CO3)
|
Кислород
|
О
|
Входит в состав воды и органических веществ
|
Водород
|
Н
|
Входит в состав воды и органических веществ
|
Азот
|
N
|
Входит в состав всех аминокислот, нуклеиновых кислот, АТФ, НАД, НАДФ, ФАД
|
Фосфор
|
Р
|
Входит в состав нуклеиновых кислот, АТФ, НАД, НАДФ, ФАД, фосфолипидов, костной ткани, эмали зубов, фосфатной буферной системы (HPO4, H2PO4-)
|
Сера
|
S
|
Входит в состав серосодержащих аминокислот (цистина, цистеина, метионина), инсулина, витамина В1, кофермента А, многих ферментов, участвует в формировании третичной структуры белка (образование дисульфидных связей), в бактериальном фотосинтезе (сера входит в состав бактериохлорофилла, H2S является источником водорода), окисление соединений серы — источник энергии в хемосинтезе
|
Хлор
|
Cl
|
Преобладающий отрицательный ион в организме, участвует в создании мембранных потенциалов клеток, осмотического давления для поглощения растениями воды из почвы и тургорного давления для поддержания формы клетки, процессах возбуждения и торможения в нервных клетках, входит в состав соляной кислоты желудочного сока
|
Натрий
|
Na
|
Главный внеклеточный положительный ион, участвует в создании мембранных потенциалов клеток (в результате работы натрий-калиевого насоса), осмотического давления для поглощения растениями воды из почвы и тургорного давления для поддержания формы клетки, в поддержании сердечного ритма (вместе с ионами K+ и Ca2+)
|
Калий
|
K
|
Преобладающий положительный ион внутри клетки, участвует в создании мембранных потенциалов клеток (в результате работы натрий-калиевого насоса), поддержании сердечного ритма (вместе с ионами Na+ и Ca2+), активирует ферменты, участвующие в синтезе белка
|
Кальций
|
Ca
|
Входит в состав костей, зубов, раковин, участвует в регуляции избирательной проницаемости клеточной мембраны, процессах свёртывания крови; поддержании сердечного ритма (вместе с ионами K+ и Na2+), образовании желчи, активирует ферменты при сокращении поперечно-полосатых мышечных волокон
|
Магний
|
Mg
|
Входит в состав хлорофилла, многих ферментов
|
Железо
|
Fe
|
Входит в состав гемоглобина, миоглобина, некоторых ферментов
|
Медь
|
Cu
|
Входит в состав некоторых ферментов
|
Цинк
|
Zn
|
Входит в состав некоторых ферментов
|
Марганец
|
Mn
|
Входит в состав некоторых ферментов
|
Молибден
|
Mo
|
Входит в состав некоторых ферментов
|
Кобальт
|
Co
|
Входит в состав витамина В12
|
Фтор
|
F
|
Входит в состав эмали зубов, костей
|
Йод
|
I
|
Входит в состав гормона щитовидной железы — тироксина
|
Бром
|
Br
|
Входит в состав витамина В1
|
Бор
|
В
|
Влияет на рост растений
|
Молекулярный состав
Химические элементы входят в состав клеток в виде ионов и молекул неорганических и органических веществ. Важнейшие неорганические вещества в клетке — вода и минеральные соли, важнейшие органические вещества — углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты.
Содержание в клетке химических веществ
Вещество
|
Содержание, % от сырой массы
|
Вода
|
75–85
|
Белки
|
10–15
|
Жиры
|
1–5
|
Углеводы
|
0,2–2,0
|
Нуклеиновые кислоты
|
1–2
|
Низкомолекулярные органические соединения
|
0,1–0,5
|
Неорганические соединения
|
1,0–1,5
|
Неорганические вещества
Вода
Вода — преобладающее вещество всех живых организмов. Она обладает уникальными свойствами благодаря особенностям строения: молекулы воды имеют форму диполя и между ними образуются водородные связи. Среднее содержание воды в клетках большинства живых организмов составляет около 70%. Вода в клетке присутствует в двух формах: свободной (95% всей воды клетки) и связанной (4–5% связаны с белками). Функции воды представлены в таблице.
Функции воды
Функция
|
Характеристика
|
Вода как растворитель
|
Вода является лучшим из известных растворителей, в ней растворяется больше веществ, чем в любой другой жидкости. Многие химические реакции в клетке являются ионными, поэтому протекают только в водной среде. Молекулы воды полярны, поэтому вещества, молекулы которых также полярны, хорошо растворяются в воде, а вещества, молекулы которых не полярны, нерастворяются (плохо растворяются) в воде. Вещества, растворяющиеся в воде, называются гидрофильными (спирты, сахара, альдегиды, аминокислоты), нерастворяющиеся — гидрофобными (жирные кислоты, целлюлоза).
|
Вода как реагент
|
Вода участвует во многих химических реакциях: реакциях гидролиза, полимеризации, в процессе фотосинтеза и т. д.
|
Транспортная
|
Передвижение по организму вместе с водой растворённых в ней веществ к различным его частям и выведение ненужных продуктов из организма.
|
Вода как термостабилизатор и терморегулятор
|
Эта функция обусловлена такими свойствами воды, как высокая теплоёмкость (благодаря наличию водородных связей): смягчает влияние на организм значительных перепадов температуры в окружающей среде; высокая теплопроводность (вследствие небольших размеров молекул) позволяет организму поддерживать одинаковую температуру во всем его объёме; высокая теплота испарения (благодаря наличию водородных связей): вода используется для охлаждения организма при потоотделении у млекопитающих и транспирации у растений.
|
Структурная
|
Цитоплазма клеток содержит обычно от 60 до 95% воды, и именно она придаёт клеткам их нормальную форму. У растений вода поддерживает тургор (упругость эндоплазматической мембраны), у некоторых животных служит гидростатическим скелетом (медузы, круглые черви). Это возможно благодаря такому свойству воды, как полная несжимаемость.
|
|
Скачать 75.82 Kb.