12. 3. Биохимические составляющие живого вещества

Так как истина вечно уходит из рук ■ Не пытайся понять непонятное, Чашу в руки бери, оставайся нев< Нету смысла, поверь, в изученьи

Омар Хайя

12.3.1. Молекулы живой природы

Известно, что нет никаких различий в строении молекул эле­ментов, образующих живую и неживую природу. Однако из из­вестных к настоящему времени 111 химических элементов, встречающихся на Земле, в живых организмах встречается не так много — всего 16, причем четыре из них — водород, углерод, кислород и азот — составляют 99% массы живого вещества. Это связано с их физическими и химическими свойствами: ва­лентностью и способностью образовывать прочные ковалентные связи между атомами. В живом организме происходят всевоз­можнейшие превращения разнообразных крупных молекул и их соединений, главным элементом которых является углерод. В основе клеточной химии лежат углеродные соединения, в кото­рых атомы углерода связываются между собой наиболее прочной из всех химических связей — ковалентной, обеспечивающей ста­бильность химического соединения (а значит, и стабильность живого организма).

Атомы углерода могут образовывать разветвленные длинные цепочки не только друг с другом, но и с атомами кислорода. Учи­тывая антропный принцип, можно не по распространенности, а по значению углерода для жизни) даже сказать, что мы живем в углеродной Вселенной. Поскольку ранее предполагалось, что мо­лекулы углерода присущи только живому, соединения с углеро­дом получили название органических. Развитие химии и особен­но работы русского химика А. М. Бутлерова (1828—1886) по струк­турной химии привели к созданию органической химии, которая занимается изучением углерода и синтезом его соединений.

Напомним, что ядро углерода, по его положению в таблице Менделеева, содержит 6 протонов и 6 нейтронов, вокруг ядра вращается 6 электронов, масса атома равна 12. При различных химических реакциях углерод присоединяет 4 электрона и обра­зует устойчивую оболочку из 8 электронов, т.е. обладает валент­

ностью, равной 4. В настоящее время соединений углерода из­вестно гораздо больше, чем соединений всех остальных элемен­тов Периодической таблицы Менделеева. Большая их часть не встречается в живых организмах.

Любопытно, что в неживой природе по распространению эле­ментов на Земле углерод занимает лишь 16-е место. В атмосфере Земли углерод составляет менее 0,01 массового процента, в гидро­сфере — около 0,002, в литосфере — около 0,1, причем в литос­фере углерод распространен в 276 раз меньше, чем кремний. Ве­роятно, определяющим фактором того, что углерод стал главным строительным материалом живых организмов, является его функ­циональность в высокоорганизованных структурах. Кроме проч­ных ковалентных связей углерод образует с другими атомами и многоэлектронные связи, в том числе и гибкие лабильные связи, с различными энергиями их образования и способностью возник­новения новых разнообразных связей, образуя длинные линейные и разветвленные цепи с очень большим их разнообразием. Атомы углерода могут выступать и как доноры, и как акцепторы, способ­ствуя перемещению электронов в химических связях.

К другим важным для жизни макроэлементам относятся так­же сера S, фосфор Р, ионы натрия Na, кальция Са, магния Mg, хлора С1, калия К, железа Fe. Эти элементы, так или иначе уча­ствующие в жизнедеятельности, получили название органогенов. К микроэлементам относятся также медь Си, марганец Мп, цинк Zn, кобальт Со, бор В, алюминий А1, кремний Si, молиб­ден Мо, ванадий V, иод I. Они имеют важное функциональное значение — например, йод регулирует процессы обмена, атомы магния участвуют в образовании хлорофилла, железо входит в состав гемоглобина. В живом организме могут присутствовать также неорганические растворенные в воде организма соедине­ния в виде минеральных веществ.

Напомним, что возникновение соединений обусловлено сво­бодной энергией Гиббса — энергией образования молекул AG⁰. По определению, AG⁰ образования наиболее стабильной фор­мы каждого элемента при стандартных условиях {Т = 298 К и р = 1 МПа) равна нулю. Если AG⁰ > 0, то образуемая форма не стабильна. При термодинамическом равновесии наиболее ста­бильному соединению соответствует отрицательное и наиболь­шее по абсолютному значению AG⁰. Для воды (Н₂0) оно равно —224 Дж/моль, для кварца (Si0₂), основного компонента земной коры, AG⁰ = —768 Дж/моль. Установлено, что все важнейшие мо­лекулы аминокислот, углеводов и фосфатов при условиях, опти­мальных для жизни, являются термостабильными. Этим и объяс­няется их широкое распространение не только на Земле, но и в Космосе.

Кроме углерода большое значение для жизненных процессов имеет фосфор, входящий в их соли — фосфаты, при расщеплении которых выделяется необходимая организму энергия. Поэтому, ви­димо, количество фосфора в живых организмах превышает его ко­личество в любых других средах, исключая лишь литосферу.