Химические элементы и неорганические вещества в биосистемах

Живые организмы характеризуются исключительно сложной в химическом отношении структурой. В их составе обнаружено более 80 химических элементов периодической системы Д. И. Менделеева, которые встречаются и в земной коре. Однако часть из них более характерна именно для биосистем.

В простой биосистеме – клетке – более 99% ее химических элементов представлено углеродом, водородом, азотом, кислородом, фосфором и серой. Таким образом, химическую основу жизни действительно составляет ограниченный набор химических элементов (C, H, N, O, P, S), которые называют биогенными (от греч. биос - жизнь и генос – род, происхождение).

Биогенные элементы абсолютно необходимы для существования любых биосистем, начиная с клетки. Это определяется тем, что данные элементы входят в состав главных субстратов жизни – белков, липидов и нуклеиновых кислот (см. введение), а также углеводов. Структурной основой таких химических соединений стал углерод, способный формировать линейный, разветвленный и циклический скелеты органических молекул.

Дефицит биогенных элементов приводит к гибели клеток и, как следствие, биосистем более высокого уровня организации. Однако избыток этих элементов также может быть вреден. Например, избыток кислорода вызывает интенсивное окисление многих клеточных структур и нарушение их функций.

Кроме биогенных элементов, занимающих ведущее положение, важными в биосистемах являются и другие химические элементы. К ним относятся натрий, магний, хлор, калий, кальций, марганец, железо, кобальт, медь, цинк, молибден, селен, йод и фтор. Эти элементы нужны клеткам и многим организмам в небольших количествах, поэтому их называют микроэлементами. При недостатке или избытке микроэлементов нарушается жизнедеятельность клеток и организма.

Микроэлементы-металлы являются компонентами многих ферментов. Железо входит в состав гемоглобина и миоглобина, обеспечивая транспорт кислорода. Кобальт является компонентом витамина В12, йод – гормонов щитовидной железы, фтор – зубной эмали. Магний необходим для функционирования хлорофилла, который обеспечивает фотосинтез.

Дефицит железа вызывает у человека малокровие (анемию), цинка – задержку полового созревания, селена – мышечную слабость, фтора – кариес зубов, йода – замедление обмена веществ.

Избыточное количество меди в организме человека вызывает нарушения психики и паралич некоторых органов, а железа – отложение его солей в глазах и легких с нарушением функций этих органов.

Неорганические, или минеральные, вещества – это химические соединения, не содержащие углерода. Исключением из этого правила являются оксиды углерода (угарный и углекислый газы), а также угольная кислота и ее соли.

Неорганические соединения широко распространены в природе, но в живых системах функциональное значение имеют только некоторые из них. Как правило, они поступают в клетку извне, однако часть их может образовываться и в самих биосистемах в результате жизнедеятельности.

Наиболее простыми неорганическими компонентами живых систем являются молекулы кислорода, азота и водорода.

Молекулярный кислород необходим большинству организмов, благодаря чему их называют аэробами (от греч. аэр – воздух и биос – жизнь). Аэробы используют его в процессе синтеза соединений с высокой энергией химических связей и окисления различных соединений. C другой стороны, молекулы кислорода образуются в процессе фотосинтеза у растений и некоторых бактерий.

Молекулярный азот воздуха – важнейший источник азота для синтеза необходимых всем организмам азотсодержащих соединений, например аминокислот и азотистых оснований. Способностью усваивать молекулярный азот обладают азотфиксирующие бактерии, восстанавливающие его до аммиака.

Примером этого являются клубеньковые бактерии, живущие в тканях корней высших растений.

Молекулярный водород важен только для некоторых бактерий, которые способны использовать его в окислительно-восстановительных реакциях при синтезе водородсодержащих соединений.

Самым распространенным неорганическим соединением биосистем является вода. В бактериальных и животных клетках ее содержание составляет порядка 70%, а в растительных – 90%. В организме человека содержание воды равно 65% (от 20% в костной ткани до 85% в головном мозге). Высокое содержание воды в живых системах отражает тот факт, что жизнь на Земле возникла в водной среде.

Вода обладает уникальными свойствами. Ее молекулы полярны, или дипольны (от греч. ди – двойной, дважды и полос – ось): атомы водорода молекулы воды имеют дробный положительный заряд, а кислорода – дробный отрицательный. Благодаря этому каждый атом водорода одной молекулы воды способен образовывать водородную связь с атомом кислорода двух других молекул воды, в результате чего каждая молекула воды взаимодействует с четырьмя другими. Важнейшим для биосистем свойством воды является ее жидкое состояние при положительных температурах до 100ºС.

Аналогичные по строению молекулы, например сероводород и аммиак, в таких условиях образуют не жидкости, а газы. В отличие от них каждая молекула воды способна образовывать водородные связи с четырьмя другими молекулами. В такой системе молекулы воды теряют характерную для газов способность к независимому движению и образуют подвижную жидкость.

Жидкая вода представляет собой самый универсальный растворитель. Вещества, хорошо растворимые в воде, называют гидрофильными (от греч. гидор – вода и филис – любовь, склонность), а плохо растворимые – гидрофобными (от греч. фобос – боязнь). Все реакции обмена веществ в биосистемах протекают в водном растворе, а многие конечные продукты обмена, например мочевина, выводятся из организма тоже в водном растворе.

Молекулы гидрофильных веществ, как и воды, полярны или содержат полярные группы. Благодаря этому молекулы воды образуют с ними водородные связи и “встраивают” их в свою сеть, т. е. растворяют.

Вода – это не только растворитель, но и участник химических реакций. Расщепление многих сложных веществ в живых системах происходит путем гидролиза (от греч. лизис – разложение, распад), где вода служит реагентом. В частности, пищеварительные ферменты катализируют именно реакции гидролиза. В биосистемах протекают процессы, завершающиеся образованием воды, например, кислородный этап энергетического обмена.

Важное свойство воды – это способность к диссоциации (от. лат. диссоциацио – разделение) с образованием протона и гидроксил-аниона. Особое значение эта реакция имеет для фотосинтезирующих организмов, у которых она протекает под действием света. Кроме участия в обмене веществ, продукты диссоциации воды вносят свой вклад в формирование общего ионного баланса – очень важного показателя внутренней среды клетки и организма.

Размеры молекул воды достаточно малы. Это позволяет им пассивно преодолевать почти все биологические барьеры, начиная с клеточных мембран. В результате стала возможной, например, регуляция объема клеток, давления в кровеносных сосудах и полостях головного мозга. Такая регуляция основана на явлении осмоса (от. греч. осмос – давление).

Важным свойством воды является ее высокая теплоемкость – способность поглощать тепло без существенного изменения собственной температуры. Это обеспечивает относительную устойчивость биосистем при значительных температурных перепадах. Кроме высокой теплоемкости, вода имеет и большую теплопроводность: она способна быстро передавать тепло. В результате возможно равномерное распределение теплоты в пределах биосистемы, что препятствует сильному перегреву или переохлаждению отдельных ее компонентов.

Вода имеет высокий уровень энергии испарения, т. е. перехода в газообразное состояние. Для испарения воды необходимо затрачивать большое количества тепла, в результате чего охлаждаются поверхности, с которых происходит испарение. В такой ситуации вода является одним из элементов терморегуляции организма, что ярко выражено, например у человека. При перегреве у него начинается интенсивное потоотделение с помощью особых желез, испарение пота и, как следствие, охлаждение покровов.

Важным неорганическим соединением в живых системах является диоксид углерода, или углекислый газ (СО2). У аэробных организмов он образуется в качестве одного из продуктов органических веществ. Углекислый газ служит источником углерода при синтезе простых органических соединений, например уксусной кислоты или глицеральдегида. Из этих соединений, в свою очередь, синтезируются более сложные, в частности глюкоза. Такой способностью обладают определенные группы бактерий и практически все растения.

Некоторые бактерии используют реакции восстановления углекислого газа в обмене веществ, а млекопитающим, включая человека, этот газ необходим для синтеза мочевины – компонента мочи.

Оксид углерода, или угарный газ (СО), и оксид азота (NO) являются регуляторными молекулами в клетках многих организмов. В частности, оксид азота служит сигналом расслабления гладкой мускулатуры кровеносных сосудов. Некоторые бактерии используют угарный газ как единственный источник углерода, окисляя его до углекислого газа. Для многих животных угарный газ – высокотоксичное соединение, блокирующее, например, перенос кислорода гемоглобином. Именно поэтому он образуется в клетках как регуляторная молекула в минимальных количествах.

Аммиак (NH3) – еще одно неорганическое соединение, характерное для биосистем. Он является конечным продуктом распада азотсодержащих органических соединений, поэтому, как и углекислый газ, постоянно образуется в клетках. Биологическое значение аммиака заключается в том, что он используется в реакциях синтеза азотсодержащих соединений, например аминокислот. Некоторые бактерии используют аммиак для получения энергии, окисляя его до нитратов и нитритов. Свободный аммиак – очень токсичное соединение, поэтому, например, в организме человека он нейтрализуется путем взаимодействия с углекислым газом. Конечным продуктом дальнейших реакций является мочевина.

Неорганическим соединением, важным для живых систем, является сероводород (H2S). Он используется как источник серы для синтеза серусодержащих органических соединений, например аминокислоты цистеина. Этот газ образуется в качестве продукта разложения белков, содержащих цистеин. Биологический источник сероводорода – бактерии, способные восстанавливать серу. Некоторые бактерии окисляют сероводород для получения энергии.

Важную группу неорганических соединений, необходимых живым системам, представляют соли неорганических кислот. Главным образом это соли соляной угольной и фосфорной кислот, хотя некоторые из них плохо растворяются в воде. Например у позвоночных основной неорганический компонент костной ткани представлен соединением, включающим фосфат кальция - Са3(РО4)2.

Практически в любой клетке обнаруживаются кристаллические включения карбоната кальция (СаСО3).В частности, такие кристаллы служат для образования минерального скелета у различных животных (некоторых амеб, коралловых полипов, моллюсков, морских звезд и ежей, хордовых).

Универсальное значение в биосистемах приобрели растворимые в водной среде минеральные соли, так как они способны диссоциировать на катионы и анионы. Наиболее важными катионами являются ионы натрия, калия и водорода. В клетках имеются механизмы создания и поддержания разности концентраций определенных ионов. В результате, например, ионов натрия всегда больше за пределами клетки, а ионов калия – наоборот, что служит основой регуляции внутриклеточного осмотического давления.

В нейронах благодаря потоку ионов натрия в клетку возникает нервный импульс – это причина возбудимости и проводимости нервной ткани. Поток ионов натрия обеспечивает, например, поступление глюкозы в клетки из кишечника и первичной мочи в почках.

Изменение концентрации протонов, или ионов водорода, происходит, в частности, при активации яйцеклеток после оплодотворения, а некоторые ферменты способны работать только при определенных значениях кислотности среды, определяемой концентрацией протонов (рН).

Например, для эффективного расщепления белков в желудке необходима кислая среда, которая обеспечивается выводом большого количества ионов водорода клетками стенки желудка в его полость.

У большинства организмов поток протонов служит основой синтеза высокоэнергетических химических соединений, т. е. представляет собой важный элемент энергетического обмена.

Существенную роль в жизнедеятельности клеток играет двухвалентный катион кальция. Он является важным регуляторным ионом, активирующим многие процессы. Например, повышение концентрации этого иона в цитоплазме необходимо для сокращения мышечных клеток, секреции пищеварительных ферментов, гормонов и других биологически активных веществ.

Большое функциональное значение в биосистемах имеют анионы гидроксила, хлора, гидрокарбоната и фосфата. Гидроксил-анион принимает участие в реакциях гидролиза и фотосинтеза. Анион хлора регулирует передачу нервного импульса – обеспечивает его торможение. Гидрокарбонат-анион представляет собой транспортируемую по плазме крови форму углекислого газа, причем для вывода этого аниона из эритроцитов служит противоток ионов хлора.

Фосфат-анион играет исключительную роль в биосистемах, так как необходим для синтеза соединений, обладающих высокой энергией.

Наиболее универсальным органическим высокоэнергетическим соединением является аденозинтрифосфорная кислота, или аденозинтрифосфат (АТФ).

Несмотря не огромное значение для живых систем, неорганические вещества и ионы играют в них только вспомогательную роль, не являясь специфическими субстратами жизни. Однако они обеспечивают синтез и функционирование органических молекул, которые характеризуются колоссальным разнообразием и специфичны именно для биосистем.