1. Элементарного состава

Без знания химического состава клетки – основной единицы жизни – нельзя понять механизмы сложнейших процессов, которые протекают в живых организмах всех царств природы. Поэтому изучение общебиологических закономерностей мы начинаем с изучения химической организации жизни. Вначале сравним элементарный, т.е. атомарный, состав живой и неживой природы.

Самыми распространенными элементами земной коры, на долю которых приходится 90% ее атомарного состава, являются: О, Si, Al и Na. Далее следуют Са, Fe, Mg, P и другие элементы.

В живых организмах обнаружено около 80 химических элементов. Но достоверно известно о функциях в организмах лишь в отношении 27 из них. В состав живых организмов входят атомы тех же элементов, что и в состав неживой природы, но их содержание иное.

По количественному содержанию в живом веществе элементы делятся на три группы.

Органогенные (биофильные) элементы – С, Н, N, О. На их долю приходится 98% элементарного состава всех живых организмов.

Макроэлементы – Na, К, Са, Cl, P, S, Fe, Mg. Их концентрация превышает 0,001%.

Микроэлементы – Zn, I, Cu, F, Мn, Мо, Со и многие другие. Их доля составляет менее 0,001%. Таким образом, элементарный состав живой и неживой природы одинаков, что свидетельствует об их материальном единстве. Провести четкую грань между живым и неживым на уровне атомов не представляется возможным.

2. Характеристика органогенных элементов

Почему органогенные элементы так удивительно подходят для выполнения биологических функций? Почему углерод, водород, азот и кислород стали удобными для «химии жизни»? Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо вспомнить особенности строения и свойства атомов этих элементов:

1) атомы всех этих элементов способны образовывать ковалентные связи посредством спаривания электронов;

2) они легко могут образовывать разнообразные химические соединения, реагируя друг с другом (кислород, азот и углерод могут образовывать как одинарные, так и двойные связи; углерод способен к образованию С–С связей, а также легко вступать в ковалентные связи с кислородом, азотом и серой);

3) все они имеют малую атомную массу.

3. Структура и свойства молекулы воды

Уникальные свойства воды объясняются структурой ее молекул и определяют ее биологические функции. Из курса химии известно, что формула молекулы воды Н2О. Она состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода и при этом электронейтральна. Но электрический заряд внутри молекулы распределен неравномерно: в области атомов водорода (точнее протонов) преобладает положительный заряд, в области, где расположен кислород, выше плотность отрицательного заряда. Следовательно, частица воды – диполь.

Вследствие того, что электронные облака атомов водорода в молекуле воды оттянуты к атому кислорода, ядра водородных атомов способны взаимодействовать с неподеленными парами электронов атомов кислорода соседних молекул воды, т.е. между молекулами воды образуются водородные связи. Каждая молекула воды имеет два атома водорода и две неподеленные пары электронов, значит она может образовывать водородные связи с четырьмя соседними молекулами воды.

Таким образом молекулы воды соединяются в удвоенные, утроенные и так далее ассоциированные молекулы (гидраты). В итоге, в жидком состоянии вода состоит из отдельных молекул и ассоциантов типа (Н2О)х. Способность молекул воды к образованию водородных связей друг с другом существенно влияет на физические свойства этого вещества. Большая теплоемкость, теплота плавления и теплота парообразования воды объясняются тем, что большая часть поглощаемого тепла расходуется на разрыв водородных связей между молекулами.

3. Водородная связь, в образовании которой участвует водородный атом, соединенный с каким-нибудь другим атомом ковалентной полярной связью (обычно с атомами кислорода или азота). В составе полярной молекулы водород несет частично положительный заряд. Этот заряд притягивается третьим атомом (как правило, кислорода или азота), несущим частично отрицательный заряд в составе другой полярной молекулы. Такое притяжение и называют водородной связью.

В сравнении с ионной или ковалентной связью одиночная водородная связь – слабая. Она легко рвется, но множество таких связей способно породить силу, на которой в прямом смысле и «держится» все живое. Смысл этой фразы вам станет окончательно ясен несколько позже.

4

Свойства воды

Биологическое значение

1. Высокая температура кипения 2. Расширение при замерзании 3. Хороший растворитель 4. Сочетание высокой теплоемкости и высокой теплопроводности 5. Капиллярность 6. Высокая скрытая теплота парообразования 7. Прозрачность 8. Практически полная несжимаемость 9. Подвижность молекул 10. Вязкость

Образует основу внутренней среды организмов Лед защищает водоемы от промерзания, а водных обитателей замерзающих озер, прудов и рек от гибели В водных растворах протекает большинство биохимических реакций Поддержание теплового равновесия организма, обеспечение его термостабильности Подъем воды и растворенных в ней веществ на большую высоту в почве и в теле растений Охлаждение организма при минимальной потере воды Возможность фотосинтеза на небольшой глубине Поддержание формы организмов Возможность осмоса Смазывающие свойства

1. Вода способна к когезии, т.е. к сцеплению своих молекул под действием сил притяжения. Вода способна слипаться сама с собой и с другими веществами (можно, например, воду налить в стакан «с верхом» и она не прольется). Это возможно благодаря поверхностному натяжению воды, из-за которого ее поверхность как бы покрыта «кожицей». Эти физические особенности воды позволяют ей выполнять важную биологическую функцию – определение физических свойств клетки: ее объема и упругости (тургесцентностъ). У круглых червей вода полостной жидкости играет роль гидростатического скелета, выполняя опорную функцию.

2. Способность воды к адгезии. Ее свойство притягиваться любой поверхностью, несущей электрический заряд, позволяет ей подниматься по мелким порам в почве и по сосудам ксилемы у растений на большую высоту.

3. Силы сцепления между молекулами воды обеспечивают ее вязкость, поэтому вода является смазывающим веществом в биологических системах. Например, синовиальная жидкость в суставах позвоночных.

4. Вода – хороший растворитель ионных (полярных), а также некоторых неионных соединений, в молекулах которых присутствуют заряженные (полярные) группы. Любые полярные соединения в водегидратируются (окружаются молекулами воды), при этом молекулы воды участвуют в образовании структуры молекул органических веществ. Если энергия притяжения молекул воды к молекулам какого-либо вещества больше, чем энергия притяжения между молекулами самого вещества, то вещество растворяется в воде. По отношению к воде различают: гидрофильные вещества (от греч. гидрос – вода и филео – любить), хорошо растворимые в воде, и гидрофобные вещества (от греч. гидрос ифобос – страх), практически нерастворимые в воде.

В молекулах гидрофильных веществ преобладают полярные группы (–ОН; С=О; –СООН; –NH2), которые способны устанавливать с молекулами воды водородные связи. Гидрофильными свойствами обладают соли, кислоты, щелочи, белки, углеводы.

Гидрофобные вещества имеют неполярные молекулы, которые отталкиваются молекулами воды. В воде не растворяются жиры, бензин, полиэтилен и другие вещества.

Свойство воды как растворителя имеет большое значение для живых организмов, так как большинство биохимических реакций может идти только в водном растворе. Кроме того, в качестве растворителя вода обеспечивает как приток веществ в клетку, так и удаление из нее продуктов жизнедеятельности.

5. Подвижность молекул воды объясняется тем, что водородные связи, связывающие соседние молекулы, слабы, что и приводит к постоянным столкновениям ее молекул в жидкой фазе. Молекулярная подвижность воды позволяет осуществляться осмосу (диффузии, направленному движению молекул через полупроницаемую мембрану в более концентрированный раствор), необходимому для поглощения и движения воды в живых системах.

6. Среди самых распространенных в природе жидкостей вода имеет наибольшую теплоемкость, поэтому у нее высокая температура кипения (100 °С) и низкая температура замерзания (0 °С). Подобные свойства воды позволили ей стать главной составляющей внутриклеточных и внутриорганизменных жидкостей. Правда, температура замерзания воды несколько выше, чем было бы идеально для жизни, так как на Земле обширные территории имеют температуры ниже 0 °С. Если кристаллы льда образуются в живом организме, то они могут разрушить его тонкие внутренние структуры и вызвать его гибель. У озимой пшеницы, у ряда насекомых, у лягушек в организме есть природные антифризы, предотвращающие образование льда в их клетках.

7. «Необычная» плотность и «поведение» воды вблизи точки замерзания приводят к тому, что лед плавает на поверхности водоемов, создавая изолирующий слой, который при низких температурах защищает водных обитателей и водоем от полного промерзания.

8. Вода обладает большой удельной теплотой парообразования, поэтому, испаряясь, вода способствует охлаждению тела (при испарении 1 г воды тело теряет 2430 Дж энергии). Известно, что за день тяжелой работы человек теряет до 10 л пота. Если бы пот во время работы не выделялся и не испарялся, то организм «нагрелся» бы до 100 °С. Испарение воды с поверхности листьев растений в ходе транспирации также способствует охлаждению.

9. Вода является реагентом во многих химических реакциях. Например, гидролитическое расщепление белков, углеводов, жиров и т.д. Вода играет роль источника кислорода, выделяемого при фотосинтезе, и водорода, который используется для восстановления продуктов ассимиляции углекислого газа.

10. Большая теплоемкость и теплопроводность воды способствует равномерному распределению тепла в клетке и в организме.

5 По отношению к воде все вещества клетки разделяются на две группы: гидрофильные - «любящие воду» и гидрофобные - «боящиеся воды» (от греч. «гидро» - вода, «филео» - любить и «фобос» - боязнь).

 К гидрофильным относятся вещества, хорошо растворимые в воде. Это соли.

 Клеточные поверхности, отделяющие клетку от внешней среды, и некоторые другие структуры состоят из водонерастворимых (гидрофобных) соединений. Благодаря этому сохраняется структурная целостность клетки. Образно клетку можно представить в виде сосуда с водой, где протекают биохимические реакции, обеспечивающие жизнь. Стенки этого сосуда не растворимы в воде. Однако они способны избирательно пропускать водорастворимые соединения.