Химический состав живых организмов.

I. ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ И ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ОРГАНИЗМОВ

Элементарный состав живых организмов.

По современным данным, биомасса единовременно живущих на Земле организмов составляет 2^.10¹² т в пересчете на сухое вещество. В организмах, состав­ляющих биомассу Земли, обнаружено свыше 80 химических элементов. Среди них выделяют группу элементов, встречающихся в соста­ве любого организма, независимо от видовой принадлежности и уров­ня организации. К их числу относят С, N, Н, О, S, Р, Na, К, Са, Мg, Zn, Fе, Мn, Сu, Со, Мо, В, V, I и С1. Первые шесть элементов выполняют важную роль в биосистемах, из них по­строены соединения, составляющие основу живой материи - белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды и др.; последующие десять называют «металлами жизни» - они необходимы для под­держания структуры и функциональной активности биополимеров. Остальные элементы, обнаруженные в биомассе, распростране­ны в живой природе не столь систематически, а биологическое значе­ние их во многих случаях еще не выяснено.

По количественному содержанию в живом веществе элементы де­лят на три категории: макроэлементы, массовая доля которых превыша­ет 0,001% (О, С, Н, Са, N, P, S, Мg, Nа, С1, Fе), микроэлементы, массовая доля которых составляет от 0,001% до 0,000001% (Мn, Zn, Сu, В, Мо, Со и др.) и ультрамикроэлементы, содержание которых не превы­шает 0,000001% (Нg, Аu, U, Rа и др.).

Из макроэлементов в наибольшем количестве в биомассе содержат­ся О, С, Н, N и Са. Из них только О и Са широко представлены в земной коре. Многие элементы, содержащиеся в литосфере в значи­тельном количестве (Si, А1, Fе и др.), в органическом мире встречаются сравнительно в невысоких концентрациях. Аналогичная картина свой­ственна количественным соотношениям элементов в гидросфере и в живых существах, ее населяю­щих, хотя качественный состав почти совпадает. Таким образом, прямой зависимости между распространением химических элементов в неорганической и органической природе нет.

Существует определенная зависимость между биологической ролью элементов и их местом в периодической системе Менделеева. При построении молекул биоорганических соединений в основ­ном используются легкие атомы, находящиеся в верхней части периодической системы элементов. При переходе от легких к тяжелым эле­ментам в пределах одной и той же подгруппы возрастает токсичность элементов, уменьшается растворимость в водных растворах при физиологических условиях и параллельно этому падает содержание их в биомассе (Zn, Сd, Нg). Не все легкие элементы в равной степени используются для построения биоорганических молекул. Так, берилий, литий и фтор присутствуют в живых организмах лишь в ничтожных количествах. Ни для одного из благородных газов не нашлось места в биохи­мической иерархии атомов. При отборе атомов для построения биоорганических молекул важное значение имеет не только широ­кая распространенность в природе, т. е. доступность, но и его пригодность, т.е. способность взаимодействовать с другими атомами с образованием молекул определенного типа. Химическая инертность и редкость благородных газов не позволяет их использовать в качестве исходного материала для построения молекул, входящих в состав живого организма.

Полагают, что Н, О, С, N и Р, составляющие вместе более 99% живого вещества, играют выдающуюся роль в явлениях жизни благо­даря наличию у них комплекса особых качеств. Первое из них состоит в способности образовывать кратные связи. Вследствие этого С, напри­мер, превосходит Si в отношении числа и разнообразия возможных соединений, обладающих уникальными свойствами. Второе качество за­ключается в том, что атомы упомянутых элементов, отличаясь малыми размерами, образуют относительно прочные молекулы с минимальными межатомными расстояниями. Такие молекулы более устойчивы к дей­ствию тех или иных химических агентов. И наконец, третье качество присуще в основном Р и S и лишь в небольшой мере N. Оно сводится к возникновению на основе указанных элементов некоторых специфиче­ских соединений, при расщеплении которых выделяется повышенное ко­личество энергии, используемой для процессов жизнедеятельности.

Химический состав живых организмов.

Многочисленные макро- и микроэлементы, образующие живую материю, присутствуют в последней в виде разнообразных химических соединений. Примерно 75% биомассы составляет вода, хотя ее содер­жание в организмах различных видов сильно колеблется (от 40-60% у древесных растений и до 99% у медузы). Вода играет огромную роль в создании условий для жизнедеятельности. Она образует среду, в которой протекают физико-химические процессы, обеспечивающие по­стоянное возобновление живого вещества, а также участвует в реак­циях гидролиза.

Вторым по количественному содержанию в биологических объек­тах классом соедине­ний являются белки. В среднем в сухом веществе организмов содержится 40-50% белка. Растительному миру свойст­венно отклонение от этой средней величины в сторону понижения, а животному - повышения. Микроорганизмы обычно 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 10¹¹ т.

Остальные 50% сухого вещества организмов составлены соедине­ниями других классов. Это - нуклеиновые кислоты, (их доля в сухом веществе довольно стабильна и равна нескольким процентам), углево­ды и липиды (их содержание в организмах сильно варьирует, причем в растительном мире преобладают углеводы, а в животном - липиды) и минеральные вещества (составляют в среднем около 10% от сухого вещества биомассы).

Кроме белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и мине­ральных веществ в составе организмов найдены 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. Многие из упомянутых соединений обладают мощным физиоло­гическим действием и выполняют роль ускорителей или замедлителей жизненных процессов. Их иногда объединяют под названием биологи­чески активных соединений, хотя химически они очень разнообразны. Это витамины, гормоны, ростовые вещества, биостимуляторы, коэнзимы, антибиотики, фитонциды и т. п.

Среди соединений, входящих в состав организмов, принято выде­лять пластические и энергетические вещества. Пластические вещества служат строительным материалом при формировании внутриклеточных структур, клеток и тканей. Это главным образом белки, некоторые виды липидов и высокомолекулярных углеводов, минеральные вещества. Энергетические вещества выполняют роль поставщиков энергии для про­цессов жизнедеятельности, распадаясь при этом до СО₂ и воды. К ним относятся низкомолекулярные и некоторые высокомолекулярные углеводы (глико­ген, крахмал) и отдельные группы липидов (в основном жиры).

Ни к одной из этих категории нельзя отнести соединения, вырабатываемые для осуществления специфических функций (яды, пигменты, аро­матические вещества, алкалоиды и т. п.).

В клетках 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.