Элементный состав организации жизни клеток - Молекулярный уровень

Биохимия (биологическая химия) — наука, изучающая химический состав живых организмов и процессы, происходящие в ходе обмена веществ. Она возникла в середине XIX в. сначала в составе органической химии, а позже выделилась как самостоятельная наука.

Долгое время считалось, что органические вещества, представляющие живые организмы, и неорганические, входящие в состав неживых тел, никак между собой не связаны. Это противоречие было снято открытием возможности синтеза органических веществ из неорганических. Первым из таких веществ была мочевина, полученная немецким химиком Ф. Вёлером в 1828 г. путем нагревания цианата аммония (NH4CN). Позже были синтезированы и многие другие вещества (кофеин, глюкоза, ферменты и др.). К середине ХХ в. были открыты все основные классы веществ, входящие в состав живой материи, исследованы их биологические функции и пути преобразований. Сегодня основным направлением биохимических исследований является детальное изучение превращений веществ и механизмов регуляции химических процессов, происходящих в биосистемах.

Как известно, все вещества, из которых построены как живые организмы, так и тела неживой природы, состоят из атомов химических элементов. В настоящее время известно около 120 элементов, из них 94 встречаются на поверхности Земли. Большинство химических элементов могут входить в состав живой материи, но только 30 из них выполняют определенные функции. Отличие элементного состава живого и неживого состоит в количественных соотношениях различных элементов. Так, основу земной коры составляют кислород, кремний, алюминий и натрий. Основу же соединений живых организмов, в первую очередь, — углерод, кислород, водород и азот.

Увеличенное содержание того или иного элемента в организме по сравнению с окружающей средой позволяет предположить его важность в жизнедеятельности. Различия в элементном составе живого и неживого связаны, помимо прочего, с выборочным поглощением организмами тех или иных веществ.

Биогенные элементы, или биогены, — это химические элементы, постоянно входящие в состав организмов и имеющие определенное биологическое значение. По содержанию они подразделяются на макроэлементы (содержание более 0,01%) и микроэлементы (содержание менее 0,001%). Среди макроэлементов выделяют так называемые органогенные элементы, или органогены.

Органогенами являются кислород (О), доля которого составляет около 65%, углерод (С) — 18%, водород (Н) — 10% и азот (N) — 3%. Они составляют структурную основу органических молекул, а значит, и основную часть массы живых существ. Атомы углерода способны соединяться в длинные цепи или кольца, которые служат «скелетом» для большинства органических веществ. Поскольку на внешней орбите атома С расположены четыре электрона, каждый такой атом может образовывать четыре ковалентные связи с атомами других элементов. Атом водорода может образовывать одну ковалентную связь, кислорода — две связи, азота — три. Ковалентные связи образуются в результате объединения двух электронов — по одному от каждого атома. Чем меньше диаметр атомов, образующих ковалентную связь, тем крепче эта связь. Атомы органогенов небольшие, поэтому образуемые ими связи особенно прочные.

Основная причина разнообразия органических молекул заключается не столько в отличиях атомов, из которых они состоят, сколько в разнообразии порядка соединения этих атомов и их количестве. Благодаря этому среди органических молекул есть и небольшие, и гигантские (белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты), разнообразие которых почти бесконечно.

Другими макроэлементами, наличие которых в организме жизненно необходимо, являются:

• фосфор (Р) — входит в состав нуклеиновых кислот, белков;

• сера (S) — входит в состав белков, витаминов;

• кальций (Са) — составляет основу скелета животных, участвует в сокращении мышц;

• калий (К) и натрий (Na) участвуют в поддержании водного баланса организма, отвечают за возбуждение мышечной и нервной тканей;

• магний (Mg) — входит в состав хлорофилла;

• хлор (Cl) — участвует в поддержании осмотического давления, в пищеварении у животных и фотосинтезе у растений.

К микроэлементам относятся Fe, Zn, V, Мо, В, Со, Cu, Si, Se, Сr, Ni, I, F, Sn и As. Несмотря на небольшое количество, они выполняют много важных функций: кобальт (Со) необходим для развития эритроцитов, йод (1) входит в состав гормонов роста, медь (Cu) необходима для фотосинтеза и входит в состав крови некоторых морских животных. Одной из частей гема (составной части гемоглобина — белка, переносящего кислород в крови, а также некоторых других белков) является ион железа (Fe) и т. д.

Периодическая таблица Менделеева с указанием важности химических элементов для живых организмов

В состав организмов могут входить и другие элементы, но они либо попадают в организм случайно, либо их функции пока неизвестны.

В составе живых организмов один и тот же атом может переходить из одной молекулы в другую, из одного существа в другое. Однако со временем каждый атом любого биогена оставит состав живого вещества и вернется в окружающую среду. Чтобы организмы могли пополнять недостаток необходимых им элементов, в среде должны действовать биогеохимические циклы.

Постоянство содержания различных биогенов в организме имеет важное значение. Вследствие геологических особенностей различных участков планеты (эндемичных районов) у жителей могут возникать эндемические болезни или биогеохимические эндемии, связанные с недостатком или избытком определенных элементов. Так, избыток кобальта у человека может стать причиной развития злокачественных опухолей, а черная пятнистость свеклы развивается при недостатке в почве бора. Примеры воздействия избыточного или недостаточного поступления некоторых элементов в организм человека представлены в таблице.

Элемент	Недостаток	Избыток	Способы устранения недостаточности
Йод (I)	Эндемический зоб, кретинизм, гипотериоз	Избыток имеет токсическое действие	Употребление йодированной соли или препаратов йода
Фтор (F)	Кариес зубов	Флюороз	Использование зубных паст с добавлением фторидов или употребление фторированной воды (до концентрации 1 мг/л)
Железо (Fe)	Анемия	Избыток имеет токсическое действие	Употребление печени, мяса, яиц, бобовых, свеклы
Кальций (Са)	Дефекты роста, запоры, мышечные судороги, остеопороз	Нарушение работы мышечных и нервных тканей, усиление свертываемости крови	Основным источником являются молочные продукты, а также мясо, рыба, бобовые
Калий (К)	Нарушения работы сердечной и скелетных мышц, острая невралгия	Язва тонкого кишечника, при длительном избытке — остановка сердца	Употребление кураги, бобовых, киви, картофеля, бананов, брокколи, печени, молочных продуктов, рыбы