Основу живого составляют два класса химических соединений - белки и нуклеиновые кислоты . Причем в живых организмах, в отличие от неживого вещества, эти соединения характеризуются так называемой хиральной чистотой. В частности, белки построены только на основе левовращающих (поляризующих свет влево) аминокислот , а нуклеиновые кислоты состоят исключительно из правовращающих сахаров . Эта хиральная чистота сложилась на самых начальных этапах эволюции живого вещества. Считается, что минимальное время глобального перехода от полного хаоса к хиральной чистоте составляет от 1 до 10 млн. лет. Следовательно, в этом смысле зарождение жизни могло произойти на Земле относительно мгновенно за отрезок времени, в 5 тыс. раз меньший предполагаемого возраста планеты.
Белки ответственны прежде всего за обмен веществ и энергии в живой системе, т.е. за все реакции синтеза и распада, осуществляющиеся в любом организме от рождения и до смерти. Нуклеиновые кислоты обеспечивают способность живых систем к самовоспроизведению. Они - основа матрицы, удивительного "изобретения" природы. Матрица представляет своего рода чертеж, т. е. полный набор информации, на основе которого синтезируются видоспецифические молекулы белка.
Помимо белков и нуклеиновых кислот, в состав живых организмов входят липиды (жиры) , углеводы и очень часто аскорбиновая кислота .
В живых системах найдены многие химические элементы, присутствующие в окружающей среде, однако необходимы для жизни лишь около 20 из них. Эти элементы получили название биогенных. В среднем около 70% массы организмов составляет кислород , 18% - углерод , 10% - водород (вещества-органогены). Далее идут азот , фосфор , калий , кальций , сера , магний , натрий , хлор ,железо . Эти так называемые универсальные биогенные элементы, присутствующие в клетках всех организмов, нередко называют макроэлементами .
Часть элементов содержится в организмах в крайне низких концентрациях (не выше тысячной доли процента), но они также необходимы для нормальной жизнедеятельности. Это биогенные микроэлементы . Их функции и роль весьма разнообразны. Многие микроэлементы входят в состав ряда ферментов , витаминов , дыхательных пигментов , некоторые влияют на рост, скорость развития, размножение и т. д.
Присутствие в клетках целого ряда элементов зависит не только от особенностей организма, но и от состава среды, пищи, экологических условий, в частности от растворимости и концентрации солей в почвенном растворе. Резкая недостаточность или избыточность биогенных элементов приводит к ненормальному развитию организма или даже к его гибели. Добавки биогенных элементов в почву для создания их оптимальных концентраций широко используются в сельском хозяйстве.
Минеральные элементы, называемые также биоэлементами, в организме человека играют важную роль: являются строительным материалом (кальций, фосфор, железо); регулируют многие биохимические процессы в ходе обмена веществ (калий, натрий, йод, хлор, медь, марганец, селен и другие); принимают участие в процессе свертывания крови (кальций); поддерживают водный баланс организма (натрий, калий); влияют на сохранение кислотно-щелочного равновесия; входят в состав ферментов (энзимов). Биоэлементы подразделяются на две группы: Макроэлементы, присутствующие в больших количествах в пище (до нескольких процентов сухой массы) и необходимые организму в конкретных весовых количествах для правильного его функционирования. Микроэлементы, необходимые организму в следовых количествах (порядка от 10-2 до 10-11% живой массы организма). Они очень важны для метаболических процессов и выработки гормонов и энзимов.
(дополнительно еще материал) Все живые организмы избирательно относятся к окружающей среде. Состав химических элементов живых систем отличаются от химических элементов земной коры. В земной коре O,Si,Al,Na,Fe,K,в живых организмах H,O,C,N. Всех других элементов менее 1%. В любом живом организме можно найти все элементы окружающей среды, правда, в разном количестве. Однако это не означает, что они необходимы. Необходимы 20 химических элементов – тех, без которых живая система обойтись не может. В зависимости от окружающей среды и обмена веществ набор этих веществ разный. Некоторые химические элементы входят в состав всех живых организмов (универсальные химические элементы) H,C,N,O.Na,Mg,P,S,Ca,K,Cl,Fe,Cu,Mn,Zn,B , V , Si , Co , Mo . Кремний входит в состав мукополисахаридов соединительной ткани.
В состав живых организмов входят 4 элемента, которые удивительно подошли для выполнения функций живого: О,С,Н,N. Они обладают общим свойством: они легко образуют ковалентные связи посредством спаривания электронов. Атомы С обладают свойством: могут соединяться в длинные цепи и кольца, с которыми могут связываться другие химические элементы. Соединений С очень много. Ближе всего к углероду кремний, но С образует СО2, который широко распространен в природе и доступен всем, а оксид кремния - элемент песка (нерастворим).
Макромолекулы – нуклеиновые кислоты, белки, полипептиды, липиды, полисахариды – полимеры, образованные мономерами, соединенными ковалентными связями. Любой живой организм на 90% состоит из 6 химических элементов – С,О,Н,Р,N,S – биоэлементы (биогенные элементы).
Клетка
Все живые организмы используют общие материалы для жизнедеятельности. Используются около 120 (20 аминокислот, 5 азотистых оснований, 4 класса липидов, малых молекул – простых кислот, воды, фосфатов – 70). Это продукты химической эволюции (органические соединения живых систем и компоненты неживой материи).
Как биохимия. Как мы уже знаем, все живые организмы состоят из клеток. Клетки , в свою очередь состоят из химических элементов. Химические элементы, без которых была бы невозможна жизнь на Земле, называются биогенными элементами .
Биогенные элементы - это химические элементы , которые входят в состав клеток организма, а также те элементы, без которых невозможна жизнедеятельность клеток: органические и неорганические вещества , полимерные и низкомолекулярные. Каждый из нас с детства знает, что человек более чем наполовину состоит из воды. Соответственно, первым и самым главным биогенным веществом является вода.
Основные химические элементы организмов:
- водород ;
- кислород ;
- фосфор ;
- сера ;
- азот ;
- углерод .
Неорганические соединения
в составе живых организмов:
- карбонаты ;
- фосфаты ;
- соли аммония ;
- сульфаты .
Также к биогенным элементам можно отнести следующие неметаллы
:
1) Йод и йодные соединения очень важны для организма, играют большую роль в обменных процессах . Йод входит в состав тироксина - гормона щитовидной железы.
2) Хлор . Анионы этого элемента поддерживают солевую среду организма на уровне, необходимом для правильной жизнедеятельности. Также входит в состав некоторых органических соединений.
3) Кремний . Входит в состав связок и хрящей (ортокремниевая кислота), служит в качестве связки в некоторых полисахаридных цепях.
4) Селен и его производные. Входят в состав некоторых ферментов (селеноцестеин).
Другие органические вещества, входящие в состав живого организма:
- Уксусный альдегид;
- Уксусная кислота;
- Этанол - является продуктом и субстратом биохимических реакций.
Не менее важными являются следующие соединения:
ГЕМ - это соединение железа с молекулой парафина;
Кобаламин - кобальтовое соединение (витамин В12).
Кальций и магний - основные металлы, которые наряду с железом чаще всего встречаются в биологических системах. Магний и его ионы играют важную роль для функционирования клетки, точнее, рибосом и синтеза белка в клетке. Также магний является частью хлорофилла . Кальций в живом организме может присутствовать в виде нерастворимых солей:
- карбонат кальция - вещество, из которого состоят раковины моллюсков;
- фосфат кальция - участвует в построении скелета.
В состав ферментов входят многие металлы 4 периода периодической системы:
1) Железо участвует в процессе насыщения клеток кислородом, являясь частью гемоглобина.
2) Ионы цинка содержатся почти во всех ферментах.
3) Марганец также входит в состав некоторых ферментов, но более важную роль играет для поддержания нормальной внешней биосферы: обеспечивает выделение кислорода в атмосферу, а также участвует в фотохимическом восстановлении воды.
4) Молибден является составной частью нитродиназа - фермента азотфиксирующих бактерий, который способствует восстановлению азота извне до аммиака.
5) Кобальт - как мы уже сказали, является частью кобаламина или витамина В12.
Низкомолекулярные соединения, которые входят в состав живых организмов:
- Аминокислоты - из них состоят белки.
- Моно и алигосахариды - из них состоят структурные ткани организмов.
- Нуклеамиды - из них состоят нуклеиновые кислоты.
- Липиды - составляющие клеточных оболочек.
Также существует множество других веществ, которые активно участвуют в жизнедеятельности живых организмов: коферменты, терпены и многие другие.
Выделим основные вещества, которые нужны для полноценного развития.
Биохимия
Биохимия является наукой, которая занимается изучением состава живых организмов, анализом их структуры, преобразования, распределения, функций. Началось ее формирование с конца 19 века, когда были определены основные классы веществ, входящих в живые существа.
Количественный состав
В химический состав клеток живых организмов входят многие элементы таблицы Менделеева. В зависимости от количественного содержания принято выделять три группы. Часто их именуют органогенными, так как без них невозможно полноценное существование живого организма. Данные элементы способны образовывать ковалентные связи, являющиеся основой живого мира.
Макроэлементы
Среди макроэлементов выделяют калий, фосфор, магний, кальций, хлор, серу, натрий. Химические элементы, входящие в состав живых организмов, нужны для обеспечения обменных процессов.
Микроэлементы
Кобальт, молибден, цинк, йод, ванадий, бром входят в состав гормонов, ферментов. Их процентное содержание не превышает 10 процентов.
Ультрамикроэлементы
Золото, серебро, платина также присутствуют в живых организмах, но их количество ничтожно мало. Химические элементы, которые есть в живых организмах, присутствуют в них в виде положительных либо отрицательных ионов. Они важны для питания клеток, их полноценного роста, создания новых тканей, поддержания в организме нормального кислотно-щелочного равновесия. О чем свидетельствует химический состав живых организмов? Прежде всего, по химическому составу можно судить о раздражении или возбуждении клетки, уровне обменных процессов, энергетическом балансе.
В химический состав живых организмов входят минеральные соли и вода. Именно в водной среде происходит превращение энергии, протекают все обменные реакции внутри живого организма. Молекула воды имеет строение диполя, в котором существуют Именно смещение электронной плотности от атомов водорода к кислороду является причиной появления поляризации, что и определяет исключительное значение воды для жизнедеятельности организма. Между молекулами воды образуются слабые связи, которые по прочности меньше ковалентных связей почти в 20 раз. Именно с их помощью белки и нуклеиновые кислоты превращаются внутри организма в другие вещества, процесс сопровождается выделением энергии, в которой так нуждается организм. Вода, являясь универсальным растворителем, имеет особое значение в жизнедеятельности организма, ведь большая часть всех биохимических превращений осуществляется в водных растворах.
Каков же химический состав живых организмов? Помимо неорганических элементов, в нем есть множество других веществ. Например, там присутствуют белки и нуклеиновые кислоты. Именно эти органические вещества необходимы для защиты организма. К которые не растворяются в воде, относятся белки, практически все жиры. Анализируя основной химический состав живых организмов, отметим, что именно вода связана с регуляцией в организме теплового режима. От нее напрямую зависит способность организма в случае резких скачков температуры, поглощать тепло. Подобное свойство позволяет организму защищаться от чрезмерного перегревания, предотвращать перегревание организма при повышении температуры в атмосфере. Именно благодаря воде происходит равномерное распределение энергии между различными тканями, осуществляется полноценная циркуляция тепла по всем органам.
Органический состав
Среди органических соединений, присутствующих в организме человека, особое значение имеют углеводы, липиды. Они представляют собой соединения, которые образованы высокомолекулярными жирными кислотами и трехатомным спиртов - глицерином. Молекулы липидов имеют относительно небольшие по размерам молекулы. Они обладают гидрофобными свойствами, то есть, не растворяются в воде, а образуют - эмульсии. Липиды отлично растворяются в таких неполярных органических растворителях как бензол, хлороформ, ацетон. Каковы основные В первую очередь они - источники энергии. Кроме того данные органические вещества выполняют в живом организме строительную функцию. Углеводы также имеют для жизнедеятельности организма особое значение. Помимо строительной, энергетической функции, они нужны для запаса питательных веществ, а также для защиты организма от попадания вирусов и бактерий. Регулятивные возможности углеводов заключаются в регулятивных способностях, подразумевающих защиту организма от механических повреждений. Протеины и белки представляют собой биополимеры с большой относительной молекулярной массой, в качестве мономеров которых выступают остатки органических аминокислот.
Белки являются гормонами, они необходимы для регулировки многих процессов жизнедеятельности организмов. В организме присутствуют и специальные белки - ферменты, которые являются биологическими катализаторами, способными тормозить либо ускорять химические реакции. Зная химический состав живого организма, можно предсказывать основные его функции, свойства, искать способы применения полученных знаний.