Элементарный состав живых организмов

Методическая разработка

К изучению темы

Химический состав живых организмов.

Вода и минеральные вещества»

ББК 28.672

УДК 577.1

Рассмотрена и утверждена

на заседании кафедры химии,

протокол № 8 от 5 мая 2005 г.

Составители: к.х.н., доцент Клебанов А.В.

к.х.н., доцент Клебанова Н.А.

Методическая разработка предназначена для студентов факультетов естествознания и физвоспитания, изучающих биологическую химию. Она посвящена изучению химического состава живых организмов. Данная тема является одной из основных при изучении курса биохимии, так как формирует у студентов представление о молекулярной организации организмов, необходимые не только для понимания закономерностей протекания процессов в живой природе, но и для успешного освоения дальнейших курсов химического и биологического циклов. Особое внимание уделено неорганическим компонентам – воде и минеральным веществам. Показана взаимосвязь между строением, свойствами и биологической ролью воды, рассмотрены важнейшие водно-дисперсные системы организма, подробно описаны вопросы обмена воды и минеральных веществ, а также их регуляция. Для закрепления студентами изучаемого материала в методической разработке содержатся контрольные вопросы и рекомендуемая литература.

СОДЕРЖАНИЕ

I. Элементарный и химический состав организмов …………………………………4

II. Вода ……………………………………………………………………………….. 11

II.1. Биологическая роль, строение и свойства воды……………………………11

II.2. Водно-дисперсные системы организма ……………………………………15

II.3. Обмен воды и его регуляция ………………………………………………26

II. Минеральные вещества …………………………………………………………..30

II.1. Биологическая роль минеральных веществ ………………………………30

II.2. Обмен минеральных веществ и его регуляция ……………………………34

Контрольные вопросы и задачи ……………………………………………………38

Литература……………………………………………………………………………41

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.