Молекулярный уровень. Химическая организация клетки

Биохимия как область биологии

Наука, которая изучает химический состав организмов, клеток, локализацию, строение и свойства выявленных в них соединений, обеспечивающих обмен веществ и энергии, называется биохимией. Эта наука начала развиваться в конце XIX века. К середине XX века были открыты основные классы веществ, которые входят в состав организмов. Основные задачи биохимии — это выяснение механизмов регуляции жизнедеятельности клеток, обеспечение единства обмена веществ и преобразования энергии в клетке.

Элементарный состав живых организмов

В состав живых организмов входит около 90 химических элементов периодической системы Д. И. Менделеева. Биологические функции выявлены лишь 30 из них. Все эти элементы встречаются и в неживой природе, что свидетельствует об единстве живой и неживой природы. Однако соотношение химических элементов у живых организмов иное, чем у объектов неживой природы.

Все живые организмы резко отличаются от окружающей неорганической природы по количественному составу элементов. Например, в почве углерода — менее 1 %, а в растениях — около 18 %; кремния наоборот: в почве — 33 %, в растениях — 0,15 % и т. п. Это указывает на избирательную способность организмов использовать только определенные химические элементы, необходимые для построения и жизнедеятельности клетки.

Если химический состав живых организмов относительно подобный, то компонентов неживой природы — разный. Например, в литосфере преобладает кремний, алюминий, кислород, в гидросфере — водород и кислород, в атмосфере — азот, кислород.

В земной коре наиболее распространены кремний, алюминий, кислород и натрий. Суммарная часть их составляет 90 %.

В зависимости от содержания элементов в организмах живых существ их можно разделить на такие группы:

1. Органогенные элементы — суммарная часть их в клетке составляет около 98 %, то есть основную часть. Это четыре элемента: кислород, углерод, водород и азот. Они легко образуют ковалентные связи. Ковалентные связи образуются благодаря соединению двух электронов, по одному от каждого атома. Углерод может образовывать 4 ковалентные связи, азот — 3, кислород — 3, водород — 1.

Атомы этих элементов небольшие по размерам, поэтому образованные ими связи особенно прочные. Кроме того, три элемента — кислород, азот и углерод — способны образовывать как одинарные, так и двойные связи, что значительно повышает количество химических соединений, построенных из этих элементов. Большое значение имеет возможность атома углерода образовывать ковалентные связи сразу с четырьмя другими атомами углерода.

Таким образом, ковалентно связанные атомы углерода способны формировать каркасы большого количества разнообразных органических молекул.

2. Макроэлементы — их суммарная часть составляет до 1,9 %. Это такие элементы, как калий, фосфор, сера, кальций, хлор, натрий, железо, магний. Каждый из этих элементов выполняет свою функцию в клетке.
3. Микроэлементы составляют 0,001-0,000001 % массы тела: кобальт, йод, медь, молибден, цинк, бром, марганец и др.
4. Ультрамикроэлементы — их концентрация не превышает 0,000001 %. Это следующие элементы: золото, серебро, свинец, уран, селен, цезий, бериллий, радий и др. Физиологическая роль большинства этих элементов пока не установлена. Они нужны для нормального функционирования организма. Например, дефицит селена приводит к возникновению раковых болезней. Некоторые из этих элементов входят в состав ферментов.

Содержание химических элементов в клетке

Одни и те же элементы (микро-, макро-) в разных организмах могут выполнять разные биологические функции. Например, магний у позвоночных животных способствует развитию костной ткани, тогда как у растений он принимает участие в процессе фотосинтеза. Может существенно отличаться их содержание в разных организмах. Например, в бурых водорослях накапливается много йода, у моллюсков — меди, у серобактерий — серы, у хвощей — кремния и хрома, в лютике — лития, в болотной ряске — радия, у позвоночных — железа и т. п.