Элементный состав живых организмов

Всего в живых организмах открыто около 70 химических элементов. Более 40 из них присутствуют в составе любого организма, независимо от видовой принадлежности и уровня организации. Такие химические элементы называют биогенными.

Прямой зависимости между распространением химических элементов в неорганической и органической природе нет, но определенные закономерности существуют.

Решающее значение в построении живой материи играют те элементы, которые доступны для биосферы. Они образуют растворимые в воде и газообразные соединения. К таким элементам относятся С, N, Н, О, S, Р.

Полагают, что С, N, Н, О, S, Р составляют вместе более 99% живого вещества благодаря наличию у них особых свойств. Во-первых, эти элементы, за исключением водорода, образуют кратные связи, что значительно увеличивает разнообразие возникающих соединений и их уникальные качества. Во-вторых, атомы этих элементов имеют достаточно малые размеры и, следовательно, образуют относительно плотные молекулы с минимальными межатомными расстояниями. В результате такие молекулы более устойчивы к действию внешних реагентов. Третья особенность касается в основном Р, S и в некоторой степени N. С участием этих элементов образуются особые макроэргические связи, при расщеплении которых выделяется повышенное количество энергии.

Каркас всех биомолекул образован углеродом. Число соединений этого элемента насчитывает миллионы. Из углерода строятся и длинные цени, и разветвленные структуры, и циклы. При этом в отдельных связях могут создаваться сопряженные электронные системы с повышенной активностью, которые очень реакционноспособны в различных биологических структурах.

Атомы водорода также не инертные элементы в оганических молекулах. Они могут перемещаться в виде протонов (Н⁺) от одного соединения к другому, изменяя его свойства. Могут отдавать электроны в электронотранспортных цепях (ЭТЦ), где образуется энергия (см. параграф 9.3 и рис. 9.8). Наконец, атомы водорода участвуют в образовании водородных связей.

Водородные связи образуются атомом водорода и более электроотрицательным элементом.

Электроотрицательность — это сила, с которой атом притягивает к себе электроны, участвующие в образовании связи. Большей электроотрицательностью, чем водород, обладают С, О, N, S и другие элементы, как показано в табл. 2.1.

Электроотрицательности Н и С близки и в органических соединениях не играют решающей роли в смещении электронной плотности, поэтому связь, образованную этими элементами, обычно считают неполярной.

Таблица 2.1

Электроотрицательность некоторых элементов.

Водородные связи могут возникать как между отдельными молекулами, так и в пределах одного соединения. Внутримолекулярные водородные связи особенно характерны для крупных структур, биополимеров, например белков, нуклеиновых кислот и т. д. И внутри-, и межмолекулярные водородные связи принято обозначать тремя точками:

Энергия водородной связи (16—20 кДж/моль) почти в 20 раз меньше углерод-углеродной а-связи (347 кДж/моль), поэтому водородная связь разрушается при незначительных изменениях внешнего окружения (температура, pH, ионная сила раствора и др.). Однако число водородных связей в биомолекулах может быть огромно, поэтому их влияние на структуры и свойства органических соединений не просто ощутимо, а очень значительно.

Также прослеживается ряд взаимосвязей между биологической ролью элементов и строением атома и, следовательно, их местом в периодической системе Менделеева.

Органический мир построен главным образом из сравнительно легких элементов. Как правило, с увеличением атомных масс элементов в пределах одной подгруппы токсичность элементов возрастает, а их содержание в биомассе снижается. Например, Zn необходим для функционирования некоторых биомолекул, a Cd и Hg — это яды живого организма.

Элементы, широко распространенные в неорганическом мире, такие как Si, Al, Fe, содержатся в живых организмах в микроколичествах. Видимо, это можно объяснить тем, что они не образуют растворимых в воде соединений, а весь биомир обязательно включает воду.

По количественному содержанию в организме все биогенные элементы делят на две группы: макро- и микроэлементы. Концентрация макроэлементов в организме превышает 0,001%. В эту категорию помимо С, N, Н, О, S, Р относят Са, Р, Mg, К, Na, Cl. Содержание микроэлементов в организме человека составляет 0,001—0,1%. В группу микроэлементов входят Fe, Zn, Си, Mn, Se, Cr, Mo, Со, Si, F, I.