Вы уже знаете, что науку, изучающую химический состав живых организмов, строение, свойства и роль обнаруженных в них соединений, пути их возникновения и превращения, называют биологической химией, или биохимией. Она исследует процессы обмена веществ и превращение энергии в организмах на молекулярном уровне. Одна из основных задач биохимии - выяснение механизмов регуляции жизнедеятельности клеток и организма в целом, которые обеспечивают единство процессов обмена веществ и превращение энергии в организме.

• Элементный состав живых организмов. Химический состав организмов, в отличие от объектов неживой природы, относительно постоянный. Из более 100 разных типов атомов химических элементов и их изотопов в живых организмах обнаружено почти 60. Одни из них являются обязательными для всех без исключения организмов, другие - лишь для отдельных видов. Вместе с тем в живых организмах не обнаружен ни один из химических элементов, какого бы не было в неживой природе. Это одно из свидетельств единства живой и неживой природы.

Более всего в организмах так называемых макроэлементов, то есть химических элементов, суммарная доля которых составляет около 99,9 % массы организма. К ним относятся водород, углерод, азот, кислород, кальций, калий, натрий, железо, магний, сера, хлор, фосфор. Первые четыре из них относят к органогенным элементам, поскольку их суммарная доля составляет почти 98 % массы живых существ. Кроме того, эти элементы являются основными составляющими органических соединений.

Трудно переоценить роль органогенных элементов в обеспечении нормального функционирования организмов. Например, из атомов водорода и кислорода состоят молекулы воды. Стоит вспомнить роль кислорода (О2) в процессе дыхания организмов. Поступая в организм живого существа во время дыхания, он окисляет разные органические соединения. В результате этих процессов высвобождается энергия, которая обеспечивает разнообразные процессы жизнедеятельности. Лишь некоторые организмы, преимущественно бактерии и паразитические одноклеточные животные, могут существовать при отсутствии кислорода; их называют анаэробными.

Атомы азота входят в состав минеральных соединений, которые потребляют из почвы растения. Соединения азота способствуют росту растений, повышению их холодоустойчивости. Азот (N2) преобладает среди других атмосферных газов (около 79 %). И хотя для большинства живых существ этот газ инертен, его могут усваивать из атмосферы некоторые организмы (азотфиксирующие бактерии, цианобактерии). Они поставляют соединения азота в почву, повышая ее плодородие (рис. 4.1).

Поскольку азот входит в состав белков и других органических веществ, его соединения необходимы для нормального роста организмов. А еще вспомните, что азот входит в состав хитина - составляющего компонента клеточной стенки грибов и внешнего скелета членистоногих (рис. 4.2), который придает им дополнительную прочность.

Углерод в составе углекислого газа СО2 обеспечивает воздушное питание растений и некоторых других организмов, способных к фотосинтезу (пурпурные и зеленые серобактерии, цианобактерии, некоторые одноклеточные животные). Эти автотрофные организмы фиксируют СО2 и используют углерод для синтеза собственных органических веществ. А далее по цепям питания созданные ими органические соединения передаются гетеротрофным организмам, например грибам и животным.

Соединения кальция входят в состав раковин моллюсков, некоторых одноклеточных животных (фораминифер), панцирей раков, костей и зубов позвоночных животных и др. Важное значение имеет достаточное поступление соединений кальция в организм детей и беременных женщин. Недостаток соединений кальция у детей может привести к искривлению костей - рахиту. Повышенный расход соединений кальция в организме беременных женщин связан с тем, что в это время формируется скелет зародыша. Кальций содержится в куриных яйцах, молочных продуктах.

Рис. 4.1. Круговорот азота в природе: атмосферный азот (1) в результате ряда химических реакций (2, 3) превращается в нитрат-ионы (4); растения (5) поглощают их с помощью корневой системы и синтезируют молекулы, которые потребляют животные (6); останки растений (7) и животных (8) разлагают бактерии (9), возвращая соединения азота в виде нитрат-ионов в почву (4)

Соединения калия необходимы для нормальной деятельности нервной и сердечно-сосудистой систем, мускулатуры. Важная роль калия и кальция в регуляции работы сердца: повышенная концентрация ионов Са2+ ускоряет работу сердца, а ионов К+ - замедляет. Эти особенности влияния ионов К+ используют для создания лекарств, которые замедляют сокращения сердечной мышцы. Много калия содержится в картофеле, фруктах (абрикосах, сливах и др.).

Соединения калия и меди повышают холодоустойчивость растений, что помогает им лучше пережить зимний период.

Вы уже знаете, что атом железа входит в состав дыхательного пигмента - гемоглобина (рис. 4.3, 2). Гемоглобин способен связывать газы (вспомните, какие) и транспортировать их по организму. Поэтому при недостатке железа в организме или при недостаточном усвоении этого химического элемента могут нарушаться процессы синтеза гемоглобина, возникает заболевание - малокровие, или анемия. Соединения железа, необходимые для кроветворения, содержатся в яблоках и других продуктах растительного происхождения (абрикосах, зелени петрушки и др.), а также печени и яйцах.

Рис. 4.2. Азот входит в состав хитина - компонента клеточных стенок грибов (1) и внешнего скелета членистоногих (2)

Соединения железа и магния необходимы растениям для того, чтобы в их клетках образовывался пигмент хлорофилл. Атом магния входит в состав молекулы хлорофилла, а железо необходимо для синтеза этого соединения. При недостатке или отсутствии этих химических элементов листья растений становятся бледно-зелеными или вообще теряют зеленый цвет. В результате процессы фотосинтеза нарушаются или прекращаются, и растение в конечном итоге погибает. Такое заболевание получило название хлороз (рис. 4.3, 2).

Фосфор способствует работе головного мозга, участвует в формировании скелета и т. п. Соединения фосфора в значительных количествах нужны и растениям. В частности, они способствуют более быстрому созреванию плодов и обеспечивают холодоустойчивость. Соединения фосфора поступают в наш организм с молоком и молочными продуктами, рыбой, яйцами и др.

Свыше 50 химических элементов относятся к группе микроэлементов (йод, кобальт, марганец, медь, молибден, цинк и т. д.), ведь их количество составляет 10-12-10-3 % массы живых существ. Среди них выделяют группу ультрамикроэлементов (свинец, бром, серебро, золото и др.), процентное содержание которых еще ниже. Микроэлементы клетки входят в состав органических и неорганических соединений или находятся в виде ионов.

Хотя содержание микроэлементов в организмах незначительно, их роль в обеспечении нормального функционирования может быть огромной. Вспомните, йод необходим для того, чтобы щитовидная железа производила гормоны (тироксин, трийодтиронин). Недостаточное поступление йода в организм человека с едой или водой может повлечь нарушение синтеза этих гормонов. Как вы помните из курсов Основы здоровья и Биология 9-го класса, это может привести к тяжелым заболеваниям человека, связанным с нарушением обмена веществ, например микседеме, кретинизму. У людей, проживающих в местностях, где вода и почва содержат мало йода, часто развивается заболевание эндемический зоб (эндемический в переводе из греческого - местный, присущий данной местности), когда разрастаются ткани щитовидной железы (рис. 4.4). При этом железа синтезирует меньше нормы гормона тироксина. Для профилактики йододефицита в таких местностях йодируют соль: к поваренной соли добавляют йодид калия. Много соединений йода содержат бурые водоросли, например ламинария, или морская капуста.

Рис. 4.3. Роль железа в жизни организмов: 1 - эритроциты, в состав которых входит пигмент гемоглобин; 2 - молекула гемоглобина, в состав которой входит атом железа; 3 - недостаток железа в почве вызывает хлороз растений

Рис. 4.4. Эндемический зоб-следствие недостатка йода в воде и пище

Рис. 4.5. Недостаток фтора приводит к кариесу - разрушению эмали зубов

Вы уже знаете, что в состав эмали зубов входит фтор, который придает ей прочность. Недостаток этого элемента в организме ведет к разрушению эмали. Это заболевание называют кариесом (рис. 4.5). Поэтому, выбирая зубную пасту, обращайте внимание на содержание в ней фтора и кальция, которые укрепляют зубы. Эти элементы есть и в продуктах питания: молоке, сырах, шпинате и др. Цинк необходим для образования гормонов поджелудочной железы, бром - гормонов гипофиза. (Вспомните, какие гормоны производят эти железы.)

Кобальт и медь необходимы для процессов кроветворения (вспомните, в состав дыхательных пигментов каких животных входит медь). Кобальт - составляющая витамина В12 (цианкобаламина), недостаток которого в организме приводит к злокачественному малокровию (анемии). Для человека основным источником поступления витамина В12 служат продукты питания животного происхождения - печень крупного рогатого скота, почки, мясо, сыр, рыбные продукты и т. п.

Соединения кремния входят в состав опорных структур некоторых организмов: клеточных стенок хвощей, панцирей диатомовых водорослей, внутриклеточного скелета радиолярий, скелета некоторых губок и др. Вместе с тем попадание соединений кремния в органы дыхания может нарушить их функционирование. Так, в результате продолжительного вдыхания производственной пыли, содержащей SiO2, возникает опасное заболевание легких - силикоз. Поэтому людям, работа которых связана с промышленной пылью (например, шахтерам), следует защищать дыхательные пути марлевыми повязками или респираторами.

Ключевые термины и понятия. Макроэлементы, микроэлементы, органогенные элементы.

Кратко о главном

• Химический состав живых организмов, в отличие от объектов неживой природы, относительно постоянный. В зависимости от содержания в организмах химические элементы делят на макро- (свыше 99,9 %) и микроэлементы (меньше чем 0,1 %).
• Водород, углерод, азот, кислород относят к органогенным элементам, поскольку их суммарная доля составляет почти 98 % химического состава живых существ.

Вопросы для самоконтроля

1. На какие группы разделяют химические элементы в зависимости от их процентного содержания в составе живых существ? 2. Какие химические элементы относят к макроэлементам? Приведите примеры их биологических функций. 3. Какие химические элементы называют органогенными и почему? 4. Какие химические элементы относят к микроэлементам? Какова их роль в организмах?

Подумайте

О чем может свидетельствовать тот факт, что в организмах отсутствуют химические элементы, которые не найдены в неживой природе?