Основные химические элементы живой природы

Химические элементы в живых организмах

В состав веществ, участвующих в реакциях, связанных с жизнедеятельностью живой материи, входят почти все элементы Периодической системы Д.И. Менделеева.

Химические элементы, обозначенные в таблице Менделеева, встречаются как в неживой, так и в живой природе. Все они присутствуют в составе атмосферы, гидросферы и литосферы нашей планеты. Практически все атомы верхних оболочек Земли в результате биологического круговорота веществ за миллиарды лет неоднократно побывали в составе молекул живых организмов. Особенно это касается атомов таких элементов, как кислород, углерод, азот и водород. В клетках живых организмов обнаружено 86 постоянно присутствующих элементов. Все они широко распространены в природе. Но их относительное содержание в живых клетках существенно отличается от их присутствия в оболочках Земли. Заметное отличие состава химических элементов живых клеток от состава элементов земной коры свидетельствует о своеобразии живых систем, их способности получать из внешней среды нужные для жизни элементы. Все элементы организмы получают путем питания.

Соотношение количества биогенных химических элементов в живых клетках и в земной коре

Поступление большинства химических элементов в организм животных идет по цепям питания от растений, которые всасывают растворы минеральных солей из почвы. Было подмечено, что многие животные (особенно крупные травоядные) при миграциях постоянно посещают одни и те же места, где на поверхности земли имеются выходы солей кальция, натрия, калия, соединений серы. Животные лижут эту землю и таким образом восполняют нехватку данных элементов в своем организме.

Химические элементы и их соединения, требующиеся организмам в сравнительно больших количествах, называют макроэлементами, а в крайне малых – микроэлементами. Из макроэлементов образованы все основные компоненты клетки. Почти 98 % массы клетки приходится на долю четырех основных элементов. Это кислород (65–70 %), углерод (15–18 %), водород (8–10 %) и азот (1,5–3,0 %). К числу микроэлементов относят преимущественно атомы металлов, входящих в состав гормонов, ферментов, витаминов и других биологически активных соединений. Те и другие играют важную роль в обменных процессах клеток и являются жизненно необходимыми компонентами живых организмов.

Химические элементы, входящие в клетку и выполняющие в ней важные биологические функции, называют биогенными.

Макроэлементы клетки

В первую очередь к биогенным относятся углерод, кислород, водород и азот. Их называют органогенными элементами, так как они составляют основную массу органических веществ клетки. Особенно значимым в клетке является углерод. Это основной элемент, образующий все органические соединения. Благодаря уникальному свойству углеродных атомов возможно образование таких сложных и разнообразных соединений, как органические вещества. Это свойство обусловлено тем, что атомы углерода, имеющие четыре валентные связи, способны в определенном порядке объединяться в длинные цепи и замкнутые кольцевые структуры, служащие «скелетами» сложных органических молекул. Значение других макроэлементов представлено ниже.

Участие химических элементов в процессах жизнедеятельности

Азот (N). Входит в состав аминокислот, белков, нуклеиновых кислот, нуклеотидов и многих других жизненно важных органических соединений.

Калий (K). Преобладающий внутриклеточный положительный ион. Один из основных (около 20 %) компонентов коллоидов цитоплазмы, регулирует ее водоудерживающую способность, входит в состав более 60 ферментов, необходим в процессах включения фосфата в органические соединения. Часть калия связана с белками митохондрий и хлоропластов и стабилизирует структуру этих органоидов.

Кальций (Ca). В больших количествах связывается с элементами клеточной стенки растительных клеток, участвует в процессах структурирования и функционирования цитоскелета, обеспечивает волновой способ передачи сигналов в клетке. Участвует в мышечном сокращении и других двигательных функциях, в свертывании крови и формировании костей.

Сера (S). Входит в состав многих аминокислот, липидов, кофермента A и ряда витаминов; поддерживает определенную величину окислительно-восстановительного потенциала клетки. У растений участвует в синтезе белков, фотосинтезе; влияет на скорость ростовых процессов.

Фосфор (P). Входит в состав нуклеиновых кислот, белков, фосфолипидов, нуклеотидов и других соединений, обусловливает гидрофильность фосфолипидов клеточной мембраны. Играет важную роль в энергетическом обмене клетки, так как энергия запасается в форме макроэргических эфирных связей молекул АТФ. В клетке присутствует в органической форме и в виде ортофосфорной кислоты, ее солей и остатков – фосфатов.

Магний (Mg). Важнейший компонент молекул хлорофиллов. Участвует в поддержании целостности и функциональной активности рибосом, поддерживает нормальную работу митохондрий.

Натрий (Na). Основной внеклеточный положительный ион. Участвует в поддержании мембранного потенциала клетки, генерации нервного импульса, в процессах осморегуляции (в том числе работе почек у человека), создании буферной системы крови. Обеспечивает щелочную реакцию вырабатываемого поджелудочной железой панкреатического секрета, чем способствует процессу пищеварения.

Хлор (Cl). Преобладающий отрицательный ион. Поддерживает электронейтральность клетки. Незаменимый элемент, постоянно присутствующий в растительных и животных тканях. Входит в состав кожи, желудочного сока, крови, костей, спинномозговой и межклеточной жидкости. Участвует в поддержании осмотического давления и регуляции водно-солевого обмена. Стимулирует активность амилазы – фермента, способствующего расщеплению и усвоению углеводов.

Железо (Fe). Входит в состав гемоглобинов – железосодержащих пигментов крови и гемолимфы, некоторых ферментов (каталазы, пероксидазы), цитохромов, принимает участие в функционировании основных компонентов электрон-транспортных цепей дыхания и фотосинтеза. По значению в клетке железо часто относят к микроэлементам.

Микроэлементы клетки

В их число входят металлы и неметаллы: медь, бор, молибден, марганец, селен, цинк, фтор и др. Они содержатся в клетках в очень малых количествах (от 0,001 до 0,000 001 %), но выполняют жизненно важные функции. Элементы, присутствующие в клетке в следовых концентрациях (менее 0,000 001 % на сухую массу), называют ультрамикроэлементами. Таких элементов в клетке насчитывается около 70. Это кобальт, золото, алюминий, стронций, никель, барий и др.

Участие микроэлементов в обменных процессах живых существ было открыто сравнительно недавно. Оказалось, что их роль в физико-химических процессах чрезвычайно важна, поскольку они участвуют практически во всех обменных процессах.

В земной коре встречается около 100 различных химических элементов. Многие из них входят в состав живых организмов, чем подтверждается тесная связь живой материи и окружающей среды на нашей планете. Однако при этом каждая живая клетка имеет свой ограниченный набор химических элементов. Все элементы, входящие в клетку, выполняют в ней те или иные функции, обеспечивающие ее нормальное существование.

Источник

Химическая организация клеток живых организмов — состав, вещества и функции

Элементы — это основные единицы материи. Из 92 стабильных элементов, найденных на Земле, только 25 встречаются в организмах живых существах и 16–18 являются жизненно важными. Элементы, которые, как известно, имеют универсальное значение для всех живых организмов, включают водород (H), кислород (O), углерод (C), азот (N), кальций (Ca), фосфор (P), калий (K), серу (S), хлор (Cl), натрий (Na), магний (Mg) и железо (Fe).

Все элементы, которые входят в химический состав организма, в зависимости от их доли содержания в клетке, можно разделить на четыре группы:

Органогены (биоэлементы) – химические элементы, которые входят в состав всех органических соединений и составляют примерно 98% от массы клетки:

• Водород – компонент воды и органических молекул
• Углерод – основа органических молекул
• Азот – компонент белков и нуклеиновых кислот
• Кислород – необходим для клеточного дыхания

Макроэлементы – элементы, содержащиеся в клетке в значительно меньших количествах – десятые и сотые доли процента:

• Натрий – важен в функционировании нервов
• Магний – компонент хлорофилла
• Фосфор – компонент нуклеиновых кислот, костей и зубов
• Сера – компонент некоторых белков и витаминов
• Хлор – главный анион в жидкостях вне клетки
• Калий – важен в функционировании нервов
• Кальций – кофактор ферментов, запускающий сокращение мышц и компонент костей, зубов и клеточных стенок растений

Микроэлементы – элементы, составляющие от 0,001% до 0,000001% массы живого организма:

• Железо – кофактор многих ферментов и составная часть гемоглобина
• Йод – участвует в обменных процессах

Ультрамикроэлементы – на их долю приходится менее 0,000001% от массы живого организма. К этой группе принадлежат золото, серебро, обладающие бактерицидным воздействием, ртуть, препятствующая обратному всасыванию воды в почечных канальцах, влияя на ферменты.

Химические соединения в клетке также могут быть разделены на две основные группы: органические и неорганические соединения.

Органические соединения являются химическими соединениями, которые содержат углерод. К органическим веществам в клетке относятся углеводы, белки, липиды и нуклеиновые кислоты. Некоторые из этих соединений синтезируются самой клеткой.

Вода — это неорганическое соединение, которое состоит из водорода и кислорода. Это важное вещество, но в клетке также содержится множество других химических элементов, с которыми мы ознакомимся в таблице ниже.

Таблица. Основные химические элементы в клетках живых организмов

Содержание элемента в процентном соотношении	Название элемента	Значение
65%	Кислород	Этот элемент, очевидно, является самым важным в клетках живых организмов. Атомы кислорода присутствуют в воде, которая является наиболее распространенным веществом в организме, и других соединениях, составляющих ткани. Он также содержится в крови и легких благодаря дыханию
18.6%	Углерод	Углерод содержится в каждой органической молекуле в организме, а также в побочных продуктах дыхания (углекислый газ). Обычно он попадает в организм вместе с пищей
9.7%	Водород	Содержится во всех молекулах воды в организме, а также во многих других соединениях, составляющих различные ткани
3.2%	Азот	Очень распространен в белках и органических соединениях. Он также присутствует в легких из-за его обилия в атмосфере
1.8%	Кальций	Является основным компонентом скелетной системы, включая зубы. Он также содержится в нервной системе, мышцах и крови
1.0%	Фосфора	Этот элемент распространен в костях и зубах, а также в нуклеиновых кислотах
0.4%	Калий	Калий содержится в мышцах, нервах и некоторых тканях живых организмов
0.2%	Натрий	Содержится в мышцах и нервах
0.2%	Хлор	Присутствует в коже и облегчает поглощение воды клетками
0.06%	Магний	Служит кофактором для различных ферментов в организме
0.04%	Сера	Присутствует во многих аминокислотах и белках
0.007%	Железо	Содержится в основном в крови, облегчает транспортировку кислорода
0.0002%	Йод	Встречается в гормонах в щитовидной железе, участвует в обменных процессах

Значение органических соединений в клетке

• Служат энергией для клеточных процессов
• Средство накопления энергии
• Обеспечивают структурную поддержку клеточным стенкам

• Хранят большое количество энергии в течение длительного периода времени
• Действуйте как источник энергии
• Играют важную роль в структуре клеточных мембран
• Являются источником метаболической воды
• Сокращают потери воды при испарении

• Действуют как строительные блоки многих структурных компонентов клетки; необходимы для роста
• Образуют ферменты, катализирующие химические реакции
• Образуют гормоны, которые контролируют рост и обмен веществ

Роль воды в клетке

• Вода важна для жизни, потому что ее химические и физические свойства позволяют поддерживать жизнь
• Вода — это полярная молекула, состоящая из 2 атомов водорода и 1 атома кислорода. Полярная молекула — это молекула с неравномерным распределением зарядов. Каждая молекула имеет положительно заряженный и отрицательно заряженный конец. Полярные молекулы притягивают друг друга так же, как и ионы. Из-за этого свойства вода является хорошим сильнополярным растворителем
• Выступает транспортной средой в крови
• Действует как среда для биохимических реакций
• Вода помогает в поддержании стабильной внутренней среды в живом организме. Концентрация воды и неорганических солей, растворяющихся в воде, играет важную роль в поддержании осмотического баланса между кровью и интерстициальной жидкостью
• Молекулы воды обладают очень высокой когезией (сплоченность). Молекулы воды имеют тенденцию прилипать друг к другу и перемещаться длинными непрерывными колоннами через сосудистые ткани растений

Источник