§ 2. Неорганические вещества

Познакомившись с элементами, присутствующими в живых организмах, обратимся теперь к соединениям, в состав которых эти элементы входят (рис. ). Здесь также обнаруживается фундаментальное сходство между всеми живыми организмами. Больше всего в них содержится воды. Во всех организмах мы находим также простые органические соединения, играющие роль «строительных блоков», из которых строятся более крупные молекулы. Это, прежде всего, аминокислоты, моносахариды, органические кислоты, спирты, нуклеотиды и некоторые другие вещества.

Вода. Среди неорганических соединений живых организмов особая роль принад­лежит воде. Она является основной средой, в кото­рой происходят процессы обмена веществ и энергии. Содержание воды в живых организмах составляет 60 – 75 % от их массы, а у некоторых (например, ме­дузы) – до 98 %. Вода образует основу внутренней среды организмов (крови, лимфы, тканевой жидкости). Наи­боль­шее со­дер­жа­ние во­ды в ор­га­низ­ме наблюдается в эм­брио­наль­ный пе­рио­д (95 %) и с воз­рас­том по­сте­пен­но умень­ша­ет­ся. Ко­ли­че­ст­во во­ды не­оди­на­ко­во в раз­ных тка­нях. Так, в се­ром ве­ще­ст­ве моз­га ее со­дер­жа­ние со­став­ля­ет 85 %, в кос­тях — 20 %, в эма­ли зу­бов — 10 %. Чем боль­ше в клет­ках организма во­ды, тем ин­тен­сив­нее идет об­мен ве­ществ. При по­те­ре ор­га­низ­мом 20 % во­ды мо­жет на­сту­пить смерть. Без по­треб­ле­ния во­ды че­ло­век мо­жет жить не бо­лее пяти—семи дней.

Свойства воды. Как известно, жизнь зародилась в воде и по-прежнему остается тесно с нею связанной. Поэтому физические и химические свойства воды имеют фундаментальное значение для процессов жизнедеятельности. По сравнению с другими жидкостями у воды относительно высокая температура кипения и испа­рения.

Молекула Н О состоит из двух атомов водорода, соединенных ковалентными связями с атомом кислорода (рис. ).

Н

2 О

Н

Связи Н — О — Н расположе­ны под углом друг к другу. Атом кислорода как более электроотрицательный элемент притягивает к себе общие электронные пары от атомов водорода. Атомы водорода приобретают частично положительный заряд, а атом кислорода – частично отрицательный, т.е. молекула является полярной и представляет собой электрический диполь. В результате между молекулами воды воз­никает электростатическое взаимодействие, а, по­скольку противоположные заряды притягиваются, молекулы воды склонны «склеиваться» (рис. ). Эти взаимодействия, более слабые, чем обычные ионные связи, называются водородными связями. Энергия водородной связи в 10 — 40 раз меньше энергии ковалентной связи. Каждая молекула во­ды, подобно маленькому магниту, притягива­ет к себе за счет образования водородных связей еще четыре молекулы. Благодаря образованию водородных связей молекулы связаны одна с другой, что обусловливает исходное жидкое состо­яние воды при температурах от 0º до 100 ºС и образует твердые кристаллы льда при темпе­ратуре ниже 0ºС.

Функции воды. Вода определя­ет объем и внутриклеточное давление (тургор) кле­ток. Она способна формировать водную оболочку вокруг некоторых соединений (например, белков), чем препятствует их взаимодействию. Такую воду называ­ют связанной (структурированной). Она составляет 4 — 5% от общего количества воды в организме. Другую часть воды (95 — 96%), не связанную с соединениями, называют свободной. Именно она является универса­льным растворителем, лучшим, чем большинство известных жидкостей.

В зависимости от растворимости в воде, соедине­ния условно делят на полярные, или гидрофиль­ные (от греч. гидор — вода, филиа — любить) и неполярные, или гидрофобные (от греч. фобос — страх). Гидрофильными веществами являются многие минеральные соли, сахара, спирты, кислоты и др. Для гидрофобных веществ характерны неполярные ковалентные связи и, поэтому они не растворимы в воде. Гидрофобны парафин, бензин, керосин и др. Твердые гидрофобные вещества не смачиваются водой.

Воде как универсальному растворителю принад­лежит чрезвычайно важная роль. Большинство химических реакций в организме происходит толь­ко в водных растворах. Вещества проникают в клет­ку, а продукты жизнедеятельности выводятся из нее в основном в растворенном виде. Вода принимает непосредственное участие в реакциях гидролиза — расщеплении органических соединений с присое­динением к месту разрыва ионов молекулы воды (Н⁺ и ОН ).

Вода является также источником электронов в реакциях фотосинтеза. Отщепление от молекул воды электронов приводит к появлению побочного для растительных клеток продукта — кислорода, являющегося, однако, веществом, имеющим планетарное значение.

С водой связана также регуляция теплового режи­ма организмов. Ей свойственна высокая тепло­емкость, т.е. способность поглощать тепло при незначительных изменениях собственной температу­ры. Благодаря этому вода предотвращает резкие из­менения температуры в клетках и в организме в целом, даже когда она значительно колеблется в окружающей сре­де. Испарение воды при транспирации и потоотделении?

При испарении воды организмами (транспирация и потоотделение) тратится много теплоты, что защищает их от перегрева. Благодаря высокой теплопроводности вода обеспечивает рав­номерное распределение теплоты между тканями организма (например, через систему кровообращения, циркуляцию жидкости в полостях тела).

Растворенные в воде вещества могут изменять ее свойства, в частности температуру замерзания и кипе­ния, что имеет важное биологическое значение. Так, в клетках морозоустойчивых растений и холоднокровных животных с наступлением зимы повышается концент­рация растворимых белков, углеводов и других соединений, понижающих температуру перехода воды в кристаллическое состояние, что и предотвращает их гибель.

Минеральные соли и кислоты. Для поддержания жизнедеятельности организма в целом и его клеток, важное значение, кроме воды, имеют минеральные соли. В живых организмах они находятся либо в растворенном виде (дис­со­ции­ро­ван­ы на ио­ны), ли­бо в твер­дом со­стоя­нии. Наи­бо­лее важ­ны сре­ди ио­нов ка­тио­ны К⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ и анио­ны НСО , Н РО , HPO , Cl^–, НSO , SO .

Общее содержание неорганических веществ в раз­личных клетках варьирует в пределах от одного до нескольких процентов. Их роль в клетке разнообразна. Так, разная концентрация К⁺ внутри и Na⁺ снаружи клеток приводит к возникновению разности элек­трических потенциалов на цитоплазматической мембране, что очень важно для передачи нервных импульсов, а также для транспорта веществ через мембраны. При умень­ше­нии этой раз­но­сти сни­жа­ет­ся воз­бу­ди­мость кле­ток.

Регуляторную функцию и активизацию многих ферментов осуществляют Са²⁺ и Mg²⁺. Ионы Са²⁺ необходимы для осуществления мышечного сокращения, сверты­вае­­мости крови, они входят в состав костей. Ионы Mg²⁺ входят в состав костей и зубов, активизируют энергетический обмен и синтез АТФ.

Некоторые ионы необходимы для синтеза важных органических веществ. Например, остатки фосфорной кислоты входят в состав нуклеотидов, АТФ; ион Fe²⁺ — в состав гемоглобина, Mg²⁺— в со­став хлорофилла и т.д. Ионы NО , NH являются источником атомов азота, ион SO — атомов серы, которые необходимы для синтеза молекул аминокислот.

Соеди­нения кальция (CaCO ) входят в состав раковин мол­люсков, панцирей ракообразных и других животных. У некоторых протистов (радио­лярий) внутриклеточный скелет построен из диоксида кремния (SiO ) или сернонокислого стронция (SrSО₄).

Важные функции в организме выполняют также неорганические кислоты. Так, соляная кислота создает кислую среду в желудке позвоночных живо­тных и человека, обеспечивая тем самым активность ферментов желудочного сока.

Кислотность среды. На протекание биохимических реакций в живых организмах существенное влияние оказывает концентрация ионов водорода (Н ) — кислотность среды. В нейтральных растворах эта концентрация состав­ляет 10 моль/л, в кислых она больше этого значения, в щелочных — меньше. В химии для описания кислот­ности среды используют так называемый водород­ный показатель (рН). Протяженность шкалы рН — от 0 до 14. Для нейтральных раство­ров рН = 7, для кислых рН < 7, для щелочных рН > 7. Внутри клеток среда нейтральная или слабощелочная (рН = 7,0—7,3); в крови величина рН обычно меняется в пределах 7,35 – 7,45, что несколько больше, чем в клетках.

В пищеварительном тракте, и в выделениях организма рН варьирует. Экстремальные величины рН наблюдаются в желудке (около 2) и в тонком кишечнике (более 8). В связи с тем, что почки могут выделять как катионы, так и анионы, значительные вариации рН (4,8 – 7,5) наблюдаются в моче.

Понятие о буферных растворах. Организм в целом и его отдельные клетки поддерживают кислотность среды на постоянном уровне благодаря буферным свойствам их содержимого. Буферным называется раствор, содержащий смесь какой-либо слабой кислоты и ее растворимой соли. Когда концентрация ионов водорода увеличивается, свободные анионы, источником которых является соль, легко соединяются со свободными ионами Н и удаляют их из раствора. Когда кислотность снижается, высвобождаются дополнительные ионы водорода. Так в буферном растворе поддерживается относительно постоянная концентрация ионов Н . Спо­соб­ность под­дер­жи­вать сла­бо­ще­лоч­ную ре­ак­цию внеклеточной среды обеспечивают ионы НСО ; нейтральную или слабощелочную внутриклеточной среды – ионы Н РО , HPO .

 1. Каково содержание воды в живых организмах? От чего оно зависит? 2. Каковы свойс­тва воды как основной составляющей внутренней среды организмов? Какие особенности строения молекул воды обеспечивают ее свойства? 3. Участвует ли вода в химических реакциях в организмах? Приведите примеры таких реакций, если они вам известны. 4. Почему вода является хоро­шим растворителем? 5. Каковы основные функции воды в живых организмах? 6. Почему неполярные вещества плохо ра­створимы в воде? 7. В каком состоянии в клетке содержатся минеральные вещества? 8. Какова роль минеральных веществ в клетке? 9. Что такое буферные свойства и чем они определяются?