Вспомните: что общего между живой и неживой природой? Назовите основные классы неорганических соединений. Каковы их общие характеристики?
Биохимия как отрасль биологии. Науку, изучающую химический состав организмов, строение, свойства, локализацию и роль выявленных в них соединений, пути их возникновения и преобразования, которые в совокупности обеспечивают обмен веществ и энергии, называют биологической химией, или биохимией. Биохимия как биологическая дисциплина сформировалась в конце XIX века.
Современная биохимия проводит свои исследования на разных уровнях организации живой материи: молекулярном, клеточном, тканевом-органном, организменном.
Одна из актуальных задач биохимии - выяснение механизмов, регулирующих жизнедеятельность клеток и обеспечивают единство обмена веществ и энергии в организме.
Элементарный химический состав жицих организмов. Живые организмы содержат почти все известные в природе химические элементы. Одни из них выявлены как обязательные во всех без исключения организмах, другие-присущие только отдельным видам и поэтому случаются редко.
В живых организмах в наибольшем количестве присутствуют четыре химические элементы: кислород, углерод, водород и азот. Это так называемые органогенные элементы, на их долю приходится почти 98% химического состава клетки. Следующую группу составляют макроэлементы - фосфор, калий, сера, хлор, кальций, магний, натрий, железо, суммарная доля которых составляет до 1,9%. Другие химические элементы (более 50) относятся к микроэлементам (йод, кобальт, марганец, медь, молибден, цинк и др.). Содержание каждого из них в клетке порядка 10-3 - 10-12%. Еще меньше в клетке ультрамикроэлементов (свинца, брома, серебра, золота и др.). Все химические элементы, содержащиеся в клетке, входят в состав органических и неорганических соединений или находятся в виде ионов. В таблице 1 приведены содержание основных химических элементов и роль, которую они играют в клетках. Если химический состав живых организмов относительно подобный, то в компонентах неживой природы он разный. Например, в водной оболочке Земли (гидросфере) преобладают кислород и водород, в газообразной (атмосфере) - кислород и азот, в твердой (литосфере) - кремний, алюминий, кислород и т.п..
Вода. Ее свойства и функции в клетке. Среди неорганических соединений живых организмов воде принадлежит особая роль. Вода является основной средой, где происходят все процессы обмена. Ее содержание в большинстве живых организмов составляет 60-70%, а в некоторых (медузы) - до 98%.
Вода обладает уникальными химические и физические свойства. По сравнению с другими жидкостями, у нее относительно высокие температуры кипения, плавления и испарения, что обусловлено взаимодействием между соседними молекулами воды. Молекула воды (Н20) полярная. Она состоит из двух атомов водорода, соединенных с атомом кислорода крепким ковалентной связью (рис. 3). Эта связь возникает между атомами водорода и кислорода за счет образования общей пары электронов по одному от каждого атома. Всего молекула воды электронейтральна, но на ее разных полюсах размещены положительный и отрицательный заряды, то есть она полярная. Именно благодаря этому две соседние молекулы воды могут привлекаться друг к другу за счет сил электростатического взаимодействия между частично отрицательным зарядом на атоме кислорода одной молекулы и положительным зарядом на атоме водорода другой. Такой тип связи называется водородным, он в 15-20 раз слабее ковалентной.
Когда вода находится в жидком состоянии, ее молекулы непрерывно движутся и водородные связи постоянно то разрываются, то возникают вновь. Вот почему вода составляет собой не связку, а текучую жидкость.
Вода определяет физические свойства клеток - их объем, внутриклеточный давление (тургор).
Вода формирует водную оболочку вокруг некоторых соединений (например, белков), что препятствует их взаимодействию. Такую воду называют связанной (структурированной), ее доля - 4-5% общего количества в организме. Другая часть воды (95-96%) называется свободной: она является универсальным растворителем.
Вода значительно лучше растворитель, чем большинство других известных жидкостей. Поэтому все вещества подразделяют на что способны хорошо раствора нятися в воде - гидрофильные (от греч. Гидро - вода и филиа - дружба), или полярные, и нерастворимые в ней-гидрофобные (от греч. Фобос-страх), или неполярные .
К гидрофильным соединений предстоит много кристаллических солей, например поваренная соль (NaCl). Противоположные электрические заряды молекулы воды притягивают ионы Na + и СИ-, извлекая их из кристаллической решетки. Вода растворяет также много соединений, способных ионизироваться (распадаться на электрически заряженные частицы) при взаимодействии с ней, например, те, которые содержат карбоксильные (-СООН) и другие группы.
Гидрофобные вещества (почти все липиды, некоторые белки) содержат неполярные группы, не взаимодействуют с молекулами воды (-СН2,-СН2СН3).
Воде как универсальном растворителе принадлежит чрезвычайно важная роль. Большинство химических реакций происходит только в водных растворах. Проникновение веществ в клетку и выведение из нее продуктов жизнедеятельности части возможно только в растворенном состоянии. Вода принимает непосредственное участие в биохимических превращениях (реакции гидролиза).
С водой связана также регуляция теплового режима организмов. Ей свойственна большая теплоемкость, то есть способность поглощать тепло при незначительных изменений своей температуры. Именно благодаря этому вода предотвращает резкие изменениям температуры клетках и организме в целом при значительных ее колебаний в окружающей среде. Поскольку на испарение воды расходуется много теплоты, организмы таким образом защищают себя от перегрева (например, транспирация у растений, потоотделение у млекопитающих). Благодаря высокой теплопроводности вода обеспечивает равномерное распределение тепла между тканями организма через систему кровообращения, циркуляцию жидкости полости тела и т.д..
Под влиянием растворенных веществ вода может менять свои свойства, такие как температуру замерзания и кипения, что имеет важное биологическое значение. Например, в клетках растений и холоднокровных животных с наступлением зимы повышается концентрация растворов углеводов и других соединений, снижает температуру, при которой вода переходит в кристаллическое состояние, и предотвращает замерзание этих организмов.