Життя на планеті визначається набором взаємозв'язків, які демонструють надзвичайний потік інформації та безперервний обмін речовиною та енергією. materia Матерія — це все, що має масу та займає простір; вона складається з атомів, які є найменшими одиницями, що її утворюють. Живі організми, вода, зірки та все навколо нас складаються з атомів.
Різноманітність хімічних елементів задається різноманітністю типів атомівКожен тип атома являє собою різний хімічний елемент. Наразі відомо понад сто хімічних елементів, і традиційно називалося 105 елементів, з яких 84 зустрічаються в природі, а решта були синтезовані в лабораторіях. З біологічної точки зору, головне полягає в тому, що лише кілька елементів Вони беруть значну участь у будові живих істот.
У будові живої матерії ми також можемо знайти, щонайменше 70 стабільних хімічних елементівТобто, більшість елементів, присутніх у природі, беруть участь більшою чи меншою мірою в біологічних процесах (за винятком, загалом, благородних газів). Однак не всі беруть участь в однаковій пропорції.
Як ми вже казали, природа складається з матерії, і тому вся жива матерія також складається з атомів, які, у свою чергу, організовані в елементи. Елементи, що складають живу матерію, відомі як біоелементиВони, у свою чергу, класифікуються залежно від того, чи є вони необхідними для життя: первинні біоелементи, вторинні біоелементи та мікроелементи. У цьому матеріалі ми зосередимося саме на первинні біоелементи в живій речовиніне нехтуючи важливістю решти.
Важливі елементи для життя
L первинні біоелементи Це основні хімічні елементи, присутні в живій речовині, в клітинах, тканинах, органах і системах, що складають організми, від найпростіших до найскладніших. Вони являють собою хімічне ядро життя, оскільки утворюють органічні біомолекули фундаментальні: вуглеводи, ліпіди, білки та нуклеїнові кислоти.
Приблизно дев'яносто дев'ять відсотків усієї живої речовини складається, здебільшого, з клітин, утворених шістьма основними елементами: Вуглець (C), Водень (H), Кисень (O), Азот (N), Фосфор (P) та Сірка (S)Це найпоширеніші елементи в живій речовині, що знаходиться на поверхні Землі. Їх називають первинними біоелементами, оскільки вони є невід'ємною частиною основної або первинної конституції живих істот.
Причина, чому ці шість елементів домінують у живій матерії, полягає в їхньому певні хімічні властивостіВони мають відносно малі атомні маси, що сприяє утворенню дуже стабільні ковалентні зв'язкиале достатньо універсальний, щоб розщеплюватися та перетворюватися в біохімічних реакціях. Крім того, такі елементи, як кисень та азот, є високоелектронегативними та дозволяють утворювати полярні молекули, розчинний у воді, щось необхідне для хімії життя.
Види біоелементів
Залежно від того, чи входять вони до складу біомолекул живої речовини, біоелементи можна класифікувати на три основні групи: первинні біоелементи, вторинні біоелементи та мікроелементи.
Ця класифікація базується на пропорції, в якій вони знаходяться у живих істотах та у функціях, які вони виконують:
- Первинні біоелементиЦі елементи складають приблизно від 95% до 96% живої речовини. Це вуглець (C), водень (H), кисень (O), азот (N), фосфор (P) та сірка (S). Вони утворюють основу органічних молекул.
- Вторинні біоелементиВони зустрічаються в менших пропорціях, приблизно від 3% до 4%, але присутні в усіх живих організмах. Зазвичай вони з'являються в іонній формі або у вигляді мінеральних солей. До них належать, серед інших, кальцій (Ca), магній (Mg), натрій (Na), калій (K) та хлор (Cl).
- МікроелементиЦі елементи містяться у відсотках менше 0,1%, але є необхідними для належного функціонування організму. Деякі приклади: залізо (Fe), марганець (Mn), мідь (Cu), цинк (Zn), фтор (F), йод (I), бор (B), кремній (Si), кобальт (Co), селен (Se) та молібден (Mo).
Біоелементи, поєднуючись один з одним за допомогою хімічних зв'язків, утворюють біомолекулЦе справжні структурні та функціональні будівельні блоки життя. Таким чином, в результаті взаємодії між цими атомами виникають вода, мінеральні солі, вуглеводи, ліпіди, білки та нуклеїнові кислоти.
Первинні біоелементи
Це всі біоелементи, що входять до складу суттєва конституція живої матеріїЦі елементи є важливими для формування органічних біомолекул: білків, вуглеводів, ліпідів та нуклеїнових кислот. Вони складають чисту живу речовину і це: вуглець (C), водень (H), кисень (O), азот (N), фосфор (P) та сірка (S).
Його найважливіші властивості, взраховані разом, пояснюють його центральну роль у біології:
- у них є низька атомна маса, що сприяє утворенню міцних і стабільних ковалентних зв'язків.
- Вони можуть встановити кілька одночасні ковалентні зв'язки, що сприяє формуванню ланцюгів та складних тривимірних структур.
- Кисень та азот мають високий рівень кисню та азоту. електронегативністьщо дозволяє появі диполярних молекул і полярних зв'язків, які розчиняються у воді.
- Їхнє поєднання призводить до величезна різноманітність молекул з енергетичною, структурною, регуляторною та резервною функціями.
Роль кожного з цих первинних біоелементів у живій речовині детально описана нижче.
Вуглець (C)
Вуглець – це необхідний базовий компонент усіх органічних молекул. Він з'являється у всіх ланцюгах як скелет, що надає форму та функції органічним біомолекулам. Усі органічні сполуки утворені вуглецевими ланцюгами, що утворюють зв'язки з іншими елементами або сполуками.
Він має чотири електрони на своїй зовнішній оболонці та може утворювати чотири ковалентні зв'язки з іншими атомами вуглецю або з іншими елементами. Ця характеристика дозволяє йому утворювати довгі ланцюги атомів (макромолекули) та дуже стабільні циклічні структури. Ці зв'язки можуть бути одинарними, подвійними або потрійними, що ще більше збільшує різноманітність можливих структур.
Вуглець також може зв'язуватися з різними функціональні групи або радикали, утворені іншими елементами (-H, =O, -OH, -NH2, -Ш, Н2PO4тощо), що дозволяє утворювати велику кількість різних молекул, що беруть участь у безлічі хімічних реакцій. Завдяки цьому живі істоти можуть використовувати величезну різноманітність хімічних ресурсів, присутніх у навколишньому середовищі.
У просторі чотири ковалентні зв'язки вуглецю утворюють вершини тетраедр уявний. Таке геометричне розташування дозволяє формувати складні тривимірні структури, такі як ті, що містяться в плазматичних мембранах, багатьох білках та інших клітинних органелах.
Вуглець є важливим компонентом для тварин і рослин. Він є невід'ємною частиною молекули глюкоза, вуглевод, необхідний для клітинного дихання; він також відіграє певну роль у фотосинтез, у формі вуглекислого газу (CO2)2Крім того, вуглець присутній в іншій макромолекулі, необхідній для життя: ДНК, яка містить генетичну інформацію, що надає кожній особині її власні характеристики, і яку організм використовує для реплікації та передачі цієї інформації своєму потомству.
Водень (H)
Водень, разом з киснем, є важливим компонентом органічної речовини. Фактично, органічна речовина значною мірою визначається як речовина, що складається переважно з водню. вуглець і воденьНаприклад, у деяких ліпідах у їхньому складі спостерігаються лише атоми вуглецю та водню, як у багатьох вуглеводнях, таких як нафта та її похідні.
Єдиний електрон, який має атом водню Його зовнішня оболонка дозволяє йому легко зв'язуватися з будь-яким з первинних біоелементів. Ковалентний зв'язок, що утворюється між вуглецем і воднем, достатньо міцний, щоб бути стабільним, але не настільки міцний, щоб запобігти його розриву за необхідності, що дозволяє синтезувати інші молекули.
Молекули, що складаються лише з водню та вуглецю, є ковалентними неполярний (нерозчинний у воді), властивість, яка пояснює гідрофобну поведінку багатьох ліпідів та речовин, що забезпечують запас енергії. Ця нерозчинність є ключовою для утворення ліпідні бішари у клітинних мембранах, де вуглеводнева частина перешкоджає вільному проходженню полярних речовин.
Крім того, водень бере участь в утворенні водневі зв'язки коли він зв'язується з електронегативними елементами, такими як кисень або азот. Ці водневі зв'язки мають меншу енергію, ніж ковалентний зв'язок, але вони є фундаментальними для підтримки тривимірної структури ДНК, багатьох білків та безлічі біологічних молекул.
Кисень (O)
Кисень є найбільш електронегативнийКоли він ковалентно зв'язується з воднем, він сильно притягує його єдиний електрон, в результаті чого електричні стовпиОтже, радикали -OH, -CHO та -COOH є полярними радикалами. Коли ці радикали заміщують деякі атоми водню у вуглець-водневому ланцюзі, як у випадку глюкози (C6H12O6), призводять до утворення молекул, розчинних у полярних рідинах, таких як вода.
Завдяки високій електронегативності, кисень має здатність притягувати електрони інших атомів. Цей процес включає розрив зв'язків та вивільнення великої кількості енергії. Реакція вуглецевих сполук з киснем, відома як аеробне диханняЦе найпоширеніший та найефективніший спосіб отримання енергії для більшості живих організмів. У цій загальній реакції глюкоза повністю окислюється:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + енергія
Інший спосіб отримання енергії – це бродінняЦе менш ефективний процес, який не потребує молекулярного кисню. Цей шлях втрачає екологічну актуальність з тих пір, як водорості та рослини, шляхом фотосинтезу, почали збагачувати первісну атмосферу киснем, що зробило можливим поширення аеробних організмів.
Процеси окислення біологічних сполук Ці процеси значною мірою здійснюються шляхом видалення атомів водню з атомів вуглецю. Кисень, будучи більш електронегативним, чинить більшу силу тяжіння на електрон водню, ніж на електрон вуглецю, і встигає видалити його. Це утворює воду (водень плюс кисень) і вивільняє велику кількість енергії, яку використовують живі організми.
Коли атом вуглецю перестає ділити електрон з воднем і починає ділити менше електронів з киснем, він зазнає втрата електронівТобто, він окислюється. Ця окисно-відновна динаміка є основою багатьох метаболічних шляхів та виробництва АТФ у мітохондріях.
Азот (N)
Азот – це елемент, який становить дуже високий відсоток атмосфери (приблизно 10%). 78% сухого повітря). Крім того, він є важливим компонентом білки і нуклеїнові кислоти такі як ДНК та РНК, які відповідають за передачу спадкових ознак від батьків до потомства. ДНК присутня в усіх клітинах організму, що підкреслює величезне значення азоту для живих істот.
Зазвичай, газоподібний азот (N2Азот не може бути поглинений безпосередньо більшістю організмів, а радше у складі інших сполук, таких як нітрати, нітрити або амонієві сполуки. Перш ніж бути використаним живими істотами, атмосферний азот повинен пройти кілька стадій у рамках так званого кругообіг азоту:
- Амоніфікація, процес, за допомогою якого органічний азот (залишки живих істот або екскременти) перетворюється на аміак (NH₃)3), який у водному розчині перебуває в рівновазі з іоном амонію (NH₄⁺)4+).
- Нітрифікація, який полягає в окисленні амонію (NH₄⁺)4+) до нітриту (NO2-) а згодом до нітрату (NO₃)3-) через нітрифікуючі бактерії в ґрунті.
- Фіксація азоту, процес, за допомогою якого атмосферний азот (N2Він перетворюється на азотні сполуки, такі як амоній, або органічні сполуки, придатні для використання живими організмами. Ця фіксація здійснюється переважно вільноживучими ґрунтовими бактеріями або симбіотичними бактеріями, пов'язаними з корінням бобових рослин, а також може відбуватися через електричні розряди (блискавку).
Майже весь азот, що поглинається живою речовиною водоростями та рослинами, поглинається у формі нітрат-іон (NO₃⁻)3-) або у вигляді іон амонію (NH₄⁺)4+)Цей азот потім потрапляє в харчовий ланцюг, коли тварини споживають рослинні тканини або тканини інших тварин.
Азот міститься в амінокислотиТобто, в молекулах, що складають білки, утворюються аміногрупи (-NH2Він також присутній у азотисті основи нуклеїнових кислот (аденін, гуанін, цитозин, тимін та урацил). Хоча азот є найпоширенішим газом в атмосфері, дуже мало організмів здатні використовувати його безпосередньо, тому роль азотфіксуючих бактерій є вирішальною.
Азот має чудову здатність утворювати сполуки з воднем (NH₄⁺).3, Н.Х.4+) як з киснем (NO2-, НІ3-), що дозволяє йому переходити з однієї форми в іншу, вивільняючи енергію та беручи участь у метаболічних процесах енергія та перенос електронів у клітинах.
Сірка (S)
Сірка – це елемент, який, будучи компонентом деяких білків, незамінних амінокислот, вітамінів та важливих гормонів, є... необхідний як для людей, так і для тваринВін міститься, наприклад, в амінокислотах цистеїні та метіоніні. У формі сульфгідрильного радикала (-SH) ці амінокислоти можуть утворювати міцні ковалентні зв'язки одна з одною, які називаються дисульфідні містки (-SS-)які вирішально сприяють підтримці тривимірної структури багатьох структурних білків, таких як колаген і кератин.
Сірка становить приблизно 0,25% маси тілаЦе означає, що в тілі середньостатистичної дорослої людини міститься близько 170 г сіркиЗначна частина якої міститься в амінокислотах та білках. Сірка є компонентом жовчних кислот, необхідною для перетравлення та всмоктування жирів, а також бере участь у реакціях детоксикація у печінці.
Крім того, цей біоелемент допомагає підтримувати шкіри, волосся і нігтів Сірка необхідна для здоров'я тканин і відіграє життєво важливу роль у формуванні та відновленні тканин. Вона зазвичай міститься в овочах, таких як редиска та морква, а також у продуктах тваринного походження, таких як молоко, сир, морепродукти та м'ясо. Збалансоване харчування забезпечує достатнє споживання сірки для підтримки цих біологічних функцій.
Фосфор (P)
Кількість фосфору в атмосфері незначна. Найбільший резервуар фосфору знаходиться в морські відкладення та у фосфатних породах земної кори. Ґрунти є, за важливістю, другим за величиною резервуаром фосфору в природі. Через вплив хімічне вивітрюванняФосфати вивільняються з мінералу, розчиняються та транспортуються поверхневими та ґрунтовими водами.
Частина фосфату випадає в осад, головним чином у вигляді фосфату кальцію, а частина досягає морів, де накопичується велика кількість фосфору, утворюючи так звані фосфорні пасткиТаким чином, цикл фосфору є відносно повільним, але фундаментальним для екосистем, оскільки цей елемент не має відповідної газоподібної фази.
Фосфор у формі органічний фосфатЦе надзвичайно важливо для живої матерії, тому що:
- Це один зі складових нуклеїнові кислоти (РНК та ДНК), які складають генетичний матеріал організмів.
- Він зустрічається як компонент аденозинтрифосфат (АТФ)який є майже універсальним джерелом клітинної енергії в живій речовині. Енергія, що вивільняється в інших реакціях, таких як окислення чи дихання, зберігається у зв'язках між його фосфатними групами.
- Це один зі складових фосфоліпідиважливі молекули, що утворюють клітинні мембрани, та скелетні структури, такі як кістки та зуби у хребетних.
Окрім своєї структурної та енергетичної функції, фосфор бере участь у регуляції кислотно-лужний баланс організму, діючи як буферна система для підтримки стабільного pH у внутрішньому середовищі. Типовий раціон зазвичай забезпечує необхідну кількість фосфору через молочні продукти, м'ясо, яйця, рибу, горіхи та злаки.
Вторинні біоелементи та мікроелементи
Хоча основна увага в цьому контенті приділяється первинним біоелементам живої речовини, важливо розуміти, що без них вторинні біоелементи і розсіяні елементи Життя також не могло б підтримуватися. Ці елементи, хоча й присутні в менших кількостях, є необхідними для широкого спектру біологічних процесів.
Вторинні біоелементи
Вторинні біоелементи зустрічаються в менших пропорціях, ніж первинні, але вони присутні в усіх живих організмах і, в багатьох випадках, в іонній формі. Деякі з найважливіших:
- Кальцій (Ca)дуже поширений у формі карбонату кальцію (CaCO₃)3) як компонент скелетних структур, таких як кістки у хребетних або панцири багатьох безхребетних. У формі іона Ca2+ втручається в такі процеси, як скорочення м’язів, то згортання крові та регуляція проникності клітинних мембран.
- Магній (Mg)присутній у багатьох ферменти і, зокрема, в хлорофіл, основний пігмент фотосинтезу у рослин і водоростей.
- Натрій (Na) та калій (K)фундаментальним для підтримки електрична полярність з обох боків клітинної мембрани та для передачі нервових імпульсів. Вони регулюють водний та осмотичний баланс у клітинах.
- Хлор (Cl)зазвичай знаходиться у формі хлорид-іона (Cl-) та бере участь в осмотичному балансі та в утворенні хлористого-воднева кислота шлункового соку, необхідного для травлення.
Мікроелементи
Мікроелементи містяться в мізерних кількостях (менше 0,1%), але їхня відсутність або дисбаланс може спричинити серйозні розлади. Деякі з найбільш помітних:
- Залізо (Fe)Він входить до складу білків, що переносять кисень, таких як гемоглобін і міоглобін, а також кількох цитохромів, що беруть участь у клітинному диханні.
- Мідь (Cu)компонент гемоціаніну, дихального пігменту багатьох безхребетних, та окисно-відновних ферментів.
- Йод (I)необхідний для синтезу тироксин, гормон щитовидної залози, який регулює енергетичний обмін.
- Фтор (F): фундаментальний для формування зубна пастаЙого дефіцит сприяє появі карієсу.
- Цинк (Zn), марганець (Mn), кобальт (Co), селен (Se), молібден (Mo) та інші: вони беруть участь як ферментативні кофактори, регулюючи численні метаболічні шляхи та антиоксидантні процеси.
Від біоелементів до біомолекул
Коли біоелементи поєднуються один з одним через різні типи хімічні зв'язкиЦі процеси призводять до утворення біомолекул, які є фундаментальними будівельними блоками клітин і, отже, всіх живих організмів. Ці біомолекули можуть бути організовані від дуже простих рівнів до складних тривимірних структур, згортання яких визначає їхню біологічну функцію.
У клітинах найважливішими хімічними зв'язками є:
- Ковалентні зв’язкиМіцні зв'язки, які в основному утримують разом атоми вуглецю в органічних молекулах. Вони дозволяють утворювати стабільні ланцюги та кільця.
- Іонні зв’язкиВони утворюються між атомами з протилежними зарядами (іонами). У водних середовищах, таких як всередині клітин, вони слабші, ніж у твердих речовинах, але вони відіграють вирішальну роль у явищах молекулярного розпізнавання.
- Водневі зв'язки та слабкі силиВони підтримують вторинну та третинну структуру білків і нуклеїнових кислот і визначають такі властивості, як розчинність і температура плавлення речовин.
Біомолекули зазвичай поділяють на неорганічні (таких як вода та мінеральні солі) та органічні (вуглеводи, ліпіди, білки та нуклеїнові кислоти). Останні складаються переважно з первинних біоелементів і відповідають за основні функції живих істот.
Вуглеводи
Вуглеводи – це дуже поширені біомолекули, основною одиницею яких є моносахариди (такі як глюкоза та фруктоза). Вони мають солодкий смак і зазвичай розчинні у воді. Коли два моносахариди з'єднуються, вони утворюють дисахариди такі як лактоза або сахароза; якщо багато моносахаридів з'єднати разом, вони утворюють полісахариди такі як глікоген, крохмаль або целюлоза.
Вони переважно виконують певні функції енергійний (глікоген у тварин та крохмаль у рослин) та структурна (целюлоза в рослинній стінці, полісахариди в клітинній мембрані та основа нуклеїнових кислот у вигляді дезоксирибози та рибози).
Ліпіди
Ліпіди являють собою дуже гетерогенну групу біомолекул, що мають переважно хімічну природу. гідрофобнийВони можуть складатися з довгих, простих вуглеводневих ланцюгів, таких як жирні кислоти, або мати складніші структури, такі як воски, тригліцериди, фосфоліпіди чи стероїди (включаючи холестерин).
Зазвичай вони не розчиняються у воді та виконують функції запас енергії, з теплоізоляція, механічного захисту та, перш за все, структурна, оскільки фосфоліпіди є важливими компонентами клітинних мембран (ліпідних бішарів).
Білок
Білки складаються з мономерів, які називаються амінокислотиякі розташовані в довгих ланцюгах. Існує двадцять різних амінокислот, які, поєднані різної довжини та послідовності, дають початок величезній різноманітності білків. Ланцюг амінокислот набуває специфічної тривимірної структури, що надає йому конкретна функція.
Білки виконують структурні (кератин, колаген, тубулін), транспортні (гемоглобін), гормональні (інсулін), скоротливі (актин, міозин), імунологічні (імуноглобуліни), запасаючі (альбумін) та каталітичні (ферменти) функції, серед багатьох інших. Різкі зміни температури або pH можуть денатурувати їхню структуру, внаслідок чого вони втрачають свою функцію.
Нуклеїнові кислоти
Нуклеїнові кислоти – це органічні біомолекули, що утворюються в результаті об’єднання нуклеотидівКожен нуклеотид складається з цукру, фосфатної групи (що включає фосфор) та азотистої основи (що включає вуглець та азот).
Існує два основних типи нуклеїнових кислот:
- ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота), що відповідає за зберігання спадкової інформації, що передається з покоління в покоління.
- РНК (рибонуклеїнова кислота), з яких існує кілька типів з функціями, пов'язаними із синтезом білка та регуляцією експресії генів.
В обох випадках первинні біоелементи (C, H, O, N, P) є основою їхньої структури, що знову ж таки підкреслює важливість цих елементів у живій матерії.
Отже, життя залежить від невеликого набору хімічних елементів, здатних утворювати стабільні, універсальні та функціональні зв'язки. Розуміння характеристик цих елементів є надзвичайно важливим. первинні біоелементи в живій речовині Це дозволяє нам зрозуміти, чому клітини організовані саме так, як вони є, як зберігається та передається генетична інформація, а також як отримується та використовується енергія, необхідна для підтримки життєво важливих процесів.