Неорганические соединения в составе организмов - Молекулярный уровень

Вода — широко распространенное на поверхности Земли вещество, имеющее уникальные физико-химические свойства. При нормальных условиях это — прозрачная жидкость без вкуса, запаха и цвета. Температура плавления льда составляет О “С, а кипения воды — 100 °С, хотя эти показатели зависят от давления и наличия растворенных веществ. Переход воды из одного агрегатного состояния в другое связан с изменением ее плотности. Наибольшую плотность вода имеет при температуре “С. Таким образом при замерзании водоемов образующийся на поверхности лед не дает им промерзнуть полностью. Это зимой спасает много водных организмов. Напротив, замерзая в метках живых организмов, вода образует кристаллы, которые могут даже приводить к гибели. Во избежание этого некоторые организмы способны накапливать в тканях различные вещества, которые действуют как антифризы (например глюкоза, мочевина и т. п.).

Молекула воды состоит из одного атома кислорода, связанного с двумя атомами водорода ковалентными связями, угол между которыми 105°. Атом кислорода сильнее, поэтому электронные облака сдвинуты к нему. Такое строение незаряженной молекулы воды образует диполь: в атоме кислорода сосредоточен частично отрицательный заряд, а в атомах водорода — частично положительный. Взаимодействуя между собой, противоположно заряженные полюса молекул воды образуют слабые (по сравнению с ковалентной) водородные связи. Энергия этих связей невелика, поэтому они довольно легко разрушаются и легко образуются.

Именно такое строение молекул делает воду прекрасным растворителем полярных веществ, к которым относятся неорганические соли, кислоты, основания, некоторые органические соединения, имеющие заряженные участки (спирты, сахара, белки, нуклеиновые кислоты и др.).

Молекулы воды как бы «растягивают» молекулы этих веществ, и они получают способность свободно перемещаться — растворяться. При этом их реакционная способность увеличивается. Такие вещества называются гидрофильными. При взаимодействии молекул воды с неполярными веществами (например жирами) их молекулы группируются, будто пытаясь изолироваться. Эти вещества не растворяются в воде, их называют гидрофобными. Кроме того, существует ряд органических веществ, имеющих участки с полярными и неполярными группами — амфифильные. К ним относятся белки, а также фосфолипиды, которые формируют основу клеточных мембран. Молекулы этих веществ располагаются таким образом, что их гидрофильные участки повернуты к воде, а гидрофобные — от нее.

В газовой и жидкой фазах молекулы воды непрерывно движутся, при этом между ними образуются и разрушаются водородные связи. Это перемещение молекул любого вещества вследствие теплового движения называется диффузией. Следствием этого процесса является распространение по всему объему растворителя и выравнивание концентрации в нем растворенного вещества.

С водородными связями также связано появление сил поверхностного натяжения и капиллярных свойств воды. С помощью поверхностной пленки водоемов, которая является важной частью водной среды существования, многие организмы могут перемещаться (водомеры, прудовик). Капиллярные же свойства дают возможность воде подниматься по щелям почвы и по сосудам растений.

Важным фактором, влияющим на терморегуляцию организмов, является высокая удельная теплоемкость воды, которая составляет около 4,2 кДж/(кг∙К). При испарении воды много энергии затрачивается на разрыв водородных связей. Напротив, при замерзании большое количество энергии выделяется. Эти свойства воды как распространенного на поверхности Земли вещества существенно влияют на климат нашей планеты, смягчая его. С этим же связано и то, что многие организмы охлаждаются, испаряя воду, например потея.

В биологических системах большое значение имеет диффузия не только растворенных веществ, но и самой воды. При этом важная роль принадлежит биологическим мембранам. Они пропускают воду, но непроницаемы для большинства растворенных в ней веществ. Это их свойство получило название полупроницаемости.

Переход молекул воды из зоны с меньшей концентрацией растворенных веществ в зону с большей концентрацией через полупроницаемую мембрану называется осмосом. Этот переход завершается или при выравнивании концентраций по обе стороны мембраны, или при повышении давления в более концентрированном растворе вследствие поступления воды. Дополнительное давление, которое необходимо приложить, чтобы остановить осмос, называется осмотическим давлением. Сравнивая какой-либо раствор с чистой водой, мы можем узнать осмотическое давление этого раствора. Оно тем выше, чем больше в нем растворенных веществ.

Осмотическое давление чрезвычайно важно для живых систем. Typгop — упругость растительных тканей — связан в основном с этим процессом. Концентрация растворенных веществ внутри клеток намного выше, чем в жидкости водоносных сосудов. Благодаря осмосу вода поступает в клетки. Поскольку растительные клетки имеют жесткие клеточные стенки, то при повышении внутри них давления они набухают, и ткани расправляются.

Клетки животных, которые не имеют жестких оболочек, в значительной мере зависят от осмоса. Поэтому межклеточная жидкость концентрацией растворенных веществ должна быть подобна внутриклеточному содержимому.

Важной особенностью живых организмов является то, что они состоят преимущественно из воды. Содержание воды в различных тканях человеческого организма зависит, в первую очередь, от функций, которые они выполняют, кроме того, от возраста и физиологического состояния организма.

Ткань	Содержание, %		Возраст	Содержание воды, %
Нервная	85
Костная	20		Новорожденный	80
Эпителиальная	70		Ребенок	75
Жировая	4		Взрослый	70
Зубная эмаль	2-3		Преклонный возраст	60

Другим важным веществом, жизненно необходимым для большинства современных живых организмов, является кислород. Основная часть кислорода образуется при выделении его в качестве побочного продукта в процессе фотосинтеза. Молекула состоит из двух атомов кислорода. Кислород может превращаться в озон (О₃). Это вещество формирует слой в стратосфере, который поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение. Озон у земной поверхности является опасным загрязнителем, так как является сильным окислителем.

По потребности в кислороде все организмы делят на аэробы (для получения энергии при разложении сложных органических веществ используют молекулярный кислород) и анаэробы (получают энергию путем субстратного фосфорилирования без использования кислорода). К первым относятся большинство животных, все растения и многие микроорганизмы и грибы. Ко вторым — хемосинтетические бактерии (железобактерии, серобактерии т. п.), фораминиферы, большинство эндопаразитов (гельминты).

Биологическая роль некоторых неорганических ионов дана в таблице.

Ион	Функция	Последствия недостатка		Профилактика
		растения	животные	растения	животные
NO, NH4	Синтез белков, в том числе хлорофилла и нуклеиновых кислот	Подавление роста, хлороз листьев	Встречается редко	Органические, минеральные и бактериальные удобрения	Белковые продукты (мясо, рыба, молоко)
РО43-	Синтез нуклеиновых кислот, АТФ, фосфолипидов. Входит в состав костей, зубов	Подавление роста, в первую очередь — корней	Встречается редко	Органические, минеральные и бактериальные удобрения	Белковые продукты, прежде всего — молочные
K+	Формирование электропотенциала на мембранах клеток, поддержка осмотического давления. Основной положительно заряженный ион цитоплазмы	Пожелтение и побурение на краях листьев	Возникает при использовании мочегонных препаратов	Калийные удобрения	Овощи (капуста, кабачки), мясо
Na+	Формирование электропотенциала на мембранах клеток, поддержка осмотического давления. Основной положительно заряженный ион межклеточного вещества	Встречается редко	Мышечные судороги		Кухонная соль (NaCl)
Сl-	Поддержка осмотического давления. Компонент соляной кислоты в желудочном соке	Встречается редко	Мышечные судороги		Кухонная соль (NaCl)
SO42-	Синтез белков (таких как кератин, из которого состоят волосы, перья)	Хлороз листьев			Белковые продукты
Mg2+	Входит в состав костер зубов, хлорофилла. Участвует в объединении сложных органических молекул (например двух субъединиц рибосом)	Хлороз листьев	Мышечные судороги, раздражительность, одна из причин остеопороза	Органические удобрения и микроудобрения	Овощи, пища животного происхождения
Са2+	Составляющая цитоскелета и органелл движения. межклеточного вещества. Входит в состав костей, зубов	Подавление роста	Нарушение роста костей, рахит. При сильной недостаточности потеря сознания, нарушение свертываемости крови	Известкование почв	Молоко, сыр
Fe	Составляющая гемоглобина, миоглобина, некоторых ферментов	Сильный хлороз, особенно молодых листьев	Анемия	Органические удобрения	Печень, баранина, говядина, некоторые овощи (шпинат), яблоки
Mn+	Составляющая некоторых ферментов. Участвует в формировании костей, дыхании, фотосинтезе. Ускоряет синтез ДНК с большим количеством ошибок	Пятнистые листья	Плохое развитие костей	Органические удобрения и микроудобрения	Овощи
Со	Составляющая витамина В12. Развитие эритроцитов	Встречается редко	Анемия	Органические удобрения и микроудобрения	Печень, баранина, говядина,гранаты
Cu2+	вставляющая некоторых ферментов, гемоцианинов. Перенос кислорода у беспозвоночных, электронов при дыхании и фотосинтезе, формировании меланина	Нарушение развитиясемени	Анемия, нарушенияпищеварения	Микроудобрения	Овощи
Zn2+	Анаэробное дыхание растений, транспорт СO2 в крови. Разложение органических веществ в водной среде. Участие в делении клеток, составляющая инсулина	Деформация листьев	Задержка роста	Микроудобрения	Большинство продуктов
Мо	Составляющая некоторых ферментов. Участие в синтезе аминокислот у растений, фиксация Nиз атмосферы, утилизации спиртов	Задержка роста	Задержка роста	Органические удобрения и микроудобрения	Растительная пища