§ 2. Химические соединения в живых организмах. Неорганические вещества

В состав живых организмов входят разнообразные химические соединения, образованные атомами различных элементов. Ключевую роль в осуществлении процессов жизнедеятельности играют органические вещества — белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и др., которые в неживой природе практически не встречаются. Однако не все соединения, присущие организмам, специфичны только для живой природы. Такие неорганические вещества, как вода, неорганические (минеральные) соли и кислоты, широко распространены и в неживой природе. 

Вода. В количественном отношении первое место среди веществ, входящих в состав живых организмов, занимает вода. Ее массовая доля в организмах в среднем составляет 65—80 %. Количество воды неодинаково в разных тканях и органах. Так, в сочных плодах растений может содержаться до 98 % воды, а в зерновках злаков, семенах подсолнечника, льна, бобовых ее массовая доля составляет 7—14 %. Плазма крови, лимфа, тканевая жидкость, секреты большинства желез животных более чем на 90 % состоят из воды. В скелетных мышцах человека массовая доля воды составляет около 76 %, а в жировой ткани — приблизительно 30 %. С возрастом содержание воды в организме постепенно снижается.

*Организм человека в эмбриональном периоде содержит до 95 % воды. Далее массовая доля воды уменьшается до 80 % (в среднем) у детей, 60—65 % в организме взрослого человека и 45—50 % у пожилых людей. Чем выше содержание воды в клетках и организме в целом, тем интенсивнее протекают процессы обмена веществ.

Человек, потерявший до 50 % массы тела в результате голодания, может остаться в живых, но потеря в результате обезвоживания 20—25 % воды является смертельной. Без употребления воды человек способен прожить не более 3—4 дней.*

Из курса химии вы знаете, что в молекуле воды (Н2О) два атома водорода соединены с атомом кислорода ковалентными полярными связями. Связи Н—О—Н расположены под углом 104,5° друг к другу. Кислород обладает большей электроотрицательностью, чем водород, поэтому атом кислорода притягивает к себе общие электронные пары и приобретает частичный отрицательный заряд. Атомы водорода приобретают частичный положительный заряд, т. е. молекула воды является полярной (рис. 2.1).

Между атомом кислорода одной молекулы воды и атомом водорода другой молекулы возникает электростатическое притяжение. Такое взаимодействие, более слабое, чем ионная связь, называется водородной связью. Каждая молекула воды притягивает к себе за счет образования водородных связей еще четыре молекулы (рис. 2.2).

Таким образом, молекулы воды связаны друг с другом. Поэтому вода при температурах от 0 °С до 100 °С может сохранять жидкое агрегатное состояние, тогда как подобные ей водородные соединения (например, H2S, NH3, HF) являются газами.

Роль воды в живых организмах связана с ее свойствами, прежде всего с малыми размерами молекул, их полярностью и способностью образовывать водородные связи между собой и с другими соединениями.

Благодаря полярности молекулы воды способны формировать так называемые гидратные оболочки вокруг ионов и полярных молекул. Это способствует обособлению частиц и препятствует их склеиванию друг с другом, что особенно важно, например, для белковых молекул.

Полярность молекул и способность образовывать водородные связи делает воду универсальным растворителем для полярных веществ, лучшим, чем большинство жидкостей. В зависимости от степени взаимодействия с молекулами воды соединения делят на гидрофильные и гидрофобные. Гидрофильными являются полярные вещества, которые активно взаимодействуют с молекулами воды за счет образования многочисленных водородных связей, что и обусловливает их хорошую растворимость (рис. 2.3, а). К гидрофильным соединениям относятся низшие спирты и карбоновые кислоты, моносахариды, дисахариды и др. Неполярные вещества являются гидрофобными, они не формируют водородные связи с молекулами воды и не растворяются в ней (рис. 2.3, б). Это высшие карбоновые кислоты, жиры и некоторые другие соединения.

Растворение веществ способствует повышению их реакционной способности, т. к. молекулы или ионы получают возможность более свободно перемещаться и взаимодействовать друг с другом. Большинство химических реакций в живых организмах протекает именно в водных растворах. Таким образом, в качестве растворителя вода является основной средой протекания процессов обмена веществ — метаболизма. Кроме того, вода служит средством транспорта растворенных в ней веществ. Эту функцию она выполняет, например, в составе крови, лимфы, тканевой жидкости, мочи и секретов желез животных, в проводящих тканях растений.

Вода является участником многих биохимических процессов, например фотосинтеза. Кислород, выделяющийся в ходе фотосинтеза, образуется при расщеплении молекул воды. Процессы расщепления сложных органических веществ (белков, полисахаридов, липидов и др.) до более простых соединений являются реакциями гидролиза, т. е. протекают при непосредственном участии воды.

Вода практически несжимаема, что важно для поддержания упругости клеток и тканей. Она определяет объем клеток и тургорное давление — давление внутреннего содержимого клетки на ее оболочку. Несжимаемость воды позволяет ей выполнять функцию гидроскелета у круглых и кольчатых червей. 

Хорошие смазывающие свойства воды способствуют уменьшению трения в различных частях организма (вспомните роль жидкостей, содержащихся в плевральной полости, околосердечной сумке, полостях суставных сумок человека).

*Каждая молекула жидкости одновременно притягивается ко всем окружающим ее молекулам. При этом силы притяжения, противоположные по направлению, взаимно уравновешивают (компенсируют) друг друга. Поверхностный слой жидкости обладает особыми свойствами, т. к. его молекулы не имеют «соседей» снаружи и притягиваются только друг к другу и к молекулам, находящимся внутри жидкости. Вследствие этого на поверхности образуется так называемая пленка поверхностного натяжения. Из всех жидкостей, кроме ртути, вода обладает самым высоким поверхностным натяжением.

Поверхностное натяжение воды определяет форму клеток, их способность захватывать твердые частицы и капли жидкости. Мелкие организмы, например водомерки, личинки комаров, используют пленку поверхностного натяжения воды для передвижения или прикрепления к ней, а некоторые водные и прибрежные растения — для распространения пыльцы и семян.

*Кроме того, поверхностное натяжение воды, а также ее способность взаимодействовать с другими веществами (например, за счет формирования водородных связей) обусловливает свойство капиллярности — способности подниматься или опускаться по узким каналам (капиллярам) и проходить через поры (рис. 2.4). Капиллярность играет важную роль в поднятии растворов по сосудам и трахеидам растений, движении крови, лимфы и других жидкостей по системе мелких сосудов в организме животных.

Вода обладает высокой теплоемкостью. Это значит, что при поглощении или выделении большого количества теплоты температура самой воды изменяется незначительно. Поэтому даже резкие температурные колебания в окружающей среде не приводят к существенному изменению температуры внутри организма.

При переходе жидкой воды в состояние пара происходит разрушение всех водородных связей между ее молекулами, а это требует значительных затрат энергии. Поэтому испарение воды сопровождается охлаждением и используется живыми организмами для защиты от перегрева (потоотделение у млекопитающих, транспирация у растений).

Вода имеет относительно высокую для жидкостей теплопроводность. Движение воды (циркуляция крови у животных, восходящий и нисходящий ток растворов у растений и т. д.) в сочетании с высокой теплопроводностью способствует равномерному распределению теплоты в организме.

Важнейшие биологические функции воды представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Основные функции воды в живых организмах

Функция

Пояснение

Структурная

Входит в состав всех клеток, межклеточного вещества, внутренней среды организма, секретов желез и т. д., придает упругость клеткам и тканям, у некоторых животных выполняет функцию гидроскелета

Метаболическая

Является средой протекания и участником биохимических реакций

Транспортная

Способствует всасыванию растворенных веществ, их перемещению в организме и выведению конечных продуктов обмена веществ

Терморегуляторная

Участвует в регуляции теплового режима организмов