Какие элементы преобладают в составе живых организмов кратко

Обновлено: 07.07.2024

Химический состав живых организмов является предметом такой биологической науки как биохимия. Как мы уже знаем, все живые организмы состоят из клеток. Клетки, в свою очередь состоят из химических элементов. Химические элементы, без которых была бы невозможна жизнь на Земле, называются биогенными элементами.

Биогенные элементы – это химические элементы, которые входят в состав клеток организма, а также те элементы, без которых невозможна жизнедеятельность клеток: органические и неорганические вещества, полимерные и низкомолекулярные. Каждый из нас с детства знает, что человек более чем наполовину состоит из воды. Соответственно, первым и самым главным биогенным веществом является вода.

Основные химические элементы организмов:

- водород;

- кислород;

- фосфор;

- сера;

- азот;

- углерод.

Неорганические соединения в составе живых организмов:

- карбонаты;

- фосфаты;

- соли аммония;

- сульфаты.

Также к биогенным элементам можно отнести следующие неметаллы:

1) Йод и йодные соединения очень важны для организма, играют большую роль в обменных процессах. Йод входит в состав тироксина – гормона щитовидной железы.

2) Хлор. Анионы этого элемента поддерживают солевую среду организма на уровне, необходимом для правильной жизнедеятельности. Также входит в состав некоторых органических соединений.

Другие органические вещества, входящие в состав живого организма:

Уксусный альдегид;
Уксусная кислота;
Этанол – является продуктом и субстратом биохимических реакций.

Не менее важными являются следующие соединения:

- ГЕМ – это соединение железа с молекулой парафина;

- кобаламин – кобальтовое соединение (витамин В12).

Кальций и магний – основные металлы, которые наряду с железом чаще всего встречаются в биологических системах. Магний и его ионы играют важную роль для функционирования клетки, точнее, рибосом и синтеза белка в клетке. Также магний является частью хлорофилла. Кальций в живом организме может присутствовать в виде нерастворимых солей:

- карбонат кальция – вещество, из которого состоят раковины моллюсков;

- фосфат кальция – участвует в построении скелета.

В состав ферментов входят многие металлы 4 периода периодической системы:

1) Железо участвует в процессе насыщения клеток кислородом, являясь частью гемоглобина.

2) Ионы цинка содержатся почти во всех ферментах.

3) Марганец также входит в состав некоторых ферментов, но более важную роль играет для поддержания нормальной внешней биосферы: обеспечивает выделение кислорода в атмосферу, а также участвует в фотохимическом восстановлении воды.

4) Молибден является составной частью нитродиназа - фермента азотфиксирующих бактерий, который способствует восстановлению азота извне до аммиака.

5) Кобальт – как мы уже сказали, является частью кобаламина или витамина В12.

Низкомолекулярные соединения, которые входят в состав живых организмов:

Аминокислоты – из них состоят белки.
Моно и алигосахариды – из них состоят структурные ткани организмов.
Нуклеамиды – из них состоят нуклеиновые кислоты.
Липиды – составляющие клеточных оболочек.

Также существует множество других веществ, которые активно участвуют в жизнедеятельности живых организмов: коферменты, терпены и многие другие.

Значение химических элементов и соединений для клетки и организма

Какие элементы входят в состав организма

Химический состав клеток различных организмов различается. При этом, в этот состав входят одинаковые элементы. Из периодической таблицы Д. И. Менделеева в клетках можно обнаружить около 70 элементов. Из них всего 24 являются наиболее важными и постоянно присутствуют в живых организмах.

Макроэлементы, такие как кислород, водород, азот и углеводород, входят в состав органических веществ. Также к макроэлементам причисляют калий, серу, фосфор, магний, натрий, кальций, хлор, железо. Но содержание этих элементов в клетке не превышает десятые, а то и сотые доли процента.

В состав хлорофилла входит магний, гемоглобина — железо, костной ткани и нуклеиновых кислот — фосфор, костей черепах и моллюсков — кальций, а в состав белков — сера. Кроме того, в смене потенциала клеточной мембраны принимают участие калий, натрий и хлор-ионы.

Сотыми и тысячными долями процента в клетке представлены различные микроэлементы, такие как цинк, йод, фтор, медь, бор, молибден и прочие. Также они входят в состав пигментов, гормонов и ферментов.

К ультрамикроэлементам относят те элементы, которые содержатся в клетке в крайне незначительном количестве: от 0,000001%. Среди них — уран, золото, цезий, ртуть и др.

Биологическую роль химических элементов в клетке и организме сложно переоценить.

Биологическое значение воды

Какие элементы преобладают в составе живых организмов?

Больше других химических элементов в клетке содержится воды. Конкретное ее количество зависит от некоторых факторов:

типа клеток;
функционального состояния клеток;
вида организма;
среда обитания организма.

К примеру, в клетках костной ткани содержание воды не превышает 20%. В жировой ткани процент увеличивается до 40, а в мышечных тканях и клетках зародыша — до 76 и 90% соответственно.

С возрастом количество воды в клетках уменьшается.

В организме и в клетках с более высоким уровнем функциональной активности содержится больше воды и наоборот.

Наличие воды — обязательное условие жизненной активности клеток. Вода — основная часть цитоплазмы, поддерживающая ее структуру и стойкость коллоидов, которые входят в состав цитоплазмы.

Какова биологическая роль воды в клетке?

То, какую роль вода выполняет в клетке, зависит от ее химических и структурных свойств. В первую очередь это связано с небольшими размерами молекул, свойственной им полярностью и способностью соединяться при помощи водородных связей.

Образование водородных связей происходит при помощи атомов водорода, которые соединяются с электронегативным атомом — чаще всего это азот или кислород. В результате атом гидрогена получает очень большой позитивный заряд, позволяющий ему сформировать новую связь с другим электронегативным атомом.

Таким же образом происходит связывание друг с другом молекул воды, у которых один конец с позитивным зарядом, а другой — с негативным. Эту молекулу стали называть диполем.

Наиболее электронегативный атом кислорода одной молекулы воды притягивается к позитивно заряженному атому водорода другой молекулы — так образуется водородная связь.

Полярность воды и способность образовывать водородные связи позволили воде быть растворителем для полярных веществ — это гидрофильные вещества. К таким веществам относят соединения ионного характера. В них заряженные частички (ионы) диссоциируют, то есть, разделяются в воде в ходе растворения вещества (соли).

Отдельным неионным соединениям тоже это свойственно. Речь идет о соединениях, в молекулах которых есть заряженные (полярные) группы. К примеру, -OH группа в сахарах, аминокислотах, простых спиртах.

Состоящие из неполярных молекул вещества (липиды) почти не растворяются в воде и являются гидрофобами.

Когда вещество переходит в раствор, структурные его частички (молекулы или ионы) получает возможность более свободно двигаться, что приводит к возрастанию реакционной способности вещества. Все это делает воду основной средой, в которой происходят почти все химические реакции. При непосредственном участии воды протекают все окислительно-восстановительные реакции и реакции гидролиза.

Среди всех известных веществ именно вода характеризуется наибольшей удельной теплоемкостью. С увеличением тепловой энергии практически не происходит повышение температуры воды. Такой эффект объясняется тем, что существенное количество этой энергии используется для разрыва водородных связей, ограничивающих подвижность молекул воды.

Большая теплоемкость воды позволяет ей быть определенной защитой для тканей растений и животных в случае сильного и быстрого повышения температуры. При этом, высокая теплота парообразования обеспечивает надежную стабилизацию температуры тела организма.

В силу того, что между молекулами есть водородные связи, требуется достаточно много энергии для испарения воды. Такая энергия поступает из окружающей среды, что объясняет охлаждение в процессе испарения.

Наиболее яркие примеры — потоотделение и тепловая задышка у собак.

Также это важно в случае охлаждения транспирирующих органов растений. В частности, в пустынных условиях и в условиях сухих степей, засушливых периодов.

Вода — идеальная среда для поддержания оптимального теплового режима организма за счет высокой удельной теплоемкости и высокой для жидкости теплопроводности.

Еще одно важное свойство воды — высокое поверхностное натяжение, что важно для адсорбционных процессов, движения раствора по тканям в процессе кровообращения, восходящего и нисходящего движения по растению и др.

Также вода — источник кислорода и водорода, выделяющиеся в ходе световой фазы фотосинтеза.

Не менее важное свойство воды — способность растворять газы, такие как O₂, CO₂ и другие. Как растворитель, вода участвует в процессе осмоса, что важно для жизнедеятельности клеток и всего организма.

Свойства и значение углеводорода

После воды наиболее заметная составляющая молекул клетки — углеводородные органические соединения.

Углеводород характеризуется наличием уникальных фундаментальных химических свойств, что дает право определять его как химическую основу жизни.

Небольшие размеры и наличие на внешней оболочке 4-х электронов позволяет углеводороду образовывать 4 крепкие ковалентные связи с другими атомами.

Наиболее важная особенность углеводорода заключается в том, что его атомы могут соединяться друг с другом и образовывать кольца, цепи и скелет больших и сложных органических молекул.

Также для углеводорода свойственно образование ковалентных связей с другими биогенными элементами, такими как H, Mg, O, S, P. Как результат — существование огромного количества различных органических соединений, обеспечивающих существование живых организмов. Все эти органические соединения различаются размерами и формой молекул, химическими свойствами, степенью насыщенности карбонового скелета.

Форма молекул определяют углы внутримолекулярных связей.

Биополимеры

Биополимеры представляют собой высокомолекулярные органические соединения (их молекулярная масса варьирует от 103 до 109). Их макромолекулы состоят из множества повторяющихся звеньев — мономеров.

Среди биополимеров можно называть белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и производные от них вроде гликогена, крахмала, целлюлозы, пектиновых веществ, гемицеллюлозы, хитина и др.

Аминокислоты, нуклеотиды и моносахариды выступают для них в качестве мономеров.

Биополимеры составляют примерно 90% всей сухой массы клетки. У растений больше полисахаридов, а у животных — белков.

Клетка бактерий содержит примерно 3 тысячи белков 1 тысячу нуклеиновых кислот. У человека насчитывается до 5 млн. белков.

Биополимеры являются структурной основой живых организмов и выполняют проводящую функцию в процессах жизнедеятельности.

Структурная основа биополимеров — это линейные цепи вроде белков, целлюлозы и нуклеиновых кислот, и разветвленные цепи, такие как гликоген.

Эта структура определяет определенные свойства:

Взаимодействие биополимеров сопровождается кооперативностью — тесной взаимосвязью всех функциональных групп. В результате одни группы биополимеров при взаимодействии способны менять характер взаимодействия других их групп;

Пример кооперативного взаимодействия — связывание гемоглобином-белком эритроцитов крови (молекулы кислорода в процессе дыхания).

Способность биополимеров к образованию интерполимерных комплексов, которые возникают между отдельными частями молекулы или между различными молекулами.

Биосинтез белков и нуклеиновых кислот, иммунные реакции, реакции обмена веществ и другие важные биологические процессы организма осуществляются за счет образования биополимерных комплексов, а также благодаря другим свойствам биополимеров.

Определённый вид атома называется химическим элементом.

2. Что называется атомом и молекулой?

Молекула — мельчайшая частица вещества, сохраняющая его свойства.

Атом – это наименьшая химическая частица вещества.

3. Какие органические вещества вам известны?

Органические вещества: белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры (липиды).

Вопросы

1. Какие процессы исследуют учёные на молекулярном уровне?

На молекулярном уровне ученые исследуют превращение всех видов энергии и обмен веществ в клетке, передачу генетической (наследственной) информации от клетки к клетке.

Только изучив молекулярный уровень, можно понять, как протекали процессы зарождения и эволюции жизни на нашей планете.

2. Какие элементы преобладают в составе живых организмов?

К самым распространённым в живой природе элементам следует отнести углерод, кислород, водород и азот. Именно эти элементы образуют молекулы (соединения) так называемых органических веществ.

3. Почему молекулы белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов рассматриваются как биополимеры только в клетке?

Специфические свойства биополимеров проявляются только в живой клетке. Выделенные из клеток, молекулы биополимеров теряют биологическую сущность и характеризуются лишь физико-химическими свойствами того класса соединений, к которому они относятся.

4. Что понимается под универсальностью молекул биополимеров?

Все мономерные звенья, образующие полимер универсальны, так как построены по одному плану у всех живых организмов, независимо от видовой принадлежности.

5. Чем достигается разнообразие свойств биополимеров, входящих в состав живых организмов?

Молекула полимера может состоять из многих тысяч соединённых между собой мономеров, которые могут быть одинаковыми или разными.

Задания

Какие биологические закономерности можно сформулировать на основе анализа текста параграфа? Обсудите их с учащимися класса.

1. Любая живая система, как бы сложно она ни была организована, проявляется на уровне функционирования биологических макромолекул.

2. Свойства биополимеров зависят от строения их молекул: от числа и разнообразия мономерных звеньев, образующих полимер.

3. Молекулы органических веществ построены по одному плану у всех живых организмов, независимо от видовой принадлежности.

Химические элементы в живых организмах образуют два класса соединений: органические и неорганические, а также находятся в свободном состоянии — в виде ионов. Все 94 элемента естественного происхождения имеют разное число протонов, расположение и количество электронов. Когда в XIX в. Дмитрий Менделеев выстроил их в таблицу согласно номерам, он открыл одну из величайших закономерностей естествознания: элементы демонстрируют химические свойства, которые по повторяемости можно объединить в 8 групп. Эта закономерная картина дала таблице своё название: Периодическая таблица химических элементов.

Периодическая таблица отображает химические элементы согласно атомному номеру и их свойству

Периодичность элементов, найденная Менделеевым, основана на взаимодействии электронов разных атомов на внешнем энергетическом уровне. Эти электроны называются валентными, и их контакты являются основой химических реакций. Для большинства атомов, важных для жизни, внешний энергетический уровень может содержать не более 8 электронов. Химическое поведение элемента зависит от того, сколько из его восьми позиций заполнено.

Элементы, обладающие всеми восьмью электронами внешнего энергетического уровня (у гелия 2) являются инертными, т. е. нереактивными. К ним относятся: гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar) и другие благородные газы. Напротив, элементы с семью электронами внешнего энергетического уровня, такие как фтор (F), хлор (Cl) и бром (Br) реактивны. Как правило, они получают дополнительные электроны, необходимые для заполнения энергетического уровня.

Другие элементы с одним электроном в их внешнем энергетическом уровне: литий (Li), натрий (Na) и калий (K) имеют тенденцию к потере одного своего электрона.

Строение атома лития
Автор: Ahazard.sciencewriter, CC BY-SA 4.0

Химические элементы в составе живых организмов

Отгадайте, о составе какого объекта идёт речь?

43 кг кислорода,
18 кг углерода,
7 кг водорода,
1,8 кг азота,
0,780 кг фосфора,
0,0042 кг железа
и ещё около 20 химических элементов.

Это состав человека среднего размера и веса. В отличие от неживой природы в живых существах химические элементы организованы в клетки.

Химический состав:
1 — земной коры,
2 — живых организмов

В земной коре преобладают кислород, кремний, алюминий и железо. В основе живых организмов находятся 4 элемента: кислород, углерод, водород, азот. Все элементы кроме кислорода, преобладающие в живых организмах, составляют незначительную долю массы земной коры.

Основные химические элементы в живых организмах — это:

углерод – C,
водород – H,
кислород – O,
азот – N,
фосфор – P,
сера – S,
натрий – Na,
калий – K,
кальций – Ca,
магний – Mg,
железо – Fe,
хлор – Cl.

Их доля в живых организмах может составлять 0,01% и выше. Все они имеют атомные номера меньше 21, так как их атомная масса низка. Первые 4 элемента: углерод, водород, кислород и азот составляют 96,3% массы любого организма.

Макроэлементы Микроэлементы

Натрий (Na) – 0,02-0,Ц03

Магний (Mg) – 0,02-0,03

Кремний (Ci) – 0,001(для растений – микроэлемент)

Марганец (Mn) – менее 0,0001

Кобальт (Co) – менее 0,0001

Большинство молекул (кроме воды), из которых состоит наше тело, представляют собой соединения углерода, называемые органическими веществами. Органические вещества в основном и состоят из этих первых четырёх макроэлементов, чем и объясняется их распространённость в живых системах.

Некоторые микроэлементы, такие как цинк (Zn) и йод (I), хотя и присутствуют в крошечных количествах, играют важнейшую роль в процессах жизнедеятельности. Дефицит йода, например, может привести к увеличению щитовидной железы, образованию так называемого зоба.

Таб.2. Роль химических элементов в клетке

Таб. 3. Основные ионы в клетках

Как соединяются химические элементы в живых организмах?

Группа атомов, удерживаемых энергией в устойчивой ассоциации, называется молекулой или кристаллом. При изучении веществ в живых организмах нам будут встречаться следующие типы химических связей:

ионные – когда притягиваются атомы с противоположными зарядами;
ковалентные – характеризующиеся обобщением (перекрытием) в облако пары валентных электронов от разных атомов;
водородные – связи между электроотрицательным атомом и атомом водорода H, связанным ковалентно с другим электроотрицательным атомом.

Ионные связи образуют кристаллы

В обычной поваренной соли – хлориде натрия (NaCl) – атомы удерживаются ионными связями, образуя решётку. Натрий имеет 11 электронов: 2 во внутреннем энергетическом уровне (К), 8 на уровне L и 1 на внешнем уровне М (валентность). Одиночный неспаренный валентный электрон имеет тенденцию к соединению с другим непарным электроном в другом атоме.

Стабильная конфигурация достигается за счёт потери электрона одним атомом и приобретения его другим. Натрий, теряя электрон, становится положительно заряженным ионом – катионом (Na+).

Минеральные соли в клетке накапливаются в виде кристаллов.

У атома хлора 17 электронов: 2 в уровне К, 8 в уровне L и 7 на М-уровне. Одна из орбиталей на внешнем энергетическом уровне содержит неспаренный электрон. Добавление электрона от другого атома превращает атом хлора в отрицательно заряженный хлорид-ион (Cl-). Так как противоположные заряды притягиваются, натрий и хлор остаются связанными нейтральным ионным соединением.

Кристаллическая решётка хлорида натрия. Голубой цвет = Na+ Зелёный цвет = Cl−
Автор: H Padleckas

Если кристаллическую решётку соли поместить в воду, электрическое притяжение молекул воды разрушает силы, удерживающие ионные связи. Раствор соли в воде представляет собой смесь свободных катионов натрия (Na+) и анионов хлора (Cl-).

Так как живые системы всегда содержат воду, то ионы для них важнее кристаллов. Многие химические элементы в живых организмах находятся в виде ионов. Необходимые в клеточных системах ионы – это:

Ca₂+, обеспечивающий передачу клеточных сигналов;
K + и Na +, участвующие в проведении нервных импульсов.

Если совместить металлический натрий и газообразный хлор, реакция образования хлорида натрия будет экзотермической – быстрой и с выделением тепла.

Ковалентные связи соединяют химические элементы в живых организмах и создают стабильные молекулы

Ковалентные связи образуются, когда два атома делят одну или несколько пар валентных электронов. В качестве примера рассмотрим газообразный водород (H₂). Каждый атом водорода имеет неспаренный электрон, а значит и незаполненный внешний уровень. По этой причине атом водорода нестабилен. Когда два атома водорода образуют тесную связь, оба валентных электрона притягиваются к их ядрам. Они как бы делят между собой электроны, в результате чего получается двухатомная молекула газообразного водорода.

Ковалентная связь, формирующая молекулу водорода H2 (справа), где два атома водорода перекрывают два электрона
Автор: Jacek FH, CC BY-SA 3.0

Молекула, образованная двумя атомами водорода, стабильна по трём причинам:

Она нейтральна, так как содержит 2 протона и 2 электрона.
Правило октета в ней выполнено. Каждый общий электрон атомов вращается вокруг обоих ядер.
У них нет неспаренных электронов.

Многие химические элементы в живых организмах образуют ковалентные связи.

Прочность ковалентных связей

Прочность ковалентных связей зависит от количества их общих электронов. В прошлом пункте мы рассматривали одинарную связь, двойная же связь объединяет 2 пары электронов, она более крепкая. Чтобы разорвать её, требуется больше энергии. Самые сильные ковалентные связи – тройные, такие которые объединяют два атома в молекулу газообразного азота (N₂).

Ковалентные связи в химических формулах показывают линиями. Каждая линия между атомами представляет собой совместное использование одной пары электронов. Структурная формула газообразного водорода H–H, кислорода O=O, а их молекулярные формулы H₂ и O₂. Структурный характер формулы для N₂ N ≡ N.

Молекулы с несколькими ковалентными связями

Огромное количество биологических соединений состоит более чем из двух атомов. Атом, который требует двух, трёх или четырёх дополнительных электронов для заполнения внешнего уровня, может приобрести их путём обмена с двумя и более атомами.

Например, атом углерода (С) содержит шесть электронов, четыре из них находятся на его внешнем энергетическом уровне и не имеют пары. Чтобы удовлетворить правилу октета, атом углерода должен образовать 4 ковалентных связи. Так как эти 4 скрепления могут производиться разными путями, углерод образует множество молекул, например: СО₂ (углекислый газ), СН₄ (метан), С₂Н₅ОН (этанол).

Модель атома углерода
Автор: Ahazard.sciencewriter, CC BY-SA 4.0

Полярные и неполярные ковалентные связи

Атомы отличаются количеством электронов, это свойство называется электроотрицательностью. В строке Периодической таблицы она увеличивается вправо и уменьшается книзу колонки, то есть элементы в правом верхнем углу имеют наиболее высокую электроотрицательность.

Для связи между двумя идентичными атомами, например между двумя атомами водорода или кислорода, электроны делятся поровну. Области их соединения называются неполярными. Таковы, например, молекулы Н₂, О₂.

При соединении значительно отличающихся по электроотрицательности атомов электроны не делятся поровну. Общие электроны, скорее всего, будут ближе к атому с большей отрицательностью, и хотя получившаяся молекула будет электрически нейтральной, заряд в ней распределится неравномерно. Неравномерность заряда приводит к областям частичной отрицательности (в районе наиболее отрицательного атома) и положительного заряда вблизи наименее отрицательного атома. Такие связи называются полярными ковалентными, а молекулы – полярными.

На схемах с изображением полярных молекул эти частичные заряды обозначаются греческой буквой Дельта (δ). Интересно, что хотя С и Н немного отличаются по электроотрицательности, связь между ними неполярна. Н₂О – полярная молекула, электроны в ней концентрируются около ядра атома кислорода. О воде мы будем говорить более подробно в следующем уроке.

Химические реакции взаимосвязаны и обратимы

Процессы образования и разрыва связей между атомами называются химическими реакциями. Все химические реакции обозначают перенос атома от одной молекулы в другое соединение, без каких-либо изменений в количестве или идентичности атомов. Для удобства оригинал молекул до начала реакции называют реагентом, а молекулы, образующиеся в результате реакции – продуктами. Например:

6H₂O + 6CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 6O₂, где 6H₂O + 6CO₂ – реагент, а C₆H₁₂O₆ + 6O₂– продукт. Это упрощённая формула реакции фотосинтеза, где вода и углекислый газ, вступая в реакцию, образуют молекулы глюкозы и кислорода.

Все химические реакции происходят под влиянием трёх факторов.

Температура. Нагрев реагентов увеличивает скорость реакции, потому что атомы при этом двигаются быстрее и сталкиваются друг с другом чаще. Но необходимо позаботиться о том, чтобы температура не поднялась слишком высоко и не разрушила молекулы.
Концентрация реагентов и продуктов. Реакции проходят быстрее, когда из-за более частых столкновений доступно больше реагентов. Накопление продуктов замедляет реакцию, а в обратимой реакции может привести к возвращению к исходным веществам.
Катализаторы. Катализатор – это вещество, которое увеличивает скорость реакции. Он не изменяет соотношения между реагентом и продуктом, а сокращает время их изменения. В живых системах почти во всех реакциях катализаторами служат белки энзимы (ферменты).

Многие реакции в природе обратимы. Это значит, что продукты могут снова стать реагентами, а реагенты – продуктами. Соответственно, мы можем записать предыдущую формулу в обратном порядке:

Эта упрощённый вариант окисления глюкозы, протекающего во время клеточного дыхания, когда глюкоза расщепляется на воду и углекислый газ в присутствии кислорода. Почти все живые организмы осуществляют разные формы окисления глюкозы.

Организмы – накопители химических элементов

Организмы, способные накапливать в своём теле один или несколько химических элементов называют концентраторами. Если элемент составляет 10% от веса их тела или от атомной массы, тогда они относятся к данной группе.

Читайте также: