Клетките, тъканите и органите на организмите са съставени от няколко химични елементи, както и от техни съединения. Същите химични елементи могат да се срещнат и в неживата природа. Някои от химичните елементи са характерни само за живите организми например белтъците, нуклеиновите киселини и други. Особеностите в техните структури и свойства са ключ за разбиране на сложните процеси, които протичат в клетката.
Разпространение на химичните елементи в организмовия свят.
На нашата планета Земя се срещат около 100 химични елемента. На фигура 36 може да видите съпоставка в разпространението на някои от тях намиращи се в земната кора, както и в живата природа. От тази фигура 36 се вижда, че в неживата природа много разпространени са елементите O, Si, следвани от Al, Ca, Mg, Na, K и Fe.
От химичните елементи намиращи се в живите организми най-разпространени са H, O, C и N, както и елементите P и S.
Елементите с високо съдържание в клетките са означени като макроелементи. Освен изброените шест елемента, макроелементи са още калият, натрият, калцият, желязото, хлорът и магнезият. Общо всички тези елементи съставляват повече от 99% от масата на живите организми. Някои химични елементи макар и да присъстват в много малки количества, са също жизненоважни за клетката. Такива елементи са: Cu, Zn, Mo, Co, Mn, B, Se, F, I и други. Те се означават като микроелементи.
Животът е много сложно природно явление. Естествено е да очакваме, че сложните жизнени процеси изискват участие на сложни по състав и структура молекули. Посочените елементи притежават свойства, които ги правят особено подходящи за изграждането на разнообразни и много сложни молекули.
Химичните елементи H, O, C и N се отличават с ясно изразена способност да образуват ковалентни връзки, което им позволява да влизат в състава на сложни и много стабилни съединения.
Широкото разпространение на елементите H и O се обяснява и с това, че тяхното най-просто съединение – водата представлява 70% от масата на клетката. Именно водата е средата, в която се извършват повечето жизнени процеси и тя от своя страна никога не може да бъде заменена с никое друго съединение. Водата също е външна среда за много водни организми и е най-разпространеното съединение на земята изобщо. Като се добавят и сложните съединения в които участват H и О, става ясно защо те са най-разпространените в живата природа.
Свойства и значение на въглерода.
Въглеродът заема особено място сред макроелементите. Съединенията му в организмите наречени органични съединения са изключително многобройни и разнообразни. От близо 2,2 милиона известни ни химични съединения, около 2 милиона са на въглерода. Въглеродните съединения в организма достигат почти 25% от всички химични съединения, като по съдържание те отстъпват само на водата.
Във външния си електронен слой въглеродът има четири електрона и може да образува четири ковалентни връзки с въглеродни и с други атоми или атомни групи. Тий като той се явява както в +4, така и в -4 валентност, той може да взаимодейства с електроотрицателни и с електроположителни атоми. Така „C“ образува съединения от една страна с H, а от друга – с O, N, S и P.
Свързвайки се здраво чрез ковалентни връзки помежду си или с атоми на други химични елементи, въглеродните атоми образуват стабилни вериги и пръстени.
ЛЮБОПИТНО: Когато четирите валенции на въглерода се наситят чрез присъединяване на четири атома или атомни групи, те се разполагат така, че образуват четиристенник, в центъра на който се намира въглеродния атом (Вижте фигура 39). Това разположение на тези връзки осигурява максимално разстояние между въглеродните атоми и позволява преместването и на сравнително големи атомни групи в отделните върхове на четиристенника.
Веригите на въглеродните съединения се срещат в прави, разклонени и циклични форми (вижте фигура 31.0.). Това е една предпоставка за формиране на сложни и много големи молекули. В състава на верижните въглеродни съединения въглеродът може да образува както прости, така и двойни и тройни връзки. Всичко това допринася за изграждането на разнообразни по форма и размер молекули с най-различни химични свойства.
ЛЮБПИТНО: Si също може да образува верижни молекули и дори по-стабилни ковалентни връзки от C. Ако приемем за 100% здравината на връзката Si-O, то здравината на връзките на C в органичните съединения възлиза на около 50% от нея. Силициевите връзки обаче са толкова здрави, че за да бъдат разкъсани при химични взаимодействия са нужни много крайни условия (много висока температура и налягане), каквито на земята не съществуват. Ето защо те, със своята устойчивост са неизменими за неорганичния свят. За изграждане на органичните съединения освен стабилност е необходима и реактивоспособност, за да може органичните съединения да участват в сложните реакции, протичащи в клетките. За тях уникални и незаменими по свойства се оказват съединенията на въглерода.
Химични съединения в клетката
Основните органични съединения, които изграждат живата клетка, са белтъците, нуклеиновите киселини, въглехидратите и липидите. Това са молекулите на живота или както още се наричат биомолекули (от гръцки биос – живот).
До 1828г. се е считало, че органични съединения могат да се синтезират само от живи организми. Тогава Вьолер синтезирал в епруветка първото органично съединения – карбамид, и показал, че такива съединения могат да се синтезират и извън клетката. Възможно е в праисторически времена именно така да са се синтезирали прости органични съединения.
В състава на клетката влизат и неорганични съединения предимно под формата на водни разтвори (на киселини, основи и соли), които изпълняват твърде важни функции. Неорганичните съединения CO2 и H2O, както и елементите азот, фосфор и сяра участват в изграждането на някои прости органични съединения. Те от своя страна служат като градивни единици (строителни блокове) За образуване на по-сложни молекули. Тези градивни единици се наричат мономери, а изградените от тях по-сложни органични съединения – полимери. Полимерните съединения в клетката се означават като биополимери.
Биополимерите на нуклеиновите киселини, белтъците и полизахаридите. Те са изградени от много на брой специфични мономери и имат голяма молекулна маса. Наричат се още макромолекули. В зависимост от това дали са изградени от еднакви или различни мономери, биополимерите биват хомополимери или хетерополимери.
Аминокиселините са мономери на белтъците, простите захари са мономери на полизахаридите (например глюкозата е мономер на гликогена и скорбялата).
Липидите (мазнините) заемат особено място сред органичните съединения в клетката. Те имат по-малки размери и не принадлежат към макромолекулите. Поради съществената им роля в изграждането на клетъчните мембрани и при функционирането на клетката, те се изучават наред с биополимерите.
Въглеродните атоми в мономери много често са свързани с различни реактивоспособни атомни групи. Тези групи се означават като функционални химични групи. Такива функционали групи са: хидроксилна група (-ОН), алдехидна група (-СНО), кето-група (СО), карбоксилна група (-СООН), аминогрупа (-NH2) Вижте фигура 31.1.
Обърнете внимание, че някои от тези групи могат да преминат една в друга при окисление или редукция. Когато се запознаете със структурата на нуклеиновеите киселини, белтъците, въглехидратите и липидите, вие ще се убедите, че голяма част от функционалните им групи са разположени на повърхността на тези молекули и са достъпни за взаимодействие с други молекули. Именно съвкупността от тези функционални групи в една макромолекула играе съществена роля при определяне на свойствата и.
В зависимост от разпространението им в живите организми химичните елементи се делят на макро- и миркоелементи. Най-широко застъпени са H, O, C и N, непосредствено следвани от P и S. Тези елементи се отличават по способността си да образуват стабилно ковалентни връзки помежду си и да формират сложни молекули. Свързвайки се помежду си, с други химични елементи или атомни (функционални) групи, въглеродните атоми образуват стабилни вериги или пръстени. Функционалните групи в състав на органичните съединения в клетката играят съществена роля при определяне на химичната има реактивоспособност. Основни органични съединения в клетката са биомолекулите: белтъци, нуклеинови киселини, въглехидрати и липиди. Първите три групи съединения са големи молекули и се наричат макромолекули, имат лимерен характер, изградени са от по-прости съединения, наричани мономери и се означават като биополимери. Биополимерите биват хомо- и хетеробиополимери, в зависимост от това дали са изградени от еднакви или различни мономери.
