Неорганические вещества

Хотя основу живых организмов составляют органические соединения, в ней также встречаются соединения, которые присутствуют в неживой природе. Из всех органических и неорганических веществ живые организмы в наибольшем количестве содержат воду. Ее содержание колеблется от 60 до 95 %. Оно зависит от вида и возраста организма, может быть различным в разных частях организма. Например, семена растений содержат лишь 10–15 % воды. В сердце человека вода составляет около 80 %, а медуза на 95 % состоит из воды. Вода важна для всех живых организмов по двум причинам. Во-первых, составляя основную массу организма, она является той средой, в которой существуют все другие компоненты живого. Во-вторых, вода участвует во многих биохимических реакциях, приводящих к образованию или распаду многих органических соединений. Кроме того, для многих организмов вода является средой обитания.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ

Вода — полярная молекула: так как кислород более электроотрицателен, чем водород, и стягивает на себя электронную плотность, на атоме О имеется частичный отрицательный (δ–), а на атомах Н — частичный положительный (δ+) заряд.

Между О одной молекулы воды и Н другой молекулы воды возникает водородная связь. В жидкой воде водородные связи образуются между всеми молекулами, однако молекулы перемещаются, что может сопровождаться разрывом водородных связей и образованием новых.

Когда вода кипит, все водородные связи между молекулами воды должны быть разорваны, чтобы молекулы по отдельности «улетали» в пар. На разрыв водородных связей тратится энергия. Поэтому по сравнению с неполярными веществами примерно той же молекулярной массы, например метаном CH4, вода имеет высокую температуру плавления и кипения, высокую теплоемкость.

Эти свойства важны для живых систем: благодаря высокой теплоемкости воды живые организмы, а также водоемы медленно нагреваются и медленно остывают, а внутри них тепло успевает равномерно распределяться по всему объему (все части нашего тела имеют близкую температуру).

В структуре льда молекулы воды также связаны водородными связями. Лед легче воды и плавает над ее поверхностью. Это защищает водоемы от полного промерзания зимой, так что организмы могут выживать подо льдом.

ГИДРОФИЛЬНОСТЬ И ГИДРОФОБНОСТЬ

Вода играет в живых системах роль универсального растворителя. По принципу «подобное растворяется в подобном» в ней растворяются вещества полярной или ионной природы, так как частицы этих веществ содержат частичные или полные заряды и могут взаимодействовать с молекулами воды. Например, к ионам притягиваются противоположно заряженные части молекул воды, в результате чего ион гидратируется, приобретая гидратную оболочку — оболочку из молекул воды (см. рис.). Полярные молекулы, такие как этиловый спирт, тоже образуют водородные связи и гидратируются. На рисунке показано растворение поваренной соли NaCl в воде и гидратация соответствующих ионов.

Если полярные или ионные вещества не растворяются в воде, они ею тем не менее смачиваются (идет взаимодействие воды с поверхностью). Растворяющиеся в воде или смачиваемые ею вещества называются гидрофильными. Примеры гидрофильных веществ — соли, этанол, соляная и уксусная кислоты, сахары, растворимые белки и др.
Вещества, молекулы которых неполярны, плохо растворяются в воде и не смачиваются ею. Их молекулы не способны взаимодействовать с молекулами воды и образовывать водородные связи. Нахождение их молекул среди молекул воды энергетически невыгодно. Они как бы стремятся минимизировать площадь поверхности контакта с водой, то есть «избегают воды» — это гидрофобные вещества (от греч. «гидрос» — вода, «фобео» — боюсь). Эти вещества обычно образуют в воде отдельную фазу — взвесь капелек (эмульсию, например, молочный жир в молоке) или отдельный слой, который в зависимости от плотности тонет (например, фенол) или всплывает (например, растительное масло или бензин) в воде.

Поскольку разность электроотрицательностей углерода и водорода низка, к гидрофобным веществам относятся углеводороды — органические молекулы, построенные только из атомов С и Н, например парафин, бензин, керосин (это смеси природных углеводородов нефти).

Схема расслаивания эмульсии масла в воде приведена на рисунке.

ИОНЫ

Неорганические вещества в живых клетках помимо воды представлены в основном в виде растворенных солей. Их содержание в живых организмах составляет около 1 %. В наибольших количествах присутствуют катионы Na+,K+,Ca2+,Mg2+ и анионы хлорид Cl−, фосфаты PO2−4, карбонаты CO2−3. Важно отметить, что содержание ионов в клетке и окружающей ее среде значительно различаются. Так, в клетках всегда значительно выше содержание калия, магния и ниже содержание натрия и кальция. Это обеспечивается активным переносом этих ионов через клеточную мембрану, который осуществляется специальными белками — ионными насосами. Многие катионы, особенно Mg2+, находятся в клетке не в свободном состоянии, а в виде солей нуклеиновых кислот и нуклеотидов. Анионы фосфорной и угольной кислоты играют в живых организмах важную роль буферных систем, поддерживающих постоянное значение кислотности (концентрации ионов водорода H+) в цитоплазме и внеклеточных жидкостях организма.

КИСЛОТНОСТЬ И БУФЕРЫ

Другие неорганические вещества образуют комплексы с белками, например входят в состав ферментов, играя важную роль в процессах катализа. В такой форме участвуют в жизнедеятельности клеток соединения железа, серы, марганца, меди, цинка, кальция, кобальта и др. Некоторые неорганические компоненты входят в состав важных органических веществ, например магний — в состав хлорофилла, а йод — в состав гормонов щитовидной железы. Особо следует отметить остатки фосфорной кислоты, входящие в состав нуклеотидов и нуклеиновых кислот и играющие важную роль в энергетических и генетических процессов в клетке.

Неорганические вещества содержатся в некоторых живых организмах в виде нерастворимых твердых веществ. Это прежде всего скелетные образования: кости позвоночных, состоящие в основном из фосфата кальция, раковины моллюсков и фораминифер, построенные из углекислого кальция, панцири диатомовых водорослей, образованные из окиси кремния. Кроме того, неорганические соли, главным образом кальциевые, входят в качестве компонентов, повышающих прочность и жесткость, в ряд структурных образований, построенных в основном из органических веществ, например в хитиновые покровы членистоногих, в межклеточное вещество растений.