Элементы, содержащиеся в живых организмах

В земной коре встречается около 100 химических элементов, но для жизни необходимы только 16 из них (табл. 5.1). Наиболее распространены в живых организмах (в порядке убывающего числа атомов) четыре элемента: водород, углерод, кислород и азот. На их долю приходится более 99% как массы, так и числа атомов, входящих в состав всех живых организмов. Однако в земной коре первые четыре места по распространенности занимают кислород, кремний, алюминий и натрий. Биологическое значение водорода, кислорода, азота и углерода связано в основном с их валентностью, равной соответственно 1, 2, 3 и 4, а также с их способностью образовывать более прочные ковалентные связи, нежели связи, образуемые другими элементами той же валентности.

Элементы, без которых невозможны рост и развитие того или иного организма, называют основными элементами. Главные из них - углерод, водород, кислород, азот, сера, фосфор, калий, натрий, магний, кальций и хлор. Кроме того, некоторые элементы (микроэлементы) требуются только в очень малом количестве (порядка нескольких частей на миллион). Всем организмам нужны марганец, железо, кобальт, медь и цинк, а некоторым еще и молибден, ванадий, хром и другие тяжелые металлы, а также бор, кремний, фтор и йод в определенных сочетаниях (см. табл. 5.1). Зеленые растения получают из почвы все нужные им элементы, кроме углерода, водорода и кислорода. Механизм поглощения минеральных солей мы рассмотрим в гл. 14.

Неорганические микроэлементы, необходимые гетеротрофным организмам (животным и грибам), иногда объединяют вместе с витаминами. Это связано с тем, что и витамины, и микроэлементы нужны лишь в очень малых количествах и играют сходную роль в метаболических процессах, часто выступая в качестве коферментов. С витаминами мы познакомимся в следующей главе. Автотрофные организмы сами синтезируют нужные им витамины. Элементы, необходимые в не столь малых количествах, называют макроэлементами. Недостаток любого из элементов питания вызывает определенное заболевание.

Таблица 5.1. Элементы, встречающиеся в живых организмах¹⁾

В табл. 9.10 приведены в качестве примеров некоторые функции важнейших элементов. Как видно из таблицы, минеральные элементы поглощаются растениями в виде ионов - либо анионов (отрицательно заряженных ионов), либо катионов (положительно заряженных ионов). Это относится и к микроэлементам, хотя их ионы в таблице не указаны.

Таблица 9.10. Некоторые основные элементы питания и их использование у живых организмов

Таблица 9.10. Продолжение

Таблица 9.10. Продолжение

Таблица 9.10. Продолжение

Значение углерода

Углерод имеет ряд уникальных химических свойств, фундаментальных для жизни. Изучением углерода и его соединений занимается отдельная отрасль химии - органическая химия. В чем заключаются эти уникальные свойства углерода? Его атомный номер равен 6, потому что в его ядре содержится шесть протонов, а вокруг ядра обращается шесть электронов (рис. П.1.1). Ядро содержит еще и шесть нейтронов, так что атомная масса углерода равна 12. Вступая в химическую реакцию, углерод приобретает заполненную (стабильную) оболочку из восьми электронов путем обобществления четырех электронов. Он, следовательно, образует ковалентные связи (обобществляет электроны), и валентность его равна 4 (он обобществляет четыре электрона).

Рис. 5.2. Два способа изображения структурных формул этановой (уксусной) кислоты СН₃СООН

Зная валентность углерода (4), нетрудно определить местоположение всех недостающих водородных атомов. Такой способ изображения удобен вдвойне: он упрощает написание структурных формул и позволяет сосредоточить внимание на более важных химических группах.

Значение углерода определяется, как сказано, тем, что он способен образовывать стабильные, прочные ковалентные связи. Эти связи он образует как с другими углеродными атомами, так и с атомами других элементов.

Углерод обладает особенностью, не свойственной (во всяком случае в такой мере) ни одному другому элементу: соединяясь между собой ковалентными связями, его атомы образуют стабильные цепи или кольца (рис. 5.3). Именно этой особенностью углерода и объясняется в первую очередь чрезвычайное разнообразие органических соединений; С-С-связи можно рассматривать как скелет органических молекул.

Рис. 5.3. Цепь (А) и кольцо (Б), построенные из атомов углерода путем образования С-С - связей

Углеродные атомы образуют обычно ковалентные связи с атомами Н, N, О, Р и S. Соединение с этими и с другими элементами в различных комбинациях обеспечивает большое разнообразие органических соединений.

Кратные связи. Еще одно важное свойство углерода заключается в его способности образовывать кратные связи; этим же свойством обладают кислород и фосфор. Известны следующие кратные связи:

Кратные связи

Соединения, содержащие двойные (=) или тройные (≡) углерод-углеродные связи, называются ненасыщенными. В насыщенном соединении имеются только простые (одинарные) углерод-углеродные связи.

5.3. Напишите структурную формулу ненасыщенного органического соединения этена (этилена) С₂Н₄.

Суммируем важные химические свойства углерода:

1. Его атомы сравнительно малы и атомная масса невелика.

2. Он способен образовывать четыре прочные ковалентные связи.

3. Он образует углерод-углеродные связи, строя таким путем длинные углеродные скелеты молекул в виде цепей и (или) колец.

4. Он образует кратные ковалентные связи с другими углеродными атомами, а также с кислородом и азотом.

Это уникальное сочетание свойств обеспечивает колоссальное разнообразие органических молекул. Разнообразие проявляется в размерах молекул, определяемых их углеродным скелетом, в химических свойствах, которые зависят от присоединенных к скелету элементов и химических групп, а также от степени насыщенности скелета, и, наконец, в различной форме молекул, определяемой геометрией, т. е. углами связей.