§ 2. Химические соединения в живых организмах. Неорганические вещества

1. Какие неорганические вещества входят в состав живых организмов?

Вода, неорганические (минеральные) соли и кислоты.

2. Какие вещества называют гидрофильными? Гидрофобными? Приведите примеры.

Гидрофильными называют полярные вещества, которые активно взаимодействуют с молекулами воды за счет образования многочисленных водородных связей, что и обусловливает их хорошую растворимость (низшие спирты и карбоновые кислоты, моносахариды, дисахариды).

Гидрофобными называют неполярные вещества, которые не формируют водородные связи с молекулами воды и не растворяются в ней (высшие карбоновые кислоты, жиры).

3. Охарактеризуйте биологическую роль минеральных солей и кислот.

Минеральные соли и кислоты играют важную биологическую роль. Например, соляная кислота (HCl), входящая в состав желудочного сока позвоночных животных, создает в желудке кислую среду. Это способствует уничтожению болезнетворных микроорганизмов и активации ферментов желудочного сока. Остатки фосфорной кислоты входят в состав фосфолипидов, нуклеотидов, АТФ. Фосфорная и угольная кислоты, а также анионы этих кислот участвуют в поддержании определенной кислотности внутри клеток и во внеклеточной среде.

4. Сколько воды содержится в живых организмах и от чего это зависит? Почему растения при недостатке воды увядают?

В живых организмах массовая доля воды составляет 65—80 %. Количество воды неодинаково в разных тканях и органах. С возрастом содержание воды в организме постепенно снижается.

Вода определяет объём клетки и внутриклеточное (тургорное) давление, вызывающее напряжённое состояние клеточной оболочки. При недостатке воды в клетках снижается тургорное давление, поэтому растения увядают.

5. Как вы думаете, почему большинство полярных веществ хорошо растворяются в воде, а неполярные, как правило, в ней нерастворимы?

Молекулы воды полярны, это позволяет им взаимодействовать с другими полярными веществами.

Неполярные вещества, как правило, нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в неполярных растворителях.

6. Какие функции выполняет вода в живых организмах?

В живых организмах вода выполняет 4 основных функции:

1. Структурная (вода ходит 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).
2. Метаболическая (вода является средой протекания и участником биохимических реакций).
3. Транспортная (вода способствует всасыванию растворенных веществ, их перемещению в организме и выведению конечных продуктов обмена веществ).
4. Терморегуляторная (вода участвует в регуляции теплового режима организмов).

7. Как физические и химические свойства воды связаны с ее биологическими функциями?

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. 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.

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.

8. Анионы фосфорной кислоты обеспечивают поддержание относительно постоянной концентрации ионов водорода внутри клеток. Во внеклеточной среде эту функцию выполняют угольная кислота и гидрокарбонат-ион. Почему эти соединения позволяют поддерживать определенную кислотность среды, в то время как азотная и соляная кислоты, а также их анионы, не обладают такими свойствами?

Угольная кислота является слабым электролитом. В водных растворах лишь небольшая часть её молекул диссоциирована на ионы, поэтому в межклеточной среде наряду с гидрокарбонат-ионами (НСО₃^–) содержатся и недиссоциированные молекулы угольной кислоты (Н₂СО₃).

Внутри клеток наблюдается определённый баланс (равновесие) между анионами фосфорной кислоты Н₂РО₄^– и НРО₄^2–. При снижении кислотности среды равновесие смещается вправо и высвобождаются дополнительные ионы водорода (Н⁺). При повышении кислотности равновесие смещается влево – происходит связывание «лишних» ионов Н⁺.

Благодаря этому реакция внеклеточной среды (или внутриклеточного содержимого) практически не меняется.

Азотная и соляная кислоты – сильные электролиты. При растворении в воде они почти полностью диссоциируют на ионы и эта диссоциация практически необратима. Поэтому азотная и соляная кислоты (а также их анионы) не могут поддерживать определенную кислотность среды.