Основы биохимии - А. А. Анисимов 1986

Общая биохимическая характеристика живых организмов
Химический состав живых организмов

В составе живых организмов нет ни одного химического элемента, который бы составлял исключительную принадлежность именно живых организмов, не встречался в неживой природе. Это обстоятельство является одним из многочисленных доказательств ложности виталистических представлений о строении живых организмов. Кроме обычных химических элементов в живом организме нельзя обнаружить и следов какой-то особой «жизненной силы».

Из 107 известных в настоящее время химических элементов в живых организмах найдено более 70, из них около 20 встречается во всех типах организмов; как и в верхних слоях земной коры, в них количественно преобладают элементы с малыми атомными массами. Длительное время существовало неправильное представление о химическом элементарном составе биомассы нашей планеты. Считали, что число «обязательных» элементов для живой природы очень невелико; существовали даже теории, пытавшиеся объяснить и обосновать причины такой ограниченности. Авторы этих теорий допускали типичные метафизические ошибки, рассматривая состав живых организмов как нечто постоянное, неизменяющееся, вне его взаимосвязи с окружающей средой, с веществами литосферы (земной коры).

Еще К. А. Тимирязев указывал, что одного экспериментального метода недостаточно для решения биологических проблем, он должен сочетаться с историческим методом. Именно с этих диалектических позиций рассматривал химию биосферы выдающийся русский ученый, один из основателей науки о химии земли — геохимии, В. И. Вернадский (1863—1945). В своей широко известной книге «Биосфера» (1926) он писал, что жизнь представляет собой не случайное явление на земной поверхности, она теснейшим образом связана со строением земной коры. Геохимические процессы, непрерывно идущие в земной коре, и эволюция химического элементарного состава живого вещества, по Вернадскому, — два сопряженных процесса. По мере развития жизни на Земле все большее число химических элементов вовлекалось в круг жизненных процессов. Включаясь в метаболизм на протяжении огромного числа поколений, многие элементы стали обязательными компонентами живых организмов, необходимость в них закрепилась наследственно. Сказанное не отрицает, конечно, возможности случайного, одномоментного попадания некоторых элементов в живой организм вместе с пищей, водой. Более того, известны элементы, которые присутствуют достаточно часто у многих видов животных и растений (хотя и в микроколичествах), но необходимость в них у большинства видов отсутствует (Al, As, Rb и др.).

Следует заметить, что вопрос о необходимости или незаменимости того или иного химического элемента для конкретных видов живых организмов не всегда решается однозначно и просто. Так, если критерием необходимости считать неспособность данного организма нормально развиваться при отсутствии определенного элемента, то возникает затруднение с взаимозаменяемыми элементами (например, у растений хлор, по крайней мере частично, может быть заменен бромом). Необходимость в том или ином элементе зависит также от конкретных условий. Так, при нитратных формах азотного питания водоросли Scenedesmus не растут в отсутствие молибдена, а на средах с аммиачной формой азота молибден им не нужен.

Живые организмы в свою очередь оказывали и оказывают существенное влияние на химический состав земной коры, между ними всегда есть тесное взаимовлияние, взаимосвязь. Однако эта взаимосвязь основана не на прямо пропорциональных количественных соотношениях. Так, в неорганической природе широко распространены элементы, дающие в большинстве случаев нерастворимые соединения (Si, Fe, Al), а в живых организмах эти элементы присутствуют в очень малых количествах. В то же время основную массу биосферы составляют элементы, легко образующие растворимые и газообразные соединения (С, N, Р, S), но в земной коре их содержание относительно невелико. Хорошая растворимость этих элементов, oбеспечивают, видимо, и легкость их попадания в организм, а также активное участие в обменных процессах. В. И. Вернадский предложил группировать химические элементы биосферы «декадами» в зависимости от содержания в живых организмах (табл. 1.1).

Таблица 1.1. Средний элементарный состав растений и животных

Потребность в некоторых химических элементах не одинакова у отдельных таксономических групп. Например, положительное действие мышьяка убедительно установлено только для ряда водорослей и плесневых грибов. Более того, В. И. Вернадским и его учеником А. П. Виноградовым было высказано положение об элементном химическом составе растений как о систематическом признаке. Так, хорошая корреляция между содержанием иода и таксономией установлена для водорослей. У одного из наиболее распространенных семейств бурых водорослей Laminariaceae известны роды и виды, исключительно богатые иодом. В то же время обитающие в тех же морях виды другого распространенного семейства бурых водорослей Fucaceae всегда значительно беднее иодом.

Существует определенная зависимость между распространением элементов в биосфере, их биологической ролью и положением в периодической системе Менделеева. Вещества живых организмов более чем на 99% состоят из элементов первых трех периодов этой системы, т. е. из легких элементов. Как правило, при переходе от легких к тяжелым элементам в пределах одной и той же подгруппы (например, Zn→-Cd→Hg) возрастает токсичность элементов и одновременно уменьшается содержание их в биомассе. Высокой биологической активностью обладают многие соединения так называемых переходных металлов, к которым относятся элементы 4-го периода (с 21 по 30): Mn, Fe, Со, Ni, Cu, Zn и др. Это связано с хорошо выраженной у этих элементов способностью к образованию комплексов, в которых они играют роль центральных атомов. Комплексные соединения нередко обладают каталитической активностью, входят в состав ферментативных молекул (например, железосодержащие геминовые ферменты). Элементы некоторых подгрупп периодической системы могут в той или иной степени заменять друг друга в биологических процессах (например, Са и Ва, Сl и Вr).

Около 98% массы биосферы составляют четыре элемента: водород, кислород, углерод и азот. Они легко спаривают электроны и образуют прочные ковалентные связи. Малые размеры атомов этих элементов также способствуют образованию коротких, прочных химических связей. Молекулы с такими связями более устойчивы к действию химических и других факторов. Большое значение имеет также способность перечисленных элементов образовывать кратные связи (двойные, тройные), благодаря чему они превосходят многие элементы по числу и разнообразию соединений с уникальными свойствами.

Интересно сравнение углерода и кремния. Запасов Si на Земле в 135 раз больше, чем С. Можно было бы предполагать, что и роль кремния в биосфере более значительна по сравнению с углеродом. Однако это не так. Кремний в присутствии кислорода дает однотипные, нерастворимые и неактивные полимеры из SiO2. Меньший размер атомов углерода по сравнению с кремнием обусловливает возможность образования ими более прочных связей, в том числе ковалентных углерод-углеродных, не только одинарных, но и двойных, тройных. Спаренные электроны создают вокруг каждого атома углерода тетраэдрическую конфигурацию. В результате может возникнуть бесчисленное множество разнообразных каркасов органических молекул с различной пространственной структурой. Никакой другой химический элемент, кроме углерода, не образует прочные молекулы с таким большим разнообразием конфигураций, размеров, функциональных групп, химической и биологической активности.

Основными типами соединений, входящих в состав живых организмов, являются: белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды (жиры и жироподобные вещества), вода, минеральные соли. Кроме них в составе организмов присутствуют некоторые другие органические вещества: карбоновые кислоты, углеводороды, амины, спирты, альдегиды. Есть вещества, характерные только для растительных тканей: эфирные масла, алкалоиды, дубильные вещества. И, наконец, в отдельные группы должны быть выделены вещества, присутствующие в тканях живых организмов, как правило, в небольших количествах, но играющие первостепенную роль в регуляции всего обмена веществ: гормоны, ферменты, витамины, антибиотики, фитонциды и т. п. Их иногда объединяют в группу биологически активных соединений.

Серьезной ошибкой ряда биохимиков и цитологов было представление о протоплазме живых клеток как о смеси (хотя и очень сложной) перечисленных соединений. При этом все процессы, протекающие в живой клетке, сводились только к химическим и физикохимическим явлениям. Это — типичное механистическое толкование биологических процессов, сводящее различия между живой и неживой материей только к количественным характеристикам, отрицающее качественные различия. Протоплазма живых клеток — не смесь множества веществ, а система с присущими только ей закономерностями, качественными особенностями живой материи.