Часть 6. Химический состав живых организмов. Потребности в веществах и энергии

6.1.1. Классификации элементов, входящих в состав живых организмов. По отношению элементов к живым организмам принято разделение их на несколько групп: 1) на биогенные и абиогенные, 2) на макро-, микро- и ультрамикроэлементы, 3) на ятрогенные (т. е. вроде бы и нужные, но вредящие), эссенциальные (жизненно важные) и условно эссенциальные, 4) на токсичные и условно токсичные. Из 92 стабильных в естественных условиях элементов в живых организмах обнаружен 81.

В табл. 1 показано содержание некоторых химических элементов в растительных и животных организмах, приведенное в перерасчете на количество молей на тонну сухого органического вещества.

Биогенные элементы − это химические элементы, постоянно входящие в состав организмов и имеющие определённое биологическое значение. К ним прежде всего следует отнести кислород (составляющий 70 % массы организмов), углерод (18 %), водород (10 %), кальций, азот, калий, фосфор, магний, сера, хлор, натрий, железо. Эти элементы входят в состав всех живых организмов, составляют их основную массу и играют большую роль в процессах жизнедеятельности. Многие элементы имеют большое значение только для определённых групп живых существ (например, бор необходим для растений, ванадий — для асцидий). Содержание тех или иных элементов в организмах зависит не только от их видовых особенностей, но и от состава среды, пищи (для растений − от концентрации и растворимости тех или иных почвенных солей), экологических особенностей организма и других факторов.

Биогенные элементы, в свою очередь, подразделяются на макро-, микро- и ультрамикроэлементы (табл. 2).

Первую подгруппу биогенных элементов образуют первоэлементы, или органогены. Исходя из весовых отношений (т. е. г/т), к органогенам традиционно причисляют, учитывая их общее содержание

Содержание некоторых химических элементов в раститель- ных и животных организмах, моль/т [1]

в живом веществе (98,72 ат %), четыре элемента: кислород, углерод, водород и азот.

Эти четыре элемента идеально подходят к выполнению биологических функций, так как все они легко образуют ковалентные связи посредством спаривания электронов. Для того чтобы полностью укомплектовать свои внешние электронные оболочки и образовать таким образом стабильные ковалентные связи, водороду требуется один электрон, кислороду – два, азоту – три и углероду – четыре электрона. Эти четыре элемента могут легко реагировать друг с другом, заполняя свои внешние электронные оболочки. С помощью одинарных и двойных связей углерод, азот и кислород могут образовывать различные химические соединения. Среди элементов, способных образовывать ковалентные связи, они самые легкие. Так как прочность ковалентной связи обратно пропорциональна атомным весам связанных с ее помощью атомов, то возможно, что живые организмы «выбрали» именно эти элементы из-за их способности формировать прочные ковалентные связи.

Очень важна способность атомов углерода взаимодействовать друг с другом, образуя стабильные углерод-углеродные связи, что и обеспечивает углеводородные каркасы разнообразных молекул. Соединениям углерода свойственна еще одна отличительная особенность, которая состоит в способности спаренных электронов образовывать вокруг каждого атома углерода тетраэдрическую конфигурацию, благодаря чему различные типы органических молекул обладают разной трехмерной структурой. Никакой другой химический элемент, кроме углерода, не может создавать стабильные молекулы со столь разнообразными конфигурациями и размерами и с таким многообразием функциональных групп.

Кремний, значительно более распространенный в литосфере, чем углерод, оказался менее пригодным для живых организмов, по всей видимости, потому, что: 1) соединения кремния малорастворимы; 2) в присутствии кислорода связи кремний – кремний нестабильны.

В качестве первичных элементов жизни необходимо добавить еще фосфор и серу.

В самом деле, жизнь невозможна без передачи наследственной информации и без энергии. Фосфор входит в состав основы молекул наследственности – ДНК и РНК, а также молекулы, поставляющей энергию, – АТР.

Сера не только входит в состав двух из 20 основных аминокислот – метионина и цистеина − единиц, образующих белки всех высших организмов, но и в их составе, образуя дисульфидные мостики, формирует третичную, глобулярную структуру белка.

Во вторую подгруппу биогенных элементов под общим названием «макроэлементы» можно объединить шесть элементов: калий, натрий, кальций, магний, хлор, кремний. Эти элементы явились основой для появления одноклеточных организмов около 3 млрд лет назад. Необходимо было развить системы внутреннего минерального гомеостаза посредством создания клеточной мембраны и тургорной, буферной системы.

Третья подгруппа биогенных элементов – эссенциальные микроэлементы, удовлетворяющие следующему условию: и дефицит, и избыток данного элемента приводят к патологическим отклонениям в организме. Это направление было развито с использованием лабораторных животных, содержащихся на искусственных диетах, обедненных или обогащенных тем или иным микроэлементом. Кроме того, необходимые знания были получены при изучении заболеваний различной этиологии у человека. К этой подгруппе можно отнести десять элементов, биологическая значимость которых в организме высших млекопитающих и человека на сегодняшний день твердо установлена: железо, медь, цинк, марганец, хром, селен, молибден, йод, кобальт, фтор.

Существует ряд микроэлементов, стабильно присутствующих в человеческом организме. Дефицитные их состояния обнаружены лишь у некоторых сельскохозяйственных и лабораторных животных. В четвертую подгруппу условно эссенциальных микроэлементов относятся следующие: мышьяк, бор, бром, литий, никель, ванадий, кадмий, свинец. В геологическом плане большинство из них вулканического происхождения, появились на относительно поздних этапах развития Земли, и можно предполагать, что в метаболизм организмов с эволюционной точки зрения они включились сравнительно поздно.

Имеется группа элементов с неизведанными функциями, которую с достаточно большой степенью осторожности можно связать с интеллектуальными способностями человека. Так, обращает на себя внимание относительно высокое содержание в головном мозге золота (2,54 мкмоль/кг сухой массы), таллия (2,44 мкмоль/кг, тогда как в других органах – не более 1,96 мкмоль/кг), олова (16 мкмоль/кг, что на порядок превышает его содержание в других органах) и некоторых других элементов.

При исследовании детей одного из районов Новосибирской области с диагнозом «умственная отсталость» было установлено, что у больных детей в волосах достоверно повышена концентрация марганца, ванадия и никеля и понижена концентрация галлия. Все эти элементы можно объединить в пятую подгруппу брэйн-элементов.

Понятие «токсичные элементы» не имеет права на существование, так как избыток любого химического элемента в человеческом организме приводит к патологии. Это касается элементов всех групп, даже первоэлементов. Печально известная синильная кислота имеет формулу HCN, т. е. представляет собой соединение трех органогенов. Следовательно, речь можно вести только о токсичной концентрации либо о токсичных соединениях того или иного элемента.

Кроме биогенных элементов, существуют абиогенные, которые подразделяются на три подгруппы (см. табл. 2). К первой можно отнести элементы-нейтралы типа алюминия, титана и рубидия, относительно высокие концентрации которых организм переносит достаточно безболезненно. Поскольку на ранних этапах эволюции органического мира организмы имели возможность столкнуться с их высокой концентрацией во внешней среде (древнем океане и литосфере), в течение сотен миллионов лет они выработали механизмы толерантности.

Эволюционно более «молодые» элементы, имеющие в основном вулканическое происхождение, а также появившиеся в самые последние годы техногенные (ртуть, висмут, осмий и т. д.), к высоким концентрациям которых во внешней среде организмы не в состоянии были приспособиться на протяжении жизни ограниченного числа поколений, относят ко второй группе агрессивных абиогенных элементов.

Существует третья подгруппа элементов-конкурентов, представленных в древнем океане: барий, стронций и др. Составляя скелетную основу некоторых форм жизни, а после выхода организмов