Биология. В 3-х томах. Т. 1

4.1. Используя приведенную выше определительную таблицу, попытайтесь идентифицировать, насколько это возможно, предложенных вам животных.

Глава 5. Химические компоненты живого

5.1. Введение в биохимию

Изучение химии живых организмов, т. е. биохимии, тесно связано с общим бурным развитием биологии в нашем веке. Будучи поначалу дисциплиной вспомогательной, главным образом подспорьем медицины, биохимия выделилась со временем в совершенно самостоятельную отрасль знания, по которой можно теперь специализироваться в большинстве высших учебных заведений соответствующего профиля. Значение биохимии в том, что она дает фундаментальное понимание физиологии, иными словами, понимание того, как работают биологические системы. Это в свою очередь находит применение: в сельском хозяйстве (создание пестицидов, гербицидов и т. д.); в медицине (включая всю фармацевтическую промышленность); в различных бродильных производствах, которые поставляют нам широкий ассортимент продуктов, включающий и спиртные напитки; во всем, что связано с пищей и питанием, т. е. в диететике, в технологии производства пищевых продуктов и в науке об их хранении. Из новейших приложений можно назвать, например, ферментную технологию и производство некоторых новых видов пищевых продуктов и горючего.

Биохимия в биологии играет также важную объединяющую роль. При рассмотрении на этом уровне часто бросаются в глаза не столько различия между живыми организмами, сколько их сходство.

5.1.1. 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 (см. приложение П.1.1.3).

Таблица 5.1. Элементы, встречающиеся в живых организмах¹⁾

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). Простой пример такого обобществления электронов показан на рис. П.1.2,Г, где изображен метан, имеющий эмпирическую формулу СН₄. Здесь же, на рис. П.1.2, Г, представлена и структурная формула метана.

5.1. На основе прочитанного укажите, в чем заключается различие между эмпирической и структурной формулами.

Когда атом углерода присоединяет к себе четыре каких-нибудь атома или группы, четыре связи располагаются симметрично, образуя тетраэдр (рис. 5.1). Если такое трехмерное расположение атомов существенно, то структурную формулу молекулы можно изображать так, как это показано на рис. 5.1, Б, Другое широко применяемое условное обозначение предписывает исключать из структурной формулы все атомы углерода и все присоединенные к ним водородные атомы. Простейший пример такого обозначения представлен на рис. 5.2, где изображена этановая, или уксусная, кислота. Из рис. 5.2 видно, что эмпирическая формула уксусной кислоты имеет вид СН₃СООН.

Рис. 5.1. Тетраэдрическое расположение углеродных связей

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.