ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА: Материалы к уроку (вводное занятие к теме «Химические основы живого»)

                                                                   "Всё есть одно". Гераклит. 5в.до н.э.   

                                                                                    " Всё связано со всем” Анаксагор.5в. до н.э.

                                      "Живое вещество 20в. составляет единое во времени                                                     явление с живым веществом архейской эры" В.И. Вернадский

       1. Введение

     Некоторые дискуссионные моменты, связанные с проблемой жизни, живого свидетельствуют о том, что эта проблема выходит далеко за рамки экспериментальной биологии, что многие аспекты этой проблемы требуют глубоких знаний в области философии, космологии, религии, других разделов культуры.  Поэтому, обозначив ранее эти интереснейшие моменты, перейдём к  изучению   субстрата, являющегося носителем белковой формы жизни на нашей планете. Иначе говоря, к изучению органического вещества. Но даже на этом уровне нас ждёт  много интересного и поразительного.    

   2. Содержание урока.

На сегодняшнем занятии нам предстоит узнать:

• в чём же состоит принципиальное различие между органическими и минеральными соединениями;

• каковы особенности основных биогенных элементов в увязке с  той ролью, которую они играют на молекулярном уровне с одной стороны, и на функциональном – с другой.

    3.Объяснение материала.

3.1 Вопрос об одном из важнейших различий органических и минеральных веществ можно условно свести к совершенно конкретному вопросу: " В чём заключается принципиальная разница между веществами Н₂СО₃ и Н₂СО₂? Почему одно из них минеральное, а другое органическое?” Исходя из анализа элементных формул Н₂СО₃ и Н₂СО₂ обсуждаемых веществ, можно сделать очевидные и очень важные выводы:

•рассматриваемые органические и минеральные соединения строятся из одних и тех же химических элементов( С, Н, О);  

• принципиальная, сущностно важная разница между ними заключается, очевидно, не в составе, а в способе комбинации атомов в молекулах, в последовательности их соединения между собой, поэтому элементная формула не всегда позволяет понять к какому виду каждое из рассматриваемых веществ относится.

Обратимся теперь к структурным формулам этих веществ и выясним, соседство между какими видами атомов(элементами) отсутствует в одной из рассматриваемых формул, но присутствует в другой.

.                                    О                                                                                О

               Н₂СО₃           ׀׀                                                   Н₂СО₂                   ׀׀         

                       Н - О –  С – О - Н                                                          Н - С – О - Н

Как видно:

• в угольной кислоте(Н₂СО₃) атомы С и Н нигде непосредственно между собой не связаны.

• напротив, в муравьиной кислоте(Н₂СО₂) одна непосредственная связь С и Н имеется.

Таким образом, отличительной особенностью органических молекул является наличие у них непосредственной связи углерода с водородом.

   Что же такого особенного в этой связи, осуществляющей непосредственное соединение углерода и водорода? Дело в том, что такая связь самопроизвольно в условиях земной коры образоваться не может. Для углерода она энергетически невыгодна, поэтому трудноосуществима. Чтобы заставить соединиться  углерод с водородом, нужны особые механизмы, особые условия, которые в земной коре не распространены. Зато такие механизмы сокрыты в зелёных частях растений. Именно там, в процессе фотосинтеза, совершается сложнейшая работа по синтезу молекул, богатых такими связями. Отсюда и их историческое название – органические, от слова организм. Эти связи имеют для жизни биосферы совершенно особое значение, т.к. они богаты, насыщены солнечной энергией. Иногда их называют энергетическими ловушками, а растения – консервами солнечной энергии, её накопителями для нужд биосферы.

Таким образом:

• наличие углерод-водородной связи является существенным признаком органических соединений;  но существует ещё один важный признак, ещё одна последовательность атомов, характерная только для  органических молекул. Это связь   атомов   углерода   между    собой,   →                                                                  •  наличие, так называемых, углеродных цепей  

3.2 Переходя к обсуждению количественного состава органического вещества Биосферы, отметим, что на долю С и Н приходится значительная часть его массы. Не менее значительная часть приходится и на долю ещё одного химического элемента – кислорода. Именно С, Н и О являются основными структурообразующими элементами органических молекул.

  3.3 Попробуем хотя бы отчасти ответить на вопрос, почему же именно эти элементы выбрала природа для столь важной функции, в чём состоит их специфика?

Обратившись к периодической системе, мы увидим, что они относятся к элементам двух первых периодов, т.е. обладают

• малым радиусом и небольшой атомной массой; - отмечаем целесообразность такого  выбора природы, напомнив, что большинство биополимеров клетки состоит из огромного количества атомов. 

• доступностью, вследствие большого распространения в биосфере;

• высокой реакционной способностью;  

•способностью  образовывать легкорастворимые и летучие соединения, что является необходимым условием их активного участия в круговороте вещества, вообще, и в обменных процессах, в организмах, в частности.

3.4 Перейдём к знакомству с их индивидуальными особенностями и с той ролью, которую они играют в структурах органических молекул.

      /С/

Атомы углерода, как мы знаем, имеют 4 валентных электрона и способны образовывать, как полярные (причём, и с Н, и с О), так и неполярные (ковалентные) связи. За счёт ковалентных связей атомы С соединяются между собой, образуя  углеродные цепи различной длины и конфигурации.  

Углеродные цепи составляют скелет

органических молекул, ту основу, вокруг которой

объединяются атомы других химических элементов,

прежде всего, Н и О.   

      /Н/

Отличительной особенностью атомов водорода является наличие в их атомной системе всего одного электрона. Лишившись этого электрона в ходе химических реакций, атом водорода превращается в "голый” протон, т.е.

 Н⁺ = p⁺

Как видим, ион водорода ( р⁺ ), имеющий положительный заряд, отличается от положительных ионов других химических элементов тем, что не имеет вокруг ядра отрицательно заряженного электронного облака.

Благодаря этому, в молекулах с участием водорода, близ его ионов всегда имеется небольшое электроположительное поле и при этом отсутствует электронное (отрицательно заряженное) облако. Эта особенность позволяет водороду, уже отдавшему свой электрон для образования полноценной химической связи, притягиваться ещё к какому-нибудь электроотрицательному полю и образовывать дополнительную валентность, так называемую водородную связь. Водородные связи, как мы увидим позже, отвечают за поддержание формы органических молекул, т.е. за возможность выполнения ими биохимических функций.

      /О/

Кислород, как известно, вступая в химические связи, в противоположность водороду, перетягивает в молекуле электроны на себя и тем самым создаёт в районе своих ионов небольшое электроотрицательное поле.

Именно наличие таких электроотрицательных областей на нити молекул приводит к образованию дополнительных водородных связей, создающих и поддерживающих необходимую структуру молекул.

3.5 Следует отметить, что, кроме С, Н и О к структурообразующим  относятся ещё N, P и S. Они содержатся в клетках в значительно меньших количествах, но существование живых систем без них было бы совершенно невозможно. Так, азот является важнейшей составляющей белков и нуклеиновых кислот. Обязательным компонентом этих макромолекул являются также фосфор и сера. На эти шесть элементов приходится 97%  массы живой материи. 

3.6 Ещё одну группу элементов составляют, так называемые, металлы жизни. Хотя их суммарная масса не превышает 2,4%, их название говорит само за себя. И действительно, разве может функционировать организм без таких элементов, как Fe, K, Na, Mg, Ca? Ответ очевиден. Этот ряд следует дополнить ещё Zn, Cu, Mn, Co и Mо. .  

3.7 Элементы, на долю общей массы которых приходится менее 0,01%, называют микроэлементами. Сейчас уже хорошо известно, что их недостаток в организме приводит к серьёзным нарушениям в его работе и даже к смерти. Например, при полном отсутствии в

организме животных селена, у них происходит распад мышечных тканей и разрушение печени.

К микроэлементам относятся также J, F, Si, Sn, As, V, Ni и другие,  необходимые для нормального процесса роста животных, растений,  микроорганизмов. Каждый из них выполняет свою биологическую функцию. Например, йод, как известно, входит в состав гормонов щитовидной железы. Его недостаток в организме называют даже скрытым голодом. Эта проблема актуальна и для нашего региона. Компенсировать недостаток йода в организме можно регулярным употреблением йодированной поваренной соли. Таким образом, для полноценного функционирования организма требуется полный ансамбль химических элементов,  вне зависимости от того, какова необходимая количественная доля того или иного элемента в этом ансамбле.

   4.ВЫВОДЫ

1. Природа на нашей планете представляет собой единую целостную систему, т.к. 

• всё её поразительное многообразие обеспечивается одними и теми  же  химическими элементами  за счёт того, что, благодаря целенаправленным энергетическим потокам,

• атомы химических элементов  непрерывно переходят из одной формы существования в другую, входя в состав то одних, то других веществ или организмов.  

• каждый объект биосферы выполняет  определённую функцию и является лишь необходимым звеном в непрерывном процессе перераспределения вещества и энергии: " … явления жизни и явления мёртвой природы, взятые с геологической точки зрения, являются проявлением единого процесса”. В.И.Вернадский.

2. В "отборе” химических элементов для построения органических молекул прослеживается определённая увязка их свойств с их функциями и  со свойствами других элементов в биологических структурах, что свидетельствует о целесообразности и разумности их устройства.

3.Биологическая значимость химического элемента далеко не всегда определяется его количественным содержанием. 

4.Принципиальное отличие органических веществ от минеральных заключается в том, что молекулы органических (причём и природных, и синтетических), веществ насыщены энергией, которая заключена в углерод-водородных связях, поэтому:

5.Наличие /С-Н/ связей, как и наличие углеродных цепей, является важным  формальным признаком органических соединений.

6. Человек, как биологический вид, также является определённым звеном в жизненном процессе биосферы:

"Человеческое живое вещество – компонент общего живого ввещества. … Живое вещество 20в. составляет единое во времени явление с живым веществом архейской эры" В.И.Вернадский

Цитируемая литература:

Вернадский В.И. Начало и вечность жизни. – В кн. Живое вещество и биосфера. — М.; Наука, 1994.