§1. Водород
Биологическое значение водорода определяется тем, что он входит в состав молекул воды и всех важнейших групп природных соединений, в том числе белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов. Примерно 10 % массы живых организмов приходится на водород. Способность водорода образовывать водородную связь играет решающую роль в поддержании пространственной четвертичной структуры белков, а также в осуществлении принципа комплементарности в построении и функциях нуклеиновых кислот (то есть в хранении и реализации генетической информации), вообще в осуществлении «узнавания» на молекулярном уровне. Водород (ион Н+) принимает участие в важнейших динамических процессах и реакциях в организме — в биологическом окислении, обеспечивающем живые клетки энергией, в фотосинтезе у растений, в реакциях биосинтеза, в азотфиксации и бактериальном фотосинтезе, в поддержании кислотно-щелочного равновесия и гомеостаза, в процессах мембранного транспорта. Так, наряду с кислородом и углеродом водород образует структурную и функциональную основы явлений жизни.
§2. Кислород.
Кислород — основной биогенный элемент, входящий в состав молекул всех важнейших веществ, обеспечивающих структуру и функции клеток — белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, а также множества низкомолекулярных соединений. В каждом растении или животном кислорода гораздо больше, чем любого другого элемента (в среднем около 70%). Мышечная ткань человека содержит 16% кислорода, костная ткань — 28.5%; всего в организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 43 кг кислорода. В организм животных и человека кислород поступает в основном через органы дыхания (свободный кислород) и с водой (связанный кислород). Потребность организма в кислороде определяется уровнем (интенсивностью) обмена веществ, который зависит от массы и поверхности тела, возраста, пола, характера питания, внешних условий и др.
И водород, и кислород входят в состав молекулы воды. Немецкий физиолог Эмиль Дюбуа-Реймон назвал человека «одушевленной водой». Содержание воды в органах и тканях человека варьируется от 20% (в костной ткани) до 85% (в головном мозге).
Вода обладает уникальными свойствами. Свойства эти настолько важны для живых организмов, что нельзя представить жизнь без этого соединения водорода и кислорода. Уникальные свойства воды определяются структурой ее молекул. Одна молекула представляет собой диполь; положительные заряды сосредоточены у атомов водорода, а отрицательный – у кислорода. Отрицательно заряженный атом кислорода одной молекулы воды притягивается к положительно заряженному атому водорода другой молекулы с образованием водородной связи. По прочности водородная связь слабее ковалентной, поэтому она легко разрывается. Таким образом, в жидкой воде молекулы подвижны, что немаловажно для процессов обмена веществ. Молекулы воды легко проникают сквозь клеточные мембраны.
В воде растворяется больше веществ, чем в любой другой жидкости. Именно поэтому в водной среде клетки осуществляется множество химических реакций. Вода растворяет продукты обмена веществ и выводит их клетки и организма в целом.
Таким образом, можно выделить некоторые важные биологические функции воды в организме человека:
- Обеспечивает поддержание структуры клетки (высокое содержание в протоплазме)
- Служит растворителем и средой для диффузии
- Участвует в реакциях гидролиза
- Служит средой, в которой происходит оплодотворение
- Обеспечивает транспорт веществ
- Способствует охлаждению тела (потоотделение, тепловая одышка)
- Служит одним из компонентов смазки, например в суставах
- Выполняет защитную функцию, например в слезной жидкости.
§3. Углерод.
Углерод — важнейший биогенный элемент, является структурной единицей органических соединений, участвующих в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности (биополимеры, витамины, гормоны, медиаторы и другие). Содержание углерода в организме в расчете на сухое вещество составляет 45,4-46,5%. В процессе жизнедеятельности организмов происходит окислительный распад органических соединений с выделением во внешнюю среду CO2. Углекислый газ, растворенный в биологических жидкостях, участвует в поддержании оптимальной для жизнедеятельности кислотности среды.
§4. Азот.
Азот присутствует во всех живых организмах (1-3% на сухую массу), являясь важнейшим биогенным элементом. Он входит в состав молекул белков, нуклеиновых кислот, коферментов, гемоглобина и многих других биологически активных веществ.
Как и все живые организмы, тело человека состоит из воды, белков, жиров, углеводов. Соотношение этих веществ в клетке по сравнению с общим ее весом в среднем примерно такие: вода составляет 80–85%, белки – 7–10%, жировые вещества – 1–2%, углеводы – 1–2%.
Диаграмма
