1.1 Η χημεία της ζωής

κεφάλαιο 1

1.1 Η ΧΗΜΕΙΑ ΤΗΣ ΖΩΗΣ

Χημικά στοιχεία που συνθέτουν τους οργανισμούς

Στο φλοιό της Γης απαντώνται 92 χημικά στοιχεία, από τα οποία 27 μόνο είναι απαραίτητα για τη ζωή. Τέσσερα από αυτά, ο άνθρακας, το υδρογόνο, το οξυγόνο και το άζωτο, είναι τα επικρατέστερα στους οργανισμούς και μάλιστα σε ποσοστό 96% κ.β. Μοιραία λοιπόν γεννιέται το ερώτημα: υπάρχουν άραγε κάποιες ιδιότητες των στοιχείων αυτών που τα κάνουν καταλληλότερα από άλλα για τη σύσταση των οργανισμών; Ας προσπαθήσουμε να απαντήσουμε.

Ο άνθρακας, το υδρογόνο, το οξυγόνο και το άζωτο συμμετέχουν, σε σημαντικό βαθμό, στη σύνθεση των μορίων που αποτελούν βασικά δομικά ή λειτουργικά συστατικά των οργανισμών και παράγονται από τους ίδιους τους οργανισμούς (π.χ. οι πρωτεΐνες). Τα μόρια αυτά είναι απαραίτητο να διακρίνονται από σταθερότητα, και ποικιλομορφία. Σταθερότητα, για να μπορούν να συμμετέχουν στη δημιουργία σταθερών δομών, που είναι απαραίτητες στους οργανισμούς, και ποικιλομορφία, για να εξασφαλίζουν τη μεγάλη ποικιλία λειτουργιών και μορφολογικών χαρακτηριστικών, που είναι συνυφασμένη με το φαινόμενο της ζωής.

Τα άτομα καθενός από τα τέσσερα στοιχεία που επικρατούν στη δομή των παραπάνω μορίων (C, Η, Ο, Ν), έχουν τη δυνατότητα να παίρνουν μέρος στο σχηματισμό ομοιοπολικών δεσμών (βλ. ένθετο). Οι δεσμοί αυτοί δημιουργούνται τόσο μεταξύ ατόμων του ίδιου στοιχείου όσο και μεταξύ ατόμων διαφορετικών στοιχείων από αυτά τα τέσσερα. Είναι δεσμοί πολύ ισχυροί και αυτό εξασφαλίζει τη σταθερότητα των μορίων αυτών (βλ. ένθετο). Παράλληλα, αν εξαιρέσουμε το υδρογόνο, καθένα από τα υπόλοιπα τρία μπορεί να συνδέεται, με απλούς ή και πολλαπλούς δεσμούς, με περισσότερα από ένα άτομα του ίδιου ή διαφορετικών στοιχείων. Το άτομο του άνθρακα, για παράδειγμα, μπορεί να ενωθεί με τέσσερα άλλα άτομα άνθρακα και να σχηματίσει αλυσίδες απλές ή με διακλαδώσεις. Μπορεί όμως να ενωθεί και με άτομα άλλων στοιχείων. Υπάρχει έτσι η δυνατότητα δημιουργίας μιας μεγάλης ποικιλίας μορίων.

Από το υπόλοιπο 4% κ.β. των οργανισμών, το μεγαλύτερο μέρος καταλαμβάνεται από τα στοιχεία φώσφορο (Ρ), θείο (S), νάτριο (Na), κάλιο (Κ), ασβέστιο (Ca), μαγνήσιο (Mg), Χλώριο (CI) και ένα μικρό μέρος, περίπου το 0,01%, από μια σειρά χημικών στοιχείων, που ονομάζονται ιχνοστοιχεία. Τα τελευταία, αν και σε μικρό ποσοστό, είναι απαραίτητα για σημαντικές λειτουργίες των οργανισμών.

Χημικά στοιχεία που αποτελούν: (α) τους οργανισμούς και (β) το αβιοτικό περιβάλλον. Όπως φαίνεται, η σύσταση, σε επίπεδο χημικών στοιχείων του πλανήτη μας, είναι πολύ διαφορετική από εκείνη των οργανισμών που τον κατοικούν. Οι μοναδικές ιδιότητες των οργανισμών απορρέουν από το συνδυασμό και τη διευθέτηση των στοιχείων αυτών στα βιομόρια.

Πίνακας: Βιολογικός ρόλος ορισμένων χημικών στοιχείων

ΣΤΟΙΧΕΙΟ	ΒΙΟΛΟΓΙΚΟΣ ΡΟΛΟΣ
Οξυγόνο	Συστατικό του νερού και όλων των μακρομορίων, απαραίτητο στην αερόβια αναπνοή
Άνθρακας	Συνιστά το σκελετό όλων των οργανικών ενώσεων
Υδρογόνο	Συστατικό του νερού και όλων των μακρομορίων
Άζωτο	Συστατικό των πρωτεϊνών και των νουκλεϊνικών οξέων
Ασβέστιο	Συστατικό των οστών, απαραίτητο στη μυϊκή σύσπαση και την πήξη του αίματος
Φώσφορος	Συστατικό των νουκλεοτιδίων που συναντώνται στα νουκλεϊκά οξέα, καθώς και άλλων με ενεργειακό ενδιαφέρον. Συστατικό των οστών
Κάλιο	Απαραίτητο για τη λειτουργία των νευρικών κυττάρων
Θείο	Συστατικό πολλών πρωτεϊνών
Νάτριο	Απαραίτητο για τη λειτουργία των νευρικών κυττάρων
Μαγνήσιο	Συστατικό πολλών ενζύμων και της χλωροφύλλης
Χλώριο	Απαραίτητο στη ρύθμιση του ισοζυγίου νερού
Σίδηρος	Ιχνοστοιχείο. Συστατικό της αιμοσφαιρίνης, της μυοσφαιρίνης και ορισμένων ενζύμων όπως τα κυτοχρώματα
Ιώδιο	Ιχνοστοιχείο. Συστατικό ορμονών θυρεοειδούς

Εικόνα

Μορφές ανθρακικών αλυσίδων. Το άτομο του άνθρακα
μπορεί να συνδέεται με περισσότερα από ένα άτομα,
ίδια ή διαφορετικά.

Μικρά μόρια και μακρομόρια

Η Χημεία της ζωής είναι «υγρή»

Αν μελετήσουμε προσεκτικά το κύτταρο ενός μονοκύτταρου οργανισμού, όπως είναι η αμοιβάδα, και ένα οποιοδήποτε κύτταρο του πιο σύνθετου οργανισμού, που είναι ο άνθρωπος, θα παρατηρήσουμε ότι έχουν στην πραγματικότητα πολύ περισσότερες ομοιότητες από διαφορές.

Το ανθρώπινο κύτταρο περιβάλλεται από ένα υδατικό διάλυμα, το μεσοκυττάριο υγρό. Η αμοιβάδα ζει στο νερό. Συνεπώς και τα δύο αυτά είδη κυττάρων ζουν είτε άμεσα (αμοιβάδα) είτε έμμεσα (ανθρώπινο κύτταρο) σε υδατικό περιβάλλον. Από αυτό αντλούν όλα τα απαραίτητα συστατικά για την επιβίωσή τους και σ' αυτό εκκρίνουν παράγωγα του μεταβολισμού τους.

Και το εσωτερικό περιβάλλον τους όμως είναι επίσης
υδατικό. Το 80% των συστατικών τους αποτελείται από νερό. Οι περισσότερες από τις χημικές ουσίες που
υπάρχουν στο εσωτερικό του κυττάρου είναι ευδιάλυτες στο νερό. Αυτό τους επιτρέπει να μετακινούνται από ένα σημείο σε άλλο. Η μετακίνησή τους διευκολύνει την επαφή διαφορετικών ουσιών και αυτό επιτρέπει την πραγματοποίηση των αντιδράσεων που απαιτούν οι διάφορες δραστηριότητες του κυττάρου. Το νερό εξάλλου, όπως θα δούμε στη συνέχεια, συμμετέχει και το ίδιο σε κάποιες βιολογικές αντιδράσεις.

Η ποικιλία των χημικών ενώσεων που συναντάμε μέσα στο κύτταρο είναι πολύ μεγάλη. Ξεκινούν από απλές χημικές ενώσεις μικρού μοριακού βάρους όπως οξέα, βάσεις και άλατα, μέχρι ενώσεις πολύ μεγάλου μοριακού βάρους (μακρομόρια) όπως οι πρωτεΐνες, τα νουκλεϊκά οξέα κ.α. που θα γνωρίσουμε στη συνέχεια. Τα οξέα, οι βάσεις και τα άλατα, παρά το ότι βρίσκονται σε μικρή συγκέντρωση μέσα στο κύτταρο, έχουν μοναδική σημασία για τη ζωή. Αυτό οφείλεται στο ότι διατηρούν σταθερό το ρΗ στο εσωτερικό του κυττάρου και βοηθούν να γίνονται σωστά οι διάφορες κυτταρικές λειτουργίες (βλ. ένθετο).