Углерод является основой жизни потому что: Почему именно углерод является основой жизни?

ничего, что наша ДНК наполовину совпадает с ДНК банана?

Биохимия — сравнительно молодая дисциплина, официально возникшая только в начале прошлого века. Но как наука о химическом составе организмов и процессах, лежащих в основе их жизни, она уже успела ответить на многие интересующие человечество вопросы. Аспирантка лаборатории компьютерного дизайна материалов МФТИ, PhD-студентка Сколтеха Анастасия Наумова рассказала T&P, почему именно углерод считается основой жизни и может ли азот занять его место, а также объяснила, почему нет смысла избавляться от холестерина и заниматься спортом менее получаса.

Начнем с начала: вся жизнь на планете состоит из четырех основных типов веществ: белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Примером такой кислоты служит всем известная молекула ДНК, которая является полимером. Самое простое объяснение структуры полимера — бусы. Как бусы состоят из бусинок, так и полимер состоит из мономеров. ДНК состоит из повторяющихся блоков — нуклеотидов, а они, в свою очередь, из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Всего существует четыре типа азотистых оснований: аденин, гуанин, тимин и цитозин, при этом аденин соединяется только с тимином, а гуанин — только с цитозином, это называется принципом комплементарности. Видовое разнообразие жизни на Земле, наши отличительные черты (цвет глаз, волос, состояние кожи и даже характер) зависят от взаимного расположения тех самых четырех азотистых оснований в цепочке ДНК. По странному стечению обстоятельств наша ДНК на 50% совпадает с ДНК банана, а на 35% — с ДНК нарцисса, но что это значит на практике для нас? Да ничего, в принципе. Сходство ДНК означает, что у нас и у банана есть определенное количество одинаковых белков, например РНК-полимеразный комплекс. Этот белок-фермент участвует в расшифровке информации из спирали ДНК и синтезе белка почти в каждом живом организме. Процессы, происходящие в организме, коротко описываются основной догмой молекулярной биологии: из ДНК синтезируется РНК, из РНК синтезируется белок. Синтез белка является одним из основных жизненно необходимых процессов: белок необходим нам для роста, развития, регенерации, и он также является ферментом.

Люди из азота

Как уже упоминалось, жизнь состоит из четырех основных типов веществ, один из которых — белок. В свою очередь, белок состоит из аминокислот. Структура аминокислоты достаточно простая: это углеродный каркас, на который крепятся атомы кислорода, азота, водорода, углерода и иногда серы. Аминокислоты крепятся одна к другой в случайном порядке, составляют цепочки неограниченной длины, и получается белок. Итак: у каждой аминокислоты есть углеродный скелет, то есть белок состоит в основном из углерода, а без белка наша жизнь невозможна. Именно отсюда и появился тезис, что жизнь на нашей планете углеродная. Но в таблице Менделеева элементов больше, чем один, и возникает вопрос: может ли жизнь быть завязана на другом элементе? И если да, то на каком? Ответ напрашивается сам собой: логично было бы попробовать рассмотреть элемент, близкий к углероду, но с большим количеством электронов, а именно азот. Дополнительный электрон удобен тем, что азот имеет больше степеней окисления, — следовательно, на его основе можно создать больше соединений. Помимо этого, азот образует связи такого же типа, как и углерод. Что же будет, если мы попробуем составить из азота длинную цепочку? К сожалению, мы получим не новый тип жизни, а самую мощную из неатомных взрывчаток — ГНИВ (Гексанитрогексаазаизовюрцитан). Проблема в том, что полимеры азота нестабильны в условиях нашей планеты, для их стабильности необходимо гораздо более высокое давление, нежели атмосферное давление Земли. Но Вселенная огромна, и в большинстве мест давление больше, чем земное. Компьютерное моделирование атмосферы Юпитера показало, что полимеры из азота на этой планете будут даже стабильнее, чем из углерода. И таких мест с подходящими условиями гораздо больше, чем одно. Так что кто знает — может быть, во Вселенной уже давно существуют азотные люди.

Биология в быту

Помимо визионерских вопросов об азотной жизни, биохимия дает ответ на более насущные запросы — например, как правильно заниматься спортом и каким именно. Чтобы разобраться, обратимся к такой сложной схеме, как цикл Кребса. За ее открытие Ханс Кребс совместно с Фрицем Липманом в 1953 году получили Нобелевскую премию по медицине. Коротко суть схемы можно передать тезисом «жиры горят в пламени углеводов». Из этого объяснения следуют некоторые важные утверждения:

Нам необходимы углеводы

Если нет углеводов, а физическая нагрузка присутствует, организм начинает разрушать свой белок, чтобы добыть углеводы из него. Разрушение белка — это разрушение мышечной ткани, в то время как основная цель тренировок заключается в обратном. Стоит отметить, что углеводы нам нужны сложные, или медленные, состоящие из трех и более моносахаридов, единиц строения углеводов. Сложные углеводы содержатся в крупах, картофеле, печени, бобовых. Употребление этих продуктов постепенно повышает уровень глюкозы в крови, и организм успевает справляться с ее переработкой. В отличие от медленных углеводов, быстрые состоят из одного или двух моносахаридов. Они резко повышают уровень сахара в крови, а затем оседают в виде жира, потому что организм не может сразу переработать такое большое поступление глюкозы.

Далее читайте на T&P.

Fullerenes in space

Эволюция органического вещества, финальным эпизодом которой являемся мы сами, началась не на Земле и не в протосолнечной системе. Она началась и продолжается в среднем межзвездном пространстве, молекулярных облаках, околозвездных оболочках. Изначально считалось, что в межзвездной среде присутствуют только простые двух- и трехатомные молекулы. Первые открытия подтверждали этот факт, но с течением времени стало известно, что в космосе присутствуют и более сложные соединения, большая часть которых являются органическими — соединениями углерода.

Углерод — уникальный элемент, который является основой нашей жизни. Пятьдесят лет назад стало известно, что углерод обладает способностью организовывать различные молекулы больших и маленьких размеров. Это открытие в 1970-е годы стало неожиданным, потому что механизм появления таких сложных соединений в космическом пространстве оставался непонятным.

Высказали предположение, что один из источников этих молекул — оболочки старых звезд. Это связано с тем, что старые звезды, такие как Солнце, в конце своей жизни расширяются, их внешнее вещество становится более холодным, но остается плотным. В таких оболочках могут образовываться сложные молекулы, которые потом сливаются в крупные агрегаты — пылинки. В это же время высказывали другое предположение, что именно в расширяющихся оболочках старых звезд образуются сложные соединения углерода.

Открытие фуллеренов

Уже после этих предположений, в середине 1980-х годов, британский химик Харольд Крото со своими коллегами решил промоделировать процесс расширения оболочки старых звезд в лаборатории. Они обнаружили, что кроме углеродных цепочек в этих экспериментах образуются тяжелые молекулы, масса которых соответствует 60 и 70 атомам углерода. Затем они установили, что эти молекулы имеют замкнутую форму шарика из 60 атомов углерода в случае молекулы C60 и более вытянутое, но тоже замкнутое образование в случае молекулы C70. Харольд Крото назвал эти молекулы бакминстерфуллеренами — в честь архитектора Бакминстера Фуллера, потому что этот архитектор был известен своей любовью к созданию куполообразных конструкций, состоящих из большого количества граней. Молекула C60 и молекула C70 оказались сочетанием многогранников. Это было первое обнаружение подобных молекул, а в 1996 году Крото с соавторами получил за это открытие Нобелевскую премию.

Интересно, что Крото с коллегами занимались поисками молекул, формирующихся в космическом пространстве и астрономических объектах, а фуллерены долго оставались земной принадлежностью. Производилось много попыток обнаружить их в космосе, но успехом эти попытки увенчались только в 2010 году, потому что для уверенного обнаружения фуллеренов необходимо производить наблюдение в среднем инфракрасном диапазоне, который с поверхности Земли либо не виден вообще, либо виден очень плохо. Для таких наблюдений необходим космический инструмент, и им стал телескоп имени Спитцера, запущенный в 2003 году. Этот телескоп выделялся тем, что на нем установили спектрограф, который позволял производить измерения в средней инфракрасной области — именно в той области, на которую приходятся характерные спектральные линии фуллеренов.

Спектральный анализ

Молекула C60 очень прочная и обладает жестким каркасом. Спектральные линии, по которым чаще идентифицируют молекулы, возникают в результате движений в молекулах. Движений в прочном каркасе немного, поэтому спектральных линий у фуллеренов мало. У молекулы C60 их всего четыре штуки, что очень упрощает ее идентификацию.

Существуют другие разновидности сложных углеродных молекул, которые присутствуют в межзвездной среде. Например, полициклические ароматические углеводороды, состоящие из большого количества шестигранников бензола, из которых можно выстраивать плоские структуры любой формы и размера. У полициклических ароматических углеводородов спектральных линий много, поэтому они до конца в межзвездном пространстве не идентифицированы. Нам известно об их существовании, но конкретные молекулы и их структура нам до сих пор не известны. С фуллеренами все иначе: четыре четкие линии, при обнаружении которых в спектре можно точно говорить о наличии фуллеренов в объекте.

Где формируются фуллерены

В 2010 году фуллерены обнаружили в молодой планетарной туманности Tc-1, и это открытие согласовывалось с предположениями об их формировании, потому что планетарная туманность — это сброшенная оболочка старой звезды. После этого открытия казалось, что все хорошо, но потом появились новые наблюдения, которые показывали, что фуллерены присутствуют не только вблизи старых звезд.

Оказалось, что фуллерены присутствуют в очень разнообразных объектах: вблизи молодых звезд, в молекулярных облаках, в местах, где излучение горячих звезд взаимодействует с молекулярным веществом. Эти открытия указали на важную проблему: прежнее понимание о происхождении этих молекул оказалось неверным.

Проблема также состояла в том, что содержание фуллеренов оказалось везде примерно одинаковым — около десятых долей процента от полного содержания атомов углерода. Если бы фуллерены синтезировались только в планетарных туманностях, то вблизи этих туманностей их содержание было бы высокое, а дальше от них уменьшалось бы, потому что они разлетались бы по космическому пространству, и их становилось бы в единице объема все меньше.

Одинаковое содержание фуллеренов означало, что они формируются не только вблизи проэволюционировавших звезд. Ученые стали изучать, как фуллерены — такие регулярные большие молекулы — могут формироваться в межзвездном пространстве, где плотность и температура существенно ниже, чем в окрестностях проэволюционировавших звезд. Такие условия не очень благоприятны для протекания химических процессов с образованием сложных молекул. Существуют различные предположения по поводу решения этой проблемы, но точного ответа пока нет.

Одно из этих предположений состоит в том, что появление фуллеренов связано полициклическими ароматическими углеводородами. Это значит, что изначально у нас присутствует полотно, составленное из молекул бензола. Полотно по составу отличается от фуллерена большим содержанием атомов водорода, которых в молекулах фуллерена нет. Если взять это полотно полициклических ароматических углеводородов и поместить его рядом с горячей массивной звездой, то излучение звезды постепенно начнет отрывать от полотна атомы водорода, а потом примется за углерод. В этом ровном полотне, сложенном из шестиугольников, начнется разрушение. Фотоны начнут выбивать из него некоторые атомы углерода, а вместо шестиугольников начнут появляться пятиугольники. Из шестиугольников можно выложить ровную структуру, но если в ней начнут появляться пятиугольники, то она будет загибаться. Чем больше становится этих пятиугольников, тем сильнее загибается структура. И в итоге полотно загибается в шарик. Самое важное, что это объяснение удалось подтвердить экспериментальными исследованиями.

Проблема таких полотен в том, что их жизнь недолгая, поэтому нельзя сказать про все структуры, что процесс преобразования успевает завершиться за время их жизни. Эта нерешенная проблема рождает другие предположения — например, идею, согласно которой фуллерены в межзвездной среде образуются не в результате синтеза простых соединений, а в результате разрушения сложных частиц. Для исследования этой идеи процесс можно ускорить. Если изначально присутствует не плоская, а некая пространственная структура, то из нее можно самостоятельно выбивать атомы водорода и углерода, чтобы она начала выстраиваться в шарикообразную молекулу.

Фуллерены и эволюция органического вещества

Пока окончательного ответа на эти предположения нет, но интерес к фуллеренам большой, потому что они являются важным элементом всей эволюции органического вещества во Вселенной. Еще они могут быть активными участниками химических процессов. Например, на поверхности молекул фуллеренов может происходить формирование других молекул или формирование молекулярного водорода — самой распространенной молекулы во Вселенной.

Эксперименты показывают, что при наличии молекулы фуллеренов одного вида на них можно нарастить следующие слои. Молекулы бензола прилипают к молекуле фуллерена, которая постепенно обрастает новым слоем, потом еще одним. Это процесс образования нанолуковиц. Такое наслоение молекул фуллерена может вносить свой вклад и в оптические и химические свойства межзвездного вещества.

Открытие фуллеренов в межзвездной среде заставило задуматься о том, что там могут быть и другие регулярные структуры, схожие с теми, которые получают на Земле. Одно из интересных предположений по поводу этой гипотезы связано с тем, что плоская структура необязательно замыкается в сферу. Она может замыкаться в трубку. Это значит, что кроме наношариков и нанолуковиц в космическом пространстве могут присутствовать и нанотрубки. Но пока нет четкого понимания, какие наблюдения нужно проводить, чтобы найти эти нанотрубки.

Другая интересная астрономическая роль фуллеренов связана с тем, что некоторые фуллерены, которые мы обнаруживаем на Земле, могут иметь внешнее по отношению к Земле происхождение. Фуллерены обнаруживаются на Земле в тех местах, где падали метеориты, и в самих метеоритах, поэтому они могут оказаться компонентом органического вещества, которое заносилось на Землю при падении различных космических тел. Исследование фуллеренов на Земле — в земных горных породах и телах различных метеоритов — поможет разобраться с современной эволюцией органики и с эволюцией, которая происходила в ту эпоху, когда Земля и Солнечная система только начинали формироваться.

Источник: ПостНаука

2.18: Углерод — химическая основа жизни

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• Безграничный
• Безграничный

Цели обучения

• Объясните свойства углерода, которые позволяют ему служить строительным материалом для биомолекул

Углерод — четвертый по распространенности элемент во Вселенной и строительный материал для жизни на Земле. На Земле углерод циркулирует в земле, океане и атмосфере, создавая так называемый углеродный цикл. Этот глобальный углеродный цикл можно разделить на два отдельных цикла: геологический углеродный цикл длится миллионы лет, тогда как биологический или физический углеродный цикл длится от нескольких дней до тысяч лет. В неживой среде углерод может существовать в виде двуокиси углерода (CO ₂ ), карбонатные породы, уголь, нефть, природный газ и мертвое органическое вещество. Растения и водоросли превращают углекислый газ в органическое вещество в процессе фотосинтеза, энергии света.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Углерод присутствует во всех живых организмах: все живые существа содержат углерод в той или иной форме, а углерод является основным компонентом макромолекул, включая белки, липиды, нуклеиновые кислоты и углеводы. Углерод существует во многих формах в этом листе, в том числе в целлюлозе, образующей структуру листа, и в хлорофилле, пигменте, который придает листу зеленый цвет.

Углерод важен для жизни

В процессе метаболизма пищи и дыхания животное потребляет глюкозу (C ₆ H ₁₂ O ₆ ), которая соединяется с кислородом (O ₂ ) с образованием углекислого газа ( CO ₂ ), вода (H ₂ O) и энергия, которая выделяется в виде тепла. Животное не нуждается в углекислом газе и выделяет его в атмосферу. Растение, с другой стороны, использует обратную реакцию животного посредством фотосинтеза. Он потребляет углекислый газ, воду и энергию солнечного света, чтобы производить собственную глюкозу и газообразный кислород. Глюкоза используется для получения химической энергии, которую растение усваивает так же, как и животное. Затем растение выбрасывает оставшийся кислород в окружающую среду.

Клетки состоят из многих сложных молекул, называемых макромолекулами, которые включают белки, нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК), углеводы и липиды. Макромолекулы представляют собой подмножество органических молекул (любая углеродсодержащая жидкость, твердое тело или газ), которые особенно важны для жизни. Основным компонентом всех этих макромолекул является углерод. Атом углерода обладает уникальными свойствами, которые позволяют ему образовывать ковалентные связи с четырьмя различными атомами, что делает этот универсальный элемент идеальным для использования в качестве основного структурного компонента или «основы» макромолекул.

Структура углерода

Отдельные атомы углерода имеют незавершенную внешнюю электронную оболочку. С атомным номером 6 (шесть электронов и шесть протонов) первые два электрона заполняют внутреннюю оболочку, а четыре остаются на второй оболочке. Следовательно, атомы углерода могут образовывать четыре ковалентные связи с другими атомами, чтобы удовлетворить правилу октета. Молекула метана дает пример: она имеет химическую формулу CH ₄ . Каждый из его четырех атомов водорода образует одинарную ковалентную связь с атомом углерода, разделяя пару электронов. Это приводит к заполнению самой внешней оболочки.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Структура метана. Метан имеет тетраэдрическую геометрию, в которой каждый из четырех атомов водорода расположен на расстоянии 109,5° друг от друга.

Ключевые моменты

• Все живые существа содержат углерод в той или иной форме.
• Углерод является основным компонентом макромолекул, включая белки, липиды, нуклеиновые кислоты и углеводы.

Молекулярная структура углерода

• позволяет ему связываться различными способами и с различными элементами.
• Круговорот углерода показывает, как углерод движется через живые и неживые части окружающей среды.

Ключевые термины

• Правило октета : Правило, утверждающее, что атомы теряют, приобретают или делят электроны, чтобы иметь полную валентную оболочку из 8 электронов (имеет некоторые исключения).
• углеродный цикл : физический круговорот углерода в земной биосфере, геосфере, гидросфере и атмосфере; включает такие процессы, как фотосинтез, разложение, дыхание и карбонизация
• макромолекула : очень большая молекула, особенно используемая в отношении больших биологических полимеров (например, нуклеиновых кислот и белков)

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Автор

   Безграничный

   Количество столбцов печати

   Два

   Печать CSS

   Плотный

   Лицензия

   CC BY-SA

   Версия лицензии

   4,0

   Показать оглавление

   нет

2. Теги

   На этой странице нет тегов.

1.9: Значение углерода — Biology LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Углерод. Элемент номер шесть. Прямо посередине первой строки Периодической таблицы. И что?

Углерод — важнейший элемент жизни. Без этого элемента жизнь, какой мы ее знаем, не существовала бы. Как вы увидите, углерод является центральным элементом соединений, необходимых для жизни.

Значение углерода

Соединение, встречающееся в основном в живых существах, известно как органическое соединение . Органические соединения входят в состав клеток и других структур организмов и осуществляют жизненные процессы. Углерод является основным элементом органических соединений, поэтому углерод необходим для жизни на Земле. Без углерода жизнь, какой мы ее знаем, не могла бы существовать.

Соединения

Соединение представляет собой вещество, состоящее из двух или более элементов. Соединение имеет уникальный состав, который всегда одинаков. Мельчайшая частица соединения называется молекулой. Рассмотрим воду в качестве примера. Молекула воды всегда содержит один атом кислорода и два атома водорода. Состав воды выражается химической формулой H ₂ O. Модель молекулы воды показана на рисунке ниже. Вода не является органическим соединением.

Молекула воды всегда имеет такой состав: один атом кислорода и два атома водорода.

Что заставляет атомы молекулы воды «слипаться»? Ответ — химические связи. Химическая связь — это сила, удерживающая молекулы вместе. Химические связи образуются, когда вещества реагируют друг с другом. Химическая реакция — это процесс превращения одних химических веществ в другие. Для образования соединения необходима химическая реакция. Для разделения веществ в соединении необходима еще одна химическая реакция.

Углерод

Почему углерод так важен для жизни? Причина в способности углерода образовывать прочные связи со многими элементами, в том числе и с самим собой. Это свойство позволяет углероду образовывать огромное количество очень больших и сложных молекул. На самом деле в живых существах насчитывается почти 10 миллионов соединений на основе углерода! Однако миллионы органических соединений можно разделить всего на четыре основных типа: углеводы , липиды , белки и нуклеиновые кислоты 9.0082 . Вы можете сравнить четыре типа в таблице ниже. Каждый тип также описан ниже.

Type of Compound	Examples	Elements	Functions	Monomer
Carbohydrates	sugars, starches	carbon, hydrogen, oxygen	provides energy to cells, stores energy, forms структуры тела	моносахарид
Lipids	fats, oils	carbon, hydrogen, oxygen	stores energy, forms cell membranes, carries messages
Proteins	enzymes, antibodies	carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, sulfur	помогает клеткам сохранять свою форму, формирует мышцы, ускоряет химические реакции, переносит сообщения и материалы	аминокислота
нуклеиновые кислоты	ДНК, РНК	углерод, водород, кислород, азот, фосфор	содержит инструкции для белков, передает инструкции от родителей потомству, помогает производить белки из более мелких молекул (мономеров) в результате реакций дегидратации. В реакции дегидратации вода удаляется, когда два мономера соединяются вместе. Чудо жизни: углеводы, белки, липиды и нуклеиновые кислоты можно посмотреть по адресу http://www.youtube.com/watch?v=nMevuu0Hxuc (3:28). Энергия из углерода? Можно ли извлечь энергию из остатков? Могут ли органические отходы стать полезными? Это может показаться расточительством, но для некоторых людей это зеленая энергия. Узнайте, как калифорнийские молочные фермы и рестораны с белыми скатертями собирают оставшиеся отходы и превращают их в чистую энергию. Дополнительную информацию см. в документе From Waste To Watts: Biofuel Bonanza на сайте www.kqed.org/quest/television/from-waste-to-watts-biofuel-bonanza. Резюме Углерод является основным элементом органических соединений. Углерод может образовывать прочные связи со многими элементами, включая самого себя. Существует четыре основных типа органических соединений: углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты. Подробнее Используйте этот ресурс, чтобы ответить на следующие вопросы. Важность углерода на www.boundless.com/biology/the-chemical-foundation-of-life/carbon/the-importance-of-carbon/. Заполните это заявление. Углерод является основным компонентом четырех макромолекул, включая __________, __________, __________ и __________. Укажите правило октетов. Что позволяет углероду служить основой органических макромолекул? Что такое ковалентная связь? Обзор Что такое соединение? Объясните, почему углерод необходим для всей известной жизни на Земле. Какие существуют четыре основных типа органических соединений? Какие типы органических соединений обеспечивают энергию? Какое органическое соединение хранит генетическую информацию? Примеры белков включают ____________. Эта страница под названием 1.