IV. Топография биогенных элементов и их биологическая роль.
ХИМИЯ БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
I. Распространенность химических элементов в природе.
Раздел науки, изучающей химический состав Земли, законы распространения и распределения химических элементов на Земле называется геохимия.
Из 114 химических элементов, составляющих периодическую систему, к природным или естественным относится 89 и они имеют различную распространенность в земной коре:
· наиболее распространенным является кислород (О), на его долю – 49% земной коры
· далее идет кремний (Si) – 27% земной коры
· еще 16 элементов и среди них Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, H, C, Cl, P, S, N, Mn, F, Ti, Ba – 23,8% земной коры
Таким образом, 18 элементов образуют 99,8% земной коры.
· на долю оставшихся 70 элементов – 0,2% земной коры.
Распространенность химических элементов в земной коре зависит от заряда ядра атома, радиуса атома и его относительной атомной массы.
Раздел геохимии, изучающий химические превращения в земной коре с участием живых организмов, называется биогеохимия.
В нашей стране основоположником этой науки является Владимир Иванович Вернадский.
Изучая геохимические превращения, происходящие в верхних слоях земной коры, В.И. Вернадский установил, что все изменения в земной коре оказывают определенное влияние на химический состав живых организмов.
Исследование химического состава земной коры, почвы, морской воды, растений, животных и человека показало, что в живых организмах обнаружены все те же элементы, что и в земной коре.
Доказано, что большую долю живого вещества составляют наиболее распространенные химические элементы: О, Н, Са, Na, K и т.д. Их содержание в организме соответствует их содержанию в земной коре.
Но есть исключения, так углерода (С) в земной коре 0,35%, а содержание в живых организмах – 21%, второе место после кислорода (О). И наоборот, алюминий и кремний – наиболее распространенные в природе (7,5% и 27%, соответственно), а в организме – 1·10–5 от массы тела. Эта непропорциональность объясняется тем, что природные соединения кремния и алюминия практически нерастворимы в воде, поэтому не усваиваются живыми организмами.
II. Человек и биосфера. Экология.
Часть земной оболочки, занятая растительными и животными организмами, называется биосфера.
А по Вернадскому – это определенным образом организованная среда, приспособленная к жизни.
Биосфера включает нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы: т.е. высота 12-15 км, глубина до 5 км.
Согласно Вернадскому специфика биосферы в том, что она является результатом жизнедеятельности организмов, причем в ней постоянно происходит круговорот химических элементов и связанный с ним круговорот потоков энергии, так называемый биогенный круговорот.
Пример: круговорот N, C, P и т.д.
Реальные зоны, в которых происходит круговорот элементов в результате жизнедеятельности организмов, называются экосистемами или биогеоцинозами.
Взаимоотношения человека и биосферы изучает экология.
Районы с аномальным содержанием какого-то химического элемента в почве и водоемах называют эндемическими.
У людей, проживающих в таких областях, протекают специфические биохимические реакции, которые вызывают, так называемые, эндемические заболевания.
Например, Ярославская область является эндемическим районом по недостатку йода (J2) и кобальта (Со). Поэтому, есть опасность развития эндемического зоба (болезнь щитовидной железы).
III. Понятие о биогенных элементах.
В настоящее время считается, что в живых организмах содержатся все элементы, встречающиеся в природе. При формировании биосистем наибольшее значение имеют элементы, способные давать достаточно прочные и энергоемкие химические связи, которые в то же время достаточно лабильные, т.е. могут легко разрываться в результате биохимических реакций.
Из внешней среды химические элементы попадают в организм человека тремя путями: через желудочно-кишечный тракт (ЖКТ), дыхательную систему и кожу.
Химические элементы периодической системы, которые участвуют в процессах жизнедеятельности и развития организмов, называются биогенными. Около 60-65 элементов.
Существует несколько классификаций биогенных элементов. Мы рассмотрим – по количественному содержанию.
Итак, по количественному содержанию условно все биогенные элементы можно разделить на три класса:
· макроэлементы – содержание в организме более 10–2 % от массы тела.
Это 11 элементов: O, C, H, N, P, S, Na, K, Ca, Mg, Cl.
Из них 6 элементов – органогены: O, C, H, N, P, S. Это s- и р-элементы малых периодов.
· микроэлементы – содержание в организме от 10–3 % до 10–5 % от массы
тела.
Наиболее важные из них: Fe, Mn, Zn, Cu, Co, Mo, J и т.д. – в основном d-элементы. Установлено, чем больше заряд ядра, тем меньше содержание элемента в организме и тем токсичнее его соединения.
· ультрамикроэлементы – менее 10–5 % до 10–12 % от массы тела.
Это: Hg, Au, U, Ra и т.д.
IV. Топография биогенных элементов и их биологическая роль.
Макроэлементы:
1. Органогены (С, Н, О, N, S, Р):
· составляют основу органов и тканей организма, входят в состав основных биоорганических веществ: белков, углеводов, нуклеиновых кислот, липидов, витаминов, гормонов и т.д. Поэтому они распределены по всему организму.
· кроме того Н и О образуют воду – «универсальный растворитель» в организме. Все физиологические, биохимические, физико-химические процессы протекают в водной среде. Содержание воды в организме зависит
ü от возраста: младенцы 80-85%, взрослые 65-70%
ü от вида ткани или биологической жидкости: плазма крови, лимфа 90%; моча 80%; мозг 80-90%; костная ткань 35%.
· элемент Р, кроме того, что входит в состав биоорганических веществ (фосфолипиды, нуклеиновые кислоты, АТФ и т.д.), а также в состав неорганических соединений (в виде фосфата кальция Ca3(PO4)2):
ü основа костной ткани или основа твердой ткани зубов
(Ca5(PO4)3Х, где Х: ОН, Cl, F), причем это составляет 85% от массы всего фосфора в организме.
ü в организме неорганический фосфор содержится в виде анионов фосфорной кислоты Н2PO4 – и НPO4 2–, которые участвуют в фосфорилировании – важнейшем процессе тканевого дыхания. И, наконец, фосфатный буфер крови, для поддержания постоянства рН.
Более подробно о биологической роли органогенов – при изучении биохимической дисциплины.
2. Элементы Na, K, Ca, Mg, Cl находятся в виде ионов:
· образуют электролитный состав организма.
Электролиты в организме выполняют важную биологическую роль:
ü осмотическое давление
ü кислотно-щелочное равновесие
ü водно-солевой обмен
ü передача нервных импульсов
ü активация ферментативных процессов
· они также распространены по всему организму, при этом Na+ и Са2+ – основные внеклеточные ионы, а К+ и Mg2+ – внутриклеточные ионы, Cl– – содержится в плазме и лимфе.
· катионы этих металлов кроме общих свойств проявляют и специфические. Например:
ü Na+ – обеспечивают удержание воды в организме (15 г NaCl удерживают 2 л Н2О в организме). При уменьшении концентрации Na+ снижается количество воды, связанной с белками, а свободная вода легко выводится из организма.
ü К+ – участвуют в синтезе белков, обмене углеводов (активация ферментов гликолиза), действуют на деятельность миокарда.
ü Mg2+ – являются комплексообразователями, проявляя наибольшее сродство к фосфатсодержащим лигандам. За счет комплексообразования, они активизируют ферменты окислительного фосфорилирования, репликации ДНК, минерализации костной ткани. Во внутриклеточной жидкости ионы Mg2+ образуют комплексы с АТФ и АДФ, способствуя их активному гидролизу: Mg2+ + АТФ4– ® [MgАТФ]2–. Можно добавить, что Mg2+ комплексуется с атомами азота, так в хлорофилле растений Mg2+ занимает центральное место в протопорфириновом кольце, образуя четыре связи с его атомами азота. Mg2+ – подавляет в мозгу центры регуляции дыхания, снижает артериальное давление, усиливает перистальтику кишечника.
ü Са2+ – образуют основной минеральный компонент костной ткани Са5(РО4)3ОН; оказывают влияние на свертываемость крови, регуляции сердечного ритма; обладают антиаллергическим действием.
Микроэлементы:
Входят в состав ферментов, гормонов, витаминов и других биологически активных соединений. Они выполняют роль или комплексообразователей (200 металлоферментов) или активаторов, оказывая огромное влияние на обмен веществ, процессы размножения, кроветворения, костеобразования и т.д. Микроэлементы неравномерно распределены между тканями и органами. Большинство микроэлементов в максимальной концентрации содержатся в печени, это депо – микроэлементов.
Отдельные микроэлементы проявляют органную локализацию:
ü J – щитовидная железа
ü F – эмаль зубов
ü Zn – поджелудочная железа
ü Мо – почки
ü Ва – сетчатка глаза
ü Sr – кости
ü Au – ногти, волосы
Для нормального протекания физиологических процессов в организме должен поддерживаться микроэлементный гомеостаз. Контролируют этот процесс гормоны. Изменение содержания микроэлементов в тканях различных органов является причиной развития патологии и следовательно может служить диагностическим тестом.
Подробно: Fe, Cu, Zn – сообщения 5-7 минут.
Что хуже избыток или недостаток микроэлементов?
И то, и другое. Недостаток – резкое нарушение процессов метаболизма; избыток – токсичность.
Дата добавления: 2022-11-11; просмотров: 165; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!