Сегодня обнаружено и выделено в чистом виде много химических элементов таблицы Менделеева, а пятая их часть встречается в каждом живом организме. Они, подобно кирпичикам, являются главными составляющими органических и неорганических веществ.
Какие химические элементы входят в состав клетки, по биологии каких веществ можно судить об их наличии в организме - все это мы рассмотрим далее в статье.
Что такое постоянство химического состава
Для соблюдения стабильности в организме каждая клетка должна поддерживать концентрацию каждой своей составляющей на постоянном уровне. Этот уровень определяется видовой принадлежностью, средой обитания, экологическими факторами.
Чтобы ответить на вопрос, какие химические элементы входят в состав клетки, необходимо четко понимать, что в составе любого вещества находятся какие-либо из составляющих таблицы Менделеева.
Порой идет речь о сотых и тысячных долях процента содержания определенного элемента в клетке, но при этом изменение названного числа хотя бы на тысячную часть уже может нести серьезные последствия для организма.
Из 118 химических элементов в клетке человека должно быть как минимум 24. Нет таких составляющих, которые встречались бы в живом организме, но не входили в состав неживых объектов природы. Этот факт подтверждает тесную связь между живым и неживым в экосистеме.
Роль различных элементов, входящих в состав клетки
Так какие химические элементы входят в состав клетки? Их роль в жизнедеятельности организма, следует заметить, напрямую зависит от частоты встречаемости и концентрации их в цитоплазме. Однако, несмотря на разное содержание элементов в клетке, значимость каждого из них в равной степени высока. Дефицит любого из них может привести к пагубному воздействию на организм, отключив из метаболизма важнейшие биохимические реакции.
Перечисляя, какие химические элементы входят в состав клетки человека, нужно упомянуть три основных вида, которые мы рассмотрим далее:
Основные биогенные элементы клетки
Неудивительно, что элементы О, С, Н, N относятся к биогенным, ведь именно они образуют все органические и многие неорганические вещества. Невозможно представить белки, жиры, углеводы или нукленовые кислоты без этих важнейших для организма составляющих.
Функция этих элементов определила их высокое содержание в организме. На их долю в совокупности приходится 98% от всей сухой массы тела. В чем еще может проявляться активность этих ферментов?
- Кислород. Его содержание в клетке около 62% от общей сухой массы. Функции: построение органических и неорганических веществ, участие в цепи дыхания;
- Углерод. Его содержание достигает 20%. Основная функция: входит в состав всех ;
- Водород. Его концентрация принимает значение в 10%. Кроме того, что этот элемент является составляющей органических веществ и воды, он также учавствует в преобразованиях энергии;
- Азот. Количество не превышает 3-5%. Его основная роль - это образование аминокислот, нуклеиновых кислот, АТФ, многих витаминов, гемоглобина, гемоцианина, хлорофилла.
Вот какие химические элементы входят в состав клетки и образуют большинство необходимых для нормальной жизнедеятельности веществ.
Значение макроэлементов
Макроэлементы также помогут подсказать, какие химические элементы входят в состав клетки. Из курса биологии становится понятно, что, кроме основных, 2% сухой массы составляют другие составляющие периодической таблицы. И к макроэлементам относятся те из них, содержание которых не ниже 0,01%. Их основные функции представлены в виде таблицы.
Кальций (Са) | Отвечает за сокращение мышечных волокон, входит в состав пектина, костей и зубов. Усиливает свертываемость крови. |
|
Фосфор (Р) | Входит в состав важнейшего источника энергии - АТФ. |
|
Участвует в образовании дисульфидных мостиков при сворачивании белка в третичную структуру. Входит в состав цистеина и метионина, некоторых витаминов. |
||
Ионы калия участвуют в клетки, а также влияют на потенциал мембраны. |
||
Главный анион организма |
||
Натрий (Na) | Аналог калия, участвующий в тех же процессах. |
|
Магний (Mg) | Ионы магния - это регуляторы процесса В центре молекулы хлорофилла также распологается атом магния. |
|
Участвует в транспорте электронов по ЭТЦ дыхания и фотосинтеза, является структурным звеном миоглобина, гемоглобина и многих ферментов. |
Надеемся, из перечисленного несложно определить, какие химические элементы входят в состав клетки и относятся к макроэлементам.
Микроэлементы
Есть и такие составляющие клетки, без которых организм не может нормально функционировать, однако их содержание всегда меньше 0,01%. Давайте определим, какие химические элементы входят в состав клетки и относятся к группе микроэлементов.
Входит в состав ферментов ДНК- и РНК-полимераз, а также многих гормонов (например, инсулин). |
||
Участвует в процессах фотосинтеза, синтеза гемоцианина и некоторых ферментов. |
||
Является структурной составляющей гормонов Т3 и Т4 щитовидной железы |
||
Марганец (Mn) | менее 0,001 | Входит в состав ферментов, костей. Участвует в азотфиксации у бактерий |
менее 0,001 | Влияет на процесс роста растений. |
|
Входит в состав костей и эмали зубов. |
Органические и неорганические вещества
Кроме перечисленных, еще какие химические элементы входят в состав клетки? Ответы можно найти, просто изучив строение большинства веществ организма. Среди них выделяют молекулы органического и неорганического происхождения, и каждая из этих групп имеет в составе фиксированный набор элементов.
Основные классы органических веществ - это белки, нуклеиновые кислоты, жиры и углеводы. Они построены полностью из основных биогенных элементов: скелет молекулы всегда образован углеродом, а водород, кислород и азот входят в состав радикалов. У животных доминирующим классом являются белки, а у растений - полисахариды.
Неорганические вещества - это все минеральные соли и, конечно же, вода. Среди всей неорганики в клетке больше всего Н 2 О, в которой растворены остальные вещества.
Все сказанное выше поможет вам определить, какие химические элементы входят в состав клетки, и их функции в организме больше не будут для вас загадкой.
Таблица 4.1
Функция макроэлементов в организме
| Элементы | Функция | Недостаток |
| Фосфор | Участвует в построении всех клеток организма, во всех обменных процессах, очень важен для работы мозга, участвует в образовании гормонов. | Хроническая усталость, снижение внимания. Иммунодефицитные состояния. Снижение сопротивляемости к инфекциям. Дистрофические изменения в миокарде. Остеопороз. |
| Кальций | Формирование костной ткани, минерализация зубов. Участие в процессах свертывания крови. Регуляция проницаемости клеточных мембран. Регуляция процессов нервной проводимости и мышечных сокращений. Поддержание стабильной сердечной деятельности. Активатор ферментов и гормонов. | Общая слабость, повышенная утомляемость. Боли, судороги в мышцах. Нарушения процессов роста. Декальцинация скелета, остеопороз, деформация скелета. Нарушения иммунитета. Снижение свертываемости крови, кровоточивость. |
| Магний | Участие в обменных процессах, взаимодействие с калием, натрием, кальцием. Активатор для множества ферментативных реакций. Регуляции нервно-мышечной проводимости, тонуса гладкой мускулатуры | Раздражительность, головные боли, перепады артериального давления, сердцебиения. |
| Калий | Помогает выработке практически всех ферментов. Отвечает за сердечную проводимость и состояние сердечно-сосудистой системы в целом. Формирование электрического потенциала путем обмена с ионами натрия («калиево-натриевый насос») | Сердечные аритмии, сонливость, мышечная слабость, тошнота, задержка мочи, снижение давления. |
| Натрий | Обеспечивает кислотно-щелочное равновесие. Помогает тканям удерживать воду. Формирование электрического потенциала путем обмена с ионами калия («калиево-натриевый насос») | Исхудание, слабость, выпадение волос, кишечные расстройства, судорожные сокращения мышц |
| Железо | Участвует в производстве гемоглобина и дыхательных ферментов. Стимулирует кроветворение. | Железодефицитная анемия и гипоксия. Головные боли, снижение памяти. Замедление умственного и физического развития у детей. Учащенное сердцебиение. Угнетение иммунитета. Увеличение риска развития инфекционных и опухолевых заболеваний. |
Таблица 4. 1 (окончание)
Функция микроэлементв и ультрамикроэлементов в организме человека
| Элементы | Функция | Недостаток |
| Йод | Играет важную роль в образовании гормона щитовидной железы - тироксина. | Нарушаются функции щитовидной железы, а при йододефиците меняется и ее структура - вплоть до развития зоба. |
| Хром | Контролирует переработку сахаров и прочих углеводов, инсулиновый обмен. | Повышение сахара в крови, нарушения усвоения глюкозы, при длительном дефиците может развиться диабет. |
| Медь | Участвует в синтезе красных кровяных телец, коллагена (он отвечает за упругость кожи), обновлении кожных клеток. Способствует правильному усвоению железа. | Анемия, нарушение пигментации волос и кожи, температура ниже нормы, психические расстройства. |
| Селен | Замедляет процессы старения, укрепляет иммунитет. Является естественным антиоксидантом - защищает клетки от рака. | Снижение иммунитета, ухудшение работы сердца |
| Цинк | Помогает клеткам поджелудочной железы вырабатывать инсулин. Участвует в жировом, белковом и витаминном обмене, синтезе ряда гормонов. Стимулирует репродуктивную функцию у мужчин, общий иммунитет, сопротивляемость инфекциям. | Задержка психомоторного развития у детей, облысение, дерматиты, снижение иммунитета и репродуктивной функции, раздражительность, депрессии. |
| Марганец | Участвует в окислительных процессах, обмене жирных кислот и контролирует уровень холестерина. | Нарушение холестеринового обмена, атеросклероз сосудов. |
| Молибден | Стимулирует обмен веществ, помогает нормальному расщеплению жиров. | Нарушения липидного (жирового) и углеводного обмена веществ, проблемы с пищеварением. |
| Фтор | Участвует в формировании твердых тканей зубов и зубной эмали. От него же во многом зависит крепость костей. | Хрупкость зубной эмали, воспалительные заболевания десен (например, пародонтит). |
| Кобальт | Активирует ряд ферментов, усиливает производство белков, участвует в выработке витамина В12 и в образовании инсулина. | Дефицит витамина В12, что ведет за собой нарушения обмена веществ. |
Органические вещества
Органические соединения составляют в среднем 20–30% массы клетки живого организма. К ним относятся биологические полимеры – белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, а также жиры и ряд низкомолекулярных органических веществ – аминокислоты, простые сахара, нуклеотиды и т.д.
Полимеры – сложные разветвленные или линейные молекулы, при гидролизе распадающиеся до мономеров. Если полимер состоит из одного вида мономеров, то такой полимер называют гомополимером, если в состав полимерной молекулы входят различные мономеры – то это гетерополимер.
Если группа различных мономеров в полимерной молекуле повторяется – это регулярный гетерополимер, если нет повторения определенной группы мономеров – гетерополимер нерегулярный.
В составе клетки они представлены белками, углеводами, жирами, нуклеиновыми кислотами (ДНК и РНК) и аденозинтрифосфатом (АТФ).
Белки
Из органических веществ клетки по количеству и значению на первом месте стоят белки. Белки, или протеины (от греч. протос – первый, главный) – высокомолекулярные гетерополимеры, органические вещества и распадающиеся при гидролизе до аминокислот.
В состав простых белков (состоящих только из аминокислот) входят углерод, водород, азот, кислород и сера.
Часть белков (сложные белки) образует комплексы с другими молекулами, содержащими фосфор, железо, цинк и медь – это сложные белки, содержащие помимо аминокислот еще и небелковую - простетическую группу. Она может быть представлена ионами металлов (металлопротеины - гемоглобин), углеводами (гликопротеины), липидами (липопротеины), нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеины).
Белки обладают огромной молекулярной массой: Один из белков – глобулин молока – имеет молекулярную массу 42000.
Белки представляют собой нерегулярные гетерополимеры, мономерами которых являются α-аминокислоты. В клетках и тканях обнаружено свыше 170 различных аминокислот, но в состав белков входит лишь 20 α-аминокислот .
В зависимости от того, могут ли аминокислоты синтезироваться в организме, различают: заменимые аминокислоты – десять аминокислот, синтезируемых в организме и незаменимые аминокислоты – аминокислоты, которые в организме не синтезируются. Незаменимые аминокислоты должны поступать в организм вместе с пищей.
В зависимости от аминокислотного состава, белки бывают полноценными , если содержат весь набор незаменимых аминокислот и неполноценными , если какие-то незаменимые аминокислоты в их составе отсутствуют.
Общая формула аминокислот приведена на рисунке. Все α -аминокислоты при α -атоме углерода содержат атом водорода, карбоксильную группу (-СООН) и аминогруппу (-NH 2). Остальная часть молекулы представлена радикалом.
Аминогруппа легко присоединяет ион водорода, т.е. проявляет основные свойства. Карбоксильная группа легко отдает ион водорода – проявляет свойства кислоты. Аминокислоты являются амфотерными соединениями, так как в растворе они могут выступать как в роли кислот, так и оснований. В водных растворах аминокислоты существуют в разных ионных формах. Это зависит от рН раствора и от того, какая аминокислота: нейтральная, кислая или основная.
В зависимости от количества аминогрупп и карбоксильных групп, входящих в состав аминокислот, различают нейтральные аминокислоты, имеющие одну карбоксильную группу и одну аминогруппу, основные аминокислоты, имеющие в радикале еще одну аминогруппу и кислые аминокислоты, имеющие в радикале еще одну карбоксильную группу.
Пептиды – органические вещества, состоящие из небольшого количества остатков аминокислот, соединенных пептидной связью. Образование пептидов происходит в результате реакции конденсации аминокислот (рис. 4.6).
При взаимодействии аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группой другой, между ними возникает ковалентная азот-углеродная связь, которую называют пептидной . В зависимости от количества аминокислотных остатков, входящих в состав пептида, различают дипептиды, трипептиды, тетрапептиды и т.д. Образование пептидной связи может повторяться многократно. Это приводит к образованию полипептидов . Если полипептид состоит из большого количества остатков аминокислот, то его уже называют белком. На одном конце молекулы находится свободная аминогруппа (его называют N-концом), а на другом – свободная карбоксильная группа (его называют С-концом).
Структура белковой молекулы
Выполнение белками определенных специфических функций зависит от пространственной конфигурации их молекул, кроме того, клетке энергетически невыгодно держать белки в развернутой форме, в виде цепочки, поэтому полипептидные цепи подвергаются укладке, приобретая определенную трехмерную структуру, или конформацию . Выделяют 4 уровня пространственной организации белков.
Первичная структура белка – последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи, составляющей молекулу белка. Связь между аминокислотами – пептидная.
Первичная структура белковой молекулы определяет свойства молекул белка и ее пространственную конфигурацию. Замена всего лишь одной аминокислоты на другую в полипептидной цепочке приводит к изменению свойств и функций белка.
Например, замена в b-субъединице гемоглобина шестой глутаминовой аминокислоты на валин приводит к тому, что молекула гемоглобина в целом не может выполнять свою основную функцию – транспорт кислорода (в таких случаях у человека развивается заболевание – серповидноклеточная анемия).
Первым белком, у которого была выявлена аминокислотная последовательность, стал гормон инсулин. Исследования проводились в Кембриджском университете Ф.Сэнгером с 1944 по 1954 год. Было выявлено, что молекула инсулина состоит из двух полипептидных цепей (21 и 30 аминокислотных остатков), удерживаемых около друг друга дисульфидными мостиками. За свой кропотливый труд Ф.Сэнгер был удостоен Нобелевской премии.
Рис. 4.6. Первичное строение молекулы белка
Вторичная структура – упорядоченное свертывание полипептидной цепи в α-спираль (имеет вид растянутой пружины) и β-структра (складчатый слой) . В α- спирали NH-группа данного остатка аминокислоты взаимодействует с СО-группой четвертого от нее остатка. Практически все «СО-» и «NН-группы» принимают участие в образовании водородных связей. Они слабее пептидных, но, повторяясь многократно, придают данной конфигурации устойчивость и жесткость. На уровне вторичной структуры существуют белки: фиброин (шелк, паутина), кератин (волосы, ногти), коллаген (сухожилия).
Третичная структура - укладка полипептидных цепей в глобулы , возникающей в результате возникновения химических связей (водородных, ионных, дисульфидных) и установления гидрофобных взаимодействий между радикалами аминокислотных остатков. Основную роль в образовании третичной структуры играют гидрофильно-гидрофобные взаимодействия. В водных растворах гидрофобные радикалы стремятся спрятаться от воды, группируясь внутри глобулы, в то время как гидрофильные радикалы в результате гидратации (взаимодействия с диполями воды) стремятся оказаться на поверхности молекулы.
У некоторых белков третичная структура стабилизируется дисульфидными ковалентными связями, возникающими между атомами серы двух остатков цистеина. На уровне третичной структуры существуют ферменты, антитела, некоторые гормоны. По форме молекулы различают белки глобулярные и фибриллярные. Если фибриллярные белки выполняют в основном опорные функции, то глобулярные белки растворимы и выполняют множество функций в цитоплазме клеток или во внутренней среде организма.
Четвертичная структура характерна для сложных белков, молекулы которых образованы двумя и более глобулами. Субъединицы удерживаются в молекуле исключительно при помощи нековалентных связей, в первую очередь водородных и гидрофобных.
Наиболее изученным белком, имеющим четвертичную структуру, является гемоглобин . Он образован двумя a-субъединицами (141 аминокислотный остаток) и двумя b-субъединицами (146 аминокислотных остатков).С каждой субъединицей связана молекула гема, содержащая железо. Многие белки с четвертичной структурой занимают промежуточное положение между молекулами и клеточными органеллами – например микротрубочки цитоскелета состоят из белка тубулина , состоящего из двух субъединиц. Трубочка удлиняется в результате присоединения димеров к торцу.
Если по каким-либо причинам пространственная конформация белков отклоняется от нормальной, белок не может выполнять свои функции
Рис. 4.7. Структуры молекул белка
Свойства белков
- Белки являются амфотерными соединениями , сочетают в себе основные и кислотные свойства, определяемые радикалами аминокислот. Различают кислые, основные и нейтральные белки. Способность отдавать и присоединять Н + определяют буферные свойства белков, один из самых мощных буферов - гемоглобин в эритроцитах, поддерживающий рН крови на постоянном уровне.
- Есть белки растворимые , есть нерастворимые белки, выполняющие механические функции (фиброин, кератин, коллаген).
- Есть белки химически активные (ферменты), есть химически неактивные.
- Есть устойчивые к воздействию различных условий внешней среды и крайне неустойчивые . Внешние факторы (изменение температуры, солевого состава среды, рН, радиация) могут вызывать нарушение структурной организации молекулы белка.
- Процесс утраты трехмерной конформации, присущей данной молекуле белка, называют денатурацией . Причиной денатурации является разрыв связей, стабилизирующих определенную структуру белка. Вместе с тем, денатурация не сопровождается разрушением полипептидной цепи.. Изменение пространственной конфигурации приводит к изменению свойств белка и, как следствие, делает невозможным выполнение белком свойственных ему биологических функций.
- Денатурация может быть: обратимой , процесс восстановления структуры белка после денатурации называется ренатурацией. Если восстановление пространственной конфигурации белка невозможно, то денатурация называется необратимой .
- Разрушение первичной структуры белковой молекулы называется деградацией .
Рис. 4.8. Денатурация и ренатурация белка
Функции белков
Белки выполняют в клетке разнообразные функции.
Функциональной активностью обладают белки с третичной структурной организацией, но в большинстве случаев только переход белков третичной организации в четвертичную структуру обеспечивает специфическую функцию.
Ферментативная функция
Все биологические реакции в клетке протекают при участии особых биологических катализаторов - ферментов, а любой фермент - белок, ферменты локализованы во всех органеллах клеток и не только направляют ход различных реакций, но и ускоряют их в десятки и сотни тысяч раз. Каждый из ферментов строго специфичен.
Так, распад крахмала и превращение его в сахар (глюкозу) вызывает фермент амилаза, тростниковый сахар расщепляет только фермент инвертаза и т.д.
Многие ферменты давно уже применяют в медицинской, а также в пищевой (хлебопечение, пивоварение и др.) промышленности.
Ферменты специфичны – могут катализировать один тип реакций – в активный центр попадает определенная молекула субстрата.
Поскольку почти все ферменты являются белками (есть рибозимы , РНК, катализирующие некоторые реакции), их активность наиболее высока при физиологически нормальных условиях: большинство ферментов наиболее активно работает только при определенной температуре, рН, скорость зависит от концентрации фермента и субстрата.
При повышении температуры до некоторого значения (в среднем до 50°С) каталитическая активность растет (на каждые 10°С скорость реакции повышается примерно в 2 раза).
Структурная функция
Белки входят в состав всех мембран, окружающих и пронизывающих клетку, и органелл.
В соединении с ДНК белок составляет тело хромосом, а в соединении с РНК - тело рибосом.
Растворы низкомолекулярных белков входят в состав жидких фракций клеток.
Регуляторная функция
Некоторые белки являются гормонами - биологически активными веществами, выделяющиеся в кровь различными железами, которые принимают участие в регуляции процессов обмена веществ.
Гормоны инсулин и глюкагон регулирует уровень углеводов в крови.
Транспортная функция
Именно с белками связан перенос кислорода, а также гормонов в теле животных и человека (его осуществляет белок крови гемоглобин).
Двигательная функция
Все виды двигательных реакций клетки выполняются особыми сократительными белками актином и миозином, которые обусловливают сокращение мускулатуры, движение жгутиков и ресничек у простейших, перемещение хромосом при делении клетки, движение растений.
Многие белки образуют защитный покров, предохраняющий организм от вредных воздействий, например роговые образования - волосы, ногти, копыта, рога. Это механическая защита. В ответ на внедрение в организм чужеродных белков (антигенов) в клетках крови вырабатываются вещества белковой природы (антитела), которые обезвреживают их, предохраняя организм от повреждающего действия. Это иммунологическая защита.
Энергетическая функция
Белки могут служить источником энергии. Расщепляясь до конечных продуктов распада - диоксида углерода, воды и азотсодержащих веществ, они выделяют энергию, необходимую для многих жизненных процессов в клетке 17,6 Кдж.
Рецепторная функция
Белки-рецепторы – встроенные в мембрану молекулы белков, способных изменять свою структуру в ответ на присоединение определенного химического вещества.
Запасающая функция
Эту функцию выполняют так называемые резервные белки, являющиеся источниками питания для плода, например белки яйца (овальбумины). Основной белок молока (казеин) также выполняет главным образом питательную функцию.
Ряд других белков используется в организме в качестве источника аминокислот, которые в свою очередь являются предшественниками биологически активных веществ, регулирующих процессы метаболизма.
Токсическая функция
Токсины, токсичные вещества природного происхождения. Обычно к токсинам относят высокомолекулярные соединения (белки, полипептиды и др.), при попадании которых в организм происходит выработка антител.
По мишени действия токсины разделяют на следующие группы:
Гематические яды - яды, затрагивающие кровь.
Нейротоксины - яды, поражающие нервную систему и мозг.
Миоксичные яды - яды, повреждающие мышцы.
Гемотоксины - токсины, которые повреждают кровеносные сосуды и вызывают кровотечение.
Гемолитические токсины - токсины, которые повреждают эритроциты.
Нефротоксины - токсины, которые повреждают почки.
Кардиотоксины - токсины, которые повреждают сердце.
Некротоксины - токсины, которые разрушают ткани, вызывая их омертвление (некроз).
Ядовитые вещества фаллотоксины и аматоксины содержатся в различных видах: бледной поганке, мухоморе вонючем, весеннем.
Углеводы
Углеводы , или сахариды , - органические вещества, в состав которых входит углерод, кислород, водород. Углеводы составляют около 1% массы сухого вещества в животных клетках, а в клетках печени и мышц - до 5%. Наиболее богаты углеводами растительные клетки (до 90% сухой массы).
Химический состав углеводов характеризуется их общей формулой С m (Н 2 О) n , где m≥n. Количество атомов водорода в молекулах углеводов, как правило, в два раза больше атомов кислорода (то есть как в молекуле воды). Отсюда и название - углеводы.
В растительных клетках их значительно больше, чем в животных. Углеводы содержат только углерод, водород и кислород.
К простейшим углеводам относятся простые сахара (моносахариды). Они содержат пять (пентозы) или шесть (гексозы) атомов углерода и столько же молекул воды.
Примерами моносахаридов могут служить глюкоза и фруктоза, находящиеся во многих плодах растений. Кроме растений глюкоза входит также в состав крови.
Сложные углеводы состоят из нескольких молекул простых углеводов. Из двух моносахаридов образуется дисахарид.
Пищевой сахар (сахароза), например, состоит из молекулы глюкозы и молекулы фруктозы.
Значительно большее число молекул простых углеводов входит в такие сложные углеводы, как крахмал, гликоген, клетчатка (целлюлоза).
В молекуле клетчатки, например, от 300 до 3000 молекул глюкозы.
Функции углеводов
Энергетическаяфункция
одна из основных функций углеводов. Углеводы (глюкоза) – основные источники энергии в животном организме. Обеспечивают до 67% суточного энергопотребления (не менее 50%). При расщеплении 1 г углевода выделяется 17,6 кДж, вода и углекислый газ.
Запасающаяфункция
выражается в накоплении крахмала клетками растений и гликогена клетками животных, которые играют роль источников глюкозы, легко высвобождая ее по мере необходимости.
Опорно-строительнаяфункция
Углеводы входят в состав клеточных мембран и клеточных стенок (целлюлоза входит в состав клеточной стенки растений, из хитина образован панцирь членистоногих, муреин образует клеточную стенку бактерий). Соединяясь с липидами и белками, образуют гликолипиды и гликопротеины. Рибоза и дезоксирибоза входят в состав мономеров нуклеотидов.
Рецепторнаяфункция
Олигосахаридные фрагменты гликопротеинов и гликолипидов клеточных стенок выполняют рецепторную функцию, воспринимая сигналы, поступающие из внешней среды.
Защитная функция
Слизи, выделяемые различными железами, богаты углеводами и их производными (например, гликопротеинами). Они предохраняют пищевод, кишечник, желудок, бронхи от механических повреждений, препятствуют проникновению в организм бактерий и вирусов.
Липиды
Липиды – сборная группа органических соединений, не имеющих единой химической характеристики. Их объединяет то, что все они нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях (эфире, хлороформе, бензине).
Различают простые и сложные липиды.
Простые липиды, представляют собой двухкомпонентные вещества, являющиеся сложными эфирами высших жирных кислот и какого-либо спирта, чаще – глицерина.
Сложные липиды состоят имеют многокомпонентные молекулы.
Из простых липидов рассмотрим жиры и воска .
Жиры широко распространены в природе. Жиры – это сложные эфиры высших жирных кислот и трехатомного спирта – глицерина. В химии эту группу органических соединений принято называть триглицеридами, так как все три гидроксильные группы глицерина связаны с жирными кислотами.
В составе триглицеридов обнаружено более 500 жирных кислот, молекулы которых имеют сходное строение.
Как и аминокислоты, жирные кислоты имеют одинаковую для всех кислот группировку – гидрофильную карбоксильную группу (–СООН) и гидрофобный радикал, которым они отличаются друг от друга. Поэтому общая формула жирных кислот имеет вид R-CООН. Радикал представляет собой углеводородный хвост, отличающийся у разных жирных кислот количеством группировок –СН 2 .
Большая часть жирных кислот содержит в "хвосте" четное число атомов углерода, от 14 до 22 (чаще всего 16 или 18). Кроме того, углеводородный хвост может содержать различное количество двойных связей. По наличию или отсутствию двойных связей в углеводородном хвосте различают насыщенные жирные кислоты , не содержащие в углеводородном хвосте двойных связей и ненасыщенные жирные кислоты, имеющие двойные связи между атомами углерода (-СН=СН-). Если в триглицеридах преобладают насыщенные жирные кислоты, то они твердые при комнатной температуре (жиры), если ненасыщенные – жидкие (масла). Плотность жиров ниже, чем у воды, поэтому в воде они всплывают и находятся на поверхности.
Воска – группа простых липидов, представляющих собой сложные эфиры высших жирных кислот и высших высокомолекулярных спиртов. Встречаются как в животном, так и в растительном царстве, где выполняют главным образом защитные функции.
У растений они, например, покрывают тонким слоем листья, стебли и плоды, предохраняя их от смачивания водой и проникновения микроорганизмов. От качества воскового покрытия зависят сроки хранения фруктов. Под покровом пчелиного воска хранится мед и развиваются личинки.
К сложным липидам относятся фосфолипиды, гликолипиды, липопротеины, стероиды, стероидные гормоны, витамины А,D,E,K.
Фосфолипиды – сложные эфиры многоатомных спиртов с высшими жирными кислотами, содержащие остаток фосфорной кислоты. Иногда с ней могут быть связаны добавочные группировки (азотистые основания, аминокислоты).
Как правило, в молекуле фосфолипидов имеется два остатка высших жирных и один остаток фосфорной кислоты. Фосфолипиды присутствуют во всех клетках живых существ, участвуя главным образом в формировании фосфолипидного бислоя клеточных мембран – остатки фосфорной кислоты гидрофильны и всегда направлены к внешней и внутренней поверхности мембраны, а гидрофобные хвосты направлены друг к другу внутри мембраны.
Гликолипиды – это углеводные производные липидов. В состав их молекул наряду с многоатомным спиртом и высшими жирными кислотами входят также углеводы. Они локализованы преимущественно на наружной поверхности плазматической мембраны, где их углеводные компоненты входят в число других углеводов клеточной поверхности.
Липопротеины – липидные молекулы, связанные с белками. Их очень много в мембранах, белки могут пронизывать мембрану насквозь, находится под- или над мембраной, могут быт погружены в липидный бислой на различную глубину.
Липоиды – жироподобные вещества. К ним относятся стероиды (широко распространенный в животных тканях холестерин и его производные – гормоны коры надпочечников – минералокортикоиды, глюкокортикоиды, эстрадиол и тестостерон – соответственно женский и мужской половые гормоны). К липоидам относятся терпены (эфирные масла, от которых зависит запах растений), гиббереллины (ростовые вещества растений), некоторые пигменты (хлорофилл, билирубин), жирорастворимые витамины (А, D, E, K).
Функции липидов показаны в таблице 4.1.
Таблица 4.2.
Функции жиров
| Энергетическая | Основная функция триглицеридов. При расщеплении 1 г липидов выделяется 38,9 кДж |
| Структурная | Фосфолипиды, гликолипиды и липопротеины принимают участие в образовании клеточных мембран. |
| Запасающая | Жиры и масла являются резервным пищевым веществом у животных и растений. Важно для животных, впадающих в холодное время года в спячку или совершающих длительные переходы через местность, где нет источников питания Масла семян растений необходимы для обеспечения энергией проростка. |
| Защитная | Прослойки жира и жировые капсулы обеспечивают амортизацию внутренних органов. Слои воска используются в качестве водоотталкивающего покрытия у растений и животных. |
| Теплоизоляционная | Подкожная жировая клетчатка препятствует оттоку тепла в окружающее пространство. Важно для водных млекопитающих или млекопитающих, обитающих в холодном климате. |
| Регуляторная | Гиббереллины регулируют рост растений. Половой гормон тестостерон отвечает за развитие мужских вторичных половых признаков. Половой гормон эстроген отвечает за развитие женских вторичных половых признаков, регулирует менструальный цикл. Минералокортикоиды (альдостерон и др.) контролируют водно-солевой обмен. Глюкокортикоиды (кортизол и др.) принимают участие в регуляции углеводного и белкового обменов. |
| Источник метаболической воды | При окислении 1 кг жира выделяется 1,1 кг воды. Важно для обитателей пустынь. |
| Каталитическая | Жирорастворимые витамины A, D, E, K являются кофакторами ферментов, т. е., сами по себе эти витамины не обладают каталитической активностью, но без них ферменты не могут выполнять свои функции. |
Рис. 9. Химическое строение липидов и углеводов
Аденозинтрифосфат (АТФ)
Входит в состав любой клетки, где он выполняет одну из важнейших функций - накопителя энергии. Молекулы АТФ состоят из азотистого основания аденина, углевода рибозы и трех молекул фосфорной кислоты.
Неустойчивые химические связи, которыми соединены молекулы фосфорной кислоты в АТФ, очень богаты энергией (макроэргические связи): при разрыве этих связей энергия высвобождается и используется в живой клетке для обеспечения процессов жизнедеятельности и синтеза органических веществ.
Рис. 4.10. Строение молекулы АТФ
4.4. Практическое задание
Биологическая роль химических элементов в живых организмах
1. Макро и микроэлементы в среде и организме человека
Биологическая роль химических элементов в организме человека чрезвычайно разнообразна.
Главная функция макроэлементов состоит в построении тканей, поддержании постоянства осмотического давления, ионного и кислотно-основного состава.
Микроэлементы, входя в состав ферментов, гормонов, витаминов, биологически активных веществ в качестве комплексообразователей или активаторов, участвуют в обмене веществ, процессах размножения, тканевом дыхании, обезвреживании токсических веществ. Микроэлементы активно влияют на процессы кроветворения, окисления - восстановления, проницаемость сосудов и тканей. Макро- и микроэлементы - кальций, фосфор, фтор, йод, алюминий, кремний определяют формирование костной и зубной тканей.
Имеются данные, что содержание некоторых элементов в организме человека меняется с возрастом. Так, содержание кадмия в почках и молибдена в печени к старости повышается. Максимальное содержание цинка наблюдается в период полового созревания, затем оно понижается и в старости доходит до минимума. Уменьшается с возрастом и содержание других микроэлементов, например ванадия и хрома.
Выявлено немало заболеваний, связанных с недостатком или избыточным накоплением различных микроэлементов. Дефицит фтора вызывает кариес зубов, дефицит йода - эндемический зоб, избыток молибдена - эндемическую подагру. Такого рода закономерности связаны с тем, что в организме человека поддерживается баланс оптимальных концентраций биогенных элементов - химический гомеостаз. Нарушение этого баланса вследствие недостатка или избытка элемента может приводить к различным заболеваниям.
Кроме шести основных макроэлементов -- органогенов - углерода, водорода, азота, кислорода, серы и фосфора, из которых состоят углеводы, жиры, белки и нуклеиновые кислоты, для нормального питания человека и животных необходимы «неорганические» макроэлементы - кальций, хлор, магний, калий, натрий - и микроэлементы - медь, фтор, йод, железо, молибден, цинк, а также, возможно (для животных доказано), селен, мышьяк, хром, никель, кремний, олово, ванадий.
Недостаток в пищевом рационе таких элементов, как железо, медь, фтор, цинк, йод, кальций, фосфор, магний и некоторых других, приводит к серьезным последствиям для здоровья человека.
Однако необходимо помнить, что для организма вреден не только недостаток, но и избыток биогенных элементов, так как при этом нарушается химический гомеостаз. Например, при поступлении избытка марганца с пищей в плазме повышается уровень меди (синергизм Мn и Сu), а в почках он снижается (антагонизм). Повышение содержания молибдена в продуктах питания приводит к увеличению количества меди в печени. Избыток цинка в пище вызывает угнетение активности железосодержащих ферментов (антагонизм Zn и Fe).
Минеральные компоненты, которые в ничтожно малых количествах являются жизненно необходимыми, при более высоких концентрациях становятся токсичными.
Ряд элементов (серебро, ртуть, свинец, кадмий и др.) считаются токсичными, так как попадание их в организм уже в микроколичествах приводит к тяжелым патологическим явлениям. Химический механизм токсического воздействия некоторых микроэлементов будет рассмотрен ниже.
Биогенные элементы нашли широкое применение в сельском хозяйстве. Добавление в почву незначительных количеств микро элементов - бора, меди, марганца, цинка, кобальта, молибдена - резко повышает урожайность многих культур. Оказывается, что микроэлементы, увеличив активность ферментов в растениях, способствуют синтезу белков, витаминов, нуклеиновых кислот, сахаров и крахмала. Некоторые из химических элементов положительно действуют на фотосинтез, ускоряют рост и развитие растений, созревание семян. Микроэлементы добавляют в корм животным, чтобы повысить их продуктивность.
Широко используют различные элементы и их соединения в качестве лекарственных средств.
Таким образом, изучение биологической роли химических элементов, выяснение взаимосвязи обмена этих элементов и других биологически активных веществ - ферментов, гормонов, витаминов способствует созданию новых лекарственных препаратов и разработке оптимальных режимов их дозирования как с лечебной, так и с профилактической целью.
Основой для изучения свойств элементов и, в частности, их биологической роли является периодический закон Д.И. Менделеева. Физико-химические свойства, а, следовательно, их физиологическая и патологическая роль, определяются положением этих элементов в периодической системе Д.И. Менделеева.
Как правило, с увеличением заряда ядра атомов увеличивается токсичность элементов данной группы и уменьшается их содержание в организме. Уменьшение содержания, очевидно, связано с тем, что многие элементы длинных периодов из-за больших атомных и ионных радиусов, высокого заряда ядра, сложности электронных конфигураций, малой растворимости соединений плохо усваиваются живыми организмами. В организме в значительных количествах содержатся легкие элементы.
К макроэлементам относятся s-элементы первого (водород), третьего (натрий, магний) и четвертого (калий, кальций) периодов, а также р-элементы второго (углерод, азот, кислород) и третьего (фосфор, сера, хлор) периодов. Все они жизненно необходимы. Большинство остальных s- и р-элементов первых трех периодов (Li, В, Al, F) физиологически активны, s- и р-элементы больших периодов (n>4) редко выступают в качестве незаменимых. Исключение составляют s-элементы - калий, кальций, йод. К физиологически активным относят некоторые s- и р-элементы четвертого и пятого периодов - стронций, мышьяк, селен, бром.
Среди d-элементов жизненно необходимы в основном элементы четвертого периода: марганец, железо, цинк, медь, кобальт. В последнее время установлено, что несомненна физиологическая роль и некоторых других d-элементов этого периода: титана, хрома, ванадия.
d-Элементы, пятого и шестого периодов, за исключением молибдена, не проявляют выраженной положительной физиологической активности. Молибден же входит в состав ряда окислительно-восстановительных ферментов (например, ксантиноксида-, альдегидоксидазы) и играет большую роль в протекании биохимических процессов.
2. Общие аспекты токсичности тяжелых металлов для живых организмов
Всестороннее изучение проблем, связанных с оценкой состояния природной среды показывает, что весьма трудно провести четкую границу между природными и антропогенными факторами изменения экологических систем. Последние десятилетия убедили нас в том. что воздействие человека на природу наносит ей не только непосредственный, легко определяемый ущерб, но и вызывает ряд новых, часто скрытых процессов, трансформирующих иди разрушающих окружающую среду. Естественные и антропогенные процессы в биосфере находятся в сложной взаимосвязи и взаимозависимости. Так, на ход химических превращений, приводящих к образованию токсических веществ, оказывают влияние климат, состояние почвенного покрова, вода, воздух, уровень радиоактивности и т.д. В сложившихся условиях при изучении процессов химического загрязнения экосистем возникает проблема нахождения естественных, обусловленных в основном природными факторами, уровней содержания тех или иных химических элементов или соединений. Решение данной проблемы возможно только на основе проведения длительных систематических наблюдений за состоянием компонентов биосферы, за содержанием в них различных веществ, то есть па основе проведения экологического мониторинга.
Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами имеет прямое отношение к эколого-аналитическому мониторингу супертоксикантов, поскольку многие из них проявляют высокую токсичность уже в следовых количествах и способны концентрироваться в живых организмах.
Основные источники загрязнения природной среды тяжелыми металлами можно разделить на естественные (природные) и искусственные (антропогенные). К естественным относят извержение вулканов, пыльные бури, лесные и степные пожары, морские соли, поднятые ветром, растительность и др. Естественные источники загрязнения носят либо систематический равномерный, либо кратковременный стихийный характер и, как правило, мало влияют на общий уровень загрязнения. Главными и наиболее опасными источниками загрязнения природы тяжелыми металлами являются антропогенные.
В процессе изучения химии металлов и их биохимических циклов в биосфере обнаруживается двойственная роль, которую они играют в физиологии: с одной стороны, большинство металлов являются необходимыми для нормального течения жизни; с другой, при повышенных концентрациях они проявляют высокую токсичность, то есть оказывают вредное влияние на состояние и активность живых организмов. Граница между необходимыми и токсичными концентрациями элементов весьма расплывчата, что осложняет проведение достоверной оценки их воздействия на окружающую среду. Количество, при котором некоторые металлы становятся действительно опасными, зависит не только от степени загрязнения ими экосистем, но также от химических особенностей их биохимического цикла. В табл. 1 представлены ряды молярной токсичности металлов для разных видов живых организмов.
Таблица 1. Представительная последовательность молярной токсичности металлов
ОрганизмыРяды токсичностиВодорослиНg>Сu>Сd>Fе>Сr>Zn>Со>МnГрибкиАg>Нg>Сu>Сd>Сr>Ni>Рb>Со>Zn>FеЦветущие растенияHg>Рb>Сu>Сd>Сr>Ni>ZnКольчатые червиHg>Сu>Zn > Рb> СdРыбыАg>Нg>Сu> Рb>Сd>Al> Zn> Ni> Сr >Со >Mn>>SrМлекопитающиеАg, Нg, Сd> Сu, Рb, Sn, Be>> Mn, Zn, Ni, Fe, Сr >> Sr >Сs, Li, Al
Для каждого вида организма порядок расположения металлов в рядах таблицы слева направо отражает увеличение молярного количества металла, необходимого для проявления эффекта токсичности. Минимальная молярная величина относится к металлу с наибольшей токсичностью.
В.В. Ковальский, исходя из значимости для жизнедеятельности, подразделил химические элементы на три группы:
Жизненно необходимые (незаменимые) элементы, постоянно содержащиеся в организме (входят в состав ферментов, гормонов и витаминов): Н, О, Са, N, К, Р, Nа, S, Mg, Cl, С, I, Мn, Сu, Со, Fe, Мо, V. Их дефицит приводит к нарушению нормальной жизнедеятельности человека и животных.
Таблица 2. Характеристика некоторых металлоферментов - бионеорганических комплексов
МеталлоферментЦентральный атомЛигандное окружениеОбъект концентрацииДействие ферментаКарбоангидразаZn (II)Аминокислотные остаткиЭритроцитыКатализирует обратимую гидратацию углекислого газа: СО2+Н2О↔Н2СО3↔Н++НСО3КарбоскипептидазаZn (II)Аминокислотные остаткиПоджелудочная железа, печень, кишечникКатализирует переваривание белков, участвует в гидролизе пептидной связи: R1CO-NH-R2+H2O↔R1-COOH+R2NH2КаталазаFe (III)Аминокислотные остатки, гистидин, тирозинКровьКатализирует реакцию разложения пероксида водорода: 2Н2О2 = 2Н2О + О2ПероксидазаFe (III)БелкиТкань, кровьОкисление субстратов (RH2) пероксида водорода: RH2 + H2O2 = R + 2H2OОксиредуктазаCu (II)Аминокислотные остаткиСердце, печень, почкиКатализирует окисление с помощью молекулярного кислорода: 2H2R + O2 = 2R + 2H2OПируваткарбоксилазаMn (II)Белки тканейПечень, щитовидная железа Усиливает действия гормонов. Катализирует процесс карбоксилирования пировиноградной кислотойАльдегидоксидазаMo (VI)Белки тканейПеченьУчаствует в окислении альдегидовРибонуклеотидредуктазаCo (II)Белки тканейПеченьУчаствует в биосинтезе рибонуклеиновых кислот
Так, в ответ на действие токсичных ионов свинца, ртути, кадмия и др. печень и почки человека увеличивают синтез металлотионинов - белков невысокой молекулярной массы, в составе которых примерно 1/3 аминокислотных остатков является цистеином. Высокое содержание и определенное расположение сульфгидрильных SH- групп обеспечивают возможность прочного связывания ионов металлов. Механизмы токсичности металлов в целом хорошо известны, однако весьма сложно найти их для какого-то конкретного металла. Один из таких механизмов - концентрация между необходимыми и токсичными металлами за обладание местами связывания в белках, так как ионы металлов стабилизируют и активируют многие белки, входя в состав многих ферментных систем. Кроме того, многие белковые макромолекулы имеют свободные сульфгидрильные группы, способные вступать во взаимодействие с ионами токсичных металлов, таких как кадмий, свинец и ртуть, что приводит к возникновению токсичных эффектов. Тем не менее, точно не установлено, какие именно макромолекулы при этом наносят вред живому организму. Проявление токсичности ионов металлов в разных органах и тканях не всегда связано с уровнем их накопления - нет гарантии в том, что наибольший урон имеет место в той части организма, где концентрация данного металла выше. Так ионы свинца (II), будучи более чем на 90% от общего количества в организме иммобилизованными в костях, проявляют токсичность за счет 10%, распределенных в иных тканях организма. Иммобилизацию ионов свинца в костях можно рассматривать как процесс детоксикации. Токсичность иона металла обычно не связана с его необходимостью для организма. Однако для токсичности и необходимости имеется одна общая черта: как правило, существует взаимосвязь ионов металлов друг от друга, ровно, как и между ионами металлов и неметаллов, в общем вкладе в эффективность их действия. Так, например, токсичность кадмия проявляется ярче в системе с недостаточностью по цинку, а токсичность свинца усугубляется недостаточностью по кальцию. Сходным образом адсорбцию железа из овощной пищи подавляют присутствующие в ней комплексообразующие лиганды, а избыток ионов цинка может ингибировать адсорбцию меди и т.д. Определение механизмов токсичности ионов металлов часто осложняется существованием различных путей их проникновения в живой организм. Металлы могут попадать с пищей, водой, впитываться через кожу, проникать путем ингаляции и др. Поглощение с пылью - вот главный путь проникновения при промышленном загрязнении. В результате вдыхания большинство металлов оседает в легких и только потом распространяется в другие органы. Но наиболее распространенный путь поступления токсичных металлов в организм - прием с пищей и водой.
Библиографический список
1. Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. - М.: Химия, 1993. - 590 с. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. Учебник для вузов. - М.: Высш. шк., 2001. - 679 с. Дроздов Д.А, Зломанов В.П., Мазо Г.Н., Спиридонов Ф.М. Неорганическая химия. В 3-х томах. Т. Химия непереходных элементов. / Под ред. Ю.Д. Третьякова - М.: Изд. «Академия», 2004, 368с. 5. Тамм И.Е., Третьяков Ю.Д. Неорганическая химия: В 3-х томах, Т.1. Физико-химические основы неорганической химии. Учебник для студентов ВУЗв / Под ред. Ю.Д. Третьякова. - М.: Изд. «Академия», 2004, 240с. Коржуков Н.Г. Общая и неорганическая химия. Учеб. Пособие. /Под ред В.И. Деляна-М.: Изд. МИСИС: ИНФРА-М, 2004, 512с. Ершов Ю.А., Попков В.А., Берлянд А.С., Книжник А.З. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов. Учебник для ВУЗов. /Под ред. Ю.А. Ершова. 3-е изд., - М.: Интеграл-Прес, 2007. - 728 с. Глинка Н.Л. Общая химия. Учебное пособие для ВУЗов. Изд. 30-е исправленное./ Под ред. А.И. Ермакова. - М.: Интеграл-Пресс, 2007, - 728 с. Черных, М.М. Овчаренко. Тяжелые металлы и радионуклиды в биогеоцинозах. - М.: Агроконсалт, 2004. Н.В. Гусакова. Химия окружающей среды. - Ростов-на-Дону, Феникс, 2004. Балецкая Л.Г. Неорганическая химия. - Ростов-на-Дону, Феникс, 2005. М. Хенце, П. Армоэс, Й. Лякурянсен, Э. Арван. Очистка сточных вод. - М.: Мир, 2006. Коровин Н.В. Общая химия. - М.: Высш. шк., 1998. - 558 с. Петрова В.В. и др. Обзор свойств химических элементов и их соединений. Учебное пособие по курсу Химия в микроэлектронике. - М.: Изд-во МИЭТ, 1993. - 108 с. Харин А.Н., Катаева Н.А., Харина Л.Т. Курс химии. - М.: Высш. шк., 1983. - 511 с.
- превращение печенью и почками в менее токсичную форму.
Биологическая роль химических элементов в организме человека чрезвычайно разнообразна.
Главная функция макроэлементов состоит в построении тканей, поддержании постоянства осмотического давления, ионного и кислотно-основного состава.
Микроэлементы, входя в состав ферментов, гормонов, витаминов, биологически активных веществ в качестве комплексообра-зователей или активаторов, участвуют в обмене веществ, процессах размножения, тканевом дыхании, обезвреживании токсических веществ. Микроэлементы активно влияют на процессы кроветворения, окисления - восстановления, проницаемость сосудов и тканей. Макро- и микроэлементы - кальций, фосфор, фтор, иод, алюминий, кремний - определяют формирование костной и зубной тканей.
Имеются данные, что содержание некоторых элементов в организме человека меняется с возрастом. Так, содержание кадмия в почках и молибдена в печени к старости повышается. Максимальное содержание цинка наблюдается в период полового созревания, затем оно понижается и в старости доходит до минимума. Уменьшается с возрастом и содержание других микроэлементов, например ванадия и хрома.
Выявлено немало заболеваний, связанных с недостатком или избыточным накоплением различных микроэлементов. Дефицит фтора вызывает кариес зубов, дефицит иода - эндемический зоб, избыток молибдена - эндемическую подагру. Такого рода закономерности связаны с тем, что в организме человека поддерживается баланс оптимальных концентраций биогенных элементов - химический гомеостаз. Нарушение этого баланса вслед-
ствие недостатка или избытка элемента может приводить к различным заболеваниям
Кроме шести основных макроэлементов - органогенов - углерода, водорода, азота, кислорода, серы и фосфора, из которых состоят углеводы, жиры, белки и нуклеиновые кислоты, для нормального питания человека и животных необходимы «неорганические» макроэлементы - кальций, хлор, магний, калий, натрий - и микроэлементы - медь, фтор, иод, железо, молибден, цинк, а также, возможно (для животных доказано), селен, мышьяк, хром, никель, кремний, олово, ванадий.
Недостаток в пищевом рационе таких элементов, как железо, медь, фтор, цинк, иод, кальций, фосфор, магний и некоторых других, приводит к серьезным последствиям для здоровья человека.
Однако необходимо помнить, что для организма вреден не только недостаток, но и избыток биогенных элементов, так как при этом нарушается химический гомеостаз. Например, при поступлении избытка марганца с пищей в плазме повышается уровень меди (синергизм Мп и Си), а в почках он снижается (антагонизм). Повышение содержания молибдена в продуктах питания приводит к увеличению количества меди в печени. Избыток цинка в пище вызывает угнетение активности железосодержащих ферментов (антагонизм 2п и Ре).
Минеральные компоненты, которые в ничтожно малых количествах являются жизненно необходимыми, при более высоких концентрациях становятся токсичными.
Жизненная необходимость, дефицит, токсичность химического элемента представлены в виде кривой зависимости «Концентрация элемента в пищевых продуктах - реакция организма» (рис. 5.5). Приблизительно горизонтальный участок кривой (плато) описывает область концентраций, соответствующих оптимальному росту, здоровью, воспроизведению. Большая протяженность плато указывает не только на малую токсичность элемента, но также на большую способность организма к адаптации по отношению к значительным изменениям содержания этого элемента. Наоборот, узкое плато свидетельствует о значительной токсичности элемента и резком переходе от необходимых организму количеств к опасным для жизни. При выходе за плато (увеличение концентрации микроэлемента) все элементы становятся токсичными. В конечном счете существенное увеличение концентрации микроэлементов может привести к летальному исходу.
Ряд элементов (серебро, ртуть, свинец, кадмий и др.) счи-
таются токсичными, так как попадание их в организм уже в микроколичествах приводит к тяжелым патологическим явлениям. Химический механизм токсического воздействия некоторых микроэлементов будет рассмотрен ниже.
Биогенные элементы нашли широкое применение в сельском хозяйстве. Добавление в почву незначительных количеств микроэлементов - бора, меди, марганца, цинка, кобальта, молибдена - резко повышает урожайность многих культур. Оказывается, что микроэлементы, увеличив активность ферментов в растениях, способствуют синтезу белков, витаминов, нуклеиновых кислот, Сахаров и крахмала. Некоторые из химических элементов положительно действуют на фотосинтез, ускоряют рост и развитие растений, созревание семян. Микроэлементы добавляют в корм животным, чтобы повысить их продуктивность.
Широко используют различные элементы и их соединения в качестве лекарственных средств.
Таким образом, изучение биологической роли химических элементов, выяснение взаимосвязи обмена этих элементов и других биологически активных веществ - ферментов, гормонов, витаминов - способствует созданию новых лекарственных препаратов и разработке оптимальных режимов их дозирования как с лечебной, так и с профилактической целью.
В современных условиях одной из самых актуальных проблем преподавания химии становится обеспечение практической ориентированности предметного знания. Это означает необходимость выяснения тесной взаимосвязи между изучаемыми теоретическими положениями и практикой жизни, демонстрации прикладного характера химических знаний. Учащиеся с интересом начинают изучать химию. Для того чтобы сохранить познавательный интерес учащихся, нужно убедить их в действенности химических знаний, сформировать личную потребность в овладении учебным материалом.
Цель данного урока: расширить кругозор учащихся и повысить познавательный интерес к изучению предмета, формировать мировоззренческие понятия о познаваемости природы. Этот урок предлагается провести в 8 классе после изучения химических элементов Периодической системы, когда у ребят уже есть представление об их многообразии.
ХОД УРОКА
Учитель:
Другого ничего в природе нет
Ни здесь, ни там, в космических глубинах:
Все – от песчинок малых до планет –
Из элементов состоит единых.
Как формула, как график трудовой,
Строй менделеевской системы строгий.
Вокруг тебя творится мир живой,
Входи в него, вдыхай, руками трогай.
Урок начинается театрализованной сценкой “Кто в таблице всех важнее?” (см. Приложение 1 ).
Учитель: В организме человека находятся 81 химический элемент из 92 встречающихся в природе. Человеческий организм – сложная химическая лаборатория. Трудно себе представить, что ежедневно наше самочувствие, настроение и даже аппетит могут зависеть от минеральных веществ. Без них бесполезными оказываются витамины, невозможны синтез и распад белков, жиров и углеводов.
На столах у учеников – таблицы “Биологическая роль химических элементов” (см. Приложение 2 ). Дается время на знакомство с ней. Учитель вместе с учениками проводит анализ таблицы, задавая вопросы.
Учитель:
Основу жизни составляют
шесть элементов первых трех периодов (H, C, N, О, Р, S),
на долю которых приходится 98% массы живого
вещества (остальные элементы периодической
системы составляют не более 2%).
Три основных признака биогенных элементов (H, C, N,
O, P, S):
- малый размер атомов,
- небольшая относительная атомная масса,
- способность образовывать прочные ковалентные связи.
Ученикам раздаются тексты (см. Приложение 3
).
Задание: внимательно прочитать текст; выделить
элементы, необходимые для жизни, и элементы,
опасные для живых организмов; найти их в
Периодической системе и объяснить их роль.
После выполнения задания несколько учеников
проводят анализ разных текстов.
Учитель:
Элементы-аналоги в природной
среде вступают в конкуренцию и могут
взаимозаменяться в живых организмах,
отрицательно на них влияя.
Замена натрия и калия в организмах животных и
человека на литий вызывает расстройства нервной
системы, так как в этом случае клетки не проводят
нервный импульс. Подобные нарушения приводят к
шизофрении.
Таллий, биологический конкурент калия, заменяет
его в стенках клеток, поражает центральную и
периферическую нервную систему,
желудочно-кишечный тракт и почки.
Селен может заменить серу в составе белков. Это
единственный элемент, который при высоком
содержании в растениях может вызвать внезапную
смерть животных и человека, употребивших их в
пищу.
Кальций при его недостатке в почве заменяется в
организме на стронций, который постепенно
нарушает нормальную структуру скелета. Особенно
опасна замена кальция на стронций-90, который в
огромных количествах накапливается в местах
ядерных взрывов (при испытании ядерного оружия)
или при авариях на АЭС. Этот радионуклид
разрушает костный мозг.
Кадмий конкурирует с цинком. Этот элемент
снижает активность пищеварительных ферментов,
нарушает процесс образования гликогена в печени,
вызывает деформацию скелета, угнетает рост
костей, а также вызывает тяжелые боли в пояснице
и в мышцах ног, хрупкость костей (например,
перелом ребер при кашле). Другие негативные
последствия – рак легких и прямой кишки,
нарушение функции поджелудочной железы.
Поражение почек, снижение содержания в крови
железа, кальция, фосфора. Этот элемент тормозит
процессы самоочищения в водных и наземных
растениях (отмечается, например, 20-30-кратное
увеличение кадмия в листьях табака).
Галогены могут очень легко взаимозаменяться в
организме. Избыток фтора в окружающей среде
(фторированная вода, загрязнение почвы
соединениями фтора вокруг предприятия по
производству алюминия и другие причины)
препятствует поступлению в организм человека
йода. В связи с этим возникают заболевания
щитовидной железы, эндокринной системы в целом.
Сообщения учащихся, подготовленные заранее.
1-й учащийся:
Средневековые алхимики считали золото совершенством, а остальные металлы – ошибкой в акте творения и, как известно, прикладывали большие усилия к ликвидации этой ошибки. Идею введения золота в медицинскую практику приписывают Парацельсу, который провозгласил, что целью химии должно быть не превращение всех металлов в золото, а приготовление лекарств. Лекарственные препараты из золота и его соединений пытались применять при многих заболеваниях. Им лечили проказу, волчанку, туберкулез. У людей, чувствительных к золоту, оно могло вызвать нарушение состава крови, реакцию со стороны почек, печени, влиять на настроение, рост зубов, волос. Золото обеспечивает работу нервной системы. Оно содержится в кукурузе. А крепость кровеносных сосудов зависит от германия. Единственный продукт питания, содержащий германий, – чеснок.
2-й учащийся:
В человеческом организме наибольшее количество меди содержится в мозге и печени, и одно это обстоятельство указывает на ее важность в жизнедеятельности. Обнаружено, что при болях повышается концентрация меди в крови и спинномозговой жидкости. В Сирии и Египте новорожденным для профилактики рахита и эпилепсии надевают медные браслеты.
3-й учащийся:
АЛЮМИНИЙ
Алюминиевую посуду называют посудой бедняков, так как этот металл способствует развитию старческого атеросклероза. При приготовлении пищи в такой посуде алюминий частично переходит в организм, где и накапливается.
4-й учащийся:
- Какой элемент содержится в яблоках? (Железо.)
- Какова его биологическая роль? (В организме содержится 3 г железа, из них 2 г – в крови. Железо входит в состав гемоглобина. Недостаточное содержание железа приводит к головной боли, быстрой утомляемости.)
Затем учащиеся проводят лабораторный опыт, цель которого – экспериментально доказать действие солей некоторых металлов на белок. Они смешивают белок с растворами щелочи и медного купороса и наблюдают выпадение фиолетового осадка. Делают вывод о разрушении белка.
5-й учащийся:
Человек – он ведь тоже природа.
Он ведь тоже закат и восход.
И четыре в нем времени года.
И особый в нем музыки ход.
И особое таинство цвета,
То с жестоким, то с добрым огнем.
Человек – он зима. Или лето.
Или осень. С грозой и дождем.Все вместил в себя – версты и время.
И от атомных бурь он ослеп.
Человек – он и почва, и семя.
И сорняк среди поля. И хлеб.И какая в нем брезжит погода?
Сколько в нем одиночества? Встреч?
Человек – он ведь тоже природа…
Так давайте природу беречь!
(С. Островой)
Для закрепления полученных на уроке знаний
проводится тест “Улыбка” (см. Приложение 4
).
Далее предлагается заполнить кроссворд
“Химический калейдоскоп” (см. Приложение 5
).
Учитель подводит итог урока, отмечая наиболее
активных учеников.
6-й учащийся:
Перемена, перемена!
Заливается звонок.
Наконец-то он закончен,
Надоедливый урок!Дернув серу за косичку,
Мимо магний пробежал.
Йод из класса испарился,
Будто вовсе не бывал.Фтор поджег случайно воду,
Хлор чужую книжку съел.
Углерод вдруг с водородом
Невидимкой стать успел.Калий, бром в углу дерутся:
Не поделят электрон.
Кислород – шалун на боре
Мимо проскакал верхом.
Используемая литература:
- О.В. Байдалина О прикладном аспекте химических знаний. “Химия в школе” № 5, 2005 г.
- Химия и экология в школьном курсе. “Первое сентября” № 14, 2005 г.
- И. Н. Пименова, А. В. Пименов “Лекции по общей биологии”, учебное пособие, Саратов, ОАО Издательство “Лицей”, 2003 г.
- О химии в стихах, Кто в таблице всех главнее? “Первое сентября”, № 15, 2005 г.
- Металлы в организме человека.“Химия в школе”, № 6 , 2005 г.
- Кроссворд “Химический калейдоскоп”. “Первое сентября”, №1 4, 2005 г.
- “Я иду на урок химии”. Книга для учителя. М. “Первое сентября”, 2002 г., стр. 12.