Химические элементы в организме человека. Органические и неорганические вещества. Выделительная система

Выделительные функции осуществляются желудочно- кишечным трактом; органами внешнего дыхания; потовыми, сальными, слезными, молочными и другими железами, а также почками (рис. 1.14), с помощью которых из организма удаляются продукты распада.

Рис. 1.14.

Важным органом выделительной системы являются почки, которые непосредственно участвуют в регуляции водного и минерального обменов, обеспечивают кислотно-щелочное равновесие (баланс) в организме, образуют биологически активные вещества, например ренин, влияющий на уровень артериального давления.

Химическое строение организма человека

В состав организма человека входят органические и неорганические вещества. Вода составляет 60% массы тела, а минеральные вещества - в среднем 4%. Органические вещества представлены в основном белками (18%), жирами (15%), углеводами (2-3%). Все вещества организма, как и неживой природы, построены из атомов различных химических элементов.

В состав организма человека из 110 известных химических элементов входит в основном 24 (табл. 1.2). В зависимости от их количества в организме химические элементы делятся на основные, макро-, микро- и ультрамикроэлементы.

Отметим, что отдельные химические элементы неравномерно накапливаются в различных органах и тканях организма человека. Так, например, костная ткань накапливает кальций и фосфор, кровь - железо, щитовидная железа - йод, печень - медь, кожа - стронций и т.д.

Количественный и качественный состав химических элементов организма зависит как от внешних факторов среды (питание, экология и др.), так и функций отдельных органов.

Макроэлементы и их значимость в организме определяются тем, что они необходимы для осуществления многих био-

Таблица 1.2

Химические элементы, входящие в состав организма человека

(по Н. И. Волкову)

химических процессов. Они являются незаменимыми факторами питания, так как в организме не образуются. Содержание минеральных веществ относительно невелико (4-10% сухой массы тела) и зависит от функционального состояния организма, его возраста, характера питания и условий внешней среды.

Кальций в организме человека составляет 40% общего количества всех минеральных веществ. Он входит в состав зубов и костей, придавая им прочность. Снижение поступления кальция в ткани организма приводит к выходу его из костей, что вызывает снижение их прочности (остеопороз), а также нарушение функций нервной системы, кровообращения, в том числе мышечной деятельности.

Фосфор составляет 22% от количества всех минеральных веществ. Около 80% его количества находится в тканях в виде фосфата кальция. Фосфор играет важную роль в процессах энергообразования, так как в виде остатков фосфорной кислоты входит в состав источников энергии - АТФ, АДФ, КрФ, различных нуклеотидов, а также в состав переносчиков водорода и некоторых продуктов обмена.

Натрий и калий содержатся во всех тканях и жидкостях организма. Калий преимущественно внутри клеток, натрий - во внеклеточном пространстве. Оба участвуют в проведении нервного импульса, возбуждении тканей, создании осмотического давления крови (осмотические активные ионы), поддержании кислотно-основного равновесия, а также влияют на активность ферментов Na f , K f , АТФазы. Эти элементы регулируют обмен воды в организме: ионы натрия удерживают воду в тканях и вызывают набухание белков (образование коллоидов), что приводит к появлению отеков; ионы калия, наоборот, усиливают выведение натрия и воды из организма. Недостаточность натрия и калия в организме вызывает нарушение деятельности ЦНС, сократительного аппарата мышц, сердечно-сосудистой и пищеварительной систем, что приводит к снижению физической работоспособности.

Магний в тканях организма находится в определенном соотношении с кальцием. Он влияет на энергетический обмен, синтез белка, поскольку является активатором многих ферментов, которые называются киназами и выполняют функцию переноса фосфатной группы от молекулы АТФ на различные субстраты. Магний влияет также на возбудимость мышц, способствует выведению холестерина из организма.

Недостаточность его приводит к повышению нервно-мышечной возбудимости, появлению судорог и мышечной слабости.

Хлор относится к осмотическим активным веществам и участвует в регуляции осмотического давления и водного обмена клеток организма, используется для образования соляной кислоты (НС1) - обязательного компонента желудочного сока. Недостаточность хлора в организме может привести к снижению артериального давления, способствует заболеванию инфарктом миокарда, вызывает утомляемость, раздражительность, сонливость.

Микро- и улътрамикроэлемепты. Железо играет очень важную роль в процессах аэробного энергообразования в организме. Оно входит в состав белков гемоглобина, миоглоби- на, которые осуществляют транспорт 0 2 и С0 2 в организме, а также в состав цитохромов - компонентов дыхательной цепи, в которой протекают процессы биологического окисления и образования ЛТФ. Недостаточность железа в организме приводит к нарушению образования гемоглобина и снижению его концентрации в крови. Это может привести к развитию железодефицитной анемии, снижению кислородной емкости крови и резкому снижению физической работоспособности.

Цинк входит в состав многих ферментов энергетического обмена, а также ферментов карбоангидразы, которые катализирует обмен Н 2 С0 3 и лакгатдегидрогеназы, регулирующих окислительный распад молочной кислоты. Он участвует в создании активной структуры белка инсулина - гормона поджелудочной железы, усиливает действие гормонов гипофиза (гонадотропного) и половых желез (тестостерона, эстрогена) на процессы синтеза белка. Недостаточность цинка может привести к ослаблению иммунитета, потере аппетита, замедлению процессов роста.

Медь способствует росту организма, усиливает процессы кроветворения, влияет на скорость окисления глюкозы и распад гликогена. Она входит в состав ферментов дыхательной цепи, повышает активность липазы, пепсина и других ферментов.

Марганец , кобальт , хром используются организмом как активаторы многих ферментов, принимающих участие в обмене углеводов, белков, липидов, синтезе холестерина, влияют на процессы кроветворения, повышают защитные силы организма. Хром также усиливает синтез белков, проявляя анаболическое действие. Марганец участвует в синтезе витамина С, что весьма существенно для спортсменов.

Йод необходим для построения гормонов щитовидной железы - тироксина и его производных. Недостаточность его в организме приводит к заболеваниям щитовидной железы (эндемический зоб): 150 мкг удовлетворяют суточную потребность организма в йоде.

Фтор входит в состав зубной эмали и дентина. Избыток его подавляет процессы тканевого дыхания и окисления жирных кислот. Недостаточность фтора вызывает заболевание зубов (кариес), а избыток - пятнистость эмали (флюороз).

Селен оказывает антиоксидантное действие, т.е. защищает клетки от чрезмерного перекисного окисления липидов, которое приводит к накоплению в тканях вредных перекисей водорода. Последнее исследование свидетельствует о том, что селен укрепляет иммунную систему и препятствует возникновению раковых клеток, участвует в передаче генетической информации.

Весь наш мир: растения, животный мир, все, что нас окружает, состоит из одних и тех же микроэлементов, которые присутствуют в разных концентрациях во всем и, конечно же, в нашей пище.

Каждый элемент влияет на наше здоровье. Содержание элементов в продуктах питания величина очень изменчивая. Более стабильной и постоянной величиной является содержание элементов в организме здорового человека, хотя и оно может иметь вариабельность (изменчивость).

Для организма человека определенно установлена роль около 30 химических элементов, без которых он не может нормально существовать. Эти элементы называют жизненно необходимыми. Кроме них, имеются элементы, которые в малых количествах не сказываются на функционировании организма, но при определенном содержании являются ядами.

Макроэлементы - содержание в организме более одного грамма: фосфор, калий, сера, натрий, хлор, магний, железо, фтор, цинк, кремний, цирконий - 11 элементов.

Микроэлементы - содержание в организме более одного миллиграмма: рубидий, стронций, бром, свинец, ниобий, медь, алюминий, кадмий, барий, бор (первая десятка микроэлементов), теллур, ванадий, мышьяк, олово, селен, титан, ртуть, марганец, йод, никель, золото, молибден, сурьма, хром, иттрий, кобальт, цезий, германий - 28 элементов. Каждый элемент влияет на наше здоровье. Содержание элементов в продуктах питания величина очень изменчивая. Более стабильной и постоянной величиной является содержание элементов в организме здорового человека, хотя и оно может иметь вариабельность (изменчивость).

Предположения некоторых ученых идут дальше. Они считают, что в живом организме не только присутствуют все химические элементы, но каждый из них выполняет определенную биологическую функцию. Вполне возможно, что эта гипотеза не подтвердится. Однако, по мере того, как развиваются исследования в данном направлении, выявляется биологическая роль все большего числа химических элементов.

Организм человека состоит на 60% из воды, 34% приходится на органические вещества и 6% - на неорганические. Основными компонентами органических веществ являются углерод, водород, кислород, в их состав входят также азот, фосфор и сера. В неорганических веществах организма человека обязательно присутствуют 22 химических элемента: Ca, P, O, Na, Mg, S, B, Cl, K, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cr, Si, I, F, Se.

Например, если вес человека составляет 70 кг, то в нем содержится (в граммах): кальция - 1700, калия - 250, натрия - 70, магния - 42, железа - 5, цинка - 3.

Ученые договорились, что если массовая доля элемента в организме превышает 10-2%, то его следует считать макроэлементом. Доля микроэлементов в организме составляет 10-3-10-5%.

Имеется большое число химических элементов, особенно среди тяжелых, являющихся ядами для живых организмов, - они оказывают неблагоприятное биологическое воздействие. К этим элементам можно отнести: Ba, Ni, Pd, Pt, Au, Ag, Hg, Cd, Tl, Pb, As, Sb, Se.

Встречаются элементы, которые в относительно больших количествах являются ядами, а в низких концентрациях оказывают полезное влияние. Например, мышьяк - сильный яд, нарушающий сердечно-сосудистую систему и поражающий почки и печень, в небольших дозах полезен, и врачи прописывают его для улучшения аппетита. Кислород, необходимый человеку для дыхания, в высокой концентрации (особенно под давлением) оказывает ядовитое действие. Среди примесных элементов имеются и такие, которые в малых дозах обладают эффективными лечащими свойствами. Так, давно было замечено бактерицидное (вызывающее гибель различных бактерий) свойство серебра и его солей. Например, в медицине раствор коллоидного серебра (колларгол) применяют для промывания гнойных ран, мочевого пузыря, при хронических циститах и уретритах, а также в виде глазных капель при гнойных конъюктивитах и бленнорее. Карандаши из нитрата серебра применяют для прижигания бородавок, грануляций. В разбавленных растворах (0,1-0,25%) нитрат серебра используют как вяжущее и противомикробное средство для примочек, а также в качестве глазных капель. Ученые считают, что прижигающее действие нитрата серебра связано с его взаимодействием с белками тканей, что приводит к образованию белковых солей серебра - альбуминатов. Серебро пока не относят к жизненно необходимым элементам, однако уже экспериментально установлено его повышенное содержание в мозгу человека, в железах внутренней секреции, печени. В организм серебро поступает с растительной пищей, например с огурцами и капустой.

Весьма интересен вопрос о принципах отбора природой химических элементов для функционирования живых организмов. Не вызывает сомнения, что их распространенность не является решающим фактором. Здоровый организм сам способен регулировать содержание отдельных элементов. При наличии выбора (пищи и воды) животные инстинктивно могут вносить лепту в это регулирование. Возможности растений в данном процессе ограничены.

Органические вещества клетки. Основные жизненно необходимые соединения – белки, жиры и углеводы. Биополимеры.

Органические соединения составляют в среднем 20-30% массы клетки живого организма. К ним относятся биологические полимеры, белки, углеводы, липиды, гормоны, нуклеиновые кислоты, витамины.

Биологические полимеры – органические соединения, входящие в состав клеток живых организмов. Полимер – многозвенная цепь простых веществ – мономеров (n ÷ 10тыч. – 100тыс. мономеров.

Свойства биополимеров зависят от строения их молекул, от числа и разнообразия мономерных звеньев. Если мономеры разные, то повторяющиеся чередования их в цепи создают регулярный полимер.

…А – А – В – А – А – В… регулярный

…А – А – В – В – А – В – А… нерегулярный

Углеводы

Общая формула Сn(H 2 O)m

Углеводы в организме человека играют роль энергетических веществ. Самые важные из них – сахароза, глюкоза, фруктоза, а также крахмал. Они быстро усваиваются ("сгорают") в организме. Исключение составляет клетчатка (целлюлоза), которой особенно много в растительной пище. Она практически не усваивается организмом, но имеет большое значение: выступает в роли балласта и помогает пищеварению, механически очищая слизистые оболочки желудка и кишечника. Углеводов много в картофеле и овощах, крупах, макаронных изделиях, фруктах и хлебе.

Пример: глюкоза, рибоза, фруктоза, дезоксирибоза – моносахариды. Сахароза – дисахариды. Крахмал, гликоген, целлюлоза - полисахариды

Нахождение в природе : в растениях, фруктах, в цветочной пыльце, овощах (чеснок, свекла), картофеле, рисе, кукурузе, зерне пшеницы, древесине…

Их функции:

1) энергетическая: при окислении до СО2 и Н2О высвобождается энергия; избыток энергии запасается в клетках печени и мышц в виде гликогена;

2) строительная: в растительной клетке – прочная основа клеточных стенок (целлюлоза);

3) структурная: входят в состав межклеточного вещества кожи сухожилий хрящей;

4) узнавание клетками др.: в составе клеточных мембран, если разделённые клетки печени смешать с клетками почек, то они самостоятельно разойдутся на две группы благодаря взаимодействию однотипных клеток.

Липиды (липоиды, жиры)

К липидам относятся разнообразные жиры, жироподобные вещества, фосфорлипиды… Все они нерастворимы в воде, но растворимы в хлороформе, эфире…

Нахождение в природе : в клетках животных и человека в клеточной мембране; между клетками – подкожный слой жира.

Функции:

1) теплоизоляционная (у китов, ластоногих …);

2) запасное питательное вещество;

3) энергетическая: при гидролизе жиров выделяется энергия;

4) структурная: некоторые липиды служат составной частью клеточных мембран.

Жиры тоже служат для человеческого организма источником энергии. Их организм откладывает "про запас" и они служат энергетическим источником долговременного пользования. Кроме того, жиры обладают низкой теплопроводностью и предохраняют организм от переохлаждения. Неудивительно, что в традиционном рационе северных народов так много животных жиров. Для людей, занятых тяжелым физическим трудом, затраченную энергию тоже проще всего (хотя и не всегда полезней) компенсировать жирной пищей. Жиры входят в состав клеточных стенок, внутриклеточных образований, в состав нервной ткани. Еще одна функция жиров – поставлять в ткани организма жирорастворимые витамины и другие биологически активные вещества.

Белки

Рисунок - Молекула белка

Белки – биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты.

Образование линейных молекул белков происходит в результате реакций аминокислот др. с др.

Источниками белков могут служить не только животные продукты (мясо, рыба, яйца, творог), но и растительные, например, плоды бобовых (фасоль, горох, соя, арахис, которые содержат до 22–23% белков по массе), орехи и грибы. Однако больше всего белка в сыре (до 25 %), мясных продуктах (в свинине 8–15 %, баранине 16–17 %, говядине 16–20 %), в птице (21 %), рыбе (13–21 %), яйцах (13 %), твороге(14 %). Молоко содержит 3 % белков, а хлеб 7–8 %. Среди круп чемпион по белкам – гречневая крупа (13 % белков в сухой крупе), поэтому именно ее рекомендуют для диетического питания. Чтобы избежать "излишеств" и в то же время обеспечить нормальную жизнедеятельность организма, надо, прежде всего, дать человеку с пищей полноценный по ассортименту набор белков. Если белков в питании недостает, взрослый человек ощущает упадок сил, у него снижается работоспособность, его организм хуже сопротивляется инфекции и простуде. Что касается детей, то они при неполноценном белковом питании сильно отстают в развитии: дети растут, а белки – основной "строительный материал" природы. Каждая клетка живого организма содержит белки. Мышцы, кожа, волосы, ногти человека состоят главным образом из белков. Более того, белки – основа жизни, они участвуют в обмене веществ и обеспечивают размножение живых организмов.

Строение:

первичная структура – линейная, с чередованием аминокислот;

вторичная – в виде спирали со слабыми связями между витками (водородными);

третичная – спираль свёрнутая в клубок;

четвертичная – при объединении нескольких цепей, различных по первичной структуре.

Функции:

1) строительная: белки являются обязательным компонентом всех клеточных структур;

2) структурная: белки в соединении с ДНК составляют тело хромосом, а с РНК – тело рибосом;

3) ферментативная: катализатором хим. реакций выступает любой фермент – белок, но очень специфичный;

4) транспортная: перенос О 2 , гормонов в теле животных и человека;

5) регуляторная: белки могут выполнять регуляторную функцию, если они являются гормонами. Например инсулин (гормон, поддерживающий работу поджелудочной железы) активизирует захват клетками молекул глюкозы и расщепление или запасание их внутри клетки. При недостатке инсулина глюкоза накапливается в крови, развивая диабет;

6) защитная: при попадании инородных тел в организме вырабатываются защитные белки – антитела, которые связываются с чужеродными, соединяются и подавляют их жизнедеятельность. Такой механизм сопротивления организма называют иммунитетом;

7) энергетическая: при недостатке углевода и жиров могут окислиться молекулы аминокислот.

Понятие «жизнь». Основные признаки живого: питание, дыхание, выделение, раздражимость, подвижность, размножение, рост и развитие.

Биология – наука о происхождении и развитии живого, его строении, формах организации и способах активности. В настоящее время насчитывается более 50 наук внутри комплекса биологического знания, среди них: ботаника, зоология, анатомия, морфология, биофизика, биохимия, экология и т.д. Такое многообразие научных дисциплин объясняется сложностью объекта исследования – живой материи .

С этой точки зрения особенно важно понять, какие критерии лежат в основе разделения материи - на живую и неживую.

В классической биологии соперничали две противоположные позиции, объяснявшие сущность живого принципиально различным образом, - редукционизм и витализм.

Сторонники редукционизма считали, что все процессы жизнедеятельности организмов можно свести к совокупности определенных химических реакций. Термин «редукционизм» происходит от латинского слова redaction – отодвигать назад, возвращать. Идеи биологического редукционизма опирались на представления вульгарного механистического материализма, получившего наибольшее распространение в философии 17 – 18 вв. Механистический материализм все процессы, происходящие в природе, объяснял с точки зрении законов классической механики. Адаптация механистической материалистической позиции к биологическому познанию привела к формированию биологического редукционизма. С точки зрения современного естествознания, редукционистическое объяснение не может быть признано удовлетворительным, поскольку выхолащивает саму сущность живого. Наиболее широкое распространение редукционизм получил в 18 веке.

Противоположностью редукционизма является витализм , сторонники которого объясняют специфику живых организмов присутствием в них особой жизненной силы. Термин «витализм» происходит от латинского слова vita – жизнь. Философской базой витализма является идеализм. Витализм не объяснял специфики и механизмов функционирования живого, сводя все отличия органического от неорганического к действию таинственной и непознанной «жизненной силы».

Современная биология основными свойствами живого считает:

1)самостоятельный обмен веществ,

2) раздражимость,

4) способность к размножению,

5) подвижность,

6) приспособляемость к среде

По совокупности этих свойств живое отличается от неживого. Биологические системы – это целостные открытые системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой веществом, энергией, информацией и способные к самоорганизации. Живые системы активно реагируют на изменения окружающей среды, приспосабливаются к новым условиям. Отдельные качества живого могут быть присущи и неорганическим системам, но ни одна из неорганических систем не обладает совокупностью перечисленных свойств.

Существуют переходные формы, которые объединяют в себе свойства живого и неживого, например вирусы. Слово «вирус» образовано от латинского virus – яд. Вирусы были открыты в 1892 году русским ученым Д.Ивановским. С одной стороны, они состоят из белков и нуклеиновых кислот и способны к самовоспроизводству, т.е. имеют признаки живых организмов, но с другой стороны, вне чужого организма или клетки они не проявляют признаков живого – не имеют собственного обмена веществ, не реагируют на раздражители, не способны к росту и размножению.

Все живые существа на Земле имеют одинаковый биохимический состав: 20 аминокислот, 5 азотистых оснований, глюкоза, жиры. Современной органической химии известно более 100 аминокислот. По-видимому, такое небольшое число соединений, образующих все живое, является результатом отбора, который происходил на этапе предбиологической эволюции. Белки, из которых состоят живые системы, представляют собой высокомолекулярные органические соединения. В каждом конкретном белке порядок аминокислот всегда один и тот же. Большинство белков выступает в качестве ферментов – катализаторов химических реакций, происходящих в живых системах.

Значительным достижением классической биологии стало создание теории клеточного строения живых организмов. В комплексе современных биологических знаний существует отдельная дисциплина, занимающаяся изучением клетки – цитология.

Понятие «клетка» было введено в научных обиход английским ботаником Р.Гуком в 1665 году. Рассматривая среды высушенной пробки, он обнаружил множество ячеек, или камер, которые назвал клетками. Однако с момента этого открытия до создания клеточной теории прошло два столетия.

В 1837 году немецкий ботаник М.Шлейден предложил теорию образования растительных клеток. По мнению Шлейдена, важную роль в размножении и развитии клеток играет клеточное ядро, существование которого было устновлено в 1831 году Р.Броуном.

В 1839 году соотечественник М.Шлейдена анатом Т.Шванн, опираясь на экспериментальные данные и теоретические выводы создал клеточную теориюстроения живых организмов. Создание в середине 19 века клеточной теории стало существенным шагом в становлении биологии как самостоятельной научной дисциплины.

Основные положения клеточной теории

1. Клетка – это элементарная биологическая единица, структурно-функциональная основа всего живого.

2. Клетка осуществляет самостоятельный обмен веществ, способны к делению и саморегуляции.

3. Образование новых клеток из неклеточного материала невозможно, размножение клеток происходит только благодаря их делению.

Клеточная теория строения живых организмов стала убедительным аргументом в пользу идеи единства происхождения жизни на Земле и оказала существенное влияние на формирование современной научной картины мира.

Как известно, все вещества могут быть поделены на две большие категории - минеральные и органические. Можно привести большое количество примеров неорганических, или минеральных, веществ: соль, сода, калий. Но какие типы соединений попадают во вторую категорию? Органические вещества представлены в любом живом организме.

Белки

Важнейшим примером органических веществ являются белки. В их состав входит азот, водород и кислород. Помимо них, иногда в некоторых белках также можно обнаружить атомы серы.

Белки являются одними из важнейших органических соединений, и они наиболее часто встречаются в природе. В отличие от других соединений, белкам свойственны некоторые характерные черты. Главное их свойство - это огромная молекулярная масса. Например, молекулярный вес атома спирта составляет 46, бензола - 78, а гемоглобина - 152 000. По сравнению с молекулами других веществ, белки являются настоящими великанами, содержащими в себе тысячи атомов. Иногда биологи называют их макромолекулами.

Белки являются самыми сложными из всех органических строений. Они относятся к классу полимеров. Если рассмотреть молекулу полимера под микроскопом, то можно увидеть, что она представляет собой цепь, состоящую из более простых структур. Они носят название мономеров и повторяются в полимерах множество раз.

Помимо белков существует большое количество полимеров - каучук, целлюлоза, а также обычный крахмал. Также немало полимеров создано и руками человека - капрон, лавсан, полиэтилен.

Образование белка

Как же образуются белки? Они представляют собой пример органических веществ, состав которых в живых организмах определяется генетическим кодом. При их синтезе в подавляющем большинстве случаев используются различные комбинации

Также новые аминокислоты могут образовываться уже когда белок начинает функционировать в клетке. При этом в нем встречаются только альфа-аминокислоты. Первичная структура описываемого вещества определяется последовательностью остатков аминокислотных соединений. И в большинстве случаев полипептидная цепь при образовании белка закручивается в спираль, витки которой располагаются тесно друг к другу. В результате образования водородных соединений она имеет достаточно прочную структуру.

Жиры

Другим примером органических веществ могут послужить жиры. Человеку известно немало видов жиров: сливочное масло, говяжий и рыбий жир, растительные масла. В больших количествах жиры образуются в семенах растений. Если очищенную семечку подсолнечника положить на лист бумаги и придавить, то на листе останется маслянистое пятно.

Углеводы

Не менее важными в живой природе являются углеводы. Они содержатся во всех органах растений. К классу углеводов относится сахар, крахмал, а также клетчатка. Богаты ими клубни картофеля, плоды банана. Очень легко обнаружить крахмал в картофеле. При реакции с йодом этот углевод окрашивается в синий цвет. В этом можно убедиться, если капнуть на срез картофелины немного йода.

Также несложно обнаружить и сахара - они все имеют сладкий вкус. Много углеводов этого класса содержится в плодах винограда, арбузов, дыни, яблони. Они представляют собой примеры органических веществ, которые также производятся в искусственных условиях. Например, из сахарного тростника добывается сахар.

А как образуются углеводы в природе? Самым простым примером является процесс фотосинтеза. Углеводы представляют собой органические вещества, в которых содержится цепь из нескольких углеродных атомов. Также в их состав входит несколько гидроксильных групп. В процессе фотосинтеза сахар неорганических веществ образуется из оксида углерода и серы.

Клетчатка

Еще одним примером органических веществ является клетчатка. Больше всего ее содержится в семенах хлопка, а также стеблях растений и их листьях. Клетчатка состоит их линейных полимеров, ее молекулярная масса составляет от 500 тысяч до 2 млн.

В чистом виде она представляет собой вещество, у которого отсутствует запах, вкус и цвет. Применяется оно при изготовлении фотопленки, целлофана, взрывчатки. В организме человека клетчатка не усваивается, однако является необходимой частью рациона, поскольку стимулирует работу желудка и кишечника.

Вещества органические и неорганические

Можно привести немало примеров образования органических и Вторые всегда происходят из минералов - неживых которые образуются в глубинах земли. Они входят и в состав различных горных пород.

В естественных условиях неорганические вещества образуются в процессе разрушения минералов либо органических веществ. С другой стороны, из минералов постоянно образуются вещества органические. Например, растения поглощают воду с растворенными в ней соединениями, которые в дальнейшем переходят из одной категории в другую. Живые организмы используют для питания главным образом органические вещества.

Причины разнообразия

Нередко школьникам или студентам нужно ответить на вопрос о том, в чем заключаются причины многообразия органических веществ. Главный фактор состоит в том, что атомы углерода соединяются между собой при помощи двух типов связей - простых и кратных. Также они могут образовывать цепи. Еще одной причиной является разнообразие различных химических элементов, которые входят в органические вещества. Кроме того, многообразие обусловлено и аллотропией - явлением существования одного и того же элемента в различных соединениях.

А как образуются неорганические вещества? Природные и синтетические органические вещества и их примеры изучаются как в старших классах школы, так и в профилированных высших учебных заведениях. Образование неорганических веществ - это не такой сложный процесс, как образование белков или углеводов. Например, соду с незапамятных времен люди добывали из содовых озер. В 1791 году ученый-химик Николя Леблан предложил синтезировать ее в лабораторных условиях с использованием мела, соли, а также серной кислоты. Когда-то всем привычная сегодня сода была достаточно недешевым продуктом. Для проведения опыта было необходимо прокалить поваренную соль вместе с кислотой, а затем образовавшийся сульфат прокалить вместе с известняком и древесным углем.

Другим является марганцовка, или перманганат калия. Это вещество получают в промышленных условиях. Процесс образования заключается в электролизе раствора гидроксида калия и марганцевого анода. При этом анод постепенно растворяется с образованием раствора фиолетового цвета - это и есть всем известная марганцовка.

ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА (КУКУШКИН Ю. Н. , 1998), ХИМИЯ

Для организма человека определенно установлена роль около 30 химических элементов, без которых он не может нормально существовать. Эти элементы называют жизненно необходимыми. Кроме них, имеются элементы, которые в малых количествах не сказываются на функционировании организма, но при определенном содержании являются ядами.

ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА

Ю. Н. КУКУШКИН

Санкт-Петербургский государственный технологический институт

ВВЕДЕНИЕ

Многим химикам известны крылатые слова, сказанные в 40-х годах текущего столетия немецкими учеными Вальтером и Идой Ноддак, что в каждом булыжнике на мостовой присутствуют все элементы Периодической системы. Вначале эти слова были встречены далеко не с единодушным одобрением. Однако, по мере того как разрабатывались все более точные методы аналитического определения химических элементов, ученые все больше убеждались в справедливости этих слов.

Если согласиться с тем, что в каждом булыжнике содержатся все элементы, то это должно быть справедливо и для живого организма. Все живые организмы на Земле, в том числе и человек, находятся в тесном контакте с окружающей средой. Жизнь требует постоянного обмена веществ в организме. Поступлению в организм химических элементов способствуют питание и потребляемая вода. В соответствии с рекомендацией диетологической комиссии Национальной академии США ежедневное поступление химических элементов с пищей должно находиться на определенном уровне (табл. 1). Столько же химических элементов должно ежесуточно выводиться из организма, поскольку их содержания находятся в относительном постоянстве.

Предположения некоторых ученых идут дальше. Они считают, что в живом организме не только присутствуют все химические элементы, но каждый из них выполняет определенную биологическую функцию. Вполне возможно, что эта гипотеза не подтвердится. Однако, по мере того как развиваются исследования в данном направлении, выявляется биологическая роль все большего числа химических элементов.

Организм человека состоит на 60% из воды, 34% приходится на органические вещества и 6% - на неорганические. Основными компонентами органических веществ являются углерод, водород, кислород, в их состав входят также азот, фосфор и сера. В неорганических веществах организма человека обязательно присутствуют 22 химических элемента: Ca, P, O, Na, Mg, S, B, Cl, K, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cr, Si, I, F, Se. Например, если вес человека составляет 70 кг, то в нем содержится (в граммах): кальция - 1700, калия - 250, натрия - 70, магния - 42, железа - 5, цинка - 3.

Ученые договорились, что если массовая доля элемента в организме превышает 10 -2 %, то его следует считать макроэлементом. Доля микроэлементов в организме составляет 10 -3 -10 -5 %. Если содержание элемента ниже 10 -5 %, его считаютультрамикроэлементом . Конечно, такая градация условна. По ней магний попадает в промежуточную область между макро- и микроэлементами.

Таблица 1. Суточное поступление химических элементов в организм человека

ЖИЗНЕННО НЕОБХОДИМЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Несомненно, время внесет коррективы в современные представления о числе и биологической роли определенных химических элементов в организме человека. В данной статье мы будем исходить из того, что уже достоверно известно. Роль макроэлементов, входящих в состав неорганических веществ, очевидна. Например, основное количество кальция и фосфора входит в кости (гидроксофосфат кальция Ca 10 (PO 4) 6 (OH) 2), а хлор в виде соляной кислоты содержится в желудочном соке.

Микроэлементы вошли в отмеченный выше ряд 22 элементов, обязательно присутствующих в организме человека. Заметим, что большинство из них - металлы, а из металлов больше половины являются d -элементами. Последние в организме образуют координационные соединения со сложными органическими молекулами. Так, установлено, что многие биологические катализаторы - ферменты содержат ионы переходных металлов (d -элементов). Например, известно, что марганец входит в состав 12 различных ферментов, железо - в 70, медь - в 30, а цинк - более чем в 100. Микроэлементы называют жизненно необходимыми, если при их отсутствии или недостатке нарушается нормальная жизнедеятельность организма. Характерным признаком необходимого элемента является колоколообразный вид кривой доза (n ) - ответная реакция (R , эффект) (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость ответной реакции (R ) от дозы (n ) для жизненно необходимых элементов

При малом поступлении данного элемента организму наносится существенный ущерб. Он функционирует на грани выживания. В основном это объясняется снижением активности ферментов, в состав которых входит данный элемент. При повышении дозы элемента ответная реакция возрастает и достигает нормы (плато). При дальнейшем увеличении дозы проявляется токсическое действие избытка данного элемента, в результате чего не исключается и летальный исход. Кривую на рис. 1 можно трактовать так: все должно быть в меру и очень мало и очень много вредно. Например, недостаток в организме железа приводит к анемии, так как оно входит в состав гемоглобина крови, а точнее, его составной части - гема. У взрослого человека в крови содержится около 2,6 г железа. В процессе жизнедеятельности в организме происходят постоянный распад и синтез гемоглобина. Для восполнения железа, потерянного с распадом гемоглобина, человеку необходимо суточное поступление в организм с пищей в среднем около 12 мг этого элемента. Связь анемии с недостатком железа была известна врачам давно, так как еще в XVII веке в некоторых европейских странах при малокровии прописывали настой железных опилок в красном вине. Однако избыток железа в организме тоже вреден. С ним связан сидероз глаз и легких - заболевания, вызываемые отложением соединений железа в тканях этих органов. Главный регулятор содержания железа в крови - печень.

Недостаток в организме меди приводит к деструкции кровеносных сосудов, патологическому росту костей, дефектам в соединительных тканях. Кроме того, считают, что дефицит меди служит одной из причин раковых заболеваний. В некоторых случаях поражение легких раком у людей пожилого возраста врачи связывают с возрастным снижением содержания меди в организме. Однако избыток меди в организме приводит к нарушению психики и параличу некоторых органов (болезнь Вильсона). Человеку причиняют вред лишь относительно большие количества соединений меди. В малых дозах их используют в медицине как вяжущее и бактериостазное (задерживающее рост и размножение бактерий) средство. Так, например, сульфат меди (II) применяют при лечении конъюктивитов в виде глазных капель (25%-ный раствор), а также для прижиганий при трахоме в виде глазных карандашей (сплав сульфата меди(II), нитрата калия, квасцов и камфоры). При ожогах кожи фосфором проводят ее обильное смачивание 5%-ным раствором сульфата меди (II).

Таблица 2. Характерные симптомы дефицита химических элементов в организме человека

Биологическая функция других щелочных металлов в здоровом организме пока неясна. Однако имеются указания, что введением в организм ионов лития удается лечить одну из форм маниакально-депрессивного психоза. Приведем табл. 2, из которой видна важная роль других жизненно необходимых элементов.

ПРИМЕСНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Имеется большое число химических элементов, особенно среди тяжелых, являющихся ядами для живых организмов, - они оказывают неблагоприятное биологическое воздействие. В табл. 3 приведены эти элементы в соответствии с Периодической системой Д.И. Менделеева.

Таблица 3.

За исключением бериллия и бария, эти элементы образуют прочные сульфидные соединения. Существует мнение, что причина действия ядов связана с блокированием определенных функциональных групп (в частности, сульфгидрильных) протеина или же с вытеснением из некоторых ферментов ионов металлов, например меди и цинка. Элементы, представленные в табл. 3, называют примесными. Их диаграмма доза - эффект имеет другую форму по сравнению с жизненно необходимыми (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость ответной реакции (R ) от дозы (n ) для примесных химических элементов До определенного содержания этих элементов организм не испытывает вредного воздействия, но при значительном увеличении концентрации они становятся ядовитыми.

Встречаются элементы, которые в относительно больших количествах являются ядами, а в низких концентрациях оказывают полезное влияние. Например, мышьяк - сильный яд, нарушающий сердечно-сосудистую систему и поражающий почки и печень, в небольших дозах полезен, и врачи прописывают его для улучшения аппетита. Кислород, необходимый человеку для дыхания, в высокой концентрации (особенно под давлением) оказывает ядовитое действие.

Из этих примеров видно, что концентрация элемента в организме играет весьма существенную, а порой и катастрофическую роль. Среди примесных элементов имеются и такие, которые в малых дозах обладают эффективными лечащими свойствами. Так, давно было замечено бактерицидное (вызывающее гибель различных бактерий) свойство серебра и его солей. Например, в медицине раствор коллоидного серебра (колларгол) применяют для промывания гнойных ран, мочевого пузыря, при хронических циститах и уретитах, а также в виде глазных капель при гнойных конъюктивитах и бленнорее. Карандаши из нитрата серебра применяют для прижигания бородавок, грануляций. В разбавленных растворах (0,1-0,25%) нитрат серебра используют как вяжущее и противомикробное средство для примочек, а также в качестве глазных капель. Ученые считают, что прижигающее действие нитрата серебра связано с его взаимодействием с белками тканей, что приводит к образованию белковых солей серебра - альбуминатов. Серебро пока не относят к жизненно необходимым элементам, однако уже экспериментально установлено его повышенное содержание в мозгу человека, в железах внутренней секреции, печени. В организм серебро поступает с растительной пищей, например с огурцами и капустой.

В статье приведена Периодическая система, в которой охарактеризована биоактивность отдельных элементов . Оценка основана на проявлении симптомов дефицита или избытка определенного элемента. Она учитывает следующие симптомы (в порядке возрастания эффекта): 1 - снижение аппетита; 2 - потребность в изменении диеты; 3 - значительные изменения состава тканей; 4 - повышенная повреждаемость одной или нескольких биохимических систем, проявляющаяся в специальных условиях; 5 - недееспособность этих систем в специальных условиях; 6 - субклинические признаки недееспособности; 7 - клинические симптомы недееспособности и повышенная повреждаемость; 8 - заторможенный рост; 9 - отсутствие репродуктивной функции. Крайней формой проявления дефицита или избытка элемента в организме является смертельный исход. Оценка биоактивности элемента сделана по девятибальной шкале в зависимости от характера симптома, для которого выявлена специфичность.

При такой оценке наиболее высоким баллом характеризуются жизненно необходимые элементы. Например, элементы водород, углерод, азот, кислород, натрий, магний, фосфор, сера, хлор, калий, кальций, марганец, железо и др. характеризуются суммой балов, равной 9.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выявление биологической роли отдельных химических элементов в функционировании живых организмов (человека, животных, растений) - важная и увлекательная задача. Минеральные вещества, как и витамины, часто действуют как коферменты при катализе химических реакций, происходящих все время в организме.

Усилия специалистов направлены на раскрытие механизмов проявления биоактивности отдельных элементов на молекулярном уровне (см. статьи Н.А. Улахновича "Комплексы металлов в живых организмах": Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 8. С. 27-32; Д.А. Леменовского "Соединения металлов в живой природе": Там же. № 9. С. 48-53). Нет сомнения, что в живых организмах ионы металлов находятся в основном в виде координационных соединений с "биологическими" молекулами, которые выполняют роль лигандов. В статье из-за ограниченности объема приведен материал, относящийся главным образом к организму человека. Выяснение роли металлов в жизнедеятельности растений, несомненно, окажется полезным для сельского хозяйства. Работы в этом направлении широко ведутся в лабораториях различных стран.

Весьма интересен вопрос о принципах отбора природой химических элементов для функционирования живых организмов. Не вызывает сомнения, что их распространенность не является решающим фактором. Здоровый организм сам способен регулировать содержание отдельных элементов. При наличии выбора (пищи и воды) животные инстинктивно могут вносить лепту в это регулирование. Возможности растений в данном процессе ограничены. Сознательное регулирование человеком содержания микроэлементов в почве сельскохозяйственных угодий также одна из важных задач, стоящих перед исследователями. Знания, полученные учеными в этом направлении, уже оформились в новую отрасль химической науки - бионеорганическую химию. Поэтому уместно напомнить слова выдающегося ученого XIX века А. Ампера: "Счастливы те, кто развивает науку в годы, когда она не завершена, но когда в ней уже назрел решительный поворот". Эти слова могут быть особенно полезны тем, кто стоит перед выбором профессии.

1. Ершов Ю.А., Плетенева Т.В. Механизмы токсического действия неорганических соединений. М.: Медицина, 1989.

2. Кукушкин Ю.Н. Соединения высшего порядка. Л.: Химия, 1991.

3. Кукушкин Ю.Н. Химия вокруг нас. М.: Высш. шк., 1992.

4. Лазарев Н.В. Эволюция фармакологии. Л.: Изд-во Воен.-мед. акад., 1947.

5. Неорганическая биохимия. М.: Мир, 1978. Т. 1, 2 / Под ред. Г. Эйхгорна.

6. Химия окружающей среды / Под ред. Дж.О. Бокриса. М.: Химия, 1982.

7. Яцимирский К.Б. Введение в бионеорганическую химию. Киев: Наук. думка, 1973.

8. Kaim W., Schwederski B. Bioinorganic Chemistry: Inorganic Elements in the Chemistry of Life. Chichester: John Wile and Sons, 1994. 401 p.

Юрий Николаевич Кукушкин, доктор химических наук, профессор, зав. кафедрой неорганической химии Санкт-Петербургского государственного технологического института, заслуженный деятель науки РФ, лауреат премии им. Л.А. Чугаева АН СССР, академик РАЕН. Область научных интересов - координационная химия и химия платиновых металлов. Автор и соавтор более 600 научных статей, 14 монографий, учебников и научно-популярных книг, 49 изобретений.

Вспомните вещества, необходимые организмам для их жизнедеятельности. Какую роль играют водные растворы в природе и в жизни человека? Какой тип химической связи существует в молекуле воды? Что такое ионы и как они образуются?

Химические элементы живых организмов

В состав растительных и животных клеток входит более 70 химических элементов. Но в клетке нет каких-либо особенных элементов, характерных только для живой природы. Те же элементы встречаются и в неживой природе.

Все химические элементы по содержанию в живой клетке разделяют на три группы: макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.

Элементы O, C, H, N иногда рассматривают как отдельную группу органогенных элементов ввиду того, что они входят в состав всех органических веществ и составляют до 98 % массы живой клетки.

Неорганические вещества живых организмов

Изучая химию, вы узнали о таких группах веществ, как кислоты, соли, оксиды и др. Все они распространены в неживой природе, вне живых организмов. Поэтому их и называют неорганическими веществами. Но это не означает, что в живых организмах их вообще нет. Они есть и играют очень важную роль в процессах жизнедеятельности.

Неорганические вещества обычно попадают в живые организмы из внешней среды с пищей (у животных) или с раствором воды через поверхность организма (у растений, грибов и бактерий). Но в некоторых случаях живые организмы могут синтезировать их самостоятельно. Например, клетки желудка у позвоночных синтезируют хлоридную кислоту. Это позволяет более эффективно переваривать пищу, так как многие пищеварительные ферменты работают в кислой среде. Также самостоятельно вырабатывают сульфатную кислоту многие хищные моллюски в своих слюнных железах. Эта кислота может разрушать раковины и внешние покровы их жертв.

Функции неорганических веществ в клетке

Неорганические соединения могут находиться в живых организмах как в растворенном (в виде ионов), так и в нерастворенном виде. Растворенными формами представлены многие соли.

Нерастворимые неорганические соединения также важны для живых организмов. Например, соли Кальция и Фосфора входят в состав скелета животных и обеспечивают его прочность (рис. 2.1, с. 10). Без таких веществ невозможно формирование здоровых зубов у человека.

Из неорганических веществ также могут быть образованы различные структуры организмов животных (рис. 2.2).

Свойства воды

Свойства воды обусловлены особенностями строения ее молекулы, а также связями молекул друг с другом.

Как вы уже знаете, в молекуле воды (химическая формула — H 2 O) между атомами Гидрогена и Оксигена существует ковалентная полярная связь (рис. 2.3). Это значит, что на атоме Оксигена формируется частичный отрицательный заряд (S -), а на атомах Гидрогена — положительный (S+). Положительно заряженный атом Гидрогена одной молекулы воды притягивается к отрицательно заряженному атому Оксигена другой молекулы воды. Такая связь называется водородной.

Водородная связь примерно в 15-20 раз слабее ковалентной. Поэтому водородная связь относительно легко разрывается, что происходит, например, при испарении воды. В жидком состоянии водородные связи между молекулами воды все время то разрываются, то образуются заново.

Биологическая роль воды

В живых организмах вода выполняет много функций: среды-растворителя, транспортную, метаболическую, терморегуляторную, структурную.

Вода является универсальным растворителем. Вещества, участвующие в большинстве биологических реакций, находятся в организме в водном растворе.

Транспортная роль воды очень важна для клеток и организмов в целом. Растворенные вещества вместе с водой могут переноситься из одних частей клетки в другие. А между различными частями многоклеточных организмов они переносятся в составе специальных жидкостей (например, в составе крови). Испарение воды листьями растений вызывает ее движение от корней вверх. При этом перемещаются и вещества, растворенные в воде.

Молекулы воды выполняют метаболическую функцию, когда участвуют в реакциях обмена веществ (их называют биохимическими реакциями). Терморегуляторная функция воды чрезвычайно важна для поддержания температуры тела организмов. Когда, например, человек потеет, то вода испаряется, снижая температуру его тела.

Структурная функция воды хорошо видна на примере растений и некоторых беспозвоночных животных. Растения поддерживают форму листьев и травянистых стеблей благодаря повышенному давлению в клетках, наполненных водой. А у многих червей форма тела поддерживается повышенным давлением воды в полостях тела.

В живых организмах содержатся как органические, так и неорганические вещества. Неорганические вещества — это вода, соли, кислоты и другие соединения. Они играют важную роль в жизнедеятельности живых организмов. Вода создает среду, в которой происходят реакции обмена веществ. Другие неорганические вещества участвуют в формировании скелета, работе нервной, пищеварительной и других систем организма.

Проверьте свои знания

1. Какие неорганические вещества встречаются в живых организмах? 2. Докажите на примерах, что свойства воды имеют большое значение для живых клеток. 3. Какие функции могут выполнять кислоты в живых организмах? 4*. К каким последствиям для организма человека может привести потеря солей Na?

Это материал учебника