А. Биологически важные химические элементы. Неорганические соединения

В природе встречается 81 стабильный химический элемент. В состав живой материи входят 15 элементов, ещё 8-10 элементов обнаружены только в определённых организмах. На схеме приведена часть Периодической системы элементов , в которой содержатся все биологически важные химические элементы, даны их физические и химические характеристики, а также содержание в живой материи и организме человека. Закономерности строения атомов, лежащие в основе периодической системы, детально рассматриваются в учебниках по химии.

Живые организмы почти на 99% состоят из четырёх химических элементов: водорода (Н), кислорода (O), углерода (C) и азота (N). Водород и кислород - составные элементы воды, на которую приходится 60-70% массы клетки (см. ). Наряду с углеродом и азотом эти два элемента являются также основными составляющими органических соединений , участвующих в большинстве процессов жизнедеятельности. Многие биомолекулы содержат также атомы серы (S) и фосфора (P). Перечисленные макроэлементы входят в состав всех живых организмов.

Химические элементы, относящиеся ко второй важной в биологическом отношении группе и в сумме составляющие примерно 0,5% массы человека, присутствуют, за немногими исключениями, в виде ионов . Эта группа включает щелочные металлы натрий (Na) и калий (K), щёлочноземельные металлы магний (Mg) и кальций (Ca). Галоген хлор (Cl) также всегда присутствует в клетках в форме аниона. Другие жизненно важные (эссенциальные) химические элементы присутствуют в столь малых количествах, что их называют следовыми элементами . Эта группа включает переходные металлы железо (Fe), цинк (Zn), медь (Cu), кобальт (Co) и марганец (Mn). К жизненно важным микроэлементам относятся также некоторые неметаллы, такие, как йод (I) и селен (Se).

Статьи раздела «Периодическая система элементов Д. И. Менделеева»:

• А. Биологически важные химические элементы

2012-2017. Наглядная биохимия. Молекулярная биология. Строение и обмен углеводов.

Справочное издание в наглядной форме — в виде цветных схем — описывает все биохимические процессы. Рассмотрены биохимически важные химические соединения, их строение и свойства, основные процессы с их участием, а также механизмы и биохимия важнейших процессов в живой природе. Для студентов и преподавателей химических, биологических и медицинских вузов, биохимиков, биологов, медиков, а также всех интересующихся процессами жизнедеятельности.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

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.

Некоторые f-элементы (лантаноиды и актиноиды) в ничтожных количествах содержатся в организме человека, наличие многих из них пока не установлено. Как правило, они высокотокcичны, образуют устойчивые соединения с комплексонами, полифосфатами, оксикислотами и другими полидентатными лигандами. Поэтому попадание их в организм может изменить течение многих биохимических реакций. Сходство и различие биологического действия связано с электронным строением атомов и ионов. Близкие значения атомных и ионных радиусов, энергий ионизации, координационных чисел, склонность к образованию связей с одними и теми же элементами в молекулах биолигандов обусловливает эффекты замещения элементов в биологических системах. Такое замещение ионов может происходить как с усилением (синергизм), так с угнетением активности (антагонизм) замещаемого элемента.

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

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

Металлофермент	Центральный атом	Лигандное окружение	Объект концентрации	Действие фермента
Карбоангидраза		Аминокислотные остатки	Эритроциты	Катализирует обратимую гидратацию углекислого газа: СО 2 +Н 2 О-Н 2 СО 3 -Н + +НСО 3
Карбоскипептидаза		Аминокислотные остатки	Поджелудочная железа, печень, кишечник	Катализирует переваривание белков, участвует в гидролизе пептидной связи: R 1 CO-NH-R 2 +H 2 O-R 1 -COOH+R 2 NH 2
Каталаза		Аминокислотные остатки, гистидин, тирозин		Катализирует реакцию разложения пероксида водорода: 2Н 2 О 2 = 2Н 2 О + О 2
Пероксидаза			Ткань, кровь	Окисление субстратов (RH 2) пероксида водорода: RH 2 + H 2 O 2 = R + 2H 2 O
Оксиредуктаза		Аминокислотные остатки	Сердце, печень, почки	Катализирует окисление с помощью молекулярного кислорода: 2H 2 R + O 2 = 2R + 2H 2 O
Пируваткарбоксилаза		Белки тканей	Печень, щитовидная железа	Усиливает действия гормонов. Катализирует процесс карбоксилирования пировиноградной кислотой
Альдегидоксидаза		Белки тканей		Участвует в окислении альдегидов
Рибонуклеотидредуктаза		Белки тканей		Участвует в биосинтезе рибонуклеиновых кислот

примесные элементы, постоянно содержащиеся в организме: Ga, Sb, Sr, Br, F, B, Be, Li, Si, An, Cs, Al, Ba, Ge, As, Rb, Pb, Ra, Bi, Cd, Cr, Ni, Ti, Ag, Th, Hg, U, Se. Биологическая роль их мало выяснена или неизвестна.

примесные элементы, обнаруженные в организме Sc, Tl, In, La, Pr, Sm, W, Re, Tb и др. Данные о количестве и биологическая роль не выяснены.

В таблице приведена характеристика ряда металлоферментов, в состав которых входят такие жизненно необходимые металлы, как Zn, Fe, Cu, Mn, Mo.

В зависимости от поведения в живых системах металлы можно разделить на 5 типов:

Необходимые элементы, при недостатке которых в организме возникают функциональные нарушения;

Стимуляторы (в качестве стимуляторов могут выступать как необходимые, так и не необходимые для организма металлы);

инертные элементы, при определенных концентрациях являющиеся безвредными, не оказывающими какого-либо действия на организм (например, инертные металлы, используемые в качестве хирургических имплантатов):

терапевтические агенты, используемые в медицине;

токсичные элементы, при высоких концентрациях приводящие к необратимым функциональным нарушениям, гибели организма.

В зависимости от концентрации и времени контакта металл может действовать по одному из указанных типов.

На рисунке 1 представлена диаграмма зависимости состояния организма от концентрации ионов металла. Сплошная кривая на диаграмме описывает немедленный положительный ответ, оптимальный уровень и переход положительного эффекта к негативному после прохождения значений концентрации необходимого элемента через максимум. При высоких концентрациях необходимый металл переходит в разряд токсичных.

Пунктирная кривая демонстрирует биологический ответ на токсичный для организма металл, не обладающий эффектом необходимого или стимулирующего элемента. Эта кривая идет с некоторым запаздыванием, которое свидетельствует о способности живого организма «не реагировать» на небольшие количества токсичного вещества (пороговая концентрация).

Из диаграммы следует, что необходимые элементы становятся токсичными в избыточных количествах. Организм животных и человека поддерживает концентрацию элементов в оптимальном интервале посредством комплекса физиологических процессов, называемого гомеостазом. Концентрация всех без исключения необходимых металлов находится под строгим контролем гомеостаза.

Рис.1 Биологический ответ в зависимости от концентрации металла. (Взаимное расположение двух кривых относительно шкалы концентраций условно)

металл токсичность ион отравление

Особый интерес представляет содержание химических элементов в организме человека. Органы человека по-разному концентрируют в себе различные химические элементы, то есть макро- и микроэлементы неравномерно распределяются между разными органами и тканями. Большинство микроэлементов (содержание в организме находится в пределах 10 -3 -10 -5 %) накапливается в печени, костной и мышечных тканях. Эти ткани являются основным депо для многих металлов.

Элементы могут проявлять специфическое сродство по отношению к некоторым органам и содержаться в них в высоких концентрациях. Известно, что цинк концентрируется в поджелудочной железе, йод в щитовидной железе, ванадий наряду с алюминием и мышьяком накапливается в волосах и ногтях, кадмий, ртуть, молибден -- в почках, олово в тканях кишечника, стронций -- в предстательной железе, костной ткани, марганец в гипофизе и т.д. В организме микроэлементы могут находиться как в связанном состоянии, так и в виде свободных ионных форм. Установлено, что алюминий, медь и титан в тканях головного мозга находятся в виде комплексов с белками, тогда как марганец - ионном виде.

В ответ па поступление в организм избыточных концентраций элементов живой организм способен ограничивать или даже устраняй, возникающий при этом токсический эффект благодаря наличию определенных механизмов детоксикации. Специфические механизмы детоксикации в отношении ионов металлов в настоящее время изучены недостаточно. Многие металлы в организме могут переходить в менее вредные формы следующими путями:

образование нерастворимых комплексов в кишечном тракте;

транспорт металла с кровью в другие ткани, где он может быть, иммобилизован (как, например. Pb +2 в костях);

Превращение печенью и почками в менее токсичную форму.

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.

2. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. Учебник для вузов. - М.: Высш. шк., 2001. - 679 с.

3. Угай Я.А. Общая и неорганическая химия. - М.: Высш. шк., 1997. - 527 с.

4. 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.

6. Коржуков Н.Г. Общая и неорганическая химия. Учеб. Пособие. /Под ред В.И. Деляна-М.: Изд. МИСИС: ИНФРА-М, 2004, 512с.

7. 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.

8. Глинка Н.Л. Общая химия. Учебное пособие для ВУЗов. Изд. 30-е исправленное./ Под ред. А.И. Ермакова. - М.: Интеграл-Пресс, 2007, - 728 с.

9. Черных, М.М. Овчаренко. Тяжелые металлы и радионуклиды в биогеоцинозах. - М.: Агроконсалт, 2004.

10. Н.В. Гусакова. Химия окружающей среды. - Ростов-на-Дону, Феникс, 2004.

11. Балецкая Л.Г. Неорганическая химия. - Ростов-на-Дону, Феникс, 2005.

12. М. Хенце, П. Армоэс, Й. Лякурянсен, Э. Арван. Очистка сточных вод. - М.: Мир, 2006.

13. Коровин Н.В. Общая химия. - М.: Высш. шк., 1998. - 558 с.

14. 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.

15. Харин А.Н., Катаева Н.А., Харина Л.Т. Курс химии. - М.: Высш. шк., 1983. - 511 с.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Общие аспекты токсичности тяжелых металлов для живых организмов. Биологическая и экологическая роль р-элементов и их соединений. Применение их соединений в медицине. Токсикология оксидов азота, нитритов и нитратов. Экологическая роль соединений азота.

курсовая работа , добавлен 06.09.2015


Презентация по химии. Живые системы – найденные в них химические элементы. Тесный контакт живых систем, так же человека, с окружающей средой. Состав организма человека. Нарушения минерального обмена в человеческом организме. Патологические состояния.

презентация , добавлен 24.12.2008


Состав внутренней среды организма человека. Биоактивность отдельных элементов. Действие серебра и его солей на организм. Лечение при отравлении ртутью. Выявление биологической роли отдельных химических элементов в функционировании живых организмов.

контрольная работа , добавлен 12.02.2015


Химические свойства металлов, их присутствие в организме человека. Роль в организме макроэлементов (калия, натрия, кальция, магния) и микроэлементов. Содержание макро- и микроэлементов в продуктах питания. Последствия дисбаланса определенных элементов.

презентация , добавлен 13.03.2013


Классификация химических элементов, их превращение в природе, круговорот и роль в биосфере. Атмосферные соединения азота, кислорода, фосфора, углерода: их значение для живых организмов; металлы в природе. Токсичные элементы и проблемы экологии человека.

реферат , добавлен 02.12.2010


реферат , добавлен 11.10.2011


Химические свойства марганца и его соединений. Промышленное получение марганца. История открытия хрома, общие сведения. Нормы потребления марганца и хрома, их биологическая роль. Влияние недостатка или переизбытка микроэлементов на организм человека.

реферат , добавлен 20.01.2015


Характеристика и специфика аналитических и качественных химических реакций на катионы и анионы, особенности их обнаружения и наличие группового реагента. Способы выявления бромид-иона, бромат-иона, арсенит-иона, нитрат-иона, цитрат-иона, бензоат-иона.

дипломная работа , добавлен 21.10.2010


Основные классы неорганических соединений. Распространенность химических элементов. Общие закономерности химии s-элементов I, II и III групп периодической системы Д.И. Менделеева: физические, химические свойства, способы получения, биологическая роль.

учебное пособие , добавлен 03.02.2011


История открытия йода французским химиком-технологом Б. Куртуа. Описание физических и химических свойств йода, его биологическая роль в организме. Болезни при избытке или недостатке йода. Методы количественного определения и качественный анализ йода.

Макроэлементы. Микроэлементы. Ультрамикроэлементы Элемент Количество % Элемент Количество % Кислород65 – 75Кальций0,04 – 2 Углерод15 – 18Магний0,02 – 0,03 Водород8 – 10Натрий0,02 – 0,03 Азот1,5 – 3Железо0,01 – 0,015 Фосфор0,2 – 1Цинк0,0003 Калий0,15 – 0,4Медь 0,0002 Сера0,15 – 0,2Йод 0,0001 Хлор0,05 – 0,1Фтор 0,0001

Буферностью называют способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию среды своего содержимого на постоянном уровне. способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию среды своего содержимого на постоянном уровне. Роль буфера в клетке выполняют ионы НРО 4 2- и Н 2 РО 4 -, во внеклеточной жидкости и в крови – ионы НСО 3 -

Функции воды Обеспечивает тургор (упругость) клетки. Обеспечивает тургор (упругость) клетки. Участвует в терморегуляции, (предохраняет клетку от резких изменений температуры, от перегрева и переохлаждения). Участвует в терморегуляции, (предохраняет клетку от резких изменений температуры, от перегрева и переохлаждения). Равномерно распределяет тепло по клетке. Равномерно распределяет тепло по клетке. Способствует перемещению веществ в клетке. Способствует перемещению веществ в клетке. Участвует в химических реакциях, происходящих в клетке. Участвует в химических реакциях, происходящих в клетке. Играет роль растворителя. Играет роль растворителя.

По отношению к воде вещества бывают: Гидрофильные (греч. «гидр» и «филио» - любящий воду) – вещества, растворимые в воде (некоторые соли, аминокислоты, некоторые белки, сахар и др.). Гидрофобные (греч. «гидр» и «фобос» - боящийся воды) – вещества, не растворимые в воде (жиры, многие белки).

Задания 1. Какая особенность строения молекулы воды делает ее хорошим растворителем? 1) хорошая теплопроводность; 1) хорошая теплопроводность; 2) малые размеры; 2) малые размеры; 3) ионная связь; 3) ионная связь; 4) полярность молекул. 4) полярность молекул.

Задания 2. Вода играет большую роль в жизни клетки, так как она: 1) участвует во многих химических реакциях; 1) участвует во многих химических реакциях; 2) обеспечивает нейтральную реакцию среды; 2) обеспечивает нейтральную реакцию среды; 3) ускоряет химические реакции; 3) ускоряет химические реакции; 4) является источником энергии. 4) является источником энергии.

Задания 5. Какие особенности строения и свойств молекул воды определяют ее большую роль в клетке? 5. Какие особенности строения и свойств молекул воды определяют ее большую роль в клетке? 1) способность образовывать водородные связи; 1) способность образовывать водородные связи; 2) наличие богатых энергией связей; 2) наличие богатых энергией связей; 3) полярность молекул; 3) полярность молекул; 4) способность к образованию ионных связей; 4) способность к образованию ионных связей; 5) способность образовывать пептидные связи; 5) способность образовывать пептидные связи; 6) способность взаимодействовать с ионами. 6) способность взаимодействовать с ионами.

Биология — наука о жизни. Важнейшая задача биологии — изучение многообразия, строения, жизнедеятельности, индивидуального развития и эволюции живых организмов, их взаимоотношений со средой обитания.

Живые организмы имеют ряд особенностей, отличающих их от неживой природы. По отдельности каждое из отличий достаточно условно, поэтому их следует рассматривать в комплексе.

Признаки, отличающие живую материю от неживой:

1. способность к размножению и передаче наследственной информации следующему поколению;
2. обмен веществ и энергии;
3. возбудимость;
4. адаптированность к конкретным условиям обитания;
5. строительный материал — биополимеры (важнейшие из них — белки и нуклеиновые кислоты);
6. специализация от молекул до органов и высокая степень их организации;
7. рост;
8. старение;
9. смерть.

Уровни организации живой материи:

1. молекулярный,
2. клеточный,
3. тканевой,
4. органный,
5. организменный,
6. популяционно-видовой,
7. биогеоценотический,
8. биосферный.

Многообразие жизни

Первыми на нашей планете появились безъядерные клетки. Большинством ученых принимается, что ядерные организмы появились в результате симбиоза древних архебактерий с синезелеными водорослями и бактериями-окислителями (теория симбиогенеза).

Цитология

Цитология — наука о клетке . Изучает строение и функции клеток одноклеточных и многоклеточных организмов. Клетка является элементарной единицей строения, функционирования, роста и развития всех живых существ. Поэтому процессы и закономерности, характерные для цитологии, лежат в основе процессов, изучаемых многими другими науками (анатомия, генетика, эмбриология, биохимия и др.).

Химические элементы клетки

Химический элемент — определенный вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра. В клетках обнаружено около 80 химических элементов. Их можно разделить на четыре группы:
1 группа — углерод, водород, кислород, азот (98% от содержимого клетки),
2 группа — калий, натрий, кальций, магний, сера, фосфор, хлор, железо (1,9%),
3 группа — цинк, медь, фтор, йод, кобальт, молибден и др. (меньше 0,01%),
4 группа — золото, уран, радий и др. (меньше 0,00001%).

Элементы первой и второй групп в большинстве пособий называют макроэлементами , элементы третьей группы — микроэлементами , элементы четвертой группы — ультрамикроэлементами . Для макро- и микроэлементов выяснены процессы и функции, в которых они участвуют. Для большинства ультрамикроэлементов биологическая роль не выявлена.

Химический элемент	Вещества, в которых химический элемент содержится	Процессы, в которых химический элемент участвует
Углерод, водород, кислород, азот	Белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы и др. органические вещества	Синтез органических веществ и весь комплекс функций, осуществляемых этими органическими веществами
Калий, натрий	Na + и K +	Обеспечивание функции мембран, в частности, поддержание электрического потенциала клеточной мембраны, работы Na + /Ka + -насоса, проведение нервных импульсов, анионный, катионный и осмотический балансы
Кальций	Са +2	Участие в процессе свертывания крови
	Фосфат кальция, карбонат кальция	Костная ткань, зубная эмаль, раковины моллюсков
	Пектат кальция	Формирование срединной пластинки и клеточной стенки у растений
Магний	Хлорофилл	Фотосинтез
Сера	Белки	Формирование пространственной структуры белка за счет образования дисульфидных мостиков
Фосфор	Нуклеиновые кислоты, АТФ	Синтез нуклеиновых кислот
Хлор	Cl -	Поддержание электрического потенциала клеточной мембраны, работы Na + /Ka + -насоса, проведение нервных импульсов, анионный, катионный и осмотический балансы
	HCl	Активизация пищеварительных ферментов желудочного сока
Железо	Гемоглобин	Транспорт кислорода
	Цитохромы	Перенос электронов при фотосинтезе и дыхании
Марганец	Декарбоксилазы, дегидрогеназы	Окисление жирных кислот, участие в процессах дыхания и фотосинтеза
Медь	Гемоцианин	Транспорт кислорода у некоторых беспозвоночных
	Тирозиназа	Образование меланина
Кобальт	Витамин В 12	Формирование эритроцитов
Цинк	Алькогольдегидрогеназа	Анаэробное дыхание у растений
	Карбоангидраза	Транспорт СО 2 у позвоночных
Фтор	Фторид кальция	Костная ткань, зубная эмаль
Йод	Тироксин	Регуляция основного обмена
Молибден	Нитрогеназа	Фиксация азота

Атомы химических элементов в живых организмах образуют неорганические (вода, соли) и органические соединения (белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы). На атомном уровне различий между живой и неживой материей нет, различия появятся на следующих, более высоких, уровнях организации живой материи.

Вода

Вода — самое распространенное неорганическое соединение. Содержание воды составляет от 10% (зубная эмаль) до 90% массы клетки (развивающийся эмбрион). Без воды жизнь невозможна, биологическое значение воды определяется ее химическими и физическими свойствами.

Молекула воды имеет угловую форму: атомы водорода по отношению к кислороду образуют угол, равный 104,5°. Та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, часть, где находится кислород, — отрицательно, в связи с этим молекула воды является диполем. Между диполями воды образуются водородные связи. Физические свойства воды: прозрачна, максимальная плотность — при 4 °С, высокая теплоемкость, практически не сжимается; чистая вода плохо проводит тепло и электричество, замерзает при 0 °С, кипит при 100 °С и т.д. Химические свойства воды: хороший растворитель, образует гидраты, вступает в реакции гидролитического разложения, взаимодействует со многими оксидами и т.д. По отношению к способности растворяться в воде различают: гидрофильные вещества — хорошо растворимые, гидрофобные вещества — практически нерастворимые в воде.

Биологическое значение воды:

1. является основой внутренней и внутриклеточной среды,
2. обеспечивает поддержание пространственной структуры,
3. обеспечивает транспорт веществ,
4. гидратирует полярные молекулы,
5. служит растворителем и средой для диффузии,
6. участвует в реакциях фотосинтеза и гидролиза,
7. способствует охлаждению организма,
8. является средой обитания для многих организмов,
9. способствует миграциям и распространению семян, плодов, личиночных стадий,
10. является средой, в которой происходит оплодотворение,
11. у растений обеспечивает транспирацию и прорастание семян,
12. способствует равномерному распределению тепла в организме и мн. др.

Другие неорганические соединения клетки

Другие неорганические соединения представлены в основном солями, которые могут содержаться или в растворенном виде (диссоциированными на катионы и анионы), или твердом. Важное значение для жизнедеятельности клетки имеют катионы K + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+ (см. таблицу выше) и анионы HPO 4 2— , Cl — , HCO 3 — , обеспечивающие буферные свойства клетки. Буферность — способность поддерживать рН на определенном уровне (рН — десятичный логарифм величины, обратной концентрации водородных ионов). Величина рН, равная 7,0, соответствует нейтральному, ниже 7,0 — кислому, выше 7,0 — щелочному раствору. Для клеток и тканей характерна слабощелочная среда. За поддержание этой слабощелочной реакции отвечают фосфатная (1) и бикарбонатная (2) буферные системы.