Le rôle biologique des éléments chimiques dans les organismes vivants. Fonctions des éléments chimiques dans le corps humain

Composition élémentaire du corps

Par composition chimique Les cellules de différents organismes peuvent différer sensiblement, mais elles sont constituées des mêmes éléments. Environ 70 éléments du tableau périodique de D.I. Mendeleev, mais seulement 24 d'entre eux ont importance et se retrouvent constamment dans les organismes vivants.

Macronutriments - oxygène, hydrocarbure, hydrogène, azote - font partie des molécules de substances organiques. Les macroéléments incluent récemment le potassium, le sodium, le calcium, le soufre, le phosphore, le magnésium, le fer, le chlore. Leur contenu dans la cellule est de dixièmes et centièmes de pour cent.

Le magnésium fait partie de la chlorophylle ; fer - hémoglobine; phosphore - tissu osseux, acides nucléiques; calcium - os, tortues de crustacés, soufre - dans la composition des protéines; les ions potassium, sodium et chlorure participent à la modification du potentiel de la membrane cellulaire.

oligo-éléments sont présentés dans une cellule avec des centièmes et des millièmes de pour cent. Ce sont le zinc, le cuivre, l'iode, le fluor, le molybdène, le bore, etc.

Les oligo-éléments font partie des enzymes, des hormones, des pigments.

Ultramicroéléments - éléments dont le contenu dans la cellule ne dépasse pas 0,000001%. Ce sont l'uranium, l'or, le mercure, le césium, etc.

L'eau et sa signification biologique

L'eau se classe quantitativement parmi composants chimiques première place dans toutes les cellules. Selon le type de cellules, leur état fonctionnel, le type d'organisme et les conditions de sa présence, son contenu en cellules varie considérablement.

Les cellules du tissu osseux ne contiennent pas plus de 20% d'eau, le tissu adipeux - environ 40%, les cellules musculaires - 76% et les cellules embryonnaires - plus de 90%.

Remarque 1

Dans les cellules de tout organisme, la quantité d'eau diminue nettement avec l'âge.

D'où la conclusion que plus l'activité fonctionnelle de l'organisme dans son ensemble et de chaque cellule séparément est élevée, plus leur teneur en eau est élevée, et vice versa.

Remarque 2

Une condition préalable à l'activité vitale des cellules est la présence d'eau. C'est la partie principale du cytoplasme, soutient sa structure et la stabilité des colloïdes qui composent le cytoplasme.

Le rôle de l'eau dans une cellule est déterminé par ses propriétés chimiques et structurelles. Tout d'abord, cela est dû à la petite taille des molécules, à leur polarité et à leur capacité à se combiner à l'aide de liaisons hydrogène.

Les liaisons hydrogène sont formées avec la participation d'atomes d'hydrogène connectés à un atome électronégatif (généralement de l'oxygène ou de l'azote). Dans ce cas, l'atome d'hydrogène acquiert une charge positive si importante qu'il peut former une nouvelle liaison avec un autre atome électronégatif (oxygène ou azote). Les molécules d'eau se lient également les unes aux autres, dans lesquelles une extrémité a une charge positive et l'autre est négative. Une telle molécule est appelée dipôle. L'atome d'oxygène le plus électronégatif d'une molécule d'eau est attiré par l'atome d'hydrogène chargé positivement d'une autre molécule pour former une liaison hydrogène.

Du fait que les molécules d'eau sont polaires et capables de former des liaisons hydrogène, l'eau est un solvant parfait pour les substances polaires, appelées hydrophile. Ce sont des composés de nature ionique, dans lesquels des particules chargées (ions) se dissocient (se séparent) dans l'eau lorsqu'une substance (sel) est dissoute. Certains composés non ioniques ont la même capacité, dans la molécule desquels se trouvent des groupes chargés (polaires) (dans les sucres, les acides aminés, les alcools simples, ce sont des groupes OH). Les substances constituées de molécules non polaires (lipides) sont pratiquement insolubles dans l'eau, c'est-à-dire qu'elles hydrophobes.

Lorsqu'une substance passe dans une solution, ses particules structurelles (molécules ou ions) acquièrent la capacité de se déplacer plus librement et, par conséquent, la réactivité de la substance augmente. De ce fait, l'eau est le principal milieu où la plupart des réactions chimiques. De plus, toutes les réactions redox et les réactions d'hydrolyse ont lieu avec la participation directe de l'eau.

L'eau a la capacité thermique spécifique la plus élevée de toutes les substances connues. Cela signifie qu'avec une augmentation significative de l'énergie thermique, la température de l'eau augmente relativement légèrement. Cela est dû à l'utilisation d'une quantité importante de cette énergie pour rompre les liaisons hydrogène, qui limitent la mobilité des molécules d'eau.

En raison de sa capacité calorifique élevée, l'eau sert de protection aux tissus végétaux et animaux contre une augmentation forte et rapide de la température, et la chaleur élevée de vaporisation est la base d'une stabilisation fiable de la température corporelle. Le besoin d'une quantité importante d'énergie pour évaporer l'eau est dû au fait que des liaisons hydrogène existent entre ses molécules. Cette énergie provient environnement Par conséquent, l'évaporation s'accompagne d'un refroidissement. Ce processus peut être observé lors de la transpiration, dans le cas de la chaleur haletante chez les chiens, il est également important dans le processus de refroidissement des organes transpirants des plantes, en particulier dans des conditions désertiques et dans des conditions de steppes sèches et de périodes de sécheresse dans d'autres régions.

L'eau a également une conductivité thermique élevée, ce qui assure une répartition uniforme de la chaleur dans tout le corps. Ainsi, il n'y a pas de risque de "points chauds" locaux pouvant endommager les éléments cellulaires. Si haut chaleur spécifique et une conductivité thermique élevée pour un liquide font de l'eau un milieu idéal pour maintenir le régime thermique optimal du corps.

L'eau a une tension superficielle élevée. Cette propriété est très importante pour procédés d'adsorption, mouvement des solutions à travers les tissus (circulation sanguine, mouvement ascendant et descendant à travers la plante, etc.).

L'eau est utilisée comme source d'oxygène et d'hydrogène, qui sont libérés pendant la phase lumineuse de la photosynthèse.

Les propriétés physiologiques importantes de l'eau incluent sa capacité à dissoudre les gaz ($O_2$, $CO_2$, etc.). De plus, l'eau en tant que solvant est impliquée dans le processus d'osmose, qui joue un rôle important dans la vie des cellules et du corps.

Propriétés de l'hydrocarbure et son rôle biologique

Si l'on ne tient pas compte de l'eau, on peut dire que la plupart des molécules cellulaires appartiennent à des hydrocarbures, des composés dits organiques.

Remarque 3

L'hydrocarbure, ayant des capacités chimiques uniques fondamentales pour la vie, est sa base chimique.

En raison de leur petite taille et de la présence de coque extérieure quatre électrons, un atome d'hydrocarbure peut former quatre liaisons covalentes fortes avec d'autres atomes.

Le plus important est la capacité des atomes d'hydrocarbures à se connecter les uns aux autres, formant des chaînes, des anneaux et, finalement, le squelette de molécules organiques grandes et complexes.

De plus, l'hydrocarbure forme facilement des liaisons covalentes avec d'autres éléments biogéniques (habituellement avec $H, Mg, P, O, S$). Ceci explique l'existence d'une quantité astronomique de divers composés organiques qui assurent l'existence des organismes vivants dans toutes ses manifestations. Leur diversité se manifeste dans la structure et la taille des molécules, leur propriétés chimiques, degré de saturation du squelette carboné et forme différente molécules, qui est déterminée par les angles des liaisons intramoléculaires.

Biopolymères

Ce sont des poids moléculaires élevés (poids moléculaire 103 - 109) composés organiques, dont les macromolécules sont composées de un grand nombre liens qui se répètent - monomères.

Les biopolymères sont des protéines, acides nucléiques, polysaccharides et leurs dérivés (amidon, glycogène, cellulose, hémicellulose, pectine, chitine, etc.). Leurs monomères sont respectivement des acides aminés, des nucléotides et des monosaccharides.

Remarque 4

Environ 90 % de la masse sèche d'une cellule est constituée de biopolymères : les polysaccharides prédominent chez les végétaux, tandis que les protéines prédominent chez les animaux.

Exemple 1

Dans une cellule bactérienne, il existe environ 3 000 types de protéines et 1 000 acides nucléiques, et chez l'homme, le nombre de protéines est estimé à 5 millions.

Les biopolymères forment non seulement la base structurelle des organismes vivants, mais jouent également un rôle conducteur dans les processus vitaux.

Les bases structurelles des biopolymères sont des chaînes linéaires (protéines, acides nucléiques, cellulose) ou ramifiées (glycogène).

Et les acides nucléiques, les réactions immunitaires, les réactions métaboliques - et sont réalisés en raison de la formation de complexes de biopolymères et d'autres propriétés des biopolymères.

Aujourd'hui, beaucoup a été découvert et isolé dans sa forme pure éléments chimiques tableaux périodiques, et un cinquième d'entre eux se trouvent dans chaque organisme vivant. Comme les briques, ils sont les principaux composants des substances organiques et inorganiques.

Quels éléments chimiques font partie de la cellule, la biologie de quelles substances peut être utilisée pour juger de leur présence dans le corps - nous examinerons tout cela plus tard dans l'article.

Quelle est la constance de la composition chimique

Pour maintenir la stabilité dans le corps, chaque cellule doit maintenir la concentration de chacun de ses composants à un niveau constant. Ce niveau est déterminé par les espèces, l'habitat, les facteurs environnementaux.

Pour répondre à la question de savoir quels éléments chimiques font partie de la cellule, il est nécessaire de bien comprendre que toute substance contient l'un des composants du tableau périodique.

quelquefois Dans la question environ centièmes et millièmes de pour cent du contenu d'un certain élément dans une cellule, mais en même temps, une modification du nombre nommé d'au moins un millième de partie peut déjà avoir de graves conséquences pour le corps.

Sur les 118 éléments chimiques d'une cellule humaine, il devrait y en avoir au moins 24. Il n'y a pas de tels composants qui se trouveraient dans un organisme vivant, mais ne faisaient pas partie d'objets inanimés de la nature. Ce fait confirme la relation étroite entre le vivant et le non-vivant dans l'écosystème.

Le rôle des différents éléments qui composent la cellule

Quels sont donc les éléments chimiques qui composent une cellule ? Leur rôle dans la vie de l'organisme, il faut le noter, dépend directement de la fréquence d'apparition et de leur concentration dans le cytoplasme. Cependant, malgré contenu différentéléments dans la cellule, la signification de chacun d'eux est également élevée. Une carence de l'un d'entre eux peut avoir un effet néfaste sur le corps, en désactivant les réactions biochimiques les plus importantes du métabolisme.

En énumérant les éléments chimiques qui font partie de la cellule humaine, nous devons mentionner trois types principaux, que nous examinerons ci-dessous :

Les principaux éléments biogéniques de la cellule

Il n'est pas surprenant que les éléments O, C, H, N soient biogéniques, car ils forment toutes les substances organiques et de nombreuses substances inorganiques. Il est impossible d'imaginer des protéines, des lipides, des glucides ou des acides nucléiques sans ces composants essentiels pour l'organisme.

La fonction de ces éléments a déterminé leur teneur élevée dans le corps. Ensemble, ils représentent 98 % du poids corporel sec total. Comment l'activité de ces enzymes peut-elle se manifester autrement ?

1. Oxygène. Son contenu dans la cellule est d'environ 62% de la masse sèche totale. Fonctions : construction de substances organiques et inorganiques, participation à la chaîne respiratoire ;
2. Carbone. Son contenu atteint 20%. Fonction principale : inclus dans tout ;
3. Hydrogène. Sa concentration prend une valeur de 10%. En plus d'être un composant de la matière organique et de l'eau, cet élément participe également aux transformations énergétiques ;
4. Azote. Le montant ne dépasse pas 3-5%. Son rôle principal est la formation d'acides aminés, d'acides nucléiques, d'ATP, de nombreuses vitamines, d'hémoglobine, d'hémocyanine, de chlorophylle.

Ce sont les éléments chimiques qui composent la cellule et forment la plupart des substances nécessaires à la vie normale.

Importance des macronutriments

Les macronutriments aideront également à suggérer quels éléments chimiques font partie de la cellule. À partir du cours de biologie, il devient clair qu'en plus des principaux, 2% de la masse sèche est constituée d'autres composants du tableau périodique. Et les macronutriments comprennent ceux dont la teneur n'est pas inférieure à 0,01%. Leurs fonctions principales sont présentées sous forme de tableau.

Calcium (Ca)		Responsable de la contraction des fibres musculaires, fait partie de la pectine, des os et des dents. Améliore la coagulation du sang.
Phosphore (P)		Il fait partie de la source d'énergie la plus importante - l'ATP.
		Participe à la formation de ponts disulfure lors du repliement des protéines dans une structure tertiaire. Inclus dans la composition de la cystéine et de la méthionine, certaines vitamines.
		Les ions potassium sont impliqués dans les cellules et affectent également le potentiel membranaire.
		Anion majeur dans le corps
Sodium (Na)		Analogue du potassium impliqué dans les mêmes processus.
Magnésium (Mg)		Les ions magnésium sont les régulateurs du processus Au centre de la molécule de chlorophylle se trouve également un atome de magnésium.
		Participe au transport des électrons à travers l'ETC de la respiration et de la photosynthèse, est un lien structurel de la myoglobine, de l'hémoglobine et de nombreuses enzymes.

Nous espérons qu'à partir de ce qui précède, il est facile de déterminer quels éléments chimiques font partie de la cellule et sont des macroéléments.

oligo-éléments

Il existe également de tels composants de la cellule, sans lesquels le corps ne peut pas fonctionner normalement, mais leur contenu est toujours inférieur à 0,01%. Déterminons quels éléments chimiques font partie de la cellule et appartiennent au groupe des microéléments.

		Il fait partie des enzymes des ADN et ARN polymérases, ainsi que de nombreuses hormones (par exemple, l'insuline).
		Participe aux processus de photosynthèse, de synthèse de l'hémocyanine et de certaines enzymes.
		C'est un composant structurel des hormones T3 et T4 de la glande thyroïde
Manganèse (Mn)	moins de 0,001	Inclus dans les enzymes, les os. Participe à la fixation de l'azote chez les bactéries
	moins de 0,001	Influence le processus de croissance des plantes.
		Il fait partie des os et de l'émail des dents.

Substances organiques et inorganiques

En plus de ceux-ci, quels autres éléments chimiques entrent dans la composition de la cellule ? Les réponses peuvent être trouvées simplement en étudiant la structure de la plupart des substances dans le corps. Parmi eux, on distingue les molécules d'origine organique et inorganique, et chacun de ces groupes a un ensemble fixe d'éléments dans sa composition.

Les principales classes de substances organiques sont les protéines, les acides nucléiques, les graisses et les glucides. Ils sont entièrement construits à partir des principaux éléments biogéniques : le squelette de la molécule est toujours formé de carbone, et l'hydrogène, l'oxygène et l'azote font partie des radicaux. Chez les animaux, les protéines sont la classe dominante, et chez les plantes, les polysaccharides.

Les substances inorganiques sont tous les sels minéraux et, bien sûr, l'eau. Parmi tous les inorganiques de la cellule, le plus est H 2 O, dans lequel le reste des substances est dissous.

Tout ce qui précède vous aidera à déterminer quels éléments chimiques font partie de la cellule et leurs fonctions dans le corps ne seront plus un mystère pour vous.

À conditions modernes l'un des problèmes les plus urgents de l'enseignement de la chimie est d'assurer l'orientation pratique des connaissances disciplinaires. Cela signifie la nécessité de clarifier la relation étroite entre les positions théoriques étudiées et la pratique de la vie, de démontrer le caractère appliqué des connaissances chimiques. Les élèves sont ravis d'apprendre la chimie. Afin de maintenir l'intérêt cognitif des élèves, il est nécessaire de les convaincre de l'efficacité des connaissances chimiques, de former un besoin personnel de maîtrise du matériel pédagogique.

Objectif de cette leçon :élargir les horizons des étudiants et accroître l'intérêt cognitif pour l'étude du sujet, former des concepts de vision du monde sur la connaissance de la nature. Il est proposé que cette leçon ait lieu en 8e année après avoir étudié les éléments chimiques du tableau périodique, lorsque les enfants ont déjà une idée de leur diversité.

PENDANT LES COURS

Prof:

Il n'y a rien d'autre dans la nature
Ni ici ni là-bas, dans les profondeurs de l'espace :
Tout - des petits grains de sable aux planètes -
Il se compose d'éléments simples.
Comme une formule, comme un horaire de travail,
La structure du système Mendeleïev est stricte.
Le monde qui t'entoure est vivant
Entrez-y, inspirez, touchez-le avec vos mains.

La leçon commence par une scène théâtrale "Qui est le plus important dans le tableau?" (cm. Pièce jointe 1).

Prof: Le corps humain contient 81 éléments chimiques sur 92 présents dans la nature. Le corps humain est un laboratoire chimique complexe. Il est difficile d'imaginer que notre bien-être quotidien, notre humeur et même notre appétit puissent dépendre des minéraux. Sans eux, les vitamines sont inutiles, la synthèse et la dégradation des protéines, des graisses et des glucides sont impossibles.

Sur les tableaux des étudiants, il y a des tableaux «Le rôle biologique des éléments chimiques» (voir. Annexe 2). Prenez le temps de faire sa connaissance. L'enseignant, avec les élèves, analyse le tableau en posant des questions.

Prof: La base de la vie est les six éléments des trois premières périodes (H, C, N, O, P, S), qui représentent 98% de la masse de la matière vivante (les éléments restants du système périodique ne sont pas plus de 2 %).
Trois attributs principaux des éléments biogéniques (H, C, N, O, P, S) :

• petite taille des atomes
• petite masse atomique relative,
• la capacité de former des liaisons covalentes fortes.

Les élèves reçoivent des textes (cf. Annexe 3). Tâche : lisez attentivement le texte ; mettre en évidence les éléments nécessaires à la vie et les éléments dangereux pour les organismes vivants ; trouvez-les dans le système périodique et expliquez leur rôle.
Après avoir terminé la tâche, plusieurs élèves analysent différents textes.

Prof: Les éléments analogues de l'environnement naturel entrent en compétition et peuvent être échangés dans les organismes vivants, ce qui les affecte négativement.
Le remplacement du sodium et du potassium dans les organismes des animaux et des humains par du lithium provoque des troubles du système nerveux, car dans ce cas, les cellules ne conduisent pas d'influx nerveux. De tels troubles conduisent à la schizophrénie.
Le thallium, compétiteur biologique du potassium, le remplace dans les parois cellulaires, affecte le système nerveux central et périphérique, le tractus gastro-intestinal et les reins.
Le sélénium peut remplacer le soufre dans les protéines. C'est le seul élément qui, lorsqu'il est présent à des concentrations élevées dans les plantes, peut provoquer la mort subite des animaux et des humains qui les consomment.
Le calcium, lorsqu'il est déficient dans le sol, est remplacé dans l'organisme par du strontium, qui perturbe progressivement la structure normale du squelette. Le remplacement du calcium par du strontium-90 est particulièrement dangereux, qui s'accumule en quantités énormes dans les lieux d'explosions nucléaires (lors des essais d'armes nucléaires) ou lors d'accidents dans des centrales nucléaires. Ce radionucléide détruit la moelle osseuse.
Le cadmium est en concurrence avec le zinc. Cet élément réduit l'activité des enzymes digestives, perturbe la formation de glycogène dans le foie, provoque une déformation du squelette, inhibe la croissance osseuse et provoque également de fortes douleurs dans les muscles du bas du dos et des jambes, une fragilité osseuse (par exemple, des côtes cassées en toussant) . D'autres conséquences négatives sont le cancer du poumon et du rectum, le dysfonctionnement pancréatique. Lésions rénales, diminution des taux sanguins de fer, calcium, phosphore. Cet élément inhibe les processus d'auto-purification chez les plantes aquatiques et terrestres (par exemple, on note une augmentation de 20 à 30 fois du cadmium dans les feuilles de tabac).
Les halogènes peuvent être très facilement échangés dans le corps. Un excès de fluor dans l'environnement (eau fluorée, contamination du sol par des composés fluorés autour d'une usine de production d'aluminium, etc.) empêche l'iode de pénétrer dans le corps humain. En conséquence, la maladie thyroïdienne Système endocrinien en général.

Messages étudiants préparés à l'avance.

1er étudiant :

Les alchimistes médiévaux considéraient l'or comme la perfection et les autres métaux - une erreur dans l'acte de création et, comme vous le savez, ont fait de grands efforts pour éliminer cette erreur. L'idée d'introduire l'or dans la pratique médicale est attribuée à Paracelse, qui proclamait que le but de la chimie ne devait pas être la transformation de tous les métaux en or, mais la préparation de médicaments. Des médicaments à base d'or et de ses composés ont été essayés pour traiter de nombreuses maladies. Ils ont été soignés pour la lèpre, le lupus et la tuberculose. Chez les personnes sensibles à l'or, cela pourrait provoquer une violation de la composition du sang, une réaction des reins, du foie, affecter l'humeur, la croissance des dents, des cheveux. L'or assure le fonctionnement du système nerveux. On le trouve dans le maïs. Et la force des vaisseaux sanguins dépend du germanium. Le seul produit alimentaire contenant du germanium est l'ail.

2ème étudiant :

À corps humain la plus grande quantité de cuivre se trouve dans le cerveau et le foie, et cette seule circonstance indique son importance dans la vie. Il a été constaté qu'avec la douleur, la concentration de cuivre dans le sang et le liquide céphalo-rachidien augmente. En Syrie et en Égypte, les nouveau-nés portent des bracelets en cuivre pour prévenir le rachitisme et l'épilepsie.

3ème étudiant :

ALUMINIUM

Les ustensiles en aluminium sont appelés les ustensiles des pauvres, car ce métal contribue au développement de l'athérosclérose sénile. Lors de la cuisson dans de tels plats, l'aluminium passe partiellement dans le corps, où il s'accumule.

4ème étudiant :

• Quel élément trouve-t-on dans les pommes ? (Le fer.)
• Quel est son rôle biologique ? (Le corps contient 3 g de fer, dont 2 g dans le sang. Le fer fait partie de l'hémoglobine. Une insuffisance de fer conduit à mal de tête, fatigue rapide.)

Ensuite, les élèves mènent une expérience de laboratoire dont le but est de prouver expérimentalement l'effet des sels de certains métaux sur les protéines. Ils mélangent la protéine avec des solutions d'alcali et de sulfate de cuivre et observent la précipitation d'un précipité violet. Faire une conclusion sur la destruction de la protéine.

5e élève :

L'homme est aussi nature.
Il est aussi un coucher de soleil et un lever de soleil.
Et il a quatre saisons.
Et un mouvement spécial dans la musique.

Et un sacrement spécial de couleur,
Maintenant avec un feu cruel, maintenant avec un bon feu.
L'homme est l'hiver. Ou l'été.
Ou l'automne. Avec le tonnerre et la pluie.

Tout contenu en soi - miles et temps.
Et des tempêtes atomiques, il était aveugle.
L'homme est à la fois sol et semence.
Et les mauvaises herbes au milieu du champ. Et du pain.

Et quel temps y fait-il ?
Combien y a-t-il de solitude ? Des réunions ?
L'homme c'est aussi la nature...
Alors prenons soin de la nature !

(S. Ostrovoy)

Pour consolider les connaissances acquises au cours de la leçon, le test «Sourire» est effectué (voir. Annexe 4).
Ensuite, il est proposé de remplir les mots croisés «Kaléidoscope chimique» (voir. Annexe 5).
L'enseignant résume la leçon en notant les élèves les plus actifs.

6e élève :

Changez, changez !
L'appel afflue.
Enfin c'est fini
Leçon ennuyeuse !

Tirant le soufre par la natte,
Le magnésium a couru.
L'iode s'est évaporé de la salle de classe
C'est comme si ça n'était jamais arrivé.

Le fluor a accidentellement mis le feu à l'eau,
Le chlore a mangé le livre de quelqu'un d'autre.
Du carbone soudain avec de l'hydrogène
J'ai réussi à devenir invisible.

Le potassium, le brome se battent dans le coin :
Ils ne partagent pas un électron.
Oxygène - méchant sur le bore
Passé au galop à cheval.

Livres d'occasion :

1. V.O. Baïdalina Sur l'aspect appliqué des connaissances chimiques. « La chimie à l'école » n°5, 2005
2. Chimie et écologie dans le cursus scolaire. "Premier septembre" n° 14, 2005
3. I. N. Pimenova, A. V. Pimenov« Conférences sur biologie générale”, manuel, Saratov, JSC Publishing House “Lyceum”, 2003
4. A propos de la chimie en vers, Qui est le plus important dans le tableau ? « Premier septembre », n° 15, 2005
5. Les métaux dans le corps humain « La chimie à l'école », n° 6, 2005
6. Mots croisés "Kaléidoscope chimique". « Premier septembre », n° 1 4, 2005
7. "Je vais en cours de chimie." Le livre pour le professeur. M. "Premier septembre", 2002, p. 12.

Le rôle biologique des éléments chimiques dans les organismes vivants

1. Macro et microéléments dans l'environnement et le corps humain

Le rôle biologique des éléments chimiques dans le corps humain est extrêmement diversifié.

La fonction principale des macronutriments est de construire des tissus, de maintenir une pression osmotique constante, une composition ionique et acido-basique.

Les oligo-éléments, faisant partie des enzymes, des hormones, des vitamines, des substances biologiquement actives en tant qu'agents complexants ou activateurs, sont impliqués dans le métabolisme, les processus de reproduction, la respiration des tissus et la neutralisation des substances toxiques. Les oligo-éléments influencent activement les processus d'hématopoïèse, d'oxydation - récupération, de perméabilité des vaisseaux sanguins et des tissus. Les macro et microéléments - calcium, phosphore, fluor, iode, aluminium, silicium déterminent la formation des tissus osseux et dentaires.

Il est prouvé que le contenu de certains éléments du corps humain change avec l'âge. Ainsi, la teneur en cadmium dans les reins et en molybdène dans le foie augmente avec l'âge. La teneur maximale en zinc est observée pendant la puberté, puis elle diminue et dans la vieillesse atteint un minimum. La teneur en autres oligo-éléments, tels que le vanadium et le chrome, diminue également avec l'âge.

De nombreuses maladies associées à une carence ou à une accumulation excessive de divers oligo-éléments ont été identifiées. Une carence en fluor provoque des caries dentaires, une carence en iode - goitre endémique, un excès de molybdène - goutte endémique. De tels schémas sont liés au fait que l'équilibre des concentrations optimales d'éléments biogènes est maintenu dans le corps humain - l'homéostasie chimique. La violation de cet équilibre due à un manque ou à un excès de l'élément peut entraîner diverses maladies.

En plus des six principaux macronutriments - organogènes - carbone, hydrogène, azote, oxygène, soufre et phosphore, qui composent les glucides, les lipides, les protéines et les acides nucléiques, les macronutriments "inorganiques" sont nécessaires à l'alimentation humaine et animale normale - calcium, chlore , magnésium, potassium, sodium - et oligo-éléments - cuivre, fluor, iode, fer, molybdène, zinc, et aussi, éventuellement (prouvé pour les animaux), sélénium, arsenic, chrome, nickel, silicium, étain, vanadium.

Le manque d'éléments tels que le fer, le cuivre, le fluor, le zinc, l'iode, le calcium, le phosphore, le magnésium et quelques autres dans l'alimentation conduit à conséquences sérieuses pour la santé humaine.

Cependant, il faut se rappeler que non seulement une carence, mais aussi un excès d'éléments biogènes est nocif pour l'organisme, car cela perturbe l'homéostasie chimique. Par exemple, avec l'apport de manganèse en excès avec de la nourriture, le niveau de cuivre dans le plasma augmente (synergie de Mn et Cu) et dans les reins, il diminue (antagonisme). L'augmentation de la teneur en molybdène dans les aliments entraîne une augmentation de la quantité de cuivre dans le foie. Un excès de zinc dans les aliments provoque une inhibition de l'activité des enzymes contenant du fer (antagonisme du Zn et du Fe).

Les composants minéraux, qui sont vitaux en quantités négligeables, deviennent toxiques à des concentrations plus élevées.

Un certain nombre d'éléments (argent, mercure, plomb, cadmium, etc.) sont considérés comme toxiques, car leur entrée dans l'organisme déjà à l'état de traces entraîne des phénomènes pathologiques graves. mécanisme chimique Les effets toxiques de certains oligo-éléments seront discutés ci-dessous.

Les éléments biogéniques sont largement utilisés dans agriculture. L'ajout de petites quantités de microéléments - bore, cuivre, manganèse, zinc, cobalt, molybdène - au sol augmente considérablement le rendement de nombreuses cultures. Il s'avère que les microéléments, en augmentant l'activité des enzymes des plantes, contribuent à la synthèse des protéines, des vitamines, des acides nucléiques, des sucres et de l'amidon. Certains des éléments chimiques ont un effet positif sur la photosynthèse, accélèrent la croissance et le développement des plantes, la maturation des graines. Des oligo-éléments sont ajoutés à l'alimentation des animaux pour augmenter leur productivité.

Divers éléments et leurs composés sont largement utilisés comme médicaments.

Ainsi, l'étude du rôle biologique des éléments chimiques, l'élucidation de la relation entre l'échange de ces éléments et d'autres substances biologiquement actives - enzymes, hormones, vitamines contribuent à la création de nouveaux médicaments et au développement de modes optimaux leur dosage à des fins thérapeutiques et prophylactiques.

La base pour étudier les propriétés des éléments et, en particulier, leur rôle biologique est loi périodique DI. Mendeleev. Propriétés physicochimiques, et, par conséquent, leur rôle physiologique et pathologique, sont déterminés par la position de ces éléments dans système périodique DI. Mendeleev.

En règle générale, avec une augmentation de la charge du noyau des atomes, la toxicité des éléments de ce groupe augmente et leur contenu dans le corps diminue. La diminution de la teneur est évidemment due au fait que de nombreux éléments de longues périodes sont mal absorbés par les organismes vivants en raison des grands rayons atomiques et ioniques, de la charge nucléaire élevée, de la complexité des configurations électroniques et de la faible solubilité des composés. Le corps contient des quantités importantes d'éléments légers.

Les macroéléments comprennent les éléments s des première (hydrogène), troisième (sodium, magnésium) et quatrième (potassium, calcium) périodes, ainsi que les éléments p des deuxième (carbone, azote, oxygène) et troisième (phosphore, soufre, chlore). Tous sont vitaux. La plupart des éléments s et p restants des trois premières périodes (Li, B, Al, F) sont physiologiquement actifs, les éléments s et p des grandes périodes (n> 4) agissent rarement comme indispensables. L'exception concerne les éléments s - potassium, calcium, iode. Les actifs physiologiques comprennent certains éléments s et p des quatrième et cinquième périodes - strontium, arsenic, sélénium, brome.

Parmi les éléments d, ce sont principalement les éléments de la quatrième période qui sont vitaux : manganèse, fer, zinc, cuivre, cobalt. Récemment, il a été établi que le rôle physiologique de certains autres éléments d de cette période est également incontestable: titane, chrome, vanadium.

d-Les éléments des cinquième et sixième périodes, à l'exception du molybdène, ne présentent pas d'activité physiologique positive prononcée. Le molybdène, en revanche, fait partie d'un certain nombre d'enzymes redox (par exemple, l'oxyde de xanthine, l'aldéhyde oxydase) et joue un rôle important au cours des processus biochimiques.

2. Aspects généraux de la toxicité des métaux lourds pour les organismes vivants

Une étude approfondie des problèmes liés à l'évaluation de l'état du milieu naturel montre qu'il est très difficile de tracer une ligne claire entre les facteurs naturels et anthropiques dans l'évolution des systèmes écologiques. Les dernières décennies nous en ont convaincu. que l'impact de l'homme sur la nature cause non seulement des dommages directs et facilement identifiables, mais aussi un certain nombre de processus nouveaux, souvent cachés, qui transforment ou détruisent l'environnement. Les processus naturels et anthropiques dans la biosphère sont dans une relation et une interdépendance complexes. Ainsi, le déroulement des transformations chimiques conduisant à la formation de substances toxiques est influencé par le climat, l'état de la couverture du sol, de l'eau, de l'air, le niveau de radioactivité, etc. Dans les conditions actuelles, lorsqu'on étudie les processus de pollution chimique des écosystèmes, se pose le problème de trouver des ressources naturelles, principalement dues à facteurs naturels, teneurs en certains éléments ou composés chimiques. La solution à ce problème n'est possible que sur la base d'observations systématiques à long terme de l'état des composants de la biosphère, de leur teneur en diverses substances, c'est-à-dire sur la base d'une surveillance environnementale.

La pollution de l'environnement par les métaux lourds est directement liée à la surveillance écologique et analytique des supertoxiques, car nombre d'entre eux présentent déjà une toxicité élevée à l'état de traces et sont capables de se concentrer dans les organismes vivants.

Les principales sources de pollution environnementale par les métaux lourds peuvent être divisées en naturelles (naturelles) et artificielles (anthropiques). Naturel comprennent les éruptions volcaniques, les tempêtes de poussière, les incendies de forêt et de steppe, sels marins soufflé par le vent, la végétation, etc. Les sources naturelles de pollution sont soit systématiques, uniformes ou spontanées à court terme et, en règle générale, ont peu d'effet sur niveau général la pollution. Les sources principales et les plus dangereuses de pollution de la nature par les métaux lourds sont anthropiques.

Au cours de l'étude de la chimie des métaux et de leurs cycles biochimiques dans la biosphère, le double rôle qu'ils jouent dans la physiologie se révèle : d'une part, la plupart des métaux sont nécessaires au cours normal de la vie ; d'autre part, à des concentrations élevées, ils présentent une toxicité élevée, c'est-à-dire qu'ils ont mauvaise influence sur l'état et l'activité des organismes vivants. La frontière entre les concentrations nécessaires et toxiques des éléments est très floue, ce qui complique l'évaluation fiable de leur impact sur l'environnement. La quantité à laquelle certains métaux deviennent vraiment dangereux dépend non seulement du degré de pollution des écosystèmes par eux, mais aussi des caractéristiques chimiques de leur cycle biochimique. En tableau. 1 montre la série de toxicité molaire des métaux pour différents types les organismes vivants.

Tableau 1. Séquence représentative de la toxicité molaire des métaux

Organismes Toxicité série Algues Hg>Cu>Cd>Fe>Cr>Zn>Co>MnFungiAg>Hg>Cu>Cd>Cr>Ni>Pb>Co>Zn>Fe >Zn > Pb> CdFishAg>Hg>Cu> Pb> Cd>Al> Zn> Ni> Cr>Co>Mn>>SrMammifèresAg, Hg, Cd> Cu, Pb, Sn, Be>> Mn, Zn, Ni, Fe , Cr >> Sr>Сs, Li, Al

Pour chaque type d'organisme, l'ordre des métaux dans les rangées du tableau de gauche à droite reflète l'augmentation de la quantité molaire du métal nécessaire à la manifestation de l'effet toxique. La valeur molaire minimale fait référence au métal le plus toxique.

V.V. Kovalsky, en fonction de leur importance pour la vie, a divisé les éléments chimiques en trois groupes :

Éléments vitaux (irremplaçables) qui sont constamment contenus dans le corps (font partie des enzymes, des hormones et des vitamines) : H, O, Ca, N, K, P, Na, S, Mg, Cl, C, I, Mn, Cu , Co, Fe, Mo, V. Leur carence entraîne une perturbation de la vie normale des humains et des animaux.

Tableau 2. Caractéristiques de quelques métalloenzymes - complexes bioinorganiques

Métal-enzyme Atome central Environnement du ligand Objet de concentration Action enzymatique Carboanhydrase Zn (II) Résidus d'acides aminés Érythrocytes Catalyse l'hydratation réversible du dioxyde de carbone : CO 2+H 2O↔N 2ALORS 3↔N ++ONS 3Zn (II) carboxypeptidase Résidus d'acides aminés Pancréas, foie, intestin Catalyse la digestion des protéines, participe à l'hydrolyse des liaisons peptidiques : R 1CO-NH-R 2+H 2O↔R 1-COOH+R 2NH 2Catalase Fe (III) Résidus d'acides aminés, histidine, tyrosine Sang Catalyse la réaction de décomposition du peroxyde d'hydrogène : 2H 2O 2= 2N 2O + O 2Fe(III) peroxydaseProtéinesTissu, sangOxydation des substrats (RH 2) peroxyde d'hydrogène : HR 2+H 2O 2=R+2H 2Oxireductase Cu (II) Résidus d'acides aminés Cœur, foie, reins Catalyse l'oxydation à l'aide d'oxygène moléculaire : 2H 2R+O 2= 2R + 2H 2O Pyruvate carboxylase Mn (II) Protéines tissulaires Foie, glande thyroïde Améliore l'action des hormones. Catalyse le processus de carboxylation avec l'acide pyruvique Aldéhyde oxydase Mo (VI) Protéines tissulaires Foie Participe à l'oxydation des aldéhydes Ribonucléotide réductase Co (II) Protéines tissulaires Foie Participe à la biosynthèse des acides ribonucléiques

• éléments d'impuretés contenus en permanence dans l'organisme : 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. Leur rôle biologique est peu connu ou méconnu.
• éléments d'impureté trouvés dans le corps Sc, Tl, In, La, Pr, Sm, W, Re, Tb, etc. Les données sur la quantité et le rôle biologique ne sont pas claires.
• Le tableau montre les caractéristiques d'un certain nombre de métalloenzymes, qui comprennent des métaux vitaux tels que Zn, Fe, Cu, Mn, Mo.
• Selon le comportement dans les systèmes vivants, les métaux peuvent être divisés en 5 types :
• - éléments nécessaires, avec un manque de troubles fonctionnels dans le corps;
• - les stimulants (les métaux nécessaires et non nécessaires à l'organisme peuvent agir comme stimulants) ;
• des éléments inertes inoffensifs à certaines concentrations et sans effet sur l'organisme (par exemple, les métaux inertes utilisés comme implants chirurgicaux) :
• agents thérapeutiques utilisés en médecine;
• éléments toxiques, à fortes concentrations entraînant des troubles fonctionnels irréversibles, la mort de l'organisme.
• Selon la concentration et le temps de contact, le métal peut agir selon l'un des types indiqués.
• La figure 1 montre un diagramme de la dépendance de l'état de l'organisme à la concentration en ions métalliques. La courbe pleine dans le diagramme décrit la réponse positive immédiate, le niveau optimal et la transition de l'effet positif au négatif après avoir fait passer les valeurs de concentration de l'élément souhaité par le maximum. À des concentrations élevées, le métal requis devient toxique.
• La courbe en pointillé montre la réponse biologique à un métal toxique pour l'organisme sans l'effet d'un élément essentiel ou stimulant. Cette courbe est accompagnée d'un certain retard, ce qui indique la capacité d'un organisme vivant à « ne pas répondre » à de petites quantités d'une substance toxique (concentration seuil).
• D'après le diagramme, il s'ensuit que les éléments nécessaires deviennent toxiques en quantités excessives. Le corps des animaux et des humains maintient la concentration des éléments dans la plage optimale grâce à un ensemble de processus physiologiques appelés homéostasie. La concentration de tous, sans exception, les métaux nécessaires est sous contrôle strict de l'homéostasie.

• Fig.1 Réponse biologique en fonction de la concentration du métal. (La disposition mutuelle des deux courbes par rapport à l'échelle de concentration est conditionnelle)
• toxicité des métaux empoisonnement aux ions
• Le contenu des éléments chimiques dans le corps humain est particulièrement intéressant. Les organes humains concentrent différemment divers éléments chimiques en eux-mêmes, c'est-à-dire que les macro et microéléments sont inégalement répartis entre les différents organes et tissus. La plupart des oligo-éléments (le contenu dans le corps est à moins de 10 -3-10-5%) s'accumule dans le foie, les os et les tissus musculaires. Ces tissus sont le principal dépôt de nombreux métaux.
• Des éléments peuvent montrer une affinité spécifique pour certains organes et y être contenus à des concentrations élevées. On sait que le zinc est concentré dans le pancréas, l'iode dans la glande thyroïde, le vanadium, ainsi que l'aluminium et l'arsenic, s'accumulent dans les cheveux et les ongles, le cadmium, le mercure, le molybdène - dans les reins, l'étain dans les tissus intestinaux, le strontium - dans la prostate, le tissu osseux, le manganèse dans l'hypophyse, etc. Dans l'organisme, on trouve des oligo-éléments dans état lié, et sous forme de formes ioniques libres. Il a été établi que l'aluminium, le cuivre et le titane dans les tissus cérébraux sont sous forme de complexes avec des protéines, tandis que le manganèse est sous forme ionique.
• En réponse à l'apport de concentrations excessives d'éléments dans l'organisme, un organisme vivant est capable de limiter voire d'éliminer l'effet toxique qui en résulte grâce à la présence de certains mécanismes de détoxification. Les mécanismes spécifiques de détoxification par rapport aux ions métalliques ne sont actuellement pas bien compris. De nombreux métaux dans le corps peuvent être convertis en formes moins nocives de la manière suivante:
• formation de complexes insolubles dans tractus intestinal;
• transport du métal avec le sang vers d'autres tissus où il peut être immobilisé (comme, par exemple, Pb + 2 dans les os);

- transformation par le foie et les reins en une forme moins toxique.

Ainsi, en réponse à l'action des ions toxiques du plomb, du mercure, du cadmium, etc., le foie et les reins humains augmentent la synthèse de métallothiones - protéines de faible poids moléculaire, dans lesquelles environ 1/3 des résidus d'acides aminés sont de la cystéine . haut contenu et certain endroit les groupes sulfhydryle SH offrent la possibilité d'une forte liaison des ions métalliques.

Les mécanismes de la toxicité des métaux sont généralement bien connus, mais il est très difficile de les trouver pour un métal en particulier. L'un de ces mécanismes est la concentration entre les métaux essentiels et toxiques pour posséder des sites de liaison dans les protéines, car les ions métalliques stabilisent et activent de nombreuses protéines, faisant partie de nombreux systèmes enzymatiques. De plus, de nombreuses macromolécules protéiques ont des groupes sulfhydryle libres qui peuvent interagir avec des ions métalliques toxiques tels que le cadmium, le plomb et le mercure, entraînant des effets toxiques. Cependant, il n'est pas exactement établi quelles macromolécules nuisent à un organisme vivant dans ce cas. La manifestation de la toxicité des ions métalliques dans différents corps et les tissus n'est pas toujours lié au niveau de leur accumulation - rien ne garantit que les dommages les plus importants se produisent dans la partie du corps où la concentration de ce métal est la plus élevée. Ainsi, les ions plomb (II), étant plus de 90% de la quantité totale dans le corps immobilisés dans les os, présentent une toxicité due à 10% distribués dans d'autres tissus du corps. L'immobilisation des ions plomb dans les os peut être considérée comme un processus de détoxification.

La toxicité d'un ion métallique n'est généralement pas associée à son besoin pour le corps. Cependant, pour la toxicité et la nécessité, il y a un caractéristique commune: en règle générale, il existe une interrelation des ions métalliques entre eux, exactement, ainsi qu'entre les ions métalliques et non métalliques, dans la contribution globale à l'efficacité de leur action. Par exemple, la toxicité du cadmium est plus prononcée dans un système présentant une carence en zinc, tandis que la toxicité du plomb est exacerbée par une carence en calcium. De même, l'adsorption du fer des aliments végétaux est inhibée par les ligands complexants qui y sont présents, et un excès d'ions zinc peut inhiber l'adsorption du cuivre, etc.

La détermination des mécanismes de toxicité des ions métalliques est souvent compliquée par l'existence de diverses voies de pénétration dans un organisme vivant. Les métaux peuvent être ingérés avec de la nourriture, de l'eau, absorbés par la peau, pénétrés par inhalation, etc. L'absorption avec la poussière est Voie principale pénétration à pollution industrielle. À la suite de l'inhalation, la plupart des métaux se déposent dans les poumons et ne se propagent ensuite qu'aux autres organes. Mais la voie la plus courante par laquelle les métaux toxiques pénètrent dans l'organisme est l'ingestion d'aliments et d'eau.

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>> Chimie : Éléments chimiques dans les cellules des organismes vivants

Plus de 70 éléments ont été retrouvés dans la composition des substances qui forment les cellules de tous les organismes vivants (humains, animaux, végétaux). Ces éléments sont généralement divisés en deux groupes : les macroéléments et les microéléments.

Les macronutriments se trouvent dans les cellules de grandes quantités. Ce sont tout d'abord le carbone, l'oxygène, l'azote et l'hydrogène. Au total, ils représentent près de 98% du contenu total de la cellule. En plus de ces éléments, les macronutriments comprennent également le magnésium, le potassium, le calcium, le sodium, le phosphore, le soufre et le chlore. Leur teneur totale est de 1,9 %. Ainsi, la part des autres éléments chimiques représente environ 0,1 %. Ce sont des micronutriments. Ceux-ci comprennent le fer, le zinc, le manganèse, le bore, le cuivre, l'iode, le cobalt, le brome, le fluor, l'aluminium, etc.

23 oligo-éléments ont été retrouvés dans le lait des mammifères : lithium, rubidium, cuivre, argent, baryum, strontium, titane, arsenic, vanadium, chrome, molybdène, iode, fluor, manganèse, fer, cobalt, nickel, etc.

La composition du sang des mammifères comprend 24 microéléments et la composition du cerveau humain - 18 microéléments.

Comme vous pouvez le voir, il n'y a pas d'éléments spéciaux dans la cellule qui ne soient caractéristiques que de la nature vivante, c'est-à-dire sur niveau atomique il n'y a pas de différence entre la nature vivante et la nature non vivante. Ces différences ne se retrouvent qu'au niveau substances complexes- sur le niveau moléculaire. Ainsi, avec substances inorganiques(eau et sels minéraux) les cellules des organismes vivants contiennent des substances qui ne leur sont caractéristiques que - des substances organiques (protéines, graisses, glucides, acides nucléiques, vitamines, hormones, etc.). Ces substances sont constituées principalement de carbone, d'hydrogène, d'oxygène et d'azote, c'est-à-dire de macroéléments. Les oligo-éléments sont contenus dans ces substances en petites quantités, cependant, leur rôle dans la vie normale des organismes est énorme. Par exemple, les composés de bore, de manganèse, de zinc et de cobalt augmentent considérablement le rendement des plantes agricoles individuelles et augmentent leur résistance à diverses maladies.

L'homme et les animaux reçoivent les oligo-éléments dont ils ont besoin pour une vie normale grâce aux plantes dont ils se nourrissent. S'il n'y a pas assez de manganèse dans les aliments, un retard de croissance, un ralentissement de l'apparition de la puberté et des troubles métaboliques lors de la formation du squelette sont possibles. L'ajout de fractions de milligramme de sels de manganèse à ration journalière animaux élimine ces maladies.

Le cobalt fait partie de la vitamine B12, qui est responsable du travail des organes hématopoïétiques. Le manque de cobalt dans les aliments provoque souvent une maladie grave qui entraîne l'épuisement du corps et même la mort.

L'importance des oligo-éléments pour l'homme a été révélée pour la première fois dans l'étude d'une maladie telle que le goitre endémique, causée par un manque d'iode dans les aliments et l'eau. L'apport de sel contenant de l'iode conduit à la guérison et son ajout aux aliments en petites quantités prévient la maladie. A cet effet, du sel de table iodé est utilisé, auquel 0,001-0,01% d'iodure de potassium est ajouté.

La composition de la plupart des catalyseurs enzymatiques biologiques comprend du zinc, du molybdène et certains autres métaux. Ces éléments, contenus dans les cellules des organismes vivants en très faible quantité, assurent le fonctionnement normal des mécanismes biochimiques les plus fins, et sont de véritables régulateurs des processus vitaux.

De nombreux oligo-éléments sont contenus dans les vitamines - des substances organiques de diverses natures chimiques, qui pénètrent dans le corps avec de la nourriture à petites doses et ont une grande influence sur le métabolisme et l'activité vitale globale du corps. Dans leur action biologique, ils sont proches des enzymes, mais les enzymes sont formées par les cellules du corps et les vitamines proviennent généralement des aliments. Les plantes servent de sources de vitamines : agrumes, églantier, persil, oignons, ail et bien d'autres. Certaines vitamines - A, B1, B2, K - sont obtenues par synthèse. Les vitamines tirent leur nom de deux mots : vita - vie et amine - contenant de l'azote.

Les oligo-éléments font également partie des hormones - des substances biologiquement actives qui régulent le fonctionnement des organes et des systèmes d'organes humains et animaux. Ils tirent leur nom de mot grec harmao - je gagne. Les hormones sont produites par les glandes endocrines et pénètrent dans le sang, qui les transporte dans tout le corps. Certaines hormones sont obtenues par synthèse.

1. Macroéléments et microéléments.

2. Le rôle des oligo-éléments dans la vie des plantes, des animaux et des humains.

3. Substances organiques : protéines, lipides, glucides.

4. Enzymes.

5. Vitamines.

6. Hormones.

A quel niveau des formes d'existence d'un élément chimique commence la différence entre la nature animée et la nature inanimée ?

Pourquoi les macronutriments individuels sont-ils également appelés biogéniques ? Listez-les.

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