Rolul biologic elemente chimiceîn organismele vii

1. Macro și microelemente din mediu și din corpul uman

Rolul biologic al elementelor chimice în corpul uman este extrem de divers.

Funcția principală a macronutrienților este de a construi țesuturi, menține o presiune osmotică constantă, compoziție ionică și acido-bazică.

Oligoelementele, facand parte din enzime, hormoni, vitamine, substante biologic active ca agenti de complexare sau activatori, sunt implicate in metabolism, procesele de reproducere, respiratia tesuturilor si neutralizarea substantelor toxice. Oligoelementele influențează activ procesele de hematopoieză, oxidare - recuperare, permeabilitatea vaselor de sânge și a țesuturilor. Macro și microelemente - calciu, fosfor, fluor, iod, aluminiu, siliciu determină formarea țesuturilor osoase și dentare.

Există dovezi că conținutul unor elemente din corpul uman se modifică odată cu vârsta. Deci, conținutul de cadmiu în rinichi și molibden în ficat crește odată cu înaintarea în vârstă. Conținutul maxim de zinc se observă în perioada pubertății, apoi scade și la bătrânețe atinge un minim. Conținutul altor oligoelemente, cum ar fi vanadiul și cromul, scade și el odată cu vârsta.

Au fost identificate multe boli asociate cu deficiența sau acumularea în exces a diferitelor oligoelemente. Deficitul de fluor provoacă carii dentare, deficit de iod - gușă endemică, exces de molibden - gută endemică. Astfel de modele sunt legate de faptul că echilibrul concentrațiilor optime de elemente biogene este menținut în corpul uman - homeostazia chimică. Încălcarea acestui echilibru din cauza lipsei sau excesului unui element poate duce la diferite boli.

Pe lângă cele șase macroelemente principale - organogeni - carbon, hidrogen, azot, oxigen, sulf și fosfor, care alcătuiesc carbohidrații, grăsimile, proteinele și acizii nucleici, macroelementele „anorganice” sunt necesare pentru alimentația normală a oamenilor și a animalelor - calciu, clor , magneziu, potasiu, sodiu - și oligoelemente - cupru, fluor, iod, fier, molibden, zinc și, de asemenea, eventual (dovedit pentru animale), seleniu, arsen, crom, nichel, siliciu, staniu, vanadiu.

Lipsa unor elemente precum fier, cupru, fluor, zinc, iod, calciu, fosfor, magneziu și altele din dietă duce la consecințe serioase pentru sănătatea umană.

Cu toate acestea, trebuie amintit că nu numai o deficiență, ci și un exces de elemente biogene sunt dăunătoare pentru organism, deoarece acest lucru perturbă homeostazia chimică. De exemplu, odată cu consumul de mangan în exces cu alimente, nivelul de cupru din plasmă crește (sinergismul Mn și Cu), iar în rinichi scade (antagonism). Creșterea conținutului de molibden din alimente duce la creșterea cantității de cupru din ficat. Un exces de zinc în alimente determină inhibarea activității enzimelor care conțin fier (antagonismul Zn și Fe).

Componentele minerale, care sunt vitale în cantități neglijabile, devin toxice la concentrații mai mari.

O serie de elemente (argint, mercur, plumb, cadmiu etc.) sunt considerate toxice, deoarece intrarea lor în organism deja în urme duce la fenomene patologice severe. mecanism chimic Efectele toxice ale anumitor oligoelemente vor fi discutate mai jos.

Elementele biogene sunt utilizate pe scară largă în agricultură. Adăugarea în sol a unor cantități mici de microelemente - bor, cupru, mangan, zinc, cobalt, molibden - crește dramatic randamentul multor culturi. Se pare că microelementele, prin creșterea activității enzimelor din plante, contribuie la sinteza proteinelor, vitaminelor, acizi nucleici, zaharuri si amidon. Unele dintre elementele chimice au un efect pozitiv asupra fotosintezei, accelerează creșterea și dezvoltarea plantelor, maturarea semințelor. Oligoelemente sunt adăugate în hrana animalelor pentru a le crește productivitatea.

Diverse elemente și compușii acestora sunt utilizați pe scară largă ca medicamente.

Astfel, studiul rolului biologic al elementelor chimice, elucidarea relației dintre schimbul acestor elemente și alte substanțe biologic active - enzime, hormoni, vitamine contribuie la crearea de noi medicamente si dezvoltare moduri optime dozarea acestora atât în ​​scop terapeutic, cât și profilactic.

Baza pentru studierea proprietăților elementelor și, în special, a rolului lor biologic este lege periodică DI. Mendeleev. Proprietăți fizico-chimice, și, în consecință, rolul lor fiziologic și patologic, sunt determinate de poziția acestor elemente în sistem periodic DI. Mendeleev.

De regulă, odată cu creșterea încărcăturii nucleului atomilor, toxicitatea elementelor acestui grup crește și conținutul lor în organism scade. Scăderea conținutului se datorează în mod evident faptului că multe elemente de perioade lungi sunt slab absorbite de organismele vii din cauza razelor atomice și ionice mari, a sarcinii nucleare mari, a complexității configurațiilor electronice și a solubilității scăzute a compușilor. Corpul conține cantități semnificative de elemente ușoare.

Macroelementele includ elementele s din prima (hidrogen), a treia (sodiu, magneziu) și a patra (potasiu, calciu), precum și elementele p din a doua (carbon, azot, oxigen) și a treia (fosfor, sulf, clor) perioade. Toate sunt vitale. Majoritatea elementelor s- și p rămase din primele trei perioade (Li, B, Al, F) sunt active fiziologic, elementele s- și p ale perioadelor mari (n> 4) rareori acționează ca indispensabile. Excepția sunt elementele s - potasiu, calciu, iod. Active fiziologic includ unele elemente s- și p din perioadele a patra și a cincea - stronțiu, arsen, seleniu, brom.

Dintre elementele d, sunt în principal elementele din perioada a patra care sunt vitale: mangan, fier, zinc, cupru, cobalt. Recent, s-a stabilit că rolul fiziologic al altor elemente d din această perioadă este, de asemenea, neîndoielnic: titan, crom, vanadiu.

d-Elementele perioadei a cincea și a șasea, cu excepția molibdenului, nu prezintă activitate fiziologică pozitivă pronunțată. Molibdenul face parte, de asemenea, dintr-un număr de enzime redox (de exemplu, oxid de xantină, aldehidă oxidază) și joacă un rol important în cursul proceselor biochimice.

2. Aspecte generale ale toxicității metalelor grele asupra organismelor vii

Un studiu cuprinzător al problemelor asociate cu evaluarea stării mediului natural arată că este foarte dificil să se tragă o linie clară între natural și factori antropici schimbări în sistemele ecologice. Ultimele decenii ne-au convins de acest lucru. că impactul uman asupra naturii cauzează nu numai daune directe, ușor de identificat, ci provoacă și o serie de procese noi, adesea ascunse, care transformă sau distrug mediul înconjurător. Procesele naturale și antropice din biosferă sunt într-o relație complexă și interdependență. Deci, cursul transformărilor chimice care conduc la formarea de substanțe toxice este influențat de climă, starea acoperirii solului, apă, aer, nivelul de radioactivitate etc. În condițiile actuale, la studierea proceselor de poluare chimică a ecosistemelor se pune problema găsirii naturale, în principal din cauza factorilor naturali, a nivelurilor conținutului anumitor elemente sau compuși chimici. Soluția la această problemă este posibilă numai pe baza observațiilor sistematice pe termen lung ale stării componentelor biosferei, conținutului de diverse substante, adică pe baza monitorizării mediului.

Poluare mediu inconjurator metalele grele sunt direct legate de monitorizarea ecologică și analitică a supertoxicanților, deoarece multe dintre ele prezintă o toxicitate ridicată deja în urme și sunt capabile să se concentreze în organismele vii.

Principalele surse de poluare a mediului cu metale grele pot fi împărțite în naturale (naturale) și artificiale (antropice). Naturale includ erupția vulcanică, furtunile de praf, incendiile de pădure și stepă, săruri de mare aruncate în aer de vânt, vegetație etc. Sursele naturale de poluare sunt fie sistematice, uniforme, fie spontane pe termen scurt și, de regulă, au un efect redus asupra nivel general poluare. Principalele și cele mai periculoase surse de poluare a naturii cu metale grele sunt antropice.

În procesul de studiere a chimiei metalelor și a ciclurilor lor biochimice în biosferă, se dezvăluie rolul dublu pe care acestea îl joacă în fiziologie: pe de o parte, majoritatea metalelor sunt necesare pentru cursul normal al vieții; pe de altă parte, la concentrații ridicate, prezintă toxicitate ridicată, adică au influenta negativa asupra stării și activității organismelor vii. Limita dintre concentrațiile necesare și toxice ale elementelor este foarte vagă, ceea ce complică evaluarea fiabilă a impactului acestora asupra mediului. Cantitatea la care unele metale devin cu adevărat periculoase depinde nu numai de gradul de contaminare a ecosistemelor de către acestea, ci și de caracteristicile chimice ale ciclului lor biochimic. În tabel. 1 prezintă seria de toxicitate molară a metalelor pt tipuri diferite organisme vii.

Tabelul 1. Secvența reprezentativă a toxicității molare a metalelor

Seria de toxicitate al organismelor Alge 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>>SrMammalsAg, Hg, Cd> Cu, Pb, Sn, Be>> Mn, Zn, Ni, Fe , Cr >> Sr >Сs, Li, Al

Pentru fiecare tip de organism, ordinea metalelor în rândurile tabelului de la stânga la dreapta reflectă creșterea cantității molare de metal necesară pentru manifestarea efectului de toxicitate. Valoarea molară minimă se referă la metalul cu cea mai mare toxicitate.

V.V. Kovalsky, pe baza importanței lor pentru viață, a împărțit elementele chimice în trei grupe:

Elemente vitale (de neînlocuit) care sunt continute în organism (fac parte din enzime, hormoni și vitamine): H, O, Ca, N, K, P, Na, S, Mg, Cl, C, I, Mn, Cu , Co, Fe, Mo, V. Deficiența lor duce la perturbarea vieții normale a oamenilor și animalelor.

Tabelul 2. Caracteristicile unor metaloenzime – complexe bioanorganice

Metal-enzimă Atom central Mediu ligand Obiectul de concentrare Acțiunea enzimatică Carboanhidraza Zn (II) Reziduuri de aminoacizi Eritrocite Catalizează hidratarea reversibilă a dioxidului de carbon: CO 2+H 2O↔N 2ASA DE 3↔N ++NSO 3Zn (II) carboxipeptidaza Reziduuri de aminoacizi Pancreas, ficat, intestin Catalizează digestia proteinelor, participă la hidroliza legăturii peptidice: R 1CO-NH-R 2+H 2O↔R 1-COOH+R 2NH 2Catalaza Fe (III) Reziduuri de aminoacizi, histidină, tirozină Sânge Catalizează reacția de descompunere a peroxidului de hidrogen: 2H 2DESPRE 2= 2H 2O + O 2Fe(III) peroxidaza ProteineTesuturi, sange Oxidarea substraturilor (RH 2) peroxid de hidrogen: RH 2+ H 2O 2=R+2H 2Oxireductaza Cu (II) Reziduuri de aminoacizi Inima, ficat, rinichi Catalizeaza oxidarea cu ajutorul oxigenului molecular: 2H 2R+O 2= 2R + 2H 2O Piruvat carboxilază Mn (II) Proteine ​​tisulare Ficat, glanda tiroidă Îmbunătățește acțiunea hormonilor. Catalizează procesul de carboxilare cu acid piruvic Aldehid oxidaza Mo (VI) Proteine ​​tisulare Ficat Participa la oxidarea aldehidelor Ribonucleotid reductază Co (II) Proteine ​​tisulare Ficat Participa la biosinteza acizilor ribonucleici

• elemente de impuritate continute permanent in organism: 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. Rolul lor biologic este puțin înțeles sau necunoscut.
• elemente de impuritate găsite în organism Sc, Tl, In, La, Pr, Sm, W, Re, Tb etc. Datele privind cantitatea și rolul biologic nu sunt clare.
• Tabelul arată caracteristicile unui număr de metaloenzime, care includ metale vitale precum Zn, Fe, Cu, Mn, Mo.
• În funcție de comportamentul în sistemele vii, metalele pot fi împărțite în 5 tipuri:
• - elementele necesare, cu o lipsă a căror tulburări funcționale apar în organism;
• - stimulente (metale necesare si nenecesare organismului pot actiona ca stimulente);
• elemente inerte care sunt inofensive la anumite concentrații și nu au niciun efect asupra organismului (de exemplu, metale inerte utilizate ca implanturi chirurgicale):
• agenți terapeutici utilizați în medicină;
• elemente toxice, la concentratii mari ducand la tulburari functionale ireversibile, moartea organismului.
• In functie de concentratia si timpul de contact, metalul poate actiona dupa unul dintre tipurile indicate.
• Figura 1 prezintă o diagramă a dependenței stării organismului de concentrația ionilor metalici. Curba solidă din diagramă descrie răspunsul pozitiv imediat, nivelul optim și tranziția efectului pozitiv la cel negativ după ce valorile concentrației elementului dorit trec prin maxim. La concentrații mari, metalul necesar devine toxic.
• Curba punctată arată răspunsul biologic la un metal toxic pentru organism fără efectul unui element esențial sau stimulator. Această curbă vine cu o oarecare întârziere, ceea ce indică capacitatea unui organism viu de a „nu reacționa” la cantități mici de substanță toxică (concentrație-prag).
• Din diagramă rezultă că elementele necesare devin toxice în cantități în exces. Organismul animalelor și al oamenilor menține concentrația elementelor în intervalul optim printr-un complex de procese fiziologice numit homeostazie. Concentrația tuturor, fără excepție, a metalelor necesare este sub control strict al homeostaziei.

• Fig.1 Răspunsul biologic în funcție de concentrația metalului. ( Aranjament reciproc două curbe relativ la scara de concentrație în mod condiționat)
• intoxicație cu ioni de toxicitate metalică
• De interes deosebit este conținutul de elemente chimice din corpul uman. Organele umane concentrează în mod diferit diferite elemente chimice în sine, adică macro și microelemente sunt distribuite neuniform între diferite organe și țesuturi. Cele mai multe oligoelemente (conținutul din organism este în 10 -3-10-5%) se acumulează în țesuturile hepatice, osoase și musculare. Aceste țesături sunt principalul depozit pentru multe metale.
• Elementele pot prezenta o afinitate specifică pentru anumite organe și pot fi conținute în ele în concentrații mari. Se știe că zincul este concentrat în pancreas, iodul în glanda tiroidă, vanadiul, împreună cu aluminiu și arsen, se acumulează în păr și unghii, cadmiu, mercur, molibden - în rinichi, staniu în țesuturile intestinale, stronțiu - în glanda prostatică, țesutul osos, manganul din glanda pituitară etc. În organism, oligoelemente pot fi găsite în stare legată, și sub formă de forme ionice libere. S-a stabilit că aluminiul, cuprul și titanul din țesuturile creierului sunt sub formă de complexe cu proteine, în timp ce manganul este sub formă ionică.
• Ca răspuns la aportul de concentrații excesive de elemente în organism, un organism viu este capabil să limiteze sau chiar să elimine efectul toxic rezultat datorită prezenței anumitor mecanisme de detoxifiere. Mecanismele specifice de detoxifiere în raport cu ionii metalici nu sunt în prezent bine înțelese. Multe metale din organism pot fi transformate în forme mai puțin dăunătoare în următoarele moduri:
• formarea de complexe insolubile în tract intestinal;
• transportul metalului cu sânge către alte țesuturi unde poate fi imobilizat (cum ar fi, de exemplu, Pb + 2 în oase);

Celulele organismelor vii compoziție chimică diferă semnificativ de mediul neînsuflețit din jurul lor și ca structură compuși chimici, precum și prin mulțimea și conținutul elementelor chimice. În total, aproximativ 90 de elemente chimice sunt prezente (descoperite până în prezent) în organismele vii, care, în funcție de conținutul lor, sunt împărțite în 3 grupe principale: macronutrienti , oligoelemente Și ultramicroelemente .

Macronutrienți.

Macronutrienți sunt prezente în cantități semnificative în organismele vii, variind de la sutimi de procente până la zeci de procente. Dacă conținutul vreunuia chimicîn organism depășește 0,005% din greutatea corporală, o astfel de substanță este clasificată ca macronutrient. Ele fac parte din principalele tesuturi: sange, oase si muschi. Acestea includ, de exemplu, următoarele elemente chimice: hidrogen, oxigen, carbon, azot, fosfor, sulf, sodiu, calciu, potasiu, clor. Macronutrienții în total reprezintă aproximativ 99% din masa celulelor vii, majoritatea (98%) căzând pe hidrogen, oxigen, carbon și azot.

Tabelul de mai jos prezintă principalii macronutrienți din organism:

Toate cele patru dintre cele mai comune elemente din organismele vii (acestea sunt hidrogen, oxigen, carbon, azot, după cum am menționat mai devreme) sunt caracterizate de unul proprietate comună. Aceste elemente nu au unul sau mai mulți electroni pe orbita lor exterioară pentru a forma legături electronice stabile. Deci, atomului de hidrogen îi lipsește un electron pe orbita exterioară pentru a forma o legătură electronică stabilă, atomilor de oxigen, azot și carbon le lipsesc doi, trei și, respectiv, patru electroni. În acest sens, aceste elemente chimice se formează cu ușurință legaturi covalente datorită împerecherii electronilor și pot interacționa cu ușurință unul cu celălalt, umplându-și exteriorul învelișuri de electroni. În plus, oxigenul, carbonul și azotul pot forma nu numai legături simple, ci și duble. Ca urmare, numărul de compuși chimici care se pot forma din aceste elemente crește semnificativ.

În plus, carbonul, hidrogenul și oxigenul sunt cele mai ușoare dintre elementele capabile să formeze legături covalente. Prin urmare, s-au dovedit a fi cele mai potrivite pentru formarea compușilor care alcătuiesc materia vie. Este necesar să se noteze separat o altă proprietate importantă a atomilor de carbon - capacitatea de a forma legături covalente cu alți patru atomi de carbon simultan. Datorită acestei abilități, schelele sunt create dintr-un număr mare de diferite molecule organice.

Microelemente.

Deși conținutul oligoelemente nu depășește 0,005% pentru fiecare element individualși în total reprezintă doar aproximativ 1% din masa celulelor, oligoelemente sunt necesare pentru activitatea vitală a organismelor. În absența sau conținutul lor insuficient, pot apărea diverse boli. Multe oligoelemente fac parte din grupele non-proteice ale enzimelor și sunt necesare pentru funcția lor catalitică.
De exemplu, fierul este parte integrantă hem, care face parte din citocromi, care sunt componente ale lanțului de transport de electroni, și hemoglobina, o proteină care asigură transportul oxigenului de la plămâni la țesuturi. Deficiența de fier în corpul uman provoacă anemie. Iar lipsa iodului, care face parte din hormonul tiroidian - tiroxina, duce la apariția unor boli asociate cu insuficiența acestui hormon, precum gușa endemică sau cretinismul.

Exemple de oligoelemente sunt prezentate în tabelul de mai jos:

Ultramicroelemente.

În grup ultramicroelemente include elemente al căror conținut în organism este extrem de mic (mai puțin de 10 -12%). Acestea includ brom, aur, seleniu, argint, vanadiu și multe alte elemente. Cele mai multe dintre ele sunt, de asemenea, necesare pentru funcționarea normală a organismelor vii. De exemplu, lipsa de seleniu poate duce la cancer, iar lipsa de bor este cauza unor boli la plante. Multe elemente din acest grup, precum și oligoelemente, fac parte din enzime.

Celulă

Din punctul de vedere al conceptului de sisteme vii după A. Lehninger.

O celulă vie este un sistem izoterm de molecule organice capabil de autoreglare și auto-reproducere, extragând energie și resurse din mediu.

curge în celulă un numar mare de reacții secvențiale, a căror viteză este reglată de celula însăși.

Celula se menține într-o stare dinamică staționară departe de echilibrul cu mediul.

Celulele funcționează pe principiul consumului minim de componente și procese.

Acea. o celulă este un sistem deschis elementar, capabil de existență, reproducere și dezvoltare independentă. Este o unitate structurală și funcțională elementară a tuturor organismelor vii.

Compoziția chimică a celulelor.

Din cele 110 elemente ale sistemului periodic al lui Mendeleev, s-a descoperit că 86 sunt prezente permanent în corpul uman. 25 dintre ele sunt necesare pentru viața normală, iar 18 dintre ele sunt absolut necesare, iar 7 sunt utile. În conformitate cu procentul din celulă, elementele chimice sunt împărțite în trei grupuri:

Macronutrienti Principalele elemente (organogeni) sunt hidrogenul, carbonul, oxigenul, azotul. Concentrația lor: 98 - 99,9%. Sunt componente universale ale compușilor organici ai celulei.

Oligoelemente - sodiu, magneziu, fosfor, sulf, clor, potasiu, calciu, fier. Concentrația lor este de 0,1%.

Ultramicroelemente - bor, siliciu, vanadiu, mangan, cobalt, cupru, zinc, molibden, seleniu, iod, brom, fluor. Ele afectează metabolismul. Absența lor este cauza bolilor (zinc - Diabet, iod - gușă endemică, fier - anemie pernicioasă etc.).

Medicina modernă cunoaște faptele interacțiunii negative dintre vitamine și minerale:

Zincul reduce absorbția cuprului și concurează pentru absorbție cu fierul și calciul; (iar deficiența de zinc cauzează slăbirea sistem imunitar, o serie de afecțiuni patologice din glandele endocrine).

Calciul și fierul reduc absorbția manganului;

Vitamina E nu se combină bine cu fierul, iar vitamina C nu se combină bine cu vitaminele B.

Interacțiune pozitivă:

Vitamina E și seleniul, precum și calciul și vitamina K, acționează sinergic;

Vitamina D este esentiala pentru absorbtia calciului;

Cuprul favorizează absorbția și crește eficiența utilizării fierului în organism.

componente anorganice ale celulei.

Apă- cel mai important componentă celulele, mediul universal de dispersie al materiei vii. Celulele active ale organismelor terestre constau în 60 - 95% apă. În celulele și țesuturile în repaus (semințe, spori) apa este de 10-20%. Apa din celulă este sub două forme - liberă și asociată cu coloizi celulari. Apa liberă este solventul și mediul de dispersie al sistemului coloidal al protoplasmei. 95% ei. Apa legată (4-5%) din toată apa celulară formează legături fragile de hidrogen și hidroxil cu proteinele.

Proprietățile apei:

Apa este un solvent natural pentru ionii minerali și alte substanțe.

Apa este faza dispersată a sistemului coloidal al protoplasmei.

Apa este mediul pentru reacțiile metabolismului celular, deoarece. procesele fiziologice au loc într-un mediu exclusiv acvatic. Oferă reacții de hidroliză, hidratare, umflare.

Participă la multe reacții enzimatice ale celulei și se formează în procesul de metabolism.

Apa este sursa de ioni de hidrogen în timpul fotosintezei la plante.

Valoarea biologică a apei:

Majoritatea reacțiilor biochimice au loc numai într-o soluție apoasă; multe substanțe intră și ies din celule într-o formă dizolvată. Aceasta caracterizează funcția de transport a apei.

Apa asigură reacții de hidroliză - descompunerea proteinelor, grăsimilor, carbohidraților sub acțiunea apei.

Datorită căldurii mari de evaporare, corpul este răcit. De exemplu, transpirația la oameni sau transpirația la plante.

Capacitatea ridicată de căldură și conductibilitatea termică a apei contribuie la distribuirea uniformă a căldurii în celulă.

Datorita fortelor de aderenta (apa - sol) si de coeziune (apa - apa), apa are proprietatea de capilaritate.

Incompresibilitatea apei determină starea de stres a pereților celulari (turgor), scheletul hidrostatic la viermi rotunzi.