Біологічна роль хімічних елементів живих організмах. Функції хімічних елементів в організмі людини
Елементний склад організму
за хімічним складомклітини різних організмів можуть помітно відрізнятись, проте складаються вони з однакових елементів. У клітинах виявлено близько 70 елементів періодичної таблиці Д.І. Менделєєва, але лише 24 з них мають важливе значенняі зустрічаються у живих організмах постійно.
Макроелементи – кисень, вуглеводень, водень, азот – входять до складу молекул органічних речовин. До макроелементів останнім часом відносять калій, натрій, кальцій, сірка, фосфор, магній, залізо, хлор. Їх вміст у клітині становить десяті та соті частки відсотка.
Магній входить до складу хлорофілу; залізо – гемоглобіну; фосфор – кісткової тканини, нуклеїнових кислот; кальцій – кісток, черепашок молюсків, сірка – до складу білків; калій, натрій та хлор-іони беруть участь у зміні потенціалу клітинної мембрани.
Мікроелементи представлені в клітці сотими та тисячними частками відсотка. Це цинк, мідь, йод, фтор, молібден, бор та ін.
Мікроелементи входять до складу ферментів, гормонів, пігментів.
Ультрамікроелементи - Елементи, вміст яких у клітині не перевищує 0,000001%. Це уран, золото, ртуть, цезій та ін.
Вода та її біологічне значення
Вода кількісно займає серед хімічних сполукперше місце у всіх клітинах. Залежно від типу клітин, їх функціонального стану, виду організму та умов його знаходження її вміст у клітинах суттєво коливається.
Клітини кісткової тканини містять не більше 20% води, жирової тканини – близько 40%, м'язові клітини – 76%, а клітини зародка – понад 90%.
Зауваження 1
У клітинах будь-якого організму з віком кількість води помітно зменшується.
Звідси – висновок, що що вище функціональна активність організму загалом і кожної клітини окремо тим більшим у яких є вміст води, і навпаки.
Примітка 2
Обов'язковою умовою життєвої активності клітин є наявність води. Вона є основною частиною цитоплазми, підтримує її структуру та стійкість колоїдів, що входять до складу цитоплазми.
Роль води у клітині визначається її хімічними та структурними властивостями. Насамперед це пов'язано з невеликим розміром молекул, їхньою полярністю та здатністю з'єднуватися за допомогою водневих зв'язків.
Водневі зв'язки утворюються за участю атомів водню, що з'єднані з електронегативним атомом (зазвичай киснем або азотом). При цьому атом Гідрогену набуває настільки великого позитивного заряду, що може утворити новий зв'язок з іншим електронегативним атомом (кисню або азоту). Також зв'язуються один з одним молекули води, у яких один кінець має позитивний заряд, а інший – негативний. Таку молекулу називають диполем. Більше електронегативний атом кисню однієї молекули води притягується до позитивно зарядженого атома водню іншої молекули з утворенням водневого зв'язку.
Завдяки тому, що молекули води полярні та здатні утворювати водневі зв'язки, вода є досконалим розчинником для полярних речовин, які називаються гідрофільними. Такими є сполуки іонного характеру, у яких заряджені частинки (іони) дисоціюють (поділяються) у воді при розчиненні речовини (солі). Таку ж здатність мають деякі неіонні сполуки, в молекулі яких знаходяться заряджені (полярні) групи (у цукрах, амінокислотах, простих спиртах це ОН-групи). Речовини, які з неполярних молекул (ліпіди), у питній воді практично нерозчинні, тобто вони гідрофоби.
При переході речовини в розчин, його структурні частинки (молекули або іони) набувають можливості рухатися вільніше, а відповідно зростає реакційна здатність речовини. Завдяки цьому вода є основним середовищем, де відбувається більшість хімічних реакцій. Крім того, всі окисно-відновні реакції та реакції гідролізу проходять за безпосередньої участі води.
Вода має найбільшу питому теплоємність серед усіх відомих речовин. Це означає, що при суттєвому збільшенні теплової енергії температура води підвищується небагато. Це зумовлено використанням значної кількості цієї енергії на розрив водневих зв'язків, що обмежують рухливість молекул води.
Завдяки великій теплоємності вода служить захистом тканин рослин і тварин від сильного і швидкого підвищення температури, а висока теплота пароутворення є основою для надійної стабілізації температури тіла організму. Необхідність значної кількості енергії для випаровування води викликана тим, що її молекулами існують водневі зв'язку. Ця енергія надходить з довкіллятому випаровування супроводжується охолодженням. Цей процес можна спостерігати під час потовиділення, у разі теплової задишки у собак, важлива вона і в процесі охолодження транспіруючих органів рослин, особливо в пустельних умовах та в умовах сухих степів та періодів посухи в інших регіонах.
Вода має також високу теплопровідність, чим забезпечується рівномірний розподіл тепла по організму. Таким чином, немає ризику виникнення локальних «гарячих точок», які можуть стати причиною пошкодження елементів клітин. Значить, висока питома теплоємністьі висока для рідини теплопровідність роблять воду ідеальним середовищем підтримки оптимального теплового режиму організму.
Для води характерний високий поверхневий натяг. Ця її властивість дуже важлива для адсорбційних процесів, Руху розчинів по тканинах (кровообіг, висхідний і низхідний рух по рослині і т.п.).
Вода використовується як джерело кисню та водню, що виділяються під час світлової фази фотосинтезу.
До важливих фізіологічних властивостей води належить її здатність розчиняти гази ($O_2$, $CO_2$ та інших.). Крім того, вода як розчинник бере участь у процесі осмосу, що відіграє важливу роль у життєдіяльності клітин та організму.
Властивості вуглеводню та його біологічна роль
Якщо не брати до уваги воду, можна сказати, що більшість молекул клітини належить до вуглеводневих, так званих органічних, сполук.
Примітка 3
Вуглеводень, маючи унікальні хімічні здібності, фундаментальні життя, становить її хімічну основу.
Завдяки невеликому розміру та наявності на зовнішньої оболонкичотирьох електронів атом вуглеводню може утворювати чотири міцні ковалентні зв'язки з іншими атомами.
Найважливіше значення має здатність атомів вуглеводню з'єднуватися один з одним, утворюючи ланцюги, кільця і, зрештою, скелет великих та складних органічних молекул.
До того ж вуглеводень легко утворює ковалентні зв'язкиз іншими біогенними елементами (зазвичай із $H, Mg, P, O, S$). Саме цим пояснюється існування астрономічної кількості різноманітних органічних сполук, які забезпечують існування живих організмів у всіх його проявах. Різноманітність їх проявляється у структурі та розмірах молекул, їх хімічні властивості, ступеня насиченості карбонового скелета та різної формимолекул, що визначається кутами внутрішньомолекулярних зв'язків
Біополімери
Це високомолекулярні (молекулярна маса 103 – 109) органічні сполуки, макромолекули яких складаються з великої кількостіланок, що повторюються, - мономерів.
До біополімерів відносяться білки, нуклеїнові кислоти, полісахариди та їх похідні (крохмаль, глікоген, целюлоза, геміцелюлоза, пектинові речовини, хітин та ін.). Мономерами для них є відповідно амінокислоти, нуклеотиди та моносахариди.
Примітка 4
Близько 90% сухої маси клітини становлять біополімери: рослин переважають полісахариди, а тварин – білки.
Приклад 1
У клітині бактерій знаходиться близько 3 тис. видів білків та 1 тис. нуклеїнових кислот, а у людини кількість білків оцінюють у 5 млн.
Біополімери не лише утворюють структурну основу живих організмів, а й у процесах життєдіяльності відіграють провідну роль.
Структурною основою біополімерів є лінійні (білки, нуклеїнові кислоти, целюлоза) або розгалужені (глікоген) ланцюги.
І нуклеїнових кислот, імунні реакції, реакції обміну речовин - і здійснюються завдяки утворенню біополімерних комплексів та іншим властивостям біополімерів.
Сьогодні виявлено та виділено у чистому вигляді багато хімічних елементівтаблиці Менделєєва, а п'ята частина зустрічається у кожному живому організмі. Вони, подібно до цеглинок, є головними складовими органічних і неорганічних речовин.
Які хімічні елементи входять до складу клітини, з біології яких речовин можна будувати висновки про їх наявності у організмі - це ми розглянемо далі у статті.
Що таке сталість хімічного складу
Для дотримання стабільності в організмі кожна клітина повинна підтримувати концентрацію кожної своєї складової постійному рівні. Цей рівень визначається видовою приналежністю, довкіллям, екологічними факторами.
Щоб відповісти на питання, які хімічні елементи входять до складу клітини, необхідно чітко розуміти, що у складі будь-якої речовини знаходяться якісь складові таблиці Менделєєва.
Часом йде мовапро сотих і тисячних частках відсотка змісту певного елемента у клітині, та заодно зміна названого числа хоча б тисячну частина може нести серйозні наслідки для організму.
Зі 118 хімічних елементів у клітині людини має бути як мінімум 24. Немає таких складових, які зустрічалися б у живому організмі, але не входили до складу неживих об'єктів природи. Цей факт підтверджує тісний зв'язок між живим та неживим в екосистемі.
Роль різних елементів, що входять до складу клітини
Тож які хімічні елементи входять до складу клітини? Їх роль у життєдіяльності організму, слід зазначити, безпосередньо залежить від частоти народження та концентрації їх у цитоплазмі. Однак, незважаючи на різний змістелементів у клітині, значимість кожного з них однаково висока. Дефіцит будь-якого з них може призвести до згубного впливу на організм, відключивши з метаболізму найважливіші біохімічні реакції.
Перераховуючи, які хімічні елементи входять до складу клітини людини, слід згадати три основні види, які ми розглянемо далі:
Основні біогенні елементи клітини
Не дивно, що елементи О, С, Н, N відносяться до біогенних, адже саме вони утворюють усі органічні та багато неорганічних речовин. Неможливо уявити білки, жири, вуглеводи або нукленова кислота без цих найважливіших для організму складових.
Функція цих елементів визначила їх високий вміст організмі. На частку в сукупності припадає 98% від усієї сухої маси тіла. У чому ще може бути активність цих ферментів?
- Кисень. Його вміст у клітині близько 62% загальної сухої маси. Функції: побудова органічних та неорганічних речовин, участь у ланцюгу дихання;
- Вуглець. Його зміст сягає 20%. Основна функція: входить до складу всіх;
- Водень. Його концентрація набуває значення 10%. Крім того, що цей елемент є складовою органічних речовин та води, він також бере участь у перетвореннях енергії;
- Азот. Кількість не перевищує 3-5%. Його основна роль – це утворення амінокислот, нуклеїнових кислот, АТФ, багатьох вітамінів, гемоглобіну, гемоціаніну, хлорофілу.
Ось які хімічні елементи входять до складу клітини та утворюють більшість необхідних для нормальної життєдіяльності речовин.
Значення макроелементів
Макроелементи допоможуть підказати, які хімічні елементи входять до складу клітини. З курсу біології стає зрозуміло, що крім основних, 2% сухої маси становлять інші складові періодичної таблиці. І до макроелементів відносяться ті з них, вміст яких не нижчий за 0,01%. Їхні основні функції представлені у вигляді таблиці.
Кальцій (Са) | Відповідає за скорочення м'язових волокон, входить до складу пектину, кісток та зубів. Підсилює згортання крові. |
|
Фосфор (Р) | Входить до складу найважливішого джерела енергії – АТФ. |
|
Бере участь у освіті дисульфідних містків при згортанні білка в третинну структуру. Входить до складу цистеїну та метіоніну, деяких вітамінів. |
||
Іони калію беруть участь у клітини, і навіть впливають потенціал мембрани. |
||
Головний аніон організму |
||
Натрій (Na) | Аналог калію, що у тих самих процесах. |
|
Магній (Mg) | Іони магнію - це регулятори процесу У центрі молекули хлорофілу також розташований атом магнію. |
|
Бере участь у транспорті електронів по ЕТЦ дихання та фотосинтезу, є структурною ланкою міоглобіну, гемоглобіну та багатьох ферментів. |
Сподіваємося, з перерахованого нескладно визначити, які хімічні елементи входять до складу клітини та належать до макроелементів.
Мікроелементи
Є й такі складові клітини, без яких організм не може нормально функціонувати, проте їх вміст завжди менший за 0,01%. Давайте визначимо, які хімічні елементи входять до складу клітини та належать до групи мікроелементів.
Входить до складу ферментів ДНК-і РНК-полімераз, а також багатьох гормонів (наприклад, інсулін). |
||
Бере участь у процесах фотосинтезу, синтезу гемоціаніну та деяких ферментів. |
||
Є структурною складовою гормонів Т3 та Т4 щитовидної залози. |
||
Марганець (Mn) | менше 0,001 | Входить до складу ферментів, кісток. Бере участь у азотфіксації у бактерій |
менше 0,001 | Впливає на зростання рослин. |
|
Входить до складу кісток та емалі зубів. |
Органічні та неорганічні речовини
Крім перелічених, які ще хімічні елементи входять до складу клітини? Відповіді можна визначити, просто вивчивши будову більшості речовин організму. Серед них виділяють молекули органічного та неорганічного походження, і кожна з цих груп має у складі фіксований набір елементів.
Основні класи органічних речовин - це білки, нуклеїнові кислоти, жири та вуглеводи. Вони повністю побудовані з основних біогенних елементів: скелет молекули завжди утворений вуглецем, а водень, кисень і азот входять до складу радикалів. У тварин домінуючим класом є білки, а рослин - полісахариди.
Неорганічні речовини – це все мінеральні солі та, звичайно ж, вода. Серед усієї неорганіки у клітині найбільше Н 2 Про, у якій розчинені інші речовини.
Все сказане вище допоможе вам визначити, які хімічні елементи входять до складу клітини, і їх функції в організмі більше не будуть для вас загадкою.
В сучасних умовахОднією з найактуальніших проблем викладання хімії стає забезпечення практичної орієнтованості предметного знання. Це означає необхідність з'ясування тісного взаємозв'язку між теоретичними положеннями, що вивчаються, і практикою життя, демонстрації прикладного характеру хімічних знань. Учні цікаво починають вивчати хімію. Щоб зберегти пізнавальний інтерес учнів, треба переконати їх у дієвості хімічних знань, сформувати особисту потреба у оволодінні навчальним матеріалом.
Мета цього уроку:розширити кругозір учнів та підвищити пізнавальний інтерес до вивчення предмета, формувати світоглядні поняття про пізнаність природи. Цей урок пропонується провести у 8 класі після вивчення хімічних елементів Періодичної системи, коли у хлопців вже є уявлення про їхнє різноманіття.
ХІД УРОКУ
Вчитель:
Іншого нічого в природі немає
Ні тут, ні там, у космічних глибинах:
Усі – від піщинок малих до планет –
Із елементів складається єдиних.
Як формула, як графік трудовий,
Строй Менделєєвської системи суворий.
Навколо тебе твориться світ живий,
Заходь у нього, вдихай, руками чіпай.
Урок починається театралізованою сценкою “Хто у таблиці всіх важливіший?” (Див. Додаток 1).
Вчитель:В організмі людини знаходяться 81 хімічний елемент із 92, що зустрічаються в природі. Людський організм – складна хімічна лабораторія. Важко уявити, що щодня наше самопочуття, настрій і навіть апетит можуть залежати від мінеральних речовин. Без них марними виявляються вітаміни, неможливі синтез та розпад білків, жирів та вуглеводів.
На столах в учнів – таблиці “Біологічна роль хімічних елементів” (див. Додаток 2). Дається час на знайомство із нею. Вчитель разом із учнями проводить аналіз таблиці, ставлячи питання.
Вчитель:Основу життя становлять шість елементів перших трьох періодів (H, C, N, Про, Р, S), частку яких припадає 98% маси живої речовини (інші елементи періодичної системи становлять не більше 2%).
Три основні ознаки біогенних елементів (H, C, N, O, P, S):
- мінімальний розмір атомів,
- невелика відносна атомна маса,
- здатність утворювати міцні ковалентні зв'язки.
Учням лунають тексти (див. Додаток 3). Завдання: уважно прочитати текст; виділити елементи, необхідні життя, і елементи, небезпечні живих організмів; знайти їх у Періодичній системі та пояснити їхню роль.
Після виконання завдання кілька учнів проводять аналіз різних текстів.
Вчитель:Елементи-аналоги в середовищі вступають у конкуренцію і можуть взаємозамінюватися в живих організмах, негативно на них впливаючи.
Заміна натрію та калію в організмах тварин та людини на літій викликає розлади нервової системи, тому що в цьому випадку клітини не проводять нервовий імпульс. Подібні порушення призводять до шизофренії.
Талій, біологічний конкурент калію, замінює його у стінках клітин, вражає центральну та периферичну нервову систему, шлунково-кишковий тракт та нирки.
Селен може замінити сірку у складі білків. Це єдиний елемент, який при високому вмісті в рослинах може спричинити раптову смерть тварин і людини, яка їх у їжу.
Кальцій при його нестачі у ґрунті замінюється в організмі на стронцій, який поступово порушує нормальну структуру скелета. Особливо небезпечною є заміна кальцію на стронцій-90, який у величезних кількостях накопичується в місцях ядерних вибухів (при випробуванні ядерної зброї) або при аваріях на АЕС. Цей радіонуклід руйнує кістковий мозок.
Кадмій конкурує із цинком. Цей елемент знижує активність травних ферментів, порушує процес утворення глікогену в печінці, викликає деформацію скелета, пригнічує ріст кісток, а також викликає тяжкі болі в попереку та м'язах ніг, крихкість кісток (наприклад, перелом ребер при кашлі). Інші негативні наслідки – рак легень та прямої кишки, порушення функції підшлункової залози. Ураження нирок, зниження вмісту у крові заліза, кальцію, фосфору. Цей елемент гальмує процеси самоочищення у водних та наземних рослинах (зазначається, наприклад, 20-30-кратне збільшення кадмію в листі тютюну).
Галогени можуть дуже легко взаємозамінюватися в організмі. Надлишок фтору у навколишньому середовищі (фторована вода, забруднення ґрунту сполуками фтору навколо підприємства з виробництва алюмінію та інші причини) перешкоджає надходженню в організм людини йоду. У зв'язку з цим виникають захворювання щитовидної залози, ендокринної системив цілому.
Повідомлення учнів, підготовлені заздалегідь.
1-й учень:
Середньовічні алхіміки вважали золото досконалістю, інші метали – помилкою в акті твори і, як відомо, прикладали великі зусилля до ліквідації цієї помилки. Ідею введення золота у медичну практику приписують Парацельсу, який проголосив, що метою хімії має бути не перетворення всіх металів на золото, а приготування ліків. Лікарські препарати із золота та його сполук намагалися застосовувати при багатьох захворюваннях. Їм лікували проказу, вовчак, туберкульоз. У людей, чутливих до золота, воно могло спричинити порушення складу крові, реакцію з боку нирок, печінки, впливати на настрій, зростання зубів, волосся. Золото забезпечує роботу нервової системи. Воно міститься у кукурудзі. А міцність кровоносних судин залежить від германію. Єдиний продукт харчування, що містить германій, – часник.
2-й учень:
В людському організміНайбільша кількість міді міститься в мозку та печінці, і одна ця обставина вказує на її важливість у життєдіяльності. Виявлено, що при болях підвищується концентрація міді у крові та спинномозковій рідині. У Сирії та Єгипті новонародженим для профілактики рахіту та епілепсії надягають мідні браслети.
3-й учень:
АЛЮМІНІЙ
Алюмінієвий посуд називають посудом бідняків, оскільки цей метал сприяє розвитку старечого атеросклерозу. При приготуванні їжі у такому посуді алюміній частково перетворюється на організм, де й накопичується.
4-й учень:
- Який елемент міститься у яблуках? (Залізо.)
- Яка його біологічна роль? (В організмі міститься 3 г заліза, з них 2 г – у крові. Залізо входить до складу гемоглобіну. Недостатній вміст заліза призводить до головного болю, швидкої стомлюваності.)
Потім учні проводять лабораторний досвід, мета якого експериментально довести дію солей деяких металів на білок. Вони змішують білок із розчинами лугу та мідного купоросу та спостерігають випадання фіолетового осаду. Роблять висновок руйнування білка.
5-й учень:
Людина – вона теж природа.
Адже він теж захід сонця і схід.
І чотири в ньому пори року.
І особливий у ньому музики хід.
І особливе таїнство кольору,
Чи то з жорстоким, чи то з добрим вогнем.
Людина – вона зима. Або літо.
Або осінь. З грозою та дощем.Все вмістив у собі – версти та час.
І від атомних бур він осліп.
Людина – вона і ґрунт, і насіння.
І бур'ян серед поля. І хліб.І яка в ньому блимає погода?
Скільки у ньому самотності? Зустріч?
Людина – адже вона теж природа…
Тож давайте природу берегти!
(С. Острова)
Для закріплення отриманих під час уроку знань проводиться тест “Посмішка” (див. Додаток 4).
Далі пропонується заповнити кросворд "Хімічний калейдоскоп" (див. Додаток 5).
Вчитель підбиває підсумок уроку, відзначаючи найактивніших учнів.
6-й учень:
Зміна, зміна!
Заливається дзвінок.
Нарешті він закінчений,
Набридливий урок!Смикнувши сірку за кіску,
Повз магній пробіг.
Йод із класу випарувався,
Начебто зовсім не бував.Фтор випадково підпалив воду,
Хлор чужу книжку з'їв.
Вуглець раптом із воднем
Невидимкою стати встиг.Калій, бром у кутку б'ються:
Чи не поділять електрон.
Кисень – пустун на борі
Повз проскакав верхи.
Використовувана література:
- О.В. БайдалінаПро прикладний аспект хімічних знань. "Хімія в школі" № 5, 2005 р.
- Хімія та екологія у шкільному курсі. "Перше вересня" № 14, 2005 р.
- І. Н. Піменова, А. В. Піменов“Лекції з загальної біології”, навчальний посібник, Саратов, ВАТ Видавництво “Ліцей”, 2003р.
- Про хімію у віршах, Хто у таблиці найголовніший? "Перше вересня", № 15, 2005 р.
- Метали в організмі людини. "Хімія в школі", № 6, 2005 р.
- Кросворд "Хімічний калейдоскоп". "Перше вересня", №1 4, 2005 р.
- "Я йду на урок хімії". Книжка для вчителя. М. "Перше вересня", 2002, стор 12.
Біологічна роль хімічних елементів у живих організмах
1. Макро та мікроелементи в середовищі та організмі людини
Біологічна роль хімічних елементів у людини надзвичайно різноманітна.
Головна функція макроелементів полягає у побудові тканин, підтримці сталості осмотичного тиску, іонного та кислотно-основного складу.
Мікроелементи, входячи до складу ферментів, гормонів, вітамінів, біологічно активних речовин як комплексоутворювачі або активатори, беруть участь в обміні речовин, процесах розмноження, тканинному диханні, знешкодженні токсичних речовин. Мікроелементи активно впливають на процеси кровотворення, окислення – відновлення, проникність судин та тканин. Макро- та мікроелементи - кальцій, фосфор, фтор, йод, алюміній, кремній визначають формування кісткової та зубної тканин.
Є дані, що деякі елементи в організмі людини змінюється з віком. Так, вміст кадмію в нирках та молібдену в печінці до старості підвищується. Максимальний вміст цинку спостерігається в період статевого дозрівання, потім воно знижується і на старості доходить до мінімуму. Зменшується з віком та вміст інших мікроелементів, наприклад ванадію та хрому.
Виявлено чимало захворювань, пов'язаних із нестачею чи надмірним накопиченням різних мікроелементів. Дефіцит фтору викликає карієс зубів, дефіцит йоду – ендемічний зоб, надлишок молібдену – ендемічну подагру. Такі закономірності пов'язані з тим, що у людини підтримується баланс оптимальних концентрацій біогенних елементів - хімічний гомеостаз. Порушення цього балансу внаслідок нестачі або надлишку елемента може призводити до різних захворювань.
Крім шести основних макроелементів - органогенів - вуглецю, водню, азоту, кисню, сірки та фосфору, з яких складаються вуглеводи, жири, білки та нуклеїнові кислоти, для нормального харчування людини та тварин необхідні "неорганічні" макроелементи - кальцій, хлор, магній, калій, натрій – та мікроелементи – мідь, фтор, йод, залізо, молібден, цинк, а також, можливо (для тварин доведено), селен, миш'як, хром, нікель, кремній, олово, ванадій.
Нестача в харчовому раціоні таких елементів, як залізо, мідь, фтор, цинк, йод, кальцій, фосфор, магній та інших, призводить до серйозних наслідківздоров'я людини.
Проте пам'ятаймо, що з організму шкідливий як недолік, а й надлишок біогенних елементів, оскільки у своїй порушується хімічний гомеостаз. Наприклад, при надходженні надлишку марганцю з їжею в плазмі підвищується рівень міді (синергізм Мn і Сu), а нирках він знижується (антагонізм). Підвищення вмісту молібдену у продуктах харчування призводить до збільшення кількості міді у печінці. Надлишок цинку в їжі викликає пригнічення активності залізовмісних ферментів (антагонізм Zn та Fe).
Мінеральні компоненти, які у мізерно малих кількостях є життєво необхідними, за більш високих концентраціях стають токсичними.
Ряд елементів (срібло, ртуть, свинець, кадмій та інших.) вважаються токсичними, оскільки потрапляння в організм вже у мікрокількостях призводить до важким патологічним явищам. Хімічний механізмтоксичної дії деяких мікроелементів буде розглянуто нижче.
Біогенні елементи знайшли широке застосування сільському господарстві. Додавання в ґрунт незначних кількостей мікро елементів – бору, міді, марганцю, цинку, кобальту, молібдену – різко підвищує врожайність багатьох культур. Виявляється, що мікроелементи, збільшивши активність ферментів у рослинах, сприяють синтезу білків, вітамінів, нуклеїнових кислот, цукрів та крохмалю. Деякі з хімічних елементів позитивно діють на фотосинтез, прискорюють ріст та розвиток рослин, дозрівання насіння. Мікроелементи додають у корм тваринам, щоб підвищити їхню продуктивність.
Широко використовують різні елементи та їх сполуки як лікарські засоби.
Таким чином, вивчення біологічної ролі хімічних елементів, з'ясування взаємозв'язку обміну цих елементів та інших біологічно активних речовин - ферментів, гормонів, вітамінів сприяє створенню нових лікарських препаратів та розробці оптимальних режимівїх дозування як із лікувальною, так і з профілактичною метою.
Основою вивчення властивостей елементів і, зокрема, їх біологічної ролі є періодичний законД.І. Менделєєва. Фізико-хімічні властивості, а, отже, їх фізіологічна та патологічна роль, визначаються положенням цих елементів у періодичної системиД.І. Менделєєва.
Як правило, зі збільшенням заряду ядра атомів збільшується токсичність елементів цієї групи та зменшується їх вміст у організмі. Зменшення вмісту, зрозуміло, пов'язано з тим, що багато елементів довгих періодів через великі атомні та іонні радіуси, високий заряд ядра, складність електронних конфігурацій, малу розчинність сполук погано засвоюються живими організмами. В організмі значних кількостях містяться легкі елементи.
До макроелементів відносяться s-елементи першого (водень), третього (натрій, магній) та четвертого (калій, кальцій) періодів, а також р-елементи другого (вуглець, азот, кисень) та третього (фосфор, сірка, хлор) періодів. Усі вони життєво потрібні. Більшість інших s- та р-елементів перших трьох періодів (Li, В, Al, F) фізіологічно активні, s- та р-елементи великих періодів (n>4) рідко виступають як незамінні. Виняток становлять s-елементи – калій, кальцій, йод. До фізіологічно активних відносять деякі s- та р-елементи четвертого та п'ятого періодів – стронцій, миш'як, селен, бром.
Серед d-елементів життєво необхідні переважно елементи четвертого періоду: марганець, залізо, цинк, мідь, кобальт. Останнім часом встановлено, що безсумнівна фізіологічна роль деяких інших d-елементів цього періоду: титану, хрому, ванадію.
d-Елементи, п'ятого та шостого періодів, за винятком молібдену, не виявляють вираженої позитивної фізіологічної активності. Молібден входить до складу низки окислювально-відновних ферментів (наприклад, ксантиноксида-, альдегідоксидази) і грає велику роль у протіканні біохімічних процесів.
2. Загальні аспекти токсичності важких металів для живих організмів
Всебічне вивчення проблем, пов'язаних з оцінкою стану природного середовища, показує, що дуже важко провести чіткий кордон між природними та антропогенними факторами зміни екологічних систем. Останні десятиліття переконали нас у цьому. що вплив людини на природу завдає їй не тільки безпосередніх збитків, що легко визначаються, але й викликає ряд нових, часто прихованих процесів, що трансформують іди руйнують навколишнє середовище. Природні та антропогенні процеси в біосфері перебувають у складному взаємозв'язку та взаємозалежності. Так, на перебіг хімічних перетворень, що призводять до утворення токсичних речовин, впливають клімат, стан ґрунтового покриву, вода, повітря, рівень радіоактивності тощо. В умовах, що склалися при вивченні процесів хімічного забруднення екосистем виникає проблема знаходження природних, обумовлених в основному природними факторами, рівнів вмісту тих чи інших хімічних елементів чи сполук. Вирішення цієї проблеми можливе тільки на основі проведення тривалих систематичних спостережень за станом компонентів біосфери, за вмістом у них різних речовин, тобто на основі проведення екологічного моніторингу.
Забруднення навколишнього середовища важкими металами має пряме відношення до еколого-аналітичного моніторингу супертоксикантів, оскільки багато з них виявляють високу токсичність вже у слідових кількостях та здатні концентруватися в живих організмах.
Основні джерела забруднення природного середовища важкими металами можна поділити на природні (природні) та штучні (антропогенні). До природних відносять виверження вулканів, курні бурі, лісові та степові пожежі, морські солі, підняті вітром, рослинність та ін. Природні джерела забруднення носять або систематичний рівномірний, або короткочасний стихійний характер і, як правило, мало впливають на загальний рівеньзабруднення. Головними та найнебезпечнішими джерелами забруднення природи важкими металами є антропогенні.
У процесі вивчення хімії металів та його біохімічних циклів у біосфері виявляється двоїста роль, що вони грають у фізіології: з одного боку, більшість металів є необхідні нормального перебігу життя; з іншого, при підвищених концентраціях вони виявляють високу токсичність, тобто надають шкідливий впливна стан та активність живих організмів. Кордон між необхідними та токсичними концентраціями елементів дуже розпливчаста, що ускладнює проведення достовірної оцінки їхнього впливу на навколишнє середовище. Кількість, у якому деякі метали стають справді небезпечними, залежить тільки від ступеня забруднення ними екосистем, але й від хімічних особливостей їх біохімічного циклу. У табл. 1 представлені ряди молярної токсичності металів для різних видівживих організмів.
Таблиця 1. Представницька послідовність молярної токсичності металів
ОрганізмиРяди токсичностіВодоросліНg>Сu>Сd>Fе>Сr>Zn>Со>МnГрибкиАg>Нg>Сu>Сd>Сr>Ni>Рb>Со>Zn>FеКвітучі рослиниHg>Рb>Сu>Сd>Сr>Ni>ZnКільчасті >Zn > Рb> СdРибиАg>Нg>Сu>Рb>Сd>Al> Zn> Ni> Сr >Со >Mn>>SrСмолекопитающиеАg, Нg, Сd> Сu, Рb, Sn, Be>> Mn, Zn, Ni, Fe , Сr >> Sr >Сs, Li, Al
Для кожного виду організму порядок розташування металів у рядах таблиці ліворуч відбиває збільшення молярної кількості металу, необхідного для прояву ефекту токсичності. Мінімальна молярна величина відноситься до металу з найбільшою токсичністю.
В.В. Ковальський, виходячи із значущості для життєдіяльності, підрозділив хімічні елементи на три групи:
Життєво необхідні (незамінні) елементи, що постійно містяться в організмі (входять до складу ферментів, гормонів та вітамінів): Н, О, Са, N, К, Р, Nа, S, Mg, Cl, С, I, Мn, Сu, З, Fe, Мо, V. Їх дефіцит призводить до порушення нормальної життєдіяльності людини та тварин.
Таблиця 2. Характеристика деяких металоферментів – біонеорганічних комплексів
МеталоферментЦентральний атомЛігандне оточенняОб'єкт концентраціїДія ферментуКарбоангідразаZn (II)Амінокислотні залишкиЕритроцитиКаталізує оборотну гідратацію вуглекислого газу: СО 2+Н 2О↔Н 2СО 3↔Н ++НСО 3Карбоскіпептидаза Zn (II) Амінокислотні залишки Підшлункова залоза, печінка, кишечник Каталізує перетравлення білків, бере участь у гідролізі пептидного зв'язку: R 1CO-NH-R 2+H 2O↔R 1-COOH+R 2NH 2КаталазаFe (III)Амінокислотні залишки, гістидин, тирозинКровьКаталізує реакцію розкладання пероксиду водню: 2Н 2Про 2= 2Н 2О+О 2Пероксидаза Fe (III) Білки Тканина, кров Окислення субстратів (RH 2) пероксиду водню: RH 2+ H 2O 2= R + 2H 2OОксиредуктазаCu (II)Амінокислотні залишкиСерце, печінка, ниркиКаталізує окислення за допомогою молекулярного кисню: 2H 2R+O 2= 2R + 2H 2OПіруваткарбоксилазаMn (II)Білки тканинПечень, щитовидна залоза Підсилює дії гормонів. Каталізує процес карбоксилювання піровиноградною кислотоюАльдегідоксидазаMo(VI)Білки тканинПеченьБере участь в окисленні альдегідівРібонуклеотидредуктазаCo(II)Білки тканинПеченьБере участь у біосинтезі рибонуклеїнових кислот Так, у відповідь на дію токсичних іонів свинцю, ртуті, кадмію та ін. Високий зміст та певне розташуваннясульфгідрильних SH-груп забезпечують можливість міцного зв'язування іонів металів. Механізми токсичності металів загалом добре відомі, проте дуже складно знайти для якогось конкретного металу. Один з таких механізмів - концентрація між необхідними та токсичними металами за володіння місцями зв'язування в білках, тому що іони металів стабілізують та активують багато білків, входячи до складу багатьох ферментних систем. Крім того, багато білкових макромолекул мають вільні сульфгідрильні групи, здатні вступати у взаємодію з іонами токсичних металів, таких як кадмій, свинець і ртуть, що призводить до виникнення токсичних ефектів. Проте точно не встановлено, які саме макромолекули при цьому завдають шкоди живому організму. Прояв токсичності іонів металів у різних органахі тканинах не завжди пов'язане з рівнем їх накопичення - немає гарантії в тому, що найбільша шкода має місце в тій частині організму, де концентрація даного металу вища. Так іони свинцю (II), будучи більш ніж 90% від загальної кількості організмі іммобілізованими в кістках, виявляють токсичність з допомогою 10%, розподілених у інших тканинах організму. Іммобілізацію іонів свинцю в кістках можна як процес детоксикації. Токсичність іона металу зазвичай пов'язані з його необхідністю для організму. Однак для токсичності та необхідності є одна спільна риса: як правило, існує взаємозв'язок іонів металів один від одного, так само, як і між іонами металів і неметалів, у загальному вкладі в ефективність їх дії. Так, наприклад, токсичність кадмію проявляється яскравіше в системі з недостатністю цинку, а токсичність свинцю погіршується недостатністю кальцію. Подібним чином адсорбцію заліза з овочевої їжі пригнічують присутні у ній комплексоутворюючі ліганди, а надлишок іонів цинку може інгібувати адсорбцію міді тощо. Визначення механізмів токсичності іонів металів часто ускладнюється існуванням різних шляхів їхнього проникнення в живий організм. Метали можуть потрапляти з їжею, водою, вбиратися через шкіру, проникати шляхом інгаляції та ін. Поглинання з пилом – ось Головний шляхпроникнення при промисловому забрудненні. В результаті вдихання більшість металів осідає в легенях і лише потім поширюється на інші органи. Але найпоширеніший шлях надходження токсичних металів в організм - прийом із їжею та водою. бібліографічний список 1. Карапетьянц М.Х., Дракін С.І. Загальна та неорганічна хімія. - М: Хімія, 1993. - 590 с. Ахметов Н.С. Загальна та неорганічна хімія. Підручник для вишів. - М: Вища. шк., 2001. – 679 с. Дроздов Д.А, Зломанів В.П., Мазо Г.М., Спірідонов Ф.М. Неорганічна хімія. У трьох томах. Т. Хімія неперехідних елементів. / За ред. Ю.Д. Третьякова - М: Изд. "Академія", 2004, 368с. 5. Тамм І.Є., Третьяков Ю.Д. Неорганічна хімія: У трьох томах, Т.1. Фізико-хімічні основинеорганічної хімії. Підручник для студентів ВНЗ / За ред. Ю.Д. Третьякова. - М: Вид. "Академія", 2004, 240с. Коржуков Н.Г. Загальна та неорганічна хімія. Навч. Посібник. / За ред В.І. Деляна-М: Вид. МІСІС: ІНФРА-М, 2004, 512с. Єршов Ю.А., Попков В.А., Берлянд А.С., Книжник А.З. Загальна хімія. Біофізична хімія. Хімія біогенних елементів. Підручник для вузів. / За ред. Ю.А. Єршова. 3-тє вид., - М.: Інтеграл-Прес, 2007. - 728 с. Глінка Н.Л. Загальна хімія. Навчальний посібникдля ВНЗ. Вид. 30-те виправлене. / За ред. А.І. Єрмакова. - М: Інтеграл-Прес, 2007, - 728 с. Чорних, М.М. Овчаренко. Тяжкі метали та радіонукліди в біогеоцинозах. - М: Агроконсалт, 2004. Н.В. Гусакова. Хімія довкілля. – Ростов-на-Дону, Фенікс, 2004. Балецька Л.Г. Неорганічна хімія. – Ростов-на-Дону, Фенікс, 2005. М. Хенце, П. Армоес, Й. Лякурянсен, Е. Арван. Очищення стічних вод. - М: Світ, 2006. Коровін Н.В. Загальна хімія. - М: Вища. шк., 1998. – 558 с. Петрова В.В. та ін Огляд властивостей хімічних елементів та їх сполук. Навчальний посібник з курсу Хімія у мікроелектроніці. - М: Вид-во МІЕТ, 1993. - 108 с. Харін А.М., Катаєва Н.А., Харіна Л.Т. Курс хімії. - М: Вища. шк., 1983. – 511 с.
- перетворення печінкою та нирками на менш токсичну форму.
>> Хімія: Хімічні елементи у клітинах живих організмів
У складі речовин, що утворюють клітини всіх живих організмів (людини, тварин, рослин), виявлено понад 70 елементів. Ці елементи прийнято ділити на дві групи: макроелементи та мікроелементи.
Макроелементи містяться в клітинах великих кількостях. Насамперед, це вуглець, кисень, азот та водень. У сумі вони становлять майже 98% від усього вмісту клітини. Крім названих елементів до макроелементів відносять також магній, калій, кальцій, натрій, фосфор, сірку та хлор. Сумарний їхній вміст 1,9%. Отже, частку інших хімічних елементів припадає близько 0,1%. Це мікроелементи. До них відносять залізо, цинк, марганець, бор, мідь, йод, кобальт, бром, фтор, алюміній та ін.
У молоці ссавців виявлено 23 мікроелементи: літій, рубідій, мідь, срібло, барій, стронцій, титан, миш'як, ванадій, хром, молібден, йод, фтор, марганець, залізо, кобальт, нікель та ін.
До складу крові ссавців входить 24 мікроелементи, а до складу головного мозку людини – 18 мікроелементів.
Як можна помітити, у клітці немає будь-яких особливих елементів, характерних лише живої природи, тобто. атомному рівнівідмінностей між живою та неживою природою немає. Ці відмінності виявляються лише на рівні складних речовин- на молекулярному рівні. Так, поряд з неорганічними речовинами(водою та мінеральними солями) клітини живих організмів містять речовини, характерні тільки для них, - органічні речовини (білки, жири, вуглеводи, нуклеїнові кислоти, вітаміни, гормони та ін.). Ці речовини побудовані переважно з вуглецю, водню, кисню та азоту, т. е. з макроелементів. Мікроелементи містяться у цих речовинах у незначних кількостях, проте їх роль нормальної життєдіяльності організмів величезна. Наприклад, з'єднання бору, марганцю, цинку, кобальту різко збільшують урожайність окремих сільськогосподарських рослин і підвищують їх опірність до різноманітних захворювань.
Людина і тварини отримують необхідні їм для нормальної життєдіяльності мікроелементи через рослини, якими харчуються. Якщо їжі не вистачає марганцю, то можлива затримка зростання, уповільнення настання статевої зрілості, порушення обміну речовин при формуванні скелета. Добавка часток міліграма солей марганцю до добовому раціонутварин усуває ці захворювання.
Кобальт входить до складу вітаміну В12, який відповідає за роботу кровотворних органів. Нестача кобальту в їжі часто викликає серйозне захворювання, що призводить до виснаження організму і навіть загибелі.
Значення мікроелементів для людини вперше було виявлено щодо такого захворювання, як ендемічний зоб, яке викликалося недоліком йоду в їжі та воді. Прийом солі, що містить йод, призводить до одужання, а добавка його до їжі в малих кількостях запобігає захворюванню. З цією метою проводять йодування харчової кухонної солі, в яку додають 0,001-0,01% йодиду калію.
До складу більшості біологічних каталізаторів-ферментів входять цинк, молібден та деякі інші метали. Ці елементи, які у клітинах живих організмів у дуже малих кількостях, забезпечують нормальну роботу найтонших біохімічних механізмів, є справжніми регуляторами процесів життєдіяльності.
Багато мікроелементів містяться у вітамінах - органічних речовинах різної хімічної природи, що надходять в організм з їжею в малих дозах і мають великий вплив на обмін речовин і загальну життєдіяльність організму. За своєю біологічною дією вони близькі до ферментів, але ферменти утворюються клітинами організму, а вітаміни зазвичай надходять із їжею. Джерелами вітамінів служать рослини: цитрусові, шипшина, петрушка, цибуля, часник та багато інших. Деякі вітаміни – А, В1, В2, К – отримують синтетичним шляхом. Свою назву вітаміни отримали від двох слів: віта – життя та амін – містить азот.
Мікроелементи входять також до складу гормонів - біологічно активних речовин, що регулюють роботу органів та систем органів людини та тварин. Назву свою вони беруть від грецького словахармао – перемагаю. Гормони виробляються залозами внутрішньої секреції і надходять у кров, яка розносить їх у всьому організмі. Деякі гормони одержують синтетичним шляхом.
1. Макроелементи та мікроелементи.
2. Роль мікроелементів у життєдіяльності рослин, тварин та людини.
3. Органічні речовини: білки, жири, вуглеводи.
4. Ферменти.
5. Вітаміни.
6. Гормони.
На якому рівні форм існування хімічного елемента починається різницю між живою і неживою природою?
Чому окремі макроелементи називають також біогенними? Перерахуйте їх.
Зміст уроку конспект урокуопорний каркас презентація уроку акселеративні методи інтерактивні технології Практика завдання та вправи самоперевірка практикуми, тренінги, кейси, квести домашні завдання дискусійні питання риторичні питання від учнів Ілюстрації аудіо-, відеокліпи та мультимедіафотографії, картинки графіки, таблиці, схеми гумор, анекдоти, приколи, комікси притчі, приказки, кросворди, цитати Доповнення рефератистатті фішки для допитливих шпаргалки підручники основні та додаткові словник термінів інші Вдосконалення підручників та уроківвиправлення помилок у підручникуоновлення фрагмента у підручнику елементи новаторства на уроці заміна застарілих знань новими Тільки для вчителів ідеальні уроки календарний планна рік методичні рекомендаціїпрограми обговорення Інтегровані урокиРекомендуємо також
Loading...