Властивості й характеристики елементів-органогенів

А. Оксиген

Оксиген – найпоширеніший на Землі елемент, на його частку доводиться близько 47,4 % маси твердої земної кори. Він входить до складу всіх біохімічних сполук – білків, ліпідів, вуглеводів і т.д.

Форми існування Оксигену в природі (екзогенні форми) є: молекулярний кисень (О₂), озон (О₃) і атомарний кисень (∙О∙).

Молекулярний кисень – один з найважливіших компонентів повітря й з ним звʼязані більшість життєвих процесів. Маса кисню в атмосфері становить 1,5∙10¹⁵ т. Більшість його утворюється в процесі фотосинтезу в зелених рослинах згідно схеми:

6Н₂О + 6С₂ ® С₆Н₁₂ О₆ + 6О₂.

Цей процес реалізується при поглинанні квантів світла hn молекулами хлорофілу. Установлено, що 1 га дубового лісу за рік утворює близько 830 кг кисню, березового лісу – 725 кг, соснового – 540 кг. Щорічно в атмосферу надходить 350·10⁹ т кисню, причому, приблизно половина цієї кількості виробляється фітопланктоном морів и океанів, хоча його маса на декілька порядків менше рослинної біомаси континентів.

Важливим екологічним фактором є підвищення розчинності основних компонентів повітря у воді при зменшенні температури (закон Генрі). Тому фауна водних басейнів полярних широт, яка потребує кисню для дихання, різноманітна й численна. У теплих тропічних водах концентрація розчиненого кисню нижче, тому водних тварин менше.

Кисень – газ без кольору, смаку й запаху. Розчинний у воді, причому розчиняється тем краще, чим нижче її температура.

Озон має характерний запах (запах повітря після грози).

Кисень вступає у взаємодію майже з усіма хімічними елементами й утворює з ними безліч сполук. Найпоширеніші наступні: оксиди (-О-), пероксиди (-О-О-), гідроксиди –ОН (кислоти й основи) і їх численні похідні. Сильний окиснювач – взаємодіє з усіма Ме, крім благородних, з усіма нeметалами, крім Hal. Підтримує процеси дихання, горіння, гниття.

Оксиген є життєво важливим хімічним елементом майже для всіх живих організмів. Основна функція кисню – окиснення органічних сполук з утворенням СО₂ і Н₂О. Звільнена при цьому енергія використовується для протікання життєвих процесів.

Вміст Оксигену в організмі дорослої людини становить близько 62 % від маси тіла (43 кг на 70 кг маси тіла). Число атомів у тілі людини: 1,7∙10²⁷, в одній клітці 1,7∙10¹³. Він входить до складу молекул води (55-65 % від маси тіла) і всіх компонентів організму – білків, ліпідів, вуглеводів, нуклеїнових кислот тощо.

Основний шлях надхождення О₂ в організм – через легені (дихання), де він проникає в кров, поглинається гемоглобіном і утворює оксигемоглобін, а потім із крові надходить в усі органі й тканини.

Оксиген надходить в організм також і у звʼязаному стані – у виді води та їжі. У тканинах кисень витрачається на окиснення різних речовин при цьому він відновлюється до СО₂ і Н₂О, і виводиться з організму через легені й нирки. Частина його йде на утворення нових біомолекул.

Добове надходження із продуктами харчування: 1,5 …2,5 кг, з повітрям – 500…1000 г.

Б. Гідроген

Атом Гідрогену в порівнянні з атомами інших елементів має найпростішу структуру й складається з ядра із зарядом +1 і одного електрона. Відомі три нукліди водню: протій ¹Н, дейтерій ²Н (D) і тритій ³Н (Т). Протій і дейтерій стабільні, тритій – радіоактивний (період напіврозпаду 12,5 років).

Простою сполукою Гідрогену є водень – двохатомна молекула. Він одним з найпоширеніших елементів у Всесвіті й становить близько 1 % маси земної кори (вважаючи воду й повітря). Водень утворює більше сполук, чому будь-який інший елемент.

Хімія водню проявляється головним чином у трьох електронних процесах.

1. Втрата валентного електрона. Втрата одного валентного електрона приводить до утвору іона водню Н⁺. Цей іон являє собою протон, який має здатність обурювати електронні хмари, що оточують інші атоми. Тому протон ніколи не існує як такий, він незмінно з'єднується з іншими атомами або молекулами (наприклад, з водою він утворює йон гідроксонію Н₃О⁺).

2. Придбання електрона. Атом водню може приєднувати електрон, утворюючи при цьому гідрид-іон Н^–. Такий вільний іон, імовірно, існує в гідридах (наприклад, КН, СаН₂).

3. Утворення звʼязку при виникненні спільної електронної пари. Цей звʼязок може бутинеполярним, як, наприклад, у молекулі Н₂, або полярним,наприклад, у молекулі НС1.

Гідроген входить до складу води, своєрідного життєвого середовища, між молекулами якої утворюються водневі звʼязки, що мають велике значення у структуруванні білків і нуклеїнових кислот.

У процесі подиху Гідроген утворює воду й служить, як і Оксиген, для виділення енергії, необхідної для життя.

Гідроген є одним із шести елементів-органогенів. В організмі людини втримується близько 10 % Гідрогену, який перебуває в основному в ковалентно звʼязаному стані з Карбоном, Нітрогеном, Сульфуром й іншими елементами, у вигляді йону гідроксонію Н₃О⁺, який має важливі біологічні властивості. Він бере участь у підтримці кислотно-основної рівноваги, сприяє реакції гідролізу в шлунковому соці, має бактерицидні властивості (вбиває мікроорганізми).

Дуже важливою властивістю Гідрогену є його участь в утворенні водневих звʼязків, у тому числі й специфічних водневих звʼязків між аденіном, тиміном, гуаніном і цитозином у молекулі ДНК.

Гідроген входить до складу різних органічних і неорганічних речовин, що відіграють важливу біологічну роль в організмі людини. Так, масова частка його в білках коливається від 6,5 до 7,3 %, він є основною частиною вітамінів, гормонів, ферментів, води і т.і.

Властивості пероксиду водню (H₂О₂).

Пероксид водню є безбарвною рідиною із устиною 1,47 г/см³; t_пл = 1,7 °С, t_кип = 151 °С. Пероксид водню – неміцна сполука, здатна розкладатися з вибухом на воду й кисень:

2Н₂О₂ → 2Н₂О + О₂.

У молекулі пероксиду водню Оксиген має ступінь окиснення –1 . Тому пероксид водню проявляє властивості окисника, наприклад у реакції з йодидом калію:

2KI + Н₂О₂ → I₂ + 2KOH,

й ввідновника, наприклад, при взаємодії з розчином перманганату калію в кислому середовищі:

2 KМnО₄ + 5Н₂О₂ + 3H₂SО₄ → 2MnSО₄ + 5О₂ + K₂SО₄ + 8Н₂О.

Розчин пероксиду водню (2,7-3,3 %-й) є фармакопейним препаратом. Застосовується завдяки окисній здатності й нешкідливості продукту його відновлення – води. У клітках під впливом ферментів (пероксидази, каталази) пероксид водню розщеплюється на воду й кисень. 3%-й розчин пероксиду водню застосовується як дезінфікуючий (антисептичний) і кровоспинний засіб.

В. Карбон

Карбон –2s¹,2p³-елемент, ступені окиснення від –4 (СН₄)….0, +2, +4. Унікальність властивостей його 4-валентного стану повʼязана з тим, що однакове число відданих і прийнятих електронів, число валентних комірок дорівнює числу валентних електронів. Карбон в органічних сполуках утворює гомоланцюги 4-валентного стану, з можливими трьома типами гібридизації (sp, sp², sp³). З можливим утворенням повністю делокалізованного ароматичного звʼязку.

Атоми Карбону мають здатність утворювати ланцюги типу С−С будь-якої довжини й різного ступеня розгалуженості; ці ланцюги можуть замикатися в цикли. Карбон здатний до утворення необмеженої кількості структурних просторових сполук із іншими елементами. У цей час відоме понад 5 мільйони органічних сполук і щорічно синтезується близько 250000 нових сполук.

Фізіологічна роль Карбону визначається тим, що цей елемент входить до складу всіх органічних сполук і бере участь практично у всіх біохімічних процесах в організмі. У біомолекулах він утворює полімерні ланцюги й міцно зʼєднується з Н, О, N та ін. елементами.

Загальний зміст Карбону сягає близько 21 % (15 кг на 70 кг загальної маси тіла). Він становить 2/3 маси мʼязів і 1/3 маси кісткової тканини. Виводиться з організму переважно з видихуваним повітрям (вуглекислий газ) і сечею (сечовина). В організм людини Карбон надходить із їжею ( близько 300 г у добу).

Окиснення сполук Карбону під дією кисню приводить до утворення води й вуглекислого газу; цей процес служить для організму джерелом енергії. Вуглекислий газ СО₂ утворюється в процесі обміну речовин і є стимулятором дихального центру, відіграє важливу роль у регуляції дихання й кровообігу. Асиміляція СО₂ у процесі фотосинтезу при поглинанні сонячної енергії приводить до утворення органічних речовин (у першу чергу – глюкози) і виділенню в атмосферу кисню.

У вільному виді Карбон не токсичний, але багато його сполук мають значну токсичність. СО – чадний газ, дуже отруйна сполука (смертельна доза у вдихуваному повітрі становить усього 0,2 %). Молекула його міцніше кисню й здатна звʼязуватися з гемоглобіном, що порушує доступ кисню в тканини організму.

Токсичними є карбон тетрахлорид ССl₄, карбон сульфід CS₂, солі ціанідної кислоти HCN, бензен С₆Н₆ і ряд інших. Вуглекислий газ у концентрації понад 10 % викликає ацидоз (зниження рН крові), задишку й параліч дихального центру.

Тривале вдихання камʼяновугільного пилу може привести до антракозу – захворюванню, яке супроводжується відкладанням вугільного пилу в тканині легенів і лімфатичних вузлах, склеротичними змінами легеневої тканини. Відома токсична дія вуглеводнів і інших сполук нафти.

Г. Нітроген

Основна проста речовина Нітрогену – молекулярний азот. Вміст в атмосфе-рі – 78 %, 3,9∙10¹⁵ т. Газ без кольору й запаху.

Нітроген необхідний усім живим організмам для синтезу нітрогенвмісних будівельних блоків – амінокислот, з яких утворюються при біосинтезі білки, гормони, вітаміни, та ін. Білки в перерахуванні на суху вагу становлять 44 % від маси тіла.

Вміст Нітрогену в організмі дорослої людини становить близько 3 % від маси тіла (2,1 кг на 70 кг маси тіла).

Азот надходить в організм із харчовими продуктами, до складу яких входять білки та інші нітрогенвмісні речовини. Кінцевими продуктами метаболізму цих речовин є аміак NH₃, сечовина NH₃ – СО−NH₃ й сечова кислота.

Д. Фосфор

Вміст фосфору в тілі дорослої людини близько 1% (приблизно 700 г на 70 кг маси тіла). Добова потреба людини у фосфорі становить 1,3 г.

В організмі основна кількість фосфору знаходиться в костях ( близько 85 %), багато фосфору в мʼязах і нервовій тканини. Разом з кальцієм, фтором і хлором фосфор формує зубну емаль.

Значення фосфору для організму людини величезне. Фосфор перебуває в біосередовищах у вигляді фосфат-іона, який входить до складу неорганічних компонентів і органічних біомолекул. Фосфор присутній у всіх тканинах, входить до складу білків, нуклеїнових кислот, нуклеотидів, фосфоліпідів. Сполуки фосфору АДФ і АТФ є універсальним джерелом енергії для всіх живих клітин. Значна частина енергії, що утворюється при розпаді вуглеводів і інших сполук, акумулюється в багатих енергією органічних сполуках фосфатної кислоти.

Розчинні солі фосфорної кислоти формують фосфатну буферну систему, відповідальну за сталість кислотно-лужної рівноваги внутрішньоклітинної рідини.

Фосфор відіграє важливу роль у діяльності головного мозку, серця, мʼязової тканини.

Основна функція фосфору у вигляді фосфат-іона (РO₄)^3– полягає в утворенні інформаційних (нуклеїнові кислоти), структурних (фосфоліпіди й фосфати кальцію) і энергозберігаючих (АТФ і КФ) молекул.

Е. Сульфур

Сульфур – S ( р-елемент, ступені окиснення 0, +4, +6, –1, –2, не утворює водневі звʼязки, в органічних сполуках представлений в групах R−SH (–2), R−S−S−R (–1), R−ОSО₃H (+6).

Загальна масова частка Сульфуру в організмі людини становить 0,16 %. Добова потреба дорослої людини в ньому близько 4–5 г. Сульфур, як органоген, входить до складу багатьох органічних речовин, у тому числі білків і амінокислот (цистину, цистеїну, метіоніну), гормонів (інсуліну), вітамінів (B₂), є складовою частиною сульфгідрильних груп (HS–),багато Сульфуру в кератині волос, вовни, кістках, нервовій тканині і т.д.

З біогенної точки зору головна функція Сульфуру полягає в здатності утворювати звʼязки між поліпептидними ланцюгами протеїнів. Він, як і Карбон, є структурогеном, служить «зʼєднувачем» молекул через місток −S−S− з можливістю розривати утворений звʼязок.

В організмі Сульфур окиснюється з утворенням сульфатної кислоти, яка бере участь у знешкодженні токсичних сполук, що утворюються в кишечнику з амінокислот.

4. Елементи електролітного фону

Елементами електролітного фону є Na, K, Ca, Mg. Іони цих становлять 99 % загального змісту металів в організмі. До них також відносять хлорид-іон.