Роль и функции отдельных химических элементов.

Кислород, углерод, водород – входят в состав воды и биологических веществ, из которых образуется клетка (белки, углеводы, жиры).

Кислород.Молекулярный кислород является акцептором электронов на кислородном этапе диссимиляции. В растительный организм кислород поступает из окружающей среды как в виде свободного кислорода 0_2, так и в составе углекислого газа СО_2.Свободный кислород образуется как побочный продукт, в процессе фотосинтеза, за счёт фотолиза воды в световую фазу фотосинтеза, как у водных, так и наземных зелёных растений. В животный организм кислород поступает в виде свободного 0_2.

Углерод –образует скелет всех органических молекул. В растения он поступает из воздуха в виде СО_2. В процессе фотосинтеза из углекислого газа и воды образуется глюкоза, из которой затем в ходе метаболических реакций образуются все разнообразные органические веществ расте6ния. В организм животных углерод поступает с пищей в виде уже готовых, сложных органических соединений. Углерод в виде неорганических – различных карбонатов входит в состав раковин моллюсков, коралловых полипов, покровов (раковин – раковинных корненожек) тела простейших, из которых образуются осадочные породы – известняки, мел. У млекопитающих бикарбонатная буферная система участвует в поддержании постоянного значения рН внеклеточной среды. В процессе клеточного обмена органические вещества окисляются, образуя СО₂ и воду.

Водород .Создаёт протонный потенциал в световой фазе фотосинтеза и на этапах аэробной диссимиляции. За счёт энергии движения протонов водорода Н⁺ по протонному каналу происходит синтез АТФ, как в митохондриях, так и пластидах.

Водород очень активен, поэтому присоединяется к динуклеотидам НАД⁺ и НАДФ⁺, образуя восстановленные формы НАДН₂ и НАДФН_2.

Азот– единственный химический элемент, который входит в состав всех

аминокислот, белков, нуклеиновых кислот, АТФ, пигментов: зелёного хлорофилла, красных - гемоглобины – железосодержащие протеиды эритроцитов крови, обратимо связывающие молекулярный кислород.

Витаминов: В_{1 тиамина,} В_{2 рибофлавина,} В_{6 пиридоксина,} В_{12 кобаламина,} РР _{никотинамина,} фоливой кислоты.

Азот может фиксироваться из атмосферы азотфиксирующими бактериями (симбиотическими – азотфиксаторами – клубеньковые бактерии, свободноживущими азотфиксирующими бактериями – азотобактер, цианобактериями, азоспириллами), а затем в виде анионов - N0_2, N0₃ и катиона NH₄ поглощаются растениями.

Впоследствии аминогруппы NH₂ вовлекаются в аминокислотный синтез. В организм животных азот поступает в химически связанном состоянии в виде белков, аминокислот, и других азотсодержащих компонентов растительного и животного происхождения, входящие в состав кормов и пищи. Значительная часть азотистых веществ пищи остаётся в организме, идёт на построение клеток, тканей, органов, а часть в виде продуктов обмена – аммиака, мочевины, мочевой кислоты, выводятся из организма.

Фосфор – больше всего его содержится в растениях, входит в состав:

· АМФ, АДФ, АТФ, нуклеотидов, коферментов НАД, НАДФ, фосфолипидов мембранных структур, фосфорилированных сахаров.

· Метаболизм фосфора осуществляется в виде остатков ортофосфорной кислоты РО_4, присоединение которых к органическим веществам образует макроэнергетическую связь.

· Фосфор так же может содержаться в минеральной форме в виде растворимых фосфатов клеточного сока,

· Входит в состав фосфатов костной ткани, зубной эмали.

· Хитинового покрова членистоногих

· Обеспечивает отложение кальция в костях

· Образует фосфатную клеточную буферную систему, поддерживает рН 6,9

Калий – содержится в клетках в виде ионов, причём калия больше внутри клетки, чем снаружи.

· Благодаря калию цитоплазма имеет определённые коллоидные свойства,

· активирует ферменты белкового синтеза,

· обуславливает нормальный ритм сердечной деятельности,

· участвует в генерации биоэлектрических потенциалов (проведении нервного импульса).

· участвует в процессах фотосинтеза

· входит в состав ферментов, участвующих в гликолизе

· регулирует открывание и закрывание устьиц у растительных клеток

· способствует осуществлению процессов раздражимости,

· обычный компонент вакуолярного сока растений.

· Внутри клеток по сравнению с окружающей средой поддерживается высокая концентрация ионов калия, а концентрация ионов натрия – минимальна. А снаружи клеток больше натрия, а калия меньше.

Пока клетка жива, различие в концентрации ионов между клеткой и средой стойко поддерживается работой ионных насосов. После отмирания клетки или повреждения её мембранных структур градиент химических элементов по обе стороны мембраны быстро выравнивается Na = Na К = К

Сера– участвует в построении:

· серосодержащих аминокислот (цистеина, цистиина, метионина),

· входит в состав витамина В_1, биотина – витамина Н, гормона инсулина_.

· участвует в образовании внутримолекулярных связей (дисульфидные мостики S – S, поддерживающие третичную структуру белка)

· входит в состав кофермента А (ацетил-КоА)

· соединения серы имеют большое значение для хемосинтезирующих и фотосинтезирующих бактерий, входит в состав бактериохлорофилла,

· сероводород Н₂S является источником водорода, окислительно-востановительные реакции соединений серы является источником энергии в хемосинтезе.

· является фактором минерального питания растений.

· соединения серы образуются в печени как продукты обеззараживания ядовитых веществ.

Кальций – в ионном состоянии является антагонистом калия.

· Входит в состав мембранных структур, в виде солей пектиновых веществ, образующих межклеточное вещество – «цемент», соединяющее клетки растений.

· В растительных клетках содержится в виде кристаллов оксалата кальция.

· В организме животных играет важную роль в процессах образования желчи,

· Повышает рефлекторную возбудимость спинного мозга и центра слюноотделения.

· Принимает участие в синоптической передачи нервных импульсов.

· Участвует в регуляции избирательной проницаемости клеточной мембраны

· Необходим для свёртывания крови

· Необходим в молекулярных механизмах мышечного сокращения,

· Для соединений ДНК с белками.

· Много кальция в костях (в виде фосфорно - и углекислых солей) придаёт прочность костям,

· Участвует в образовании желчи

· Содержится в оболочках многих водорослей, раковинах моллюсков, коралловых полипах

· Избыток кальция в крови переходит в кости и выделяется почками. При гипокальциемии, усиливается резорбция кальция из кости и уменьшается выделение его почками.

Хлор– Среди галогенов только хлор и йод встречаются в относительно больших количествах. Хлор находится в ионизированной форме в виде аниона солей натрия, калия, кальция, магния, марганца. Анионы хлора вместе ионами натрия играют важную роль:

· В формировании осмотического потенциала (тургорного давления) плазмы крови, тканевой жидкости, лимфы.

· Входит в состав соляной кислоты – компонента желудочного сока.

· Обеспечивает часть процессов возбуждения и торможения в ЦНС.

· Анионы хлора играют важную роль в связывании гемоглобином кислорода.

· Поддерживает электронейтральность клеток

Магний – находится в клетках в определённом соотношении с кальцием.

· Содержится главным образом в мышцах, костях и нервах человека и животных входит в состав ферментов, необходимых для функционирования этих тканей. Способствует поддержанию в норме электрического баланса, а также обеспечивает протекание обменных реакций, в результате которых организм снабжается энергией.

· входит в состав молекулы хлорофилла, участвует в фотосинтезе,

· активирует энергетический обмен и синтез ДНК

· наряду с кальцием образует соли с пектиновыми веществами

Дефицит магния встречается крайне редко, однако умеренный недостаток этого минерального вещества является довольно широко распространённым. Недостаток магния в рационе приводит к повышенной утомляемости и развитию депрессий.

Натрий – как и калий, содержится в виде ионов. Натрия значительно больше во внеклеточной среде, чем в клетке. Он не образует составных комплексов с составными частями клеток.

Хлористый натрий составляет значительную часть минеральных веществ крови и благодаря этому играет роль:

· в регуляции водного обмена организма

· при обильном потоотделении организм теряет значительное количество хлористого натрия, что снижает его работоспособность

· ионы натрия с другими ионами поддерживают осмотический потенциал клеток, что, например, у растений способствует поглощению воды из почвы

· ионы натрия обеспечивают поляризации клеточных мембран,

· способствует осуществлению процессов раздражимости,

· поддерживает с калием и кальцием нормальный ритм сердечной деятельности.

· участвует совместно с анионами органических кислот в поддержании кислотно-щелочного равновесия

· является основным элементом буферной системы тканей и жидкостей организма.

· влияет на синтез гормонов.

В растительных организмах роль натрия не столь разнообразна.

Железо – составная часть:

· хромопротеидов - дыхательных пигментов:

· гемоглобинов – железосодержащих белков эритроцитов крови – переносят кислород.

· миоглобина – сложный белок мышечных тканей, связывающий переносимый гемоглобином от лёгких молекулярный кислород и передающий его окислительным системам клеток. Миоглобин в больших количествах содержится в мышцах морских млекопитающих – дельфинов, тюленей, длительно находящихся под водой.

· Железо (катализатор) участвует в биосинтезе хлорофилла, поэтому при недостатке железа в почве у растений развивается – хлороз - листья теряют зелёную окраску.

· Основная физиологическая роль железа – участие в процессах дыхания, фотосинтеза путём переноса электронов, входит в составе окислительных ферментов: цитохромов, каталазы, пероксидазы, ферродоксина.

· Запас железа в организме человека и животных сохраняется в железосодержащем белке

ф е р р е т и н е, содержащимся в печени и селезёнке.

Суточная потребность организма в железе приходится на юность и зрелые годы. Обычно организм усваивает 10% железа, поступающего в него с пищей. Повышает усвоение железа витамин С.

На 2/3 снижает усвоение железа танин, содержащийся в чае, для поднятия уровня железа чай можно пить через 2 часа после приёма пищи.

Дефицит железа сопровождается воспалениями и изъязвлениями в полости рта, появляются трещины в углах рта, чрезмерно выпадают волосы, особенно у женщин, повышается ломкость костей, ухудшается аппетит и появляется у детей желание есть глину, затрудняется глотание пищи, повышается желание есть мороженое или пить охлаждённые напитки, понижается сопротивляемость инфекциям, снижается внимание, повышенная утомляемость, ухудшается школьниками усвоение учебного материала.

Йод – йод встречается у животных и растений в составе органических соединений – производных – тирозина. Основное количество йода содержится в щитовидной железе, в составе её гормона

т и р о к с и н а, регулирующего интенсивность обмена веществ всего организма, его рост, развитие. Недостаточное количество йода в пищевых продуктах, воде (особенно в горных местностях – эндемичных-местных районах) вызывает нарушение функций этой железы, что сопровождается разрастанием соединительной ткани железы и развитием заболевания – эндемический зоб.

Бром – поступает в организм с растительными продуктами, а также с кухонной солью.

· Много брома содержится в гипофизе (центральная эндокринная железа).

· Соли брома используют с лечебной целью, как успокаивающие.

· Входит в состав витамина В₁ – составной части фермента, участвующего в расщеплении пировиноградной кислоты у животных, растений, микроорганизмов.

Фтор - основное количество находится в составе костей и тканей зубов в виде нерастворимых кальциевых солей. Недостаток вызывает кариес зубов, а избыток – болезнь – пятнистую эмаль зубов в виде меловидных и коричневых пятен - флуороз (флюороз) – болезнь скелета и зубов.

Бор – влияет на ростовые процессы растительных организмов. При отсутствии в почве этого микроэлемента у растений отмирают проводящие ткани, верхушечные почки, цветки, на корнях бобовых растений плохо развиваются клубеньки.

Влияет на использование кальция.

Молибден- при отсутствии в почве молибдена клубеньковые бактерии не поселяются на корнях бобовых, ухудшается работа устьичного аппарата листьев, угнетаются ростовые процессы в результате замедления биосинтеза белка.

· Повышает устойчивость растений к грибным заболеваниям.

· Большая роль принадлежит молибдену в азотном питании растений, фиксации азота,

· входит в состав фермента нитратредуктазы, восстанавливающей нитраты.

· Входит в состав ферментов, регулирующих работу устьичного аппарата

· Входит в состав ферментов, участвующих в синтезе аминокислот

Медь – у беспозвоночных входит в состав г е м о ц и а н и н о в- дыхательных пигментов гемолимфы некоторых моллюсков и членистоногих, которые подобно гемоглобину, в организме беспозвоночных переносят кислород. Окисленные гемоцианины имеют синий цвет, восстановленные – бесцветный.

· Медь необходима для процессов кроветворения, синтеза гемоглобина. Недостаток

приводит к нарушению кроветворения, у животных наблюдается анемия, расстройство

пищеварения, потеря аппетита, заболевания сердца.

· Входит в состав окислительных ферментов, участвующих в синтезе цитохромов –

ферментов переносчиков электронов

· У человека входит в состав фермента, участвующего в синтезе меланина – пигмента кожи.

· У растений входит в состав ферментов темновых реакций фотосинтеза

· Необходима для развития семян.

Цинк– необходим для синтеза гормонов:

· поджелудочной железы – инсулина, который участвует в регуляции обмена углеводов

· щитовидной железы - тироксина, регулирует все виды обмена, умственное и физическое развитие

· растительных гормонов – ауксинов, вызывают деление и растяжение клеток образовательной ткани (меристемы), стимулируют рост корней, стеблей, листьев, вызывают их изгибы, усиливают корнеобразование у черенков

· входит в состав фермента участвующего в транспорте углекислого газа в крови позвоночных

· в состав фермента, гидролизующего пептидные связи при переваривании белков

· ферментов, необходимых для нормального роста животных и человека

· входит в состав ферментов, активизирующих расщепление угольной кислоты у растений

· для синтеза аминокислоты пролина, им богаты растительные белки – проламины, фибриллярные белки, β – казеин (белок молока), составная часть инсулина, адренокортикотропного - АКТГ гормона гипофиза, стимулирующего образование и секрецию гормонов коры надпочечников – кортикостероидов, грамицидина – антибиотика бактериального происхождения.

Марганец – микроэлемент, при недостатке, которого у растений возникает хлороз – пожелтение листьев.

· Повышает активность карбоксилазы – фермента, катализирующих карбоксилирование органических кислот. В активный центр карбоксилазы входит биотин

· Способствует восстановлению нитратов в растениях

· Входит в состав ферментов участвующих в дыхании, окислении жирных кислот

· Входит в состав ферментов темновых реакций фотосинтеза

Кобальт– микроэлемент

· входит в состав витамина В_{12(цианкобаломин),}недостаток приводить к тяжёлому заболеванию

авитаминозу В_12, (в желудке всасывается в составе кобаламина)

· недостаток кобальта приводит к кобальтдефицитной анемии

· принимает участие в синтезе гемоглобина

· Входит в состав гормона и н с у л и н а

· Требуется азотфиксирующим микроорганизмам

Потребность в минеральных веществах повышается у женщин и животных при беременности в связи с ростом зародыша. Велико их значение так же для растущих организмов.

Содержание в клетке химических соединений в процентах % на сырую массу:

ВОДА - 75 – 85 НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ - 1 – 2

БЕЛКИ - 10 – 20 АТФ и др. НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ В-ВА - 0,1 – 0,5

ЖИРЫ - 1 – 5 Неорганические вещества - 1,0 – 1,5

УГЛЕВОДЫ - 0,2 – 2 минеральные вещества (соли)

Входящие в клетку вещества делятся на:

Неорганические –вода и минеральные соли

Органические –белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты, АТФ,

http://studepedia.org/index.php?vol=2&post=28638

Тема 4. "Химический состав клетки".

Организмы состоят из клеток. Клетки разных организмов обладают сходным химическим составом. В таблице 1 представлены основные химические элементы, обнаруженные в клетках живых организмов.

Таблица 1. Содержание химических элементов в клетке

Элемент	Количество, %	Элемент	Количество, %
Кислород	65-75	Кальций	0,04-2,00
Углерод	15-18	Магний	0,02-0,03
Водород	8-10	Натрий	0,02-0,03
Азот	1,5-3,0	Железо	0,01-0,015
Фосфор	0,2-1,0	Цинк	0,0003
Калий	0,15-0,4	Медь	0,0002
Сера	0,15-0,2	Иод	0,0001
Хлор	0,05-0,10	Фтор	0,0001

По содержанию в клетке можно выделить три группы элементов. В первую группу входят кислород, углерод, водород и азот. На их долю приходится почти 98% всего состава клетки. Во вторую группу входят калий, натрий, кальций, сера, фосфор, магний, железо, хлор. Их содержание в клетке составляет десятые и сотые доли процента. Элементы этих двух групп относят к макроэлементам (от греч. макрос - большой).

Остальные элементы, представ ленные в клетке сотыми и тысячными долями процента, входят в третью группу. Это микроэлементы (от греч. микро - малый).

Каких-либо элементов, присущих только живой природе, в клетке не обнаружено. Все перечисленные химические элементы входят и в состав неживой природы. Это указывает на единство живой и неживой природы.

Недостаток какого-либо элемента может привести к заболеванию, и даже гибели организма, так как каждый элемент играет определенную роль. Макроэлементы первой группы составляют основу биополимеров - белков, углеводов, нуклеиновых кислот, а также липидов, без которых жизнь невозможна. Сера входит в состав некоторых белков, фосфор - в состав нуклеиновых кислот, железо - в состав гемоглобина, а магний - в состав хлорофилла. Кальций играет важную роль в обмене веществ.

Часть химических элементов, содержащихся в клетке, входит в со став неорганических веществ - минеральных солей и воды.

Минеральные соли находятся в клетке, как правило, в виде катионов (К⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺) и анионов ( HPO^2-/4, H₂PO^-/4, СI^-, НСО₃), соотношение которых определяет важную для жизнедеятельности клеток кислотность среды.

(У многих клеток среда слабощелочная и ее рН почти не изменяется, так как в ней постоянно поддерживается определенное соотношение катионов и анионов.)

Из неорганических веществ в живой природе огромную роль играет вода.

Без воды жизнь невозможна. Она составляет значительную массу большинства клеток. Много воды содержится в клетках мозга и эмбрионов человека: воды более 80%; в клетках жировой ткани - всего 40.% К старости содержание воды в клетках снижается. Человек, потерявший 20% воды, погибает.

Уникальные свойства воды определяют ее роль в организме. Она участвует в теплорегуляции, которая обусловлена высокой теплоемкостью воды - потреблением большого количества энергии при нагревании. Чем же определяется высокая теплоемкость воды?

В молекуле воды атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода. Молекула воды полярна, так как атом кислорода имеет частично отрицательный заряд, а каждый из двух атомов водорода имеет

частично положительный заряд. Между атомом кислорода одной молекулы воды и атомом водорода другой молекулы образуется водородная связь. Водородные связи обеспечивают соединение большого числа молекул воды. При нагревании воды значительная часть энергии расходуется на разрыв водородных связей, что и определяет ее высокую теплоемкость.

Вода - хороший растворитель. Благодаря полярности ее молекулы взаимодействуют с положительно и отрицательно заряженными ионами, способствуя тем самым растворению вещества. По отношению к воде все вещества клетки делятся на гидрофильные и гидрофобные.

Гидрофильными (от греч. гидро - вода и филео - люблю) называют вещества, которые растворяются в воде. К ним относят ионные соединения (например, соли) и некоторые неионные соединения (например, сахара).

Гидрофобными (от греч. гидро - вода и фобос - страх) называют вещества, нерастворимые в воде. К ним относят, например, липиды.

Вода играет большую роль в химических реакциях, протекающих в клетке в водных растворах. Она растворяет ненужные организму продукты обмена веществ и тем самым способствует выводу их из организма. Большое содержание воды в клетке придает ей упругость. Вода способствует перемещению различных веществ внутри клетки или из клетки в клетку.

Тела живой и неживой природы состоят из одинаковых химических элементов. В состав живых организмов входят неорганические вещества - вода и минеральные соли. Жизненно важные многочисленные функции воды в клетке обусловлены особенностями ее молекул: их полярностью, способностью образовывать водородные связи.