Микроэлементы в клетках живых организмов. Химические элементы живых организмов

Несмотря на то, что в живых организмах обнаружено большинство существующих химических элементов, их соотношение сильно отличается от неживой природы. Это отличие является общим для всех форм жизни на Земле, что говорит либо об универсальности проявления жизни, либо о единстве происхождения всех организмов.

Различные химические элементы, составляющие живые организмы, находятся в них не в равных соотношениях. Одних элементов по массе намного больше, чем других. Атомы углерода способны образовывать длинные цепи, что легло в основу химии жизни. Благодаря углеродным цепям могут существовать сложные молекулы. Такие молекулы являются отличительным признаком жизни.

Кроме углерода в организмах много водорода, кислорода и азота. Эти четыре элемента относят к макроэлементам первой группы . Эти элементы составляют таких важнейшие для жизни молекулы как , белки , углеводы и жиры . Доля макроэлементов первой группы - около 98% от массы.

К макроэлементам второй группы относятся фосфор, сера, калий, магний, натрий, кальций, железо, хлор. Несмотря на то, что их содержание в организмах составляет десятые или сотые доли процентов, они являются крайне необходимыми. Так в состав нуклеиновых кислот входит фосфор, а в состав белков - сера. Натрий, калий, хлор участвуют в проведении импульсов в нервной ткани. Железо входит в состав гемоглобина. Магний входит в состав хлорофилла. И т. д.

Поскольку фосфор и сера непосредственно входят в состав органических молекул, то их объединяют с макроэлементами первой группы в так называемую группу биоэлементов .

Микроэлементы содержатся в организмах в очень малых количествах. Этих элементов достаточно много и их роль весьма разнообразна. Недостаток микроэлементов может приводить к серьезным заболеваниям.

В организмы животных микроэлементы поступают в основном с пищей и водой, а в растения - преимущественно из почвы с водой.

Многие микроэлементы входят в состав ферментов, гормонов и витаминов. Следовательно, они влияют на обмен веществ. Так йод входит в состав гормона щитовидной железы, цинк оказывает влияние на рост, входит в состав гормона инсулина, кобальт входит в состав витамина B 12 .

По необходимости тех или иных микроэлементов и их роли растения и животные несколько отличаются, т. к. их обмены веществ имеют ряд существенных отличий.

Также в живых организмах обнаружены некоторые элементы в чрезвычайно малых количествах и их роль не выяснена. Такие элементы относят к группе ультрамикроэлементов (золото, серебро и др).

Органогены - химические элементы, входящие в состав всех органических соединений и составляют около 98 % массы клетки .

Элемент	% содержание	Функция
Кислород	65-75	Входит в состав большинства органических веществ клетки. Образуется в ходе фотосинтеза при фотолизе воды. Для аэробных организмов служит окислителем в ходе клеточного дыхания, обеспечивая клетки энергией. В наибольших количествах в живых клетках содержится в составе воды.
Углерод	15-18	Входит в состав всех органических веществ; скелет из атомов углерода составляет их основу. Кроме того, в виде CO 2 фиксируется в процессе фотосинтеза и выделяется в ходе дыхания, в виде CO (в низких концентрациях) участвует в регуляции клеточных функций, в виде CaCO 3 входит в состав минеральных скелетов.
Водород	8-10	Входит в состав всех органических веществ клетки. В наибольших количествах содержится в составе воды. Некоторые бактерии окисляют молекулярный водород для получения энергии.
Азот	2-3	Входит в состав аминокислот, белков (в том числе ферментов и гемоглобина), нуклеиновых кислот, хлорофилла, некоторых витаминов.

Макроэлементы

Элементы, представленные в клетке в меньшем количестве - десятые и сотые доли процента .

Элемент	% содержание	Функция
Кальций	0,04-2,00	Содержится в мембране клетки, межклеточном веществе и костях. Участвует в регуляции внутриклеточных процессов, поддержания мембранного потенциала, передаче нервных импульсов, необходим для мышечного сокращения и экзоцитоза . Нерастворимые соли кальция участвуют в формировании костей и зубов позвоночных и минеральных скелетов беспозвоночных.
Фосфор	0,2-1,0	Входит в состав АТФ в виде остатка фосфорной кислоты (PO 4 3-). Содержится в костной ткани и зубной эмали (в виде минеральных солей), а также присутствует в цитоплазме и межклеточных жидкостях (в виде фосфат-ионов).
Калий	0,15-0,4	Участвует в поддержании мембранного потенциала, генерации нервного импульса, регуляции сокращения сердечной мышцы. Содержится в межклеточных веществах. Участвует в фотосинтезе.
Сера	0,15-0,2	Содержится в некоторых аминокислотах, ферментах, тиамине . В небольших количествах присутствует в виде сульфат-иона в цитоплазме клеток и межклеточных жидкостях.
Хлор	0,05-0,1	Участвует в формировании осмотического потенциала плазмы крови и других жидкостей в виде аниона. Содержится в желудочном соке.
Натрий	0,02-0,03	Участвует в поддержании мембранного потенциала , генерации нервного импульса, процессах осморегуляции(в том числе в работе почек у человека) и создании буферной системы крови.
Магний	0,02-0,03	Кофактор многих ферментов, участвующих в энергетическом обмене и синтезе ДНК; поддерживает целостность рибосом и митохондрий, входит в состав хлорофилла. В животных клетках необходим для функционирования мышечных и костных систем.

Микроэлементы

К микроэлементам, составляющим от 0,001 % до 0,000001 % массы тела живых существ, относят ванадий , германий , йод (входит в состав тироксина, гормона щитовидной железы), кобальт (витамин В12),

Классификация химических элементов по их содержанию в организмах

На сегодня известно более 110 химических элементов: 89 из них найдены в природе, другие добыто искусственным путем. Большинство из природных химических элементов входят в состав организмов. Однако лишь около ЗО элементов участвуют в осуществлении жизненных функций и имеют определенное значение для биологических систем. Их называют биоэлементами.

Биоэлементы - химические элементы, которые входят в состав живых организмов и участвуют в процессах жизнедеятельности. Эти элементы находятся в организме: а) как составляющие биомолекул; б) в форме нерастворимых соединений; в) в форме ионов. Распространение и биологическое значение химических элементов в живой природе связано с расположением элементов в периодической системе.

Распространение биоэлементов. На атомарном уровне различие в химическом элементарном составе неорганического и органического мира отсутствует, что свидетельствует о единстве происхождения всего живого из неживой природы. Соотношение же содержания биоэлементов в живой и неживой природе будет разным. В неживой природе преобладают кислород (63%), кремний (21,2%), Алюминий (6,5%), Натрий (2,4%), Кальций (1,9%), железа (1,9%), магний (1,8%), калий (1,4%). В живой природе преобладают водород (64%), кислород (25,6%), углерода (7,5%), азот (1,25%), фосфор (0,24%), серу (0,06%).

Биологическое значение биоэлементов. Биоэлементов по функциям, которые они выполняют, условно можно разделить на структурные, метаболические и каталитические. Структурная функция биоэлементов заключается в том, что они участвуют в построении неорганических и органических соединений. Метаболическая функция биоэлементов - они регулируют осмотические процессы, поддерживают pH внутренней среды, обеспечивают процессы возбуждения и торможения, осуществляющих процессы активного транспорта через мембраны и является гуморальными факторами деятельности тканей, органов. И каталитическую функцию биоэлементов определяет то, что они входят в состав ферментов и являются агентами, которые влияют на свойства ферментов. Основными группами биоэлементов за их содержанием в организмах является органогенные, макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.

БИОЛОГИЯ + Биоелементна медицина - это научно-практическое направление, которое изучает состав, содержание, связки и взаимодействие биоэлементов в организме человека в норме и при патологических состояний. Задачей этого направления в медицине является разработка способов профилактики нарушений биоелемснтного состава и его коррекции при временное или длительное поруииення биое- лементного состава организма (избыток, недостаток, дисбаланс элементов ) , которое сопровождается определенными клиническими проявлениями. Примером такого заболевания является флюороз (обусловленный избытком Фтора ) , сатурнизм (обусловлен избытком Свинец ) и др.

Особенности и биологическое значение органогенов. Органогенами - это химические элементы, на долю которых приходится от 2 до 98% от массы тела. Хотя в составе живых организмов почти все химические элементы, основные свойства живого определяются именно органогенами. Наибольшее содержание в живой природе приходится на Карбон, кислород, водород и азот, которые располагаются в верхней части таблицы и являются типичными неметаллами. Они отличаются от других тем, что имеют малые размеры, малую относительную атомную массу и являются легкими элементами. Именно эти особенности и обуславливают их структурную функцию. Биологическое значение органогенов вызвано их уникальными, фундаментальными для жизни, свойствами: 1) легко и в разном порядке сочетаются между собой, образуя друг с другом прочные ковалентные связи, что обеспечивает устойчивую структуру биомолекул; 2) способны образовывать слабее ковалентная водородные связи, которые обусловливают возможность изменения структуры биомолекул и их взаимодействие между собой; 3) способны образовывать сравнительно небольшое число типов связи, что уменьшает количество необходимых для клетки каталитических систем; 4) имеют малые размеры, малую относительную атомную массу и являются легкими элементами, обусловливает возможность их использования в большом количестве для построения биомолекул; 5) в обычных условиях проявляют неметаллические свойства, что лежит в основе их структурной функции.

Какое же значение для организма элементов-органогенов?

Водород (Н). Доля его в живой природе составляет 64%. Входит в состав воды и молекул органических веществ, обеспечивает реакции восстановления. Организмы получают его благодаря расщеплению воды.

Кислород (О). В живой природе составляет 25,6%. Есть в составе молекул воды, всех биомолекул, обеспечивает реакции окисления. Организмы получают и выделяют его благодаря процессам газообмена.

Карбон (С). В живой природе - 7,5%. Участвует в образовании молекул всех органических веществ, а также оксидов, гидридов, карбонатов, которые образуются в результате жизнедеятельности организмов.

Азота (N). В живой природе - около 2%. Единственный элемент, который входит в состав всех молекул аминокислот, белков, нуклеиновых кислот, АТФ, ферментов, витаминов. Только этот элемент может поглощаться растениями в виде анионов и катионов. Выводится из организма в составе аммиака, мочевины, мочевой кислоты

БИОЛОГИЯ + водород - это самый простой и самый распространенный элемент во Вселенной, на долю которого приходится около 90% атомов. Среди элементов Земли - он девятый по распространению и составляет 0,76% массы планеты. Встречается в составе воды, угля, нефти, метана. Это единственный элемент, который является горючим газам. Название с греческого звучит как "тот, ицо порождает воду". Кислород - это самый распространенный элемент на Земле. В атмосфере - 21% по объему, в земной коре - 49% по массе, в гидросфере - 89% по массе. Это один из самых активных элементов-неметаллов. Название с греческого означает "ицо порождает кислоты". В переводе с греческого название "азот" означает "безжизненный", хотя без него жизнь не может существовать, а в переводе с латыни название "азот" звучит как "то, что порождает селитру». Азот является основной составной частью атмосферы Земли (78% по объему ) . По распространению Карбон на Земле занимает 16 место среди элементов и составляет около 0,027% массы земной коры. В несвязанном состоянии встречается в виде графита и алмазов, а в связанном - в составе горючих и осадочных пород и атмосферы, в которой на его долю приходится 0,046% массы. Название в переводе с латыни означает "уголь".

Особенности и биологическое значение макроэлементов. Макроэлементы - это химические элементы, на долю которых приходится от 0,1 до 2% массы тела. К макроэлементов относятся металлы - калий, кальций, натрий, магний, Ферум, и неметаллы - фосфор, хлор, серу. их масса несколько больше, но их внешний электронный слой имеет или требует для заполнения небольшое количество электронов. Эти особенности определяют их структурную и метаболическую функции. Основными особенностями макроэлементов, которые имеют значение для живого, являются: 1) обладают высокой способностью образовывать ионы, участвующих в образовании ионных связей и обусловливают существование ионных соединений, 2 ) некоторые могут иметь переменную валентность, благодаря чему их ионы используются в жизненных циклах для регулируемой передачи электронов; 3) большинство являются сильными восстановителями или окислителями, поэтому в составе биосистем достаточно часто участвуют в регуляции жизненных функций; 4) в обычных условиях проявляют металлические и неметаллические свойства.

Какое же значение для организма макроэлементов?

Натрий (Na). Содержится только в виде ионов. Обеспечивает транспорт веществ в клетку и из нее, регулировании сердечной деятельности, осуществлении процессов раздражительности организма животных. В жизнедеятельности большинства растений существенного значения не имеет. Способствует росту растений-галофитов.

Калий (К). Содержится только в виде ионов. Есть осмотически активным элементом, обеспечивает транспорт веществ в клетку и из нее, регулирует работу продихового аппарата растений, участвует в процессах раздражительности, регулирует сердечную деятельность и водный обмен организма животных и др.

Кальций (Са). В виде ионов участвует в регуляции ритма сердечной деятельности, свертывании крови, осуществлении мышечного сокращения, образовании желчи, обеспечивает движение компонентов клеток и самих клеток. В виде солей входит в состав костей и раковин животных, оболочек некоторых водорослей, межклеточного вещества и др.

Магний (Mg). В виде ионов активирует деятельность ферментов энергетического обмена и синтеза ДНК, поддерживает целостность рибосом, связывая РНК и белок. В составе хлорофилла участвует в фотосинтезе, а в виде солей входит в состав костей, зубов.

Железа (Fe). В составе гемоглобина и миоглобина обеспечивает транспорт газов, в составе ферментов (цитохромов, каталазы, фередоксину) забезбечуе переноса электронов в процессах дыхания и фотосинтеза. Является необходимым для образования хлорофилла.

Фосфор (Р). В виде фосфатов содержится в костной ткани животных и человека, входит в состав сложных белков-фосфопротеидив, нуклеиновых кислот, АТФ, фосфолипидов, коферментов НАДФ и тому подобное. В виде остатков ортофосфорной кислоты образует макроэргические связи. Для растений является вторым по важности (после азота) элементом минерального питания.

Хлор (Сl). У животных входит в состав соляной кислоты желудочного сока, в виде ионов участвует в регуляции осмотического давления плазмы крови, стимулирует процессы фотолиза воды у растений.

Серы (S). Участвует в серосодержащих аминокислот (метионина, цистеина, цистина), витаминов B1, Н и некоторых ферментов. В составе исходных соединений большое значение имеет для хемосинтезирующих и фотосинтезирующих бактерий. В питании растений занимает третье место после азота и фосфора.

Особенности и биологическое значение микроэлементов. Микроэлементы - это химические элементы, на долю которых приходится от 0,000001 до 0,1% от массы тела. Микроэлементами является Цинк, йод медь, марганец, молибден, кобальт и др. Эти химические элементы располагаются в нижних периодах таблицы и является в большинстве металлами с относительной атомной массой более 50 Поэтому их биологическая роль связана с их включением в состав веществ (дыхательных пигментов, витаминов, гормонов, ферментов), участвующих в регуляции жизненных процессов. Микроэлементы называют в науке "катализаторами катализаторов".

Какое же значение для организма основных микроэлементов?

Бор (В). У растений влияет на рост, процессы синтеза и преобразования углеводов. При недостатке отмирают проводящие ткани, верхушечные почки, цветы и завязь.

Фтор. (F). У животных входит в состав костей и эмали зубов. Его недостаток вызывает кариес, а избыток - пятнистую эмаль зубов. Является мощным ингибитором ферментов гликолиза.

Марганец (Мn). Определение активности ферментов-оксидаз, поэтому имеет большое значение для фотосинтеза, дыхания, роста, азотного обмена.

Кобальт (Со). У животных является составной витамина В12 (цианокобаламина), который регулирует кроветворение. У растений активно участвует в процессах азотфиксации, нуклеиновой обмена, оплодотворения.

Меди (Сu). Участвует в синтезе гемоглобина, входит в состав гемоцианин моллюсков. У растений есть в составе ферментов дыхания, фотосинтеза, фиксации азота, повышает устойчивость к засухе.

Цинк (Ζn). У животных является фактором роста, входит в состав фермента карбоангид- раза, который катализирует выделение СО2 из Н2СО3. У растений играет важную роль в синтезе фитогормонов, входит в состав некоторых ферментов.

Бром (Вr). Имеет успокаивающее действие на организм человека и животных, углубляя тормозные процессы в ЦНС.

Молибден (Мо). Влияет на деятельность устьиц, ростовых процессов, повышает устойчивость растений к грибковым заболеваниям. Уникальной способностью к его накоплению характеризуются бобовые растения.

Иод (I). У животных входит в состав гормонов щитовидной железы. Является мощным ингибитором ферментов гликолиза.

Ультрамикроэлементы - это химические элементы, содержание которых в клетках не превышает 0,000001%. Это свинец, Платина, Аргентум, Аурум и др. Физиологическая роль этих элементов в биосистемах еще недостаточно изучена. Например, известно, что врачи-гомеопаты успешно используют для профилактики атеросклероза препараты золота (в очень малых количествах), хотя механизм их действия абсолютно неизвестен.