Клетки живых организмов по своему химическому составу значительно отличаются от окружающей их неживой среды и по структуре химических соединений, и по набору и содержанию химических элементов. Всего в живых организмах присутствует (обнаружено на сегодняшний день) около 90 химических элементов, которые, в зависимости от их содержания, разделяют на 3 основных группы: макроэлементы , микроэлементы и ультрамикроэлементы .

Макроэлементы.

Макроэлементы в значительных количествах представлены в живых организмах, начиная от сотых долей процента до десятков процентов. Если содержание какого-либо химического вещества в организме превышает 0.005% от массы тела, такое вещество относят к макроэлементам. Они входят в состав основных тканей: крови, костей и мышц. К ним относятся, например, следующие химические элементы: водород, кислород, углерод, азот, фосфор, сера, натрий, кальций, калий, хлор. Макроэлементы в сумме составляют около 99% от массы живых клеток, причем большая часть (98%) приходится именно на водород, кислород, углерод и азот.

В таблице ниже представлены основные макроэлементы в организме:

Для всех четырех самых распространенных в живых организмах элементов (это водород, кислород, углерод, азот, как было сказано ранее) характерно одно общее свойство. Этим элементам не хватает одного или нескольких электронов на внешней орбите для образования стабильных электронных связей. Так, атому водорода для образования стабильной электронной связи не хватает одного электрона на внешней орбите, атомам кислорода, азота и углерода — двух, трех и четырех электронов соответственно. В связи с этим, эти химические элементы легко образуют ковалентные связи за счет спаривания электронов, и могут легко взаимодействовать друг с другом, заполняя свои внешние электронные оболочки. Кроме этого, кислород, углерод и азот могут образовывать не только одинарные, но и двойные связи. В результате чего существенно увеличивается количество химических соединений, которые могут образовываться из этих элементов.

Кроме того, углерод, водород и кислород — наиболее легкие среди элементов, способных образовывать ковалентные связи. Поэтому они оказались наиболее подходящими для образования соединений, входящих в состав живой материи. Необходимо отметить отдельно еще одно важное свойство атомов углерода — способность образовывать ковалентные связи сразу с четырьмя другими атомами углерода. Благодаря этой способности создаются каркасы из огромного количества разнообразных органических молекул.

Микроэлементы.

Хотя содержание микроэлементов не превышает 0,005% для каждого отдельного элемента, а в сумме они составляют всего лишь около 1% массы клеток, микроэлементы необходимы для жизнедеятельности организмов. При их отсутствии или недостаточном содержании могут возникать различные заболевания. Многие микроэлементы входят в состав небелковых групп ферментов и необходимы для осуществления их каталитической функции.
Например, железо является составной частью гема, который входит в состав цитохромов, являющихся компонентами цепи переноса электронов, и гемоглобина — белка, который обеспечивает транспорт кислорода от легких к тканям. Дефицит железа в организме человека вызывает развитие анемии. А недостаток йода, входящего в состав гормона щитовидной железы — тироксина, приводит к возникновению заболеваний, связанных с недостаточностью этого гормона, таких как эндемический зоб или кретинизм.

Примеры микроэлементов представлены в таблице ниже:

Ультрамикроэлементы.

В состав группы ультрамикроэлементов входят элементы, содержание которых в организме крайне мало (менее 10 -12 %). К ним относятся бром, золото, селен, серебро, ванадий и многие другие элементы. Большинство из них также необходимы для нормального функционирования живых организмов. Например, нехватка селена может привести к возникновению раковых заболеваний, а недостаток бора — причина некоторых заболеваний у растений. Многие элементы этой группы также, как и микроэлементы, входят в состав ферментов.

1. В какой группе все элементы относятся к макроэлементам? К микроэлементам?

а) Железо, сера, кобальт; б) фосфор, магний, азот; в) натрий, кислород, йод; г) фтор, медь, марганец.

К макроэлементам относятся: б) фосфор, магний, азот.

К микроэлементам относятся: г) фтор, медь, марганец.

2. Какие химические элементы называются макроэлементами? Перечислите их. Каково значение макроэлементов в живых организмах?

Макроэлементы – химические элементы, содержание которых в живых организмах составляет более 0,01% (по массе). Макроэлементами являются кислород (О), углерод (С), водород (Н), азот (N), кальций (Са), фосфор (Р), калий (К), сера (S), хлор (Cl), натрий (Na) и магний (Mg). Для растений макроэлементом также является кремний (Si).

Углерод, кислород, водород и азот – основные составляющие органических соединений живых организмов. Кроме того, кислород и водород входят в состав воды, массовая доля которой в живых организмах составляет в среднем 60-75%. Молекулярный кислород (О 2) используется большинством живых организмов для клеточного дыхания, в ходе которого выделяется необходимая организму энергия. Сера входит в состав белков и некоторых аминокислот, фосфор – в состав органических соединений (например, ДНК, РНК, АТФ), компонентов костной ткани, зубной эмали. Хлор входит в состав соляной кислоты желудочного сока человека и животных.

Калий и натрий участвуют в генерации биоэлектрических потенциалов, обеспечивают поддержание нормального ритма сердечной деятельности человека и животных. Калий также участвует в процессе фотосинтеза. Кальций и магний входят в состав костной ткани, эмали зубов. Кроме того, кальций необходим для свёртывания крови и сокращения мышц, входит в состав клеточной стенки растений, а магний входит в состав хлорофилла и ряда ферментов.

3. Какие элементы называются микроэлементами? Приведите примеры. В чём заключается роль микроэлементов для жизнедеятельности организмов?

Микроэлементами называют жизненно важные химические элементы, массовая доля которых в живых организмах составляет от 0,01% и менее. К этой группе относятся железо (Fe), цинк (Zn), медь (Cu), фтор (F), йод (I), марганец (Mn), кобальт (Со), молибден (Мо) и некоторые другие элементы.

Железо входит в состав гемоглобина, миоглобина и многих ферментов, участвует в процессах клеточного дыхания и фотосинтеза. Медь входит в состав гемоцианинов (дыхательных пигментов крови и гемолимфы некоторых беспозвоночных животных), участвует в процессах клеточного дыхания, фотосинтеза, синтеза гемоглобина. Цинк входит в состав гормона инсулина, некоторых ферментов, участвует в процессах синтеза фитогормонов. Фтор входит в состав зубной эмали и костной ткани, йод – в состав гормонов щитовидной железы (трийодтиронина и тироксина). Марганец входит в состав ряда ферментов или повышает их активность, участвует в формировании костей, в процессе фотосинтеза. Кобальт необходим для процессов кроветворения, входит в состав витамина В 12 . Молибден участвует в процессах связывания молекулярного азота (N 2) клубеньковыми бактериями.

4. Установите соответствие между химическим элементом и его биологической функцией:

1 – д (кальций необходим для мышечного сокращения и свёртывания крови);

2 – в (магний является компонентом хлорофилла);

3 – е (кобальт входит в состав витамина В 12);

4 – б (йод входит в состав гормонов щитовидной железы);

5 – а (цинк участвует в синтезе гормонов растений, входит в состав инсулина);

6 – г (медь входит в состав гемоцианинов некоторых беспозвоночных животных).

5. На основании материала о биологической роли макро- и микроэлементов и знаний, полученных при изучении организма человека в 9-м классе, объясните, к каким последствиям может привести недостаток тех или иных химических элементов в организме человека.

Например, при недостатке кальция ухудшается состояние зубов и развивается кариес, наблюдается повышенная склонность костей к деформации и переломам, появляются судороги, снижается свёртываемость крови. Недостаток калия приводит к развитию сонливости, депрессии, мышечной слабости, сердечной аритмии. При дефиците железа наблюдается снижение уровня гемоглобина, развивается анемия (малокровие). При недостаточном поступлении в организм йода нарушается синтез трийодтиронина и тироксина (гормонов щитовидной железы), может наблюдаться увеличение щитовидной железы в виде зоба, развивается быстрая утомляемость, ухудшается память, снижается внимание и т. п. Длительная нехватка йода у детей может приводить к отставанию в физическом и умственном развитии. При недостатке кобальта снижается количество эритроцитов в крови. Дефицит фтора может стать причиной разрушения и выпадения зубов, поражения дёсен.

6. В таблице указано содержание основных химических элементов в земной коре (по массе, в %). Сравните состав земной коры и живых организмов. В чём заключаются особенности элементарного состава живых организмов? Какие факты позволяют сделать вывод о единстве живой и неживой природы?

Живые организмы более чем на 98% (по массе) состоят из четырёх элементов – кислорода (О), углерода (С), водорода (Н) и азота (N). В земной коре общая массовая доля этих элементов составляет немногим более 50%. При этом как в составе земной коры, так и в живых организмах преобладающим химическим элементом является кислород. Однако на долю трёх остальных элементов (С, Н и N), необходимых для построения молекул органических веществ, в составе живых организмов приходится более 28%, а в земной коре их суммарное содержание не достигает и 1,5%. С другой стороны, некоторые химические элементы, широко распространённые в земной коре (кремний, алюминий, железо), живые организмы содержат в очень малых количествах.

В состав живых организмов входят те же химические элементы, из которых состоят объекты неживой природы, только в другом соотношении. Для живых организмов исходными (первичными) источниками этих элементов являются вещества, входящие в состав атмосферы, гидросферы и литосферы – H 2 O, СО 2 , О 2 , N 2 , различные ионы и т.п. Химические элементы возвращаются в окружающую среду в ходе жизнедеятельности организмов (дыхание, экскреция) и после их смерти. Это свидетельствует о единстве и взаимосвязи живой и неживой природы.

Биологи делят все химические элементы, содержащиеся в нашем теле, на две большие группы: макро- и микроэлементы. Вещества, которые присутствуют в организме в сравнительно больших количествах, относятся к макроэлементам. В их числе – магний, кальций, натрий, фосфор и натрий. Они являются теми кирпичиками, из которых состоят наши внутренние органы и ткани.

Но гораздо интереснее роль других компонентов, которые присутствуют в нашем организме в ничтожных количествах. Какие элементы относятся к микроэлементам, и какова их роль в организме?

Микро-ускорители

Как известно, многие химические процессы проходят гораздо быстрее при наличии катализатора. А к микроэлементам относятся элементы, выполняющие аналогичную роль в биохимических процессах живых организмов. Эти компоненты, как мы уже говорили, содержатся в телах живых существ в мизерных количествах.

Большинство веществ, относящихся к группе микроэлементов, попадает в системы жизнеобеспечения из внешней среды, и лишь малое их количество может регенерироваться нашим организмом самостоятельно.

Какие бывают микроэлементы, и что происходит, если их не принимать?

Важнейшими микроэлементами, влияющими на процессы жизнедеятельности, являются эссенциальные нутриенты (незаменимые факторы питания). К микроэлементам относятся:

• железо;
• цинк;
• селен;
• хром;
• ванадий;
• молибден;
• марганец;
• кобальт;
• хром.

Содержание некоторых из них настолько мало, что может быть измерено лишь специальными средствами для анализа. Но при полном отсутствии или недостаточном поступлении микроэлементов в организм прекращается рост, начинаются процессы деградации: нарушаются процессы обмена веществ, алгоритмы деления клеток, передачи наследственной информации. Комплекс заболеваний, вызванных недостатком микроэлементов, называется микроэлементозами.

Причины микроэлементоза могут быть различны. Так, постоянный приток радиоактивных изотопов и фоновое излучение всегда закачиваются дисбалансом микроэлементов в теле человека. К числу вторичных факторов появления данного недуга следует отнести скудную пищу, отсутствие свежего воздуха, естественного освещения, некачественную питьевую воду, малоподвижный образ жизни.

Весомым фактором, приводящим к потере микроэлементов, считается регулярное употребление алкоголя, курение, употребление наркотических веществ. Чаще всего нездоровый образ жизни провоцирует дефицит кальция, цинка, селена, йода, магния. Чтобы восполнить нехватку этих веществ, организм действует по алгоритму, который биологи назвали механизмом замещения.

Микроэлементы и механизмы замещения

При нормальном функционировании всех органов, организм получает необходимые элементы из окружающей среды именно в том количестве, в котором это необходимо. Но что будет, если необходимый элемент не будет поступать в организм? Рассмотрим это на простом примере.

К микроэлементам относятся кальций и его соединения, которые необходимы для формирования костной ткани. Если это вещество организм не будет получать в достаточном количестве, он будет замещать его другим, структура которого максимально подобна химическому строению недостающего элемента. Так, распространенным микроэлементом из группы кальция является стронций-90. Его радиоактивный изотоп содержится в почве и атмосфере больших промышленных городов. И если в организме не будет хватать кальция, то именно стронций-90 – наиболее вероятный кандидат на замену. Чем чревато такое замещение?

Стронций будет накапливаться в организме по тому же механизму, что и кальций – в костях, зубах, волосах и кровеносных сосудах, вызывая различные болезни, и провоцируя образование злокачественных опухолей. Если же человек вовремя переключится на здоровое питание, то вредоносный стронций постепенно вымоется из организма, уступая свое место кальцию.

Зачем нужны БАДы

Поэтому каждому из нас необходимо принять верное решение, и обеспечить свой организм постоянным притоком нужных микроэлементов. Если нет возможности кардинально поменять свой образ жизни, можно приступить к изменению рациона питания, добавляя туда биологически активные добавки.

К микроэлементам относятся все вещества, которые можно синтезировать средствами современной фармакологии. Правильно подобранный комплекс БАД насытит организм спектром нужных микроэлементов и витаминов, повысит тонус, укрепит иммунитет.

А постоянный прием таких добавок способствует выведению из внутренних органов человека радиоактивных изотопов и замещению их стабильными элементами.

Биоэлементы, макроэлементы и микроэлементы входящие в состав клетки

В живых клетках обычно обнаруживаются следы почти всех элементов, присутствующих в окружающей среде, однако для жизни их необходимо около 40.

В зависимости от количественного содержания они делятся на макроэлементы, содержащиеся в десятых и сотых долях процента, и микроэлементы, содержащиеся в тысячных и миллионных долях процента.

Важнейшими биогенными элементами являются кислород (составляет около 70% массы организмов) , углерод (18%), водород (10%), азот, а также кальций, калий, кремний, магний, фосфор, сера, натрий, хлор, железо. Их среднее содержание - более 0,01% биомассы. Все вышеперечисленные биогенные элементы составляют группу макроэлементов.

Микроэлементы - химические элементы, присутствующие в организмах в низких концентрациях (обычно тысячные доли процента и ниже) . Цинк, медь, мышьяк, марганец, бор, фтор, ванадий, бром, молибден, селен, радий и некоторые др. относятся к микроэлементам.

Калий

Калий - один из биогенных элементов, постоянная составная часть растений и животных. Суточная потребность в калие. у взрослого человека (2-3 г ) покрывается за счёт мяса и растительных продуктов; у грудных детей потребность в калие. (30 мг/кг ) полностью покрывается грудным молоком, в котороммг % К. У животных содержание калия составляет в среднем 2,4 г/кг . В отличие от натрия, калий сосредоточен главным образом в клетках, во внеклеточной среде его много меньше. В клетке калий распределён неравномерно.

Ионы калия участвуют в генерации и проведении биоэлектрических потенциалов в нервах и мышцах, в регуляции сокращений сердца и др. мышц, поддерживают осмотического давление и гидратацию коллоидов в клетках, активируют некоторые ферменты. Метаболизм калия тесно связан с углеводным обменом; ионы калия влияют на синтез белков. К + в большинстве случаев нельзя заменить на Na + . Клетки избирательно концентрируют К + .

Натрий - один из основных элементов, участвующих в минеральном обмене животных и человека. Содержится главным образом во внеклеточных жидкостях (в эритроцитах человека около 10 ммоль /кг , в сыворотке крови 143 ммоль /кг ); участвует в поддержании осмотического давления и кислотно-щелочного равновесия, в проведении нервных импульсов. Суточная потребность человека в хлористом натрии колеблется от 2 до 10г и зависит от количества этой соли, теряемой с потом. Концентрация ионов натрия. в организме регулируется в основном гормоном коры надпочечников - альдостероном.

Кальций - один из биогенных элементов, необходимых для нормального протекания жизненных процессов. Он присутствует во всех тканях и жидкостях животных и растений. Лишь редкие организмы могут развиваться в среде, лишённой Ca у некоторых организмов содержание Ca достигает 38%; у человека - 1,4-2%. Клетки растительных и животных организмов нуждаются в строго определённых соотношениях ионов Ca 2+ , Na + и К + во внеклеточных средах. Ca необходим для образования ряда клеточных структур, поддержания нормальной проницаемости наружных клеточных мембран, для оплодотворения яйцеклеток рыб и др. животных, активации ряда ферментов. Ионы Ca 2+ передают возбуждение на мышечное волокно, вызывая его сокращение, увеличивают силу сердечных сокращений повышают фагоцитарную функцию лейкоцитов, активируют систему защитных белков крови, участвуют в её свертывании. В клетках почти весь Ca находится в виде соединений с белками, нуклеиновыми кислотами, фосфолипидами, в комплексах с неорганическими фосфатами и органическими кислотами. В плазме крови человека и высших животных только 20-40% Ca может быть связано с белками.

Магний - постоянная часть растительных и животных организмов (в тысячных - сотых долях процента). Концентраторами магния являются некоторые водоросли, накапливающие до 3% М. (в золе), некоторые фораминиферы - до 3,5%, известковые губки - до 4%. Магний входит в состав зелёного пигмента растений - хлорофилла (в общей массе хлорофилла растений Земли содержится около 100 млрд. т М.), а также обнаружен во всех клеточных органеллах растений и рибосомах всех живых организмов. Магний активирует многие ферменты, вместе с кальцием и марганцем обеспечивает стабильность структуры хромосом и коллоидных систем в растениях, участвует в поддержании тургорного давления в клетках.

Животные и человек получают магний с пищей. Суточная потребность человека в магние - 0,3-0,5 г ; в детском возрасте, а также при беременности и лактации эта потребность выше. Нормальное содержание магния в крови - примерно 4,3 мг% ; при повышенном содержании наблюдаются сонливость, потеря чувствительности, иногда паралич скелетных мышц. В организме магний накапливается в печени, затем значительная его часть переходит в кости и мышцы. В мышцах магний участвует в активировании процессов анаэробного обмена углеводов. Антагонистом магния в организме является кальций. Нарушение магниево-кальциевого равновесия наблюдается при рахите, когда магний из крови переходит в кости, вытесняя из них кальций. Недостаток в пище солей магния нарушает нормальную возбудимость нервной системы, сокращение мышц..

Азот в организме один из основных биогенных элементов, входящих в состав важнейших веществ живых клеток - белков и нуклеиновых кислот. Однако количество азота в организме невелико (1 - 3% на сухую массу). Находящийся в атмосфере молекулярный азот могут усваивать лишь некоторые микроорганизмы и сине-зеленые водоросли.

Значительные запасы азота сосредоточены в почве в форме различных минеральных (аммонийные соли, нитраты) и органических соединений (азот белков, нуклеиновых кислот и продуктов их распада, т. е. ещё не вполне разложившиеся остатки растений и животных). Растения усваивают азот из почвы как в виде неорганических, так и некоторых органических соединений. В природных условиях для питания растений большое значение имеют почвенные микроорганизмы (аммонификаторы), которые минерализуют органический азот почвы до аммонийных солей. Нитратный азот почвы образуется в результате жизнедеятельности открытых С. Н. Виноградским в 1890 нитрифицирующих бактерий, окисляющих аммиак и аммонийные соли до нитратов. Часть усвояемого микроорганизмами и растениями нитратного азота теряется, превращаясь в молекулярный азот под действием денитрифицирующих бактерий. Растения и микроорганизмы хорошо усваивают как аммонийный, так и нитратный азот, восстанавливая последний до аммиака и аммонийных солей. Микроорганизмы и растения активно превращают неорганический аммонийный азот в органические соединения азота - амиды (аспарагин и глутамин) и аминокислоты. Как показали Д. Н. Прянишников и В. С. Буткевич, азот в растениях запасается и транспортируется в виде аспарагина и глутамина. При образовании этих амидов обезвреживается аммиак, высокие концентрации которого токсичны не только для животных, но и для растений. Амиды входят в состав многих белков как у микроорганизмов и растений, так и у животных. Синтез глутамина и аспарагина путём ферментативного амидирования глутаминовой и аспарагиновой кислот осуществляется не только у микроорганизмов и растений, но в определённых пределах и у животных.

Синтез аминокислот происходит путём восстановительного аминирования ряда альдегидокислот и кетокислот, возникающих в результате окисления углеводов (В. Л. Кретович), или путём ферментативного переаминирования (А. Е. Браунштейн и М. Г. Крицман, 1937). Конечными продуктами усвоения аммиака микроорганизмами и растениями являются белки, входящие в состав протоплазмы и ядра клеток, а также отлагающиеся в виде запасных белков. Животные и человек способны лишь в огранической мере синтезировать аминокислоты. Они не могут синтезировать 8 незаменимых аминокислот (валин, изолейцин, лейцин, фенилаланин, триптофан, метионин, треонин, лизин), и потому для них основным источником азота являются белки, потребляемые с пищей, т. е., в конечном счёте, - белки растений и микроорганизмов.

Белки во всех организмах подвергаются ферментативному распаду, конечными продуктами которого являются аминокислоты. На следующем этапе в результате дезаминирования органический азот аминокислот вновь превращается в неорганический аммонийный азот. У микроорганизмов и особенно у растений аммонийный азот может использоваться для нового синтеза амидов и аминокислот. У животных обезвреживание аммиака, образующегося при распаде белков и нуклеиновых кислот, осуществляется путём синтеза мочевой кислоты (у пресмыкающихся и птиц) или мочевины (у млекопитающих, в том числе и у человека), которые затем выводятся из организма. С точки зрения обмена азота растения, с одной стороны, и животные (и человек), с другой, отличаются тем, что у животных утилизация образующегося аммиака осуществляется лишь в слабой мере - большая часть его выводится из организма; у растений же обмен азота "замкнут" - поступивший в растение азот возвращается в почву лишь вместе с самим растением.

Фосфор - один из важнейших биогенных элементов, необходимый для жизнедеятельности всех организмов. Присутствует в живых клетках в виде орто- и пирофосфорной кислот и их производных, а также входит в состав нуклеотидов, нуклеиновых кислот, фосфопротеидов, фосфолипидов, фосфорных эфиров углеводов, многих коферментов и др. органических соединений. Благодаря особенностям химического строения атомы фосфора, подобно атомам серы, способны к образованию богатых энергией связей в макроэргических соединениях; аденозинтрифосфорной кислоте (АТФ), креатин фосфате и др. Главную роль в превращениях соединений фосфора в организме животных и человека играет печень. Обмен фосфорных соединений регулируется гормонами и витамином D.

Суточная потребность человека в фосфоре 1=1,2 г (у детей она выше, чем у взрослых). Из продуктов питания наиболее богаты фосфором сыр, мясо, яйца, зерно бобовых культур (горох, фасоль и др.). При недостатке фосфора в организме у животных и человека развиваются остеопороз и др. заболевания костей, у растений = фосфорное голодание.

В виде органических и неорганических соединений сера постоянно присутствует во всех живых организмах и является важным биогенным элементом. Её среднее содержание в расчёте на сухое вещество составляет: в морских растениях около 1,2%, наземных - 0,3%, в морских животных 0,5-2%, наземных - 0,5%. Биологическая роль серы определяется тем, что она входит в состав широко распространённых в живой природе соединений: аминокислот (метионин, цистеин), и следовательно белков и пептидов; коферментов (кофермент А, липоевая кислота), витаминов (биотин, тиамин), глутатиона и другие Сульфгидрильные группы (- SH) остатков цистеина играют важную роль в структуре и каталитическая активности многих ферментов. Образуя дисульфидные связи (- S - S -) внутри отдельных полипептидных цепей и между ними, эти группы участвуют в поддержании пространственной структуры молекул белков.

Иод - необходимый для животных и человека микроэлемент. В почвах и растениях таёжно-лесной нечернозёмной, сухостепной, пустынной и горных биогеохимических зон иод содержится в недостаточном количестве или не сбалансирован с некоторыми другими микроэлементами (Со, Mn, Cu); с этим связано распространение в этих зонах эндемического зоба.

В животный организм иод поступает с пищей, водой, воздухом. Основной источник иода - растительные продукты и корма. Всасывание иод происходит в передних отделах тонкого кишечника. В организме человека накапливается от 20 до 50 мг иода, в том числе в мышцах околомг , в щитовидной железе в норме 6-15 мг . Суточная потребность в иоде человека и животных - около 3 мкг на 1 кг массы (возрастает при беременности, усиленном росте, охлаждении). Введение в организм иода повышает основной обмен, усиливает

При приёме внутрь препараты иода оказывают влияние на обмен веществ, усиливают функцию щитовидной железы. Малые дозы иода (микроиод) тормозят функцию щитовидной железы, действуя на образование тиреотропного гормона передних долей гипофиза.

Фтор постоянно входит в состав животных и растительных тканей; микроэлемент. В виде неорганических соединений содержится главным образом в костях животных и человека мг/кг ; особенно много фтора. в зубах. Поступает в организм животных и человека преимущественно с питьевой водой, оптимальное содержание фтора в которой 1-1,5 мг/л. При недостатке фтора у человека развивается кариес зубов, при повышенном поступлении - флюороз. Биологическая роль фтора. изучена недостаточно. Установлена связь обмена фтора с образованием костной ткани скелета и особенно зубов.

Хлор - один из биогенных элементов, постоянный компонент тканей растений и животных. Суточная потребность взрослого человека в хлоре. (2-4 г) покрывается за счёт пищевых продуктов. С пищей хлор поступает обычно в избытке в виде хлорида натрия и хлорида калия. Играет роль в водно-солевом обмене, способствуя удержанию тканями воды. Хлор участвует в энергетическом обмене у растений, активируя как окислительное фосфорилирование, так и фотофосфорилирование.

Бром - постоянная составная часть тканей животных и растений. Бром найден в различных секретах (слезах, слюне, поте, молоке, желчи). Введённые в организм животных и человека бромиды усиливают концентрацию процессов торможения в коре головного мозга, содействуют нормализации состояния нервной системы, пострадавшей от перенапряжения тормозного процесса. Одновременно, задерживаясь в щитовидной железе, бром вступает в конкурентные отношения с йодом, что влияет на деятельность железы, а в связи с этим - и на состояние обмена веществ.

Железо присутствует в организмах всех животных и в растениях (в среднем около 0,02%); оно необходимо главным образом для кислородного обмена и окислительных процессов.

В организм животных и человека железо поступает с пищей (наиболее богаты им печень, мясо, яйца, бобовые, хлеб, крупы, шпинат, свёкла). В норме человек получает с рациономмг железа, что значительно превышает его суточную потребность. Основное депо железа в организме - печень и селезёнка. За счёт железа ферритина происходит синтез всех железосодержащих соединений организма: в костном мозге синтезируется дыхательный пигмент гемоглобин, в мышцах - миоглобин, в различных тканях цитохромы и др. железосодержащие ферменты. Выделяется железо из организма главным образом через стенку толстых кишок (у человека около 6-10 мг в сутки) и в незначительной степени почками.

Медь - необходимый для растений и животных микроэлемент. Основная биохимическая функция меди - участие в ферментативных реакциях в качестве активатора или в составе медьсодержащих ферментов.

Содержание меди у человека колеблется (на 100 г сухой массы) от 5 мг в печени до 0,7 мг в костях, в жидкостях тела - от 100 мкг (на 100 мл ) в крови до 10 мкг в спинномозговой жидкости; всего меди в организме взрослого человека около 100 мг. Медь входит в состав ряда ферментов (например, тирозиназы, цитохромоксидазы), стимулирует кроветворную функцию костного мозга. Малые дозы меди влияют на обмен углеводов (снижение содержания сахара в крови), минеральных веществ (уменьшение в крови количества фосфора) и др. Увеличение содержания меди в крови приводит к превращению минеральных соединений железа в органические, стимулирует использование накопленного в печени железа при синтезе гемоглобина.

Цинк как один из биогенных элементов постоянно присутствует в тканях растений и животных. Среднее содержание цинка в большинстве наземных и морских организмов - тысячные доли процента. Богаты цинком грибы, особенно ядовитые, лишайники, хвойные растения и некоторые беспозвоночные морские животные, например устрицы (0,4% сухой массы). В зонах повышенных содержаний цинка в горных породах встречаются концентрирующие цинк т. н. галмейные растения. В организм растений цинк поступает из почвы и воды, животных - с пищей. Суточная потребность человека в цинке (5-20 мг ) покрывается за счёт хлебопродуктов, мяса, молока, овощей; у грудных детей потребность в цинке (4-6 мг ) удовлетворяется за счёт грудного молока.

Биологическая роль цинка связана с его участием в ферментативных реакциях, протекающих в клетках. Он входит в состав важнейших ферментов: карбоангидразы, различных дегидрогеназ, фосфатаз, связанных с дыханием и др. физиологическими процессами, протеиназ и пептидаз, участвующих в белковом обмене, ферментов нуклеинового обмена (РНК- и ДНК-полимераз) и др. Цинк играет существенную роль в синтезе молекул информационной РНК на соответствующих участках ДНК (транскрипция), в стабилизации рибосом и биополимеров (РНК, ДНК, некоторые белки).

В растениях наряду с участием в дыхании, белковом и нуклеиновом обменах цинк регулирует рост, влияет на образование аминокислоты триптофана. повышает содержание гиббереллинов. Цинк стабилизирует макромолекулы различных биологических мембран и может быть их интегральной частью, влияет на транспорт ионов, участвует в надмолекулярной организации клеточных органелл. В присутствии цинка в культуре Ustilago sphaerogena формируется большее число митохондрий, при недостатке цинка у Euglena gracilis исчезают рибосомы. Цинк необходим для развития яйцеклетки и зародыша (в его отсутствии не образуются семена). Он повышает засухо-, жаро- и холодостойкость растений. Недостаток цинка ведёт к нарушению деления клеток, различным функциональным болезням - побелению верхушек кукурузы, розеточности растений и др. У животных, помимо участия в дыхании и нуклеиновом обмене, цинк повышает деятельность половых желёз, влияет на формирование скелета плода. Показано, что недостаток цинка у грудных крыс уменьшает содержание РНК и синтез белка в мозге, замедляет развитие мозга. Из слюны околоушной железы человека выделен цинксодержащий белок; предполагается, что он стимулирует регенерацию клеток вкусовых луковиц языка и поддерживает их вкусовую функцию. Цинк играет защитную роль в организме при загрязнении среды кадмием.

Медицинское значение цинка. Дефицит цинка в организме ведёт к карликовости, задержке полового развития; при его избыточном поступлении в организм возможны (по экспериментальным данным) канцерогенное влияние и токсическое действие на сердце, кровь, гонады и др. Производственные вредности могут быть связаны с неблагоприятным воздействием на организм как металлического цинка, так и его соединений. При плавке цинкосодержащих сплавов возможны случаи литейной лихорадки. Препараты цинка в виде растворов (сульфат цинка) и в составе присыпок, паст, мазей, свечей (окись цинка) применяют в медицине как вяжущие и дезинфицирующие средства.

Постоянно присутствуя в тканях животных и растений, кобальт участвует в обменных процессах. В животном организме содержание кобальта зависит от его уровня в кормовых растениях и почвах. Концентрация кобальта в растениях пастбищ и лугов в среднем составляет 2,2·,5·10 -5 % на сухое вещество. Способность к накоплению кобальта у бобовых выше, чем у злаковых и овощных растений. В связи с высокой способностью к концентрации кобальта морские водоросли по его содержанию мало отличаются от наземных растений, хотя в морской воде кобальта значительно меньше, чем в почвах. Суточная потребность человека в кобальте равна примерно 7-15 мкг и удовлетворяется за счёт его поступления с пищей. Потребность животных в кобальте зависит от их вида, возраста и продуктивности. Наиболее нуждаются в кобальте жвачные, которым он необходим для развития симбиотической микрофлоры в желудке (главным образом в рубце). Суточная потребность в кобальте у дойных коров составляет 7-20 мг, у овец - около 1 мг. При недостатке кобальта в рационе снижается продуктивность животных, нарушаются обмен веществ и кроветворение, у жвачных возникают эндемичные заболевания - акобальтозы.

Биологическая активность кобальта определяется его участием в построении молекулы витамина B 12 и его коферментных форм, фермента транскарбоксилазы. Кобальт необходим для проявления активности ряда ферментов. Он влияет на обмен белка и синтез нуклеиновых кислот, на обмен углеводов и жиров, окислительно-восстановительные реакции в животном организме. Кобальт - мощный активатор кроветворения и синтеза эритропоэтинов. Кобальт участвует в ферментных системах клубеньковых бактерий, осуществляющих фиксацию атмосферного азота; стимулирует рост, развитие и продуктивность бобовых и растений ряда др. семейств.

Биогенные элементы

Биогенные элементы – это химические элементы, постоянно входящие в состав организмов и выполняющие определенные биологические функции. Биогенные элементы необходимы для существования и жизнедеятельности живых организмов.

Основу живых систем составляют шесть элементов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера. Эти элементы называют органогенами; их суммарное содержание в живых организмах превышает 97 % (по массе). Однако перечень биогенных элементов не исчерпывается лишь органогенами. К числу важнейших биогенных элементов относятся также хлор, калий, натрий, магний, кальций, железо, цинк, медь, марганец, ванадий, молибден, бор, кремний, селен, фтор, бром, йод и некоторые другие элементы.

По количественному содержанию в организме биогенные элементы делятся на макро-, микро- и ультрамикроэлементы. Макроэлементы – это элементы, массовая доля которых в живых организмах превышает 0,01 % (кислород, углерод, водород, азот, фосфор, сера, кальций, магний, натрий, хлор). Содержание микроэлементов в организме составляет 10 –5 –10 –3 масс. %; микроэлементами являются фтор, бром, йод, мышьяк, стронций, барий, медь, кобальт. Элементы, массовая доля которых в организме менее 10 –5 %, называют ультрамикроэлементами (ртуть, золото, уран, торий, радий и др.). Часто микроэлементы и ультрамикроэлементы объединяют в одну группу. В таблице 1.1 приведены данные о содержании ряда химических элементов в организме человека .

Таблица 1.1 – содержание некоторых химических элементов в организме человека

Недостаток данной классификации заключается в том, что она отражает лишь содержание элементов в живых организмах, но не указывает на биологическое значение того или иного элемента.

По значимости для жизнедеятельности организма химические элементы можно разделить на 3 группы :

1 – жизненно необходимые (незаменимые) элементы – постоянно содержатся в организме человека и животных, входят в состав ферментов, гормонов и витаминов (C; H; O; N; P; S; Cl; I; K; Na; Mg; Ca; Mn; Fe; Co; Cu; Zn; Mo; V). Их дефицит приводит к нарушению нормального функционирования организма.

2–примесные элементы, постоянно находящиеся в организме; эти элементы постоянно содержатся в организме человека и животных (Ga; Sb; Sr; Br; F; B; Be; Li; Si; Sn; Cs; Al; Ba; Ge; As; Rb; Pb; Ra; Bi; Cd; Cr; Ni; Ti; Ag; Th; Hg; U; Se), однако их биологическая роль малоизучена или неизвестна.

3 – примесные элементы, обнаруживаемые в организме (микропримесные элементы) – данные о содержании этих элементов (Sc; Tl; In; La; Pr; Sm; W; Re; Tb и др.) и их биологической роли в настоящее время отсутствуют.

Как следует из вышеизложенного, перечислить точно все биогенные элементы невозможно из-за сложности определения очень маленьких концентраций микроэлементов и выяснения их биологических функций. В настоящее время известно, что в организме человека и животных обнаруживается свыше 70 элементов таблицы Д.И. Менделеева; около 50 из них присутствуют постоянно, т.е. являются биогенными. Развитие аналитической химии и, в частности, спектрального анализа позволяет расширить перечень биогенных элементов и установить биологическое значение многих из них.

Макроэлементы

Биологически значимые элементы (в противоположность биологически инертным элементам ) - химические элементы, необходимые организму человека или животного для обеспечения нормальной жизнедеятельности. Делятся на макроэлементы (содержание которых в живых организмах составляет больше 0,001 %) и микроэлементы (содержание менее 0,001 %).

Использование термина «минерал» по отношению к биологически значимым элементам

Микро- и макроэлементы (кроме кислорода, водорода, углерода и азота), попадают в организм, как правило, при приёме пищи. Для их обозначения в английском языке существует термин Dietary mineral .

В конце ХХ века российские производители некоторых лекарственных препаратов и биологически активных добавок стали использовать для обозначения макро- и микроэлементов термин минерал, калькируя англоязычное Dietary mineral . С научной точки зрения такое употребление термина «минерал» является неправильным, в русском языке слово минерал следует использовать только для обозначения геологического природного тела с кристаллической структурой. Тем не менее, производители т.н. «биологических добавок», возможно, в рекламных целях, стали называть свою продукцию витамино-минеральными комплексами.

Макроэлементы

Эти элементы слагают плоть живых организмов. Рекомендуемая суточная доза потребления макроэлементов составляет более 200 мг. Макроэлементы, как правило, поступают в организм человека вместе с пищей.

Биогенные элементы

Эти макроэлементы называют биогенными (органогенными) элементами или макронутриентами (англ. macronutrient ). Из макронутриентов преимущественно построены такие органические вещества, как белки, жиры, углеводы, ферменты, витамины и гормоны. Для обозначения макронутриентов иногда используют акроним CHNOPS , состоящий из обозначений соответсвующих химических элементов в таблице Менделеева.

Другие макроэлементы

Микроэлементы

Термин «микроэлементы» получил особое распространение в медицинской, биологической и сельскохозяйственной научной литературе в середине XX века. В частности, для агрономов стало очевидным, что даже достаточное количество «макроэлементов» в удобрениях (троица NPK - азот, фосфор, калий) не обеспечивает нормального развития растений.

Микроэлементами называются элементы, содержание которых в организме мало, но они участвуют в биохимических процессах и необходимы живым организмам. Рекомендуемая суточная доза потребления микроэлементов для человека составляет менее 200 мг. В последнее время производители биологически активных добавок стали использовать заимствованный из европейских языков термин микронутриент (англ. micronutrient ). Под микронутриентами объединяют микроэлементы, витамины и некоторые макроэлементы (калий, кальций, магний, натрий).

Поддержание постоянства внутренней среды (гомеостаза) организма, предусматривает в первую очередь поддержание качественного и количественного содержания минеральных веществ в тканях органах на физиологическом уровне.

Основные микроэлементы

По современным данным более 30 микроэлементов считаются необходимыми для жизнедеятельности растений, животных и человека. Среди них (в алфавитном порядке):

Чем меньше концентрация соединений в организме, тем труднее установить биологическую роль элемента, идентифицировать соединения, в образовании которых он принимает участие. К числу несомненно важных относят ванадий, кремний и др.

Совместимость

В процессе усвоения организмом витаминов, микроэлементов и макроэлементов возможен антагонизм (отрицательное взаимодействие) или синергизм (положительное взаимодействие) между разными компонентами.

Недостаток микроэлементов в организме

Основные причины, вызывающие недостаток минеральных веществ:

• Неправильное питание или однообразное питание, некачественная питьевая вода.
• Геологические особенности различных регионов земли - эндемические (неблагоприятные) районы.
• Большая потеря минеральных веществ по причине кровотечений, болезнь Крона, язвенный колит.
• Употребление некоторых лекарственных средств, связывающих или вызывающих потерю микроэлементов.

См. также

Примечания

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое «Макроэлементы» в других словарях:

МАКРОЭЛЕМЕНТЫ - химические элементы или их соединения, используемые организмами в сравнительно больших количествах: кислород, водород, углерод, азот, железо, фосфор, калий, кальций, сера, магний, натрий, хлор и др. Макроэлементы участвуют в построении… … Экологический словарь

Макроэлементы - химические элементы, из которых состоят основные пищевые вещества, и другие, присутствующие в организме в относительно больших количествах, из которых гигиенически значимыми являются кальций, фосфор, железо, натрий, калий.

Это группа химических элементов, находящихся в органах человека или животного в незначительных количествах.

Суточная потребность в них выражается в миллиграммах или частицах миллиграмма. Они имеют высокую биологическую активность и необходимы для жизни организма. К таким элементам относятся, железо, медь, кобальт, никель, йод, марганец, фтор, цинк, хром.

Недостаток этих веществ в продуктах может привести к структурным и функциональным изменениям в организме, а их излишек носит токсическое действие.

Основные характеристики микроэлементов

Железо.

Находится в гемоглобине крови, берёт участие в окислительно – обновляющих процессах, входит в состав ферментов, стимулирует внутриклеточный обмен.

Железо находится в печени, почках, мясе кроликов, яйцах, гречневой, пшеничной крупе, бобовых, яблоках, персиках.

Медь.

Необходима для синтеза гемоглобина, ферментов, белков, способствует нормальному функционированию желёз внутренней секреции, выработке инсулина, адреналина.

Медь находится в печени, морских продуктах, гречневых и овсяных крупах, орехах.

Кобальт.

Активизирует процессы создания эритроцитов в гемоглобине, влияет на активность некоторых элементов, берёт участие в выработке инсулина, необходим для синтеза витамина В.

Кобальт находится в морских растениях, горохе, буряке, чёрной смородине, клубнике.

Берёт участие в создании гормонов щитовидной железы – тироксина, который контролирует состояние энергетического обмена, активно влияет на физическое и психологическое развитие, обмен белков, жиров, углеводов, водо – солевой обмен. Недостаток йода в организме человека ведёт за собой увеличение количества тиреоглобулина, а это резко снижает функцию половых желёз и вызывает умственную отсталость. Как следствие железа увеличивается, возникает болезнь, названная зобом.

На Украине, в западных областях, удалённых от моря, по данным Института эндокринологии, 30% детей болеют зобом; они отстают в умственном, физическом и половом развитии. Всего же в стране 1,5 млн. людей страдают зобом.

Находится в морской воде, продуктах моря – рыбы, морская капуста.

Марганец.

Берёт участие в создании клеток, в кровообращении, функциях эндокринной системы, обмене витаминов, в стимулировании процессов роста.

Марганец находится в злаковых и бобовых культурах, кофе, орехах.

Фтор.

Берёт участие в развитии зубов, создании клеток, нормализует фосфоро – кальцевый обмен.

Находится в рыбе, баранине, телятине, овсяной крупе, орехах.

Цинк.

Входит в состав многих ферментов, инсулина, берёт участие в кровообращении, синтезе аминокислот, необходим для нормальной деятельности эндокринных желёз, нормализует жировой обмен.

Находится в печёнке, мясе, желтке яиц, грибах, злаковых, бобовых, чесноке, картофеле, буряке, орехах.

Хром.

Берёт участие в регуляции углеводов и минеральном обмене, метаболизме холестерина, активизирует часть ферментов.

Хром находится в говядине, печёнке, мясе птицы, зерновых, бобовых, в перловой крупе, ячменной муке.

17. Обмен веществ и энергии в процессе питания

Жизненные процессы организма связаны с постоянным поглощением веществ в окружающей среде и выделением конечных продуктов распада в эту же среду.

Совокупность химических превращений в организмах, обеспечивающих их рост, жизнедеятельность и воспроизведение – называется обменом веществ (метаболизмом).

Он осуществляется между живыми организмами и окружающей средой. Обмен веществ присущ как для живой, так и неживой природы. Однако между ними существует принципиальное различие в процессе обмена неживых тел, последние непременно разрушаются, тогда как обмен веществ живых организмов и окружающей среды создают основу их существования.

Основу обмена веществ составляют 2 (два) взаимосвязанных процесса синтеза (анаболизма) и распада (катаболизма).

Первый – ассимиляция (анаболизм); пластический обмен (усвоения веществ и синтеза специфических для каждой ткани соединений).

Второй – диссимиляции (катаболизма); энергетического обмена (ферментативного расщепления органических веществ и выделения из организма продуктов распада).

Обмен веществ и энергии в клетке осуществляются в виде:

Пластического обмена (ассимиляции, анаболизма) т. е. совокупности реакций биосинтеза (создание веществ совершается с поглощением энергии);

Энергетического обмена (диссимиляции, катаболизма) т. е. совокупности реакций расщепления веществ и выделения энергии.

Вследствие процессов диссимиляции пищевых продуктов создаются продукты рассада и энергия, которая обеспечивает ход процессов ассимиляции. Взаимодействие этих процессов обеспечивают существование организма.

В основе обмена веществ лежит большое количество химических реакций, которые совершаются в определённой последовательности и тесно связаны одна с дугой. Эти реакции катализируются ферментами и находятся под контролем нервной системы. Обмен веществ можно условно разделить на внешний обмен, который включает нахождение питательных веществ в организме и удаления конечных продуктов распада, и внутренний обмен, который превращает все изменения питательных веществ в клетках организма.

Смотреть что такое "Макроэлементы" в других словарях:

МАКРОЭЛЕМЕНТЫ - химические элементы или их соединения, используемые организмами в сравнительно больших количествах: кислород, водород, углерод, азот, железо, фосфор, калий, кальций, сера, магний, натрий, хлор и др. Макроэлементы участвуют в построении… … Экологический словарь

Макроэлементы - химические элементы, из которых состоят основные пищевые вещества, и другие, присутствующие в организме в относительно больших количествах, из которых гигиенически значимыми являются кальций, фосфор, железо, натрий, калий... Источник:… … Официальная терминология

макроэлементы - макроячейки макрокоманды — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом Синонимы макроячейкимакрокоманды EN macros … Справочник технического переводчика

макроэлементы - makroelementai statusas T sritis chemija apibrėžtis Cheminiai elementai, kurių labai daug reikia gyviesiems organizmams. atitikmenys: angl. macroelements; macronutrients rus. макроэлементы … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

макроэлементы - makroelementai statusas T sritis ekologija ir aplinkotyra apibrėžtis Cheminiai elementai (vandenilis, deguonis, anglis, azotas, fosforas, siera, kalis, kalcis, magnis, natris, aliuminis, silicis, geležis, chloras), kurių gamtoje (uolienose,… … Ekologijos terminų aiškinamasis žodynas

МАКРОЭЛЕМЕНТЫ - (от греч. makrós — большой, длинный и лат. elementum — первоначальное вещество), устаревшее название химический элементов, составляющих основную массу живого вещества (99,4%). К М. относятся: кислород, углерод, водород, азот, кальций,… … Ветеринарный энциклопедический словарь

МАКРОЭЛЕМЕНТЫ - химические элементы, усвояемые растениями в больших количествах, содержание которых выражается величинами от десятков процентов до сотых долей процента. Помимо органогенов (C, О, Н, N) в группу М. входят Si, К, Ca, Mg, Na, Fe, P, S, Al … Словарь ботанических терминов

Макроэлементы - химические элементы, усвояемые растениями в больших количествах, от n. 10 до n. 10 2 вес. %. Главными М. являются N, Р, К, Са, Mg, Si, Fe, S … Толковый словарь по почвоведению

Макроэлементы - – элементы, содержащиеся в рационе, суточная потребность которых измеряется не менее чем десятыми долями грамма, входят в состав структур клеток и органических соединений, напр. натрий, калий, кальций, магний, фосфор и др … Словарь терминов по физиологии сельскохозяйственных животных

Содержащиеся в пищевых продуктах химические элементы, суточная потребность в которых измеряется не менее чем десятыми долями грамма, напр. натрий, калий, кальций, магний, фосфор … Большой медицинский словарь