Жизненно необходимые химические элементы и их биологическая роль

Элемент

Краткая химическая характеристика

Содержание в организме

Биологическая роль

1

2

3

4

Водород (Н)

s-элемент, в природных соединениях проявляет СО +1, с элементами-органогенами образует только ковалентные связи, ион Н⁺– активный комплексообразователь, носитель кислотных свойств, атомы Н сильнополярных связей О–Н, N–Н образуют водородные связи

9,7%. Связан полярной ковалентной связью с другими биогенными элементами или в виде свободного Н⁺.

Органогенный макроэлемент; в связанном виде ОВ-свойств не проявляет, Н⁺ – активный участник ОВР, не изменяет СО, но способствует превращению биосубстратов

Кислород (О)

р-элемент, имеет высокую электроотрицательность, в связи с чем образует полярные связи с другими элементами; окислитель; молекула имеет структуру бирадикала; малоактивный лиганд; плохо растворим в плазме крови

62,4%, в 1 литре плазмы растворено 5 мл кислорода,

в виде оксигемоглобина 1 литр крови переносит 250 мл кислорода;

кислородсодержащие соединения

Органогенный макроэлемент;

главная функция в живой природе – окислительная, необходимый участник биологического окисления как свободного, так и сопряженного, в норме в клетках происходит полная утилизация О₂:

О₂+4е+4Н⁺2Н₂О

1

2

3

4

Углерод (С)

р-элемент, СО от –4 до +4, легкость гибридизации атомных орбиталей, способность образовывать ординарные, двойные и тройные связи между собой и с другими атомами элементов-органогенов; в соединениях образует прочные ковалентные связи с достаточно лабильными электронными парами этих связей

21%, входит в состав всех органических соединений, образует важнейшие соединения: оксид углерода (IV), бикарбонатный буфер, карбонаты и гидрокарбонаты;

Органогенный макроэлемент; при взаимодействии сильных окислителей с органическими веществами протекает полное или неполное окисление атомов углерода этих соединений, атомы углерода в многообразных реакциях могут быть как окислителями, так и восстановителями

Азот (N)

р-элемент, имеет высокое значение энергии ионизации и небольшой R_i, высокую электроотрицательность, образует ковалентные полярные связи, обладает электронодонорной способностью; валентность 3 и 4, СО от –3 до +5

3,1%; необходимый компонент аминокислот, белков, нуклеиновых кислот и др. азотсодержащих соединений

Органогенный макроэлемент;

основной компонент воздуха, в молекулярном виде не усваивается;

простейший азотсодержащий метаболит – аммиак, который благодаря нуклеофильности легко ацилируется, несмотря на СО = –3, в условиях организма устойчив к окислению;

оксиды азота (II, IV), нитриты, нитраты токсичны для организма

1

2

3

4

Фосфор (Р)

р-элемент, валентность 3 и 5, СО от –3 до +5; для фосфорных кислот характерны электрофильно-нуклеофильные реакции, что проявляется в их взаимодействии со спиртами с образованием эфиров, а также гидролизе этих эфиров

0,95%, только в виде фосфатов, неорганических и органических

Органогенный макроэлемент;

фосфаты служат структурными компонентами скелета, клеточных мембран и нуклеиновых кислот;

полифосфаты аккумулируют и переносят энергию от экзэргонических к эндэргоническим реакциям и процессам;

совокупность кислых фосфатов в крови образует фосфатную буферную систему

Сера (S)

Р-элемент, валентность 4 и 6, СО от –2 до +6; большой R_i, невысокая электроотрицательность, наличие внутреннего электронного экрана 2s²2p⁶ и вакантных 3d-орбиталей во внешнем слое способствуют уменьшению энергии серусодержащих связей и увеличивают поляризуемость как связей, так и неподеленных пар электронов внешнего слоя;

атом серы – мягкий центр

0,16%; в серусодержащих биосубстратах сера имеет СО –2, что способствует высокой восстановтельной активности этих соединений

Органогенный макроэлемент;

тиолы R–SH проявляют защитные свойства относительно окислителей и активных радикалов, участвуют в синтезе метаболитов, поддержании тиол-дисульфидного равновесия в антиоксидантной системе