лекция 11
.docЛекция 11
Тема: Химический состав организма человека
-
Химические элементы в организме человека.
-
Вода. Строение молекулы. Биологическая роль.
-
Роль макро- и микроэлементов в организме человека.
Проводя детальный анализ содержания элементов в земной коре и в живых организмах, Вернадский пришёл к выводу, что в живом организме когда-нибудь будут найдены все элементы периодической системы, обнаруженные в неживой природе Земли. Действительно, к настоящему времени в организме человека надёжно установлено присутствие около 70 элементов периодической системы.
Земную кору составляет сравнительно небольшое число элементов. Около 0,5 массы земной коры приходится на кислород, более 0,25 - на кремний. Всего 18 элементов: O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, H, Ti, C, Cl, P, S, N, Mn, F, Ba – составляют 99,8 % массы земной коры. В живом организме преобладают 6 элементов: C, H, O, N, P, S – на которые приходится 97,4 % массы организма. Эти элементы называются органогенами. Можно отметить, что в земной коре преобладают металлы, тогда как в живых организмах – неметаллы.
Поступление элементов в живой организм из окружающей среды обусловлено следующими факторами:
-
нахождением элемента в природе в доступной (обычно водорастворимой) форме;
-
способностью организма поглощать элемент;
-
способностью организма накапливать элемент.
Живые организмы принимают активное участие в перераспределении химических элементов в земной коре. Минералы, природные химические соединения образуются в биосфере в различных количествах благодаря жизнедеятельности различных организмов (так называемого живого вещества). Примером геохимической функции живого вещества является кальциевая функция, характерная для всех организмов, имеющих кальциевый скелет. Концентрируя кальций в своих телах, живые организмы энергично извлекают его из окружающей среды. Когда же организм отмирает, основной минеральной составляющей остатка оказывается кальциевый скелет , который, в свою очередь, возвращается в окружающею «неживую» среду.
Сопоставляя качественный состав земной коры, геосферы и биосферы (табл. 1), можно заметить, что элементарный состав живого вещества сильно отличается от такового для земной коры и ближе стоит к составу морской воды, исключая углерод и кальций.
Таблица 1
Содержание элементов в земной коре, морской воде, растениях и животных (в % по массе)
Элемент |
Земная кора |
Морская вода |
Растения |
Животные |
O |
49,4 |
85,7 |
70 |
62,4 |
Si |
27,6 |
5*10 -5 |
0,15 |
1*10 -5 |
Al |
8,5 |
1*10 -6 |
0,02 |
1*10 -5 |
Fe |
5,0 |
5*10 -6 |
0,02 |
0,01 |
C |
0,01 |
0,002 |
18 |
21 |
Ca |
3,5 |
0,04 |
0,3 |
1,9 |
K |
2,5 |
0,04 |
0,3 |
0,27 |
Na |
2,6 |
1,06 |
0,02 |
0,1 |
Mg |
2,0 |
0,14 |
0,07 |
0,03 |
Возникает вопрос: почему некоторые элементы преобладают именно в живых организмах? Каковы должны быть свойства этих элементов?
С химической точки зрения, отбор элементов при формировании живых организмов сводится к отбору тех из них, которые способны к образованию прочных, но в то же время и лабильных связей. Эти связи должны легко подвергаться как гомолитическому, так и гетеролитическому разрыву, а также циклизации. Именно поэтому органоген №1 – углерод. Атомы водорода и кислорода гораздо менее лабильны, но они образуют устойчивую среду для соединений остальных элементов – воду – и обеспечивают протекание окислительно-восстановительных процессов. Атомы неметаллов N, P и S, а также металлов Fe, Cu Mo, отличаются особой лабильностью в образовании различных химических связей. Это связано с проявлением ими различных степеней окисления и координационных чисел. Сравнение химического состава живой и неживой природы можно закончить следующими словами известного учёного-философа Дж. Бернала: «Лабильные атомы S, P и Fe, которые претерпевают большие изменения в неорганическом мире, имеют главенствующее значение в биохимии; стабильные атомы Si, Al, Na, составляющие большую часть земной коры, играют второстепенную роль в живых организмах или отсутствуют вовсе».
Поведение отдельных элементов в живых организмах, а также в модельных соединениях, имитирующих живые организмы, изучает новая наука – бионеорганическая химия, появившаяся на стыке биологии, биохимии, медицины, неорганической химии и экологии. Главная задача бионеорганической химии – изучить на молекулярном уровне взаимодействие металлов (особенно – биметаллов) с биологически активными лигандами (биолигандами), которыми могут быть как соединения, присутствующие постоянно в живом организме (эндогенные лиганды), так и поступающие в организм извне (экзогенные лиганды).
В организме человека обнаружены 78элементов, что составляет 70% от всех известных в ПС. Их делят на группы:
Макроэлементы – Н, О, С, N, S, P- Органогены содержание более 1 10-2%
К, Na, Ca, CI на их долю падает 99%
Микроэлементы – Fe(железо),Cu(медь), содержание 110-2 1 10-5% на
Mn (марганец), Co (кобальт), Ni (никель), их долю падает около 1%
F (фтор), Br (бром), I (йод) и др.
Ультрамикроэлементы – Au (золото), содержание менее 1 10-6%
Hg (ртуть),Ag(серебро), и др.
Макроэлементы – это s и р – элементы второго и третьего периода ПС с малыми радиусом и зарядом ядра, низкой атомной массы. Органогены образуют основную массу белков, жиров, углеводов. С возрастанием атомной массы увеличивается токсичность элемента и уменьшается содержание в форме. Для обозначения химического элемента введены химические знаки. Они образуются от начальной или начальной и одной из последующих букв латинского названия элементов.
Химические вещества делят на:
Простые: Сложные:
состоят из атомов одного вида состоят из атомов разных
(газы, простые металлы О2, Н2, видов (Н2О, СО2, NH3 и др.)
N2 и др.).
По молекулярной массе все химические вещества делят на :
-
низкомолекулярная Mr =17-44 (Н2О, NН3, СО2, N2, О2;
-
промежуточные молекулы Mr = 50-150 (жирные кислоты, аминокислоты, глюкоза, глицерин);
-
высокомолекулярные (макромолекулы) Mr = 103-109 – это белки, липиды, полисахариды, нуклеиновые кислоты.
Состав вещества описывается химической формулой – это условная запись состава вещества с помощью химических знаков и индексов.
-
Биологическая роль воды в организме человека занимает первое место. Среди содержащихся сложных веществ 60% от массы тела человека. Содержание воды в организме изменяется ребенок – 6 месяцев 70%, 1год- 5%, взрослый –60% воды.
В плазме крови 90%, костная ткань 10%, мышцы 50%. Особенности физических свойств обусловлены химическим строением: молекула воды имеет угловую форму с углом 104,5 о с ковалентным полярным типом связи. В силу смещения центров тяжести «+» и «-» полюсов молекула воды является диполем. За счет полярности молекулы воды способны создавать водородные связи между собой, образуя ассоциаты: (Н2О)2(Н2О)3(Н2О)4
вода обладает высокой температурой испарения и кристаллизации. Она способна образовывать кристаллгидраты (медный купорос). Вода единственное вещество, для которого переход из жидкой в твердую фазу сопровождается уменьшением плотности, т.е. увеличением объема.
Вода создает жидкую среду, переносит питательные вещества и продукты обмена. Высокая теплоемкость и теплота испарения обуславливает участие поддержания постоянной температуры тела, т.е. в теплорегуляции. Вода – химический реагент в реакциях организма, участвует в создании и поддержании осмотического давления.
Вода может находиться в свободном виде (спинномозговая жидкость, кровь, лимфа, пищевые соки, моча) и в связанном (с ионами металлов, с белками). Суточная потребность в среднем составляет 2,5 литра, потеря 1/3 воды опасна для жизни, 2/3 смертельна. При мышечной работе организмом выделяется повышенное количество пота, потребность в воде увеличивается в несколько раз.
3. Среди катионов наибольшее значение имеет Na+ и К+, входящие в состав всех тканей организма, которые образуется в результате потери или присоединения электронов.
Натрий – является основным внеклеточным катионом, общая масса в организме 150 грамм, суточная потребность 4-5 грамм. Недостаток при обезвоживании вызывает падение осмотического давления во внеклеточной жидкости, проникновение воды внутрь эритроцитов, приводящая к гидролизу. Избыток натрия при сердечной недостаточности, опухоли надпочечников, это приводит к повышению осмотического давления во внеклеточном пространстве, что приводит к развитию отеков. Развивается высокое артериальное давление.
Калий – внутриклеточный катион, общее содержание до 140 грамм, суточная потребность 2-3 грамма. Калий участвует в мышечной деятельности, в регуляции деятельности сердца, способствует повышению силы сердечных сокращений, участвует в передаче нервного импульса. Избыток калия вызывает заболевания почек, а также нарушается кисло-основное равновесие. Недостаток – подавление нервно - мышечного возбуждения, выраженного в мышечной слабости, одышке, тошноте. Мембранный потенциал определяется ионом калия – Е мембраны = 75 мВ, значение мембранного потенциала клетки. При возбуждении, ион натрия более подвижен, который вытесняется ионом калия.
Кальций – вместе с фосфором составляет основу костной ткани, содержание в организме более 1 кг, суточная потребность до 1 грамма. Са3(РО4)2 – фосфат кальция, содержания кальция в организме. При недостатке в крови возникают судороги, в детском возрасте рахит, участвует в свертывании крови и сердечно-сосудистой деятельности.
Магний – общее содержание 28 г суточная потребность 0.7г Биологическая роль: Участвует в углеводном обмене и снижает возбудимость ЦНС, при усилении мышечной деятельность повышается содержание магния в крови и выведение его с мочой.
Железо – общее содержание в организме 4-5г. Суточная потребность до 0,02г. Содержание в организме: ионное железо в крови , в гемоглабине, в миоглабине в связанном виде депонированное железо в печени, в красном костном мозге и селезенке. Биологическая роль: участвует в кроветворении, дыхательной функции. Недостаток – развитие железо-дефицитной анемии.
Медь – обмен железа не возможен без меди, медь входит в состав 30 ферментов, участвующих в окислительно-восстановительных реакциях.
Кобальт – входит в состав витамина В12, при недостатке злокачественная анемия.
Цинк – содержание в организме 2-3г. Биологическая роль: входит в состав 100 ферментов, участвует в газообмене, тканевом дыхании, входит в состав инсулина, участвует в углеводном обмене, влияет на рост и синтез белка, участвует в процессах размножения (наибольшее содержание в половых железах).
Марганец – наибольшее содержание в митохондриях, входит в состав окислительно-восстановительных ферментов.
Фтор – наибольшее содержание в костной и зубной тканях. При недостатке – кариес зубов. Избыток – флюороз («пятнистая эмаль зубов»).
Иод – общее содержание 50 мг. Наибольшее содержание в щитовидной железе – участвует в синтезе тироксина. При недостатке – эндемический зоб.
Бром – участвует в регуляции процессов возбуждения и торможения. При недостатке – неврастения.