Неорганические вещества в организме человека

Минералы играют большую роль в организме человека. Минеральные вещества активно участвуют во всех биохимических и межклеточных процессах происходящих внутри нас.

Периодическая система элементов (таблица Менделеева) насчитывает на сегодняшний день почти 120 химических элементов. Более 80-ти элементов обнаружены в организме человека. Из них человеку для нормальной жизнедеятельности необходимы около 20-ти макро- и микроэлементов.

Эссенциальные элементы. Жизненно важные (эссенциальные) микроэлементы оказывают действие на организм человека опосредованно, управляя жизнедеятельностью гормонов, ферментов, белков, жиров, углеводов, витаминов и других биологически активных веществ. Это управление происходит за счёт поддержания их определённого соотношения и концентрации в организме.

Макроэлементы:

а) Органогенные элементы

H, O, C, N - 98%

+ S, P - биоэлементы, образуют органические соединения.

б) K, Na, Ca, Mg, Fe, Cl - около 2%

P, Ca – формирование костной ткани, прочность костей.

Са. После 4х главных элементов занимает пятое место. У взрослого человека за сутки из костной ткани выводится до 700мг кальция и столько же откладывается вновь. Следовательно, костная ткань помимо опорной функции, играет роль депо кальция и фосфора, откуда организм извлекает их при недостатке поступления с пищей.

Ca - обеспечивает свертываемость крови.

K, Na, Cl – проницаемость клеточных мембран, проведение нервного импульса.

Fe – входит в состав гемоглобина.

Mg - входит в состав хлорофилла у растений, в состав ферментов у животных.

Микроэлементы – содержание около 0,02%

Zn входит в состав инсулина – гормона поджелудочной железы, усиливает активность половых желез.

Cu обеспечивает рост тканей, входит в состав ферментов.

I входит в состав тироксина – гормона щитовидной железы.

Zn входит в состав инсулина - гормона поджелудочной железы.

F входит в состав эмали зубов.

Co входит в состав витамина В 12 (кобаламин)

Mn обеспечивает обмен веществ.

B отвечает за процесс роста.

Mo отвечает за использование железа, за задержку фтора в организме.

Недостаток макро- и микроэлементов приводит к различным заболеваниям. И чтобы их предотвратить, необходимо употреблять определенные продукты питания. Недостаток или переизбыток в организме любого из этих элементов влечет серьезные изменения в его жизнедеятельности и нередко может привести к серьезным осложнениям. Поэтому для нормальной жизнедеятельности организма в нём должен поддерживаться определённый баланс минеральных веществ.

В Украине наиболее часто встречаются дефициты йода, цинка, селена, магния, марганца и меди . Кроме того, у женщин во время беременности и у детей в периоды сильного роста, нередко отмечается недостаток в организме железа .

• 
  При недостатке кальция развивается остеопороз (мягкость, пористость костей), замедление роста скелета. Необходимо употреблять молочные продукты.
• 
  При недостатке магния мускульные судороги, потеря жидкости организмом. Продукты: овощи, фасоль, орехи, молоко, фрукты.
• 
  При недостатке хлора - сухость кожи. Продукты: вода, поваренная соль.
• 
  При недостатке натрия – головная боль, слабая память, потеря аппетита. Продукты: помидоры, абрикосы, горох, поваренная соль.
• 
  При недостатке калия –аритмия сердечных сокращений, внезапная смерть при увеличении нагрузок. Продукты – бананы, сухофрукты, картофель, помидоры, кабачки.
• 
  Фосфор – внешние признаки недостаточности неизвестны. Содержится в рыбе, молочных продуктах, грецких орехах, гречке.
• 
  При недостатке железа развивается анемия. Необходимо употреблять печень, мясо, зеленые листья овощей.
• 
  При недостатке фтор а – разрушение зубов. Продукты - рыба, вода.
• 
  При недостатке цинка – повреждения кожи. Продукты – мясо, морские продукты.
• 
  При недостатке йода развивается зоб. Необходимо употреблять хурму, морепродукты, йодированную соль.
• 
  При недостатке меди – раковые заболевания, нарушение деятельности печени. Продукты – печень, яичный желток, цельное зерно.
• 
  При недостатке кобальта развивается злокачественная анемия. Продукты - печень, животные белки.

• 
  Кроме воды, в числе неорганических веществ, входящих в состав клетки, нужно назвать соли, представляющие собой ионные соединения. В водном растворе они диссоциируют с образованием катиона металла и аниона кислотного остатка.
• 
  Для процессов жизнедеятельности клетки наиболее важны
• 
  Катионы : K, Na, Ca, Mg .
• 
  Анионы: H2PO4, Cl,HCO3.
• 
  Концентрация ионов на внешней поверхности клетки отличается от их концентрации на внутренней поверхности. На внешней поверхности клеточной мембраны очень высокая концентрация ионов натрия, а на внутренней поверхности высока концентрация ионов калия. Вследствие этого образуется разность потенциалов между внутренней и внешней поверхностью клеточной мембраны, что обусловливает передачу возбуждения по нерву или мышце.
• 
  Ионы кальция и магния являются активаторами многих ферментов.
• 
  От концентрации солей внутри клетки зависят ее буферные свойства.
• 
  Буферность – это способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию на постоянном уровне. Буферность внутри клетки обеспечивается анионами H 2 PO 4 и НРО 4 .
• 
  Во внеклеточной жидкости и в крови роль буфера играют Н 2 СО 3 и НСО 3 .
• 
  Анионы слабых кислот и слабые щелочи связывают ионы водорода и гидроксид-ионы, благодаря чему реакция внутри клетки не изменяется.
• 
  Соляная кислота создает кислую среду в желудке, ускоряя переваривание белков пищи.
• 
  Ионы кальция и фосфора содержатся в костной ткани.
• 
  Минеральные соли поступают в клетки организма из внешней среды. Избыток солей вместе с водой выводится из организма во внешнюю среду.

Введение

Я выбрала достаточно сложную тему, так как в ней сочетаются множество наук, изучение которых очень важно в мире: биология, экология, химия и т.д. Моя тема значима в курсе школьной химии и биологии. Человек очень сложный живой организм, но его изучение показалось мне довольно интересным. Я считаю, что каждый человек должен знать из чего он состоит.

Цель : подробнее изучить химические элементы, входящие в состав человека и взаимодействие их в организме.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи :

• 1) Изучить элементарный состав живых организмов;
• 2) Выделить основные группы химических элементов: микро- и макроэлементы;
• 3) Определить, какие химические элементы отвечают за рост, работу мышц, нервной системы и т.д.;
• 4) Провести лабораторные опыты, подтверждающие наличие углерода, азота и железа в организме человека.

Методы и приемы: анализ научной литературы, сравнительный анализ, синтез, классификация и обобщение отобранного материала; метод наблюдения, эксперимент (физический и химический).

Химические элементы в организме человека

Все живые организмы на Земле, в том числе и человек, находятся в тесном контакте с окружающей средой. Пищевые продукты и питьевая вода способствуют поступлению в организм практически всех химических элементов. Они повседневно вводятся в организм и выводятся из него. Анализы показали, что количество отдельных химических элементов и их соотношение в здоровом организме различных людей примерно одинаковы.

Многие учёные считают, что в живом организме не только присутствуют все химические элементы, но каждый из них выполняет определённую биологическую функцию. Достоверно установлена роль около 30 химических элементов, без которых организм человека не может нормально существовать. Эти элементы называют жизненно необходимыми. Организм человека состоит на 60% из воды, 34% приходится на органические и 6% - на неорганические вещества.

Тело человека, весящего 70 кг, состоит из:

Углерода-12,6 кг Хлора-200 граммов

Кислорода-45,5 кг Фосфора-0,7 кг

Водорода-7 кг Серы-175 граммов

Азота-2,1 кг Железа-5 граммов

Кальция-1,4 кг Фтора-100 граммов

Натрия-150 граммов Кремния-3 грамма

Калия-100 граммов Йода- 0,1 грамма

Магния-200 граммов Мышьяка-0,0005 грамма

4 кита жизни

Углерод, кислород, азот и водород - это четыре химических элемента, которые химики называют "китами химии", и которые в то же время являются основными элементами жизни. Из молекул этих четырех элементов построены не только живые белки, но вся природа вокруг нас и в нас.

В отдельности углерод - это мертвый камень. Азот, как кислород, свободный газ. Азот ничем не связан. Водород, связанный с кислородом, образует воду, а все вместе они создают Вселенную.

В своих простых соединениях - это вода на Земле, облака в атмосфере и воздух. В более сложных соединениях - это углеводы, соли, кислоты, щелочи, спирты, сахара, жиры и белковые вещества. Усложняясь еще больше, они достигают высшей стадии развития - создают жизнь.

Углерод - основа жизни.

Все органические вещества, из которых построены живые организмы, отличаются от неорганических тем, что в их основе лежит химический элемент углерод. В состав органических веществ входят и другие элементы: водород, кислород, азот, сера и фосфор. Но все они группируются вокруг углерода, который является основным центральным элементом.

Академик Ферсман назвал его основой жизни, потому что без углерода жизнь невозможна. Нет другого химического элемента с таким своеобразными свойствами, как углерод.

Однако это вовсе не означает, что углерод составляет основную массу живого вещества. В любом организме углерода имеется всего 10%, воды-80%, а остальные десять процентов приходятся на другие химические элементы, входящие в состав организма.

Характерной особенностью углерода в органических соединениях является его безграничная способность связывать в разнообразнейших сочетаниях разные элементы в атомные группы.

Химический состав клетки

Минеральные соли

вода .
хороший растворитель

Гидрофильными (от греч. гидро - вода и филео

Гидрофобными (от греч. гидро - вода и фобос

упругость

Вода. Вода-универсальный растворитель гидрофильными. 2- гидрофобными. .3- теплоемкостью. 4- Вода характеризуется 5- 6- Вода обеспечивает передвижение веществ 7- У растений вода определяет тургор опорные функции, 8- Вода - составная часть смазывающих жидкостей слизей

Минеральные соли. потенциала действия ,

Физико-химические свойства воды как основной среды в организме человека.

Из неорганических веществ, входящих в состав клетки, важнейшим является вода. Количество ее составляет от 60 до 95% общей массы клетки. Вода играет важнейшую роль в жизни клеток и живых организмов в целом. Помимо того что она входит в их состав, для многих организмов это еще и среда обитания. Роль воды в клетке определяется ее уникальными химическими и физическими свойствами, связанными главным образом с малыми размерами молекул, с полярностью ее молекул и с их способностью образовывать друг с другом водородные связи.

Липиды. Функции липидов в организме человека.

Липиды - большая группа веществ биологического происхождения, хорошо растворимых в органических растворителях, таких, как метанол, ацетон, хлороформ и бензол. В то же время эти вещества нерастворимы или мало растворимы в воде. Слабая растворимость связана с недостаточным содержанием в молекулах липидов атомов с поляризующейся электронной оболочкой, таких, как О, N, S или P.

Система гуморальной регуляции физиологических функций. Принципы гум..

Гуморальная физиологическая регуляция для передачи информации использует жидкие среды организма (кровь, лимфу, цереброспинальную жидкость и т.д.) Сигналы передаются посредством химических веществ: гормонов, медиаторов, биологически активных веществ (БАВ), электролитов и т.д.

Особенности гуморальной регуляции: не имеет точного адресата – с током биологических жидкостей вещества могут доставляться к любым клеткам организма; скорость доставки информации небольшая – определяется скоростью тока биологических жидкостей – 0,5-5 м/с; продолжительность действия.

Передача гуморальной регуляции осуществляется током крови, лимфы, путем диффузии, нервная - поступает нервными волокнами. Гуморальный сигнал распространяется медленнее (с током крови капилляром со скоростью 0,05 мм / с), чем нервный (скорость нервной передачи составляет 130 м / с). Гуморальный сигнал не имеет такого точного адресата (работает по принципу «всем, всем, всем»), как нервный (например, нервный импульс передается сокращающихся мышц пальца). Но эта разница не существенна, поскольку клетки имеют разную чувствительность к химическим веществам. Поэтому химические вещества действуют на строго определенные клетки, то есть на те, которые способны воспринимать эту информацию. Клетки, которые обладают такой высокой чувствительностью к любому гуморального фактора, называются клетками-мишенями.
Среди гуморальных факторов выделяют вещества с узким
спектром действия, то есть направленной действием на ограниченное количество клеток-мишеней (например, окситоцин), и шире (например, адреналин), для которых имеется значительное количество клеток-мишеней.
Гуморальная регуляция используется для обеспечения реакций, не требующих высокой скорости и точности исполнения.
Гуморальная регуляция, как и нервная, всегда выполняется
замкнутым контуром регуляции, в котором все элементы связаны между собой каналами.
Что касается элемента контура прибора, который следит (СП), то в контуре гуморальной регуляции как самостоятельная структура он отсутствует. Функцию этого звена выполняет, как правило, инкреторная
клетка.
Гуморальные вещества, которые попадают в кровь или лимфу, диффундируют в межклеточную жидкость и быстро разрушаются. В связи с этим действие их может распространяться только на близко расположенные клетки-органы, то есть их влияние имеет местный характер. В противовес местным действия дистантный влияние гуморальных веществ распространяется на клетки-мишени на расстоянии.

ГОРМОНЫ ГИПОТАЛАМУСА

гормон эффект

Кортиколиберин - Стимулирует образование кортикотропина и липотропина

Гонадолиберин - Стимулирует образование лютропина и фоллитропина

Пролактолиберин - Способствует выделению пролактина

Пролактостатин - Ингибирует выделение пролактина

Соматолиберин Стимулирует секрецию гормона роста

Соматостатин - Ингибирует секрецию гормона роста и тиреотропина

Тиролиберин - Стимулирует секрецию тиреотропина и пролактина

Меланолиберин - Стимулирует секрецию меланоцит-стимулирующего гормона

Меланостатин - Ингибирует секрецию меланоцит-стимулирующего гормона

ГОРМОНЫ АДЕНОГИПОФИЗА

СТГ (соматотропин, гормон роста) - Стимулирует рост организма, синтез белка в клетках, образование глюкозы и распад липидов

Пролактин - Регулирует лактацию у млекопитающих, инстинкт выхаживания потомства, дифференцировку различных тканей

ТТГ (тиреотропин) - Регулирует биосинтез и секрецию гормонов щитовидной железы

Кортикотропин - Регулирует секрецию гормонов коры надпочечников

ФСГ (фоллитропин) и ЛГ (лютеинизирующий гормон) - ЛГ регулирует синтез женских и мужских половых гормонов, стимулирует рост и созревание фолликулов, овуляцию, образование и функционирование желтого тела в яичниках ФСГ оказывает сенсибилизирующее действие на фолликулы и клетки Лейдига к действию ЛГ, стимулирует сперматогенез

ГОРМОНЫ ЩИТОВИДНОЙ ЖЕЛЕЗЫ Выделение гормонов щитовидной железы контролируется двумя «вышестоящими» эндокринными железами. Область головного мозга, связывающая воедино нервную и эндокринную систему, называется гипоталамус. Гипоталамус получает информацию об уровне гормонов щитовидной железы и выделяет вещества, влияющие на гипофиз.Гипофиз также расположен в головном мозге в области специального углубления - турецкого седла. Он выделяет несколько десятков сложных по строению и действию гормонов, но на щитовидную железу действует только один из них -тиреотропный гормон или ТТГ. Уровень гормонов щитовидной железы в крови и сигналы от гипоталамуса стимулируют или тормозят выделение ТТГ. Например, если количество тироксина в крови маленькое, тогда про это будут знать и гипофиз и гипоталамус. Гипофиз немедленно выделит ТТГ, что активирует выброс гормонов из щитовидной железы.

Гуморальная регуляция – это координация физиологических функций организма человека через кровь, лимфу, тканевую жидкость. Гуморальная регуляция осуществляется биологически активными веществами – гормонами, которые регулируют функции организма на субклеточном, клеточном, тканевом, органном и системном уровнях и медиаторами, которые передают нервные импульсы. Гормоны образуются железами внутренней секреции (эндокринные), а также железами внешней секреции (тканевые – стенками желудка, кишечника и другие). Гормоны влияют на обмен веществ и деятельность различных органов, поступая к ним через кровь. Гормоны имеют следующие свойства: Высокую биологическую активность; Специфичность – воздействие на определенные органы, ткани, клетки; Быстро разрушаются в тканях; Размеры молекул малы, проникновения через стенки капилляров в ткани осуществляется легко.

Надпо́чечники - парные эндокринные железыпозвоночных животных и человека . В клубочковой зоне образуются гормоны, называемые минералкортикоидами . К ним относятся:Альдостерон (основной минералокортикостероидныйгормонкоры надпочечников ) Кортикостерон (малозначимый и сравнительно малоактивный глюкокортикоидныйгормон ). Минералкортикоиды повышают реабсорбцию Na + и выделение K + в почках. В пучковой зоне образуются глюкокортикоиды , к которым относятся:Кортизол . Глюкокортикоиды оказывают важное действие почти на все процессы обмена веществ. Они стимулируют образование глюкозы из жиров и аминокислот (глюконеогенез ), угнетают воспалительные , иммунные и аллергические реакции, уменьшают разрастание соединительной ткани , а также повышают чувствительность органов чувств и возбудимостьнервной системы . В сетчатой зоне производятся половые гормоны (андрогены , являющиеся веществами - предшественниками эстрогенов ). Данные половые гормоны играют роль несколько иную, чем гормоны, выделяемые половыми железами . Клетки мозгового вещества надпочечников вырабатывают катехоламины - адреналин и норадреналин . Эти гормоны повышают артериальное давление, усиливают работу сердца, расширяют просветы бронхов, увеличивают уровень сахара в крови. В состоянии покоя они постоянно выделяют небольшие количества катехоламинов. Под влиянием стрессовой ситуации секреция адреналина и норадреналина клетками мозгового слоя надпочечников резко повышается.

Мембранный потенциал покоя - это дефицит положительных электрических зарядов внутри клетки, возникающий за счёт утечки из неё положительных ионов калия и электрогенного действия натрий-калиевого насоса.

Потенциал действия (ПД). Все раздражители, действующие на клетку, вызывают в первую очередь снижение ПП; когда оно достигает критического значения (порога), возникает активный распространяющийся ответ - ПД. Амплитуда ПД примерно = 110-120 мв. Характерной особенностью ПД, отличающей его от других форм ответа клетки на раздражение, является то, что он подчиняется правилу "всё или ничего", т. е. возникает только при достижении раздражителем некоторого порогового значения, и дальнейшее увеличение интенсивности раздражителя уже не сказывается ни на амплитуде, ни на продолжительности ПД. Потенциал действия - один из важнейших компонентов процесса возбуждения. В нервных волокнах он обеспечивает проведение возбуждения от чувствительных окончаний (рецепторов ) к телу нервной клетки и от неё - к синаптическим окончаниям, расположенным на различных нервных, мышечных или железистых клетках. Проведение ПД вдоль нервных и мышечных волокон осуществляется т. н. локальными токами, или токами действия, возникающими между возбуждённым (деполяризованным) и соседними с ним покоящимися участками мембраны.

Постсинаптические потенциалы (ПСП) возникают в участках мембраны нервных или мышечных клеток, непосредственно граничащих с синаптическими окончаниями. Они имеют амплитуду порядка несколькихмв и длительность 10-15 мсек . ПСП подразделяются на возбуждающие (ВПСП) и тормозные (ТПСП).

Генераторные потенциалы возникают в мембране чувствительных нервных окончаний - рецепторов. Их амплитуда порядка нескольких мв и зависит от силы приложенного к рецептору раздражения. Ионный механизм генераторных потенциалов ещё недостаточно изучен.

Потенциал действия

Потенциалом действия называют быстрое изменение мембранного потенциала, возникающее при возбуждении нервных, мышечных и некоторых железистых клеток. В основе его возникновения лежат изменения ионной проницаемости мембраны. В развитии потенциала действия выделяют четыре последовательных периода: локальный ответ, деполяризация, реполяризация и следовые потенциалы.

Раздражимость - способность живого организма реагировать на внешнее воздействие изменением своих физико-химических и физиологических свойств. Раздражимость проявляется в изменениях текущих значений физиологических параметров, превышающих их сдвиги при покое. Раздражимость является универсальным проявлением жизнедеятельности всех биосистем. Эти изменения окружающей среды, вызывающие реакцию организма, могут включать в себя широкий репертуар реакций, начиная с диффузных реакций протоплазмы у простейших и кончая сложными, высокоспециализованными реакциями у человека. В организме человека раздражимость часто связана со свойством нервной, мышечной и железистой тканей осуществлять ответную реакцию в виде выработки нервного импульса, мышечного сокращения или секреции веществ (слюны, гормонов и т. д.). У живых организмов, лишенных нервной системы, раздражимость может проявляться в движениях. Так, амебы и другие простейшие покидают неблагоприятные растворы с высокой концентрацией соли. А растения изменяют положение побегов для максимального поглощения света (тянутся к свету). Раздражимость - фундаментальное свойство живых систем: её наличие - классический критерий, по которому отличают живое от неживого. Минимальная величина раздражителя, достаточная для проявления раздражимости, называется порогом восприятия. Явления раздражимости у растений и животных имеют много общего, хотя их проявления у растений резко отличаются от привычных форм двигательной и нервной деятельности животных

Законы раздражения возбудимых тканей: 1) закон силы – возбудимость обратно-пропорциональна пороговой силе: чем больше пороговая сила, тем меньше возбудимость. Однако для возникновения возбуждения недостаточно только действия силы раздражения. Необходимо, чтобы это раздражение длилось какое-то время; 2) закон времени действия раздражителя. При действии одной и той же силы на разные ткани потребуется разная длительность раздражения, что зависит от способности данной ткани к проявлению своей специфической деятельности, то есть возбудимости: наименьшее время потребуется для ткани с высокой возбудимостью и наибольшее время - с низкой возбудимостью. Таким образом, возбудимость обратно-пропорциональна времени действия раздражителя: чем меньше время действия раздражителя, тем больше возбудимость. Возбудимость ткани определяется не только силой и длительностью раздражения, но и скоростью (быстротой) нарастания силы раздражения, что определяется третьим законом - законом скорости нарастания силы раздражения (отношения силы раздражителя ко времени его действия): чем больше скорость нарастания силы раздражения, тем меньше возбудимость. Для каждой ткани существует своя пороговая скорость нарастания силы раздражения.

Способность ткани изменять свою специфическую деятельность в ответ на раздражение (возбудимость) находится в обратной зависимости от величины пороговой силы, времени действия раздражителя и быстроты (скорости) нарастания силы раздражения.

Критический уровень деполяризации - величина мембранного потенциала, при достижении которой возникает потенциал действия. Критический уровень деполяризации (КУД) - это такой уровень электрического потенциала мембраны возбудимой клетки, от которого локальный потенциал переходит в потенциал действия.

Локальный ответ возникает на допороговые стимулы; распространяется на 1-2 мм с затуханием; возрастает с увеличением силы стимула, т.е. подчиняется закону «силы»; суммируется – возрастает при повторных частых допороговых раздражениях 10 – 40 мВ увеличивается.

Химический механизм синаптической передачи по сравнению с электрическим более эффективно обеспечивает основные функции синапса: 1) одностороннее проведение сигнала; 2) усиление сигнала; 3) конвергенцию многих сигналов на одной постсинаптической клетке, пластичность передачи сигналов.

Химические синапсы передают два вида сигналов – возбуждающий и тормозной. В возбуждающих синапсах нейромедиа-тор, освобождаемый из пресинаптических нервных окончаний, вызывает в постсинаптической мембране возбуждающий пост-синаптический потенциал – локальную деполяризацию, а в тормозных синапсах – тормозной постсинаптический потенциал, как правило, – гиперполяризацию. Снижение сопротивления мембраны, происходящее во время тормозного постсинаптического потенциала, ведет к короткому замыканию возбуждающего постсинаптического тока, тем самым ослабляя или блокируя передачу возбуждения.

Химический состав клетки

Организмы состоят из клеток. Клетки разных организмов обладают сходным химическим составом. В клетках живых организмов встречается около 90 элементов, причем примерно 25 из обнаружены практически во всех клетках. По содержанию в клетке химические элементы подразделяются на три большие группы: макроэлементы(99%), микроэлементы(1%), ультрамикроэлементы(менее 0,001%).

К макроэлементам относятся кислород, углерод, водород, фосфор, калий, сера, хлор, кальций, магний, натрий, железо.К микроэлеметам относятся марганец, медь, цинк, йод, фтор.К ультрамикроэлементам относятся серебро, золото, бром, селен.

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 состав неорганических веществ - минеральных солей и воды.

Минеральные соли находятся в клетке, как правило, в виде катионов (К + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+) и анионов (HPO 2-/4 , H 2 PO -/4 , СI - , НСО 3), соотношение которых определяет важную для жизнедеятельности клеток кислотность среды.

Из неорганических веществ в живой природе огромную роль играет вода .
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. 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 не ионные 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.

Неорганические соединения в организме человека.

Вода. Из неорганических веществ, входящих в состав клетки, важнейшим является вода. Количество ее составляет от 60 до 95% общей массы клетки. Вода играет важнейшую роль в жизни клеток и живых организмов в целом. Помимо того что она входит в их состав, для многих организмов это еще и среда обитания. Роль воды в клетке определяется ее уникальными химическими и физическими свойствами, связанными главным образом с малыми размерами молекул, с полярностью ее молекул и с их способностью образовывать друг с другом водородные связи. Вода как компонент биологических систем выполняет следующие важнейшие функции: 1- Вода-универсальный растворитель для полярных веществ, например солей, Сахаров, спиртов, кислот и др. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными. 2- Неполярные вещества вода не растворяет и не смешивается с ними, поскольку не может образовывать с ними водородные связи. Нерастворимые в воде вещества называются гидрофобными. Гидрофобные молекулы или их части отталкиваются водой, а в ее присутствии притягиваются друг к другу. Такие взаимодействия играют важную роль в обеспечении стабильности мембран, а также многих белковых молекул, нуклеинов вых кислот и ряда субклеточных структур.3- Вода обладает высокой удельной теплоемкостью. 4- Вода характеризуется высокой теплотой парообразования, т. е. способностью молекул уносить с собой значительное количество тепла при одновременном охлаждении организма. 5- Для воды характерно исключительно высокое поверхностное натяжение. 6- Вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма.7- У растений вода определяет тургор клеток, а у некоторых животных выполняет опорные функции, являясь гидростатическим скелетом (круглые и кольчатые черви, иглокожие).8- Вода - составная часть смазывающих жидкостей (синовиальной - в суставах позвоночных, плевральной - в плевральной полости, перикардиальной - в околосердечной сумке) и слизей (облегчают передвижение веществ по кишечнику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей). Она входит в состав слюны, желчи, слез, спермы и др.

Минеральные соли. В составе живых организмов современными методами химического анализа обнаружено 80 элементов периодической системы. По количественному составу их разделяют на три основные группы. Макроэлементы составляют основную массу органических и неорганических соединений, концентрация их колеблется от 60% до 0.001% массы тела (кислород, водород, углерод, азот, сера, магний, калий, натрий, железо и др.). Микроэлементы - преимущественно ионы тяжёлых металлов. Содержатся в организмах в количестве 0.001% - 0.000001% (марганец, бор, медь, молибден, цинк, йод, бром). Концентрация ультрамикроэлементов не превышает 0.000001%. Физиологическая роль их в организмах полностью ещё не выяснена. К этой группе относятся уран, радий, золото, ртуть, цезий, селен и много других редких элементов. Существенным является не только содержание, но и соотношение ионов в клетке. Разность между количеством катионов и анионов на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникновение потенциала действия , что лежит в основе возникновения нервного и мышечного возбуждения.

Основную массу тканей живых организмов, населяющих Землю составляют органогенные элементы: кислород, углерод, водород и азот, из которых преимущественно построены органические соединения - белки, жиры, углеводы.

Организм человека — открытая биологическая система. Организм человека является системой многоуровневой. Она состоит из систем органов, каждая система органов — из органов, каждый орган — из тканей, ткани — из клеток. Каждая клетка является системой взаимосвязанных органелл.

Организм человека является открытой системой, которая постоянно обменивается веществами и энергией с окружающей средой. Из него в организм во время газообмена поступает кислород, а вместе с едой — вода и питательные вещества. Наружу организм удаляет углекислый газ, непереваренные остатки пищи, мочу, пот, секрет сальных желез.

Внешне организм получает тепловую энергию и питательные вещества (белки, жиры, углеводы), молекулы которых аккумулируют химическую энергию. Она высвобождается при реакций расщепления этих веществ в организме. Часть химической энергии расходуется на процесс его жизнедеятельности, а избыток в виде тепла возвращается во внешнюю среду.

Неорганические вещества

Среди всех неорганических веществ содержание воды в организме человека является наибольшим. Она составляет до 90% массы эмбриона и до 70% массы организма пожилого человека. Вода является растворителем, который обеспечивает транспорт веществ в организме. Растворенные в воде вещества приобретают способность к взаимодействию. Вода участвует и в процессах теплообмена между организмом и окружающей средой.

В организме человека содержится немало неорганических веществ. Одни из них присутствуют в виде молекул, как, например, соединения кальция в костях, вещества — в виде ионов. Так, ионы железа участвуют в транспорте кислорода в крови, ионы кальция необходимы для сокращения мышц, а ионы калия и натрия — для образования и передачи нервных импульсов.

Органические вещества

Молекулы многих органических веществ состоят из блоков — простых органических молекул. Такое строение имеют все белки. Они образованы из молекул аминокислот. Обычно цепочка аминокислот сворачивается в волокнистые или клубоподобные структуры. Так белковая молекула становится компактнее и занимает меньше места в клетке.

В каждом процессе, происходящем в организме, участвуют десятки, а то и сотни различных белков. Доля белков составляет более 50% сухой массы клеток. Одни белки являются строительным материалом клеток, другие работают при сокращении мышц, третьи защищают организм от инфекций. С помощью ферментов — белков-катализаторов — происходят почти все химические реакции в организме.

Сложные углеводы

Как и белки, сложные углеводы образуются из молекул-блоков. Так, блоками гликогена являются молекулы простого углевода — глюкозы. Глюкоза в организме играет роль источника энергии, а в виде гликогена создаются запасы глюкозы. В соединениях с белками и другими органическими веществами углеводы выполняют структурную функцию.

Жиры

Жиры — нерастворимые в воде органические вещества. В состав молекулы жира обычно входят молекулы глицерина и жирных кислот. Жиры образуют плазматические мембраны клеток, они накапливаются в клетках жировой ткани, которая выполняет в организме защитные функции. Так же, как и глюкоза, жиры являются источником энергии. Молекула жира запасает больше энергии, чем молекула глюкозы, однако клетка добывает энергию из жиров значительно дольше, чем из углеводов.

ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА (КУКУШКИН Ю. Н. , 1998), ХИМИЯ

Для организма человека определенно установлена роль около 30 химических элементов, без которых он не может нормально существовать. Эти элементы называют жизненно необходимыми. Кроме них, имеются элементы, которые в малых количествах не сказываются на функционировании организма, но при определенном содержании являются ядами.

ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА

Ю. Н. КУКУШКИН

Санкт-Петербургский государственный технологический институт

ВВЕДЕНИЕ

Многим химикам известны крылатые слова, сказанные в 40-х годах текущего столетия немецкими учеными Вальтером и Идой Ноддак, что в каждом булыжнике на мостовой присутствуют все элементы Периодической системы. Вначале эти слова были встречены далеко не с единодушным одобрением. Однако, по мере того как разрабатывались все более точные методы аналитического определения химических элементов, ученые все больше убеждались в справедливости этих слов.

Если согласиться с тем, что в каждом булыжнике содержатся все элементы, то это должно быть справедливо и для живого организма. Все живые организмы на Земле, в том числе и человек, находятся в тесном контакте с окружающей средой. Жизнь требует постоянного обмена веществ в организме. Поступлению в организм химических элементов способствуют питание и потребляемая вода. В соответствии с рекомендацией диетологической комиссии Национальной академии США ежедневное поступление химических элементов с пищей должно находиться на определенном уровне (табл. 1). Столько же химических элементов должно ежесуточно выводиться из организма, поскольку их содержания находятся в относительном постоянстве.

Предположения некоторых ученых идут дальше. Они считают, что в живом организме не только присутствуют все химические элементы, но каждый из них выполняет определенную биологическую функцию. Вполне возможно, что эта гипотеза не подтвердится. Однако, по мере того как развиваются исследования в данном направлении, выявляется биологическая роль все большего числа химических элементов.

Организм человека состоит на 60% из воды, 34% приходится на органические вещества и 6% - на неорганические. Основными компонентами органических веществ являются углерод, водород, кислород, в их состав входят также азот, фосфор и сера. В неорганических веществах организма человека обязательно присутствуют 22 химических элемента: Ca, P, O, Na, Mg, S, B, Cl, K, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cr, Si, I, F, Se. Например, если вес человека составляет 70 кг, то в нем содержится (в граммах): кальция - 1700, калия - 250, натрия - 70, магния - 42, железа - 5, цинка - 3.

Ученые договорились, что если массовая доля элемента в организме превышает 10 -2 %, то его следует считать макроэлементом. Доля микроэлементов в организме составляет 10 -3 -10 -5 %. Если содержание элемента ниже 10 -5 %, его считаютультрамикроэлементом . Конечно, такая градация условна. По ней магний попадает в промежуточную область между макро- и микроэлементами.

Таблица 1. Суточное поступление химических элементов в организм человека

Химический элемент	Суточное поступление, мг
	взрослые
	Около 0,2 (витамин В 12)

ЖИЗНЕННО НЕОБХОДИМЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Несомненно, время внесет коррективы в современные представления о числе и биологической роли определенных химических элементов в организме человека. В данной статье мы будем исходить из того, что уже достоверно известно. Роль макроэлементов, входящих в состав неорганических веществ, очевидна. Например, основное количество кальция и фосфора входит в кости (гидроксофосфат кальция Ca 10 (PO 4) 6 (OH) 2), а хлор в виде соляной кислоты содержится в желудочном соке.

Микроэлементы вошли в отмеченный выше ряд 22 элементов, обязательно присутствующих в организме человека. Заметим, что большинство из них - металлы, а из металлов больше половины являются d -элементами. Последние в организме образуют координационные соединения со сложными органическими молекулами. Так, установлено, что многие биологические катализаторы - ферменты содержат ионы переходных металлов (d -элементов). Например, известно, что марганец входит в состав 12 различных ферментов, железо - в 70, медь - в 30, а цинк - более чем в 100. Микроэлементы называют жизненно необходимыми, если при их отсутствии или недостатке нарушается нормальная жизнедеятельность организма. Характерным признаком необходимого элемента является колоколообразный вид кривой доза (n ) - ответная реакция (R , эффект) (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость ответной реакции (R ) от дозы (n ) для жизненно необходимых элементов

При малом поступлении данного элемента организму наносится существенный ущерб. Он функционирует на грани выживания. В основном это объясняется снижением активности ферментов, в состав которых входит данный элемент. При повышении дозы элемента ответная реакция возрастает и достигает нормы (плато). При дальнейшем увеличении дозы проявляется токсическое действие избытка данного элемента, в результате чего не исключается и летальный исход. Кривую на рис. 1 можно трактовать так: все должно быть в меру и очень мало и очень много вредно. Например, недостаток в организме железа приводит к анемии, так как оно входит в состав гемоглобина крови, а точнее, его составной части - гема. У взрослого человека в крови содержится около 2,6 г железа. В процессе жизнедеятельности в организме происходят постоянный распад и синтез гемоглобина. Для восполнения железа, потерянного с распадом гемоглобина, человеку необходимо суточное поступление в организм с пищей в среднем около 12 мг этого элемента. Связь анемии с недостатком железа была известна врачам давно, так как еще в XVII веке в некоторых европейских странах при малокровии прописывали настой железных опилок в красном вине. Однако избыток железа в организме тоже вреден. С ним связан сидероз глаз и легких - заболевания, вызываемые отложением соединений железа в тканях этих органов. Главный регулятор содержания железа в крови - печень.

Недостаток в организме меди приводит к деструкции кровеносных сосудов, патологическому росту костей, дефектам в соединительных тканях. Кроме того, считают, что дефицит меди служит одной из причин раковых заболеваний. В некоторых случаях поражение легких раком у людей пожилого возраста врачи связывают с возрастным снижением содержания меди в организме. Однако избыток меди в организме приводит к нарушению психики и параличу некоторых органов (болезнь Вильсона). Человеку причиняют вред лишь относительно большие количества соединений меди. В малых дозах их используют в медицине как вяжущее и бактериостазное (задерживающее рост и размножение бактерий) средство. Так, например, сульфат меди (II) применяют при лечении конъюктивитов в виде глазных капель (25%-ный раствор), а также для прижиганий при трахоме в виде глазных карандашей (сплав сульфата меди(II), нитрата калия, квасцов и камфоры). При ожогах кожи фосфором проводят ее обильное смачивание 5%-ным раствором сульфата меди (II).

Таблица 2. Характерные симптомы дефицита химических элементов в организме человека

Дефицит элемента	Типичный симптом
	Замедление роста скелета
	Мускульные судороги
	Анемия, нарушение иммунной системы
	Повреждение кожи, замедление роста, замедление полового созревания
	Слабость артерий, нарушение деятельности печени, вторичная анемия
	Бесплодие, ухудшение роста скелета
	Замедление клеточного роста, склонность к кариесу
	Злокачественная анемия
	Учащение депрессий, дерматиты
	Симптомы диабета
	Нарушение роста скелета
	Кариес зубов
	Нарушение работы щитовидной железы, замедление метаболизма
	Мускульная (в частности, сердечная) слабость

Биологическая функция других щелочных металлов в здоровом организме пока неясна. Однако имеются указания, что введением в организм ионов лития удается лечить одну из форм маниакально-депрессивного психоза. Приведем табл. 2, из которой видна важная роль других жизненно необходимых элементов.

ПРИМЕСНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Имеется большое число химических элементов, особенно среди тяжелых, являющихся ядами для живых организмов, - они оказывают неблагоприятное биологическое воздействие. В табл. 3 приведены эти элементы в соответствии с Периодической системой Д.И. Менделеева.

Таблица 3.

Период	Группа

За исключением бериллия и бария, эти элементы образуют прочные сульфидные соединения. Существует мнение, что причина действия ядов связана с блокированием определенных функциональных групп (в частности, сульфгидрильных) протеина или же с вытеснением из некоторых ферментов ионов металлов, например меди и цинка. Элементы, представленные в табл. 3, называют примесными. Их диаграмма доза - эффект имеет другую форму по сравнению с жизненно необходимыми (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость ответной реакции (R ) от дозы (n ) для примесных химических элементов До определенного содержания этих элементов организм не испытывает вредного воздействия, но при значительном увеличении концентрации они становятся ядовитыми.

Встречаются элементы, которые в относительно больших количествах являются ядами, а в низких концентрациях оказывают полезное влияние. Например, мышьяк - сильный яд, нарушающий сердечно-сосудистую систему и поражающий почки и печень, в небольших дозах полезен, и врачи прописывают его для улучшения аппетита. Кислород, необходимый человеку для дыхания, в высокой концентрации (особенно под давлением) оказывает ядовитое действие.

Из этих примеров видно, что концентрация элемента в организме играет весьма существенную, а порой и катастрофическую роль. Среди примесных элементов имеются и такие, которые в малых дозах обладают эффективными лечащими свойствами. Так, давно было замечено бактерицидное (вызывающее гибель различных бактерий) свойство серебра и его солей. Например, в медицине раствор коллоидного серебра (колларгол) применяют для промывания гнойных ран, мочевого пузыря, при хронических циститах и уретитах, а также в виде глазных капель при гнойных конъюктивитах и бленнорее. Карандаши из нитрата серебра применяют для прижигания бородавок, грануляций. В разбавленных растворах (0,1-0,25%) нитрат серебра используют как вяжущее и противомикробное средство для примочек, а также в качестве глазных капель. Ученые считают, что прижигающее действие нитрата серебра связано с его взаимодействием с белками тканей, что приводит к образованию белковых солей серебра - альбуминатов. Серебро пока не относят к жизненно необходимым элементам, однако уже экспериментально установлено его повышенное содержание в мозгу человека, в железах внутренней секреции, печени. В организм серебро поступает с растительной пищей, например с огурцами и капустой.

В статье приведена Периодическая система, в которой охарактеризована биоактивность отдельных элементов . Оценка основана на проявлении симптомов дефицита или избытка определенного элемента. Она учитывает следующие симптомы (в порядке возрастания эффекта): 1 - снижение аппетита; 2 - потребность в изменении диеты; 3 - значительные изменения состава тканей; 4 - повышенная повреждаемость одной или нескольких биохимических систем, проявляющаяся в специальных условиях; 5 - недееспособность этих систем в специальных условиях; 6 - субклинические признаки недееспособности; 7 - клинические симптомы недееспособности и повышенная повреждаемость; 8 - заторможенный рост; 9 - отсутствие репродуктивной функции. Крайней формой проявления дефицита или избытка элемента в организме является смертельный исход. Оценка биоактивности элемента сделана по девятибальной шкале в зависимости от характера симптома, для которого выявлена специфичность.

При такой оценке наиболее высоким баллом характеризуются жизненно необходимые элементы. Например, элементы водород, углерод, азот, кислород, натрий, магний, фосфор, сера, хлор, калий, кальций, марганец, железо и др. характеризуются суммой балов, равной 9.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выявление биологической роли отдельных химических элементов в функционировании живых организмов (человека, животных, растений) - важная и увлекательная задача. Минеральные вещества, как и витамины, часто действуют как коферменты при катализе химических реакций, происходящих все время в организме.

Усилия специалистов направлены на раскрытие механизмов проявления биоактивности отдельных элементов на молекулярном уровне (см. статьи Н.А. Улахновича "Комплексы металлов в живых организмах": Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 8. С. 27-32; Д.А. Леменовского "Соединения металлов в живой природе": Там же. № 9. С. 48-53). Нет сомнения, что в живых организмах ионы металлов находятся в основном в виде координационных соединений с "биологическими" молекулами, которые выполняют роль лигандов. В статье из-за ограниченности объема приведен материал, относящийся главным образом к организму человека. Выяснение роли металлов в жизнедеятельности растений, несомненно, окажется полезным для сельского хозяйства. Работы в этом направлении широко ведутся в лабораториях различных стран.

Весьма интересен вопрос о принципах отбора природой химических элементов для функционирования живых организмов. Не вызывает сомнения, что их распространенность не является решающим фактором. Здоровый организм сам способен регулировать содержание отдельных элементов. При наличии выбора (пищи и воды) животные инстинктивно могут вносить лепту в это регулирование. Возможности растений в данном процессе ограничены. Сознательное регулирование человеком содержания микроэлементов в почве сельскохозяйственных угодий также одна из важных задач, стоящих перед исследователями. Знания, полученные учеными в этом направлении, уже оформились в новую отрасль химической науки - бионеорганическую химию. Поэтому уместно напомнить слова выдающегося ученого XIX века А. Ампера: "Счастливы те, кто развивает науку в годы, когда она не завершена, но когда в ней уже назрел решительный поворот". Эти слова могут быть особенно полезны тем, кто стоит перед выбором профессии.

1. Ершов Ю.А., Плетенева Т.В. Механизмы токсического действия неорганических соединений. М.: Медицина, 1989.

2. Кукушкин Ю.Н. Соединения высшего порядка. Л.: Химия, 1991.

3. Кукушкин Ю.Н. Химия вокруг нас. М.: Высш. шк., 1992.

4. Лазарев Н.В. Эволюция фармакологии. Л.: Изд-во Воен.-мед. акад., 1947.

5. Неорганическая биохимия. М.: Мир, 1978. Т. 1, 2 / Под ред. Г. Эйхгорна.

6. Химия окружающей среды / Под ред. Дж.О. Бокриса. М.: Химия, 1982.

7. Яцимирский К.Б. Введение в бионеорганическую химию. Киев: Наук. думка, 1973.

8. Kaim W., Schwederski B. Bioinorganic Chemistry: Inorganic Elements in the Chemistry of Life. Chichester: John Wile and Sons, 1994. 401 p.

Юрий Николаевич Кукушкин, доктор химических наук, профессор, зав. кафедрой неорганической химии Санкт-Петербургского государственного технологического института, заслуженный деятель науки РФ, лауреат премии им. Л.А. Чугаева АН СССР, академик РАЕН. Область научных интересов - координационная химия и химия платиновых металлов. Автор и соавтор более 600 научных статей, 14 монографий, учебников и научно-популярных книг, 49 изобретений.