Неорганические вещества в теле человека. Химические элементы в организме человека

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.

Вспомните вещества, необходимые организмам для их жизнедеятельности. Какую роль играют водные растворы в природе и в жизни человека? Какой тип химической связи существует в молекуле воды? Что такое ионы и как они образуются?

Химические элементы живых организмов

В состав растительных и животных клеток входит более 70 химических элементов. Но в клетке нет каких-либо особенных элементов, характерных только для живой природы. Те же элементы встречаются и в неживой природе.

Все химические элементы по содержанию в живой клетке разделяют на три группы: макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.

Элементы O, C, H, N иногда рассматривают как отдельную группу органогенных элементов ввиду того, что они входят в состав всех органических веществ и составляют до 98 % массы живой клетки.

Неорганические вещества живых организмов

Изучая химию, вы узнали о таких группах веществ, как кислоты, соли, оксиды и др. Все они распространены в неживой природе, вне живых организмов. Поэтому их и называют неорганическими веществами. Но это не означает, что в живых организмах их вообще нет. Они есть и играют очень важную роль в процессах жизнедеятельности.

Неорганические вещества обычно попадают в живые организмы из внешней среды с пищей (у животных) или с раствором воды через поверхность организма (у растений, грибов и бактерий). Но в некоторых случаях живые организмы могут синтезировать их самостоятельно. Например, клетки желудка у позвоночных синтезируют хлоридную кислоту. Это позволяет более эффективно переваривать пищу, так как многие пищеварительные ферменты работают в кислой среде. Также самостоятельно вырабатывают сульфатную кислоту многие хищные моллюски в своих слюнных железах. Эта кислота может разрушать раковины и внешние покровы их жертв.

Функции неорганических веществ в клетке

Неорганические соединения могут находиться в живых организмах как в растворенном (в виде ионов), так и в нерастворенном виде. Растворенными формами представлены многие соли.

Нерастворимые неорганические соединения также важны для живых организмов. Например, соли Кальция и Фосфора входят в состав скелета животных и обеспечивают его прочность (рис. 2.1, с. 10). Без таких веществ невозможно формирование здоровых зубов у человека.

Из неорганических веществ также могут быть образованы различные структуры организмов животных (рис. 2.2).

Свойства воды

Свойства воды обусловлены особенностями строения ее молекулы, а также связями молекул друг с другом.

Как вы уже знаете, в молекуле воды (химическая формула — H 2 O) между атомами Гидрогена и Оксигена существует ковалентная полярная связь (рис. 2.3). Это значит, что на атоме Оксигена формируется частичный отрицательный заряд (S -), а на атомах Гидрогена — положительный (S+). Положительно заряженный атом Гидрогена одной молекулы воды притягивается к отрицательно заряженному атому Оксигена другой молекулы воды. Такая связь называется водородной.

Водородная связь примерно в 15-20 раз слабее ковалентной. Поэтому водородная связь относительно легко разрывается, что происходит, например, при испарении воды. В жидком состоянии водородные связи между молекулами воды все время то разрываются, то образуются заново.

Биологическая роль воды

В живых организмах вода выполняет много функций: среды-растворителя, транспортную, метаболическую, терморегуляторную, структурную.

Вода является универсальным растворителем. Вещества, участвующие в большинстве биологических реакций, находятся в организме в водном растворе.

Транспортная роль воды очень важна для клеток и организмов в целом. Растворенные вещества вместе с водой могут переноситься из одних частей клетки в другие. А между различными частями многоклеточных организмов они переносятся в составе специальных жидкостей (например, в составе крови). Испарение воды листьями растений вызывает ее движение от корней вверх. При этом перемещаются и вещества, растворенные в воде.

Молекулы воды выполняют метаболическую функцию, когда участвуют в реакциях обмена веществ (их называют биохимическими реакциями). Терморегуляторная функция воды чрезвычайно важна для поддержания температуры тела организмов. Когда, например, человек потеет, то вода испаряется, снижая температуру его тела.

Структурная функция воды хорошо видна на примере растений и некоторых беспозвоночных животных. Растения поддерживают форму листьев и травянистых стеблей благодаря повышенному давлению в клетках, наполненных водой. А у многих червей форма тела поддерживается повышенным давлением воды в полостях тела.

В живых организмах содержатся как органические, так и неорганические вещества. Неорганические вещества — это вода, соли, кислоты и другие соединения. Они играют важную роль в жизнедеятельности живых организмов. Вода создает среду, в которой происходят реакции обмена веществ. Другие неорганические вещества участвуют в формировании скелета, работе нервной, пищеварительной и других систем организма.

Проверьте свои знания

1. Какие неорганические вещества встречаются в живых организмах? 2. Докажите на примерах, что свойства воды имеют большое значение для живых клеток. 3. Какие функции могут выполнять кислоты в живых организмах? 4*. К каким последствиям для организма человека может привести потеря солей Na?

Это материал учебника

Клеткой называют элементарную единицу строения живых организмов. Все живые существа - будь то люди, животные, растения, грибы или бактерии - в своей основе имеют клетку. В чьем-то организме этих клеток много - сотни тысяч клеток составляют тело млекопитающих и рептилий, а в чьем-то мало - многие бактерии состоят из всего одной клетки. Но не так важно количество клеток, как их наличие.

Давно известно, что клетки обладают всеми свойствами живого: они дышат, питаются, размножаются, приспосабливаются к новым условиям, даже умирают. И, как и у всего живого, в составе клеток есть органические и неорганические вещества.

Намного больше, ведь - это и вода, и Разумеется, наибольшая часть отдела под названием "неорганические вещества клетки" отводится воде - она составляет 40-98% от всего объема клетки.

Вода в клетке выполняет множество важнейших функций: она обеспечивает упругость клетки, быстроту проходящих в ней химических реакций, перемещение поступивших веществ по клетке и их вывод. Кроме того, в воде растворяются многие вещества, она может участвовать в химических реакциях и именно на воде лежит ответственность за терморегуляцию всего организма, так как вода обладает неплохой теплопроводностью.

Помимо воды, в неорганические вещества клетки входят и многие минеральные вещества, делящиеся на макроэлементы и микроэлементы.

К макроэлементам относятся такие вещества, как железо, азот, калий, магний, натрий, сера, углерод, фосфор, кальций и многие другие.

Микроэлементы - это, в большинстве своем, тяжелые металлы, такие как бор, марганец, бром, медь, молибден, йод и цинк.

Также в организме есть и ультрамикроэлементы, среди которых золото, уран, ртуть, радий, селен и другие.

Все неорганические вещества клетки играют собственную, важную роль. Так, азот участвует в великом множестве соединений - как белковых, так и небелковых, способствует образованию витаминов, аминокислот, пигментов.

Кальций представляет собой антагонист калия, служит клеем для растительных клеток.

Железо участвует в процессе дыхания, входит в состав молекул гемоглобина.

Медь отвечает за образование клеток крови, здоровье сердца и хороший аппетит.

Бор отвечает за процесс роста, в особенности у растений.

Калий обеспечивает коллоидные свойства цитоплазмы, образование белков и нормальную работу сердца.

Натрий также обеспечивает правильный ритм сердечной деятельности.

Сера участвует в образовании некоторых аминокислот.

Фосфор участвует в образовании огромного количества незаменимых соединений, таких, как нуклеотиды, некоторые ферменты, АМФ, АТФ, АДФ.

И только роль ультрамикроэлементов пока абсолютно неизвестна.

Но одни только неорганические вещества клетки не смогли бы сделать ее полноценной и живой. Органические вещества важны не менее, чем они.

К относятся углеводы, липиды, ферменты, пигменты, витамины и гормоны.

Углеводы делятся на моносахариды, дисахариды, полисахариды и олигосахариды. Моно- ди- и полисахариды являются основным источником энергии для клетки и организма, а вот нерастворяющиеся в воде олигосахариды склеивают соединительную ткань и защищают клетки от неблагоприятного внешнего воздействия.

Липиды делятся на собственно жиры и липоиды - жироподобные вещества, образующие ориентированные молекулярные слои.

Ферменты являются катализаторами, ускоряющими биохимические процессы в организме. Кроме того, ферменты уменьшают количество потребляемой на придание реакционной способности молекуле энергии.

Витамины необходимы для регуляции окисляемости аминокислот и углеводов, а также для полноценного роста и развития.

Гормоны необходимы для регулирования жизнедеятельности организма.

Как известно, все вещества могут быть поделены на две большие категории - минеральные и органические. Можно привести большое количество примеров неорганических, или минеральных, веществ: соль, сода, калий. Но какие типы соединений попадают во вторую категорию? Органические вещества представлены в любом живом организме.

Белки

Важнейшим примером органических веществ являются белки. В их состав входит азот, водород и кислород. Помимо них, иногда в некоторых белках также можно обнаружить атомы серы.

Белки являются одними из важнейших органических соединений, и они наиболее часто встречаются в природе. В отличие от других соединений, белкам свойственны некоторые характерные черты. Главное их свойство - это огромная молекулярная масса. Например, молекулярный вес атома спирта составляет 46, бензола - 78, а гемоглобина - 152 000. По сравнению с молекулами других веществ, белки являются настоящими великанами, содержащими в себе тысячи атомов. Иногда биологи называют их макромолекулами.

Белки являются самыми сложными из всех органических строений. Они относятся к классу полимеров. Если рассмотреть молекулу полимера под микроскопом, то можно увидеть, что она представляет собой цепь, состоящую из более простых структур. Они носят название мономеров и повторяются в полимерах множество раз.

Помимо белков существует большое количество полимеров - каучук, целлюлоза, а также обычный крахмал. Также немало полимеров создано и руками человека - капрон, лавсан, полиэтилен.

Образование белка

Как же образуются белки? Они представляют собой пример органических веществ, состав которых в живых организмах определяется генетическим кодом. При их синтезе в подавляющем большинстве случаев используются различные комбинации

Также новые аминокислоты могут образовываться уже когда белок начинает функционировать в клетке. При этом в нем встречаются только альфа-аминокислоты. Первичная структура описываемого вещества определяется последовательностью остатков аминокислотных соединений. И в большинстве случаев полипептидная цепь при образовании белка закручивается в спираль, витки которой располагаются тесно друг к другу. В результате образования водородных соединений она имеет достаточно прочную структуру.

Жиры

Другим примером органических веществ могут послужить жиры. Человеку известно немало видов жиров: сливочное масло, говяжий и рыбий жир, растительные масла. В больших количествах жиры образуются в семенах растений. Если очищенную семечку подсолнечника положить на лист бумаги и придавить, то на листе останется маслянистое пятно.

Углеводы

Не менее важными в живой природе являются углеводы. Они содержатся во всех органах растений. К классу углеводов относится сахар, крахмал, а также клетчатка. Богаты ими клубни картофеля, плоды банана. Очень легко обнаружить крахмал в картофеле. При реакции с йодом этот углевод окрашивается в синий цвет. В этом можно убедиться, если капнуть на срез картофелины немного йода.

Также несложно обнаружить и сахара - они все имеют сладкий вкус. Много углеводов этого класса содержится в плодах винограда, арбузов, дыни, яблони. Они представляют собой примеры органических веществ, которые также производятся в искусственных условиях. Например, из сахарного тростника добывается сахар.

А как образуются углеводы в природе? Самым простым примером является процесс фотосинтеза. Углеводы представляют собой органические вещества, в которых содержится цепь из нескольких углеродных атомов. Также в их состав входит несколько гидроксильных групп. В процессе фотосинтеза сахар неорганических веществ образуется из оксида углерода и серы.

Клетчатка

Еще одним примером органических веществ является клетчатка. Больше всего ее содержится в семенах хлопка, а также стеблях растений и их листьях. Клетчатка состоит их линейных полимеров, ее молекулярная масса составляет от 500 тысяч до 2 млн.

В чистом виде она представляет собой вещество, у которого отсутствует запах, вкус и цвет. Применяется оно при изготовлении фотопленки, целлофана, взрывчатки. В организме человека клетчатка не усваивается, однако является необходимой частью рациона, поскольку стимулирует работу желудка и кишечника.

Вещества органические и неорганические

Можно привести немало примеров образования органических и Вторые всегда происходят из минералов - неживых которые образуются в глубинах земли. Они входят и в состав различных горных пород.

В естественных условиях неорганические вещества образуются в процессе разрушения минералов либо органических веществ. С другой стороны, из минералов постоянно образуются вещества органические. Например, растения поглощают воду с растворенными в ней соединениями, которые в дальнейшем переходят из одной категории в другую. Живые организмы используют для питания главным образом органические вещества.

Причины разнообразия

Нередко школьникам или студентам нужно ответить на вопрос о том, в чем заключаются причины многообразия органических веществ. Главный фактор состоит в том, что атомы углерода соединяются между собой при помощи двух типов связей - простых и кратных. Также они могут образовывать цепи. Еще одной причиной является разнообразие различных химических элементов, которые входят в органические вещества. Кроме того, многообразие обусловлено и аллотропией - явлением существования одного и того же элемента в различных соединениях.

А как образуются неорганические вещества? Природные и синтетические органические вещества и их примеры изучаются как в старших классах школы, так и в профилированных высших учебных заведениях. Образование неорганических веществ - это не такой сложный процесс, как образование белков или углеводов. Например, соду с незапамятных времен люди добывали из содовых озер. В 1791 году ученый-химик Николя Леблан предложил синтезировать ее в лабораторных условиях с использованием мела, соли, а также серной кислоты. Когда-то всем привычная сегодня сода была достаточно недешевым продуктом. Для проведения опыта было необходимо прокалить поваренную соль вместе с кислотой, а затем образовавшийся сульфат прокалить вместе с известняком и древесным углем.

Другим является марганцовка, или перманганат калия. Это вещество получают в промышленных условиях. Процесс образования заключается в электролизе раствора гидроксида калия и марганцевого анода. При этом анод постепенно растворяется с образованием раствора фиолетового цвета - это и есть всем известная марганцовка.

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.