лекция 11

Лекция 11

Тема: Химический состав организма человека

1. Химические элементы в организме человека.

2. Вода. Строение молекулы. Биологическая роль.

3. 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:

1. нахождением элемента в природе в доступной (обычно водорастворимой) форме;

2. способностью организма поглощать элемент;

3. 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 110^-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.

2. 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.

5