Автор работы: Пользователь скрыл имя, 15 Февраля 2013 в 22:27, реферат
Л. П. Виноградов считал, что концентрация элементов в живом веществе прямо пропорциональна его содержанию в среде обитания с учетом растворимости их соединений. По мнению А. П. Виноградова химический состав организма определяется составом окружающей среды. Биосфера содержит 100 млрд. тонн живого вещества. Около 50% массы земной коры приходится на кислород, более 25% на кремний.
ГБОУ ВПО АГМА МИНЗДРАВСОЦРАЗВИТИЯ РОССИИ
Основы химии биогенных
Биоэлементы неметаллы.
Кислород. Азот. Сера. Углерод. Йод. Кремний.
Химические элементы в окружающей среде и в организме человека
Распространенность элементов в природе. Биосфера. Биогенные элементы. Классификация биогенных элементов. Элементный состав человека
Часть земной оболочки, занятой
растительными и животными
Л. П. Виноградов считал, что концентрация элементов в живом веществе прямо пропорциональна его содержанию в среде обитания с учетом растворимости их соединений. По мнению А. П. Виноградова химический состав организма определяется составом окружающей среды. Биосфера содержит 100 млрд. тонн живого вещества. Около 50% массы земной коры приходится на кислород, более 25% на кремний. Восемнадцать элементов (О, Si, Al, Fe, Ca. Na, К, Mg, H, Ti, С, Р, N, S, Cl, F, Мn, Ва) составляют 99,8% массы земной коры. Живые организмы принимают активное участие в перераспределении химических элементов в земной коре. Минералы, природные химические вещества, образуются в биосфере в различных количествах, благодаря деятельности живых веществ (образование железных руд, горных пород, в основе которых соединения кальция). Кроме этого, оказывают влияние техногенные загрязнения окружающей среды. Изменения, происходящие в верхних слоях земной коры, влияют на химический состав живых организмов. В организме можно обнаружить почти все элементы, которые есть в земной коре и морской воде. Пути поступления элементов в организм разнообразны. Согласно биогеохимической теории Вернадского существует «биогенная миграция атомов» по цепочке воздух> почва>вода>пища>человек, в результате которой практически все элементы, окружающие человека во внешней среде, в большей или меньшей степени проникают внутрь организма.
Содержание некоторых
элементов в организме по сравнению
с окружающей средой повышенное –
это называют биологическим
В составе живого вещества найдено более 70 элементов.
Элементы необходимые организму для построения и жизнедеятельности клеток и органов, называют биогенными элементами.
Для 30 элементов биогенность установлена. Существует несколько классификаций биогенных элементов:
А) По их функциональной роли:
1) органогены, в организме их 97,4% (С, Н, О, N, Р, S),
2) элементы электролитного фона (Na, К, Ca, Mg, Сl). Данные ионы металлов составляют 99% общего содержания металлов в организме;
3) Микроэлементы – это биологически активные атомы центров ферментов, гормонов (переходные металлы).
Б) По концентрации элементов в организме биогенные элементы делят:
1) макроэлементы;
2) микроэлементы;
3) ультрамикроэлементы.
Биогенные элементы, содержание которых превышает 0,01% от массы тела, относят к макроэлементам. К ним отнесены 12 элементов: органогены, ионы электролитного фона и железо. Они составляют 99,99% живого субстрата. Еще более поразительно, что 99% живых тканей содержат только шесть элементов: С, Н, О, N, Р, Ca. Элементы К, Na, Mg, Fe, Сl, S относят к олигобиогенным элементам. Содержание их колеблется от 0,1 до 1%. Биогенные элементы, суммарное содержание которых составляет величину порядка 0,01%, относят к микроэлементам. Содержание каждого из них 0,001% (10-3 – 10-5%).Большинство микроэлементов содержится в основном в тканях печени. Это депо микроэлементов. Некоторые микроэлементы проявляют сродство к определенным тканям ( йод - к щитовидной железе, фтор - к эмали зубов, цинк - к поджелудочной железе, молибден - к почкам и т.д.). Элементы, содержание которых меньше чем 10-5%, относят к ультрамикроэлементам. Данные о количестве и биологической роли многих элементов невыяснены до конца. Некоторые из них постоянно содержатся в организме животных и человека: Ga, Ti, F, Al, As, Cr, Ni, Se, Ge, Sn и другие. Биологическая роль их мало выяснена. Их относят к условно биогенным элементам. Другие примесные элементы (Те, Sc, In, W, Re и другие) обнаружены в организме человека и животных, и данные об их количестве и биологической роли не выяснены. Примесные элементы также делят на аккумулирующиеся (Hg, Pb, Cd) и не аккумулирующиеся (Al, Ag, Go, Ti, F). Известны крылатые слова, сказанные в 40-х годах немецкими учеными Вальтером и Идой Ноддак: «В каждом булыжнике на мостовой присутствуют все элементы периодической системы». Если согласиться, что в каждом булыжнике содержатся все элементы, то тем более это должно быть справедливо для живого организма.
Все живые организмы имеют тесный контакт с окружающей средой. Жизнь требует постоянного обмена веществ в организме. Поступлению в организм химических элементов способствует питание и потребляемая вода. Организм состоит из воды на 60%, 34% приходится на органические вещества и 6% на неорганические. Основными компонентами органических веществ являются С, Н, О. В их состав входят также N, P, S. В составе неорганических веществ обязательно присутствуют 22 химических элемента (смотрите таблицу № 1). Например, если вес человека составляет 70 кг, то в нём содержится (в граммах): Са - 1700, К - 250, Na –70, Mg - 42, Fe - 5, Zn - 3. На долю металлов приходится 2,1 кг. Содержание в организме элементов IIIA–VIA групп, ковалентносвязанных с органической частью молекул, уменьшается с ростом заряда ядра атомов данной группы периодической системы Д. И. Менделеева. Например, w(О) > w(S) > w(Se) > w(Fe). Количество элементов, находящихся в организме в виде ионов (s-элементы IA, IIА групп, р-элементы VIIA группы), с ростом заряда ядра атома в группе увеличивается до элемента с оптимальным ионным радиусом, а затем уменьшается. Например, во IIА группе при переходе от Be к Са содержание в организме увеличивается, а затем от Ва к Ra снижается. Элементы, аналоги, имеющие близкое строение атомов, имеют много общего в биологическом действии. В соответствии с рекомендацией диетологической комиссии Национальной академии США ежедневное поступление химических элементов с пищей должно находиться на определенном уровне (таблица № 1).
Таблица № 1. Суточное поступление химических элементов в организм человека
Химический элемент |
Суточное потребление, в мг | |
Взрослые |
Дети | |
Калий |
2000-5500 |
530 |
Натрий |
1100-3300 |
260 |
Кальций |
800-1200 |
420 |
Магний |
300-400 |
60 |
Цинк |
15 |
5 |
Железо |
10-15 |
7 |
Марганец |
2-5 |
1,3 |
Медь |
1,5-3,0 |
1,0 |
Титан |
0,85 |
0,06 |
Молибден |
0,075-0,250 |
- |
Хром |
0,05-0,20 |
0,04 |
Кобальт |
Около 0,2 витамин B12 |
0,001 |
Хлор |
3200 |
470 |
РО43- |
800-1200 |
210 |
SO42- |
10 |
– |
Йод |
0,15 |
0,07 |
Селен |
0,05-0, 07 |
– |
Фтор |
1,5-4,0 |
0, 6 |
Столько же химических элементов должно выводиться, поскольку их содержание в организме находится в относительном постоянстве.
Современное состояние знаний о
биологической роли элементов можно
характеризовать как поверхностное прикосновение
к этой проблеме. Накоплено много фактических
данных по содержанию элементов в различных
компонентах биосферы, ответные реакции
организма на их недостаток и избыток.
Составлены карты биогеохимического районирования
и биогеохимических провинций. Но нет
общей теории рассматривающей функции,
механизм воздействия и роль микроэлементов
в биосфере. Характерным признаком жизненной
необходимости элемента является колокообразный
характер кривой, построенной в координатах,
ответная реакция организма (R) - доза элемента
(Д).
При недостаточном поступлении
Обычные микроэлементы, когда их концентрация в организме превышает биотическую концентрацию, проявляют токсическое действие на организм. Токсичные элементы при очень малых концентрациях не оказывают вредного воздействия на растения и животных. Например, мышьяк при микроконцентрациях оказывает биостимулирующее действие. Следовательно, нет токсичных элементов, а есть токсичные дозы. Таким образом, малые дозы элемента - лекарство, большие дозы - яд. «Все есть яд, и ничто не лишено ядовитости, одна лишь доза делает яд незаметным» - Парацельс. Уместно вспомнить слова таджикского поэта Рудаки: «Что нынче снадобьем слывет, то завтра станет ядом».
Итак, биогенность 30 элементов установлена. Относительно постоянно содержание в организме человека 70 элементов (в пределах порядка). Отмечаются сильные колебания уровня (несколько порядков) примесных элементов и относительно низкий уровень примесных элементов у сельских жителей. Постоянство содержания необходимых элементов вероятнее всего определяется эффективными механизмами гомеостаза. Предположения ученых идут еще дальше. В живом организме не только присутствуют все элементы, но каждый из них выполняет какую-то функцию. Учитывая строение атома, формы и свойства соединений титана, содержание в организме выполняемые им функции и ответные реакции организма на его введение, мы считаем этот элемент жизненно необходимым элементом. Титан относится к числу наиболее распространенных в природе элементов. В земной коре содержание только девяти элементов (О, Fe, Si, Са, Mg, К, Na, Al, H) превышает содержание титана, массовая доля которого составляет 0,61%. Среди переходных металлов титан по распространенности в земной коре занимает второе место после железа. Содержание титана в тканях рыб составляет 10-4%, в организме животных, обитающих на суше, равно 9·10-4%. В организме человека он обнаружен еще 19 веке. Титан постоянно содержится в организме человека. Концентрация его в пределах 10-6%. В органах человека содержание титана составляет в среднем 1 мг на 100 г золы или 0,02 мг на 100 г сырого вещества. В 1937г. В.И. Вернадский сделал предположение о том, что титан нужен организму и выполняет определенные жизненно важные функции. Изучение биологической значимости титана проводили в хроническом эксперименте на растениях и животных путем определения реакции организма на добавку титана. Кривая ответной реакции организма на дозу титана имеет аналогичный биогенным элементам колоколообразный характер. Отмечено возникновение ряда заболеваний при нарушении обмена титана. В развернутой фазе острого лейкоза, при гастрогенной железодефицитной анемии, постгеморогической анемии, раке, язвенной болезни желудка и при оперативном вмешательстве в ранние послеоперационные сроки содержание титана в крови снижается. Нарушение обмена титана отмечено также при болезни Боткина, токсикозе и нефропатии беременных, у больных микробной экземой и нейродермитом, при ожогах. При повышении дозы титана в организме ответная реакция возрастает, затем достигает нормы. В эксперименте на крысах при изучении иммунорегуляторных свойств комплексоната титана на основе гидроксиэтилидендифосфоновой кислоты установлен дозозависимый эффект на показатели клеточного и гуморального иммунитета. Биотическая концентрация 10 мг/кг живой массы. При данной дозе эффективность иммуностимулирующего действия повышается до 60%. Нормальное функционирование наблюдается в широком интервале концентраций (до 80мг/кг). Дальнейшие повышение дозы приводит к иммунодепрессивному эффекту и токсическому действию.
Биоэлементы неметаллы
Кислород
Необходимость: Кислород необходим для существования
жизни на земле: животные и растения потребляют
кислород в процессе дыхания, а растения
выделяют кислород в процессе фотосинтеза.
Кислород - основной биогенный элемент,
входящий в состав молекул всех важнейших
веществ, обеспечивающих структуру и функции
клеток - белков, нуклеиновых кислот, углеводов,
липидов, а также множества низкомолекулярных
соединений.
В организме: В каждом растении или животном
кислорода гораздо больше, чем любого
другого элемента - в среднем около 70%.
Мышечная ткань человека содержит 16% кислорода,
костная ткань - 28.5%; всего в организме
среднего человека при массе тела 70 кг,
содержится 43 кг кислорода. В организм
животных и человека кислород поступает
в основном через органы дыхания - свободный
кислород и с водой - связанный кислород.
Оздоровительный эффект: Небольшие количества кислорода
используют в медицине: кислородом, из
так называемых кислородных подушек, дают
некоторое время дышать больным, у которых
затруднено дыхание.
Недостаток: понижение содержания кислорода
(гипоксия) в тканях и клетках при облучении
организма ионизирующей радиацией обладает
защитным действием - так называемый кислородный
эффект. Этот эффект используют в лучевой
терапии: повышая содержание кислорода
в опухоли и понижая его содержание в окружающих
тканях усиливают лучевое поражение опухолевых
клеток и уменьшают повреждение здоровых.
Повышенное содержание: длительное вдыхание воздуха,
обогащенного кислородом, опасно для здоровья
человека. Высокие концентрации кислорода
вызывают в тканях образование свободных
радикалов, нарушающих структуру и функции
биополимеров. При некоторых заболеваниях
применяют насыщение организма кислородом
под повышенным давлением - гипербарическую
оксигенацию.
Метаболизм: Потребность организма в кислороде
определяется уровнем (интенсивностью)
обмена веществ, который зависит от массы
и поверхности тела, возраста, пола, характера
питания, внешних условий и др. В экологии
как важную энергетическую характеристику
определяют отношение суммарного дыхания
(то есть суммарных окислительных процессов)
сообщества организмов к его суммарной
биомассе.
Наличие в атмосфере кислорода в значительной
степени определило характер биологической
эволюции. Аэробный (с участием O2)
обмен веществ возник позже анаэробного
(без участия O2), но именно реакции
биологического окисления, более эффективные,
чем древние энергетические процессы
брожения и гликолиза, снабжают живые
организмы большей частью необходимой
им энергии. Исключение составляют облигатные
анаэробы, например, некоторые паразиты,
для которых кислород является ядом. Использование
кислорода, обладающего высоким окислительно-восстановительным
потенциалом, в качестве конечного акцептора
электронов в цепи дыхательных ферментов,
привело к возникновению биохимического
механизма дыхания современного типа.
Этот механизм и обеспечивает энергией
аэробные организмы.
Основатель современной химии Антуан
Лавуазье (1743-1794) первым понял, что принципиальных
различий между окислением углеводов
в клетке и горением дров в печке нет. В
обоих случаях органические вещества
разрушаются при участии кислорода до
углекислого газа и воды с выделением
энергии. В клетке окисление идет поэтапно
и строго контролируется, поэтому часть
энергии не выделяется сразу в виде тепла,
а запасается в форме молекул АТФ, которые
затем организм использует в качестве
топлива для самых разнообразных процессов,
включая перенос ионов через мембраны,
сокращение мышц, деление клетки, синтез
жизненно важных веществ и т.п. Клеточное
дыхание включает в себя последовательность
биохимических реакций, объединяемых
в т.н. "метаболические пути", например
гликолиз, окисление пировиноградной
кислоты, цикл трикарбоновых кислот, электронтранспортную
цепь и др. Гликолиз протекает в цитозоле,
т.е. жидкой внутренней среде клетки, не
оформленной в определенные структуры.
Другие названные выше реакции происходят
у всех эукариот внутри митохондрий. Это
микроскопические, окруженные мембранами,
способные к самовоспроизведению тельца,
плавающие в цитозоле и обычно называемые
энергетическими станциями клетки. Полное
окисление глюкозы до диоксида углерода
приводит к образованию 32 молекул АТФ.
Превращение глюкозы в две молекулы пирувата
дает только две из этих 32 молекул АТФ
и не требует участия молекулярного кислорода.
Остальная часть АТФ может затем образовываться
при окислении пировиноградной кислоты
в цикле трикарбоновых кислот и в процессе
электронов по электронтранспортной цепи
- уже с использованием кислорода.
В отсутствие кислорода пировиноградная
кислота может восстанавливаться до молочной
или ацетальдегида, а последний - превращаться
в этанол с выделением углекислого газа,
например при брожении. Молочная кислота
образуется при дефиците кислорода в тканях
большинства животных, а этанол дают некоторые
рыбы, но главным образом бактерии и дрожжи.
Расщепление углеводов (глюкозы) с образованием
этих веществ нередко называют анаэробным
дыханием. Присутствие кислорода подавляет
его в большинстве клеток - в таких условиях
пировиноградная кислота окисляется дальше.
Это явление - ингибирование кислородом
анаэробного использования глюкозы (при
этом эффективность использования глюкозы
обычно возрастает, поскольку одна ее
молекула начинает давать больше АТФ)
- называется эффектом Пастера в честь
французского химика и биолога, основателя
бактериологии Луи Пастера (1822-1895).
Нахождение в природе: Кислород - самый распространенный
на Земле элемент, на его долю, в составе
различных соединений, главным образом
силикатов, приходится около 47,4% массы
твердой земной коры. Морские и пресные
воды содержат огромное количество связанного
кислорода - 88,8% (по массе), в атмосфере
содержание свободного кислорода составляет
20,95 % (по объему). Элемент кислород входит
в состав более 1500 соединений земной коры.
Кислород в атмосфере Земли начал накапливаться
в результате деятельности первичных
фотосинтезирующих организмов, появившихся,
вероятно, около 2,8 млрд. лет назад. Полагают,
что 2 млрд. лет назад атмосфера уже содержала
около 1% кислорода; постепенно из восстановительной
она превращалась в окислительную и примерно
400 млн. лет назад приобрела современный
состав.
Таблица Менделеева: Кислород, лат. Oхygenium, O, химический
элемент с атомным номером 8, атомная масса
15,9994. В периодической системе элементов
Менделеева расположен во втором периодевгруппеVIA.
Природный кислород состоит из смеси трех
стабильных нуклидов с массовыми числами
16 (доминирует в смеси, его в ней 99,759 % по
массе), 17 (0,037%) и 18 (0,204%). Радиус нейтрального
атома кислорода 0,066 нм. Конфигурация внешнего
электронного слоя нейтрального невозбужденного
атома кислорода 2 s 2 р 4. Энергии последовательной
ионизации атома кислорода 13,61819 и 35,118
эВ, сродство к электрону 1,467 эВ. Радиус
иона O2-при разных координационных
числах от 0,121 нм (координационное число
2) до 0,128 нм (координационное число 8). В
соединениях проявляет степень окисления
-2 (валентность II) и, реже, -1 (валентность
I). По шкале Полинга электроотрицательность
кислорода 3,5 (второе место среди неметаллов
послефтора).
В свободном виде кислород - газ без цвета,
запаха и вкуса.