Биогенные элементы

Химия биогенных элементов

В начале 20 века советским академиком В.И. Вернадским на основе геохимии, биологии и биохимии была создана новая наука – биогеохимия.

Биогеохимия – наука, изучающая взаимосвязь элементарного химического состава земной коры и живых организмов, а также миграцию химических элементов и их круговорот в системе «живая материя – земля». Биогеохимияизучает химические процессы, происходящие в земной коре с участием живых организмов.

Часть земной оболочки, занятая растительными и животными организмами образует биосферу. В процессе деятельности живых организмов в биосфере образуются минералы и различные природные вещества. Известно около 90 химических элементов в составе земной коры. В составе живых организмов обнаружено около 70 химических элементов периодической системы.

Химические элементы, находящиеся в живом организме и обладающие выраженной биологической ролью – называются биогенными элементами.

Отбор биогенных элементов в процессе эволюции происходил под влиянием следующих факторов:

1. Распространенность элементов в земной коре.

2. Заряд атомного ядра. Биогенные элементы в основном легкие элементы.

3. Растворимость природных соединений данного элемента в воде.

4. Энергия гидратации иона.

5. Значения координационных чисел атомов.

В зависимости от массовой доли элемента (ω%) в организме элементы делят на следующие группы:

1) Макроэлементы с ω (х)>0,01% от массы организма - C, O, H, N, P S, Cl, Ca, Na, Mg, K, Fe.

2) Микроэлементы с ω (х) от 10^-3 до 10^-5 % от массы организма – Cu, Mo, Co, Cr, F, Br, I и др.

3) Ультрамикроэлементы с ω (х) <10^-5 % от массы организма – Hg, Au, Ra и др.

Такие элементы, как C, O, H, N,P,S относятся к органогенам. Они входят в состав каждой клетки и в состав биополимеров – белков, нуклеиновых кислот, углеводов.

Эти 12 элементов составляют 99,99% массы живого субстрата и 99% живых тканей содержат только эти элементы.

10 металлов, жизненно необходимых для живого организма получили название «металлы жизни»: Ca, K, Na, Mg, Fe, Zn, Cu, Mn, Mo, Co.

Различна биологическая роль этих групп элементов.

Макроэлементы в организме выполняют роль пластического материала, участвуют в построении тканей, поддержании осмотического давления, кислотно–основного равновесия (гомеостаза), рН среды.

Микроэлементы входят в структуру и активные центры ферментов, находятся в составе витаминов, гормонов, влияют на обмен белков, жиров, углеводов.

Биологическая роль ультрамикроэлементов изучена мало.

По расположению в периодической системе биогенные элементы относятся к s,p и d – семействам химических элементов. При этом, как правило:

S - элементы – образуют электролитную среду в крови и других биологических жидкостей(Na, Mg, K, Ca, Н);

Р - элементы – это органогены (С, S, N О);

D - элементы главным образом микроэлементы.

Установлена связь между положением химических элементов в периодической системе и их биологической ролью.

Элементы IА группы – влияют на деятельность сердечной мышцы и кровообращения.

Элементы IIА группы – оказывают влияние на процессы образования костей, действие гормона инсулина.

Элементы VА группы – участвуют в процессах окислительного распада веществ в организме.

Элементы VIА группы – способны к взаимному замещению в биологических соединениях.

Существует общее правило: в организме количественное содержание химического элемента убывает с увеличением его порядкового номера, при этом возрастает токсичность соединений элементо в.

Органы и среды человека по-разному концентрируют в себе химические элементы.

Водород и кислород – макроэлементы входят в состав Н₂О, которой в организме человека примерно 65%.

Углерод, водород, азот, фосфор, кислород – входят в состав белков примерно 80%, которых содержится в селезенке, легких, мышцах.

Углерод, водород, кислород – входят в состав углеводов, липидов, которые концентрируются в печени, сыворотки крови.

Кальций, магний и фосфор содержатся в костной ткани, твердых тканях зубов; Мо – в почках; Zn – в поджелудочной железе; I – в щитовидной железе; Sr – в костях; Mn, Cr, Br – в гипофизе; Ва – в сетчатке глаза.

Большинство микроэлементов концентрируются в печени – функциональном депо микроэлементов.

Биогенные элементы в организме находятся как в свободной ионизированной форме, так и в составе различных соединений.

Например, железо в кислой среде желудка содержится в виде свободных ионов Fe²⁺ и Fe³⁺; щелочной среде кишечника находится в виде Fe(OH)₃; в крови – в составе гемоглобина как комплексообразователь Fe²⁺ с координационным числом 6.

Современная медицина широко исследует взаимосвязь между содержанием химических элементов в организме и развитием различных заболеваний. Оказалось, что особенно чутко организм реагирует на изменение концентраций микроэлементов. Так при развитии гипертонической болезни в крови и эритроцитах более, чем в 2 раза уменьшается содержание лития, при инфаркте миокарда в плазме крови снижается содержание ионов Zn²⁺.

Концентрация элемента в живом веществе прямо пропорциональна его содержанию в среде обитания с учетом растворимости соединений элемента. Согласно биогеохимической теории В.И. 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. В 1926 году академик В.И. Вернадский предложил выделить участки земной коры, отличающиеся накоплением одних элементов и обедненных другими элементами. Эти участки были названы – биохимическими провинциями. Таким образом, одни организмы попадают в условия избытка какого-либо элемента, а другие – недостатка. Это приводит к возникновению эндемических заболеваний характерных для какой-то определенной местности или региона. Например, у лиц, проживающих в областях удаленных от моря, где в воде и растениях наблюдается недостаток иода, развивается эндемическое заболевание щитовидной железы. При избытке фтора в питьевой воде возникает флюфоз – заболевание зубной эмали. Избыток свинца наблюдается на Алтае, меди – на южном Урале.

Таким образом, количественное определение содержания элементов в природных источниках, органах, тканях в норме и патологии имеет большое значение для прогнозирования, диагностики и лечения различных заболеваний.

Ежедневное поступление химических элементов с пищей должно находиться на определенном уровне:

Столько же химических элементов должно выводиться, поскольку их содержание в организме находится в относительном постоянстве. При недостаточном поступлении элемента в организм наносится существенный ущерб росту и развитию организма. Это объясняется снижением активности ферментов, в состав которых входит элемент. При повышении дозы этого элемента ответная реакция организма возрастает и достигает нормы. 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. 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.

Контрольные вопросы

1. Биогеохимия.

2. Биогенные элементы, их классификация, роль в организме. Органогены.

3. Факторы отбора биогенных элементов в процессе эволюции. Связь между положением химических элементов в периодической системе и их биологической ролью.

4. Топография микроэлементов. Формы нахождения биогенных элементов в организме.

5. Биогеохимические провинции. Эндемические заболевания.

6.