Свойства и биологическая роль органогенных элементов.
Элементы органогены и другие
Важные p-элементы
Свойства и биологическая роль органогенных элементов.
В настоящее время количество органических веществ, существующих в природе или образованы синтетически насчитывает около 10 млн. К ним принадлежит и большое число биоорганических соединений – биополимеров( белки, нуклеиновые кислоты, углеводы), биорегуляторы
(ферменты, гормоны, витамины) и синтетические физиологически-активные вещества. Они являются объектами изучения биоорганической химии, которая изучает химическое строение и свойства соединений углерода, которые входят в состав организмов.
Поскольку атомы углерода могут иметь различные степени окисления и находиться в одних и тех же молекулах в различных степенях окисления, то это тоже служит причиной многообразия соединений этого элемента.
Среди неорганических соединений углерода мы отметим особо его оксиды – СО2 и СО.
Монооксид углерода или угарный газ (СО) – это бесцветный, очень ядовитый газ, который образуется при неполном сгорании разных видов топлива. Как мы уже говорили, с гемоглобином крови от образует стойкое комплексное соединение карбогемоглобин, которое в отличие от гемоглобина не способна переносить кислород от легких в ткани. Поэтому, даже при незначительной концентрации СО в воздухе наступает отравление организма человека. Антидотом при отравлении угарным газом является кислород в специальной барокамере.
Цианид водорода (НСN) при нормальных условиях – хорошо растворимая жидкость. Ее раствор в воде – это синильная кислота. Эта кислота и ее соли являются ядовитыми веществами. Даже в мизерных дозах они смертельно действуют на организм. Механизм их отравляющего действия заключается в том, что он образует комплексные соединения, особенно с двухвалентным катионом железа, который входит в состав ферментов, отвечающих за дыхание. И минимальное количество солей синильной кислоты вызывает паралич дыхательных путей.
Но в микроколичествах цианид-ионы образуются в организме и используются им для построения некоторых биоструктур, например, цианокобаломина (витамина В12). В молекуле этого витамина цианид-ионы выполняют роль лигандов в составе хелатного комплекса.
В химическом отношении СО2 – кислотный оксид, ангидрид угольной кислоты. Он плохо растворим в воде. Угольная кислота – это слабая двухосновная кислота. Поэтому в смеси с солями этой кислоты действует в организме в качестве буферной системы крови.
Содержание углекислого газа в атмосфере воздуха составляет приблизительно 0,03% по объему. Он играет важную роль в поддержании определенного постоянного температурного режима на поверхности Земли, поскольку молекулы углекислого газа способны накапливать УФ-излучения, предотвращая выход тепла за пределы атмосферы. Но в последнее время из-за активной производственнолй деятельности человека наблюдается постоянное увеличение концентрации углекислого газа в воздухе, что может привести к глобальным климатическим изменением – „парниковому эффекту”.
Водород (Н) и Кислород (О). В организме человека сождержится приблизительно 10% по массе Водорода и 62, 4% кислорода. Основная масса этих элементов находится в виде ковалентных соединений с другими неметаллами – углеродом, азотом, фосфором, серой в составе биологически активных веществ, поскольку входят в состав углеводов, белков и жиров. Поскольку атомы водорода являются донорами електронов, они участвуют во всех окислительно-восстановительных реакциях в организме. Энергия этих электронов используется на образование таких високоэнергетических соединений как молекулы АТФ, АДФ и др.
Также, протоны водорода играют важную роль в поддержании кислотно-основного равновесия в организме, катализируют реакции окисления молекул пищевых продуктов, принимают участие в переваривании пищи, поскольку входят в состав соляной кислоты – важного компонента желудочного сока.
Наиболее важное значение для фцнкционирования биосистем имеет кислород. Как элемент-органоген он входит в состав огромного числа кислородсодержащих органических биомолекул – белков, жиров, фосфолипидов, нуклеиновых кислот, ферментов, витаминов и т.д.
Без кислорода не может функцилонировать ни одна клеточка живого организма, поскольку он принимает участие во всех обменных реакциях, происходящих на клеточном уровне. Во всех окислительных реакциях он выступает в роли окислителя, то есть акцептором электронов. Окисление органических веществ сопровождается огромным выбросом энергии, которые накапливаются в макроэргических связях АТФ и служат для выполнения организмов разного вида работы.
Кислород необходим для осуществления одного из наиважнейших процессов – дыхания. Это сложный многоступенчатый процесс. Химизм его заключается в следующем. Кислород, поступая из легких в кровь с гемоглобином, в виде оксигемоглобина, преносится в ткани и клетки, где происходят множественные процессы окисления органических веществ.
Таким образом, кислород и водород являются носителями окислительно-восстановительных реакций в организме. Они играют важную роль в обмене энергии и веществ, поскольку основное количество энергии в организме вырабатывается за счет окислительно-восстановительных процессов, которые называют биологическим окислением.
Азот. Входит в состав молекул огромного количества биологически активных веществ – белков, витаминов, гормонов, нуклеиновых кислот и др. Общее содержание азота в организме человека составляет 3,1% по массе. Он обязательно является составляющей всех белковых молекул, играет огромную роль в обмене веществ. Входит в состав гетороцикличных соединений, которые являются компонентами аминокислот инуклеиновых кислот – ДНК, РНК.
Азот образует ковалентные связи с другими молекулами-0органогенами, которые легко расщепляются под действием ферментов.
Молекулярный азот, находящийся в атмосфере не может усваиваться человеческим организмом в том виде. Поскольку характеризуется высокой термодинамической стойкостью.
Биологический процесс связывания атмосферного азота до аммиака осуществляется под действием фермента нитрогеназы. Этот процесс является очень важным, поскольку фиксация азота является необходимым условием существования жизни.
Азот образует множество соединений с нерганическими веществами, важыми с точки зрения применения в медицине являются аммиак, соли азотной и азотистой кислот.
Аммиак используется в медицинской практике в виде нашатырного спирта (10% водный раствор аммиака).
Оксид азота, который является продуктом распада азотной и азотистой кислот является в организме человека регулятором сердечно-сосудистой дестельности и поддерживает тонус кровеносных сосудов. При маленьком его количестве используют такие лекарственные препараты как нитроглицерин или амилнитрит, которые являютя сильными сосудорасширяющими средствами.
С биохимической точки зрения функцуия этого элемнта состоит в его способности образовывать связи типа – S – S – в составе полипептидных цепочек протеинов. Эти дисульфидные мостики помогают в постоении пространственной конфигурации молекул белков и являются условием их нормального функционирования.
Фосфор в своих соединениях може проявлять валентность Ш и Y. Наиболее стойкими из них яаляются соединения с валентностью Y, среди которых важное биологическое значение имеют соли ортофосфорной кислоты.
Фосфор называют «элементом жизни и мышления», поскольку он играет существенную роль в обмене веществ и энергии. В виде фосфат-ионов, он входит в сосав нуклеотидов, которые являются мономерными единицами нуклеиновых кислот (РНК, ДНК). Нуклеиновые кислоты – это полимеры, которые обеспечивают сохранение и передачу наследственной инфоромации. Некоторые нуклеотиды принимают участие в обмене веществ, выполняя функцию коферментов.
Биоорганические молекулы, которые состоят из азотсодержащих оснований и углевода пентозы, называют нуклеозидами. Нуклеозиды, взаимодействуя с фосфорной кислотой, образуют моно-, ди- и триаденозинфосфаты (АМФ, АДФ, АТФ). Связывание фосфорной кислоты биоорганическими молекулами с образованием их эфиров или амидов называют биологическим фосфорелированием, а образование АТФ из АДФ и неорганического фосфата получило название окислительного фосфорелирования.
Аденозинфосфаты содержатся в митохондриях клеток и принимают участие в энергетическом обмене. Важная роль принадлежит молекуле АТФ, которая является источником и аккумулятором энергии организма. В результате гидролиза АТФ под действием фермента АТФ-азы выделяется 30,5 кДж свободной энергии Гиббса на 1 моль кислоты, которая используется для сокращения мышц, биосинтеза белков и нуклеиновых кислот и мембранного транспорта.
Хорошо растворимые в воде неорганические фосфаты входят в состав фосфатной буферной системы, которая в комплексе с другими буферными системами обеспечивает постоянное значение рН крови.
Фосфор является основным компонентом минеральной основы костной ткани и зубов, а также зубной эмали.
В организме содержится в среднем 650 г фосфатов, из них более 80% находится в скелете, а остальное количество во внутриклеточной и внеклеточной жидкостях. Суточная норма организма в фосфоре составляет1,0 – 1,3 г. При его недостатке, особенно в комплексе с кальцием и витамином D, развивается рахит.
Химический состав бактерий. Понятие об органогенах
Для нормального функционирования клетки необходимо, чтобы питательные вещества содержали необходимые химические элементы. Такие химические элементы называют органогены. Всего таких элементов 21. Среди них выделяют абсолютные органогены: углерод, водород, кислород и азот. Они используются для построения сложных органических веществ: белков, углеводов, нуклеиновых кислот и липидов, без которых невозможно существование жизни. Источником водорода и кислорода служит вода.
Кроме органогенов, питание должно обеспечивать поступление минеральных веществ и факторов роста.
К макроэлементам относятся фосфор, натрий, калий, магний, хлор, кремний, сера, железо и др. Большая часть их входит в состав органических веществ клетки, часть присутствуют в виде солей.
Микроэлементы (кобальт, марганец, медь, хром, цинк, молибден и др.) содержащиеся в клетке в очень малых количествах. Они участвуют в синтезе некоторых ферментов и регуляции их работы.
В количественном отношении самым значительным компонентом клетки является вода (до 90%). В микробной клетке она находится в свободном состоянии как самостоятельное соединение, но большая часть ее связана с различными химическими компонентами клетки (белками, углеводами, липидами) и входит в состав клеточных структур.
Белки составляют до 50% сухого остатка клетки и представлены простыми белками протеинами и сложными соединениями – протеидами. Белки выполняют структурную функцию, входят в состав клеточной стенки, цитоплазмы, мембраны. Все ферменты являются белками (ферментативная функция). Токсическая функция — входят в состав токсинов (как эндотоксинов так и экзотоксинов). Играют основную роль в двигательном процессе (жгутики, двигательный аппарат). Белки определяют антигенность микроорганизма (антигенные детерминанты являются белками).
Нуклеиновые кислоты в клетке находятся в цитоплазме: ДНК – выполняет функцию хранение генетической информации; РНК (информационная, транспортная, рибосомальная) – участвуют в процессе синтеза белков – трансляции; малые РНК – выполняют регуляторную функцию).
Углеводы представлены простыми углеводами (моносахара, дисахара) и высокомолекулярными углеводами (полисахариды). Углеводы используются микробной клеткой в качестве источника энергии и углерода (энергетическая функция). Входят в состав клеточной стенки, капсулы и др. компонентов клетки (структурная функция). В комплексе с белками определяют антигенную специфичность микроорганизма (антигенная функция). Входят в состав токсинов (эндотоксин). Углеводы играют роль запасных питательных веществ в клетке.Липиды представлены нейтральными жирами, жирными кислотами, фосфолипидами и в ряде случаев воском. Являются компонентами цитоплазматической мембраны и клеточной стенки (структурная функция), участвуют в энергетическом обмене (энергетическая функция), в комплексе с белками и углеводами входят в состав токсинов (токсическая) и формируют антигенные структуры. С липидами связана устойчивость микробов к антибиотикам и кислотам. У некоторых видов липиды выполняют роль запасных питательных веществ
ОРГАНОГЕНЫ
Смотреть что такое «ОРГАНОГЕНЫ» в других словарях:
ОРГАНОГЕНЫ — (греч.). Производители органических тел. В органической химии четыре газа: углерод, водород, кислород и азот, так как соединения их образуют главные составная части всех органических тел. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка … Словарь иностранных слов русского языка
Органогены — см. Органический анализ … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Органогены — мн. Главные химические элементы, входящие в состав органических веществ: углерод, водород, кислород, азот. Толковый словарь Ефремовой. Т. Ф. Ефремова. 2000 … Современный толковый словарь русского языка Ефремовой
Органогены — (от орган + греч. genos род) главные химические элементы, входящие в состав органических веществ: углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера; иначе называются макроэлементы … Начала современного естествознания
органогены — органог ены, ов, ед. ч. г ен, а … Русский орфографический словарь
ОРГАНОГЕНЫ — химические элементы, входящие в наибольшем количестве в состав протоплазмы живого тела (углерод, кислород, водород, азот и др.) и являющиеся жизненно необходимыми для организма … Словарь ботанических терминов
Обмен веществ в растении — Этим выражением (представляющим перевод немецкого термина Stoffwechsel английские физиологи заменяют его термином метаболизм) обозначают совокупность превращений вещества, обуславливающих жизненную деятельность организма. Следует, прежде всего,… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Органоген — м. см. органогены Толковый словарь Ефремовой. Т. Ф. Ефремова. 2000 … Современный толковый словарь русского языка Ефремовой
Органогенный — прил. 1. соотн. с сущ. органогены, связанный с ним 2. Свойственный органогенам, характерный для них. Толковый словарь Ефремовой. Т. Ф. Ефремова. 2000 … Современный толковый словарь русского языка Ефремовой
Клетка — У этого термина существуют и другие значения, см. Клетка (значения). Клетки крови человека (РЭМ) … Википедия
Характеристика органогенных элементов
Сравнение элементарного состава живой и неживой природы
Элементарный и молекулярный состав живого вещества
Без знания химического состава клетки – основной единицы жизни – нельзя понять механизмы сложнейших процессов, которые протекают в живых организмах всех царств природы. Поэтому изучение общебиологических закономерностей мы начинаем с изучения химической организации жизни. Вначале сравним элементарный, т.е. атомарный, состав живой и неживой природы.
Самыми распространенными элементами земной коры, на долю которых приходится 90% ее атомарного состава, являются: О, Si, Al и Na. Далее следуют Са, Fe, Mg, P и другие элементы.
В живых организмах обнаружено около 80 химических элементов. Но достоверно известно о функциях в организмах лишь в отношении 27 из них. В состав живых организмов входят атомы тех же элементов, что и в состав неживой природы, но их содержание иное.
По количественному содержанию в живом веществе элементы делятся на три группы.
Органогенные (биофильные) элементы – С, Н, N, О. На их долю приходится 98% элементарного состава всех живых организмов.
Макроэлементы – Na, К, Са, Cl, P, S, Fe, Mg. Их концентрация превышает 0,001%.
Микроэлементы – Zn, I, Cu, F, Мn, Мо, Со и многие другие. Их доля составляет менее 0,001%. Таким образом, элементарный состав живой и неживой природы одинаков, что свидетельствует об их материальном единстве. Провести четкую грань между живым и неживым на уровне атомов не представляется возможным.
Несмотря на низкое содержание в живых организмах, макро- и микроэлементы играют чрезвычайно важную роль: они входят в состав различных ферментов, гормонов, витаминов и обусловливают тем самым нормальное развитие и функционирование структур клетки и организма в целом. Так, например, медь является составной частью ряда ферментов, занятых в процессах тканевого дыхания. Цинк — необходимый компонент почти ста ферментов, в частности ДНК- и РНК-полимераз; он содержится также в гормоне поджелудочной железы — инсулине; кобальт входит в состав витамина B12, регулирующего кроветворную функцию. Железо является компонентом гемоглобина, а йод — гормона щитовидной железы — тироксина.
Роль ряда микроэлементов в организме еще не уточнена или даже неизвестна (мышьяк). При недостатке этих элементов в почве, а следовательно, в воде и пищевых продуктах снижается их содержание в организме. При этом развиваются различные патологические состояния (сахарный диабет, эндемический зоб, злокачественная анемия и др.).
Почему органогенные элементы так удивительно подходят для выполнения биологических функций? Почему углерод, водород, азот и кислород стали удобными для «химии жизни»? Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо вспомнить особенности строения и свойства атомов этих элементов:
1) атомы всех этих элементов способны образовывать ковалентные связи посредством спаривания электронов;
2) они легко могут образовывать разнообразные химические соединения, реагируя друг с другом (кислород, азот и углерод могут образовывать как одинарные, так и двойные связи; углерод способен к образованию С–С связей, а также легко вступать в ковалентные связи с кислородом, азотом и серой);
3) все они имеют малую атомную массу.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Органогены
Биологически значимые элементы (в противоположность биологически инертным элементам) — химические элементы, необходимые живым организмам для обеспечения нормальной жизнедеятельности.
Содержание
Макроэлементы
Эти элементы слагают основу тел организмов. Содержатся в организме взрослого человека в значительных количествах, от десятков граммов (хлор, магний) до десятков килограммов (кислород, углерод); другими словами, к макроэлементам относятся все биоэлементы, содержание которых в организме превышает 0,1 % массы тела. [8]
Органогенные элементы
Основную долю массы клетки составляют 4 элемента [9] (указано их содержание в теле человека) [10] :
Другие макроэлементы
Ниже перечислены другие макроэлементы [1] и их содержание в теле человека. [10] [14]
Микроэлементы
Термин «микроэлементы» получил особое распространение в медицинской, биологической и сельскохозяйственной научной литературе в середине XX века. В частности, для агрономов стало очевидным, что даже достаточное количество «макроэлементов» в удобрениях (троица NPK — азот, фосфор, калий) не обеспечивает нормального развития растений. [15] [16] [17]
Микроэлементы — элементы, содержание которых в организме человека находится в пределах от 0,001 до 0,00001 % (от нескольких г до нескольких мг); другими словами, к микроэлементам относятся все элементы, содержание которых меньше 0,1 % массы тела. По своему значению для обеспечения жизнедеятельности организма, микроэлементы можно разделить на три группы: микроэлементы эссенциальные, микроэлементы условно эссенциальные, микроэлементы токсичные и малоизученные. [8] Сложность подобной классификации микроэлементов состоит в том, что сами эссенциальные микроэлементы при определённых условиях могут вызывать токсичные реакции, а отдельные токсические микроэлементы при определённой дозировке и экспозиции могут обнаруживать свойства эссенциальных, то есть оказываться жизненно важными. [5] [18] Содержание микроэлементов в организме мало, но они участвуют в биохимических процессах и необходимы живым организмам. Поддержание их содержания в тканях на физиологическом уровне необходимо для поддержания постоянства внутренней среды (гомеостаза) организма. [19]
Эссенциальные микроэлементы
Эссенциальными (или жизненно необходимыми) называют микроэлементы, которые постоянно присутствуют в организме и для которых установлена их исключительная роль в обеспечении жизнедеятельности. Все жизненно необходимые микроэлементы поступают в организм с пищей и питьевой водой. [8] Среди них (в алфавитном порядке): [14] [18]
Условно эссенциальные микроэлементы
Условно эссенциальными (или условно жизненно необходимыми) называют микроэлементы, в отношении которых накапливается всё больше данных об их важной роли в обеспечении жизнедеятельности организма. [8] Среди них (в алфавитном порядке): [14] [5]
Токсичные и малоизученные микроэлементы
К токсичным и малоизученным относится большая группа элементов, которые в микроколичествах постоянно присутствуют в организме, однако их биологическая роль изучена ещё недостаточно. Так как многие из этих элементов обладают относительно высокой токсичностью, обычно основное внимание уделяется именно их вредному воздействию на организм. Токсичные и малоизученные микроэлементы не входят в число эссенциальных микроэлементов. [8] Среди них (в алфавитном порядке): [18] [5]
Биогенные элементы
Биогенными (биофильными) называют химические элементы, постоянно входящие в состав организмов и выполняющие определённые биологические функции. Элементы и их соединения, требующиеся биоте в больших количествах, называют макробиогенными (С, О, N, H, Ca, P, S), а в малых количествах — микробиогенными. Для растений это: Fe, Mg, Cu, Zn, B, Si, Mo, Cl, V, Ca, которые обеспечивают функции фотосинтеза, азотного обмена и метаболическую функцию. Для животных требуются как перечисленные элементы (кроме B), так и дополнительно Se,Cr, Ni, F, I и Sn. Несмотря на малые количества, все эти элементы необходимы для жизнедеятельности биосистем. [20] [21] [22]
Взаимодействие и гомеостаз
Ионная природа элементов приводит к образованию их комплексов под действием различных неабсорбированных компонентов пищи. Не все факторы, влияющие на эти процессы, хорошо изучены. [23] [24] В числе прочего гомеостаз элементов в организме человека зависит от следующего:
Биологически значимые элементы не только усваиваются в желудочно-кишечном тракте, для многих из них он является местом выделения. В идеале большая часть выделенных в желудочно-кишечный тракт элементов реабсорбируется. Одни элементы могут усваиваться путём активного транспорта или стимулирования диффузии; другие усваиваются посредством пассивной диффузии, некоторые — с помощью двух и более механизмов. Усвоение необходимых элементов контролируется гомеостазом, что обеспечивает их нормальное, или симметричное, распределение. [25]
Существует определённое физиологическое взаимодействие между элементами, конкурирующими за места образования связей на щёточной каёмке энтероцитов, за определённые органические комплексообразующие элементы внутри энтероцитов или за сайты на специфических транспортных белках. Существует и конкуренция за рецепторы перед встраиванием в их дефинитивную матрицу в функциональных клетках. Физические и химические свойства элементов определяются при этом их электронной конфигурацией. [26]
Недостаток минеральных веществ в организме
Основные причины, вызывающие недостаток минеральных веществ:
Использование термина «минерал» по отношению к биологически значимым элементам
В конце XX века российские производители некоторых лекарственных препаратов и биологически активных добавок стали использовать для обозначения макро- и микроэлементов термин «минерал». С научной точки зрения такое употребление этого термина является неправильным, так как он означает только геологическое природное тело с кристаллической структурой. Тем не менее производители т. н. «биологических добавок» стали называть свою продукцию витаминно-минеральными комплексами, имея в виду минеральные добавки к витаминам. [28]
