Розділ «Тема 3. ЕЛЕМЕНТНИЙ СКЛАД ОРГАНІЗМІВ»

Молекулярний рівень організації життя

Класифікація хімічних елементів за їхнім вмістом в організмах

На сьогодні відомо понад 110 хімічних елементів: 89 з них знайдено в природі, інші здобуто штучним шляхом. Більшість з природних хімічних елементів входять до складу організмів. Проте лише близько ЗО елементів беруть участь в здійсненні життєвих функцій і мають певне значення для біологічних систем. Їх називають біоелементами.

Біоелементи – хімічні елементи, які входять до складу живих організмів і беруть участь у процесах життєдіяльності. Ці елементи перебувають в організмі: а) як складові біомолекул; б) у формі нерозчинних сполук; в) у формі йонів. Поширення та біологічне значення хімічних елементів у живій природі пов'язане з розташуванням елементів у періодичній системі.

Поширення біоелементів. На атомарному рівні відмінність у хімічному елементарному складі неорганічного і органічного світу відсутня, що свідчить про єдність походження всього живого з неживої природи. Співвідношення ж вмісту біоелементів у живій і неживій природі буде різним. У неживій природі переважають Оксиген (63%), Силіцій (21,2%), Алюміній (6,5%), Натрій (2,4%), Кальцій (1,9%), Ферум (1,9%), Магній (1,8%), Калій (1,4%). У живій природі переважають Гідроген (64%), Оксиген (25,6%), Карбон (7,5%), Нітроген (1,25%), Фосфор (0,24%), Сульфур (0,06%).

Біологічне значення біоелементів. Біоелементи за функціями, які вони виконують, умовно можна поділити на структурні, метаболічні та каталітичні. Структурна функція біоелементів полягає у тому, що вони беруть участь у побудові неорганічних та органічних сполук. Метаболічна функція біоелементів – вони регулюють осмотичні процеси, підтримують pH внутрішнього середовища, забезпечують процеси збудження та гальмування, здійснюють процеси активного транспорту через мембрани та є гуморальними чинниками діяльності тканин, органів. І каталітичну функцію біоелементів визначає те, що вони входять до складу ферментів та є агентами, які впливають на властивості ферментів. Основними групами біоелементів за їх вмістом в організмах є органогенні, макроелементи, мікроелементи та ультрамікроелементи.

БІОЛОГІЯ+ Біоелементна медицина – це науково-практичний напрямок, який вивчає склад, вміст, зв 'язки і взаємодію біоелементів в організмі людини в нормі і за патологічних станів. Завданням цього напрямку в медицині є розробка способів профілактики порушень біоелемснтного складу та його корекції при захвоюваннях (біоелементозах). Біоелементозом називають тимчасове або тривале поруиіення біое- лементного складу організму (надлишок, нестача, дисбаланс елементів), яке супроводжується певними клінічними проявами. Прикладом такого захворювання є флюороз (обумовлений надлишком Фтору), сатурнізм (обумовлений надлишком Свинцю) та ін.

Особливості та біологічне значення органогенів. Органогени – це хімічні елементи, на частку яких припадає від 2 до 98% від маси тіла. Хоча в складі живих організмів є майже всі хімічні елементи, основні властивості живого визначаються саме органогенами. Найбільший вміст у живій природі припадає на Карбон, Оксиген, Гідроген і Нітроген, які розташовуються у верхній частині таблиці і є типовими неметалами. Вони відрізняються від інших тим, що мають малі розміри, малу відносну атомну масу і є легкими елементами. Саме ці особливості й зумовлюють їхню структурну функцію. Біологічне значення органогенів спричинене їхніми унікальними, фундаментальними для життя, властивостями: 1) легко і в різному порядку поєднуються між собою, утворюючи один з одним міцні ковалентні зв'язки, що забезпечує стійку структуру біомолекул; 2) здатні утворювати слабші за ковалентний водневі зв'язки, які обумовлюють можливість зміни структури біомолекул та їх взаємодію між собою; 3) здатні утворювати порівняно невелике число типів зв'язку, що зменшує кількість необхідних для клітини каталітичних систем; 4) мають малі розміри, малу відносну атомну масу і є легкими елементами, що обумовлює можливість їх використання у великій кількості для побудови біомолекул; 5) у звичайних умовах проявляють неметалічні властивості, що лежить в основі їх структурної функції.

Яке ж значення для організму елементів-органогенів?

Гідроген (Н). Частка його в живій природі складає 64%. Входить до складу води і молекул органічних речовин, забезпечує реакції відновлення. Організми отримують його завдяки розщепленню води.

Оксиген (О). У живій природі складає 25,6%. Є в складі молекул води, усіх біомолекул, забезпечує реакції окиснення. Організми отримують і виділяють його завдяки процесам газообміну.

Карбон (С). У живій природі – 7,5%. Бере участь в утворенні молекул усіх органічних речовин, а також оксидів, гідридів, карбонатів, які утворюються в результаті життєдіяльності організмів.

Нітроген (N). У живій природі – близько 2%. Єдиний елемент, який входить до складу всіх молекул амінокислот, білків, нуклеїнових кислот, АТФ, ферментів, вітамінів. Лише цей елемент може поглинатися рослинами у вигляді аніонів і катіонів. Виводиться з організму у складі аміаку, сечовини, сечової кислоти

БІОЛОГІЯ+ Гідроген – це найпростіший і найпоширеніший елемент у Всесвіті, на долю якого припадає близько 90% атомів. Серед елементів Землі – він дев'ятий за поширенням і складає 0,76% маси планети. Зустрічається в складі води, вугілля, нафти, метану. Це єдиний елемент, який є горючим газам. Назва з грецької звучить як "той, іцо породжує воду". Оксиген – це найпоширеніший елемент на Землі. У атмосфері – 21% за об'ємом, у земній корі – 49% за масою, у гідросфері – 89% за масою. Це один з найактивніших елементів-неметалів. Назва з грецької означає "той, іцо породжує кислоти". В перекладі з грецької назва "азот" означає "безжиттєвий", хоча без нього життя не може існувати, а в перекладі з латини назва "нітроген" звучить як "той, що породжує селітру". Нітроген є основною складовою частиною атмосфери Землі (78% за об'ємом). За поширенням Карбон на Землі займає 16 місце серед елементів і складає близько 0,027% маси земної кори. В незв'язаному стані зустрічається у вигляді графіту і алмазів, а в зв'язаному – в складі горючих і осадових порід та атмосфери, в якій на його частку припадає 0,046% маси. Назва в перекладі з латини означає "вугілля".

Особливості та біологічне значення макроелементів. Макроелементи – це хімічні елементи, на частку яких припадає від 0,1 до 2% маси тіла. До макроелементів належать метали – Калій, Кальцій, Натрій, Магній, Ферум, і неметали – Фосфор, Хлор, Сульфур. їхня маса дещо більша, але їхній зовнішній електронний шар має або потребує для заповнення невелику кількість електронів. Ці особливості визначають їхню структурну та метаболічну функції. Основними особливостями макроелементів, які мають значення для живого, є такі: 1) мають високу здатність утворювати йони, що беруть участь в утворенні йонних зв'язків і обумовлюють існування йонних сполук, 2) деякі можуть мати змінну валентність, завдяки чому їхні йони використовуються в життєвих циклах для регульованої передачі електронів; 3) більшість є сильними відновниками або окисниками, тому у складі біосистем досить часто беруть участь в регуляції життєвих функцій; 4) у звичайних умовах проявляють металічні та неметалічні властивості.

Яке ж значення для організму макроелементів?

Натрій (Na). Міститься лише у вигляді йонів. Забезпечує транспорт речовин у клітину і з неї, регулюванні серцевої діяльності, здійсненні процесів подразливості організму тварин. У життєдіяльності більшості рослин істотного значення не має. Сприяє росту рослин-галофітів.

Калій (К). Міститься лише у вигляді йонів. Є осмотично активним елементом, забезпечує транспорт речовин у клітину і з неї, регулює роботу продихового апарату рослин, бере участь у процесах подразливості, регулює серцеву діяльність та водний обмін організму тварин та ін.

Кальцій (Са). У вигляді йонів бере участь у регуляції ритму серцевої діяльності, зсіданні крові, здійсненні м'язового скорочення, утворенні жовчі, забезпечує рух компонентів клітин і самих клітин. У вигляді солей входить до складу кісток і черепашок тварин, оболонок деяких водоростей, міжклітинної речовини та ін.