Химический состав живого вещества

Общие сведения

Минеральные вещества (минералы) - природные вещества, приблизительно однородные по химическому составу и физическим свойствам, входящие в состав горных пород, руд, метеоритов (от латинского minera - руда).

Минеральные вещества наряду с белками, жирами, углеводами и витаминами являются жизненно важными компонентами пищи человека, необходимыми для построения структур живых тканей и осуществления биохимических и физиологических процессов, лежащих в основе жизнедеятельности организма. Минеральные вещества участвуют в важнейших обменных процессах организма: водно-солевом и кислотно-щелочном. Многие ферментативные процессы в организме невозможны без участия тех или иных минеральных веществ.

Организм человека получает эти элементы из окружающей среды, пищи и воды.

Количественное содержание того или иного химического элемента в организме определяется его содержанием во внешней среде, а также свойствами самого элемента, с учетом растворимости его соединений.

Впервые научные основы учения о микроэлементах в нашей стране обосновал В. И. Вернадский (1960). Фундаментальные исследования были проведены А.П. Виноградовым (1957) - основоположником учения о биогеохимических провинциях и их роли в возникновении эндемических заболеваний человека и животных и В.В. Ковальским (1974) - основоположником геохимической экологии и биогеографии химических элементов.

В настоящее время из 92 встречающихся в природе элементов 81 химический элемент обнаружен в организме человека.

Минеральные вещества составляют значительную часть человеческого тела по массе (в среднем, в организме около 3 кг золы). В костях минеральные вещества представлены в виде кристаллов, в мягких тканях - в виде истинного либо коллоидного раствора в соединении главным образом с белками. Для наглядности можно привести такой пример: в организме взрослого человека содержится около 1 кг кальция, 0,5 кг фосфора, по 150 г калия, натрия и хлора, 25 г магния, 4 г железа.

§ Классификация химических элементов

§ Классификация химических элементов по их биологической значимости. Все химические элементы можно разбить на группы:

§ 12 структурных элементов, это углерод, кислород, водород, азот, кальций, магний, натрий, калий, сера, фосфор, фтор и хлор.

§ 15 эссенциальных (жизненно необходимых) элементов - железо, йод, медь, цинк, кобальт, хром, молибден, никель, ванадий, селен, марганец, мышьяк, фтор, кремний, литий.

§ 2 условно-необходимых элемента - бор и бром.

§ 4 элемента являются серьезными "кандидатами на необходимость" - кадмий, свинец, алюминий и рубидий.

§ Остальные 48 элементов менее значимы для организма.

§ Классификация химических элементов, основанная на количественной оценке их содержания в организме человека Традиционно все минеральные вещества делят на две группы по содержанию их в организме человека.

§ Макроэлементы.

Содержатся в организме в больших количествах, от нескольких грамм до сотен грамм. Входят в состав основных тканей - костей, крови, мышц. К макроэлементам относятся: натрий, калий, кальций, фосфор, железо, магний, хлор, сера.

§ Микроэлементы.

Концентрация микроэлементов в организме невелика. В организме их содержатся количества измеряемые миллиграммами или микрограммами. Микроэлементы - это те минералы, оцениваемая диетическая потребность которых обычно менее чем 1 мкг/г и часто менее чем 50 нг/г рациона для лабораторных животных и человека.

Несмотря на малую потребность, эти элементы входят в состав ферментных систем как коферменты (активаторы и катализаторы биохимических процессов). В группу микроэлементов входят: цинк, йод, фтор, кремний, хром, медь, марганец, кобальт, молибден, никель, бор, бром, мышьяк, свинец, олово, литий, кадмий, ванадий и другие вещества.

§

§

§ Влияние минеральных веществ на организм человека.

Минеральные вещества не обладают энергетической ценностью, как белки, жиры и углеводы. Однако без них жизнь человека невозможна. Так же, как и при недостатке основных пищевых веществ или витаминов, при дефиците минеральных веществ в организме человека возникают специфические нарушения, приводящие к характерным заболеваниям.

Микроэлементы и витамины в некотором смысле даже более важны, чем питательные вещества, ибо без них последние не будут правильно усваиваться организмом.

Особенно важны минеральные вещества детям, в период интенсивного роста костей, мышц, внутренних органов. Естественно, беременные женщины и кормящие матери нуждаются в повышенном потреблении минеральных веществ. С возрастом потребность в минеральных веществах снижается.

§ Дефицит и избыток потребления минеральных веществ

Влияние микро- и макроэлементов на жизнедеятельность животных и человека активно изучается и в медицинских целях. Любая патология, любое отклонение в здоровье биологического организма сопровождается либо дефицитом жизненно необходимых (эссенциальных) элементов, либо избытком как эссенциальных, так и токсичных микроэлементов. Такой дисбаланс макро- и микроэлементов получил объединяющее название "микроэлементозы".

Начиная с 1970-х годов было много спекулятивных заявлений относительно того, что недостаток микроэлементов вносит значительный вклад в возникновение ряда хронических заболеваний. Во многих случаях это утверждение было экспериментально подтверждено, однако некоторые ученные и сегодня считают, что недостаточное потребление определенного микроэлемента является значимым только тогда, когда организм подвергается стрессу, который увеличивает потребность в данном микроэлементе.

Химические вещества при всей своей важности и необходимости для организма человека способны оказывать и отрицательное влияние на растения, животных и человека, если концентрация их доступных форм превышает определенные пределы. Кадмий, олово, свинец и рубидий считаются условно необходимыми, т.к. они, по всей видимости, не очень важны для растений и животных и опасны для здоровья человека даже при относительно низких концентрациях. Биологическая роль некоторых микроэлементов в настоящее время не достаточно изучена.

Необходимо помнить об определенных предосторожностях при употреблении минеральных комплексов (как лекарственных препаратов, так и биологически активных добавок к пище).

Передозировка одного минерального вещества может привести к функциональным нарушениям и повышенному выделению другого минерального вещества. Возможно и развитие нежелательных побочных эффектов. Например, избыток цинка ведет к снижению уровня холестеринсодержащих липидов высокой плотности ("хорошего" холестерина).

Избыток кальция может привести к недостатку фосфора, и наоборот.

Избыток молибдена уменьшает содержание меди.

Некоторые микроэлементы (селен, хром, медь) в избыточных дозах токсичны. Особенно это относится к солям многих металлов.

При потреблении минеральных веществ, следует строго придерживаться медицинских рекомендаций.

§ Действие на организм человека тяжелых металлов

В последние годы выделяют отдельно действие на организм человека тяжелых металлов. Тяжелые металлы - это группа химических элементов с относительной атомной массой более 40.

Появление в литературе термина "тяжелые металлы" было связано с проявлением токсичности некоторых металлов и опасности их для живых организмов.

Однако в группу "тяжелых" вошли и некоторые микроэлементы, жизненная необходимость и широкий спектр биологического действия которых неопровержимо доказаны.

"Тяжелые" металлы - это свинец, кадмий, цинк, медь, никель, хром.

В последние годы все сильнее подтверждается важная биологическая роль большинства "тяжелых" металлов. Многочисленными исследованиями установлено, что влияние металлов весьма разнообразно и зависит от содержания их в окружающей среде и степени нуждаемости в них микроорганизмов, растений, животных и человека.

Влияние "тяжелых" металлов на живые организмы весьма разнообразно. Это обусловлено, во-первых, химическими особенностями металлов, во-вторых, отношением к ним организмов и, в-третьих, условиями окружающей среды.

Уже сейчас во многих регионах мира окружающая среда становится все более "агрессивной" с химической точки зрения. В последние десятилетия основными объектами биогеохимических исследований стали территории промышленных городов и прилегающих к ним земель, особенно если на них выращиваются, а затем используются в пищу сельскохозяйственные растения.

Современные научные данные о биологической роли изученных химических элементах, их метаболизме в организме человека, суточных нормах потребления, содержании химических веществ в продуктах питания представлены в отдельных статьях, описывающих каждый химический элемент. В статьях представлены также данные о дефицитных состояниях, развивающихся при недостаточном потреблении данных химических веществ, а также реакция организма на избыточное потребление нутриентов.

Вопрос

Что такое обмен веществ?
Не зависимо от того, спим ли мы, идем за покупками или занимаемся спортом, в нашем организме происходит множество химических реакций, которые можно объединить одним общим термином - обмен веществ. С пищей мы получаем определенные питательные вещества, которые трансформируются и изменяются нашим организмом, а потом используются в процессе жизнедеятельности.
Обмен веществ (или Метаболизм) - это совокупность химических процессов, которые происходят в клетках живых организмов в течение всей их жизни. Эти реакции позволяют клеткам обновляться, расти, сохранять свою структуру и поддерживать взаимосвязь с окружающей средой.
Метаболизм обычно разделяют на два процесса - анаболизм и катаболизм.
Как взаимосвязаны пластический и энергетический обмен?
Анаболизм (пластический обмен) использует энергию для синтеза сложных веществ из более простых. Например, синтез белков и нуклеиновых кислот. С помощью процессов пластического обмена образуются ткани и органы, наращивается мышечная масса, и минерализуются кости.

Вопрос

Катаболизм (энергетический обмен), в отличие от анаболизма, разрушает сложные органические вещества на более простые, что сопровождается высвобождением энергии в виде АТФ. Конечными продуктами катаболизма является вода, углекислый газ, мочевина и некоторые другие азотистые вещества. Таким образом, катаболизм обеспечивает получение организмом необходимой энергии из продуктов питания и последующее использование этой энергии на нужды организма.

Несмотря на то, что эти два процесса противоположны, они связаны в организме и находятся в равновесии. В процессе катаболизма образуется энергия и вещества, которые используется при анаболизме. Анаболизм поставляет ферменты и вещества для катаболизма. Нарушение баланса между этими процессами ведет к гибели организма.
Процессы анаболизма преобладают в молодом организме, а катаболизма в стареющем.

Этапы энергетического обмена
Катаболизм можно разделить на три главных этапа.
На первом этапе большие молекулы, такие как белки, углеводы и жиры расщепляются до более простых молекул. Этот процесс происходит вне клетки, в пищеварительном тракте. На втором этапе (брожение) более простые молекулы поступают внутрь клеток и расщепляются на еще более простые вещества. Второй этап характеризуется образованием энергии.
Третий этап проходит с участием кислорода (дыхание). В результате образуется углекислый газ, вода и высвобождается еще большее количество энергии.
Рассмотрим более детально последние два этапа.

Брожение и дыхание
Брожение так же еще называют анаэробным дыханием, так как оно проходит без участия кислорода. Процесс брожения происходит с помощью микроорганизмов. Например, спиртовое брожение, которое используют при производстве вина, пива и хлеба вызывают дрожжи. Сахара (глюкоза или фруктоза) расщепляются до этанола и углекислого газа, при чем образуется две молекулы АТФ.
С6Н12О6 → 2С2Н5ОН + 2СО2 + 2 АТФ
С помощью молочнокислых бактерий происходит молочнокислое брожение. Оно используется человеком при производстве сыров и кисломолочных продуктов.
С6Н12О6→С3Н6О3 + 2 АТФ
В процессе клеточного дыхания органические вещества окисляются, т. е. этот процесс проходит при участии кислорода. Во время дыхания образуется огромное количество энергии, а так же другие соединения, из которых в последствии клетка может синтезировать необходимые белки, жиры и витамины.
С3Н6О3 + О2→СО2 + Н2О + 36 АТФ

Вопрос

Автотрофными называются организмы, которые создают все необходимые для построения своего тела и жизнедеятельности органические вещества из неорганических веществ воздуха, воды и почвы в результате фото- и хемосинтеза.

Автотрофы (в переводе с греческого «самопитающиеся») могут образовывать все соединения клеток из углекислого газа и других неорганических веществ. Источником энергии для них служит либо свет (фотоавтотрофные организмы), либо они получают ее при окислении минеральных соединений (хемоавтотрофные организмы), т. е. ни для конструктивных, ни для энергетических процессов органические субстраты автотрофам не требуются.

Растения, ассимилируя из окружающей среды неорганические вещества, способны превращать их при действии световой энергии в качественно новую субстанцию — органическое вещество, самостоятельно обеспечивая себя всем необходимым.

Не все клетки организма зеленого растения являются автотрофными. Для некоторых из них характерен гетеротрофный способ питания (временно или постоянно) — клетки камбия, зародыши, лепестки цветков, корни и др. ^Иногда все растение может иметь сначала автотрофный способ питания, а потом переходить на гетеротрофный (повилика) или наоборот (зародыши в начале прорастания, корневища и т. п.).

Гетеротрофные организмы строят органическое вещество своего тела из уже имеющихся готовых органических соединений, перестраивая их применительно к своим потребностям. При этом узловые пункты энергетического обмена у них принципиально одинаковые с растениями. Существует такой же цикл превращения органических кислот; идентично осуществляется окислительное фосфорилирование; идентично функционируют митохондрии, имея при этом сходную морфологическую и структурную организацию и т. д. Таким образом, гетеротрофные организмы, которые питаются готовыми органическими веществами, находятся в прямой или косвенной зависимости от продуктов фотосинтетической деятельности зеленых автотрофных растений.

Типичными гетеротрофами являются также бесхлорофильные растения — представители отдела грибов, некоторые высшие растения-паразиты (петров крест, заразиха), много растений на определенных этапах жизнедеятельности (спороносные стебли хвоща, прикрепленная к растениям, повилика, зародыши прорастающих семян и др.). Гетеротрофный способ питания характерен также для бактерий (кроме хемо- и фотоавтотрофов).

В зависимости от используемого соединения, а также от источников энергии различают следующие основные типы питания углеродом и построения органических веществ (табл. 36).

Группа фотоавтотрофных организмов включает в себя все зеленые фотосинтезирующие растения (водоросли, хлорофиллоносные споровые, голосеменные и цветковые растения), а также бактерии, осуществляющие фоторедукцию (бактериальный фотосинтез).

Хемоавтотрофные организмы получают энергию от некоторых реакций окисления (Fe²⁺ → Fe³⁺; H₂S → S → S₂O₃ → SO₄^2-; NH₃ → NO₂^-→ NO₃^-; H₂ → H₂O). Обладают высокой специфичностью по отношению к неорганическому источнику энергии и могут расти в строго минеральной среде, в темноте, образуя органические вещества из СО₂. Миксотрофные организмы облагают смешанным типом питания: фотосинтетическим усвоением СО₂ на свету, а при неблагоприятных условиях переключаются на усвоение готовых органических соединений (сахаров, органических кислот и т. п.).

Большим разнообразием характеризуются гетеротрофные организмы, часть из которых может использовать энергию света для метаболизма органических веществ (фотогетеротрофные пурпурные несерные бактерии). Ряд микроорганизмов используют для этих целей энергию химических реакций, осуществляя гетеротрофную хемоассимиляцию, как, например, уксуснокислые бактерии.

Метилотрофы — микроорганизмы, способные получать энергию и углерод в ходе метаболизма одноуглеродных соединений, содержащих метильную группу (CH₃^-), а также соединения, содержащие две или более метильных групп, не связанных непосредственно друг с другом.

Вопрос