Химический состав организма. Биологическая роль s-, р- и d- элементов. Вода

Основными компонентами химического состава организма человека являются белки, жиры, углеводы, вода и минеральные вещества, при этом наибольшая часть приходится на долю воды.

• ВОДА. Это самое распространенное и самое аномальное соединение на земном шаре. Вода - вечный минерал, т.к. является очень стойким соединением и ее количество на земном шаре не изменяется. Вода может находиться в различных агрегатных состояниях:

• твердом;

• жидком;

• газообразном.

При нагревании вода закипает, превращаясь в пар, который заметно не разлагается даже при температуре 1000° С, при охлаждении вновь дает воду, а если понижать температуру дальше, то образуется лед, который при таянии снова дает воду.

Вода обладает необычайными физико-химическими свойствами, которые отличают ее от всех других веществ. Вода - принята за эталон физических констант для всех других веществ.

Вода обладает следующими свойствами, необходимыми для биологических объектов:

1. Большой теплоемкостью. Это значит, что существенное увеличение тепловой энергии вызывает лишь сравнительно небольшое повышение ее температуры. Благодаря этому биохимические процессы протекают в меньшем интервале температур;

2. Большой теплотой испарения. Энергия, необходимая молекулам воды для испарения, черпается из их окружения, таким образом, испарение сопровождается охлаждением;

3.Большой теплотой плавления;

4. Единственное вещество, обладающее в жидком состоянии боль шей плотностью, чем в твердом;

5.Большим поверхностным натяжением и когезией (так называемым слипанием молекул);

б.Многообразием участия в процессах метаболизма как peaгента:

• служит универсальным растворителем во внеклеточном, клеточном пространствах, во всех биосредах организма;

• участвует в гидролитических реакциях распада биополимеров;

• служит реагентом в анаболических процессах;

• выполняет электрон - донорную функцию для реакций.

В организме человека и животных вода распределена в нескольких жидкостных фазах. У взрослого человека количество воды составляет около 60 % массы тела, у мужчин по сравнению с женщинами содержание воды больше из-за меньшего количества жира. Из общего количества воды, принимаемого за 100 %, внутри клеток находится 55 %, во внеклеточной жидкости - 45 %. Последняя включает воду, содержащуюся в плазме крови, межклеточной жидкости, в костях и плотной соединительной ткани. Часть воды входит в состав жидкостей, секретируемых специальными клетками. Это, например, спинно-мозговая, внутриглазная жидкости, а также секреты, выделяемые железами в просвет желудочно-кишечного тракта. Всасывание воды, поступающей в составе пищи, происходит по всему желудочно-кишечному тракту. Основное же ее количество реабсорбируется в тонком кишечнике.

Выведение воды из организма осуществляется с мочой, калом, потом и при дыхании.

Почки являются основным органом выведения воды и электролитов из организма. С мочой теряется около 1,5 л воды в сутки. Эти потери условно подразделяют на обязательные и факультативные. Обязательные - составляют то наименьшее количество жидкости (0,5 л), с которой в максимальной концентрации удаляются продукты обмена. Это количество не зависит от степени гидратации организма. Факультативные или управляемые потери (0,8 - 1,3 л) варьируют в зависимости от степени гидратации организма и состояния нейроэндокринных механизмов регуляции диуреза. Потеря воды через желудочно-кишечный тракт не превышает 0,1 л в сутки. Потеря воды с потом и при дыхании составляет около 1 л в сутки. Зависит от степени гидратации организма, температуры окружающей среды, физической нагрузки.

Регуляция водно-солевого обмена обеспечивается ЦНС, эндокринной системой и почками при ведущей роли ЦНС. Повышение осмолярности плазмы через ЦНС вызывает усиленное выделение гормона задней доли гипофиза - вазопрессина, который уменьшает выведение воды из организма за счет реабсорбции воды в почечных канальцах. Вода, задерживаясь в организме, снижает осмотическое давление, вследствие чего прекращается секреция вазопрессина. Гиперпродукция гормона приводит к накоплению жидкости в организме и отекам, а гипопродукция вызывает усиленное выделение жидкости из организма, вплоть до мочеизнурения (несахарный диабет). На водный обмен влияет также гормон альдостерон, секретируемый клубочковым слоем коры надпочечников. Его действие связано с влиянием на уровень натрия в плазме крови. Снижение концентрации натрия приводит к падению осмотического давления плазмы и к усилению потери воды из организма. Гипонатриемия стимулирует секрецию альдостерона, он усиливает обратимое всасывание натрия в почках и, следовательно, способствует задержанию воды в организме. Гипернатриемия тормозит выделение альдостерона. Почки участвуют в регуляции объема воды в организме своими физиологическими функциями - процессами фильтрации и реабсорбции воды и минеральных солей, синтезом и секрецией ряда веществ. В почках продуцируется гормон ренин. Усиливается его секреция при уменьшении объема внутрисосудистой жидкости и снижении артериального давления. Ренин способствует мобилизации в сосудистое русло тканевой жидкости и нормализации артериального давления, необходимого для физиологического течения процессов фильтрации мочи в нефроне.

Общая концентрация растворенных веществ, определяющих осмоляльность жидкости (или ее осмотическое давление), практически одинакова в клетках и окружающей их внеклеточной жидкости. Однако эти жидкости принципиально отличаются друг от друга по концентрации отдельных ионов, что имеет большое значение для нормального функционирования живых клеток.

МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА, Элементы, необходимые для построения и жизнедеятельности различных клеток и организмов, называют биогенными элементами. Основу живых систем составляют только семь элементов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера, кальций, называемых органогенами. Эти элементы составляют в организме 97,4 %. Из всех известных на сегодняшний день элементов только для 24 установлена биогенность.

Все минеральные вещества, содержащиеся в организме человека, можно разделить на 4 группы:

1.Макробиогенные - содержание которых в организме выше 1 % (О, С, N, Н, Са, Р);

2.Олигобиогенные - содержание которых от 0,1 до 1 % (К, Na, Cl, S, Mg, Fe);

3. Микробиогенные - содержание которых ниже 0,1 % (Zn, Mn, Со, Сu, F, Вг, I);

4.Ультрамикробиогенные - содержание которых 10⁴ - 10'⁶ %.

Органы человека по-разному концентрируют в себе различные химические элементы, они неравномерно распределяются по разным органам и тканям. В организме элементы могут находиться как в связанном состоянии, так и в виде свободных ионных форм.

Биологическая роль химических элементов в организме человека чрезвычайно разнообразна.

Главная функция макробиогенных элементов:

• построение тканей;

• поддержание постоянства осмотического давления;

• ионного и кислотно-основного состава.

Олигобиогенные и микробиогенные элементы, входя в состав ферментов, гормонов, витаминов, биологически активных веществ, в качестве комплексообразователей или активаторов, участвуют в процессах размножения; в обмене веществ, включая:

• тканевое дыхание,

• обезвреживание токсических веществ; влияют на процессы кроветворения; окисления - восстановления, проницаемость сосудов и тканей.

Кальций, фосфор, фтор, йод, алюминий, кремний определяют формирование костной и зубной тканей.

Содержание некоторых элементов в организме человека меняется с возрастом. Выявлено немало заболеваний, связанных с недостатком или избыточным накоплением различных биогенных элементов. Дефицит фтора вызывает кариес, дефицит йода - эндемический зоб, избыток молибдена -эндемическую подагру. Такого рода закономерности связаны с тем, что в организме человека поддерживается баланс оптимальных концентраций биогенных элементов - химический гомеостаз.

Недостаток в пищевом рационе минеральных веществ приводит к серьезным последствиям для здоровья человека. Однако, для организма вреден не только недостаток, но и избыток биогенных элементов, так как при этом нарушается химический гомеостаз. Минеральные компоненты, которые в ничтожно малых количествах являются жизненно необходимыми, при более высоких концентрациях становятся токсичными. Наряду с заболеваниями, вызванными загрязнением окружающей среды, существуют заболевания, связанные с аномальным содержанием некоторых элементов в той или иной географической зоне, называемые эндемическими. Существуют биогеохимические провинции с пониженным и повышенным содержанием в них какого-либо элемента.

Общая характеристика s-элементов. К блоку s-элементов относятся 13 элементов, общим для которых является застраивание в их атомах s-подуровня внешнего энергетического уровня. Как следует из электронных формул, элементы IA - группы (Li, Na, К, Rb, Cs, Fr) имеют на внешнем энергетическом уровне по одному s-электрону, а элементы ПА- группы (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) - по два электрона. Химические свойства элементов IA и ПА групп сходны. Они являются сильными восстановителями. Элементные вещества - типичные металлы, обладающие блеском, высокой электрической проводимостью, химически весьма активны.