>> Kemija: Kemijski elementi u stanicama živih organizama
Više od 70 elemenata pronađeno je u sastavu tvari koje tvore stanice svih živih organizama (ljudi, životinje, biljke). Ovi elementi se obično dijele u dvije skupine: makroelementi i mikroelementi.
Makronutrijenti se nalaze u stanicama u velikim količinama. Prije svega, to su ugljik, kisik, dušik i vodik. Ukupno čine gotovo 98% ukupnog sadržaja stanice. Osim ovih elemenata, u makronutrijente spadaju i magnezij, kalij, kalcij, natrij, fosfor, sumpor i klor. Njihov ukupni sadržaj je 1,9%. Dakle, za ostalo kemijski elementičini oko 0,1%. To su mikronutrijenti. Tu spadaju željezo, cink, mangan, bor, bakar, jod, kobalt, brom, fluor, aluminij itd.
U mlijeku sisavaca pronađena su 23 elementa u tragovima: litij, rubidij, bakar, srebro, barij, stroncij, titan, arsen, vanadij, krom, molibden, jod, fluor, mangan, željezo, kobalt, nikal itd.
Sastav krvi sisavaca uključuje 24 mikroelementa, a sastav ljudskog mozga - 18 mikroelemenata.
Kao što vidite, u stanici nema posebnih elemenata koji su karakteristični samo za živu prirodu, odnosno na atomskoj razini nema razlika između žive i nežive prirode. Te se razlike nalaze samo na razini složenih tvari – na molekularnoj razini. Dakle, uz anorganske tvari (vodu i mineralne soli), stanice živih organizama sadrže tvari koje su samo za njih karakteristične - organske tvari (bjelančevine, masti, ugljikohidrati, nukleinske kiseline, vitamini, hormoni itd.). Ove tvari izgrađene su uglavnom od ugljika, vodika, kisika i dušika, odnosno od makroelemenata. Elementi u tragovima sadržani su u ovim tvarima u malim količinama, ali njihova je uloga u normalnom životu organizama ogromna. Na primjer, spojevi bora, mangana, cinka, kobalta dramatično povećavaju prinos pojedinih poljoprivrednih biljaka i povećavaju njihovu otpornost na razne bolesti.
Čovjek i životinje preko biljaka kojima se hrane dobivaju elemente u tragovima koji su im potrebni za normalan život. Ako u hrani nema dovoljno mangana, tada je moguće usporavanje rasta, usporavanje početka puberteta i metabolički poremećaji tijekom formiranja kostura. Dodavanje frakcija miligrama soli mangana dnevnoj prehrani životinja eliminira te bolesti.
Kobalt je dio vitamina B12, koji je odgovoran za rad hematopoetskih organa. Nedostatak kobalta u hrani često uzrokuje ozbiljnu bolest koja dovodi do iscrpljivanja tijela, pa čak i smrti.
Važnost elemenata u tragovima za ljude prvi put je otkrivena u proučavanju takve bolesti kao što je endemska gušavost, koja je uzrokovana nedostatkom joda u hrani i vodi. Unos soli koja sadrži jod dovodi do ozdravljenja, a njezino dodavanje hrani u malim količinama sprječava bolest. U tu svrhu provodi se jodirana kuhinjska sol, kojoj se dodaje 0,001-0,01% kalijevog jodida.
Sastav većine bioloških enzimskih katalizatora uključuje cink, molibden i neke druge metale. Ovi elementi, sadržani u stanicama živih organizama u vrlo malim količinama, osiguravaju normalan rad najfinijih biokemijskih mehanizama i istinski su regulatori vitalnih procesa.
Mnogi elementi u tragovima sadržani su u vitaminima - organskim tvarima različite kemijske prirode, koje u malim dozama ulaze u tijelo hranom i imaju veliki utjecaj na metabolizam i cjelokupnu vitalnu aktivnost tijela. Po svom biološkom djelovanju bliski su enzimima, ali enzime stvaraju stanice tijela, a vitamini najčešće dolaze iz hrane. Biljke služe kao izvori vitamina: agrumi, šipak, peršin, luk, češnjak i mnogi drugi. Neki vitamini - A, B1, B2, K - dobivaju se sintetski. Vitamini su dobili ime od dvije riječi: vita - život i amin - sadrži dušik.
Elementi u tragovima također su dio hormona - biološki aktivnih tvari koje reguliraju funkcioniranje organa i sustava organa čovjeka i životinja. Ime su dobili od grčke riječi harmao - pobjeđujem. Hormone proizvode žlijezde s unutarnjim izlučivanjem i ulaze u krv, koja ih prenosi cijelim tijelom. Neki se hormoni dobivaju sintetski.
1. Makroelementi i mikroelementi.
2. Uloga elemenata u tragovima u životu biljaka, životinja i čovjeka.
3. Organske tvari: bjelančevine, masti, ugljikohidrati.
4. Enzimi.
5. Vitamini.
6. Hormoni.
Na kojoj razini oblika postojanja kemijskog elementa počinje razlika između žive i nežive prirode?
Zašto se pojedini makronutrijenti nazivaju i biogenim? Navedite ih.
Sadržaj lekcije sažetak lekcije okvir za podršku lekcija prezentacija akcelerativne metode interaktivne tehnologije Praksa zadaci i vježbe samoprovjera radionice, treninzi, slučajevi, potrage domaća zadaća pitanja za raspravu retorička pitanja učenika Ilustracije audio, video isječci i multimedija fotografije, slikovne grafike, tablice, sheme humor, anegdote, vicevi, stripovi parabole, izreke, križaljke, citati Dodaci sažetakačlanci čipovi za radoznale varalice udžbenici osnovni i dodatni rječnik pojmova ostalo Poboljšanje udžbenika i nastaveispravljanje grešaka u udžbeniku ažuriranje fragmenta u udžbeniku elementi inovacije u lekciji zamjena zastarjelih znanja novima Samo za učitelje savršene lekcije kalendarski plan godine metodološke preporuke programa rasprave Integrirane lekcijeElementarni sastav tijela
Kemijski sastav stanica različitih organizama može se znatno razlikovati, ali se sastoje od istih elemenata. Oko 70 elemenata periodnog sustava D.I. Mendeljejeva, ali samo njih 24 imaju važnost a stalno se nalaze u živim organizmima.
Makronutrijenti - kisik, ugljikovodik, vodik, dušik - dio su molekula organskih tvari. Makroelementi u posljednje vrijeme uključuju kalij, natrij, kalcij, sumpor, fosfor, magnezij, željezo, klor. Njihov sadržaj u ćeliji je desetinke i stotinke postotka.
Magnezij je dio klorofila; željezo - hemoglobin; fosfor - koštano tkivo, nukleinske kiseline; kalcij - kosti, kornjače školjkaša, sumpor - u sastavu proteina; ioni kalija, natrija i klorida sudjeluju u promjeni potencijala stanične membrane.
elementi u tragovima prikazani su u ćeliji sa stotinkama i tisućinkama postotka. To su cink, bakar, jod, fluor, molibden, bor itd.
Elementi u tragovima su dio enzima, hormona, pigmenata.
Ultramikroelementi - elementi čiji sadržaj u stanici ne prelazi 0,000001%. To su uran, zlato, živa, cezij itd.
Voda i njen biološki značaj
Voda kvantitativno zauzima prvo mjesto među kemijskim spojevima u svim stanicama. Ovisno o vrsti stanica, njihovom funkcionalnom stanju, vrsti organizma i uvjetima njegove prisutnosti, njegov sadržaj u stanicama značajno varira.
Stanice koštanog tkiva sadrže ne više od 20% vode, masno tkivo - oko 40%, mišićne stanice - 76%, a embrionalne stanice - više od 90%.
Napomena 1
U stanicama svakog organizma količina vode značajno opada s godinama.
Otuda zaključak da što je veća funkcionalna aktivnost organizma u cjelini i svake stanice posebno, to je njihov sadržaj vode veći, i obrnuto.
Napomena 2
Preduvjet za vitalnu aktivnost stanica je prisutnost vode. To je glavni dio citoplazme, podupire njenu strukturu i stabilnost koloida koji čine citoplazmu.
Uloga vode u stanici određena je njezinim kemijskim i strukturnim svojstvima. Prije svega, to je zbog male veličine molekula, njihove polarnosti i sposobnosti kombiniranja pomoću vodikovih veza.
Vodikove veze nastaju uz sudjelovanje atoma vodika povezanih s elektronegativnim atomom (obično kisikom ili dušikom). U tom slučaju atom vodika dobiva toliko veliki pozitivni naboj da može stvoriti novu vezu s drugim elektronegativnim atomom (kisikom ili dušikom). Međusobno se vežu i molekule vode, pri čemu jedan kraj ima pozitivan naboj, a drugi negativan. Takva se molekula naziva dipol. Elektronegativniji atom kisika jedne molekule vode privučen je pozitivno nabijenim atomom vodika druge molekule da bi se stvorila vodikova veza.
Zbog činjenice da su molekule vode polarne i sposobne stvarati vodikove veze, voda je savršeno otapalo za polarne tvari, tzv. hidrofilni. To su spojevi ionske prirode, u kojima se nabijene čestice (ioni) disociraju (odvajaju) u vodi kada se tvar (sol) otopi. Istu sposobnost imaju i neki neionski spojevi u čijoj se molekuli nalaze nabijene (polarne) skupine (u šećerima, aminokiselinama, jednostavnim alkoholima to su OH skupine). Tvari koje se sastoje od nepolarnih molekula (lipida) praktički su netopljive u vodi, tj. hidrofobi.
Kada tvar prijeđe u otopinu, njezine strukturne čestice (molekule ili ioni) stječu sposobnost slobodnijeg gibanja, a sukladno tome se povećava reaktivnost tvari. Zbog toga je voda glavni medij u kojem većina kemijske reakcije. Osim toga, sve redoks reakcije i reakcije hidrolize odvijaju se uz izravno sudjelovanje vode.
Voda ima najveći specifični toplinski kapacitet od svih poznatih tvari. To znači da uz značajno povećanje toplinske energije temperatura vode raste relativno malo. To je zbog korištenja značajne količine te energije za kidanje vodikovih veza, koje ograničavaju pokretljivost molekula vode.
Zbog visokog toplinskog kapaciteta voda služi kao zaštita biljnih i životinjskih tkiva od jakog i brzog porasta temperature, a visoka toplina isparavanja temelj je pouzdane stabilizacije tjelesne temperature. Potreba za značajnom količinom energije za isparavanje vode posljedica je činjenice da među njezinim molekulama postoje vodikove veze. Ova energija dolazi iz okoliš Stoga je isparavanje popraćeno hlađenjem. Ovaj proces se može uočiti tijekom znojenja, u slučaju zadihanosti kod pasa, a važan je i u procesu hlađenja transpiracijskih organa biljaka, posebno u pustinjskim uvjetima te u uvjetima suhih stepa i sušnih razdoblja u drugim krajevima. .
Voda također ima visoku toplinsku vodljivost, što osigurava ravnomjernu raspodjelu topline po tijelu. Stoga ne postoji opasnost od lokalnih "vrućih točaka" koje mogu uzrokovati oštećenje staničnih elemenata. Tako visoka određena toplina i visoka toplinska vodljivost tekućine čine vodu idealnim medijem za održavanje optimalne toplinski režim organizam.
Voda ima visoku površinsku napetost. Ovo svojstvo je vrlo važno za adsorpcijske procese, kretanje otopina kroz tkiva (cirkulacija krvi, uzlazno i silazno kretanje kroz biljku itd.).
Voda se koristi kao izvor kisika i vodika koji se oslobađaju tijekom svjetlosne faze fotosinteze.
Važna fiziološka svojstva vode uključuju njezinu sposobnost otapanja plinova ($O_2$, $CO_2$, itd.). Osim toga, voda kao otapalo sudjeluje u procesu osmoze, koja ima važnu ulogu u životu stanica i organizma.
Svojstva ugljikovodika i njegova biološka uloga
Ako ne uzmemo u obzir vodu, možemo reći da većina staničnih molekula pripada ugljikovodičnim, tzv. organskim spojevima.
Napomena 3
Ugljikovodik, koji ima jedinstvene kemijske sposobnosti temeljne za život, njegova je kemijska osnova.
Zahvaljujući mala veličina i prisutnosti četiri elektrona na vanjskoj ljusci, atom ugljikovodika može formirati četiri jake kovalentne veze s drugim atomima.
Najvažnija je sposobnost atoma ugljikovodika da se međusobno povezuju, tvoreći lance, prstenove i, u konačnici, kostur velikih i složenih organskih molekula.
Osim toga, ugljikovodik lako stvara kovalentne veze s drugim biogenim elementima (obično s $H, Mg, P, O, S$). To objašnjava postojanje astronomske količine raznih organskih spojeva koji osiguravaju postojanje živih organizama u svim njihovim pojavnim oblicima. Njihova se raznolikost očituje u građi i veličini molekula, njihovim kemijska svojstva, stupanj zasićenosti ugljičnog skeleta i drugačiji oblik molekula, što je određeno kutovima unutarmolekulskih veza.
Biopolimeri
To su visokomolekularni (molekularne mase 103 - 109) organski spojevi čije se makromolekule sastoje od veliki broj karike koje se ponavljaju – monomeri.
Biopolimeri uključuju proteine, nukleinske kiseline, polisaharide i njihove derivate (škrob, glikogen, celuloza, hemiceluloza, pektini, hitin i dr.). Monomeri za njih su aminokiseline, nukleotidi i monosaharidi.
Napomena 4
Oko 90% suhe mase stanice čine biopolimeri: kod biljaka prevladavaju polisaharidi, a kod životinja proteini.
Primjer 1
U bakterijskoj stanici postoji oko 3 tisuće vrsta proteina i 1 tisuću nukleinskih kiselina, a kod ljudi se broj proteina procjenjuje na 5 milijuna.
Biopolimeri ne samo da čine strukturnu osnovu živih organizama, već imaju i provodnu ulogu u životnim procesima.
Strukturna osnova biopolimera su linearni (proteini, nukleinske kiseline, celuloza) ili razgranati (glikogen) lanci.
I nukleinske kiseline, imunološke reakcije, metaboličke reakcije - i provode se zbog stvaranja biopolimernih kompleksa i drugih svojstava biopolimera.
Danas su mnogi kemijski elementi periodnog sustava otkriveni i izolirani u svom čistom obliku, a petina ih se nalazi u svakom živom organizmu. Oni su, poput opeke, glavne komponente organskih i anorganskih tvari.
Koji su kemijski elementi dio stanice, biologija kojih se tvari može koristiti za procjenu njihove prisutnosti u tijelu - sve ćemo to razmotriti kasnije u članku.
Što je stalnost kemijskog sastava
Da bi se održala stabilnost u tijelu, svaka stanica mora održavati koncentraciju svake svoje komponente na konstantnoj razini. Ovu razinu određuju vrste, stanište, čimbenici okoliša.
Da bismo odgovorili na pitanje koji su kemijski elementi dio stanice, potrebno je jasno razumjeti da svaka tvar sadrži bilo koju od komponenti periodnog sustava.
Ponekad je riječ o stotinkama i tisućinkama postotka sadržaja određenog elementa u stanici, ali u isto vrijeme promjena navedenog broja za barem tisućiti dio već može imati ozbiljne posljedice za organizam.
Od 118 kemijskih elemenata u ljudskoj stanici trebalo bi biti najmanje 24. Ne postoje takve komponente koje bi se nalazile u živom organizmu, ali nisu bile dio neživih objekata prirode. Ova činjenica potvrđuje blisku vezu između živog i neživog u ekosustavu.
Uloga različitih elemenata koji čine stanicu
Dakle, koji su kemijski elementi koji čine stanicu? Njihova uloga u životu organizma, treba napomenuti, izravno ovisi o učestalosti pojavljivanja i njihovoj koncentraciji u citoplazmi. No, unatoč različitom sadržaju elemenata u stanici, značaj svakoga od njih jednako je velik. Nedostatak bilo kojeg od njih može dovesti do štetnog učinka na tijelo, isključivanja najvažnijih biokemijskih reakcija iz metabolizma.
Navodeći koji su kemijski elementi dio ljudske stanice, moramo spomenuti tri glavne vrste, koje ćemo razmotriti u nastavku:
Glavni biogeni elementi stanice
Ne čudi da su elementi O, C, H, N biogeni jer tvore sve organske i mnoge anorganske tvari. Nemoguće je zamisliti proteine, masti, ugljikohidrate ili nukleinske kiseline bez ovih neophodnih komponenti za tijelo.
Funkcija ovih elemenata odredila je njihov visok sadržaj u tijelu. Zajedno čine 98% ukupne suhe tjelesne težine. Kako se još može očitovati aktivnost ovih enzima?
- Kisik. Njegov sadržaj u ćeliji je oko 62% ukupne suhe mase. Funkcije: izgradnja organskih i anorganskih tvari, sudjelovanje u dišnom lancu;
- Ugljik. Njegov sadržaj doseže 20%. Glavna funkcija: uključena u sve;
- Vodik. Njegova koncentracija poprima vrijednost od 10%. Osim što je sastavni dio organske tvari i vode, ovaj element također sudjeluje u energetskim transformacijama;
- Dušik. Količina ne prelazi 3-5%. Njegova glavna uloga je stvaranje aminokiselina, nukleinskih kiselina, ATP-a, mnogih vitamina, hemoglobina, hemocijanina, klorofila.
To su kemijski elementi koji čine stanicu i čine većinu tvari potrebnih za normalan život.
Važnost makronutrijenata
Makronutrijenti će također pomoći u sugeriranju koji su kemijski elementi dio stanice. Iz tečaja biologije postaje jasno da, osim glavnih, 2% suhe mase čine i druge komponente periodnog sustava. A u makronutrijente spadaju oni čiji sadržaj nije manji od 0,01%. Njihove glavne funkcije prikazane su u obliku tablice.
Kalcij (Ca) | Odgovoran je za kontrakciju mišićnih vlakana, dio je pektina, kostiju i zuba. Pospješuje zgrušavanje krvi. |
|
fosfor (P) | Dio je najvažnijeg izvora energije – ATP-a. |
|
Sudjeluje u stvaranju disulfidnih mostova tijekom presavijanja proteina u tercijarnu strukturu. Uključeno u sastav cisteina i metionina, nekih vitamina. |
||
Ioni kalija uključeni su u stanice i također utječu na membranski potencijal. |
||
Glavni anion u tijelu |
||
Natrij (Na) | Analog kalija uključen u iste procese. |
|
magnezij (Mg) | Ioni magnezija su regulatori procesa U središtu molekule klorofila također se nalazi atom magnezija. |
|
Sudjeluje u prijenosu elektrona kroz ETC disanja i fotosinteze, strukturna je veza mioglobina, hemoglobina i mnogih enzima. |
Nadamo se da je iz gore navedenog lako odrediti koji su kemijski elementi dio stanice i makroelementi.
elementi u tragovima
Postoje i takve komponente stanice, bez kojih tijelo ne može normalno funkcionirati, ali njihov sadržaj je uvijek manji od 0,01%. Odredimo koji kemijski elementi ulaze u sastav stanice i pripadaju skupini mikroelemenata.
Dio je enzima DNA i RNA polimeraza, kao i mnogih hormona (na primjer, inzulin). |
||
Sudjeluje u procesima fotosinteze, sintezi hemocijanina i nekih enzima. |
||
On je strukturna komponenta hormona T3 i T4 štitnjače |
||
mangan (Mn) | manje od 0,001 | Uključeno u enzime, kosti. Sudjeluje u fiksaciji dušika u bakterijama |
manje od 0,001 | Utječe na proces rasta biljaka. |
|
Dio je kostiju i zubne cakline. |
Organske i anorganske tvari
Osim ovih, koji još kemijski elementi ulaze u sastav stanice? Odgovori se mogu pronaći jednostavnim proučavanjem strukture većine tvari u tijelu. Među njima se razlikuju molekule organskog i anorganskog podrijetla, a svaka od tih skupina ima u svom sastavu fiksni skup elemenata.
Glavne klase organskih tvari su proteini, nukleinske kiseline, masti i ugljikohidrati. U potpunosti su izgrađeni od glavnih biogenih elemenata: kostur molekule uvijek čini ugljik, a vodik, kisik i dušik dio su radikala. Kod životinja su dominantna klasa proteini, a kod biljaka polisaharidi.
Anorganske tvari su sve mineralne soli i, naravno, voda. Od svih anorganskih tvari u stanici ima najviše H 2 O u kojoj su otopljene ostale tvari.
Sve navedeno pomoći će vam da odredite koji kemijski elementi ulaze u sastav stanice, a njihove funkcije u tijelu više vam neće biti misterij.
Organizmi se sastoje od stanica. Stanice različitih organizama imaju sličan kemijski sastav. Tablica 1 prikazuje glavne kemijske elemente koji se nalaze u stanicama živih organizama.
Tablica 1. Sadržaj kemijskih elemenata u stanici
Prema sadržaju u ćeliji mogu se razlikovati tri skupine elemenata. U prvu skupinu spadaju kisik, ugljik, vodik i dušik. Oni čine gotovo 98% ukupnog sastava stanice. U drugu skupinu spadaju kalij, natrij, kalcij, sumpor, fosfor, magnezij, željezo, klor. Njihov sadržaj u ćeliji je desetinke i stotinke postotka. Elementi ove dvije skupine pripadaju makronutrijenata(od grčkog. makro- velik).
Preostali elementi, predstavljeni u ćeliji stotinkama i tisućinkama postotka, uključeni su u treću skupinu. to elementi u tragovima(od grčkog. mikro- mali).
U stanici nisu pronađeni elementi svojstveni samo živoj prirodi. Svi ovi kemijski elementi također su dio nežive prirode. To ukazuje na jedinstvo žive i nežive prirode.
Nedostatak bilo kojeg elementa može dovesti do bolesti, pa čak i smrti organizma, budući da svaki element ima određenu ulogu. Makronutrijenti prve skupine čine osnovu biopolimera - proteina, ugljikohidrata, nukleinskih kiselina i lipida bez kojih je život nemoguć. Sumpor je dio nekih proteina, fosfor je dio nukleinskih kiselina, željezo je dio hemoglobina, a magnezij je dio klorofila. Kalcij ima važnu ulogu u metabolizmu.
Dio kemijskih elemenata sadržanih u stanici dio je anorganskih tvari - mineralnih soli i vode.
mineralne soli nalaze se u stanici, u pravilu, u obliku kationa (K +, Na +, Ca 2+, Mg 2+) i aniona (HPO 2-/4, H 2 PO -/4, CI -, HCO 3 ), čiji omjer određuje kiselost medija, koja je važna za život stanica.
(U mnogim stanicama medij je blago alkalan i njegov se pH gotovo ne mijenja, jer se u njemu stalno održava određeni omjer kationa i aniona.)
Od anorganskih tvari u divljini veliku ulogu igra voda.
Život je nemoguć bez vode. Čini značajnu masu većine stanica. Puno vode sadrže stanice mozga i ljudski embriji: više od 80% vode; u stanicama masnog tkiva – samo 40%.Do starosti sadržaj vode u stanicama opada. Osoba koja izgubi 20% vode umire.
Jedinstvena svojstva vode određuju njezinu ulogu u tijelu. Uključen je u termoregulaciju, što je posljedica visokog toplinskog kapaciteta vode - potrošnje velike količine energije pri zagrijavanju. Što određuje visok toplinski kapacitet vode?
U molekuli vode atom kisika kovalentno je vezan na dva atoma vodika. Molekula vode je polarna jer atom kisika ima djelomično negativan naboj, a svaki od dva atoma vodika ima
Djelomično pozitivan naboj. Vodikova veza nastaje između atoma kisika jedne molekule vode i atoma vodika druge molekule. Vodikove veze omogućuju povezivanje velikog broja molekula vode. Kada se voda zagrijava, značajan dio energije troši se na kidanje vodikovih veza, što određuje njen visok toplinski kapacitet.
voda - dobro otapalo. Zbog polariteta, njegove molekule međusobno djeluju s pozitivno i negativno nabijenim ionima, čime pridonose otapanju tvari. U odnosu na vodu, sve tvari stanice dijele se na hidrofilne i hidrofobne.
hidrofilni(od grčkog. hidro- voda i fileo- ljubav) nazivaju se tvari koje se otapaju u vodi. To uključuje ionske spojeve (npr. soli) i neke neionske spojeve (npr. šećere).
hidrofobni(od grčkog. hidro- voda i fobos- strah) nazivaju se tvari koje su netopljive u vodi. To uključuje, na primjer, lipide.
Voda ima važnu ulogu u kemijskim reakcijama koje se odvijaju u stanici u vodenim otopinama. Otapa metaboličke produkte koji su organizmu nepotrebni i time pridonosi njihovom uklanjanju iz organizma. Visok sadržaj vode u stanici daje elastičnost. Voda potiče kretanje razne tvari unutar stanice ili od stanice do stanice.
Tijela žive i nežive prirode sastoje se od istih kemijskih elemenata. Sastav živih organizama uključuje anorganske tvari - vodu i mineralne soli. Brojne vitalne funkcije vode u stanici posljedica su osobitosti njezinih molekula: njihova polarnost, sposobnost stvaranja vodikovih veza.
ANORGANSKI DIJELOVI STANICE
Oko 90 elemenata nalazi se u stanicama živih organizama, a približno 25 ih se nalazi u gotovo svim stanicama. Prema sadržaju u stanici kemijski elementi se dijele u tri velike skupine: makroelementi (99%), mikroelementi (1%), ultramikroelementi (manje od 0,001%).
Makronutrijenti uključuju kisik, ugljik, vodik, fosfor, kalij, sumpor, klor, kalcij, magnezij, natrij i željezo.
Mikroelementi uključuju mangan, bakar, cink, jod, fluor.
U ultramikroelemente spadaju srebro, zlato, brom, selen.
| ELEMENTI | SADRŽAJ U TIJELU (%) | BIOLOŠKI ZNAČAJ |
| Makronutrijenti: | ||
| O.C.H.N | 62-3 | Oni su dio svih organskih tvari stanice, vode |
| Fosfor R | 1,0 | Ulaze u sastav nukleinskih kiselina, ATP-a (formira makroergičke veze), enzima, koštanog tkiva i zubne cakline |
| Kalcij Ca +2 | 2,5 | Kod biljaka je dio stanične membrane, kod životinja je dio kostiju i zuba, aktivira zgrušavanje krvi |
| Elementi u tragovima: | 1-0,01 | |
| Sumpor S | 0,25 | Sadrži proteine, vitamine i enzime |
| Kalij K+ | 0,25 | Uzrokuje provođenje živčanih impulsa; aktivator enzima sinteze proteina, procesa fotosinteze, rasta biljaka |
| Klor CI - | 0,2 | Sastojak je želučanog soka u obliku klorovodične kiseline, aktivira enzime |
| Natrij Na+ | 0,1 | Omogućuje provođenje živčanih impulsa, održava osmotski tlak u stanici, potiče sintezu hormona |
| Magnezij Mg +2 | 0,07 | Uključen u molekulu klorofila, nalazi se u kostima i zubima, aktivira sintezu DNA, energetski metabolizam |
| jod I - | 0,1 | Dio je hormona štitnjače - tiroksina, utječe na metabolizam |
| Željezo Fe+3 | 0,01 | Dio je hemoglobina, mioglobina, očne leće i rožnice, aktivator enzima i uključen je u sintezu klorofila. Osigurava transport kisika do tkiva i organa |
| Ultramikroelementi: | manje od 0,01, količine u tragovima | |
| Bakar Si +2 | Sudjeluje u procesima hematopoeze, fotosinteze, katalizira unutarstanične oksidativne procese | |
| Mangan Mn | Povećava prinos biljaka, aktivira proces fotosinteze, utječe na procese hematopoeze | |
| Bor V | Utječe na procese rasta biljaka | |
| Fluor F | Dio je cakline zuba, s nedostatkom se razvija karijes, s viškom - fluoroza | |
| Supstance: | ||
| H 2 0 | 60-98 | Sačinjava unutarnje okruženje tijela, sudjeluje u procesima hidrolize, strukturira stanicu. Univerzalno otapalo, katalizator, sudionik u kemijskim reakcijama |
ORGANSKI DIJELOVI STANICE
| TVARI | GRAĐA I SVOJSTVA | FUNKCIJE |
| Lipidi | ||
| Esteri viših masnih kiselina i glicerola. Fosfolipidi također sadrže H 3 PO4 ostatak.Imaju hidrofobna ili hidrofilno-hidrofobna svojstva, visok energetski intenzitet | Izgradnja- tvori bilipidni sloj svih membrana. energija. Termoregulacijski. Zaštitni. Hormonska(kortikosteroidi, polni hormoni). Komponente vitamini D, E. Izvor vode u tijelu hranjiva tvar |
|
| Ugljikohidrati | ||
| Monosaharidi: glukoza, fruktoza, riboza, deoksiriboza |
Dobro topiv u vodi | energija |
| Disaharidi: saharoza, maltoza (sladni šećer) |
Topljiv u vodi | Komponente DNA, RNA, ATP |
| Polisaharidi: škrob, glikogen, celuloza |
Slabo topljiv ili netopljiv u vodi | Rezervno hranjivo. Građa – ovojnica biljne stanice |
| Vjeverice | polimeri. Monomeri - 20 aminokiselina. | Enzimi su biokatalizatori. |
| I struktura – slijed aminokiselina u polipeptidnom lancu. Komunikacija - peptid - CO- NH- | Građa – dio su membranskih struktura, ribosoma. | |
| II struktura - a-heliks, veza - vodik | Motorički (kontraktilni mišićni proteini). | |
| III struktura – prostorna konfiguracija a- spirale (globule). Veze - ionske, kovalentne, hidrofobne, vodikove | Transport (hemoglobin). Zaštitna (protutijela) Regulacijska (hormoni, inzulin) | |
| Struktura IV nije karakteristična za sve proteine. Veza više polipeptidnih lanaca u jedinstvenu nadgradnju.slabo su topljivi u vodi. Akcijski visoke temperature, koncentrirane kiseline i lužine, soli teških metala uzrokuje denaturaciju | ||
| Nukleinske kiseline: | Biopolimeri. Sastoji se od nukleotida | |
| DNA – deoksi-ribonukleinska kiselina. | Nukleotidni sastav: deoksiriboza, dušične baze - adenin, gvanin, citozin, timin, H 3 PO 4 ostatak. Komplementarnost dušikovih baza A \u003d T, G \u003d C. Dvostruka spirala. Sposoban za samoudvostručenje | Oni tvore kromosome. Pohrana i prijenos nasljednih informacija, genetski kod. Biosinteza RNA, proteina. Kodira primarnu strukturu proteina. Sadržano u jezgri, mitohondrijima, plastidima |
| RNA – ribonukleinska kiselina. | Sastav nukleotida: riboza, dušične baze - adenin, guanin, citozin, uracil, H 3 PO 4 ostatak Komplementarnost dušičnih baza A \u003d U, G \u003d C. Jedan lanac | |
| Glasnička RNA | Prijenos informacija o primarnoj strukturi proteina, uključenih u biosintezu proteina | |
| Ribosomska RNA | Gradi tijelo ribosoma | |
| Prijenosna RNA | Kodira i prenosi aminokiseline do mjesta sinteze proteina – ribosoma | |
| Virusna RNA i DNA | Genetski aparat virusa | |
Enzimi.
Najvažnija funkcija proteina je katalitička. Proteinske molekule koje povećavaju brzinu kemijskih reakcija u stanici za nekoliko redova veličine nazivaju se enzima. Niti jedan biokemijski proces u tijelu ne odvija se bez sudjelovanja enzima.
Do sada je otkriveno preko 2000 enzima. Njihova učinkovitost višestruko je veća od učinkovitosti anorganskih katalizatora koji se koriste u proizvodnji. Dakle, 1 mg željeza u sastavu enzima katalaze zamjenjuje 10 tona anorganskog željeza. Katalaza povećava brzinu razgradnje vodikovog peroksida (H 2 O 2) za 10 11 puta. Enzim koji katalizira stvaranje ugljične kiseline (CO 2 + H 2 O \u003d H 2 CO 3) ubrzava reakciju za 10 7 puta.
Važno svojstvo enzima je specifičnost njihova djelovanja; svaki enzim katalizira samo jednu ili malu skupinu sličnih reakcija.
Tvar na koju enzim djeluje naziva se supstrat. Strukture molekule enzima i supstrata moraju točno odgovarati jedna drugoj. Time se objašnjava specifičnost djelovanja enzima. Kada se supstrat kombinira s enzimom, mijenja se prostorna struktura enzima.
Slijed interakcije između enzima i supstrata može se shematski prikazati:
Supstrat+Enzim - Kompleks enzim-supstrat - Enzim+proizvod.
Iz dijagrama je vidljivo da se supstrat spaja s enzimom i tvori kompleks enzim-supstrat. U tom slučaju supstrat se pretvara u novu tvar - proizvod. U završnoj fazi, enzim se oslobađa iz proizvoda i ponovno stupa u interakciju sa sljedećom molekulom supstrata.
Enzimi djeluju samo pri određenoj temperaturi, koncentraciji tvari, kiselosti okoliša. Promjena uvjeta dovodi do promjene tercijarne i kvaternarne strukture proteinske molekule, a posljedično i do supresije enzimske aktivnosti. Kako se to događa? Samo određeni dio molekule enzima ima katalitičku aktivnost, tzv aktivno središte. Aktivni centar sadrži od 3 do 12 aminokiselinskih ostataka i nastaje kao rezultat savijanja polipeptidnog lanca.
Pod utjecajem različitih čimbenika mijenja se struktura molekule enzima. U tom slučaju dolazi do poremećaja prostorne konfiguracije aktivnog centra, a enzim gubi svoju aktivnost.
Enzimi su proteini koji djeluju kao biološki katalizatori. Zahvaljujući enzimima, brzina kemijskih reakcija u stanicama povećava se za nekoliko redova veličine. Važno svojstvo enzima je specifičnost djelovanja u određenim uvjetima.
Nukleinske kiseline.
Nukleinske kiseline otkrivene su u drugoj polovici 19. stoljeća. Švicarski biokemičar F. Miescher, koji je iz jezgri stanica izolirao tvar s visokim sadržajem dušika i fosfora i nazvao je "nuklein" (od lat. jezgra- jezgra).
Nukleinske kiseline pohranjuju nasljedne informacije o građi i funkcioniranju svake stanice i svih živih bića na Zemlji. Postoje dvije vrste nukleinskih kiselina - DNA (dezoksiribonukleinska kiselina) i RNA (ribonukleinska kiselina). Nukleinske kiseline, kao i proteini, specifične su za vrstu, odnosno organizmi svake vrste imaju svoj tip DNK. Da biste saznali razloge specifičnosti vrste, razmotrite strukturu nukleinskih kiselina.
Molekule nukleinske kiseline su vrlo dugi lanci koji se sastoje od mnogo stotina pa čak i milijuna nukleotida. Svaka nukleinska kiselina sadrži samo četiri vrste nukleotida. Funkcije molekula nukleinskih kiselina ovise o njihovoj strukturi, sastavnim nukleotidima, broju u lancu i redoslijedu spoja u molekuli.
Svaki nukleotid sastoji se od tri komponente: dušične baze, ugljikohidrata i fosforne kiseline. Svaki nukleotid DNA sadrži jednu od četiri vrste dušičnih baza (adenin - A, timin - T, gvanin - G ili citozin - C), kao i ugljikohidrat deoksiribozu i ostatak fosforne kiseline.
Dakle, nukleotidi DNA razlikuju se samo po vrsti dušične baze.
Molekula DNA sastoji se od ogromnog broja nukleotida povezanih u lanac u određenom nizu. Svaka vrsta molekule DNA ima svoj broj i slijed nukleotida.
Molekule DNA su vrlo dugačke. Na primjer, da bi se zapisao redoslijed nukleotida u molekulama DNK iz jedne ljudske stanice (46 kromosoma) potrebna bi bila knjiga od oko 820.000 stranica. Izmjenom četiri vrste nukleotida može nastati beskonačan broj varijanti molekula DNA. Ove značajke strukture molekula DNA omogućuju im pohranjivanje ogromne količine informacija o svim znakovima organizama.
Godine 1953. američki biolog J. Watson i engleski fizičar F. Crick izradili su model strukture molekule DNA. Znanstvenici su otkrili da se svaka molekula DNK sastoji od dva lanca međusobno povezana i spiralno uvijena. Izgleda kao dvostruka spirala. U svakom se lancu izmjenjuju četiri vrste nukleotida u određenom nizu.
Nukleotidni sastav DNA je različit različiti tipovi bakterije, gljive, biljke, životinje. Ali to se ne mijenja s godinama, malo ovisi o promjenama u okolini. Nukleotidi su upareni, odnosno broj adenin nukleotida u bilo kojoj molekuli DNA jednak je broju timidinskih nukleotida (A-T), a broj citozinskih nukleotida jednak je broju guanin nukleotida (C-G). To je zbog činjenice da veza dvaju lanaca u molekuli DNA slijedi određeno pravilo, naime: adenin jednog lanca uvijek je povezan s dvije vodikove veze samo s timinom drugog lanca, a gvanin s tri vodikove veze. veze s citozinom, odnosno nukleotidni lanci jedne molekule DNK su komplementarni, međusobno se nadopunjuju.
Molekule nukleinske kiseline – DNK i RNK građene su od nukleotida. Sastav nukleotida DNA uključuje dušičnu bazu (A, T, G, C), ugljikohidrat deoksiribozu i ostatak molekule fosforne kiseline. Molekula DNA je dvostruka spirala, koja se sastoji od dva lanca povezana vodikovim vezama prema principu komplementarnosti. Funkcija DNK je pohranjivanje nasljednih informacija.
U stanicama svih organizama nalaze se molekule ATP-a - adenozin trifosforne kiseline. ATP je univerzalna stanična tvar, čija molekula ima energetski bogate veze. Molekula ATP je jedna vrsta nukleotida, koji se, kao i drugi nukleotidi, sastoji od tri komponente: dušične baze - adenina, ugljikohidrata - riboze, ali umjesto jednog sadrži tri ostatka molekula fosforne kiseline (slika 12). Veze označene ikonom na slici bogate su energijom i nazivaju se makroergički. Svaka molekula ATP-a sadrži dvije makroergičke veze.
Kada se visokoenergetska veza prekine i uz pomoć enzima odcijepi jedna molekula fosforne kiseline, oslobađa se 40 kJ/mol energije, a ATP se pretvara u ADP - adenozin difosfornu kiselinu. Eliminacijom još jedne molekule fosforne kiseline oslobađa se još 40 kJ/mol; Nastaje AMP – adenozin monofosforna kiselina. Ove reakcije su reverzibilne, to jest, AMP se može pretvoriti u ADP, ADP - u ATP.
Molekule ATP-a se ne samo razgrađuju, već i sintetiziraju, pa je njihov sadržaj u stanici relativno konstantan. Važnost ATP-a u životu stanice je ogromna. Ove molekule imaju vodeću ulogu u energetskom metabolizmu potrebnom za osiguravanje vitalne aktivnosti stanice i organizma u cjelini.
Riža. 12. Shema strukture ATP-a.| adenin - |
Molekula RNA, u pravilu, je jedan lanac koji se sastoji od četiri vrste nukleotida - A, U, G, C. Poznate su tri glavne vrste RNA: mRNA, rRNA, tRNA. Sadržaj RNA molekula u stanici nije konstantan, oni su uključeni u biosintezu proteina. ATP je univerzalna energetska tvar stanice, u kojoj postoje energetski bogate veze. ATP ima središnju ulogu u razmjeni energije u stanici. RNA i ATP nalaze se i u jezgri i u citoplazmi stanice.
Zadaci i testovi na temu "Tema 4. "Kemijski sastav ćelije.""
- polimer, monomer;
- ugljikohidrat, monosaharid, disaharid, polisaharid;
- lipid, masna kiselina, glicerol;
- aminokiselina, peptidna veza, protein;
- katalizator, enzim, aktivno mjesto;
- nukleinska kiselina, nukleotid.
Algoritam za rješavanje problema.
Tip 1. DNA samokopiranje.
Jedan od lanaca DNA ima sljedeći nukleotidni niz:
AGTACCGATACCGATTTCG...
Koji slijed nukleotida ima drugi lanac iste molekule?
Za pisanje nukleotidnog slijeda drugog lanca molekule DNK, kada je poznat slijed prvog lanca, dovoljno je timin zamijeniti adeninom, adenin timinom, gvanin citozinom i citozin gvaninom. Ovom zamjenom dobivamo niz:
TACTGGCTATGAGCTAAATG...
Tip 2. Kodiranje proteina.
Lanac aminokiselina proteina ribonukleaze ima sljedeći početak: lizin-glutamin-treonin-alanin-alanin-alanin-lizin ...
Kojim slijedom nukleotida počinje gen koji odgovara ovom proteinu?
Da biste to učinili, upotrijebite tablicu genetskog koda. Za svaku aminokiselinu nalazimo njenu kodnu oznaku u obliku odgovarajućeg trojca nukleotida i ispisujemo je. Poredajući te triplete jedan za drugim istim redoslijedom kojim idu odgovarajuće aminokiseline, dobivamo formulu za strukturu odjeljka glasničke RNA. Takvih trojki u pravilu ima nekoliko, odabir se vrši prema vašoj odluci (ali uzima se samo jedna od trojki). Može postojati nekoliko rješenja.
AAACAAAATSUGTSGGTSUGTSGAAG
Kojim aminokiselinskim slijedom počinje protein ako je kodiran takvim slijedom nukleotida:
ACGCCATGGCCGGT...
Prema principu komplementarnosti nalazimo strukturu informacijskog dijela RNA formiranog na određenom segmentu molekule DNA:
UGCGGGUACCCGCCCA...
Zatim prelazimo na tablicu genetskog koda i za svaki trio nukleotida, počevši od prvog, pronalazimo i ispisujemo aminokiselinu koja mu odgovara:
Cistein-glicin-tirozin-arginin-prolin-...
Ivanova T.V., Kalinova G.S., Myagkova A.N. "Opća biologija". Moskva, "Prosvjetljenje", 2000
- Tema 4." Kemijski sastav stanice." §2-§7 str. 7-21
- Tema 5. "Fotosinteza." § 16-17 str. 44-48
- Tema 6. "Stanično disanje." § 12-13 str. 34-38
- Tema 7." genetske informacije." § 14-15 str. 39-44
Biološka uloga kemijskih elemenata u živim organizmima
1. Makro i mikroelementi u okolišu i ljudskom organizmu
Biološka uloga kemijskih elemenata u ljudskom tijelu izuzetno je raznolika.
Glavna funkcija makronutrijenata je izgradnja tkiva, održavanje stalnog osmotskog tlaka, ionskog i acidobaznog sastava.
Elementi u tragovima, kao dio enzima, hormona, vitamina, biološki aktivnih tvari kao kompleksni agensi ili aktivatori, uključeni su u metabolizam, reprodukcijske procese, disanje tkiva i neutralizaciju toksičnih tvari. Elementi u tragovima aktivno utječu na procese hematopoeze, oksidaciju - oporavak, propusnost krvnih žila i tkiva. Makro i mikroelementi - kalcij, fosfor, fluor, jod, aluminij, silicij određuju formiranje koštanog i zubnog tkiva.
Postoje dokazi da se sadržaj nekih elemenata u ljudskom tijelu mijenja s godinama. Dakle, sadržaj kadmija u bubrezima i molibdena u jetri raste sa starošću. Maksimalni sadržaj cinka uočen je tijekom puberteta, zatim se smanjuje i u starijoj dobi doseže minimum. Sadržaj ostalih elemenata u tragovima, poput vanadija i kroma, također se smanjuje s godinama.
Identificirane su mnoge bolesti povezane s nedostatkom ili prekomjernim nakupljanjem različitih elemenata u tragovima. Nedostatak fluora uzrokuje zubni karijes, nedostatak joda - endemsku gušavost, višak molibdena - endemski giht. Takvi obrasci povezani su s činjenicom da se u ljudskom tijelu održava ravnoteža optimalnih koncentracija biogenih elemenata – kemijska homeostaza. Povreda ove ravnoteže zbog nedostatka ili viška elementa može dovesti do raznih bolesti.
Uz šest glavnih makronutrijenata – organogena – ugljik, vodik, dušik, kisik, sumpor i fosfor, koji čine ugljikohidrate, masti, bjelančevine i nukleinske kiseline, za normalnu prehranu ljudi i životinja neophodni su „anorganski“ makronutrijenti – kalcij, klor , magnezij, kalij, natrij - i elementi u tragovima - bakar, fluor, jod, željezo, molibden, cink, a također, moguće (dokazano za životinje), selen, arsen, krom, nikal, silicij, kositar, vanadij.
Nedostatak elemenata poput željeza, bakra, fluora, cinka, joda, kalcija, fosfora, magnezija i nekih drugih u prehrani dovodi do ozbiljnih posljedica po ljudsko zdravlje.
Međutim, treba imati na umu da je ne samo nedostatak, već i višak biogenih elemenata štetan za tijelo, jer to narušava kemijsku homeostazu. Na primjer, unosom viška mangana hranom, razina bakra u plazmi raste (sinergizam Mn i Cu), a u bubrezima se smanjuje (antagonizam). Povećanje sadržaja molibdena u hrani dovodi do povećanja količine bakra u jetri. Višak cinka u hrani uzrokuje inhibiciju aktivnosti enzima koji sadrže željezo (antagonizam Zn i Fe).
Mineralne komponente, koje su vitalne u zanemarivim količinama, u višim koncentracijama postaju toksične.
Brojni elementi (srebro, živa, olovo, kadmij i dr.) smatraju se toksičnima, jer njihov ulazak u organizam već u tragovima dovodi do teških patoloških pojava. O kemijskom mehanizmu toksičnih učinaka nekih elemenata u tragovima bit će riječi u nastavku.
Biogeni elementi naširoko se koriste u poljoprivreda. Dodavanje malih količina mikroelemenata - bora, bakra, mangana, cinka, kobalta, molibdena - u tlo dramatično povećava prinose mnogih usjeva. Pokazalo se da mikroelementi, povećavajući aktivnost enzima u biljkama, doprinose sintezi proteina, vitamina, nukleinskih kiselina, šećera i škroba. Neki od kemijskih elemenata pozitivno utječu na fotosintezu, ubrzavaju rast i razvoj biljaka, sazrijevanje sjemena. Elementi u tragovima dodaju se hrani za životinje kako bi se povećala njihova produktivnost.
Široko upotrebljavan raznih elemenata i njihovi spojevi kao lijekovi.
Dakle, proučavanje biološke uloge kemijskih elemenata, rasvjetljavanje odnosa između izmjene tih elemenata i drugih biološki aktivnih tvari - enzima, hormona, vitamina pridonosi stvaranju novih lijekovi i razvoj optimalnih režima doziranja i za terapijske i za profilaktičke svrhe.
Osnova za proučavanje svojstava elemenata i, posebno, njihove biološke uloge je periodični zakon D.I. Mendeljejev. Fizikalno-kemijska svojstva, a time i njihova fiziološka i patološka uloga, određene su položajem ovih elemenata u periodnom sustavu D.I. Mendeljejev.
U pravilu, s povećanjem naboja jezgre atoma, povećava se toksičnost elemenata ove skupine i smanjuje se njihov sadržaj u tijelu. Smanjenje udjela očito je posljedica činjenice da mnoge elemente dugih razdoblja živi organizmi slabo apsorbiraju zbog velikih atomskih i ionskih radijusa, visokog nuklearnog naboja, složenosti elektroničkih konfiguracija i niske topljivosti spojeva. Tijelo sadrži značajne količine lakih elemenata.
U makroelemente spadaju s-elementi prve (vodik), treće (natrij, magnezij) i četvrte (kalij, kalcij) perioda, kao i p-elementi druge (ugljik, dušik, kisik) i treće (fosfor, sumpor, klor) razdoblja. Svi su oni vitalni. Većina preostalih s- i p-elemenata prve tri periode (Li, B, Al, F) su fiziološki aktivni, s- i p-elementi velikih perioda (n> 4) rijetko djeluju kao neophodni. Izuzetak su s-elementi - kalij, kalcij, jod. Fiziološki aktivni uključuju neke s- i p-elemente četvrtog i petog razdoblja - stroncij, arsen, selen, brom.
Među d-elementima vitalni su uglavnom elementi četvrtog razdoblja: mangan, željezo, cink, bakar, kobalt. Nedavno je utvrđeno da je nedvojbena fiziološka uloga i nekih drugih d-elemenata ovog razdoblja: titana, kroma, vanadija.
d-Elementi pete i šeste dobe, s izuzetkom molibdena, ne pokazuju izraženu pozitivnu fiziološku aktivnost. Molibden je također dio niza redoks enzima (na primjer, ksantin oksid, aldehid oksidaza) i igra važnu ulogu u tijeku biokemijskih procesa.
2. Opći aspekti toksičnosti teških metala za žive organizme
Sveobuhvatno proučavanje problema povezanih s procjenom stanja prirodno okruženje pokazuje da je vrlo teško povući jasnu granicu između prirodnih i antropogenih čimbenika u promjenjivim ekološkim sustavima. U to su nas uvjerila zadnja desetljeća. da čovjekov utjecaj na prirodu uzrokuje ne samo izravnu, lako uočljivu štetu, nego uzrokuje i niz novih, često skrivenih procesa koji transformiraju ili uništavaju okoliš. Prirodni i antropogeni procesi u biosferi u složenom su odnosu i međuovisnosti. Dakle, na tijek kemijskih transformacija koje dovode do stvaranja otrovnih tvari utječu klima, stanje pokrova tla, vode, zraka, razina radioaktivnosti itd. U sadašnjim uvjetima, pri proučavanju procesa kemijskog onečišćenja ekosustava, javlja se problem pronalaska prirodnih, uglavnom zbog prirodnih čimbenika, razina sadržaja pojedinih kemijskih elemenata ili spojeva. Rješenje ovog problema moguće je samo na temelju dugotrajnih sustavnih promatranja stanja komponenti biosfere, sadržaja različitih tvari u njima, odnosno na temelju monitoringa okoliša.
Onečišćenje okoliša teškim metalima izravno je povezano s ekološkim i analitičkim praćenjem supertoksikanata, jer mnogi od njih već u tragovima pokazuju visoku toksičnost i mogu se koncentrirati u živim organizmima.
Glavni izvori onečišćenja okoliša teškim metalima mogu se podijeliti na prirodne (prirodne) i umjetne (antropogene). U prirodne spadaju vulkanske erupcije, prašne oluje, šumski i stepski požari, morske soli vjetrometra, vegetacije itd. Prirodni izvori onečišćenja su ili sustavni jednolični ili kratkotrajni spontani i u pravilu malo utječu na ukupnu razinu onečišćenja. Glavni i najopasniji izvori onečišćenja prirode teškim metalima su antropogeni.
U procesu proučavanja kemije metala i njihovih biokemijskih ciklusa u biosferi otkriva se dvostruka uloga koju imaju u fiziologiji: s jedne strane, većina metala neophodna je za normalan tijek života; s druge strane, u povišenim koncentracijama pokazuju visoku toksičnost, odnosno štetno djeluju na stanje i aktivnost živih organizama. Granica između potrebnih i toksičnih koncentracija elemenata vrlo je nejasna, što otežava pouzdanu procjenu njihova utjecaja na okoliš. Količina pri kojoj neki metali postaju doista opasni ne ovisi samo o stupnju onečišćenja ekosustava njima, već i o kemijskim karakteristikama njihovog biokemijskog ciklusa. U tablici. Slika 1 prikazuje niz molarne toksičnosti metala za različite vrste živih organizama.
Tablica 1. Reprezentativni slijed molarne toksičnosti metala
Organizmi Niz toksičnosti Alge Hg>Cu>Cd>Fe>Cr>Zn>Co>MnFungiAg>Hg>Cu>Cd>Cr>Ni>Pb>Co>Zn>Fe >Zn > Pb> CdFishAg>Hg>Cu> Pb> Cd>Al> Zn> Ni> Cr>Co>Mn>>SrSisavciAg, Hg, Cd> Cu, Pb, Sn, Be>> Mn, Zn, Ni, Fe , Cr >> Sr >Ss, Li, Al
Za svaku vrstu organizma redoslijed metala u recima tablice slijeva na desno odražava povećanje molarne količine metala potrebnog za ispoljavanje učinka toksičnosti. Minimalna molarna vrijednost odnosi se na metal s najvećom toksičnošću.
V.V. Kovalsky je, na temelju njihove važnosti za život, podijelio kemijske elemente u tri skupine:
Vitalni (nezamjenjivi) elementi koji se stalno nalaze u tijelu (u sastavu su enzima, hormona i vitamina): H, O, Ca, N, K, P, Na, S, Mg, Cl, C, I, Mn, Cu , Co, Fe, Mo, V. Njihov nedostatak dovodi do poremećaja normalnog života ljudi i životinja.
Tablica 2. Karakteristike nekih metaloenzima - bioanorganskih kompleksa
Metal-enzim Središnji atom Ligand okolina Objekt koncentracije Djelovanje enzima Karboanhidraza Zn (II) Aminokiselinski ostaci Eritrociti Katalizira reverzibilnu hidrataciju ugljičnog dioksida: CO 2+H 2O↔N 2TAKO 3↔N ++NSO 3Zn (II) karboksipeptidaza Aminokiselinski ostaci Gušterača, jetra, crijeva Katalizira probavu proteina, sudjeluje u hidrolizi peptidne veze: R 1CO-NH-R 2+H 2O↔R 1-COOH+R 2NH 2Katalaza Fe (III) Ostaci aminokiselina, histidin, tirozin Krv Katalizira reakciju razgradnje vodikovog peroksida: 2H 2O 2= 2H 2O + O 2Fe(III) peroksidaza ProteiniTkivo, krvOksidacija supstrata (RH 2) vodikov peroksid: RH 2+ H 2O 2=R+2H 2Oksireduktaza Cu (II) Ostaci aminokiselina Srce, jetra, bubrezi Katalizira oksidaciju uz pomoć molekularnog kisika: 2H 2R+O 2= 2R + 2H 2O Piruvat karboksilaza Mn (II) Proteini tkiva Jetra, štitna žlijezda Pospješuje djelovanje hormona. Katalizira proces karboksilacije pirogrožđanom kiselinom Aldehid oksidaza Mo (VI) Tkivni proteini Jetra Sudjeluje u oksidaciji aldehida Ribonukleotid reduktaza Co (II) Tkivni proteini Jetra Sudjeluje u biosintezi ribonukleinskih kiselina Dakle, kao odgovor na djelovanje toksičnih iona olova, žive, kadmija itd., ljudska jetra i bubrezi povećavaju sintezu metalotiona - proteina niske molekularne težine, u kojima je otprilike 1/3 aminokiselinskih ostataka cistein. . Visok sadržaj i određeni raspored sulfhidrilnih SH-skupina daje mogućnost snažnog vezanja metalnih iona. Mehanizmi toksičnosti metala općenito su dobro poznati, ali ih je vrlo teško pronaći za bilo koji metal. Jedan od tih mehanizama je koncentracija između esencijalnih i toksičnih metala za posjedovanje veznih mjesta u proteinima, jer metalni ioni stabiliziraju i aktiviraju mnoge proteine, budući da su dio mnogih enzimskih sustava. Osim toga, mnoge proteinske makromolekule imaju slobodne sulfhidrilne skupine koje mogu stupiti u interakciju s ionima otrovnih metala kao što su kadmij, olovo i živa, što dovodi do toksičnih učinaka. Međutim, nije točno utvrđeno koje makromolekule u ovom slučaju štete živom organizmu. Manifestacija toksičnosti metalnih iona u različitim organima i tkivima nije uvijek povezana s razinom njihove akumulacije - nema jamstva da se najveće oštećenje događa u onom dijelu tijela gdje je koncentracija ovog metala veća. Dakle, ioni olova (II), koji čine više od 90 % ukupno u tijelu imobilizirani u kostima, pokazuju toksičnost zbog 10% raspoređenih u drugim tkivima tijela. Imobilizacija iona olova u kostima može se smatrati procesom detoksikacije. Toksičnost metalnog iona obično nije povezana s njegovom potrebom za tijelo. Međutim, toksičnost i nužnost imaju jedno zajedničko: u pravilu postoji međusobni odnos metalnih iona, kao i između metalnih i nemetalnih iona, u ukupnom doprinosu učinkovitosti njihova djelovanja. Na primjer, toksičnost kadmija je izraženija u sustavu s nedostatkom cinka, dok je toksičnost olova pogoršana nedostatkom kalcija. Slično, adsorpcija željeza iz biljne hrane je inhibirana ligandima koji stvaraju komplekse prisutnima u njoj, a višak iona cinka može inhibirati adsorpciju bakra, itd. Određivanje mehanizama toksičnosti metalnih iona često je komplicirano postojanjem različitih načina njihova prodiranja u živi organizam. Metali se mogu unijeti hranom, vodom, apsorbirati kroz kožu, prodrijeti udisanjem itd. Apsorpcija prašinom je glavni put prodiranja u industrijsko onečišćenje. Kao rezultat udisanja, većina metala taloži se u plućima i tek onda se širi u druge organe. Ali najčešći put za ulazak toksičnih metala u tijelo je unos hranom i vodom. Bibliografski popis 1. Karapetyants M.Kh., Drakin S.I. Opća i anorganska kemija. - M.: Kemija, 1993. - 590 str. Akhmetov N.S. Opća i anorganska kemija. Udžbenik za srednje škole. - M.: Viši. škola, 2001. - 679 str. Drozdov D.A., Zlomanov V.P., Mazo G.N., Spiridonov F.M. Anorganska kemija. U 3 sveska. T. Kemija neprelaznih elemenata. / Ed. Yu.D. Tretyakova - M.: Ed. "Akademija", 2004, 368s. 5. Tamm I.E., Tretyakov Yu.D. Anorganska kemija: U 3 sveska, V.1. Fizikalno-kemijske osnove anorganske kemije. Udžbenik za studente / Ured. Yu.D. Tretjakov. - M.: ur. "Akademija", 2004, 240s. Koržukov N.G. Opća i anorganska kemija. Proc. Korist. / Pod uredništvom V.I. Delyan-M.: Ed. MISIS: INFRA-M, 2004, 512s. Ershov Yu.A., Popkov V.A., Berlyand A.S., Knizhnik A.Z. Opća kemija. Biofizička kemija. Kemija biogenih elemenata. Udžbenik za sveučilišta. / Ed. Yu.A. Eršov. 3. izd., - M.: Integral-Pres, 2007. - 728 str. Glinka N.L. Opća kemija. Tutorial za sveučilišta. ur. 30. prerađeno./ Ed. A.I. Ermakov. - M.: Integral-Press, 2007, - 728 str. Chernykh, M.M. Ovčarenko. Teški metali i radionuklidi u biogeocinozama. - M.: Agroconsult, 2004. N.V. Gusakov. Kemija okoliša. - Rostov na Donu, Phoenix, 2004. Baletskaya L.G. Anorganska kemija. - Rostov na Donu, Phoenix, 2005. M. Henze, P. Armoes, J. Lakuriansen, E. Arvan. čišćenje Otpadne vode. - M.: Mir, 2006. Korovin N.V. Opća kemija. - M.: Viši. škola, 1998. - 558 str. Petrova V.V. i dr. Pregled svojstava kemijskih elemenata i njihovih spojeva. Udžbenik za kolegij Kemija u mikroelektronici. - M.: Izdavačka kuća MIET, 1993. - 108 str. Kharin A.N., Kataeva N.A., Kharina L.T. Tečaj kemije. - M.: Viši. škola, 1983. - 511 str.
- transformacija putem jetre i bubrega u manje toksičan oblik.