>> Chimie: Elemente chimice din celulele organismelor vii
Au fost descoperite peste 70 de elemente în substanțele care formează celulele tuturor organismelor vii (oameni, animale, plante). Aceste elemente sunt de obicei împărțite în două grupe: macroelemente și microelemente.
Macroelementele sunt conținute în celule în cantități mari. În primul rând, acestea sunt carbonul, oxigenul, azotul și hidrogenul. Împreună, ele reprezintă aproape 98% din conținutul total al celulei. Pe lângă aceste elemente, macroelementele includ și magneziu, potasiu, calciu, sodiu, fosfor, sulf și clor. Conținutul lor total este de 1,9%. Astfel, ponderea altor elemente chimice este de aproximativ 0,1%. Acestea sunt microelemente. Acestea includ fier, zinc, mangan, bor, cupru, iod, cobalt, brom, fluor, aluminiu etc.
În laptele de mamifere au fost găsite 23 de oligoelemente: litiu, rubidiu, cupru, argint, bariu, stronțiu, titan, arsen, vanadiu, crom, molibden, iod, fluor, mangan, fier, cobalt, nichel etc.
Sângele mamiferelor conține 24 de oligoelemente, iar creierul uman conține 18 oligoelemente.
După cum puteți vedea, în celulă nu există elemente speciale care să fie caracteristice doar naturii vii, adică la nivel atomic nu există diferențe între natura vie și cea neînsuflețită. Aceste diferențe se găsesc doar la nivelul substanțelor complexe – la nivel molecular. Astfel, alaturi de substantele anorganice (apa si sarurile minerale), celulele organismelor vii contin substante caracteristice doar acestora - substante organice (proteine, grasimi, carbohidrati, acizi nucleici, vitamine, hormoni etc.). Aceste substanțe sunt construite în principal din carbon, hidrogen, oxigen și azot, adică din macroelemente. Microelementele sunt conținute în aceste substanțe în cantități mici, însă rolul lor în funcționarea normală a organismelor este enorm. De exemplu, compușii de bor, mangan, zinc și cobalt măresc dramatic randamentul plantelor agricole individuale și le măresc rezistența la diferite boli.
Oamenii și animalele primesc microelementele de care au nevoie pentru viața normală prin intermediul plantelor pe care le mănâncă. Dacă nu există suficient mangan în alimente, atunci sunt posibile întârzierea creșterii, pubertatea întârziată și tulburările metabolice în timpul formării scheletului. Adăugarea unor fracțiuni de miligram de săruri de mangan în dieta zilnică a animalelor elimină aceste boli.
Cobaltul face parte din vitamina B12, care este responsabilă pentru funcționarea organelor care formează sânge. Lipsa de cobalt din alimente cauzează adesea boli grave, ceea ce duce la epuizarea organismului și chiar la moarte.
Importanța microelementelor pentru oameni a fost dezvăluită pentru prima dată în timpul studiului unei boli precum gușa endemică, care a fost cauzată de lipsa iodului din alimente și apă. Luarea de sare care conține iod duce la recuperare, iar adăugarea acesteia în alimente în cantități mici previne îmbolnăvirea. În acest scop se iodă sarea de masă, la care se adaugă 0,001-0,01% iodură de potasiu.
Majoritatea catalizatorilor enzimatici biologici conțin zinc, molibden și alte metale. Aceste elemente, conținute în cantități foarte mici în celulele organismelor vii, asigură funcționarea normală a celor mai fine mecanisme biochimice și sunt adevărați regulatori ai proceselor vitale.
Multe microelemente sunt conținute în vitamine - substanțe organice de diferite naturi chimice care intră în organism cu alimente în doze mici și au un impact mare asupra metabolismului și funcționării generale a organismului. În acțiunea lor biologică, sunt aproape de enzime, dar enzimele sunt formate de celulele corpului, iar vitaminele provin de obicei din alimente. Surse de vitamine sunt plantele: citricele, măceșele, pătrunjelul, ceapa, usturoiul și multe altele. Unele vitamine - A, B1, B2, K - sunt obtinute sintetic. Vitaminele și-au primit numele de la două cuvinte: vita - viață și amină - care conține azot.
Microelementele fac, de asemenea, parte din hormoni - substanțe biologic active care reglează funcționarea organelor și sistemelor de organe la oameni și animale. Își iau numele de la cuvântul grecesc harmao - cuceresc. Hormonii sunt produși de glandele endocrine și intră în sânge, care îi transportă în tot corpul. Unii hormoni sunt obținuți sintetic.
1. Macroelemente și microelemente.
2. Rolul microelementelor în viața plantelor, animalelor și oamenilor.
3. Substante organice: proteine, grasimi, carbohidrati.
4. Enzime.
5. Vitamine.
6. Hormoni.
La ce nivel al formelor de existență a unui element chimic începe diferența dintre natura vie și cea neînsuflețită?
De ce macroelementele individuale sunt numite și biogene? Enumerați-le.
Conținutul lecției notele de lecție sprijinirea metodelor de accelerare a prezentării lecției cadru tehnologii interactive Practica sarcini și exerciții ateliere de autotestare, instruiri, cazuri, întrebări teme pentru acasă întrebări de discuție întrebări retorice de la elevi Ilustrații audio, clipuri video și multimedia fotografii, imagini, grafice, tabele, diagrame, umor, anecdote, glume, benzi desenate, pilde, proverbe, cuvinte încrucișate, citate Suplimente rezumate articole trucuri pentru pătuțurile curioși manuale dicționar de bază și suplimentar de termeni altele Îmbunătățirea manualelor și lecțiilorcorectarea erorilor din manual actualizarea unui fragment dintr-un manual, elemente de inovație în lecție, înlocuirea cunoștințelor învechite cu altele noi Doar pentru profesori lecții perfecte plan calendaristic timp de un an recomandări metodologice ale programului de discuţii Lecții integrateCompoziția elementară a corpului
Compoziția chimică a celulelor diferitelor organisme poate diferi semnificativ, dar constau din aceleași elemente. Aproximativ 70 de elemente ale tabelului periodic au fost găsite în celulele D.I. Mendeleev, dar doar 24 dintre ei au importantși se găsesc în mod constant în organismele vii.
Macronutrienți – oxigenul, hidrocarburile, hidrogenul, azotul – fac parte din moleculele substanțelor organice. Macroelementele au inclus recent potasiu, sodiu, calciu, sulf, fosfor, magneziu, fier, clor. Conținutul lor în celulă este de zecimi și sutimi de procent.
Magneziul face parte din clorofila; fier – hemoglobină; fosfor – țesut osos, acizi nucleici; calciu – în oase, țestoase crustacee, sulf – în compoziția proteinelor; ionii de potasiu, sodiu și clor participă la modificarea potențialului membranei celulare.
Microelemente sunt reprezentate în celulă prin sutimi și miimi de procent. Acestea sunt zinc, cupru, iod, fluor, molibden, bor etc.
Microelementele fac parte din enzime, hormoni și pigmenți.
Ultramicroelemente – elemente al căror conținut în celulă nu depășește 0,000001%. Acestea sunt uraniul, aurul, mercurul, cesiul etc.
Apa și semnificația ei biologică
Apa ocupă cantitativ printre compuși chimici primul loc în toate celulele. În funcție de tipul de celule, de starea lor funcțională, de tipul de organism și de condițiile în care se află, conținutul său în celule variază semnificativ.
Celulele osoase nu conțin mai mult de 20% apă, țesut adipos - aproximativ 40%, celulele musculare - 76% și celulele fetale - mai mult de 90%.
Nota 1
În celulele oricărui organism, cantitatea de apă scade considerabil odată cu vârsta.
Prin urmare, concluzia este că, cu cât activitatea funcțională a organismului în ansamblu și a fiecărei celule separat este mai mare, cu atât conținutul de apă din acestea este mai mare și invers.
Nota 2
O condiție prealabilă pentru activitatea vitală a celulelor este prezența apei. Este partea principală a citoplasmei, își menține structura și stabilitatea coloizilor care alcătuiesc citoplasma.
Rolul apei într-o celulă este determinat de proprietățile sale chimice și structurale. Acest lucru se datorează în primul rând dimensiunii mici a moleculelor, polarității și capacității lor de a se conecta folosind legături de hidrogen.
Legăturile de hidrogen sunt formate din atomi de hidrogen legați de un atom electronegativ (de obicei oxigen sau azot). În acest caz, atomul de hidrogen capătă o sarcină pozitivă atât de mare încât poate forma o nouă legătură cu un alt atom electronegativ (oxigen sau azot). Moleculele de apă, al căror capăt are o sarcină pozitivă, iar celălalt are o sarcină negativă, se leagă și ele între ele. O astfel de moleculă se numește dipol. Atomul de oxigen mai electronegativ al unei molecule de apă este atras de atomul de hidrogen încărcat pozitiv al altei molecule pentru a forma o legătură de hidrogen.
Datorită faptului că moleculele de apă sunt polare și capabile să formeze legături de hidrogen, apa este un solvent perfect pentru substanțele polare numite hidrofil. Aceștia sunt compuși ionici în care particulele încărcate (ionii) se disociază (se separă) în apă atunci când o substanță (sare) este dizolvată. Unii compuși neionici au aceeași capacitate, a căror moleculă conține grupe încărcate (polare) (în zaharuri, aminoacizi, alcooli simpli, acestea sunt grupe OH). Substanțele formate din molecule nepolare (lipide) sunt practic insolubile în apă, adică hidrofobe.
Când o substanță trece în soluție, particulele sale structurale (molecule sau ioni) devin capabile să se miște mai liber și, în consecință, reactivitatea substanței crește. Datorită acestui fapt, apa este principalul mediu în care se află majoritatea reactii chimice. În plus, toate reacțiile redox și reacțiile de hidroliză au loc cu participarea directă a apei.
Apa are cea mai mare căldură specifică dintre orice substanță cunoscută. Aceasta înseamnă că, odată cu o creștere semnificativă a energiei termice, temperatura apei crește relativ puțin. Acest lucru se datorează utilizării unei cantități semnificative din această energie pentru a rupe legăturile de hidrogen, care limitează mobilitatea moleculelor de apă.
Datorită capacității sale mari de căldură, apa servește ca protecție pentru țesuturile vegetale și animale împotriva creșterilor puternice și rapide ale temperaturii, iar căldura mare de vaporizare este baza pentru stabilizarea fiabilă a temperaturii corpului. Necesitatea unei cantități semnificative de energie pentru a evapora apa se datorează faptului că între moleculele sale există legături de hidrogen. Această energie vine din mediu, prin urmare evaporarea este însoțită de răcire. Acest proces poate fi observat în timpul transpirației, în cazul gâfâitului termic la câini, este important și în procesul de răcire a organelor transpiratoare ale plantelor, mai ales în condiții de deșert și în condiții de stepă uscată și perioade de secetă în alte regiuni.
Apa are, de asemenea, o conductivitate termică ridicată, ceea ce asigură o distribuție uniformă a căldurii în întregul corp. Astfel, nu există riscul de „puncte fierbinți” locale care ar putea cauza deteriorarea elementelor celulare. Deci este mare căldură specificăși conductivitatea termică ridicată pentru un lichid fac din apa un mediu ideal pentru menținerea optimă regim termic corp.
Apa se caracterizează prin tensiune superficială ridicată. Această proprietate este foarte importantă pentru procesele de adsorbție, deplasarea soluțiilor prin țesuturi (circulația sângelui, mișcarea în sus și în jos prin plantă etc.).
Apa este folosită ca sursă de oxigen și hidrogen, care sunt eliberate în timpul fazei de lumină a fotosintezei.
Proprietățile fiziologice importante ale apei includ capacitatea sa de a dizolva gazele ($O_2$, $CO_2$ etc.). În plus, apa ca solvent participă la procesul de osmoză, care joacă un rol important în viața celulelor și a organismului.
Proprietățile hidrocarburilor și rolul lor biologic
Dacă nu luăm în calcul apa, putem spune că majoritatea moleculelor celulei aparțin unor compuși hidrocarburi, așa-numiți organici.
Nota 3
Hidrocarburile, având abilități chimice unice fundamentale pentru viață, constituie baza sa chimică.
Datorită dimensiuni miciși prezența a patru electroni pe învelișul exterior, un atom de hidrocarbură poate forma patru legături covalente puternice cu alți atomi.
Cel mai important este capacitatea atomilor de hidrocarburi de a se uni pentru a forma lanțuri, inele și, în cele din urmă, scheletul unor molecule organice mari și complexe.
În plus, hidrocarbura formează cu ușurință legături covalente cu alte elemente biogene (de obicei $H, Mg, P, O, S$). Astfel se explică existența unei cantități astronomice de diverși compuși organici care asigură existența organismelor vii în toate manifestările sale. Diversitatea lor se manifestă în structura și dimensiunea moleculelor, proprietățile lor chimice, gradul de saturație a scheletului de carbon și diverse forme molecule, care este determinată de unghiurile legăturilor intramoleculare.
Biopolimeri
Aceștia sunt compuși organici cu greutate moleculară mare (greutate moleculară 103 - 109), ale căror macromolecule constau din cantitate mare unitățile care se repetă sunt monomerii.
Biopolimerii includ proteine, acizi nucleici, polizaharide și derivații acestora (amidon, glicogen, celuloză, hemiceluloză, pectină, chitină etc.). Monomerii pentru ei sunt aminoacizi, nucleotide și, respectiv, monozaharide.
Nota 4
Aproximativ 90% din masa uscată a unei celule este compusă din biopolimeri: la plante predomină polizaharidele, iar la animale predomină proteinele.
Exemplul 1
Într-o celulă bacteriană există aproximativ 3 mii de tipuri de proteine și 1 mie de acizi nucleici, iar la om numărul de proteine este estimat la 5 milioane.
Biopolimerii nu numai că formează baza structurală a organismelor vii, dar joacă și un rol conducător în procesele vieții.
Baza structurală a biopolimerilor sunt lanțuri liniare (proteine, acizi nucleici, celuloză) sau ramificate (glicogen).
Și acizi nucleici, reacții imune, reacții metabolice - și sunt efectuate datorită formării de complexe biopolimeri și alte proprietăți ale biopolimerilor.
Astăzi, multe elemente chimice ale tabelului periodic au fost descoperite și izolate în forma lor pură, iar o cincime dintre ele se găsesc în fiecare organism viu. Ele, ca și cărămizile, sunt componentele principale ale substanțelor organice și anorganice.
Ce elemente chimice sunt incluse în compoziția celulei, după biologia ce substanțe se poate judeca prezența lor în organism - vom lua în considerare toate acestea mai târziu în articol.
Care este constanța compoziției chimice?
Pentru a menține stabilitatea în organism, fiecare celulă trebuie să mențină concentrația fiecăruia dintre componentele sale la un nivel constant. Acest nivel este determinat de specii, habitat și factori de mediu.
Pentru a răspunde la întrebarea ce elemente chimice sunt incluse în compoziția unei celule, este necesar să înțelegem clar că orice substanță conține oricare dintre componentele tabelului periodic.
Uneori vorbim de sutimi și miimi de procent din conținutul unui anumit element dintr-o celulă, dar o modificare a acestui număr chiar și cu o miime poate avea deja consecințe grave pentru organism.
Din cele 118 elemente chimice dintr-o celulă umană, trebuie să existe cel puțin 24. Nu există componente care să se găsească într-un organism viu, dar să nu facă parte din obiectele neînsuflețite ale naturii. Acest fapt confirmă legătura strânsă dintre lucrurile vii și cele nevii dintr-un ecosistem.
Rolul diferitelor elemente care alcătuiesc celula
Deci, ce elemente chimice alcătuiesc o celulă? Rolul lor în viața corpului, trebuie remarcat, depinde direct de frecvența de apariție și de concentrația lor în citoplasmă. Cu toate acestea, în ciuda conținutului diferit de elemente dintr-o celulă, importanța fiecăruia dintre ele este la fel de mare. O deficiență a oricăruia dintre ele poate duce la efecte dăunătoare asupra organismului, dezactivând cele mai importante reacții biochimice din metabolism.
Când enumerăm ce elemente chimice alcătuiesc celula umană, trebuie să menționăm trei tipuri principale, pe care le vom lua în considerare în continuare:
Elementele biogene de bază ale celulei
Nu este de mirare că elementele O, C, H, N sunt clasificate ca fiind biogene, deoarece formează toate substanțele organice și multe substanțe anorganice. Este imposibil să ne imaginăm proteine, grăsimi, carbohidrați sau acizi nucleici fără aceste componente esențiale pentru organism.
Funcția acestor elemente a determinat conținutul lor ridicat în organism. Împreună, ele reprezintă 98% din masa corporală uscată totală. În ce altceva se poate manifesta activitatea acestor enzime?
- Oxigen. Conținutul său în celulă este de aproximativ 62% din masa totală uscată. Funcții: construcția de substanțe organice și anorganice, participarea la lanțul respirator;
- Carbon. Conținutul său ajunge la 20%. Funcția principală: inclusă în toate;
- Hidrogen. Concentrația sa ia o valoare de 10%. Pe lângă faptul că acest element este o componentă a materiei organice și a apei, participă și la transformările energetice;
- Azot. Suma nu depășește 3-5%. Rolul său principal este formarea de aminoacizi, acizi nucleici, ATP, multe vitamine, hemoglobină, hemocianina, clorofilă.
Acestea sunt elementele chimice care alcătuiesc celula și formează majoritatea substanțelor necesare vieții normale.
Importanța macronutrienților
Macronutrienții vă vor ajuta, de asemenea, să vă spuneți ce elemente chimice sunt incluse în celulă. Dintr-un curs de biologie devine clar că, pe lângă cele principale, 2% din masa uscată este formată din alte componente ale tabelului periodic. Și macroelementele includ pe cele al căror conținut nu este mai mic de 0,01%. Principalele lor funcții sunt prezentate sub formă de tabel.
Calciu (Ca) | Responsabil de contractia fibrelor musculare, face parte din pectina, oase si dinti. Îmbunătățește coagularea sângelui. |
|
Fosfor (P) | Face parte din cea mai importantă sursă de energie - ATP. |
|
Participă la formarea punților disulfurice în timpul plierii proteinelor într-o structură terțiară. Parte din cisteină și metionină, unele vitamine. |
||
Ionii de potasiu sunt implicați în celule și influențează, de asemenea, potențialul membranei. |
||
Anionul principal al corpului |
||
Sodiu (Na) | Un analog al potasiului, participând la aceleași procese. |
|
magneziu (Mg) | Ionii de magneziu sunt regulatori ai procesului. În centrul moleculei de clorofilă există și un atom de magneziu. |
|
Participă la transportul electronilor de-a lungul ETC al respirației și fotosintezei, este o legătură structurală în mioglobină, hemoglobină și multe enzime. |
Sperăm că din cele de mai sus nu este dificil să se determine care elemente chimice fac parte din celulă și aparțin macroelementelor.
Microelemente
Există și componente ale celulei fără de care organismul nu poate funcționa normal, dar conținutul lor este întotdeauna mai mic de 0,01%. Să determinăm ce elemente chimice fac parte din celulă și aparțin grupului de microelemente.
Face parte din enzimele ADN și ARN polimeraze, precum și din mulți hormoni (de exemplu, insulina). |
||
Participă la procesele de fotosinteză, sinteza hemocianinei și unele enzime. |
||
Este o componentă structurală a hormonilor T3 și T4 ai glandei tiroide |
||
Mangan (Mn) | mai puțin de 0,001 | Inclus în enzime și oase. Participă la fixarea azotului în bacterii |
mai puțin de 0,001 | Afectează procesul de creștere a plantelor. |
|
Parte din oase și smalțul dinților. |
Substante organice si anorganice
Pe lângă cele enumerate, ce alte elemente chimice sunt incluse în compoziția celulei? Răspunsurile pot fi găsite prin simpla studiere a structurii majorității substanțelor din organism. Dintre acestea, se disting molecule de origine organică și anorganică, iar fiecare dintre aceste grupe conține un set fix de elemente.
Principalele clase de substanțe organice sunt proteinele, acizii nucleici, grăsimile și carbohidrații. Sunt construite în întregime din elemente biogene de bază: scheletul moleculei este întotdeauna format din carbon, iar hidrogenul, oxigenul și azotul fac parte din radicali. La animale, clasa dominantă este proteinele, iar la plante, polizaharidele.
Substanțele anorganice sunt toate săruri minerale și, desigur, apă. Dintre toate substanțele anorganice din celulă, cea mai mare este H 2 O, în care substanțele rămase sunt dizolvate.
Toate cele de mai sus vă vor ajuta să determinați ce elemente chimice fac parte din celulă, iar funcțiile lor în organism nu vor mai fi un mister pentru dvs.
Organismele sunt formate din celule. Celulele diferitelor organisme au compoziții chimice similare. Tabelul 1 prezintă principalele elemente chimice găsite în celulele organismelor vii.
Tabelul 1. Conținutul elementelor chimice din celulă
Pe baza conținutului din celulă, se pot distinge trei grupuri de elemente. Primul grup include oxigenul, carbonul, hidrogenul și azotul. Ele reprezintă aproape 98% din compoziția totală a celulei. Al doilea grup include potasiu, sodiu, calciu, sulf, fosfor, magneziu, fier, clor. Conținutul lor în celulă este de zecimi și sutimi de procent. Elementele acestor două grupe sunt clasificate ca macronutrienti(din greaca macro- mare).
Elementele rămase, reprezentate în celulă prin sutimi și miimi de procent, sunt incluse în a treia grupă. Acest microelemente(din greaca micro- mic).
În celulă nu au fost găsite elemente unice pentru natura vie. Toate elementele chimice enumerate fac, de asemenea, parte din natura neînsuflețită. Aceasta indică unitatea naturii vie și neînsuflețite.
O deficiență a oricărui element poate duce la îmbolnăvire și chiar la moartea corpului, deoarece fiecare element joacă un rol specific. Macroelementele din primul grup formează baza biopolimerilor - proteine, carbohidrați, acizi nucleici, precum și lipide, fără de care viața este imposibilă. Sulful face parte din unele proteine, fosforul face parte din acizii nucleici, fierul face parte din hemoglobina, iar magneziul face parte din clorofila. Calciul joacă un rol important în metabolism.
Unele dintre elementele chimice conținute în celulă fac parte din substanțe anorganice - săruri minerale și apă.
Săruri minerale se găsesc în celulă, de regulă, sub formă de cationi (K +, Na +, Ca 2+, Mg 2+) și anioni (HPO 2-/4, H 2 PO -/4, CI -, HCO 3), al cărui raport determină aciditatea mediului, care este importantă pentru viața celulelor.
(În multe celule, mediul este ușor alcalin și pH-ul său aproape nu se schimbă, deoarece un anumit raport de cationi și anioni este menținut în mod constant în el.)
Dintre substanțele anorganice din natura vie, joacă un rol imens apă.
Fără apă, viața este imposibilă. El constituie o masă semnificativă a majorității celulelor. Multă apă este conținută în celulele creierului și în embrionii umani: mai mult de 80% apă; în celulele țesutului adipos – doar 40,% La bătrânețe, conținutul de apă din celule scade. O persoană care a pierdut 20% din apă moare.
Proprietățile unice ale apei determină rolul acesteia în organism. Este implicat în termoreglare, care se datorează capacității mari de căldură a apei - consumul unei cantități mari de energie la încălzire. Ce determină capacitatea mare de căldură a apei?
Într-o moleculă de apă, un atom de oxigen este legat covalent de doi atomi de hidrogen. Molecula de apă este polară deoarece atomul de oxigen are o sarcină parțial negativă, iar fiecare dintre cei doi atomi de hidrogen are
Sarcină parțial pozitivă. Se formează o legătură de hidrogen între atomul de oxigen al unei molecule de apă și atomul de hidrogen al altei molecule. Legăturile de hidrogen asigură conexiunea unui număr mare de molecule de apă. Când apa este încălzită, o parte semnificativă a energiei este cheltuită pentru ruperea legăturilor de hidrogen, ceea ce determină capacitatea sa ridicată de căldură.
apa - solvent bun. Datorită polarității lor, moleculele sale interacționează cu ionii încărcați pozitiv și negativ, favorizând astfel dizolvarea substanței. În raport cu apa, toate substanțele celulare sunt împărțite în hidrofile și hidrofobe.
Hidrofil(din greaca hidro- apa si filleo- dragoste) se numesc substante care se dizolva in apa. Acestea includ compuși ionici (de exemplu, săruri) și unii compuși neionici (de exemplu, zaharuri).
Hidrofob(din greaca hidro- apa si Fobos- frica) sunt substante care sunt insolubile in apa. Acestea includ, de exemplu, lipidele.
Apa joacă un rol important în reacțiile chimice care au loc în celulă în soluții apoase. Dizolvă produsele metabolice de care organismul nu are nevoie și, prin urmare, promovează eliminarea lor din organism. Conținutul mare de apă din celulă îl dă elasticitate. Apa promovează mișcarea diverse substanțeîn interiorul unei celule sau de la celulă la celulă.
Corpurile naturii vii și neînsuflețite constau din aceleași elemente chimice. Organismele vii conțin substanțe anorganice - apă și săruri minerale. Numeroasele funcții vitale ale apei într-o celulă sunt determinate de caracteristicile moleculelor sale: polaritatea lor, capacitatea de a forma legături de hidrogen.
COMPONENTE ANORGANICE ALE CELULEI
Aproximativ 90 de elemente se găsesc în celulele organismelor vii, iar aproximativ 25 dintre ele se găsesc în aproape toate celulele. Pe baza conținutului lor în celulă, elementele chimice sunt împărțite în trei grupe mari: macroelemente (99%), microelementele (1%), ultramicroelementele (mai puțin de 0,001%).
Macroelementele includ oxigen, carbon, hidrogen, fosfor, potasiu, sulf, clor, calciu, magneziu, sodiu, fier.
Microelementele includ mangan, cupru, zinc, iod, fluor.
Ultramicroelementele includ argint, aur, brom și seleniu.
| ELEMENTE | CONȚINUT ÎN CORP (%) | SEMNIFICAȚIA BIOLOGICĂ |
| Macronutrienti: | ||
| O.C.H.N. | 62-3 | Conține toată materia organică din celule, apă |
| Fosforul R | 1,0 | Ele fac parte din acizii nucleici, ATP (formează legături de înaltă energie), enzime, țesutul osos și smalțul dinților. |
| Calciu Ca +2 | 2,5 | La plante face parte din membrana celulară, la animale - în compoziția oaselor și a dinților, activează coagularea sângelui |
| Microelemente: | 1-0,01 | |
| Sulful S | 0,25 | Conține proteine, vitamine și enzime |
| Potasiu K+ | 0,25 | Provoacă conducerea impulsurilor nervoase; activator al enzimelor de sinteză a proteinelor, procesele de fotosinteză, creșterea plantelor |
| Clor CI - | 0,2 | Este o componentă a sucului gastric sub formă de acid clorhidric, activează enzimele |
| Na+ de sodiu | 0,1 | Asigură conducerea impulsurilor nervoase, menține presiunea osmotică în celulă, stimulează sinteza hormonilor |
| Magneziu Mg +2 | 0,07 | O parte din molecula de clorofilă, care se găsește în oase și dinți, activează sinteza ADN-ului și metabolismul energetic |
| Iod I - | 0,1 | O parte a hormonului tiroidian - tiroxina, afectează metabolismul |
| Fier Fe+3 | 0,01 | Face parte din hemoglobina, mioglobina, cristalinul și corneea ochiului, un activator enzimatic și este implicat în sinteza clorofilei. Oferă transportul oxigenului către țesuturi și organe |
| Ultramicroelemente: | mai puțin de 0,01, urme | |
| Cupru Si +2 | Participă la procesele de hematopoieză, fotosinteză, catalizează procesele oxidative intracelulare | |
| Mangan Mn | Crește productivitatea plantelor, activează procesul de fotosinteză, afectează procesele hematopoietice | |
| Bor V | Afectează procesele de creștere a plantelor | |
| Fluor F | Face parte din smalțul dentar, dacă există o deficiență, se dezvoltă carie; | |
| Substante: | ||
| N 2 0 | 60-98 | Alcătuiește mediul intern al corpului, participă la procesele de hidroliză și structurează celula. Solvent universal, catalizator, participant la reacții chimice |
COMPONENTELE ORGANICE ALE CELULELE
| SUBSTANȚE | STRUCTURA SI PROPRIETATI | FUNCȚII |
| Lipidele | ||
| Esteri ai acizilor grași superiori și ai glicerolului. Compoziția fosfolipidelor include în plus reziduul H3PO4. Acestea au proprietăți hidrofobe sau hidrofil-hidrofobe și intensitate energetică ridicată | Constructii- formează stratul bilipid al tuturor membranelor. Energie. Termoregulator. De protecţie. hormonal(corticosteroizi, hormoni sexuali). Componente vitaminele D, E. Sursă de apă în organism nutrient |
|
| Carbohidrați | ||
| Monozaharide: glucoză, fructoză, riboza, dezoxiriboză |
Foarte solubil în apă | Energie |
| dizaharide: zaharoza, maltoză (zahăr de malț) |
Solubil în apă | Componente ADN, ARN, ATP |
| Polizaharide: amidon, glicogen, celuloză |
Puțin solubil sau insolubil în apă | Nutrient de rezervă. Construcție - învelișul unei celule vegetale |
| Veverițe | Polimeri. Monomeri - 20 de aminoacizi. | Enzimele sunt biocatalizatori. |
| Structura I este secvența de aminoacizi din lanțul polipeptidic. Legătură - peptidă - CO-NH- | Construcție - fac parte din structurile membranare, ribozomii. | |
| structura II - o-helix, legătură - hidrogen | Motorii (proteine musculare contractile). | |
| III structura - configuratie spatiala o-spirale (globul). Legături - ionice, covalente, hidrofobe, hidrogen | Transport (hemoglobina). Protectoare (anticorpi de reglare (hormoni, insulina). | |
| Structura IV nu este caracteristică tuturor proteinelor. Conectarea mai multor lanțuri polipeptidice într-o singură suprastructură. Puțin solubil în apă. Acțiunea temperaturilor ridicate, a acizilor concentrați și alcalinelor, a sărurilor metalelor grele provoacă denaturarea | ||
| Acizi nucleici: | Biopolimeri. Format din nucleotide | |
| ADN-ul este acid dezoxiribonucleic. | Compoziția nucleotidelor: dezoxiriboză, baze azotate - adenină, guanină, citozină, timină, reziduu de H 3 PO 4. Complementaritatea bazelor azotate A = T, G = C. Helix dublu. Capabil să se autodubleze | Ele formează cromozomi. Stocarea și transmiterea informațiilor ereditare, cod genetic. Biosinteza ARN și a proteinelor. Codifică structura primară a unei proteine. Conținut în nucleu, mitocondrii, plastide |
| ARN este acid ribonucleic. | Compoziția nucleotidelor: riboză, baze azotate - adenină, guanină, citozină, uracil, reziduu H 3 PO 4 Complementaritatea bazelor azotate A = U, G = C. Un lanț | |
| ARN mesager | Transferul de informații despre structura primară a proteinei, participă la biosinteza proteinelor | |
| ARN ribozomal | Construiește corpul ribozomului | |
| Transfer ARN | Codifică și transportă aminoacizi la locul sintezei proteinelor - ribozomi | |
| ARN și ADN viral | Aparatul genetic al virusurilor | |
Enzime.
Cea mai importantă funcție a proteinelor este catalitică. Se numesc molecule de proteine care cresc viteza reacțiilor chimice într-o celulă cu câteva ordine de mărime enzime. Nu are loc un singur proces biochimic în organism fără participarea enzimelor.
În prezent, au fost descoperite peste 2000 de enzime. Eficiența lor este de multe ori mai mare decât eficiența catalizatorilor anorganici utilizați în producție. Astfel, 1 mg de fier din enzima catalază înlocuiește 10 tone de fier anorganic. Catalaza crește viteza de descompunere a peroxidului de hidrogen (H 2 O 2) de 10 11 ori. Enzima care catalizează reacţia de formare a acidului carbonic (CO 2 + H 2 O = H 2 CO 3) accelerează reacţia de 10 7 ori.
O proprietate importantă a enzimelor este specificitatea acțiunii lor, fiecare enzimă catalizează doar una sau un grup mic de reacții similare.
Substanța asupra căreia acționează enzima se numește substrat. Structurile moleculelor de enzimă și substrat trebuie să se potrivească exact între ele. Aceasta explică specificitatea acțiunii enzimelor. Atunci când un substrat este combinat cu o enzimă, structura spațială a enzimei se modifică.
Secvența interacțiunii dintre enzimă și substrat poate fi descrisă schematic:
Substrat+Enzimă - Complex enzimă-substrat - Enzimă+Produs.
Diagrama arată că substratul se combină cu enzima pentru a forma un complex enzimă-substrat. În acest caz, substratul este transformat într-o substanță nouă - un produs. În etapa finală, enzima este eliberată din produs și interacționează din nou cu o altă moleculă de substrat.
Enzimele funcționează numai la o anumită temperatură, concentrație de substanțe și aciditate a mediului. Condițiile în schimbare duce la modificări ale structurii terțiare și cuaternare a moleculei proteice și, în consecință, la suprimarea activității enzimatice. Cum se întâmplă asta? Doar o anumită parte a moleculei de enzimă, numită centru activ. Centrul activ conține de la 3 la 12 reziduuri de aminoacizi și se formează ca urmare a îndoirii lanțului polipeptidic.
Sub influența diverșilor factori, structura moleculei de enzimă se modifică. În acest caz, configurația spațială a centrului activ este perturbată, iar enzima își pierde activitatea.
Enzimele sunt proteine care acționează ca catalizatori biologici. Datorită enzimelor, viteza reacțiilor chimice în celule crește cu câteva ordine de mărime. O proprietate importantă a enzimelor este specificitatea lor de acțiune în anumite condiții.
Acizi nucleici.
Acizii nucleici au fost descoperiți în a doua jumătate a secolului al XIX-lea. Biochimistul elvețian F. Miescher, care a izolat din nucleele celulare o substanță cu un conținut ridicat de azot și fosfor și a numit-o „nucleină” (din lat. miez- miez).
Acizii nucleici stochează informații ereditare despre structura și funcționarea fiecărei celule și a tuturor ființelor vii de pe Pământ. Există două tipuri de acizi nucleici - ADN (acid dezoxiribonucleic) și ARN (acid ribonucleic). Acizii nucleici, ca și proteinele, sunt specifici unei specii, adică organismele fiecărei specii au propriul lor tip de ADN. Pentru a afla motivele specificității speciilor, luați în considerare structura acizilor nucleici.
Moleculele de acid nucleic sunt lanțuri foarte lungi formate din multe sute și chiar milioane de nucleotide. Orice acid nucleic conține doar patru tipuri de nucleotide. Funcțiile moleculelor de acid nucleic depind de structura lor, de nucleotidele pe care le conțin, de numărul lor în lanț și de secvența compusului din moleculă.
Fiecare nucleotidă constă din trei componente: o bază azotată, un carbohidrat și un acid fosforic. Fiecare nucleotidă ADN conține unul dintre cele patru tipuri de baze azotate (adenină - A, timină - T, guanină - G sau citozină - C), precum și carbon dezoxiriboză și un reziduu de acid fosforic.
Astfel, nucleotidele ADN diferă doar prin tipul bazei azotate.
Molecula de ADN este formată dintr-un număr mare de nucleotide conectate într-un lanț într-o anumită secvență. Fiecare tip de moleculă de ADN are propriul său număr și secvență de nucleotide.
Moleculele de ADN sunt foarte lungi. De exemplu, pentru a nota secvența de nucleotide din moleculele de ADN dintr-o celulă umană (46 de cromozomi) în litere ar fi nevoie de o carte de aproximativ 820.000 de pagini. Alternarea a patru tipuri de nucleotide poate forma un număr infinit de variante de molecule de ADN. Aceste caracteristici structurale ale moleculelor de ADN le permit să stocheze o cantitate imensă de informații despre toate caracteristicile organismelor.
În 1953, biologul american J. Watson și fizicianul englez F. Crick au creat un model al structurii moleculei de ADN. Oamenii de știință au descoperit că fiecare moleculă de ADN este formată din două lanțuri, interconectate și răsucite spiralat. Arată ca un dublu helix. În fiecare lanț, patru tipuri de nucleotide alternează într-o secvență specifică.
Compoziția de nucleotide a ADN-ului variază între diferite tipuri bacterii, ciuperci, plante, animale. Dar nu se schimbă cu vârsta și depinde puțin de schimbările de mediu. Nucleotidele sunt pereche, adică numărul de nucleotide de adenină din orice moleculă de ADN este egal cu numărul de nucleotide de timidină (A-T), iar numărul de nucleotide de citozină este egal cu numărul de nucleotide de guanină (C-G). Acest lucru se datorează faptului că legătura a două lanțuri unul cu celălalt într-o moleculă de ADN este supusă unei anumite reguli, și anume: adenina dintr-un lanț este întotdeauna conectată prin două legături de hidrogen numai cu timina din celălalt lanț și guanina - prin trei legături de hidrogen cu citozina, adică lanțurile de nucleotide ale unei molecule de ADN sunt complementare, completându-se reciproc.
Moleculele de acid nucleic - ADN și ARN - sunt formate din nucleotide. Nucleotidele ADN includ o bază azotată (A, T, G, C), carbohidratul dezoxiriboză și un rest de moleculă de acid fosforic. Molecula de ADN este o dublă helix, constând din două lanțuri legate prin legături de hidrogen conform principiului complementarității. Funcția ADN-ului este de a stoca informații ereditare.
Celulele tuturor organismelor conțin molecule de ATP - acid adenozin trifosforic. ATP este o substanță celulară universală, a cărei moleculă are legături bogate în energie. Molecula ATP este o nucleotidă unică, care, ca și alte nucleotide, constă din trei componente: o bază azotată - adenină, un carbohidrat - riboză, dar în loc de una conține trei resturi de molecule de acid fosforic (Fig. 12). Conexiunile indicate în figură cu o pictogramă sunt bogate în energie și sunt numite macroergice. Fiecare moleculă de ATP conține două legături de înaltă energie.
Când o legătură de înaltă energie este ruptă și o moleculă de acid fosforic este îndepărtată cu ajutorul enzimelor, se eliberează 40 kJ/mol de energie, iar ATP este transformat în ADP - acid adenozin difosforic. Când o altă moleculă de acid fosforic este îndepărtată, se eliberează încă 40 kJ/mol; Se formează AMP - acid adenozin monofosforic. Aceste reacții sunt reversibile, adică AMP poate fi transformat în ADP, ADP în ATP.
Moleculele de ATP nu sunt doar descompuse, ci și sintetizate, astfel încât conținutul lor în celulă este relativ constant. Importanța ATP-ului în viața unei celule este enormă. Aceste molecule joacă un rol principal în metabolismul energetic necesar pentru a asigura viața celulei și a organismului în ansamblu.
Orez. 12. Schema structurii ATP.| adenina - |
O moleculă de ARN este de obicei o singură catenă, constând din patru tipuri de nucleotide - A, U, G, C. Sunt cunoscute trei tipuri principale de ARN: ARNm, ARNr, ARNt. Conținutul de molecule de ARN dintr-o celulă nu este constant, ele participă la biosinteza proteinelor. ATP este o substanță energetică universală a celulei, care conține legături bogate în energie. ATP joacă un rol central în metabolismul energetic celular. ARN și ATP se găsesc atât în nucleul, cât și în citoplasma celulei.
Sarcini și teste pe tema „Tema 4. „Compoziția chimică a celulei”.
- polimer, monomer;
- carbohidrat, monozaharid, dizaharid, polizaharid;
- lipide, acizi grași, glicerol;
- aminoacid, legătură peptidică, proteină;
- catalizator, enzimă, situs activ;
- acid nucleic, nucleotidă.
Algoritm pentru rezolvarea problemelor.
Tipul 1. Autocopierea ADN-ului.
Unul dintre lanțurile de ADN are următoarea secvență de nucleotide:
AGTACCGATACCGATTTACCG...
Ce secvență de nucleotide are al doilea lanț al aceleiași molecule?
Pentru a scrie secvența de nucleotide a celei de-a doua catene a unei molecule de ADN, când este cunoscută secvența primei catene, este suficient să înlocuiți timina cu adenină, adenina cu timină, guanina cu citozină și citozina cu guanină. După ce am făcut această înlocuire, obținem secvența:
TATTGGGCTATGAGCTAAAATG...
Tip 2. Codificarea proteinelor.
Lanțul de aminoacizi a proteinei ribonuclează are următorul început: lizină-glutamină-treonină-alanină-alanină-alanină-lizină...
Cu ce secvență de nucleotide începe gena corespunzătoare acestei proteine?
Pentru a face acest lucru, utilizați tabelul de coduri genetice. Pentru fiecare aminoacid, găsim codul său sub forma triplu-ului corespunzător de nucleotide și îl notăm. Prin aranjarea acestor triplete unul după altul în aceeași ordine cu aminoacizii corespunzători, obținem formula pentru structura unei secțiuni de ARN mesager. De regulă, există mai multe astfel de tripleți, alegerea se face în funcție de decizia dvs. (dar este luat doar unul dintre tripleți). În consecință, pot exista mai multe soluții.
ААААААААЦУГЦГГЦУГЦГАAG
Cu ce secvență de aminoacizi începe o proteină dacă este codificată de următoarea secvență de nucleotide:
ACGGCCATGCCCGGT...
Folosind principiul complementarității, găsim structura unei secțiuni de ARN mesager format pe un anumit segment al unei molecule de ADN:
UGGGGGUACGGGGCA...
Apoi ne întoarcem la tabelul codului genetic și pentru fiecare triplă de nucleotide, pornind de la prima, găsim și scriem aminoacidul corespunzător:
Cisteina-glicina-tirozina-arginina-prolina-...
Ivanova T.V., Kalinova G.S., Myagkova A.N. „Biologie generală”. Moscova, „Iluminismul”, 2000
- Subiectul 4." Compoziția chimică celule.” §2-§7 p. 7-21
- Subiectul 5. „Fotosinteza”. §16-17 p. 44-48
- Subiectul 6. „Respirația celulară”. §12-13 p. 34-38
- Subiectul 7." Informații genetice„§14-15 p. 39-44
Rolul biologic al elementelor chimice în organismele vii
1. Macro și microelemente din mediu și corpul uman
Rolul biologic al elementelor chimice în corpul uman este extrem de divers.
Funcția principală a macroelementelor este de a construi țesuturi, de a menține presiunea osmotică constantă, compoziția ionică și acido-bazică.
Microelementele, facand parte din enzime, hormoni, vitamine, substante biologic active ca agenti de complexare sau activatori, sunt implicate in metabolism, procesele de reproducere, respiratia tesuturilor si neutralizarea substantelor toxice. Microelementele influențează activ procesele de hematopoieză, oxidare - reducere, permeabilitatea vaselor de sânge și a țesuturilor. Macro și microelemente - calciu, fosfor, fluor, iod, aluminiu, siliciu determină formarea țesuturilor osoase și dentare.
Există dovezi că conținutul unor elemente din corpul uman se modifică odată cu vârsta. Astfel, conținutul de cadmiu în rinichi și molibden în ficat crește odată cu înaintarea în vârstă. Conținutul maxim de zinc se observă în perioada pubertății, apoi scade și atinge un minim la bătrânețe. Conținutul de alte microelemente, precum vanadiu și crom, scade și el odată cu vârsta.
Au fost identificate multe boli asociate cu deficiența sau acumularea excesivă a diferitelor microelemente. Deficitul de fluor provoacă carii dentare, deficitul de iod provoacă gușă endemică, iar excesul de molibden provoacă gută endemică. Aceste tipuri de modele sunt asociate cu faptul că corpul uman menține un echilibru al concentrațiilor optime de nutrienți - homeostazia chimică. Perturbarea acestui echilibru din cauza deficienței sau excesului de element poate duce la diferite boli.
Pe lângă cele șase macroelemente principale - organogeni - carbon, hidrogen, azot, oxigen, sulf și fosfor, care alcătuiesc carbohidrați, grăsimi, proteine și acizi nucleici, macroelemente "anorganice" - calciu, clor, magneziu, potasiu, sodiu - și oligoelemente - cupru, fluor, iod, fier, molibden, zinc și, eventual, (dovedit pentru animale), seleniu, arsen, crom, nichel, siliciu, staniu, vanadiu.
Lipsa unor elemente precum fier, cupru, fluor, zinc, iod, calciu, fosfor, magneziu și unele altele din dietă duce la consecințe grave asupra sănătății umane.
Cu toate acestea, trebuie amintit că nu numai o deficiență, ci și un exces de nutrienți sunt dăunătoare pentru organism, deoarece homeostazia chimică este perturbată. De exemplu, atunci când excesul de mangan este consumat cu alimente, nivelul de cupru din plasmă crește (sinergismul Mn și Cu), iar în rinichi scade (antagonism). O creștere a conținutului de molibden din alimente duce la o creștere a cantității de cupru din ficat. Excesul de zinc în alimente determină inhibarea activității enzimelor care conțin fier (antagonismul Zn și Fe).
Componentele minerale, care sunt vitale în cantități neglijabile, devin toxice la concentrații mai mari.
O serie de elemente (argint, mercur, plumb, cadmiu etc.) sunt considerate toxice, deoarece intrarea lor în organism chiar și în microcantități duce la fenomene patologice severe. Mecanismul chimic al efectelor toxice ale unor oligoelemente va fi discutat mai jos.
Elementele biogene sunt utilizate pe scară largă în agricultură. Adăugarea în sol a unor cantități mici de microelemente - bor, cupru, mangan, zinc, cobalt, molibden - crește dramatic randamentul multor culturi. Se dovedește că microelementele, prin creșterea activității enzimelor din plante, favorizează sinteza proteinelor, vitaminelor, acizilor nucleici, zaharurilor și amidonului. Unele dintre elementele chimice au un efect pozitiv asupra fotosintezei, accelerează creșterea și dezvoltarea plantelor și coacerea semințelor. Microelementele sunt adăugate în hrana animalelor pentru a le crește productivitatea.
Folosit pe scară largă diverse elementeși compușii lor ca medicamente.
Astfel, studierea rolului biologic al elementelor chimice, elucidarea relației dintre schimbul acestor elemente și alte substanțe biologic active - enzime, hormoni, vitamine contribuie la crearea de noi medicamente si dezvoltare moduri optime dozarea acestora atât în scop terapeutic, cât și profilactic.
Baza studierii proprietăților elementelor și, în special, a rolului lor biologic este legea periodică a D.I. Mendeleev. Proprietăți fizico-chimice, și, în consecință, rolul lor fiziologic și patologic, sunt determinate de poziția acestor elemente în tabelul periodic al D.I. Mendeleev.
De regulă, odată cu creșterea sarcinii nucleare a atomilor, toxicitatea elementelor unui grup dat crește și conținutul lor în organism scade. Scăderea conținutului se datorează, evident, faptului că multe elemente de perioade lungi, datorită razelor atomice și ionice mari, încărcăturii nucleare mari, complexității configurațiilor electronice și solubilității scăzute a compușilor, sunt slab absorbite de organismele vii. Corpul conține elemente ușoare în cantități semnificative.
Macroelementele includ elementele s din prima (hidrogen), a treia (sodiu, magneziu) și a patra (potasiu, calciu), precum și elementele p din a doua (carbon, azot, oxigen) și a treia (fosfor, sulf, clor) perioade. Toate sunt vitale. Majoritatea elementelor s- și p rămase din primele trei perioade (Li, B, Al, F) sunt active fiziologic, elementele s- și p ale perioadelor mai lungi (n>4) rareori acționează ca esențiale. Excepție fac elementele s - potasiu, calciu, iod. Unele elemente s- și p din perioadele a patra și a cincea - stronțiu, arsen, seleniu, brom - sunt clasificate ca active fiziologic.
Dintre elementele d, sunt vitale în principal elementele perioadei a patra: mangan, fier, zinc, cupru, cobalt. Recent, s-a stabilit că rolul fiziologic al altor elemente d din această perioadă este incontestabil: titan, crom, vanadiu.
d-Elementele din perioada a cincea și a șasea, cu excepția molibdenului, nu prezintă activitate fiziologică pozitivă pronunțată. Molibdenul face parte dintr-un număr de enzime redox (de exemplu, oxid de xantină, aldehidă oxidază) și joacă un rol important în cursul proceselor biochimice.
2. Aspecte generale ale toxicității metalelor grele pentru organismele vii
Un studiu cuprinzător al problemelor asociate cu evaluarea stării mediu natural arată că este foarte dificil să se traseze o graniță clară între factorii naturali și antropici ai schimbării sistemelor ecologice. Ultimele decenii ne-au convins de acest lucru. că impactul uman asupra naturii nu numai că îi cauzează daune directe, ușor de identificat, ci provoacă și o serie de procese noi, adesea ascunse, care transformă sau distrug mediul înconjurător. Procesele naturale și antropice din biosferă sunt într-o relație complexă și interdependență. Astfel, cursul transformărilor chimice care conduc la formarea de substanțe toxice este influențat de climă, starea solului, apă, aer, nivelul de radioactivitate etc. În condițiile actuale, la studierea proceselor de poluare chimică a ecosistemelor, se pune problema găsirii naturale, în principal din cauza factorilor naturali, a nivelurilor de conținut ale anumitor elemente chimice sau compuși. Rezolvarea acestei probleme este posibilă numai pe baza observațiilor sistematice pe termen lung ale stării componentelor biosferei, conținutului diferitelor substanțe din acestea, adică pe baza monitorizării mediului.
Poluarea mediului cu metale grele este direct legată de monitorizarea analitică a mediului a supertoxicanților, deoarece multe dintre ele prezintă o toxicitate ridicată chiar și în urme și sunt capabile să se concentreze în organismele vii.
Principalele surse de poluare a mediului natural cu metale grele pot fi împărțite în naturale (naturale) și artificiale (antropice). Evenimentele naturale includ erupții vulcanice, furtuni de praf, incendii de pădure și de stepă, săruri de mare, ridicat de vânt, vegetație etc. Sursele naturale de poluare sunt fie sistematice, uniforme, fie spontane pe termen scurt și, de regulă, au un efect redus asupra nivelului general de poluare. Principalele și cele mai periculoase surse de poluare a naturii cu metale grele sunt antropice.
În procesul de studiu a chimiei metalelor și a ciclurilor lor biochimice în biosferă, se dezvăluie rolul dublu pe care acestea îl joacă în fiziologie: pe de o parte, majoritatea metalelor sunt necesare pentru cursul normal al vieții; pe de altă parte, la concentrații ridicate prezintă toxicitate ridicată, adică au un efect dăunător asupra stării și activității organismelor vii. Limita dintre concentrațiile necesare și cele toxice ale elementelor este foarte vagă, ceea ce face dificilă evaluarea fiabilă a impactului acestora asupra mediului. Cantitatea la care unele metale devin cu adevărat periculoase depinde nu numai de gradul de contaminare a ecosistemelor de către acestea, ci și de caracteristicile chimice ale ciclului lor biochimic. În tabel Tabelul 1 prezintă seria de toxicitate molară a metalelor pentru diferite tipuri de organisme vii.
Tabelul 1. Secvența reprezentativă a toxicității molare a metalelor
Organisme Seria de toxicitate AlgeНg>Сu>Сd>Fe>Сr>Zn>Со>Мn FungiАg>Нg>Сu>Сd>Сr>Ni>Рb>Со>Zn>FePlante cu floriHg>Рb>Сu>Annel>Ni>Zn>Zn >Сu >Zn > Pb> CdFishAg>Hg>Cu>Pb>Cd>Al>Zn>Ni>Cr>Co >Mn>>SrMammalsAg, Hg, Cd> Cu, Pb, Sn, Be>> Mn, Zn, Ni , Fe , Сr >> Sr >Сs, Li, Al
Pentru fiecare tip de organism, ordinea metalelor în rândurile tabelului de la stânga la dreapta reflectă creșterea cantității molare de metal necesare pentru a produce efectul toxic. Valoarea molară minimă se referă la metalul cu cea mai mare toxicitate.
V.V. Kowalski, pe baza semnificației lor pentru viață, a împărțit elementele chimice în trei grupuri:
Elemente vitale (de neînlocuit) conținute constant în organism (parte a enzimelor, hormonilor și vitaminelor): H, O, Ca, N, K, P, Na, S, Mg, Cl, C, I, Mn, Cu, Co, Fe, Mo, V. Deficiența lor duce la perturbarea funcționării normale a oamenilor și animalelor.
Tabelul 2. Caracteristicile unor metaloenzime – complexe bioanorganice
Enzimă metalică Atom central Mediul ligand Obiectul de concentrare Acțiunea enzimatică Anhidraza carbonică Zn (II) Reziduuri de aminoacizi Globule roșii Catalizează hidratarea reversibilă a dioxidului de carbon: CO 2+H 2O↔H 2CO 3↔H ++TVA 3Carbosky peptidaza Zn (II) Reziduuri de aminoacizi Pancreas, ficat, intestine Catalizează digestia proteinelor, participă la hidroliza legăturii peptidice: R 1CO-NH-R 2+H 2O↔R 1-COOH+R 2N.H. 2CatalazaFe (III)Reziduuri de aminoacizi, histidină, tirozinăSângeCatalizează reacția de descompunere a peroxidului de hidrogen: 2H 2DESPRE 2= 2H 2O + O 2PeroxidazaFe(III)ProteineTesuturi, sange Oxidarea substraturilor (RH 2) peroxid de hidrogen: RH 2+H 2O 2= R + 2H 2OxireductazăCu(II)Reziduuri de aminoaciziInimă, ficat, rinichiCatalizează oxidarea folosind oxigen molecular: 2H 2R+O 2= 2R + 2H 2O Piruvat carboxilază Mn (II) Proteine tisulare Ficat, glanda tiroidă Îmbunătățește efectele hormonilor. Catalizează procesul de carboxilare cu acid piruvic Aldehid oxidaza Mo (VI) Proteine tisulare Ficat Participa la oxidarea aldehidelor Ribonucleotid reductază Co (II) Proteine tisulare Ficat Participa la biosinteza acizilor ribonucleici Astfel, ca răspuns la acțiunea ionilor toxici de plumb, mercur, cadmiu etc., ficatul și rinichii umani cresc sinteza metalotioneinelor - proteine cu greutate moleculară mică, în care aproximativ 1/3 din reziduurile de aminoacizi sunt cisteină. . Conținutul ridicat și aranjamentul specific al grupărilor sulfhidril SH oferă posibilitatea unei legături puternice a ionilor metalici. Mecanismele de toxicitate ale metalelor sunt în general bine cunoscute, dar este foarte greu de găsit pentru orice metal anume. Unul dintre aceste mecanisme este concentrarea dintre metalele esențiale și cele toxice datorită prezenței situsurilor de legare în proteine, deoarece ionii de metal stabilizează și activează multe proteine, făcând parte din multe sisteme enzimatice. În plus, multe macromolecule proteice au grupări sulfhidril libere care pot interacționa cu ionii metalici toxici precum cadmiul, plumbul și mercurul, rezultând efecte toxice. Cu toate acestea, nu s-a stabilit exact care macromolecule dăunează unui organism viu. Manifestarea toxicității ionilor metalici în diferite organe și țesuturi nu este întotdeauna asociată cu nivelul de acumulare a acestora - nu există nicio garanție că cea mai mare afectare are loc în acea parte a corpului în care concentrația. a acestui metal superior. Deci ionii de plumb (II), fiind mai mult de 90% din numărul total in organismul imobilizat in oase prezinta toxicitate datorita distribuita in proportie de 10% in alte tesuturi ale corpului. Imobilizarea ionilor de plumb în oase poate fi considerată un proces de detoxifiere. Toxicitatea unui ion metalic nu este de obicei legată de nevoia acestuia pentru organism. Cu toate acestea, toxicitatea și necesitatea au un lucru în comun: de regulă, există o relație între ionii metalici unul de altul, precum și între ionii metalici și nemetalici, în contribuția lor generală la eficacitatea acțiunii lor. De exemplu, toxicitatea cadmiului este mai pronunțată într-un sistem cu deficit de zinc, iar toxicitatea plumbului este agravată de un deficit de calciu. În mod similar, adsorbția fierului din alimentele vegetale este inhibată de liganzii de complexare prezenți în acesta, iar ionii de zinc în exces pot inhiba adsorbția cuprului etc. Determinarea mecanismelor de toxicitate a ionilor metalici este adesea complicată de existența diferitelor căi de pătrundere a acestora într-un organism viu. Metalele pot pătrunde cu alimente, apă, pot fi absorbite prin piele, pot pătrunde prin inhalare etc. Absorbția cu praf este principala cale de pătrundere în timpul poluării industriale. Ca urmare a inhalării, majoritatea metalelor se depun în plămâni și abia apoi se răspândesc în alte organe. Dar cel mai comun mod în care metalele toxice pătrund în organism este prin alimente și apă. Bibliografie 1. Karapetyants M.Kh., Drakin S.I. Chimie generală și anorganică. - M.: Chimie, 1993. - 590 p. Akhmetov N.S. Chimie generală și anorganică. Manual pentru universități. - M.: Mai sus. şcoală, 2001. - 679 p. Drozdov D.A., Zlomanov V.P., Mazo G.N., Spiridonov F.M. Chimie anorganică. În 3 volume. T. Chimia elementelor de tranziție. / Ed. Yu.D. Tretiakov - M.: Editura. „Academie”, 2004, 368 p. 5. Tamm I.E., Tretiakov Yu.D. Chimie anorganică: În 3 volume, T.1. Bazele fizico-chimice ale chimiei anorganice. Manual pentru studenți / Ed. Yu.D. Tretiakov. - M.: Editura. „Academie”, 2004, 240 p. Korzhukov N.G. Chimie generală și anorganică. Manual Beneficia. /Ed. V.I. Delyana-M.: Editura. MISIS: INFRA-M, 2004, 512 p. Ershov Yu.A., Popkov V.A., Berlyand A.S., Knizhnik A.Z. Chimie generală. Chimie biofizică. Chimia elementelor biogene. Manual pentru universități. /Ed. Yu.A. Ershova. Ed. a III-a, - M.: Integral-Press, 2007. - 728 p. Glinka N.L. Chimie generală. Tutorial pentru universități. Ed. 30 corectat./ Ed. A.I. Ermakova. - M.: Integral-Press, 2007, - 728 p. Chernykh, M.M. Ovcharenko. Metalele grele și radionuclizi în biogeocinoze. - M.: Agroconsult, 2004. N.V. Gusakova. Chimia mediului. - Rostov-pe-Don, Phoenix, 2004. Baletskaya L.G. Chimie anorganică. - Rostov-pe-Don, Phoenix, 2005. M. Henze, P. Armoes, J. Lyakuriansen, E. Arvan. Curatenie apa reziduala. - M.: Mir, 2006. Korovin N.V. Chimie generală. - M.: Mai sus. şcoală, 1998. - 558 p. Petrova V.V. și altele. Revizuirea proprietăților elementelor chimice și a compușilor acestora. Manual pentru cursul Chimie în Microelectronică. - M.: Editura MIET, 1993. - 108 p. Kharin A.N., Kataeva N.A., Kharina L.T. Curs de chimie. - M.: Mai sus. şcoală, 1983. - 511 p.
- conversia de către ficat și rinichi într-o formă mai puțin toxică.