Химические элементы в клетках живых организмов
Содержание химических элементов в клетке
В человеческом организме обнаружено 86 химических элементов, входящих в состав Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Эти элементы условно разделяют на четыре группы:
- макроэлементы – элементы, составляющие основную массу клетки (приблизительно 98-99% в пересчете на сухую массу), среди которых углерод (C), водород (H), кислород (O) и азот (N);
- элементы, содержание которых в клетке, в пересчете на сухую массу, составляет около 1,9%. Это калий (K), натрий (Na), кальций (Ca), магний (Mg), сера (S), фосфор (P), хлор (Cl) и железо (Fe);
- элементы, содержание которых в клетке, в пересчете на сухую массу, менее 0,01% — микроэлементы. Это цинк (Zn), медь (Cu), фтор (F), йод (I), кобальт (Co), молибден (Mo) и др.
- элементы, содержание которых в клетке, в пересчете на сухую массу, менее 0,00001% — ультрамикроэлементы: золото (Au), уран (U), радий (Ra) и др.
Роль химических элементов в клетках живых организмов
Каждый элемент, входящий в состав живого организма, отвечает за выполнение определенной функции (табл. 1).
Таблица 1.Роль химических элементов в клетках живых организмов.
| Химический элемент | Вещества, в которых химический элемент содержится | Процессы, в которых химический элемент участвует |
|---|---|---|
|
Углерод, водород, кислород, азот |
Белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы и др. органические вещества |
Синтез органических веществ и весь комплекс функций, осуществляемых этими органическими веществами |
|
Калий, натрий |
Na+ и K+ |
Обеспечение функции мембран, в частности, поддержание электрического потенциала клеточной мембраны, работы Na+/Ka+ -насоса, проведение нервных импульсов, анионный, катионный и осмотический балансы |
|
Кальций |
Са+2 |
Участие в процессе свертывания крови |
|
Фосфат кальция, карбонат кальция |
Костная ткань, зубная эмаль, раковины моллюсков |
|
|
Пектат кальция |
Формирование срединной пластинки и клеточной стенки у растений |
|
|
Магний |
Хлорофилл |
Фотосинтез |
|
Сера |
Белки |
Формирование пространственной структуры белка за счет образования дисульфидных мостиков |
|
Фосфор |
Нуклеиновые кислоты, АТФ |
Синтез нуклеиновых кислот |
|
Хлор |
Cl— |
Поддержание электрического потенциала клеточной мембраны, работы Na+/Ka+-насоса, проведение нервных импульсов, анионный, катионный и осмотический балансы |
|
HCl |
Активизация пищеварительных ферментов желудочного сока |
|
|
Железо |
Гемоглобин |
Транспорт кислорода |
|
Цитохромы |
Перенос электронов при фотосинтезе и дыхании |
|
|
Марганец |
Декарбоксилазы, дегидрогеназы |
Окисление жирных кислот, участие в процессах дыхания и фотосинтеза |
|
Медь |
Гемоцианин |
Транспорт кислорода у некоторых беспозвоночных |
|
Тирозиназа |
Образование меланина |
|
|
Кобальт |
Витамин В12 |
Формирование эритроцитов |
|
Цинк |
Алькогольдегидрогеназа |
Анаэробное дыхание у растений |
|
Карбоангидраза |
Транспорт СО2 у позвоночных |
|
|
Фтор |
Фторид кальция |
Костная ткань, зубная эмаль |
|
Йод |
Тироксин |
Регуляция основного обмена |
|
Молибден |
Нитрогеназа |
Фиксация азота |
Недостаток какого-либо элемента может привести к заболеванию, и даже гибели организма, так как каждый элемент играет определенную роль. Макроэлементы первой группы составляют основу биополимеров — белков, углеводов, нуклеиновых кислот, а также липидов, без которых жизнь невозможна. Сера входит в состав некоторых белков, фосфор — в состав нуклеиновых кислот, железо — в состав гемоглобина, а магний — в состав хлорофилла. Кальций играет важную роль в обмене веществ
Часть химических элементов, содержащихся в клетке, входит в состав неорганических веществ — минеральных солей и воды. Минеральные соли находятся в клетке, как правило, в виде катионов (К+, Na+, Ca2+, Mg2+) и анионов (HPO42-, H2PO 4—, СI—, НСО3—), соотношение которых определяет важную для жизнедеятельности клеток кислотность среды, так слабощелочная среда многих клеток и ее рН почти не изменяется, потому что в ней постоянно поддерживается определенное соотношение катионов и анионов.
Вода играет большую роль в химических реакциях, протекающих в клетке в водных растворах. Она растворяет ненужные организму продукты обмена веществ и тем самым способствует выводу их из организма. Большое содержание воды в клетке придает ей упругость. Вода способствует перемещению различных веществ внутри клетки или из клетки в клетку.
Примеры решения задач
| Задание | Почему отдельные макроэлементы называют также биогенными? Перечислите их |
| Ответ | Биогенные макроэлементы — элементы, которые входят в состав органических веществ. Это углерод, водород, кислород и азот. |
| Задание | Как отразится на жизнедеятельности клетки и организма недостаток какого-либо необходимого элемента? Приведите примеры. |
| Ответ | Недостаток какого-либо микроэлемента приводит к уменьшению синтеза того органического вещества, в состав которого этот микроэлемент входит. В результате нарушаются процессы роста, обмена веществ, воспроизведения и т.д. Например, дефицит йода в пище приводит к общему падению активности организма и разрастанию щитовидной железы — эндемическому зобу. Недостаток бора вызывает отмирание верхушечных почек у растений. Нехватка селена может привести к возникновению раковых заболеваний у человека и животных. |
| Задание | Какую роль в организме человека играет калий? Какие продукты питания содержат калий? К чему приводит недостаток калия в организме человека? |
| Ответ | В организме человека калий участвует в регуляции кислотно-щелочного баланса кровяного давления, в деятельности нервной системы. Недостаток калия в организме может вызвать судороги и невралгию. При диарее, рвоте, учащенном мочеиспускании необходимо пополнять запасы калия в организме. Калий содержится в сухофруктах, бобовых, морской капусте и картофеле. |
