Биологическая роль s элементов кратко
Обновлено: 02.07.2024
Биогенные элементы. Качественное определение. Учебное пособие / Наумова И. К., Шаповалова Т. А. Ивановская ГСХА имени Д.К.Беляева. – Иваново:ИГСХА, 2016- с.
Это пособие служит дополнительным источником информации, содержащим краткую и в то же время детальную информацию по рассматриваемым в лекционном курсе темам. Нахождение в одном пособии теоретического материала и заданий для проведения лабораторного практикума позволяет быстрее и легче осваивать учебный материал по аналитической химии.
Рекомендовано студентам очной формы обучения.
Печатается на основании решения методической комиссии факультета ветеринарной медицины и биотехнологии в животноводстве. Протокол
©Наумова И. К., Шаповалова Т. А.
ВВЕДЕНИЕ
Химический анализ необходим для нормального функционирования агропромышленного комплекса (анализ состава почв, удобрений, кормов, сельскохозяйственной продукции), в биотехнологии, медицинской диагностике. Объектами химического анализа является практически все, что нас окружает. Без анализа почв, удобрений и т. д. невозможна интенсификация сельского хозяйства. Особое значение приобретает анализ почв на содержание микроэлементов и обоснованное внесение недостающих компонентов для повышения урожайности.
Элементы, которые в живых организмах содержатся постоянно и необходимы для их жизнедеятельности, участвуют в обмене веществ, входят в состав химических соединений, в том числе биологически активных. Для белкового, углеводного и жирового обмена веществ необходимы: Fе, Со, Mn, Zn, Мо, V, В, W; в синтезе белков участвуют: Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Ni, Cr, в кроветворении - Со, Ti, Cu, Mn, Ni, Zn; в дыхании - Mg, Fe, Cu, Zn, Mn и Со. Поэтому микроэлементы нашли широкое применение в медицине, в качестве микроудобрений для полевых культур, подкормки в животноводстве, птицеводстве и рыбоводстве. Микроэлементы входят в состав большого числа биорегуляторов живых систем, в основе которых лежат биокомплексы.
Исследуя новое соединение, прежде всего устанавливается из каких компонентов (или ионов) оно состоит, т.е проводят качественный анализ, который базируется на качественных реакциях отдельных компонентов.
I. Теоретическая часть
I . I . Биогенные элементы их классификация.
Понятие биогенных элементов следует начинать рассматривать с понятия биосферы. По Вернадскому, биосферой является часть земной оболочки, приспособленная к жизни, занятая живыми организмами и переработанная ими и космическими излучениями.
Л. П. Виноградов считал, что химический состав живых организмов зависит от химического состава окружающей его среды, и содержание в них химических элементов пропорционально содержанию этих элементов в среде обитания. В организмах содержатся почти все элементы, которые есть в земной коре. 99,8 % массы земной коры составляют следующие элементов: , Si, Al, Fe, Ca. Na, К, Mg, H, Ti, С, Р, N, S, Cl, F, Мn, Ва, из них кислород составляет около половины массы земной коры, кремний - примерно четверть этой массы. .
Все же некоторые элементы содержатся в живых организмах в большем количестве, чем в окружающей их среде, и это явление называется биологическим аккумулированием. Так, содержание углерода в живых организмах - 21%, а в земной коре - лишь 0,35%. Содержание некоторых других элементов, наоборот, в живых организмах понижено по сравнению с окружающей средой. Всего в составе живого вещества обнаружено более 70 элементов. В организме животных обнаружено более 60 элементов, причем 45 из них определены количественно и являются постоянными составными частями организма.
Биогенными элементами в составе живых организмов называют элементы, необходимые ему для построения и жизнедеятельности клеток и органов т.е.элементы, жизненно необходимые организму .
Существует несколько классификаций биогенных элементов. По В.И. Вернадскому, в зависимости от среднего содержания выделено 3 группы:
• макроэлементы, содержание которых в организме выше 10 -2 %; к ним относятся кислород, углерод, водород, азот, кальций, фосфор, сера, калий, натрий, хлор, магний; они составляют 99,99% живого субстрата; еще более поразительно, что 99% живых тканей содержат только шесть элементов: С, Н, О, N, P, Са; они- входят в состав белков, нуклеиновых кислот. В зависимости от функциональной роли макроэлементы делят на органогены, в организме их 97,4% (С, Н, О, N, Р, S), и элементы электролитного фона (Na, К, Са, Мg, Cl).
• микроэлементы, содержание которых в организме находится в пределах от 10 -2 до 10 -5 %; к ним относятся кремний, йод, фтор, стронций, железо, марганец, медь, цинк, рубидий, бром и др.; Микроэлементы непосредственно участвуют в построении витаминов, применяемых в качестве общеукрепляющего и общетонизирующего средства. Примером может служить витамин B12 (цианкобаламин), в структуру которого входит кобальт - 4,5%. Содержание витаминов в растениях соответствует содержанию в них того или иного микроэлемента.
• ультрамикроэлементы, содержание которых в организме ниже 10 -5 %; к ним относятся молибден, селен, титан, кобальт, цезий и др.
Благодаря таким структурам, как биогенные элементы, человек, растения, животные, грибы и бактерии могут двигаться, дышать, питаться, размножаться и вообще жить. Все они имеют свои ячейки в общей химической системе Менделеева. Биогенные элементы, составляющие основу органических соединений - белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот, различных ферментов, являющиеся лидерами биогенеза - это углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера.
Наряду с ними в процессах жизнедеятельности участвуют многие другие элементы периодической системы (тяжелые металлы, редкие, радиоактивные и др.), часто в микро- и ультрамикроколичествах. Многие из этих химических элементов избирательно накапливаются в растениях и животных, входят в состав биогенных соединений, усиливают или ослабляют физиологические процессы, участвуют в обмене веществ и энергии, при недостатке или избытке вызывают эндемические заболевания организмов и т. п.
Питание растений - сложный процесс поступления отдельных биогенных элементов из воздуха и поглощения основной массы доступных минеральных солей через корневую систему из раствора и твердой фазы почвы.
Из почвы растения получают макро- и микроэлемент основные элементы питания.
Макроэлементы:
· N – отвечает за рост растений, обеспечивает зеленую окраску, повышает урожайность.
· Р - это скорость проращивания, рост здоровых корней.
· К – качество семян и клубней, устойчивость к заморозкам.
Микроэлементы:
· Fe – участвует в образовании хлорофилла.
· В – отвечает за прорастание семян.
· Мп – прорастание семян и мощность растений.
Биогенные элементы являются необходимым условием для жизни растений, корректирование их содержания в почве является мощным способом воздействия на продуктивность сельскохозяйственных культур. Многие из этих химических элементов избирательно накапливаются в растениях и животных, входят в состав биогенных соединений, усиливают или ослабляют физиологические процессы, участвуют в обмене веществ и энергии.
I . II . Общая характеристика s- p - и d - элементов и их соединений и биологическое значение.
Биогенные элементы подразделяют на элементы: s-, p- и d-блоки.
I.II.I. Общая характеристика s-элементов
s-элементами называют химические элементы, в атомах которых заполняются электронами s-подуровень внешнего уровня,. Строение их валентного уровня ns 1-2 . К s-элементам относятся первые два элемента каждого периода, относятся элементы главной подгруппы I группы (IА группы) – водород, щелочные металлы (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr), а также элементы главной подгруппы II группы (IIA группы).
Небольшой заряд ядра, большой размер атома способствуют тому, что атомы s-элементов - типичные активные металлы; показателем этого является невысокий потенциал их ионизации. S-элементы имеющие 1 или 2 валентных электрона легко отдают их превращаясь в простые катионы. Катионы IIА группы имеют меньший радиус и больший заряд и обладают, следовательно, более высоким поляризующим действием. Большинство s-катионов бесцветны, хорошо растворимы в воде и для них не характерны окислительные свойства, практически не обладают комплексообразующей способностью, а их гидроксиды обладают основными свойствами. Соли s-элементов подвергаются гидролизу в том случае, если соль образована сильным основанием и слабой кислотой .
Биологические функции s-элементов очень разнообразны: активация ферментов, участие в процессах свертывания крови, в различных реакциях организма, связанных с изменением проницаемости мембран по отношению к ионам калия, натрия и кальция, участие в образовании мембранного потенциала, в запуске внутриклеточных процессов, таких, как обмен веществ, рост, развитие, сокращение, деление и секреция, перенос информации. Чувствительность клеток к данным ионам обеспечивается разностью их содержания вне и внутри клетки, градиентом концентрации (ионной асимметрией). Старение - понижение градиента концентрации, смерть - выравнивание концентрации вне и внутри клетки. Градиент концентрации регулируется связыванием свободных ионов клетки специфическими белками.
I.II.II. Общая характеристика р-элементов
р-элементами называют элементы, у которых происходит достройка р-подуровня внешнего валентного уровня, они образуют главные подгруппы. Электронное строение валентного уровня ns 2 р 1-6 . Валентными являются электроны s- и р-подуровней. Валентными электронами у них могут быть не только электроны внешнего слоя (ns-электроны), но и предвнешнего слоя ((n–1)d-электроны). Отдавая эти электроны они могут образовывать простые катионы (AI +3 , Sn +2 , Pb +2 и т.д.) и сложные анионы, где элементы имеют разные степени окисления (SO3 -2 , NO2 - ). Принимая электроны р-элементы образуют простые анионы (CI - , S- 2 , Br - и т.д.). Ионы р-элементов образуют малорастворимые, часто окрашенные соединения, являются хорошими комплексообразователями.
Основным является сессионный cookie, обычно называемый MoodleSession. Вы должны разрешить использование этого файла cookie в своем браузере, чтобы обеспечить непрерывность и оставаться в системе при просмотре сайта. Когда вы выходите из системы или закрываете браузер, этот файл cookie уничтожается (в вашем браузере и на сервере).
Другой файл cookie предназначен исключительно для удобства, его обычно называют MOODLEID или аналогичным. Он просто запоминает ваше имя пользователя в браузере. Это означает, что когда вы возвращаетесь на этот сайт, поле имени пользователя на странице входа в систему уже заполнено для вас. Отказ от этого файла cookie безопасен - вам нужно будет просто вводить свое имя пользователя при каждом входе в систему.
36. Биологическая роль s-элементов IА-группы (литий, рубидий, цезий, франций).
По содержанию в организме человека натрий (0,08%) и калий (0,23%) относятся к макроэлементам, а остальные щелочные металлы – литий (10 -4 %), рубидий (10 -5 %), цезий (10 -4 %) – к микроэлементам.
Содержание лития в организме человека около 70 мг (10 ммоль) – 10-4%. Соединения лития у высших жи–вотных концентрируются в печени, почках, селезенке, легких, крови, молоке. Максимальное количество ли–тия найдено в мышцах человека. Биологическая роль лития как микроэлемента пока до конца не выяснена.
Доказано, что на уровне клеточных мембран ионы Li (при достаточной концентрации) конкурируют с иона–ми натрия при проникновении в клетки. Очевидно, за–мещение ионов Nа в клетках ионами Li связано с боль–шей ковалентностью соединений лития, вследствие чего они лучше растворяются в фосфолипидах.
Установлено, что некоторые соединения лития оказы–вают положительное влияние на больных маниакальной депрессией. Всасываясь из желудочно-кишечного трак–та, ионы Li накапливаются в крови. Когда концентрация ионов Li достигает 0,6 ммоль/л и выше, происходит сни–жение эмоциональной напряженности и ослабление ма–ниакального возбуждения. Вместе с тем содержание ионов Li в плазме крови нужно строго контролировать. В тех случаях, когда концентрация ионов Li превышает 1,6 ммоль/л, возможны отрицательные явления.
Рубидий и цезий.
По содержанию в организме человека рубидий (10 -5 %) и цезий (10 -4 %) относятся к микроэлементам. Они пос–тоянно содержатся в организме, но биологиче-с-кая роль их еще не выяснена. Являясь полным аналогом калия, рубидий также накапливается во внут–риклеточной жидкости и может в различных процессах замещать эквивалентное количество калия.
Радиоактивные изотопы 13r Сs и 87 Rb используются в радиотерапии злокачественных опухолей, а также при изучении метаболизма калия. Благодаря быстрому рас–паду их можно даже вводить в организм, не опасаясь длительного вредного воздействия.
Франций.
Это радиоактивный химический элемент, получен–ный искусственным путем. Имеются данные, что фран–ций способен избирательно накапливаться в опухолях на самых ранних стадиях их развития. Эти наблюдения могут оказаться полезными при диагностике онколо–гических заболеваний.
Таким образом, из элементов IА-группы физиологи–чески активны Li, Rb, Сs, а Nа и К – жизненно необходи–мы. Близость физико-химических свойств Li и Nа, обус–ловленная сходством электронного строения их атомов, проявляется и в биологическом действии катионов (накоп–ление во внеклеточной жидкости, взаимозамещаемость). Аналогичный характер биологического действия катионов элементов больших периодов – К + , Rb + , Сs + (накопление во внутриклеточной жидкости, взаимозамещаемость) также обусловлен сходством их электронного строения и физико-химических свойств. На этом основано применение пре–паратов натрия и калия при отравлении солями лития и рубидия.
Пособие подготовлено коллективом кафедры общей и биоорганической химии: зав. кафедрой, профессором Н.М. Сторожок, доцентами Полле Н.Н., Листопадской Т.Я., Гуреевой Н.В., Дарюхиной Е.Н., Цимбал И.Н.
Под общей редакцией профессора Н.М. Сторожок
Утверждено на заседании ЦКМС ГБОУ ВПО ТюмГМА Росздрава
27 октября 2011 г.
Организм без внешней среды, поддерживающей
его существование, невозможен, поэтому
в научное определение организма должна входить
и среда, влияющая на него
По биологической значимости минеральные вещества сравнимы с витаминами, организм человека нуждается в постоянном поступлении этих соединений. Между тем показано, что у значительной части населения России отмечается дисбаланс в обеспеченности эссециальными микроэлементами (дисмикроэлементоз). Недостаточная обеспеченность минеральными компонентами приводит к нарушению активности ферментов, снижению продукции гормонов, витаминов, возникновению иммунодефицита, предрасположенности организма к различных патологиям.
Показано, что живым организмам, формирующим биосферу Земли, присуще свойство концентрировать элементы из окружающей среды. В связи с этим состояния дисмикроэлементоза часто связывают с низким уровнем тех или иных элементов в окружающей среде, нарушением норм потребления минеральных веществ с водой и пищей. Выделяют геохимические провинции, дифицитные по определенным элементам. Без коррекции минерального обмена зачастую неэффективно специфическое лечение многих заболеваний.
Целью настоящего пособия является знакомство с биологической ролью важнейших элементов, изучение общей взаимосвязи между обеспеченностью минеральными веществами и здоровьем человека.
СОДЕРЖАНИЕ
Известно, что количество различных элементов в организме человека существенно различается. Существует несколько классификаций химических элементов, присутствующих в организме человека. Наибольшее признание получила классификация, предложенная Владимиром Ивановичем Вернадским. Химические элементы разделяют на три группы в зависимости от их содержания в живых организмах (массовой доли ω, %):
1. Макроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме превышает 10 –2 %. К ним относят углерод, водород, кислород, азот, фосфор, серу, кальций, магний, натрий, калий и хлор. Основу живых систем составляют шесть элементов (углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера), получивших название органогены. Общая массовая доля этих элементов организме человека составляет 97,3%: из них кислород – 62,4%, углерод– 21%, водород – 9,7%, азот– 3,1%, фосфор – 0,95% и сера – 0,16%. Для органогенов характерно разнообразие химических связей, определяющих многообразие биомолекул в живых организмах.
2. Микроэлементы или жизненно необходимые элементы. К ним относят элементы, содержание которых в организме находится в пределах от 10 –3 до 10 –5 %. В эту группу входят железо, медь, цинк, кобальт, марганец, молибден, хром, хлор, йод, фтор, селен, Микроэлементы в качестве комплексообразователей присутствуют в составе ферментов, гормонов, витаминов, в качестве биологически активных веществ или активаторов регулируют многие биохимические реакции, обмен веществ, процессы размножения, тканевого дыхания, обезвреживание ксенобиотиков.
3. Ультромикроэлементы или примесные элементы относят к условно жизненно необходимым элементам. Их содержание в организме не превышает 10 –5 %. В эту группу объединены ртуть, золото, уран, барий, никель, кремний, алюминий, стронций, бор, никель, ванадий и др.
В организме человека минеральные вещества могут находиться в различных формах:
1. в ионной форме (часто в виде координационно связанных комплексов и хелатов). Так, железо в комплексе с порфирином образует небелковую часть структуры гемоглобина, цитохромов, каталазы; кобальт входит в структуру цианокобаламина; металлокомплекс магния с порфирином представляет хлорофилл.
2. в ковалентной, чаще с атомами углерода, например Se в селеносодержащих белках и ферментах в виде селенометионина. Такие соединения имеют характер элементоорганических. Так же связан кремний и бор.
Читайте также: